CN107294334B - 永磁直流马达及冷却风扇模组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冷却风扇模组，其包括风扇及永磁直流马达，直流马达包括定子及转子。定子包括2P个磁极，P为大于1的整数。转子可转动地安装于定子。转子包括转子轴、固定于转子轴的转子铁芯、换向器及绕组。转子铁芯包括m×P个极齿，m为大于1的奇数。换向器包括k×m×P个换向片，k为1或2，相邻极齿间形成绕线槽。其中，绕组包括若干绕组单元，每个绕组单元P个直接串联的线圈元件，每个绕组单元的两端分别具有一引出线，引出线与换向器的换向片连接，自不同绕线槽引出的任意两根引出线在换向片外的位置相互间隔。所述直流马达的绕组单元与换向片连接的引出线相互间隔，有效防止绕组单元短路，保证冷却风扇模组正常工作。

Description

永磁直流马达及冷却风扇模组

技术领域

本发明涉及一种直流马达，尤其涉及一种永磁直流马达及具有该永磁直流马达的冷却风扇模组。

背景技术

永磁直流马达广泛地应用于多种领域。一种应用领域是用于车辆引擎冷却的风扇马达。由于车辆的安全性要求，使得对其风扇马达的安全性及可靠性要求比其他领域更高。

在永磁直流(PMDC)马达中通常采用带换向器的绕线转子。这种转子具有多个极齿，而电枢绕组就缠绕在极齿上。所述绕组围绕所述极齿形成线圈单元。线圈单元具有引出线与换向器的换向片连接，线圈单元与换向片连接的引出线相互之间若有交叉，将容易造成短路，导致马达故障。

发明内容

本发明提供一种性能稳定的冷却风扇模组及其永磁直流马达。

本发明的实施例提供一种永磁直流马达，包括：

定子，所述定子包括2P个磁极，P为大于1的整数；

转子，所述转子可转动地安装于定子，所述转子包括转子轴、固定于转子轴的转子铁芯、换向器及绕组；所述转子铁芯包括m×P个极齿，m为大于1的奇数；所述换向器包括k×m×P个换向片，k为1或2；

其中，所述绕组包括若干绕组单元，每个绕组单元包括P个直接串联的线圈元件，所述P个直接串联的线圈元件分别绕制于处于相同相位的P个极齿上，每个绕组单元的两端与换向器的换向片直接连接，所有绕组单元两端的引出线靠近换向片的一端相互间隔不交叉。

较佳的，所述绕组由一根连续的绕线绕制而成，这些绕组单元依次相接地连接于所述换向器的换向片。

较佳的，所述绕组绕线的末端由最后一个绕组单元引出后，绕过相邻的1或2个极齿后再连接到相应的换向片或与该换向片等电势的换向片，以使所述末端与其他绕组单元两端的引出线靠近换向片的一端不交叉。

较佳的，所述绕组包括n层，n为大于0小于P的整数，每一层具有k×m个绕组单元，所述k×m×P个换向片中，一部分换向片的每一换向片同时连接2n个绕组单元，其中另一部分换向片的每一换向片仅连接n个绕组单元，而其他的换向片不连接任何绕组单元。

较佳的，在与同一换向片相连的2n个绕组单元中，其中n个绕组单元沿顺时针方向绕制，另外n个绕组单元沿逆时针方向绕制。

较佳的，其中k等于2，n等于1，每个极齿上绕制有两个线圈元件，所述两个线圈元件分别属于两个绕组单元；或者

k等于2，n等于2，每个极齿上绕制有四个线圈元件，所述四个线圈元件分别属于四个绕组单元。

较佳的，所述转子还包括均压线，用于电连接相同相位的换向片。

较佳的，所述直流马达还包括正极电刷和负极电刷，用于与所述换向器的换向片电连接；所述绕组中每一层的k×m个绕组单元形成两条并联支路与所述正极电刷、负极电刷电连接。

较佳的，其中P为3，m为3，所述直流马达为6极9槽马达；或者

P为4，m为3，所述直流马达为8极12槽马达。

本发明的实施例还提供一种冷却风扇模组，包括风扇及如上任意一项所述的永磁直流马达。

上述冷却风扇模组的永磁直流马达，所述每个绕组单元包括P个直接串联的线圈元件，每个绕组单元的两端与换向片连接，绕组单元与换向片连接的引出线相互间隔不交叉，能有效避免绕组单元短路，保证马达正常工作。

