CN110417226B - 一种多段轭宽的电动工具用电机 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多段轭宽的电动工具用电机。该电机包含整体式定子，其外侧配置有复数个沿其径向外突出的凸部，所述凸部的周向内侧配置有凹部，其用以容纳绕线；转子，其配置于所述定子的内侧；换向器组件，其与所述转子同轴的连接；所述换向器组件包含，与所述转子同轴的连接电枢轴、与所述电枢轴匹配连接的换向器及与所述换向器电性连接的电刷；所述定子的外径介于40mm～57mm，所述转子外径与所述定子外径比值介于0.50～0.62，所述定子的轭宽与所述凸部的厚度比值介于0.75～1.0。采用本申请实施方式的电机其与同尺寸的定子相比，提高电机的槽满率，同等条件下的输出能力。

Description

一种多段轭宽的电动工具用电机

技术领域

本发明涉及一种电机，具体地涉及一种多段轭宽的电动工具用电机。

背景技术

手持式电动工具，例如角磨、摆动机等要求用户手持工具进行操作在工件上实现切削、钻孔、打磨等工作的作业工具。现有技术中采用分体式定子电机来替代常规整体式电机。所谓分体式电机，是其定子在绕制前是被分为多块，每一块独立绕线可以增加绕线量，在绕完线之后再将各个块拼接或者焊接为一体。常规工艺下，分体式定子可以比整体式定子绕制更多线圈，从而能提升了电机的功率。但是，分体式定子的制造和装配工艺比整体式定子的复杂，制造的成本高很多，限制了其在手持式电动工具产品中广泛使用。

发明内容

基于上述问题，本发明提供一种电动工具用电机，其具有成本低、功率密度高。具有整体式定子的有刷电机。

为此本发明采用如下技术方案：

一种多段轭宽的电动工具用电机，其特征在于，包含整体式定子，其外侧配置有复数个沿其径向外突出的凸部，所述凸部的周向内侧配置有凹部，其用以容纳绕线；

转子，其配置于所述定子的内侧；

换向器组件，其与所述转子同轴的连接；所述换向器组件包含，与所述转子同轴的连接电枢轴、与所述电枢轴匹配连接的换向器及与所述换向器电性连接的电刷；

所述定子的外径介于40mm～57mm，所述转子外径与所述定子外径比值介于0.50～0.62，

所述定子的轭宽与所述凸部的厚度比值介于0.75~1.0。采用这样的设计，提高电机了的槽满率以及输出能力。

优选的，该定子还包含一对相向配置的喇叭状凸极，其分别配置在定子内侧，一对相向配置相对的配置中心轭，其分别配置在定子内侧，一对所述中心轭的中线与一对所述凸极的中线垂直，所述中心轭的轭宽与所述凸部的厚度比值介于0.75~1.0。

优选的，该定子的外径为46mm或48 mm或50 mm或52 mm或55 mm或57 mm，所述转子外径与所述定子外径的比值介于0.55 ～0.60。

优选的，该转子外径与所述定子外径的比值为0.60，所述定子的中心轭宽介于3.6mm～4.2 mm。

优选的，该转子外径与所述定子外径比值介于0.58～0.60，所述凸部的厚度的4.8mm，所述电机的输出功率与其体积比介于9～11（单位w/cm3）。

优选的，该凸部与定子一体成型，所述凸部处的厚度介于3.8mm～5.0mm。

优选的，该定子沿所述电枢轴的轴向的长度介于40mm～60mm。

优选的，该电枢轴的直径介于6mm～8mm。

优选的，该电机还包含散热风扇，其通过连接件与转子的转轴同轴连接，基于所述转子的转动带动所述散热风扇旋转；所述散热风扇的直径大于所述转子的外径，所述散热风扇的直径与所述转子的外径比值介于1.5～3。

优选的，该凸部的厚度与槽面积的比值介于8.5~11%。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点：

相较于现有电机的定子采用等轭宽的设计，本申请实施方式的电机电子采用多段轭宽的设计，其提高电机的槽满率，提高电机的功率密度等。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：。

