CN110462977A - 波纹形定子 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种定子，该定子具有背铁和多个柱。该背铁和该多个柱共同至少部分地由单片软磁材料形成。该多个柱限定大于该多个柱的至少一部分的横截面轮廓，该多个柱的至少一部分由单片软磁材料形成。

Description

波纹形定子

技术领域

用于电动机器的定子。

背景技术

典型的电动马达定子由薄型钢合金的层压片制成。该层压结构具有减小涡流的有益效果，但该层压结构使得具有薄型区段的高极数马达在实现必要的强度和刚度以承受诸如由永磁体产生的马达力方面存在问题。

发明内容

在一个实施方案中，公开了一种定子，该定子包括背铁和多个柱。该背铁和多个柱共同至少部分地由单片软磁材料形成，该单片软磁材料限定穿过多个柱和背铁中的每一者的连续磁通路。该多个柱限定大于该多个柱的至少一部分的横截面轮廓，该多个柱的至少一部分由单片软磁材料形成。

在一个实施方案中，公开了一种制造定子的方法。使用增材制造技术由单片软磁材料形成背铁和多个柱。将单片软磁材料置于模具内。通过填充模具，将介电材料加入单片软磁材料中。

附图说明

现在将参考附图，以示例的方式描述旋转式致动器的实施方案，其中相同的参考字符表示相同的元件，并且其中：

图1是线性定子的等轴顶视图，其示出了定子柱中涡流的图示；

图2是图1的线性定子的等轴端视图，其示出了定子背铁中的涡流的图示；

图3是图1的线性定子的等轴侧视图，其示出了定子中的磁通路的图示；

图4是图1的具有散热鳍片的线性定子的等轴侧视图；

图5是在每个柱和背铁之间具有开放通道的线性定子的等轴侧视图；

图6是图5的线性定子的横截面视图；

图7是具有波纹形柱的线性定子的等轴视图；

图8是在柱和背铁内具有通道的线性定子的等轴视图；

图9是具有柱和背铁的线性定子的等轴视图，其中柱和背铁具有内部通道；

图10是线性定子中的单个柱的等轴视图，其中线性定子具有与定子成一体的介电材料；

图11是图10的线性定子的等轴视图；

图12A是图11中沿平面A-A的横截面视图；

图12B是图11中沿平面B-B的横截面视图；

图12C是图11中沿平面C-C的横截面视图；

图12D是图11中沿平面D-D的横截面视图；

图13是图10的定子的单个柱的等轴视图；

图14是图10的定子的单个柱的等轴视图，其中定子具有与柱上的气隙相邻的中心连接器；

图15是图10的定子的单个柱的等轴视图；

图16是图10的定子的单个柱的等轴视图；

图17是图16的定子的单个柱的等轴视图，其中定子施涂有陶瓷涂层；

图18是图17的定子的单个柱的等轴视图，其中定子置于模具内；

图19是图18的定子的单个柱的等轴视图，其中介电材料电材料置于模具内；

图20是图19的定子的单个柱的等轴视图，其中模具正在被移除；

图21是移除模具后的图20的定子的单个柱的等轴视图；

图22是具有转子的轴向定子的等轴视图；

图23是轴向定子的等轴视图，其中轴向定子具有与波纹形柱成一体的介电材料；并且

图24是径向定子的等轴视图，其中径向定子具有与波纹形柱成一体的介电材料。

具体实施方式

本发明公开了定子的各种实施方案，包括采用径向、轴向或线性设计的定子的实施方案。各种类型的线圈或绕组可以与定子一起使用，以在定子中形成磁通路。

在本专利文件中，术语“边界”将用于描述在垂直于介于气隙处的柱的尖端与相邻柱的尖端之间的磁通路的平面上，将软磁材料包围在柱或背铁区段中(类似于包裹柱或背铁周围的电线)的最短的线。换句话说，边界是指定子柱的最短周长或由实心材料制成的定子背铁的横截面积。术语“周长”是指软磁材料的外表面在同一平面上的实际长度。