附图说明

附图中：

图1是本发明较佳实施例冷却风扇模组的示意图；

图2是图1中所示冷却风扇模组的永磁直流马达的分解图；

图3是图2中所示永磁直流马达的转子的示意图；

图4是图3中所述转子的展开示意图；

图5是图4中绕组与极齿、换向片的连接关系的示意图；

图6是图4的简化示意图；

图7是图4中绕组、换向片以及定子电刷的电路连接示意图；

图8是另一实施方式中绕组、换向片以及定子电刷的电路连接示意图；

图9及图11是图3中所述转子的其他绕线方式的示意图；

图10及图12分别是图9及图11的简化示意图。

主要元件符号说明

具体实施方式

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。可以理解，附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的尺寸仅仅是为便于清晰描述，而并不限定比例关系。

请参考图1，本发明冷却风扇模组100包括适配到散热器或其他安装部件的壳体90及装设于所述壳体内的风扇80。所述壳体90支承一直流马达50，该直流马达50驱动所述风扇80以便产生冷却气流。

请看考图2，该永磁直流马达50包括定子10及转子20。

所述定子10包括设有敞口的外壳11、安装于所述外壳11内壁的永磁体12、能够盖合于所述敞口的端盖13、安装于所述外壳11的轴承14及安装于所述端盖13的轴承15。若以P表示所述永磁直流马达50的磁极的极对数，本实施例中，永磁体12形成6个磁极，P为3。

请一并参考图3，所述转子20包括转子轴21、转子铁芯22、固定于所述转子轴21的换向器23及缠绕所述转子铁芯22的绕组24。所述转子轴21的两端支承于轴承14、15，以使所述转子20能够相对所述定子10转动。

所述转子铁芯22包括若干极齿，每两个相邻极齿之间形成一个绕线槽，所述绕线槽用于容纳所述绕组24的线圈元件。所述转子20的极齿数等于极对数的奇数倍，若以m×P表示所述转子20的极齿数，m为大于1的奇数。本实施例中，P为3，m也为3，所述转子20的极齿数为9。

所述换向器23包括若干换向片。本实施例中，换向片的数量等于极齿数的两倍，所述换向片的数量为18。若以k×(m×P)表示换向片的数量，k等于2。在其他实施例中，换向片的数量可以等于极齿数，即k等于1。

所述绕组24包括若干线圈元件，每个线圈元件绕制于一个相应的极齿上。本实施例中，所述线圈元件的数量为18，每个极齿上绕制两个线圈元件。

所述转子20相对所述定子10旋转时，所述换向器22的换向片正对所述定子10的磁极。

请参考图4，其中线性布置所述转子20的均压线、换向片、极齿等。其中所述换向器22的换向片表示为K1-K18，其中每3个换向片正对所述定子10的相同的磁极，比如S极，即相位相同，所述每3个换向片分别由对应的均压线E1-E6电连接。换向片K1、K7及K13由均压线E1电连接，换向片K2、K8及K14由均压线E2电连接，以此类推。

所述转子铁芯23的9个极齿表示为T1-T9，所述绕组24的18个线圈元件表示为C1-C9及C1’-C9’。其中，线圈元件C1-C9均沿顺时针方向绕制，线圈元件C1’-C9’均沿逆时针方向绕制。每一极齿Tn上绕制有两个线圈元件Cn和Cn’，n为1-9其中任意一数。

所述转子铁芯23的极齿T1-T9可依相位分为三组，每组包括三个具有相同相位的极齿。同一组的极齿之间的角距与极性相同的定子磁极之间的角距相等。当所述转子20相对所述定子10旋转时，每一组的极齿会在同一时刻正对所述定子10的相同极性的磁极，比如S极。例如，极齿T1正对着所述定子20的一个S极时，与极齿T1具有相同相位的极齿T4和T7正对所述定子20的另外两个S极。

