CN114982105A - 电子换向直流马达 - Google Patents

Abstract

一种带有定子和安装至轴的转子的EC马达。马达具有冷却系统、包覆成型的定子外壳、以及优化的转子。所述定子具有缠绕有电磁线圈的齿。齿和线圈周向地分布，在相邻的线圈之间设有间隙。以塑料包覆成型定子，从而在相邻的线圈部段之间形成轴向定向的冷却通道。随后，叶轮风扇通过与空气通道连接的进气口将空气吸入马达。叶轮风扇引导空气穿过定子中轴向定向的冷却通道，并离开出气口。优化的内转子具有永磁体和硅钢叠片，所述硅钢叠片周向地间隔开，并从中心衬套向外延伸。矩形形状的磁体插在叠片之间的间隙中。楔形形状的磁体与叠片径向地对齐，并且位于叠片和衬套之间。

Description

电子换向直流马达

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2020年1月15日提交的第62/961,446号美国临时专利申请的优先权，所述美国临时专利申请以整体引用的方式纳入本文。

技术领域

本发明涉及电子换向直流(DC)马达(EC马达)，更具体地涉及EC马达空气冷却系统、优化的永磁体转子、以及一体包覆成型(over molded)的外壳。

背景技术

在一个实施方案中，内转子EC马达包括：带有一系列周向间隔的电磁铁的定子，以及位于所述定子内部并且安装在轴上以用于旋转的转子。转子具有周向间隔的永磁体。电子控制器控制输送至定子的电磁铁线圈的电能。通过控制输送至定子线圈的电能，产生旋转磁场，所述旋转磁场继而吸引转子的永磁体，致使转子在其轴上旋转。

在另一个实施方案中，外转子EC马达包括带有周向间隔的电磁铁的定子。这种EC马达具有转子，所述转子的永磁体被定位在该定子的外部。无论是内转子或外转子，EC马达的运行原理大体上是相同的，即通过定子产生旋转磁场，所述旋转磁场吸引转子的永磁体，致使转子旋转。

在运行期间，电子控制器和定子线圈均会产生热量。结果是，EC马达需要用于使热量从控制电路和定子线圈消散的系统。

构成转子的永磁体和钢叠片配置可以对EC马达的性能产生影响。通过构造一种结合了围绕该转子定尺寸并且间隔的永磁体的转子，这种性能可以获得改善。

在运行期间，定子线圈中电流的切换会导致不期望的振动和噪音。此外，对于EC马达的某些应用来说，马达部件(包括马达外壳)的成本和重量对购买者来说很重要。

发明内容

为了克服本发明的EC马达的散热问题，所述EC马达包括附接至转子旋转轴的叶轮风扇。叶轮风扇将外界空气吸入EC马达的外壳。外界空气通过周向间隔的进气口引向叶轮风扇，随后通过邻近电子控制器的径向定向的空气通道。当外界空气通过该径向定向的空气通道时，该外界空气从电子控制器吸收热量。一旦外界空气被吸引通过径向定向的空气通道并且进入叶轮风扇，叶轮风扇将迫使空气沿定子线圈之间的轴向定向的定子冷却通道流通。在从定子线圈吸收热量后，空气通过外壳中的出气口轴向或径向地排出。叶轮风扇具有平行于转子轴定向的平面翅片，使得无论转子和附接的叶轮风扇的旋转方向如何，冷却空气都朝一个方向流动。

对于内转子的实施方案来说，定子包括结构性圆形芯背，结构性圆形芯背具有向内延伸的层叠钢的齿。通电线圈围绕单个齿进行缠绕并与该齿绝缘。齿具有内凹端，所述内凹端限定了圆形开口，圆形的内转子被定位在该圆形开口中。齿和转子的尺寸在齿的内凹端和转子的外圆周之间提供了空气间隙。

内转子EC马达包括包覆成型的外壳，所述包覆成型的外壳包括圆柱形外壳体和向内延伸的定子线圈部段。定子线圈部段封装了线圈和齿(除内凹端外)。外壳通过用塑料对定子包覆成型而产生。塑料是(可从杜邦(DuPont)获得的)Rynite聚对苯二甲酸乙二醇酯或具有类似的成型和导热特性的任何其他塑料材料。对定子线圈和齿的封装减少了噪音和振动。此外，用塑料壳体替代金属圆柱形外壳体，有助于减轻重量并且降低材料和制造成本。

