CN110679062B - 用于电机的定子 - Google Patents

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Abstract

一种用于电机的定子，所述定子具有径向延伸的多个齿(12至17)，所述多个齿由在所述齿(12至17)的径向上的外部环形轭(1)支承，所述齿(12至17)的至少一部分支承线圈，并且所述外部环形轭(1)具有朝向所述齿(12至17)开口的局部圆柱形的凹槽(2至7)，所述齿(12至17)的至少一部分在它们的处于所述外部环形轭(1)的那一侧的端部处均具有局部圆柱形的突出部(35)，所述突出部通过接触点保持在所述凹槽中，使得所述齿(12至17)的至少一部分执行相对于所述环形轭(1)具有旋转和/或平移自由度的相对移动。

Description

用于电机的定子
技术领域
本发明涉及特别是在通常超过10,000rpm的高速下的无刷旋转电机领域，更具体地，涉及减少因这种旋转电机而造成的噪声和振动。
电磁机器的振动会导致噪声污染(这对于正常使用有时是无法接受的)和可靠性下降。为了减少振动源，通常针对以下因素采取行动：
-电失衡，
-机械失衡：转子、联轴器或从动设备，
-机械影响：游隙(play)、摩擦、轴承，
-外部影响：基部、从动设备、未对准，
-共振、临界速度、临界接触。
背景技术
目前技术方面已知有William R.Finley Mark M.Hodowanec Warren G.Holter的文章“An Analytical Approach to Solving Motor Vibration Problems”IEEE PaperNo.PCIC-99-20，该文章呈现了不同的振动源。
还已知有涉及永磁转子马达的美国专利申请US2013057105，该美国专利申请更具体地提供了用于减少在包括永磁转子的马达中的噪声和齿槽转矩的方法和系统。由转子与定子之间的磁相互作用产生的转矩可能包含不希望的扭转波动，要么是绕组中的电流所引起的，要么只是永磁体和定子的相互作用的结果，这种波动存在于非动力马达中，称为齿槽转矩。另外，在转子与定子之间可能存在径向力，这会引起烦人的噪声。此外，马达轴上的齿脉冲和转矩脉冲可以传输到一些其它的从动设备。该现有技术文件中提出的解决方案涉及包括多个槽和齿的开槽定子芯，其中在转子芯内部具有铁磁材料，该铁磁材料被配置成将磁体中的一个或更多个磁体的流集中并引导至靠近铁磁材料的定子齿。
还已知有欧洲专利EP2182218，该欧洲专利公开了一种离心泵，该离心泵的目的是在没有定子游隙的情况下确保稳定的结构，使得没有振动、噪声或共振的发生。
现有技术的缺点
现有技术的解决方案不能正确地处理按与电机的固有频率相对应的某些速度出现的振动峰。
发明内容
本发明的目的是通过使定子齿相对于轭具有旋转自由度或平移自由度中的一者或两者进行铰接(articulation)来减少由定子所发出的噪声的产生以及空间传播。
更具体地说，本发明涉及一种用于电机的定子，所述定子具有径向延伸的多个齿，所述多个齿由在所述齿的径向上的外部环形轭支承，所述齿的至少一部分绕有线圈，其中，所述齿的至少一部分相对于所述环形轭具有旋转自由度和/或平移自由度中的至少一者。
在第一种另选解决方案中，所述齿的至少一部分相对于所述环形轭仅具有一个旋转自由度，旋转的轴线与电机的旋转的轴线平行。
在第二种另选解决方案中，所述齿的至少一部分相对于所述环形轭在轴向上仅具有一个平移自由度。
在第三种另选解决方案中，所述齿的至少一部分相对于所述环形轭在径向上仅具有一个平移自由度。
在第四种另选解决方案中，所述齿的至少一部分相对于所述环形轭具有第一旋转自由度和第二平移自由度。
优选地，所述定子具有为饱和的非磁性或磁性材料的、在所述齿的径向上与所述齿连接的内部管状齿冠。
另选地，所述内部管状齿冠沿着所述轭的高度是不连续的，从而形成多个饱和峡部。
优选地，所述内部管状齿冠具有轴对称的旋转几何形状(geometry)。但是，可以生成具有非周期性旋转几何形状的内部管状齿冠。
有利地，所述外部环形轭具有凹槽，所述凹槽朝向所述齿具有圆柱形开口，所述齿在它们的处于所述外部环形轭的那一侧的端部处具有局部圆柱形的突出部，所述突出部与所述凹槽的圆柱形形成互补。
