CN108123560B

CN108123560B - 用于吊扇的电动机的定子

Info

Publication number: CN108123560B
Application number: CN201711186759.3A
Authority: CN
Inventors: 加勒特·帕特里克·麦考密克; 王仁洪
Original assignee: Hunter Fan Co
Current assignee: Hunter Fan Co
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2021-10-26
Anticipated expiration: 2037-11-23
Also published as: US20180152061A1; CN108123560A; US10886795B2

Abstract

一种用于吊扇的电动机的定子，包括多个堆叠的叠片，其共同限定芯体，该芯体具有围绕芯体周向设置的多个柱。每个柱延伸到两个叉状物内，在叉状物之间限定第一槽。每个柱与其两个叉状物之间的间隔限定具有径向内部和外部槽的第二槽。外部槽几何形状具有从径向内端径向向外延伸的增大的宽度，并且转变成延伸到径向外端的减小的宽度。

Description

用于吊扇的电动机的定子

技术领域

本公开涉及电动机的领域，并且涉及用于吊扇的电动机的领域。更具体地，本公开涉及用于吊扇的电动机的定子结构的领域。

背景技术

电动机包括转子和定子。最常见的布置是转子形成芯体并且定子围绕转子。然而，在吊扇环境中，定子形成芯体并且转子围绕定子更为常见。定子通常由通常被称为叠片(lamination)的多层金属制成。叠片可以是以螺旋排列的多个片或连续片。定子形成多个纵向延伸的绕组柱，线材围绕所述绕组柱缠绕，以形成多个绕组。这些柱周向分开，以在芯体中形成槽。这些槽围绕定子周向间隔开。

发明内容

一种用于吊扇的分布式线圈电动机的定子包括具有多个柱的圆柱形芯体，所述柱具有周向设置的两个叉状物(prong)。在来自同一柱的两个叉状物之间限定第一组槽。在每个相邻的柱之间限定的第二组槽包括内部绕组槽和具有在周向上限定的宽度的通量间隙。通量间隙包括在径向向外方向上延伸的增大宽度和减小宽度。

一种用于吊扇的分布式线圈电动机包括在轴向方向上延伸的电动机轴。定子耦合到电动机轴，具有圆柱形芯体，圆柱形芯体具有多个柱，所述柱具有周向设置的两个叉状物。在来自同一柱的两个叉状物之间限定第一组槽。在每个相邻的柱之间限定的第二组槽包括绕组槽和具有在周向上限定的宽度的通量间隙。通量间隙包括在径向向外方向上延伸的增大宽度和减小宽度。环形转子与定子隔开并围绕定子，以限定气隙，并包括一组转子槽。多个线圈绕组在第一组槽的相邻对和第二组槽的内部绕组槽之间延伸。

一种用于集中式线圈电动机的定子包括具有多个柱的圆柱形芯体，所述柱具有周向设置的两个叉状物。在来自同一柱的两个叉状物之间限定第一组槽。在每个相邻的柱之间限定的第二组槽包括内部绕组槽和具有在径向上延伸的一组相对侧壁的通量间隙。这组通量间隙包括在径向方向上延伸的可变宽度，其中，宽度至少沿着一部分槽径向向外增大。

附图说明

在图中：

图1是具有定子和转子的吊扇电机的剖视图，定子和转子均具有限定插入槽的绕组柱；

图2是定子和转子的示意图，为了清楚起见，去除了围绕柱的绕组，以更好地示出槽的成形横截面；

图3是图2的槽的形状横截面的几何形状的特写视图；

图4A示出了围绕典型的现有技术定子的柱的通量路径的图示；

图4B示出了根据本文所述的各个方面的围绕图2和图3的定子的柱的通量路径的图示；

图5A示出了具有包括线性发散部分和线性会聚部分的槽的替代定子叠片；

图5B示出了在径向内端处包括颈部的图5A的定子叠片的变型；

图6A示出了包括非线性发散部分和非线性会聚部分的另一替代定子叠片；

图6B示出了在径向内端处具有颈部的图6A的定子叠片的变型；

图7A是表示典型感应电机的定子和转子之间的相互作用的等效电路；

图7B是图7A的等效电路的导出物，代表了通过根据本文描述的各个方面的改进的定子叠片设计所认识到的改进。

具体实施方式

图1示出了在吊扇电动机的环境中包含本发明的各方面的类型的电动机10。尽管在吊扇电动机的环境中示出，但是本发明的各个方面适用于电动机，不管其预期的环境如何。电动机10包括居中设置的定子12，该定子通过中心开口11固定地安装在固定的定子轴14上。定子12通常由支撑电机绕组15的一堆钢叠片13形成。具有圆柱形内壁的环形转子16围绕定子12同心地定位。转子16也可以以类似于定子的方式由一堆钢叠片形成。虽然未示出，但是转子16叠片通过一组导体(未示出)和在其每一端处的一对短路环19共同短路。或者，可以将多个绕组配置成使转子 16叠片短路。