请一并参考图5，下面进一步描述所述绕组24的绕线过程。本实施方式中，绕线的始端挂接于换向片K1，然后再沿顺时针方向(CW)依次缠绕第一组相同相位的极齿T1、T7、T4，然后连接到换向片K8以形成绕组单元WA。具体的，绕线从换向片K1出发，顺时针缠绕极齿T1若干匝以形成线圈元件C1后，直接跨到极齿T7并顺时针缠绕极齿T7若干匝以形成线圈元件C7，然后再跨到极齿T4并顺时针缠绕极齿T4若干匝以形成线圈元件C4，最后连接到换向片K8。此时，线圈元件C1、C7及C4形成直接串联。本说明书及权利要求书中，将直接串联的线圈元件成为一个绕组单元，所述绕组单元仅在其两个末端挂接于对应的换向片。亦即，所述绕组单元仅与两个换向片直接连接，各相邻的两线圈元件之间直接连接而不与换向片连接。具体到绕组单元WA，其仅在两端连接到换向片K1和K8。其中，K8是与起始换向片K1的相邻换向片K2等相位的换向片，在与K2等相位的换向片中，换向片K8最靠近极齿T4。

绕线连接到换向片K8上后，沿逆时针方向(CCW)依次缠绕第二组相同相位的齿T3、T6、T9，依次形成线圈元件C3’、C6’、C9’，然后连接到换向片K15上从而形成绕组单元WB’，其中，换向片K15是与换向片K9等相位的换向片，其相对换向片K9更靠近极齿T9。然后绕线沿顺时针方向依次缠绕第三组相同相位的齿T8、T5、T2，依次形成线圈元件C8、C5、C2，然后连接到换向片K4从而形成绕组单元WC，其中，换向片K4是与换向片K16等相位的换向片，其相对换向片K16更靠近极齿T2。然后绕线沿逆时针方向依次缠绕第一组相同相位的齿T1、T4、T7，依次形成线圈元件C1’、C4’、C7’，然后连接到换向片K11上从而形成绕组单元WA’，其中，换向片K11是与换向片K5等相位的换向片，其相对换向片K5更靠近极齿T7。然后绕线沿顺时针方向依次缠绕第二组相同相位的齿T6、T3、T9，依次形成线圈元件C6、C3、C9，然后连接到换向片K18上从而形成绕组单元WB，其中，换向片K18是与换向片K12等相位的换向片，其相对换向片K12更靠近极齿T7。然后绕线沿逆时针方向缠绕第三组相同相位的齿T8、T2、T5，依次形成线圈元件C8’、C2’、C5’。

请一并参考图6，然而，绕线的末端若在缠绕于极齿T5后直接连接到换向片K7，即与换向片K18的相邻换向片K1的等相位换向片中最靠近极齿T5的换向片，如图6中连接于极齿T5及换向片K7之间的虚线所示，所述末端将与线圈元件C3’与换向片K8连接的引出线相交，容易导致马达工作时短路。因此，本发明采取另一种绕线方式，使绕线的末端缠绕极齿T5及形成线圈元件元件C5’后，从下侧跨过极齿T4，再从极齿T4和T3之间的绕线槽延伸至换向片K7与其连接。此时，绕线结束，由于线圈元件C3’与换向片K8连接的引出线及线圈C5’从下侧绕过极齿T4，从极齿T4和T3之间的绕线槽延伸出来，再连接到换向片K7，避免与其它引出线在靠近换向器处发生交叉。图中连接到换向片K7和K8的引出线看似有交叉，但事实上，由于所述两引出线均从极齿T3及T4之间的同一绕线槽中引出，在实际绕线制程中，该交叉会发生在绕线槽内或靠近绕线槽的位置，其在靠近换向器的位置不会相交。因此，本发明中，自不同绕线槽延伸出的引出线互不相交。另外，本发明所称不相交不包括两引出线连接到相同换向片的情形。

从上述绕线过程可知，每个齿上绕制有两个线圈元件，该两个线圈元件分别属于两个不同的绕组单元，该两个绕组单元的两端分别连接到不同的换向片。例如，极齿T1绕制有两个线圈元件C1和C1’，线圈元件C1和C1’分别属于不同的绕组单元WA和WA’，该不同的绕组单元连接到不同的换向片。

在本发明中，每一绕组单元仅直接与两个换向片相连。这两个换向片中，其中之一与其中之另一的相邻换向片等相位。例如，绕组单元WA连接换向片K1和K8，而K8和K2是等相位的换向片，且K2与K1相邻。相似地，K1与K7是等相位的换向片，而K7与K8相邻。由于线圈元件连接到相位相同的换向片上时，其电路是等效的。也就是说，绕组单元WA的两端可以连接到相邻的换向片K1和K2；也可以一端连接到换向片K1，另一端连接到与换向片K2同相位的换向片例如K8或者K14；又或者连接到K7和K8，或K13和K14等。总而言之，绕组单元的两端可以连接到一对相邻的换向片，该相邻的两换向片的其中之任一又可以由与其相位相等的其他换向片代替，但以绕线在挂接换向片时所跨距离最短为优选方案，例如，该绕组单元绕制线圈元件C4后，是挂接到K2、K8和K14这组等相位的换向片中最近的K8，而不是挂接到较远的换向片K2和K14，以进一步缩短绕线时间，以及降低绕线的材料成本。