在本专利文件中，“波纹形”柱或背铁是指具有比其周长短的边界的柱或背铁。

在各种实施方案中，公开了一种定子，该定子使磁通路横截面面积最小化，以便使磁场变化所产生的涡流最小化，其中磁场变化由流过包裹在其柱周围的绕组的电流所产生。定子由具有柱的实心材料制成，这些柱在其结构内部可具有间隙，该结构提供间断的或非连续的周边路径，该周边路径在涡流减小方面的功能类似于层压结构，该层压结构具有波纹形状或平行板，这些板之间具有间隙并且可在其端部或中间某处或沿其长度方向的某处连接。这种非连续的周边路径结构可存在于所述定子的柱、背铁中或柱和背铁两者中。该定子可由软磁性实心材料通过铸造、烧结、熔融或增材制造技术制成。

定子可具有填充有铝或任何其他低密度和导热材料的所述间隙，该材料形状为板、层压物、棒或波纹形状，以便提高结构强度并增加热导率。铝材料可通过增材制造技术铸造、烧结、熔融或沉积。

通过增加所述定子柱中穿过间隙的周长或背铁横截面积来减小涡流。

软磁材料是指可以暂时地磁化的材料，诸如但不限于铁或钢或钴或镍合金。

低磁阻是指从一个柱尖端到相邻柱尖端的磁通路，该柱尖端优选地由不间断的软磁材料构成。

本专利文件中所述的各种定子可由单片软磁材料制成，该单片软磁材料的周长比垂直于磁通路的平面上的边界长度至少长10％、20％、30％、40％、50％。

本专利文件中所述的各种定子可具有以下特征中的一个或多个特征。波纹形柱和背铁的结构可形成一种结构，该结构在磁通路的各种百分比的边界线周围不产生涡流连接。例如，从柱的尖端到相邻柱的尖端，在磁通路的10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％(或这些值之间)的边界线周围可能不存在涡流连接。

波纹形定子结构可应用于各种马达结构，该马达结构包括径向磁通(图24)、轴向磁通(图22和图23)、横向磁通和线性马达(图5至图21)或其他类型的电磁机器。

图1和图2示出了可以在实心定子100中形成的涡流106。涡流可在多个柱104(图1)或背铁102(图2)内形成。涡流可在定子中形成，不仅因为转子磁体移动经过定子，而且因为内部线圈的切换。涡流可降低电动马达的效率或干扰电动马达的正常运行。

图1示出了当由线圈所产生的磁场改变时，例如当定子换向时(在这些图中未示出线圈)，在实心定子100的柱104中产生的涡流106。

图2示出了当由线圈变化产生的磁场改变时，在实心定子100的背铁102中产生的涡流。

图3示出了每个柱104中的磁通路，这些磁通路可以由线圈(未示出)引起。图3示出了实心定子100区段的侧视图，其中磁通线介于柱和具有较低磁通量的“死区”之间，在“死区”中产生的涡流将低于柱104和背铁102中的其他区域。因此，该死区沿着柱的长度方向可为实心，以增加定子沿柱的方向的结构刚性和强度。这可用于诸如轴向磁通马达等应用中，在这些应用中，必须保持气隙以抵抗由永磁体在定子和转子之间产生的吸引力。

图4示出了具有散热鳍片110的定子100。

图5和图6示出了具有波纹形背铁202和多个波纹形柱的定子200，该背铁具有上部件202和下部件212并且在它们之间形成开放通道，该多个波纹形柱具有内部件204和外部件214，其中内部件204和外部件214各自在它们之间形成开放通道。背铁202和多个柱共同至少部分地由单片软磁材料形成。该多个柱限定大于由单片软磁材料形成的多个柱的至少一部分的横截面轮廓。背铁202和柱204、214中的单片软磁材料限定通过多个柱和背铁中的每一者的连续磁通路。

如图5和图6所示，上部件202和下部件212以及内部件204和外部件214之间的通道在软磁材料中形成一个或多个盲槽，这些盲槽与磁通路对齐并且垂直于涡流路径。

图7至图21示出了波纹形线性定子的不同构造，这些波纹形线性定子具有不同形状的单片软磁材料以及柱和背铁内的不同形状和尺寸的通道。图7至图21中的实施方案的益处类似于图5和图6中描述的那些益处，并且以下描述集中在各种实施方案的结构不同之处。