吊扇电机10包括上部端盖20和下部端盖21。上部端盖20和下部端盖21通过任何合适的方式(例如，螺钉)固定到转子16，以便在电机操作期间提供上部端盖20和下部端盖21与转子16以及围绕定子12和轴14 的连接旋转。在操作期间，转子16围绕定子12和定子轴14旋转，以驱动多个风扇叶片(未示出)。

参考图2，转子16可由与定子12隔开并围绕定子12的多个堆叠的转子叠片32形成，以在定子12与转子16之间限定空气间隙34。转子16 的设计包括在与空气间隙34相邻的内侧周向对准的一组转子槽36。转子槽36填充有多个导体37，这些导体通过在其每一端处的一组短路环(未示出)共同短路。通过穿过转子槽36压铸铝或铜并在转子槽36的两端上形成一对环来形成导体和短路环(未示出)。或者，转子槽36中的一系列绕组可以配置成使多个导体37短路。

定子12可以由多个堆叠的叠片13形成，这些叠片共同限定具有围绕芯体40周向设置的多个柱28的芯体40。每个柱28延伸到两个叉状物30 中，并且每个相邻的柱及其两个叉状物30之间的间隔限定了具有内部绕组槽47和通量间隙48的第一槽45。同一柱28的两个叉状物30之间的间隔限定了第二槽46。第一槽45可以被认为是围绕定子12周向间隔开的第一组槽，并且第二槽46可以被认为是围绕定子12周向间隔开的第二组槽。

第一组槽的内部绕组槽47的尺寸和形状被设定为围绕每个柱28接收和支撑由方框45A示意性示出的内部线圈绕组。第二组槽适于接收从不同的柱28在两个相邻的叉状物30上延伸的两个相邻第二槽46之间的由方框46A示意性示出的外部线圈绕组。

通量间隙48包括在径向内端49处的第一颈部52和在径向外端50处的第二颈部54。第一颈部52提供锚定点，用于将绝缘体定位在内部线圈绕组槽47，以防止线圈绕组围绕柱28的滑动。

参考图3，示出了图2的定子12的示例性四分之一圆，通量间隙48 包括在周向方向上限定的宽度55。通量间隙48的几何形状包括从内端49 径向向外延伸的发散部分57，转变成终止于外端50的会聚部分59。发散部分57可以被定义为具有径向向外延伸的通量间隙48的宽度55的增大值，而会聚部分可被定义为具有径向向外延伸的通量间隙48的宽度55的减小值。尽管示出了发散部分57延伸了小于会聚部分59的径向长度，但是应当理解的是，这是示例性的，并且会聚和发散部分可以延伸了通量间隙48的任何部分。

另外，每个叉状物30还可以具有在周向方向上限定的宽度61。每个叉状物30的宽度61可以根据通量间隙48的几何形状在径向向外方向上变化。例如，如所示的，通量间隙48的会聚部分59限定了径向向外延伸的叉状物30的增大宽度61。然而，在非限制性示例中，可以预期的是，宽度61可以是增大的、减小的、可变的或其任何组合，并且对于叉状物 30的一部分是恒定的。在图4A中示出了在典型吊扇电机中使用的传统定子70的模拟磁通线的图示。与发散部分57/会聚部分59不同，典型的定子70中的通量间隙78包括在径向方向上延伸的恒定宽度。限定通量间隙 78的叉状物73之间的接近度和线性导致来自围绕柱的内部绕组的漏通量 75的大量边缘。边缘通量是通量线在磁路的气隙中的扩散，这是电磁干扰的常见原因。图4B示出了在图4A的相同条件下具有图2和3的通量间隙48的定子的通量线。当将图4B与图4A相比较时，可以看出，通量间隙48的通量线减少了漏通量65的边缘。图4B中所示的通量间隙78的设计比传统线性通量间隙78使通量泄漏减小了2-4倍，并且使与所有通量泄漏源的组合相关的整体阻抗减小了至少15％。

减小的边缘归因于通量间隙48的发散部分57的增大的宽度，这增大了在径向方向上穿过该组叉状物30的磁阻，导致漏通量65的更低的边缘。转变成通量间隙48的会聚部分59的减小的宽度导致当叉状物30径向向外延伸时其增大的宽度。叉状物30的增大的宽度防止在通量间隙48的任一侧上形成穿过叉状物30的磁通的阻塞点。