优选地，所述凹槽的圆柱形为半圆形截面形状，所述凹槽的圆柱形的曲率半径大于所述齿的所述圆柱形突出部的形状的曲率半径。
优选地，互补形状产生两个开口区，在开口区中，所述凹槽与所述齿侧面形成具有小于10°的角度的气隙。
所述定子可以具有几个齿，通常在该申请中示出了六个齿。
在一个实施方式中，所述突出部是与所述齿成一体的单体形状。
另选地，所述突出部通过在径向上定位在所述齿与所述外部环形轭之间的至少一个套管(sleeve)来完成。
在一个实施方式中，由具有机械阻尼特性的材料制成的附加膜插入所述套管与所述轭之间。
在垂直于所述齿的中间半径的切向平面上，通过沿轴向延伸的滑动接触区域，直接地或者使用连接件来调节所述齿和轭。该接触区域构成滑动线或滑动表面或一系列滑动点，从而保持旋转自由度和/或平移自由度。
附图说明
参照附图，通过阅读下面对非限制示例性实施方式的详细描述，将最佳地理解本发明，其中：
-图1a和图1b分别表示根据本发明的具有和没有供电线圈的定子的正视图，
-图2a、图2b以及图2c表示根据第一实施方式的另选解决方案的具有凹槽的角状开口的成对定子视图，并且对于这些图中的每个图：左侧是没有线圈的定子端面视图，右侧是齿与定子齿冠之间的接合处的放大视图，
-图3a、图3b以及图3c分别表示在齿与轭之间使用具有机械阻尼特性的材料的第二实施方式的正视图和两个立体图，
-图4表示管状连接齿冠具有非周期形状的另选实施方式的视图，
-图5表示使用本发明阐述的原理的机器的噪声发射性能的改善的图形，
-图6表示根据本发明并且根据分解图的定子的立体图，
-图7表示根据另选实施方式的根据本发明的定子的正视图，
-图8表示根据一个实施方式的允许定子齿的平移自由度的两个定子视图，
-图9表示分别示出本发明所允许的自由度的两个视图，左侧为平移自由度，右侧为平移自由度，
-图10表示根据本发明以及一种特定的模式的定子的两个视图，该特定模式允许将旋转自由度和平移自由度这两者组合用于齿状组装件，
-图11表示根据本发明的齿状组装件的特定实施方式的不同角度的两个视图，
-图12表示示出了齿的旋转幅度的剖视图，
-图13a、图13b以及图13c表示齿旋转的不同时刻，
-图14表示根据另选实施方式的截面图，
-图15表示根据另一另选实施方式的截面图。
具体实施方式
图1a示出了采用优选模式的根据本发明的绕有线圈的定子的示例性实施方式的正视图。图1b是没有线圈并且具有不同的轭的视图。
定子包括由铁磁材料制成的管状形的轭1，该轭具有处于轭1的内壁上的平行于中轴线延伸的凹槽2至凹槽7。孔30在本发明中并不重要，而仅仅是用于现实地表示在这个图中该定子可以通过这种方式接合在应用中。
这些凹槽2至凹槽7的横截面为半圆形，以使得能够进行枢转(pivot)来将齿12至齿17的端部嵌入。径向延伸的齿12至齿17围绕有电线圈24至电线圈29，这些电线圈通常是由缠绕的铜线或扁铝(aluminum blade)线制成的。
这些齿12至齿17是由铁磁性材料制成的固体零件或堆叠金属板构成的，这些齿具有矩形的截面，该矩形的截面在尾部延伸成圆形突出部35，该圆形突出部具有与凹槽2至凹槽7的截面互补的圆形截面，以使得能够相对于径向正中取向以十分之几度到几度的幅度(例如±1°)进行枢转。
齿12至齿17的相对(即，内侧)端部连接至由非磁性的或磁饱和的材料制成的管状连接齿冠11。该齿冠11被用于帮助加强定子的机械结构，但这仅仅是另选解决方案，尽管是出于将齿机械保持在一起的理由而优选的，但不是对本发明的实施方式进行限制。
该管状连接冠11可以具有不对称的构造，例如具有厚度不恒定或刚度可变的壁，以避免齿2至齿7之间的共振。这在图4中进行了例示。
图2a至图2c示出了在凹槽开口的不同情况下在齿12与管状轭1之间的枢转连接的详细视图。图2a、图2b以及图2c中给出的三个示例分别表示1°、5°以及10°这三种开口，下面对所述开口进行了定义。齿12的尾部突出部35具有半圆柱形，该半圆柱形具有延伸超过大约180°的恒定曲率半径。所述尾部突出部接合在具有底部32的凹槽中，所述底部具有与齿12的曲率半径互补的超过180°的恒定曲率半径。根据所示的三种示例性情况，该半圆柱形部分通向与径向平面形成开口角度的区域42，以使得齿12能够根据负载情况和观察到的振动水平进行枢转。