图7示出了波纹形定子300，该波纹形定子300具有不同结构的波纹形背铁302以及第一波纹形柱304和第二波纹形柱314。柱304和314形成Z字形状，该Z字形状限定通道，这些通道以交替布置方式形成于柱的任一例上。通道与定子内的磁通路平行，并且从背铁延伸到与气隙相邻的柱的端部。

图8示出了波纹形定子400的单个柱，该波纹形定子400具有中心连接器410以及由多个互连片404形成的柱和由多个互连片402形成的背铁。通道形成于多个互连片402和404之间。

在本专利文件中所公开的各种实施方案中，柱和背铁可由黑色金属钢和低电导率金属诸如钛的组合形成。可选择材料诸如钛以提高强度。可选择铁质材料以利用其磁性。

图9示出了波纹形定子500，该波纹形定子500具有多个柱504，该多个柱504具有平行于定子的磁通路的内部通道。背铁502具有交替图案，其中在背铁502的内端和外端上具有盲孔。

图10至图21示出了波纹形定子600的单个柱604。柱604限定通道的交替图案，这些通道平行于定子的磁通路并且沿柱的方向从背铁延伸到气隙。柱中的通道填充有介电材料614。如图12A至图12D所示，存在许多分立通道。背铁由多个平行片602形成，该多个平行片602具有沿每个片602的长度方向延伸的通道。背铁中的通道填充有介电材料612。如图12C所示，背铁的中心件640在片602之间延伸，以使磁通路在每个片602之间延伸。如图所示，例如在图13和图14中所示，一起形成背铁的一部分的片602可在背铁下方沿远离气隙的方向延伸，以形成散热鳍片。

在一些实施方案中，如图14中所示，柱可包括位于气隙处的实心柱帽616的中心部分，该中心部分在气隙处形成涡流路径。可容忍在气隙处产生此类涡流，因为提高强度的益处可弥补某些应用的缺点。

桥接构件诸如实心柱帽616(图14)或上部件202和下部件212(图4)位于它们在垂直于磁通路的平面上未完全连接柱或背铁区段的边界/边界线的区域中。桥接构件可在柱的基部在垂直于背铁中的磁通路的平面上连接全部或部分边界形状，如图3和图4所示。这具有提高结构强度和刚度的优点(例如在轴向马达的径向方向上)，其中磁通密度相对较低，如图3所示。如图14所示，桥接构件也可以或者另选地仅出现在气隙处，其中可容忍较小百分比的涡流在气隙处产生磁阻较低的磁通路。

间断的涡流路径的形成可作为制造过程的一部分通过铸造或熔融或成型或其他方式一起成型的材料的薄型区段来形成，由此薄型区段通过与图5至图14所公开的相同单片材料所形成的桥接区段连接在一起。

在本文所述的各种实施方案中，狭槽、间隙或通道可填充有材料，诸如具有较高热导率的铝。具有较高热导率的材料可从柱狭槽到背铁的背表面不间断。具有较高热导率的材料可伸出背铁的后表面以形成散热鳍片。

本文所述的实施方案可通过增材制造技术方法进行制备。本发明所公开的各种实施方案利用制造过程可能具有的精细细节，诸如但不限于金属部件的增材制造技术，诸如但不限于激光烧结或其他3D打印方法。该结构结合了从柱到柱的磁通路，其大部分体积开槽成使得减少或防止在柱的边界或柱之间的背铁周围形成连续的电连接。

这种由实心(统一、单片)软磁材料制成的电磁定子结构可提供从柱到柱的低磁阻磁通路，其具有减小的涡流，因为狭槽之间的薄型区段材料间断了磁通路边界线，同时提供了足够高的机械强度和刚度(例如轴向方向上的机械强度和刚度，以保持轴向磁通马达的气隙)。