在图5A中示出了另一示例性定子。图5A基本上类似于图3，数字增加了一百，而讨论将局限于两者之间的差异。具有与第一实例类似结构的定子112包括具有围绕芯体140周向设置的叉状物130的多个柱128，该具有第一组槽145和第二组槽146。定子112的不同之处在于，该组通量间隙148具有两者都通过通量间隙148的线性壁限定的发散部分141和会聚部分143。发散部分141在通量间隙148的长度的一半上从径向内端149 径向向外延伸，并且转变到延伸到径向外端150的会聚部分143。虽然在图5A中，示出了发散部分141和会聚部分143每个均限定在径向方向上延伸的通量间隙148的一半，但是应当理解，发散部分141和会聚部分143 可以是径向长度的任何百分比，例如，分别是径向长度的60％以及径向长度的40％。该通量间隙148的几何形状在该组叉状物130的一半长度上径向地保持磁阻的增大，导致较低的泄漏通量和边缘通量。当通量间隙148 的径向外端150转变到会聚部分143时，叉状物130的宽度在靠近外端150 的通量间隙148的任一侧上增大。沿着叉状物130的增大的宽度防止形成用于通量通过的阻塞点。

参考图5B，图5A的替代定子113的变化包括在径向内端149处的第一颈部152，以提供用于将绝缘体定位在内部绕组槽147处的锚定点。虽然示出了通量间隙148的外端150可以稍微渐缩，以当叉状物130径向向外延伸时，进一步增大它们的宽度，叉状物130可被配置成具有可变的宽度，以控制穿过叉状物130的通量密度。

图6A中示出了第四示例性定子212，示出了一组通量间隙248的非线性几何形状。图6A可以基本类似于图3，可以理解的是，相似的部分将通过增加了二百的相同数字来描述。

参考图6A，定子212包括根据第一示例性定子的相同基本结构，除了具有两者都为非线性的发散部分241和会聚部分243的通量间隙248以外。通量间隙248的发散部分241和会聚部分243之间的转变在通量间隙 248的整个长度上是逐渐的，限定了具有将内部绕组槽247耦合到通量间隙248的基本上椭圆形的弓形轮廓。虽然示出了通量间隙248关于圆周中心、径向轴线或这两者对称，但是它们可以变化，以形成独特的非线性形状。例如，它们可以与图5A和5B中描述的槽几何形状相结合，以形成沿着槽的至少一部分具有凸起轮廓的组合式非线性和线性形状。这种槽的几何形状可以沿着该组叉状物230径向地保持磁阻的增大，导致较低的泄漏通量和边缘通量。在靠近外端250的通量间隙248的任一侧上的叉状物230的增大的宽度防止形成用于通量通过的阻塞点。通过利用几何形状的组合或者基于电机的设计改变几何形状，可以降低对于特定电机的漏通量和边缘通量。通量间隙248的几何形状可以适应于特定电机，以提高效率。

如图6B所示，图6A的替代定子213变型也可以配置成包括在径向内端249处的第一颈部252，以提供用于将绝缘体定位在内部绕组槽247 处的锚定点。叉状物230和通量间隙248也可以配置成具有从第一颈部252 部分延伸的可变宽度，以控制穿过叉状物230的通量密度。

参考图7A和图7B，示出了两个电路图，描绘了通过如图3和图4B所示的通量间隙48的几何形状所认识到的益处。然而，应该理解的是，通过本文描述的其余定子的替代可变几何形状，认识到这种益处。

参考图7A，示出了表示定子12(图2)和转子16(图2)相互作用的电路图。电路中显示的各种参数具有以下含义。

R1是定子绕组的电阻。

X1是与定子12中的通量泄漏相关的阻抗，其阻止通量穿过定子-转子气隙34(图2)。在定子中通过通量间隙48(图2)泄漏的通量也对整个通量泄漏有贡献。

Io是与磁化定子相关的电流。

Rc是表示芯体损失(例如，涡流和磁滞损耗)的电阻。

Xm是使通量穿过定子-转子气隙所需的磁化电抗。

s是磁场的同步速度和被称为电机滑差的轴转速之间的差值。

R2是与转子相关的电阻。

X2是与转子相关的磁化电抗。

E1是由定子绕组产生的电磁力(EMF)。

E2是通过E1在转子上感应的电磁力(EMF)。

I2是与转子相关的电流。

定子12和转子16之间的气隙34表示为变压器。通过绕组在定子12 上形成的EMFE1在转子16上感应EMF E2。EMF的感应受到滑差s的影响。当转子16的速度增大时，滑差s的值下降，并且感应的EMF E2也下降。结果，转子16的电抗X2将随速度变化，并且表示为取决于滑差s 的变量。从等效电路中，I2可以用以下等式表示：

I2＝(s·E2)/√((R2)²+(s·X2)²) (1)