为了优化本发明的内转子EC马达的性能，转子具有永磁体和围绕中心衬套定位的硅钢叠片。硅钢叠片围绕转子的外圆周定位，并且围绕转子周向间隔，在相邻的硅钢叠片之间存在间隙。矩形形状的永磁体插在硅钢叠片之间的间隙中。楔形形状磁体与硅钢叠片径向地对齐，并且在钢叠片和转子的中心衬套之间。通过调整硅钢叠片、矩形磁体和楔形磁体的尺寸、形状和位置，转子的性能被优化。

对于外转子EC马达来说，定子具有中心衬套，钢层叠齿从所述中心衬套径向地向外延伸。每个齿的外端具有外凸表面。齿的外表面形成一个圆。转子包括圆柱形壳体，所述圆柱形壳体的内表面附接有一系列间隔开的永磁体。永磁体被定尺寸为具有与齿的外凸表面相匹配的面向内的凹表面。圆柱形壳体和磁体被定尺寸为使得齿的外凸表面和永磁体的内凹表面之间存在空气间隙。转子具有盘形端盖，其中风扇叶片附接至所述端盖的内表面。圆柱形壳体还具有一系列周向间隔的开口，所述开口充当风扇叶片所产生的空气压力的出气口。

外转子EC马达的风扇将空气吸入EC马达。空气在定子的一侧进入EC马达，经过附接至电子电路的散热器，轴向地通过定子空气通道，并且通过转子的圆柱形壳体中的出气口离开。因为叶轮风扇的风扇叶片是平面的而非弯曲的，所以无论转子和风扇的旋转方向如何，冷却空气都呈单向。

为了抑制振动，用塑料对定子进行包覆成型。同样地，围绕定子和电子控制器的外壳也是包覆成型的。

结合附图和所附的权利要求，考虑下文对本发明的详细描述后，其他目的、特征和优点将变得明显。

附图说明

图1是根据本发明的内转子EC马达的立体图。

图2是根据本发明的内转子EC马达的侧正视图。

图3是根据本发明的内转子EC马达的左端正视图。

图4是根据本发明的内转子EC马达沿图3的线4-4所见的横截面视图。

图5是根据本发明的内转子EC马达沿图3的线5-5所见的横截面视图。

图6是根据本发明的内转子EC马达的立体图，将电子控制器移除以示出内部细节。

图7是根据本发明的内转子EC马达的右端正视图，将电子控制器以及叶轮风扇移除以示出内部细节。

图8是根据本发明的内转子EC马达的定子、转子、和叶轮风扇的立体图。

图9是根据本发明的内转子EC马达的定子和转子的立体图。

图10是根据本发明的内转子EC马达的定子和转子的立体图。

图11是根据本发明的内转子EC马达的定子和转子的右端正视图。

图12是根据本发明的内转子EC马达的转子(铁氧体转子)的第一实施方案的立体图。

图13是根据本发明的内转子EC马达的转子(铁氧体转子)的第一实施方案的正视图。

图14A和图14B是根据本发明的内转子EC马达的转子(铁氧体转子)的第一实施方案的示意图。

图15A和图15B是根据本发明的内转子EC马达的转子(铁氧体转子)的第一实施方案的示意图。

图16是根据本发明的内转子EC马达的转子(钕-铁氧体转子)的第二实施方案的正视图。

图17A和图17B是根据本发明的内转子EC马达的转子(钕-铁氧体转子)的第二实施方案的示意图。

图18是根据本发明的内转子EC马达的转子(钕-铁氧体转子)的第二实施方案的示意图。

图19A至图19D是根据本发明的内转子EC马达的转子(钕-铁氧体转子)的第二实施方案的示意图。

图20是根据本发明的内转子EC马达的转子(钕-铁氧体转子)的第二实施方案的示意图。

图21是根据本发明的外转子EC马达的立体图。

图22是根据本发明的外转子EC马达的立体图。

图23是根据本发明的将外转子移除的外转子EC马达的立体图。

图24是根据本发明的将外转子移除的外转子EC马达的立体图。

图25是根据本发明的将外转子和定子罩移除的外转子EC马达的立体图。

图26是根据本发明的将外转子、定子罩、和定子移除的外转子EC马达的前正视图。

图27是根据本发明的将外转子、定子罩、和定子移除的外转子EC马达的右侧正视图。

图28是根据本发明的外转子EC马达的侧正视图。

图29是根据本发明的外转子EC马达的转子的立体图。

图30是根据本发明的外转子EC马达的定子的立体图。

图31是根据本发明的外转子EC马达沿图22的线31-31所见的横截面视图。

具体实施方式

转至图1至图6，内转子、电子换向DC马达10(内转子EC马达)具有外壳20，外壳20包括圆柱形控制器壳体14、圆柱形定子壳体16和右端部分12。圆柱形控制器壳体14借助周向间隔的螺钉21附接至圆柱形定子壳体16。电子控制器22被安装在圆柱形控制器壳体14内。内转子EC马达10具有左端24和右端26。