图15至图21示出了构造如本专利文件中所述的各种波纹形定子的方法。如图15和图16所示，定子600可通过三维打印波纹形钢背铁602和钢柱604形成。如图17所示，定子600可涂覆有陶瓷620。如图18所示，然后可将定子600置于模具中，例如，该模具具有两个半部622、624并且该模具中填充有铝插入件612、614，如图19所示。

图22示出了用于轴向机器的定子700的示例，该定子700具有待置于电动马达内的外壳736。定子700通过内部轴承732和外部轴承732连接到转子734。转子包括永磁体740。示出了围绕柱704的导体730。铝插入件712和714模制在定子中。铝插入件712的下端在背铁下方延伸以形成散热鳍片。柱和背铁可至少部分地由单片软磁定子材料形成。

图23示出了用于轴向机器的定子800的实施方案。多个柱804和背铁802与填充介电材料812和814一起，按照与图5至图21中所述的线性定子的类似的方式形成。

图24示出了用于径向机器的定子900的实施方案。多个柱904和背铁902与填充介电材料912和914一起，按照与图5至图21中所述的线性定子的类似的方式形成。

如本专利文件中所述，可使用任何软磁材料，包括亚铁或钢和/或镍和/或钴和/或无定形金属。

还可将额外的元素添加到软磁材料中，诸如硅可用于降低电导率。

在一些实施方案中，软磁材料的薄型区段之间的间隙薄于间隙两侧的软磁材料。在背铁或柱内形成的间隙、狭槽或通道可填充有高介电材料，如图10至图14所示。高介电材料可为陶瓷。

附加地或另选地，当铝被注入模具的间隙中时，钢部件上的陶瓷涂层，例如图17中的陶瓷620，可用于防止与铝或其他具有较高热导率的材料发生电连接。

尽管已经相对于本发明的优选实施方案进行了前述描述，但是本领域的技术人员将理解，许多变化和改变是可能的。上面已经讨论了这些变化中的一些变化，并且其他变化对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。

在权利要求书中，词语“包括”以其包含性含义使用，并且不排除存在其他元素的可能性。在权利要求特征之前的不定冠词“一/一个”不排除存在不止一个的功能，除非从上下文中清楚地知道只有一个元素。

Claims (15)

1.一种定子，包括：

背铁；

多个柱；

所述背铁和所述多个柱共同至少部分地由单片软磁材料形成，所述单片软磁材料限定穿过所述多个柱和所述背铁中的每一者的连续磁通路；并且

其中所述多个柱限定大于所述多个柱的由所述单片软磁材料形成的至少一部分的横截面轮廓。

2.根据权利要求1所述的定子，其中所述多个柱的由所述单片软磁材料形成的所述部分形成波纹形结构。

3.根据权利要求1或2所述的定子，其中所述背铁呈波纹形。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的定子，其中所述背铁进一步包括一个或多个通道。

5.根据权利要求4所述的定子，其中所述一个或多个通道沿所述定子的所述磁通路延伸。

6.根据权利要求4或5所述的定子，其中所述一个或多个通道填充有介电材料。

7.根据权利要求1所述的定子，其中所述多个柱中的每个柱进一步包括一个或多个通道。

8.根据权利要求7所述的定子，其中所述一个或多个通道中的每个通道平行于所述多个柱中的每个柱的所述磁通路延伸。

9.根据权利要求7或8所述的定子，其中所述一个或多个通道填充有介电材料。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的定子，其中所述多个柱涂覆有陶瓷材料。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的定子，其中所述单片软磁材料由以下材料中的一者或多者形成：亚铁、钢、镍、钴和无定形金属。

12.根据权利要求11所述的定子，其中所述单片软磁材料进一步包括硅添加剂。

13.根据权利要求6或9所述的定子，其中所述介电材料包括铝或陶瓷。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的定子，其中所述单片软磁材料进一步包括一个或多个桥接构件，所述一个或多个桥接构件连接在所述多个柱和所述背铁之间。

15.一种制造定子的方法，包括：

使用增材制造技术由单片软磁材料形成背铁和多个柱；

将所述单片软磁材料置于模具内；以及

通过填充所述模具，将介电材料添加到所述单片软磁材料。