CN105846560A - 用于电机的定子 - Google Patents

Abstract

一种用于电机的定子，具有借助干涉配合装配到框架中的叠片铁心。所述铁心在形成干涉配合的表面周围具有凹口，所述凹口降低框架中的应力。所述凹口从所述铁心的外表面朝向电机的中心延伸。当操作或储存温度降低至低值时本发明特别有益。本发明还适用轴安装到转子铁心中。

Description

用于电机的定子

技术领域

本发明总体涉及用于电机中的定子。更具体而言，本发明涉及定子被容纳在框架中并且具有围绕凸极的密集绕组的电机。

背景技术

电机通常包括定子和转子，定子具有一个或多个连接至电源的绕组，转子设置成在定子内部或外部旋转。通常，定子和转子由电工钢片的叠片堆叠而成，叠片堆叠被加固成通常被称为定子铁心和转子铁心的块(block)。用于容纳定子铁心的的外壳类型可采用多种形式：采用“无框架”构造的机器，其不具备或近乎不具备围绕定子铁心的框架并且以家庭应用的小尺寸常见；仅采用基本框架来保护定子免于灰尘或溅水的机器；直到具有完全闭合框架的机器，该框架设计成耐受来自定子的反作用力矩并将其传送至机器周围的环境。本发明具体涉及该最后一类具有围绕并容纳定子的框架的机器。

为了抵抗反作用力矩将定子牢固保持在框架内，常规操作是借助干涉配合将定子装配到框架中。干涉配合具有能降低定子铁心与框架之间的热阻抗的附加优势，而且常规做法是在框架中设置某种冷却套以便提取机器中的热损失(extract losses in the machine)并使其在别处消散。框架可以不同方式制得，例如，其可从预形成的金属件制造或者可从熔融金属(通常为铝或铁)铸造。铝的优势在于对于所需强度可制得较轻的框架，而且相对容易机器加工成所需的成品尺寸。

借助干涉配合将铁心装配到框架中通常落入下述两类之一中：在环境温度下将两部件压在一起，这通常用于较小的机器；以及利用一个或两个部件的热膨胀或收缩，使得在部件被滑动在一起时干涉配合被临时去除。假定框架和铁心是基本同心的圆筒，则借助干涉配合装配之后，内部圆筒(即铁心)是压缩的，而外部圆筒(即框架)是膨胀的。其发生的程度取决于两种部件的相对刚度。通常铁心比框架刚性大得多，这是因为其是由电工硅钢制成的，而且对电磁设计的需要产生了刚性的结构。相比而言，框架(特别是如果其由铝制造的话)的硬度小得多，这是因为要满足其他机械和热需要，而不能使框架太厚，而且设计者通常处在要使框架尽可能轻的商业压力下。

由于钢和铝的温度膨胀系数不同，干涉的程度取决于部件的温度。例如20℃环境温度下0.2mm的干涉随着部件的温度升至150℃的工作温度而减小，而设计者必须保证其仍然足以提供该温度下所需的力矩传递。另一方面，随着温度降低至例如最低储存温度-50℃，铝框架中的应力上升且成为主要的设计问题。

图1示出了容纳于铝框架12中的示例性定子的部分10。该定子具有凸极14，围绕凸极布置有一个或更多个绕组(为清楚起见此处未显示)。凸极从通常被称为护铁的定子的环形部分向内延伸。为简单起见铝框示为简单环形物。该图针对20℃温度下0.22mm的干涉配合绘制。选择该干涉量以便在+150℃产生适当的力矩传递。由于干涉配合引起的框架12内的应力轮廓线以MPa为单位的应力标记。由于定子铁心在周向上不是均匀的，因此框架中的引力在周向上变化。正如所预期的，极中心线上的定子刚性最大，而且框架12中的最大应力居中地在该线上。最大应力为95MPa；最小为82MPa。这些应力水平将被认为处于电机的可接受水平内。

图2示出了-40℃温度下的相同部件，这是很多应用的典型最低操作温度。最小应力此时增至104MPa，而最大增至120MPa。这些应力水平是针对理想化的圆筒体——实际中框架需要具有其他特征(例如，安装点、散热片(fin)、冷却装置等)，所有这些将充当应力集中因素。另外，铸造框架可能具有铸造夹杂物或其他缺陷，其也将充当应力集中因素。铸造铝通常具有约220MPa的屈服应力，但是针对具有其不可避免的应力集中因素的实际框架，该图将显著较低。实际框架的安全裕度因此可能受到-40℃下的图2中所示的应力水平的破坏，因此可能出现永久的框架形变或断裂。