内转子EC马达10具有外定子30和内铁氧体转子62。参考图8至图11，定子30具有结构性圆形的芯背32，芯背32具有向内延伸的钢层叠齿34，所述钢层叠齿34终止于内凹端35。齿34围绕圆形芯背32周向间隔，并且限定了用于容纳转子62的开口28。齿34上缠绕有与该齿34绝缘的电磁线圈38。

外壳20的右端部分12、圆柱形定子壳体16和定子线圈部段18是通过对定子30塑料包覆成型而生产的。除了齿34的内凹端35外，塑料包覆成型封装了所有的定子圆形芯背32、定子线圈38和齿34。由于对圆形芯背32、齿34和定子线圈38进行包覆成型，在齿34之间形成了轴向定向的定子线圈开口通道48(图5和7)。用于对定子进行包覆成型并且产生外壳20的塑料是(可从杜邦(DuPont)获得的)Rynite聚对苯二甲酸乙二醇酯或具有类似的成型和导热特性的任何其他塑料材料。

将铁氧体转子62安装在轴56上。继而将轴安装在轴承58上，以使转子和轴在定子30的开口28内旋转(图7和图9)。带有叶轮风扇叶片61的叶轮风扇60被附接至轴56，使其随轴56和转子62一同旋转。

电子控制器22控制定子30的线圈38的通电，以产生旋转磁场，所述旋转磁场与包括一部分转子62的永磁体相互作用，以产生转子62的旋转。因此，电子控制器22产生必须要从EC马达10中消散的热量。此外，给电磁定子线圈38通电以产生旋转磁场也会产生热量，必须将该热量从内转子EC马达10中消散。

为了处理电子控制器22和定子线圈38产生的热量，内转子EC马达10具有空气管理系统，所述空气管理系统包括叶轮风扇60、进气口44、径向定向的空气通道46、在定子30中轴向定向的定子冷却通道48、以及在外壳20的右端部分12中的出气口50。径向定向的空气通道46被定路径为与圆柱形控制器壳体14相邻，从而与电子控制器22相邻。径向定向的空气通道46靠近电子控制器22有助于从电子控制器22散热。同样地，轴向定向的冷却通道48直接地穿过定子30，在定子线圈38之间并与定子线圈38相邻。在运行中，外界空气被吸入进气口44，并且借助叶轮风扇60通过径向定向的空气通道46。随后，空气从叶轮风扇通过轴向定向的冷却通道48从出气口50排出。如图6中最佳示出的，叶轮风扇60的叶轮风扇叶片61为平面。结果是，无论叶轮风扇60的旋转方向如何，空气都从进气口44流向出气口50。虽然已经针对内转子EC马达10对本发明的空气管理系统42进行了描述，但空气管理系统42的操作原理也同样适用于其他电动马达。

转到图12和图13，铁氧体转子62具有附接至轴56的衬套64。衬套64支撑10个硅钢叠片66，所述硅钢叠片66围绕转子62的外圆周63均匀地间隔。矩形形状的永久铁氧体磁体70被定位在相邻的钢叠片66之间的间隙中，并且从转子62的外圆周63略微凹陷。楔形形状的永久铁氧体磁体68径向地定位在硅钢叠片66和衬套64之间，并且彼此周向地间隔开。

转至图14A和图14B，使用Maxwell 2D FEA软件对铁氧体转子62进行优化。改变矩形磁体70的宽度和长度，以最大化扭矩输出。首先设定矩形磁体70的宽度，随后确定矩形磁体的最大长度，使矩形磁体适配在转子中，且磁体彼此不相互干扰(见图14A和图14B)。计算每种配置的面积，并且选择最大面积(见表1)。

表1

随后，增加楔形形状磁体68的外半径65，以最大化扭矩输出。因此，转子中增加任何磁体材料都会降低性能。转子62要求楔形形状磁体68的上方的一些区域具有突出部(铁磁性)。增加楔形形状磁体68的半径(图15B和图15A)将减少该突出部的量，从而降低扭矩输出。