可以理解，由于绕组单元内的线圈单元均绕制在相同相位的极齿上，这些线圈元件也处于相同相位，即同时正对定子的相同极性的磁极。同一绕组单元内的线圈元件的绕制顺序可以变化，不局限于本实施例所给的顺序。例如：齿T1、T7和T4处于相同相位，对应的线圈元件C1、C7和C4也处于相同相位，因此，线圈元件C1、C7和C4的绕制顺序可以根据实际情况调整，例如先绕制C1再绕制C4和C7。

请一并参考图7，本实施例中的直流马达使用了两对电刷。每对电刷包括一个正极电刷B+和一个负极电刷B-，直流马达的18个线圈元件共形成了两条并联支路连接于正极电刷B+和负极电刷B-之间。每条支路包括9个线圈元件。

本实施例的直流马达转子共形成6个绕组单元，且每一绕组单元包括三个直接串联的线圈元件。下面将对本发明的直流马达转子的绕组单元和线圈元件的数量的规律进行详细说明。

在本实施例中，所有绕组单元各不相同，要么是其所缠绕的极齿不同，要么是绕线的方向不同。此类绕组被称为单层绕组。可以理解，如果转子的绕组包括若干对绕组单元，每对绕组单元包括两个并联的绕组单元，且这两个绕组单元所缠绕的极齿和绕线方向均相同，此类绕组被称为双层绕组。应当意识到，由于每个绕组单元具有的绕圈元件的数量等于一组具有相同相位的极齿的齿数，如果转子绕组为单层绕组，则转子的绕组单元的数量可用k×m来表示。由此可以推得，如果转子绕组为n层绕组，则转子的绕组单元的数量可用n×k×m表示。

图8为本发明另一个实施例提供的直流马达的电刷、转子绕组、和换向片电路连接的示意图。该直流马达也是一个6极9槽18个换向片的直流马达，即，极数2P为6，齿数m×P为9，即m等于3，换向片数为齿数的两倍，即k等于2。图8所示实施例与图7所示实施例的主要区别在于：图8所示直流马达的绕组为双层绕组，即n等于2，其绕组单元的数量、总线圈元件的数量均为图7所示直流马达的两倍。

具体地，图7所示直流马达具有6个(n×k×m＝1×2×3＝6)绕组单元，每个绕组单元具有3个(P)直接串接的线圈元件；图8所示直流马达具有12个(n×k×m＝2×2×3＝12)绕组单元，但每个绕组单元具有的线圈元件数不变。所述12个绕组单元中，共形成6对绕组单元，每对包括两个并联的绕组单元。本实施例中，该两个绕组单元所缠绕的齿、绕线方向以及所连接的换向片均相同。

在图8所示的实施例中，因为线圈元件总数等于齿数的4倍，因此，每个齿上绕制有四个线圈元件，四个线圈元件分别属于四个绕组单元，该四个绕组单元中，其中两个绕组单元形成并联且其两端连接到同一对换向片，即所述两绕组单元属于同一对绕组单元，另两个绕组单元形成并联且其两端连接到另一对换向片，即所述两绕组单元属于同一对绕组单元。例如，齿T5绕制有两个线圈元件C5和两个线圈元件C5’，该两个线圈元件C5分别绕制于内层和外层(或者第一层、第二层)，分别属于两个绕组单元，且所述两个绕组单元的两端连接到同一对换向片K15和K4。另外两个线圈元件C5’分别绕制于内层和外层(或者第一层、第二层)，属于两个绕组单元，且所述两个绕组单元的两端连接到另一对换向片K7和K18。