图1为本发明实施例的电机的结构示意图；

图2本发明实施例的电机的定子结构示意图；

图3为本发明实施例的定子截面示意图；

图4为本发明实施例的转子的示意图；

图5为本发明另一实施例的定子截面示意图；

图6为本发明实施例的转子组件截面示意图；

图7为本发明实施例的电机的截面示意图；

图8为本发明实施例的电机的凸部与槽面积的示意图；

图9为本发明实施例的电机的仿真结果示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。本实施方式中，提及的定子的外径，其包含凸部突出的高度。

实施例

接下来结合图1-图8来描述本发明实施方式的电机。而且，附图中包括示意图，会有各个部件的缩尺以及纵横的比率等与实际不同的情况。

如图1所示为电机的结构示意图，电机50，包含定子51，内设有绕组52（也称漆包线/铜线）其内配置有转子组件（图未示），其一端连接换向器组件53，另一端连接散热风扇54，基于转子组件的转动带动散热风扇。该电机的输出端55，用以连接传动部件（图未示）。定子51的相对的两侧设有齿宽桥56（也称凹部）。较佳的，两侧分别齿宽桥56侧的面56a平行。本实施方式中，电机为有刷电机。

接下来结合图2，图3来描述本申请实施方式的定子结构示意图，定子10，包含本体（也称定子轭）11、其外侧配置有凸部12、凸部12的内侧配置成与凸部突出轮廓相似的凹部12b,本体11内侧相对的配置喇叭状凸极13，本体11内侧相对的配置中心轭14，该中心轭14的中线与凸极13的中线大致垂直。较佳的，该本体与凸部一体成型，有时该凸部也称为底部轭，其轭宽大于等于非底部轭处的宽度。本实施方式，在同样的尺寸下通过在定子的凸部12处的内侧配置凹部，可提高定子内绕组的线束进而提高电机的高槽满率。相较于现有电机的定子大多采用等轭宽的设计，本申请实施方式的电机电子采用多段轭宽（凸部厚度与非凸部处的厚度不同，较佳的，凸部厚度大于等于非凸部处的厚度）的设计，其提高电机的槽满率，提高电机的功率密度等。多段轭宽至少为2段轭宽。该凸极13包含与其一体成型的极削13a，该极削13a沿y方向的中轴线对称。该极削13a的厚度从与凸极13连接处至极削的末端逐渐减小。两极削的端部与中心的夹角介于110°～140°（如，110°，120°，130°，140°）。凸极13相对的本体11外侧配置有齿宽桥（也称凹部）15，齿宽桥15的y向中线与凸极13的y向中线重合。较佳的该凸部12沿x/y向中线对称。凸部12有时也称底部额。该中心轭14向内凸起的高度h，该h与本体的厚度比（比值）介于0.01～0.3。该定子的轭宽介于3.6mm～5.0mm 。较佳的，介于4.2mm～4.8mm。

上述的实施方式中，中心轭的轭宽度（中心轭的轭宽最窄处，轭宽1）与凸部12处的厚度（也称轭宽2）比值介于0.75～1.0。若中心轭的轭宽度大于凸部12处的厚度，则选取定子本体最窄处的轭宽度（记做轭宽1）。转子外径与定子外径的比值介于0.55 ～0.60。如下表所示，轭宽1/轭宽2不同比值时，电机的输出功率与体积比值（W/cm3)

表1

在其他的的实施方式中，可省略该中心轭，这时选取定子本体最窄处的轭宽度（记做轭宽1）与凸部12处的厚度（也称轭宽2）比值介于0.75～1.0，任适用上述表中列出的电机的输出功率与体积比值。（通常，定子设计时中心轭处厚度最窄）。

如下表2所示，转子外径与定子外径的比值不同是，不同的轭宽2宽时，电机的输出功率与体积比值（W/cm3)