图16示出了替代的转子实施方案，也就是用于内转子EC马达10的钕-铁氧体(neo-ferrite)转子74。钕-铁氧体转子74具有附接至内转子EC马达10的轴56的中心衬套76。衬套76支撑10个硅钢叠片78，所述硅钢叠片78围绕外圆周75均匀地间隔。矩形形状的永久钕磁体82被定位在相邻的钢叠片78之间的间隙中，彼此周向地间隔开，并且从外圆周75略微凹陷。楔形形状的永久铁氧体磁体80被径向地定位在硅钢叠片78和衬套76之间，并且彼此周向地间隔开。楔形形状的永久铁氧体磁体80的外半径84与硅钢叠片78接触，并且内半径86与衬套76的圆周一致。每个楔形形状的铁氧体磁体80在外半径84和内半径86之间的每一侧上都具有阶梯88。两个相邻的楔形形状的铁氧体磁体80之间的相邻阶梯88产生一个凹槽，所述凹槽容纳每个矩形钕磁体82的内端90。

参考图17A和图17B，钕-铁氧体转子74包括交替的永久钕磁体82和硅钢叠片78。通过对钕-铁氧体转子74建模并且减少矩形钕磁体82的厚度来优化图17A和图17B中的钕-铁氧体转子74，直到性能下降至目标性能以下。

参考图18，随后使用比图17A和图17B中所示的转子74更少的用于矩形钕磁体82的磁体材料来模拟内部永磁体辐条式转子74。在矩形钕磁体82之间增加空气间隙92来减少磁泄露，从而提高性能。

参考图19A至图19D，随后减少辐条式矩形钕磁体82的长度，直到性能下降到目标性能以下。随后用楔形形状铁氧体磁体80填充钕磁体82之间的空气间隙92，这提高了性能。

参考图20，改变铁氧体磁体80的内半径和外半径来最大化钕铁氧体转子74的性能，使得钕磁体82和铁氧体磁体82的最优组合使成本最小化并且使性能最大化。铁氧体转子62的成本比钕-铁氧体转子74低，因为与铁氧体相比，每公斤钕的价格要贵一个数量级。钕还具有比铁氧体更高的磁通量。出于这些原因，钕-铁氧体转子74的效率比铁氧体转子62高，但成本也比铁氧体转子62高。

电子换向DC马达的第二个实施方案是外转子EC马达110。在图21至图31中示出了根据本发明的外转子EC马达110。外转子EC马达110具有外壳，所述外壳包括圆柱形控制器壳体112和圆柱形定子罩150。借助于连接片114、罩垫片154、定子立柱140和拧入定子立柱140的连接螺钉156，将静止的定子130附接至圆柱形控制器壳体112和圆柱形定子罩130(图30)。电子控制器116安装在圆柱形控制器壳体112内部。散热器120与电子控制器116热附接，从而使电子控制器116内的电子器件所产生的热量消散(图21、图23、图25、图26和图27)。提供电连接器118，从而将电源和控制信号连接至外转子DC马达110。

参考图23、图24、图25和图30，静止的定子130具有衬套132，衬套132中装配有定子轴承144。加强筋142从衬套132辐射，并在其远端以定子立柱140终止，如前文所述，所述定子立柱140用于将定子132连接至圆柱形控制器壳体112和定子罩150。在图30所示的特定实施方案中，定子130有12个单独的定子硅钢层叠齿134。间隙或空气通道138将各个齿134周向分开。用导电电磁线圈缠绕每个齿134(未示出)，以产生本领域内通常理解的旋转电磁力。定子130具有塑料包覆成型结构136，所述塑料包覆成型结构136覆盖了除了外凸齿表面146之外的齿134和电磁线圈。包覆成型结构136在各个齿134之间进一步留下空隙或空气通道138。如上文所述，用于包覆成型结构的塑料是Rynite。

转子160包括固定有转子轴166的衬套164。转子轴166被安装成在定子轴承144中旋转(图31)。端盖168从衬套164延伸，并且终止于圆柱形转子壳体162。端盖168在其外表面上具有加强筋170。端盖168的内表面包括叶轮风扇174(图29)。叶轮风扇174包括平面径向延伸的内风扇叶片176和平面径向延伸的外风扇叶片178。圆柱形转子壳体162有围绕其外围间隔开的多个出气口172。一系列间隔开的永磁体182围绕圆柱形转子壳体的内表面附接，并且与出气口172轴向偏移。

在运行中，由定子130的齿134产生的旋转磁场与转子160的永磁体182相互作用，导致转子160在轴承144内的转子轴166上旋转。随着转子160的旋转，风扇叶片176和178将外界空气吸入罩进气开口152，经过散热器120，通过定子空气通道138并且进入叶轮风扇174。如图31中的线180所示，随后风扇叶片176和178将空气通过出气口172排出。结果是，外界空气首先使散热器120散热，从而保持电子控制器116的电子器件的冷却。接下来，外界空气穿过定子空气通道138，从而保持定子130的冷却。因为风扇叶片176和178是平面的而非弯曲的，所以无论风扇174的旋转方向如何，外界空气都被吸入罩进气开口152，通过定子空气通道138，并且通过出气口172被推出。