对于所示的示例性部件，降低干涉配合以降低框架中的应力是不可能的，因为这将损坏+150℃下的力矩传递。因此，对下述定子设计存在需求：其在不增加框架厚度以及不因此增加成本的情况下，能够降低框架中的应力，同时仍保持组件传递机器产生的力矩的能力。

发明内容

本发明在所附独立权利要求中进行限定。本发明的优选特征描述于分别从属于其的权利要求中。

在一些实施方式中，提供了用于电机的定子铁心。该定子铁心界定出大体环形部分，且定子极(stator poles)从该大体环形部分向内径向延伸。在该大体环形部分的外轮廓中的一个或多个凹口从外轮廓向内径向延伸，每个凹口倾斜地(angularly)布置在各自定子极的侧面之间，并且在该大体环形部分的径向范围的至少一半上，径向延伸到大体环形部分中。有利的是，通过在定子极的大体环形部分中设置一个或多个凹口，当定子极经由干涉配合安装在框架中时，对于给定的干涉配合强度而言，由于与定子干涉配合引起的框架中的最大应力降低。这将在下面详述描述。

对于定子铁心和框架而言，可以使用具有不同热膨胀系数的材料。在这种情况中，还将存在着框架中的应力随温度而变化，对于热膨胀系数差别较大的定子铁心和框架，这些变化也的较大的。热膨胀系数之间的差别越大，则由凹口所提供的应力降低的益处越大。在一些实施方式中，定子铁心由钢制造，例如如通常用于定子叠片的软磁钢，而框架由铝或铝合金制造。

为避免疑义，定子铁心可设置有一个或多个凹口，例如，两个或更多个，其中每个如本文所述来构造，但是不排除另外构造的其他凹口的存在。在一些实施方式中，按照本发明一个或多个凹口彼此构造可不同，不管其他凹口是否也按照本公开构造或以其他方式构造。在一些实施方式中，每个定子极设置了至少一个凹口，例如每个定子极单个凹口。在一些实施方式中，并非每个定子极具有凹口，但是凹口仍以旋转对称设置。例如，每隔一极可具有凹口。在一些实施方式中，凹口的位置涉及框架中将另外导致应力集中因素的特征。在另外的实施方式中，凹口不在定子铁心的整个轴向长度上延伸。

在一些实施方式中，每个凹口可以居中设置在与各自定子极的中心重合的半径上。凹口可径向延伸超出大体环形部分的径向范围而进入各定子极中。每个凹口可倾斜地在一弦上延伸，该弦在凹口的径向深度的20％-50％之间。

在一些实施方式中，每个凹口可具有从内部凹口根部径向且向外倾斜延伸的侧面。每个凹口在内部凹口根部可具有弧形轮廓(radiusedprofile)。此外，每个凹口可连接大体环形部分的外轮廓，在凹口与外轮廓连接之处形成弧形轮廓或圆角半径。凹口通常可以圆形形状设置。

在一些实施方式中，每个凹口在定子铁心的轴向范围上延伸，其为从定子铁心的一个轴端面到另一个。在其他实施方式中，每个凹口仅在定子铁心的径向范围的一部分上延伸。

在一些实施方式中，定子铁心由叠片堆形成，叠片成形为被堆叠在一起而形成定子铁心。

一些实施方式提供了包括如上所述定子铁心和保持该定子铁心的框架的电机。定子铁心和框架形成干涉配合。

在一些实施方式中，电机可包括连接至一个或多个凹口的冷却剂供应，以便将冷却剂供应给该一个或多个凹口。有利的是，在此类实施方式中，凹口的应力降低优点与冷却功能相结合，而无需额外的冷却管。为此，定子铁心的外部轮廓(至少在每个凹口的任一侧附近)可与框架形成密封而将冷却剂保留在凹口内。在一些实施方式中，密封通过使用粘合剂来增强。在一些实施方式中，凹口内的衬里用于容纳密封剂。