从表1中，可以看出，表示轭宽对电机性能的影响，在轭1不变的情况下，加大底部轭宽（轭2）的宽度，电机功率密度大大加大。但轭1因受到结构，槽满率（绕阻铜线占槽面积的比值）影响，当轭1宽达到一定值时，功率不在增加。这里就有了轭1和轭2的最佳比值，使得电机功率密度最大化。表2中，轭2尺寸为电机磁通密度最密集的地方，容易磁密饱和，使得电机功率无法加大，且温升高。所以要加大轭2宽度。轭2的宽带度，影响定子外径尺寸（空间有限的情况下，一般轭2的外径尺寸和其支撑件内径相配合，称为仿形设计，使得轭宽合理最大化，加大磁通，加大输出功率），同时通过最佳内外径比，和轭2的宽度进行配对性能对比，得到最佳性能参数。功率密度达到10W/cm3以上。

本实施方式中，凸部12的一侧配置有倾斜面12a，该斜面12a与其接触的本体101外侧面的切线夹角大于90°，如100,°120°等。这样该定子100与壳体（图未示）组装后，该凸部12可以起到固定并防止电机移动（转动）。该中心轭14的周向长度与其位置处本体11的厚度比值介于0.5～2。较佳的，周向长度略等于与其位置处本体的厚度。该喇叭状凸极13轴向长度等于定子本体的轴向长度，其与定子侧围成槽，槽内部绕有依据一定规则缠绕的绕线（也称铜线/漆包线，图未示）。整体式定子的外轮廓可为圆形、椭圆形、扁方形或者其他形状适合收容在手持式工具的机壳中的形状。凸部突出的高度与凸部的厚度比值介于1.01~1.5。

作为图3实施方式的变形如图5所示，其与图5中的方式区别在于凸部32的一侧配置的倾斜面32a，该斜面32a与其接触的本体31外侧面的切线夹角小于等于90°，如90°、60°、45°、30°。这样的设计，使得凸起32可靠的与壳体配合，且起到防止电子转动的目的。

如图7所示，为本实用申请实施方式的电机定子的截面示意图；电机定子60，包含本体61，其周向上配置有凸部62，其内侧配置有喇叭状凸极63，该凸极63包含与其一体成型的极削63a。该实施放置中，凸部62的内侧配置有凹部，这样的设计增加了凸极63上绕线的数量，提高了电机的槽满率。该实施方式中，采用了凸部（凸部有时也称底部轭）的轭较其它处宽的设计（相比与现有电机的定子采用等轭宽的方式），加大磁通，降低磁密饱和，加大电机输出功率。另外，由于加大了绕阻槽的面积，还可采用可加粗绕线的线径，这样降低铜损，提高电机功率。如图8所示电机电子的凸部厚度与槽面积的示意图，凸部62的厚度t与绕线对应的槽面积S（见图中阴影部分，即凸部内侧、部分本体内侧、凸极围城的面积）的比值，t/S介于8.5～11%。这样的设计电机的增加了电机的有效磁通（如图9所示，凸部62附近有效磁通高），提高其输出能力。两极削63a末端与中心的夹角θ介于110°～140°。较佳的，夹角θ介于130°。如表3所示，以定子外径52mm为例（包含凸部突出的高度），凸部不同的厚度（轭宽）时，功率与电机体积比值（W/cm3) ，

本实施方式中选取凸部的厚度4.6mm。

接下来结合图4来描述本申请实施方式的转子组件结构，转子组件20，包含转子芯体22，其周向上均匀的配置有齿21，相邻两齿构成转子的槽，其内绕有转子绕组（图未示），齿21一端连接转子芯体22，另一端连接齿扣21a。

转子组件的转轴突出于散热风扇。该定子的外径介于40mm～52mm, 所述转子外径与所述定子外径比值范围为0.50～0.60。较佳的，所述转子外径与所述定子外径比值为0.58、0.60。这时电机的效率高，电机的输出功率与体积的比值接近10 W/cm3 以上，相较于目前同类型的电机的输出功率与体积的比值8左右（或不到8），有了较大的提高，增强了相同尺寸下电机的输出能力。本实施方式中，电机的定子采用整体式定子的结构，其由多个叠片压制焊接在一起，形成中空的整体式定子，该结构的定子在轴向上的每一层叠片都是中空的整体的。转子组件及由转子组件带动旋转的电枢轴位于定子组件的内侧。采用该电机的手持式电动工具，较佳的其机身呈近似圆筒形，沿着电枢轴的轴向方向延伸，机身的轴线与电枢轴的轴线共轴线。