因此，齿12具有旋转自由度。参照图2a中绘制的并以圆柱形突出部35的中心为中心的标记(R、0、Z)，齿12可在凹槽2的底部处绕Z轴自由滑动。
齿12的尾部突出部35与凹槽2的底部之间的间隙通常为0.01mm，但该值不是限制性的。尽管不是强制性的，但可以在齿12的尾部突出部35与凹槽2的底部之间提供润滑剂膜。类似地，可以插入由具有机械阻尼特性的粘性材料制成的膜。
图6示出了两个定子组装件，这两个定子组装件是一方面由径向环形轭1(该环形轭本身是由铁磁片的组装件或由固体材料形成的)和另一方面齿状组装件100(该齿状组装件100是由连接至管状连接齿冠11的齿2至齿7形成的)来形成的。该齿状组装件100还通过铁磁片的组装件或者通过固体材料来形成。
另选实施方式
图3a、图3b以及图3c例示了另选解决方案，其中，齿12利用附加套管34接合在凹槽2中。凹槽2以大约230°(在不需要对这个值进行限制的情况下)的角度关闭，并且在径向中间平面的任一侧上的端部具有抵靠齿12的那一侧的边缘33。根据期望的机械强度，在齿12与轭1之间可以考虑不同形式的接触。
齿12的半管状突出部或延伸部35包括套管34。具有机械阻尼特性的粘性材料插入套管(34)与齿底部(32)之间的空间(36)中。
可以考虑对所述膜充入(charge)铁磁颗粒，甚至可以用柔性铁磁材料制成该膜，以便通过最小化残留气隙来最小化磁性能的损失。
图3b示出了使用该实施方式的定子的示例性构造，其中，每齿有两个套管34，并且在安装期间在半管状突出部35的任一侧上滑动。因此，可以在定位套管之后插入阻尼膜，使用第二套管34以通过活塞效应来分配阻尼膜。在安装套管34之后，在图3c中，阻尼膜就位。
图5通常示出了随着线性增加的旋转速度，在根据本发明的电机的噪声发射(以分贝为单位)方面获得的改善(标注为B)，并且与没有利用本发明的特征的类似机器(相同的尺寸、厚度以及机械特性)的噪声发射(标注为A)进行了比较。即使偶尔在一些孤立的速度下，一些峰值显示出噪声发射有所恶化，在所生成的整个图表中，平均水平也都大大降低了。在高于80,000rpm(RPM)的速度下，改善大于5dB。
图7示出了没有管状连接齿冠11的另选版本。尽管更难于实现，但由于由齿12至齿17中的每一个形成的单一物体，因此这个版本是可以设想的并且可以根据应用提出，本发明的主要目的是使定子齿枢转的可能性。
图8示出了在凹槽2中允许齿12有平移自由度的一个实施方式，该凹槽2相对于齿12的位置径向地回缩。这样，齿12的突出部35在槽2的内部在径向上滑动。特别地，参照图8中绘制的并以圆柱形突出部35的中心为中心的标记(R、0、Z)，齿12可朝着凹槽2的底部绕R轴自由滑动。
根据本发明，可以具有如图9中的左视图所示的平移自由度，或者如图9中的右视图所示的自由度，或者可以如图10所示组合这些自由度。
在后一种情况下，外部环形轭1具有齿底部32，该齿底部相对于齿突出部35在径向上向后缩，以使得能够实现齿12的平移，并且该外部环形轭1具有开口区42，该开口区与径向平面形成开口角度，以使得齿12能够进行枢转。在这种情况下，可以使齿12利用环形轭1的支承部110在开口区42与齿底部32之间的接合处进行枢转和平移。特别地，参照图10中绘制的并以圆柱形突出部35的中心为中心的标记(R、0、Z)，齿12可在支承部110上绕Z轴自由滑动并且可朝着凹槽2的底部绕R轴自由平移。
图11示出了齿状组装件100的另选解决方案，其中，内部管状齿冠11是不连续的，从而沿着该齿状组装件100的高度形成磁可饱和的峡部120。例如，这可以在利用片材包装制成该齿状组装件100时通过交替具有不同外形的片材来实现。该实施方式的优点是使得能够减少该齿状组装件的各个齿之间的磁短路。峡部120的数量是不固定的。
图12示出了相对于由两个参考轴19、20限定的中心，在中间位置的两侧借助于虚线表示的齿12的旋转幅度18。在这种情况下，齿12的尾部突出部35和凹槽的底部32具有相似的半径，该半径以大约180°的角度构成滑动表面。这些半径的中心通过轴19、20的交点可视化。