在一些实施方式中，电机是开关磁阻电机(switched reluctancemachine)。

其他实施方式提供了制造通过干涉配合被保持在电机框架中的定子铁心的方法。该方法包括通过在定子铁心的外轮廓上设置一个或多个凹口来制备定子铁心设计。该方法还包括调节凹口的结构以降低框架中的应力，优选同时将机器中磁通路径的长度增长保持在可接受水平。磁通路径长度增加的可接受水平将取决于定子铁心设计的设计约束条件，并且将因情况不同而变化。对于每个设计过程，其为一设定水平(set level)，不允许磁通路径增加被上升至高于该设定水平。在一些实施方式中，该方法包括按照所述定子铁心设计制造定子铁心。

附图说明

本发明的其他方面和优势在阅读本发明的示例性实施方式详述并参考附图之后将是显而易见的，在附图中：

图1示出了温度为20℃时单位为MPa的应力轮廓线的定子的一部分；

图2示出了在-40℃温度下的图1的定子；

图3示出了按照本发明实施方式的定子的横截面；

图4示出了图3的定子部分的放大视图；和

图5示出了框架中随凹口宽度的应力变化。

具体实施方式

当图1和2中所示的诸如定子和框架的部件借助干涉配合装配时，由于干涉配合所产生的接触面压力所述部件从其各自的位置偏移。当图1和2中所示的定子温度变化时，由于热膨胀或收缩产生的张力变化，所述部件的偏移经历进一步的变化。由于干涉配合，在一些区域中框架被向外移动，而在一些区域中定子铁心向内移动，且移动的周向值为定子不对称性的函数。例如，基于图2给出的应力条件的计算显示框架的最大向外偏移为0.18mm(在与定子的接触面处)，而定子极的向内偏移为0.04mm。

图3示出了根据本发明实施方式的定子铁心30。凹口32已经被设置在构成定子铁心的叠片中，优选是定子铁心的护铁34中。优选地，凹口关于定子极的中心线被居中设置，尽管在一些实施方式中，它们可从中心线偏移。根据良好的习惯做法，凹口的根部成弧形，以避免不必要的应力增加。优选地，凹口延伸进入定子极中超过定子铁心的护铁34的径向长度，尽管在一些实施方式中，其可能要小于定子铁心的护铁34的径向长度。铁心的一部分40的放大视图示于图4中。凹口42的作用在于降低极区域中的铁心的刚度，使得当借助干涉配合装配到框架中时，铁心相比于没有凹口情况偏移更多。铁心偏移的增加进而降低了框架中的应力。计算显示框架中的最大应力仍发生在极的中心线处(图4中的点MX)，但是在20℃从无凹口情况下的95MPa(图1)降低至76MPa，并且在-40℃从无凹口情况下的120MPa(图2)降低至106MPa。

框架中的这种应力降低为设计者提供了额外的自由，使得可得到下述益处：温度下限降低而不存在框架断裂的风险；温度上限增高，而不存在损失力矩传递的风险；较薄的框架等。

在图3和4所示的示例性定子中，V-型凹口产生的空隙被空气填充。在其他实施方式中，凹口被填充冷却流体，该冷却流体从定子叠片中吸取热。热可以传递至框架以便消散或回收，或者流体可连接至常规类型的换热器。例如，冷却剂可被泵入歧管中，该歧管邻接铁心的一个轴向端并且具有将冷却剂输送至一个或多个凹口的端口。在铁心的另一端，第二歧管可接收来自凹口的冷却剂。歧管可由合适的管道提供或者通过嵌入定子框架中的冷却回路提供。经过凹口之后，冷却剂可被输送到换热器并在返回至第一歧管之前被冷却。冷却剂可通过冷却剂泵循环。护铁34可以与框架形成密封，以容纳凹口内的冷却剂，和/或冷却剂可以通过凹口内的适宜衬里来保持。

V-型凹口的角度范围和凹口的径向深度是设计者可用来控制铁心刚性的两个参数。凹口太深会由于增加围绕护铁延伸的磁通的路径长度而损害铁心的磁性性能，而凹口太浅则不会在铁心刚性上产生任何显著改变。当设计要满足特定机器性能要求的铁心时，设计者将会牺牲一些磁性性能以改进铁心的柔性，直到达到合适的折中。当凹口的径向深度比护铁的径向深度(极之间)稍长时，这种情况可发生，但是由于叠片的设计不同，预期这会存在一些变化。