定义电机的体积V=π(D/2)²/L，其中D为定子直径（包含凸部的高度）， L 为电机的轴向长度，单位mm， 若换算成电机体积V为cm³ 再将上述计算值除以1000。L以定子长度来定义（定子/转子的长度相同）。

上述实施方式的电机，其在当空载时运行时具有较高的转速，如，40000rpm （如，38000rpm，39000rpm或更高）。运行过程中的功率P2=Pl-P, Pl为输入功率Pl，P为损耗。电机输出功率P2与电机的直径D、电机的轴向长度L、电机的转速、以及电机的槽满率成具有正相关性。

如图6所示为转子（转子组件）与换向器组件连接的结构示意图，转子组件41，包含转轴（图未示），其一端连接换向器组件44，另一端连接散热风扇43及通过输出轴44连接动力传输部件（图未示）。换向器组件42，包含换向器42a，与换向器42a匹配连接电枢轴，与换向器42a电性连接的电刷42b。本实施方式中，换向器的片数24片，转子组件包含12槽。在其他是实施方式中，片数及槽数可为其他的值。转子组件41其内配置有转子绕组41a。较佳的该转子绕组41a部分突出于转子组件41。其上覆盖有保护网41b。该保护网41b也称绕组保护线网。转子组件还包含位于其内部的转子毛坯41c（转轴）。转子组件通常是用适当数量的金属叠片沿轴向堆在一起并焊接而成的叠片堆，主要成分是铁，所以也可称为铁芯。

上述实施方式的电机，其外径可为46mm、48 mm、50 mm、52 mm、55 mm、57 mm。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多段轭宽的电动工具用电机，其特征在于，包含：

整体式定子，包含本体，其外侧配置有复数个沿其径向外突出的凸部，所述凸部的周向内侧配置有凹部，其用以容纳绕线；

定子还包含一对相向配置的喇叭状凸极，其分别配置在定子内侧，

转子，其配置于所述定子的内侧；

换向器组件，其与所述转子同轴的连接；所述换向器组件包含，与所述转子同轴的连接电枢轴、与所述电枢轴匹配连接的换向器及与所述换向器电性连接的电刷；

所述定子的外径介于40mm～57mm，所述转子外径与所述定子外径比值介于0.50 ～0.62，

所述定子的轭宽与所述凸部的厚度比值大于0.75且小于1.0，

所述凸部的厚度与槽面积的比值介于8.5~11%，槽面积即凸部内侧、部分本体内侧、凸极围城的面积。

2.如权利要求1所述的电机，其特征在于，

定子还包含一对相向配置的中心轭，其分别配置在定子内侧，一对所述中心轭的中线与一对所述凸极的中线垂直，所述中心轭的轭宽与所述凸部的厚度比值大于0.75且小于1.0。

3.如权利要求2所述的电机，其特征在于，所述凸极包含与其一体成型的极削，所述极削沿第一方向的中轴线对称，其厚度从与凸极连接处至极削的末端逐渐减小。

4.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述定子的外径为46mm或48 mm或50 mm或52mm或55 mm或57 mm，所述转子外径与所述定子外径的比值介于0.55 ～0.60。

5.如权利要求4所述的电机，其特征在于，所述转子外径与所述定子外径的比值为0.60，所述定子的中心轭宽介于3.6mm～4.2 mm。

6.如权利要求4所述的电机，其特征在于，所述转子外径与所述定子外径比值介于0.58～0.60，所述凸部的厚度的4.8 mm，所述电机的输出功率与其体积比介于9～11（w/cm3）。

7.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述凸部与定子一体成型，所述凸部处的厚度介于3.8mm～5.0mm。

8.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述定子沿所述电枢轴的轴向的长度介于40mm～60mm，电枢轴的直径介于6mm～8mm。

9.如权利要求1所述的电机，其特征在于，还包含散热风扇，其通过连接件与转子的转轴同轴连接，基于所述转子的转动带动所述散热风扇旋转；所述散热风扇的直径大于所述转子的外径，所述散热风扇的直径与所述转子的外径比值介于1.5～3。