通过图13a、图13b以及图13c在时间上详细地描述了该齿旋转。图13a示出了已经顺时针旋转的齿12，该齿在此不受限制地靠近开口区42。图13b示出了已经逆时针旋转的齿12，该齿在此不受限制地靠近开口区42。图13b示出了处于中间位置的齿，在该中间位置处，该齿没有被激发或者从一个位置移动至另一位置。
图14示出了齿12的尾部突出部35的半径类似于凹槽2的半径，但该齿不与凹槽接触，从而在齿12与轭1之间生成气隙21。在这个实施方式中，轭1与齿12之间的机械接触是通过使用管状齿冠11以及一个或更多个其它齿与轭1的接触连接来实现的。
图15示出了齿12的尾部突出部35具有不恒定的半径以便在齿12的中轴线20的任一侧上具有两个最小的滑动表面的另选实施方式。该实施方式使滑动表面最小化，并因此使摩擦和机械损失最小化。

Claims (14)

1.一种用于电机的定子，所述定子具有径向延伸的多个齿(12至17)，所述多个齿由在所述齿(12至17)的径向上的外部环形轭(1)支承，所述齿(12至17)的至少一部分支承线圈，
其特征在于，
所述外部环形轭(1)具有朝向所述齿(12至17)开口的局部圆柱形的凹槽(2至7)
所述齿(12至17)的至少一部分在它们的处于所述外部环形轭(1)那一侧的端部处均具有局部圆柱形的突出部(35)，
所述突出部保持在所述凹槽中，使得所述齿(12至17)的至少一部分执行相对于所述环形轭(1)具有旋转和/或平移自由度的相对移动。
2.根据权利要求1所述的用于电机的定子，其特征在于，所述齿(12至17)的至少一部分执行相对于所述环形轭(1)仅具有旋转自由度的相对移动，旋转的轴线与所述电机的旋转的轴线平行。
3.根据权利要求1所述的用于电机的定子，其特征在于，所述齿(12至17)的至少一部分执行相对于所述环形轭(1)在径向或轴向上仅具有平移自由度的相对移动。
4.根据权利要求1所述的用于电机的定子，其特征在于，所述齿(12至17)的至少一部分执行相对于所述环形轭(1)具有旋转自由度和平移自由度的相对移动。
5.根据权利要求1所述的用于电机的定子，其特征在于，所述定子包括至少一个内部管状齿冠(11)，所述至少一个内部管状齿冠(11)为饱和的非磁性或磁性材料并在所述齿(12至17)的径向上与所述齿(12至17)连接。
6.根据权利要求5所述的用于电机的定子，其特征在于，所述内部管状齿冠(11)沿着所述轭的高度是不连续的，从而形成多个磁可饱和的峡部(120)。
7.根据权利要求5所述的用于电机的定子，其特征在于，所述内部管状齿冠(11)具有非周期性的旋转几何形状。
8.根据权利要求1所述的用于电机的定子，特征在于，所述突出部(35)的互补形状产生两个开口区(42)，在所述两个开口区中，所述凹槽(2至7)与齿侧面形成具有小于10°的角度的气隙。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的用于电机的定子，其特征在于，所述定子具有六个齿。
10.根据权利要求1所述的用于电机的定子，其特征在于，所述突出部(35)是与所述齿(12至17)成一体的单体形状。
11.根据权利要求1所述的用于电机的定子，其特征在于，所述突出部(35)通过在径向上定位在所述齿(12至17)与所述外部环形轭(1)之间的至少一个套管(34)来完成。
12.根据权利要求11所述的用于电机的定子，其特征在于，由具有机械阻尼特性的材料制成的附加膜插入所述套管(34)与所述轭(1)之间。
13.根据权利要求3或7所述的用于电机的定子，其特征在于，所述凹槽(2至7)相对于所述齿(12至17)的位置在径向上向后缩，并且，所述齿(12至17)在所述凹槽(2至7)的内部在径向上滑动。
14.根据权利要求2或7所述的用于电机的定子，其特征在于，所述外部环形轭(1)具有齿基部(32)和开口区(42)，所述齿基部相对于齿突出部(35)在径向上向后缩，以使得能够实现所述齿(12至17)的平移，所述开口区与径向平面形成开口角度，以使得所述齿(12至17)能够使用所述环形轭(1)的支承部(110)在所述开口区(42)与所述齿基部(32)之间的接合处进行枢转。
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