虽然已经参照优选实施方案对本发明进行了描述，然而应理解的是，在如本文所述和如所附权利要求所述的本发明的原理和范围内，可以实现变化和修改。

Claims (8)

1.一种内转子电动马达，包括：

a.具有第一端和第二端的外壳；

b.圆柱形定子，包括：

i.外圆形芯背；

ii.由所述外圆形芯背支撑的齿，从所述外圆形芯背向内延伸，并且围绕所述定子周向间隔，所述齿具有限定圆形开口的内凹端；

iii.围绕所述齿缠绕的电磁线圈，使所述电磁线圈通电以在所述齿的内凹端处产生旋转磁场；以及

iv.在磁线圈之间的轴向定向的空气通道，

c.内转子，所述内转子安装在轴上以用于旋转并且被定位在所述定子的圆形开口内；以及

d.空气管理系统，包括：

i.叶轮风扇，所述叶轮风扇具有径向延伸的平面风扇叶片，所述平面风扇叶片附接至所述轴，以用于与所述轴一起旋转；

ii.进气口，所述进气口在邻近所述外壳的第一端处、围绕所述外壳周向间隔；

iii.径向定向的空气通道，从所述进气口延伸至所述叶轮风扇；

iv.轴向定向的空气通道，用于从所述叶轮风扇接收空气；以及

v.出气口，所述出气口与所述轴向定向的空气通道连接，用于从所述轴向定向的空气通道接收空气，并且通过所述外壳的第二端轴向地排放空气。

2.根据权利要求1所述的内转子电动马达，其中所述马达还包括电子控制器，所述电子控制器定位在所述外壳的第一端处并且邻近所述径向定向的空气通道。

3.根据权利要求1所述的内转子电动马达，其中所述外壳还包括：

a.圆柱形外壳体；以及

b.定子线圈部段，

其中，所述定子线圈部段封装所述定子线圈，在所述定子线圈之间留下轴向定向的定子线圈冷却通道，并且所述圆柱形外壳体围绕所述圆形芯背塑料模制就位，以封装所述定子。

4.一种用于电动马达的内转子，包括：用于支撑周向间隔的钢叠片的衬套，定位在相邻的钢叠片之间的间隙中的矩形形状的永磁体，以及径向地定位在所述钢叠片和所述衬套之间的楔形形状的永磁体。

5.根据权利要求4所述的内转子，其中所述矩形磁体是铁氧体磁体并且所述楔形形状的磁体是铁氧体磁体。

6.根据权利要求4所述的转子，其中所述矩形磁体是钕磁体并且所述楔形形状的磁体是铁氧体磁体。

7.一种外转子电动马达，包括

a.具有第一端和第二端的外壳；

b.圆柱形定子，包括：

i.定子衬套；

ii.由所述定子衬套支撑的齿，从所述定子衬套向外延伸，并且围绕所述定子周向间隔，所述齿具有限定圆形外围的外凸端；

iii.围绕所述齿缠绕的电磁线圈，使所述电磁线圈通电以在所述齿的外凸端处产生旋转磁场；以及

iv.在磁线圈之间的轴向定向的空气通道，

c.外转子，所述外转子安装在轴上以用于旋转，并且具有圆柱形转子壳体，所述圆柱形转子壳体围绕所述定子的外围定位并且具有周向间隔的出气口；以及

d.空气管理系统，包括：

i.叶轮风扇，所述叶轮风扇带有径向延伸的平面风扇叶片，所述平面风扇叶片附接至所述轴，以用于与所述轴一起旋转；

ii.进气口，所述进气口在邻近所述外壳的第一端处、围绕所述外壳周向间隔；

iii.径向定向的空气通道，从所述进气口延伸至所述叶轮风扇；

iv.轴向定向的空气通道，用于接收被所述叶轮风扇吸入的空气；以及

v.出气口，所述出气口与所述轴向定向的空气通道连接，用于从所述轴向定向的空气通道接收空气，并且通过所述出气口排放空气。

8.根据权利要求1所述的外转子电动马达，其中所述马达还包括电子控制器，所述电子控制器定位在所述外壳的第一端处并且邻近所述径向定向的空气通道。

根据权利要求1所述的外转子电动马达，其中所述外壳还包括定子线圈部段，其中所述定子线圈部段封装所述定子线圈，在所述定子线圈之间留下轴向定向的定子线圈冷却通道。

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