通过检查影响电流I2的因素，可以将电路操纵成图7B所示的等效形式。I2可以被重写为以下等式：

I2＝(E2)/√((R2/s)²+(X2)²) (2)

在这种形式中，转子16电阻R2与滑差s成反比地改变。当转子16 加速时，滑差s的值下降并且转子16中的有效电阻R2增大。

基于本发明，增大电动机10中的磁阻可以通过利用沿着定子12径向向外延伸的发散部分和会聚部分减少在通量间隙48处的通量泄漏来完成。通过加宽定子12的通量间隙48(图2)的几何形状，通量间隙48上的磁阻增大，减少了来自通量间隙48的通量泄漏。减少的通量泄漏使定子12 阻抗X1减小了15％，导致加强在定子12的外部径向延伸的磁通的电流I1的增大。定子12侧上的电流I1的增大产生了较强的EMF E1，其在转子16侧上感应较强的EMF E2，导致转子16的电流I2的增大。转子16 中的感应电流I 2将直接影响由转子16产生的转矩量。为了最大化该益处，需要通过增大穿过转子叠片32的转子槽36和导体37(图2)的横截面面积来减小转子16电阻R2。或者，这也可以通过对转子的导体37和短路环19使用较低电阻率材料来完成，例如，使用铜代替铝。

根据本文所述的各个方面的槽几何形状的独特设计增大了横向穿过定子通量间隙48的磁阻，导致穿过槽的较低的泄漏通量和边缘通量。通过通量间隙48的磁阻的增大而增大了通过气隙34径向延伸的磁通，这改善了电动机10的效率。这种改善可以提高电机的整体效率。

一种增大具有转子和定子的电动机中的磁阻的方法可以包括(1)通过沿定子径向向外延伸的发散部分和会聚部分来减小通量间隙处的通量泄漏。发散部分和会聚部分可以类似于在此描述的那些。例如，参见图5A 和5B的发散部分141和会聚部分143。在一个实例中，这种用于通量间隙的构造可以将整体阻抗降低15％或更多。另外，会聚部分和发散部分可以增加整个通量间隙上的磁阻，并且增加从定子径向向外延伸的通量。

应当认识到，增大从定子径向向外延伸的通量可以在通过电机获得的相同功率下改善转子的转矩，通过最小化通量泄漏来提高风扇的效率。

本申请要求2016年11月30日提交的美国临时专利申请No. 62/428,175的优先权，将其全部内容通过引证结合到本文中。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行改变。虽然在本文使用了特定的术语，但是它们仅以一般性的和描述性的意义使用，而非用于限制的目的。

Claims

1.一种用于吊扇的电动机(10)的定子(12)，所述定子(12)包括：

芯体(40)，具有围绕所述芯体(40)周向设置的多个柱(28)；

第一槽(45)，位于相邻的柱(28)之间，所述柱共同限定一组第一槽(45)，其中所述多个柱中的每个柱包括一组叉状物，所述第一槽(45)包括内部绕组槽(47)以及与所述内部绕组槽(47)连通并在所述内部绕组槽(47)的外部径向提供的通量间隙(48)，其中所述通量间隙为所述一组叉状物中的一个叉状物的长度的一半，其中，所述通量间隙(48)包括非线性的发散部分(57)和位于所述发散部分(57)的径向外部的非线性的会聚部分(59)，所述发散部分具有60％的径向长度，并且所述会聚部分具有40％的径向长度；以及

第一颈部(52)，设置在所述通量间隙(48)的径向内端(49)处，其中，所述第一颈部(52)提供锚定点，用于将绝缘体定位在所述内部绕组槽(47)处，以防止在两个所述内部绕组槽(47)之间延伸的线圈绕组的滑动。

2.根据权利要求1所述的定子(12)，其中，所述第一颈部(52)形成所述内部绕组槽(47)与所述通量间隙(48)之间的汇合处。

3.根据权利要求1所述的定子(12)，还包括与所述第一颈部(52)相对地设置在所述通量间隙(48)的径向外端(50)处的第二颈部(54)。

4.根据权利要求1所述的定子(12)，其中，所述叉状物(73)的宽度(61)相对于所述芯体在径向方向上变化。

5.根据权利要求4所述的定子(12)，其中，所述一组叉状物(73)的宽度(61)相对于所述芯体径向向外延伸地增大。

6.根据权利要求4所述的定子(12)，还包括在来自同一柱(28)的这组叉状物(73)之间限定的第二槽(46)，所述柱共同形成一组第二槽(46)。

7.根据权利要求6所述的定子(12)，其中，所述一组第一槽(45)包括八至十二个第一槽(45)，并且所述一组第二槽(46)包括八至十二个第二槽(46)。

8.根据权利要求1所述的定子(12)，其中，所述一组第一槽(45)的侧壁都是线性的和非线性的。