请一并参考图9-12，可以理解，绕线末端的连接路径可以改变，使绕线的末端与所有绕组单元两端的引出线不相交即可。具体的，绕线的末端逆时针绕过极齿T5形成线圈元件C5’后，依次从上侧绕过极齿T4再从下侧绕过极齿T3，然后连接到换向片K7，绕线结束，所述末端与其他绕组单元的引出线均不相交(参考图9及图10)；或者，绕线的末端逆时针绕过极齿T5形成线圈元件C5’后，从下侧绕过极齿T6、T7，然后连接到与换向片等电势的换向片K13上，绕线结束，所述末端与其他绕组单元的引出线均不相交(参考图11及图12)。

可以理解，在其他实施方式中，磁极、极齿及换向片的数量可以改变，绕组串联的线圈元件数量对应地改变。例如，磁极数量设置为8或4，极齿数设置为12或6，换向片数量设置为24或12，绕组单元串联的线圈数设置为4或2，即所述直流马达为8齿12槽直流马达或4齿6槽直流马达。

可以理解，在其他实施方式中，所述绕组24的缠绕方式可以改变，例如，绕线不连续，所有绕组单元的两端分别连接到不同的换向片上。

上述冷却风扇模组的直流马达，所述每个绕组单元包括P个直接串联的线圈元件，每个绕组单元的两端与换向片连接，绕组单元与换向片连接的引出线相互不交叉，能有效避免绕组单元短路，保证马达正常工作。

Claims (10)

1.一种永磁直流马达，包括：

定子，所述定子包括2P个磁极，P为大于1的整数；

转子，所述转子可转动地安装于定子，所述转子包括转子轴、固定于转子轴的转子铁芯、换向器及绕组；所述转子铁芯包括m×P个极齿，m为大于1的奇数；所述换向器包括k×m×P个换向片，k为1或2，相邻的极齿间形成绕线槽用于收容绕组；

其中，所述绕组包括若干绕组单元，每个绕组单元包括P个直接串联的线圈元件，所述P个直接串联的线圈元件分别绕制于处于相同相位的P个极齿上，每个绕组单元的两端分别具有一引出线，所述引出线自槽内的绕组单元引出，并与换向器的换向片直接连接，自不同绕线槽引出的任意两根引出线在换向片外的位置相互间隔；所述绕组上绕线的一末端由最后一个绕组单元引出后，跨过相邻的极齿从一绕线槽穿出后连接到相应的换向片或与该换向片等电势的换向片，所述末端与其他绕组单元两端的引出线靠近换向片的一端相互间隔不交叉。

2.如权利要求1所述的永磁直流马达，其特征在于，所述绕组由一根连续的绕线绕制而成。

3.如权利要求2所述的永磁直流马达，其特征在于，所述绕组的其中一绕线单元的引出线由最后一个绕组单元引出后，跨过相邻的2个极齿后再连接到相应的换向片或与该换向片等电势的换向片，以使所述末端与其他绕组单元两端的引出线靠近换向片的一端相间隔。

4.如权利要求1所述的永磁直流马达，其特征在于，所述绕组包括n层，n为大于0小于P的整数，每一层具有k×m个绕组单元，所述k×m×P个换向片中，一部分换向片的每一换向片同时连接2n个绕组单元，其中另一部分换向片的每一换向片仅连接n个绕组单元，而其他的换向片不连接任何绕组单元。

5.如权利要求4所述的永磁直流马达，其特征在于，在与同一换向片相连的2n个绕组单元中，其中n个绕组单元沿顺时针方向绕制，另外n个绕组单元沿逆时针方向绕制。

6.如权利要求4所述的永磁直流马达，其特征在于：

k等于2，n等于1，每个极齿上绕制有两个线圈元件，所述两个线圈元件分别属于两个绕组单元；或者

k等于2，n等于2，每个极齿上绕制有四个线圈元件，所述四个线圈元件分别属于四个绕组单元。

7.如权利要求1所述的永磁直流马达，其特征在于，所述转子还包括均压线，用于电连接相同相位的换向片。

8.如权利要求1所述的永磁直流马达，其特征在于，所述直流马达还包括正极电刷和负极电刷，用于与所述换向器的换向片电连接；所述绕组中每一层的k×m个绕组单元形成两条并联支路与所述正极电刷、负极电刷电连接。

9.如权利要求1所述的永磁直流马达，其特征在于，其中

P为2，m为3，所述直流马达为4极6槽马达；或者

P为3，m为3，所述直流马达为6极9槽马达；或者

P为4，m为3，所述直流马达为8极12槽马达。

10.一种冷却风扇模组，包括风扇及如权利要求1至9中任意一项所述的永磁直流马达。

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