类似的考虑适用于凹口的角宽度。随着凹口的宽度(即，角跨度)从近似零的尺寸增加，框架中的应力下降。图5示出了图4中所示的凹口的框架应力变化的典型曲线。可见，存在一个初始的较大优势，然后趋于平稳。随着凹口宽度增加，会有一些铁心磁性性能的降低。然而，限制的考虑因素可能在于铁心与框架之间降低的接触力，这在凹口非常宽的情况下将会降低至其将不能传递所需力矩的水平。

综合考虑所有这些因素，已经发现，使凹口的径向深度稍微大于护铁的径向深度并使角度范围的弦(chord)为径向深度的20-50％将会使得铁心刚性有益地减小，而在磁性性能上没有显著的损失。这些尺寸可用作任何特定叠片的优化程序的起点。

上述讨论利用了三角形凹口来阐述本发明的实施方式。尽管三角形凹口是优选的，原因在于其对磁性性能具有最小的影响，但是其他形状是可能的。例如，凹口可以是矩形的(优选具有弧形角，以降低铁心中的应力)或者一些其他常规形状。

上述讨论已经就定子铁心和周围的框架描述了本发明。将本发明应用于转子铁心及携带其的轴也是可能的。将转子铁心固定于轴的一种方法是利用干涉配合。为了降低转子轴装配到铁心中时的应力，可按照与上述相同的原理在转子铁心的孔周围设置凹口。

本领域技术人员应理解，在不背离本发明的情况下，所公开装置的变形是可能的。因此，若干实施方式的上述描述通过示例实现，其目的并非是限制。对本领域技术人员很清楚的是，可对所述装置进行较小的修改，不会显著改变上述操作。本发明意图仅通过所附权利要求的范围进行限定。

Claims (15)

1.一种用于电机的定子铁心，所述定子铁心限定大体环形部分，且定子极从所述大体环形部分径向向内延伸，其中在所述大体环形部分的外轮廓中的一个或多个凹口从所述外轮廓径向向内延伸，每个凹口倾斜地布置在各自定子极的侧面之间，且在所述大体环形部分的径向范围的至少一半上延伸到所述大体环形部分中。

2.如权利要求1所述的定子铁心，每个凹口被居中地设置在与各自定子极的中心重合的半径上。

3.如权利要求1或权利要求2所述的定子铁心，每个凹口径向延伸超过所述大体环形部分的径向范围进入各自定子极中。

4.如前述权利要求中任一项所述的定子铁心，每个凹口在一弦上倾斜地延伸，所述弦在所述凹口的径向深度的20％-50％之间。

5.如前述权利要求中任一项所述的定子铁心，每个凹口具有从内部凹口根部径向且倾斜地向外延伸的侧面。

6.如权利要求5所述的定子铁心，每个凹口在所述内部凹口根部的区域具有弧形轮廓。

7.如前述权利要求中任一项所述的定子铁心，每个凹口在所述定子铁心的轴向范围上轴向延伸。

8.如前述权利要求中任一项所述的定子铁心，其由堆叠在一起的叠片的堆叠形成，所述叠片堆叠在一起形成所述定子铁心。

9.一种电机，包括如前述权利要求中任一项所述的定子铁心和保持所述定子铁心的框架，所述定子铁心和框架处于干涉配合。

10.如权利要求9所述的电机，包括连接至该一个或多个凹口的冷却剂供应，以向所述一个或多个凹口供应冷却剂。

11.如权利要求9或权利要求10所述的电机，其中所述电机是开关磁阻电机。

12.一种叠片，其成形为与一个或多个其他叠片堆叠，以形成如权利要求8所述的定子铁心。

13.一种通过干涉配合而被保持于电机的框架中的定子铁心的制造方法，所述方法包括通过下述制备定子铁心设计：在所述定子铁心的外轮廓中布置一个或多个凹口，并且调整所述凹口的构造以在所述定子铁心被装配在所述框架中时以降低所述框架中的应力。

14.如权利要求13所述的方法，其中调整所述凹口的构造包括调整所述凹口的构造以在所述定子铁心被装配在所述框架中时降低所述框架中的应力，同时使电机中磁通路径长度的增加保持在可接受的水平。

15.如权利要求13或14所述的方法，所述方法包括根据定子铁心设计制造定子铁心。