CN115118046A - 一种外转子电机及其风扇 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外转子电机及其风扇，包括沿轴向延伸的转轴、套设于所述转轴外周的内定子及固定于所述转轴上的外转子与风扇，所述内定子位于所述转轴与所述外转子之间，所述风扇随所述转轴旋转以产生气流；所述风扇具有由所述转轴驱动的轮毂及自所述轮毂的外周面径向向外凸伸的数个叶片，所述轮毂的直径d与所述风扇的直径D之比小于等于0.6，本发明通过限定风扇叶片的轮毂比等参数，能够提升电机的散热效率及全压效率。

Description

一种外转子电机及其风扇

【技术领域】

本发明涉及外转子电机技术领域，特别涉及一种具有良好性能的外转子电机及其风扇。

【背景技术】

对于带有外转子电机的电动工具而言，外转子电机的散热风扇一般有外置和内置两种，风扇随永磁体、永磁体支架及外壳一起旋转，且风扇在旋转产生电机散热所需的空气流量的同时也成会为电机的负载，其对电机效率有较大影响。现有技术方案中，外壳的进风口与风扇的叶片之间通流面积的比例关系、风扇的轮毂比及展弦比与电机外径的比例等关键参数的设计不合理，会导致风扇无法以消耗最低功率的代价提供最大的电机散热流量。这样一来即使电机温升满足安规要求，电机效率也会因风扇的功耗大而降低。除此之外，风扇及电机不合理的几何和气动参数同样会导致气流流经叶片时过早地发生流动分离，从而产生涡流噪声。

鉴于此，确有必要提供一种改进的外转子电机及其风扇，以克服先前技术存在的缺陷。

【发明内容】

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种外转子电机及其风扇，可以提升电机工作效率及散热效率。

本发明解决现有技术问题可采用如下技术方案：一种外转子电机，包括沿轴向延伸的转轴、套设于所述转轴外周的内定子及固定于所述转轴上的外转子与风扇，所述内定子位于所述转轴与所述外转子之间，所述风扇随所述转轴旋转以产生气流；所述风扇具有由所述转轴驱动的轮毂及自所述轮毂的外周面径向向外凸伸的数个叶片，所述轮毂的直径d与所述风扇的直径D之比小于等于0.6。

进一步改进方案为：所述外转子设有环形侧壁及位于所述环形侧壁的轴向一端的端壁，所述环形侧壁与所述端壁围设形成所述容纳腔，所述内定子收容于所述容纳腔内，所述风扇邻近所述端壁设置。

进一步改进方案为：所述端壁固定于所述转轴上且设有连通所述容纳腔的进风口，所述风扇邻近所述进风口设置，所述进风口的进风总面积S1与所述端壁的周向面积S2之比大于等于0.7。

进一步改进方案为：所述叶片包括连接于所述轮毂的叶根部、居于所述叶片的中间的叶中部及远离所述轮毂的叶尖部，所述叶片的最大弦长位于所述叶中部上，且所述叶片的最大弦长与所述叶片的高度的比值小于等于1。

进一步改进方案为：所述转轴具有第一轴线，所述叶片具有所述弦长与所述第一轴线之间角度的叶片安装角，所述叶片安装角从所述叶根部至所述叶尖部呈逐渐增大趋势。

进一步改进方案为：所述叶片安装角的角度介于45°至75°之间，且所述叶片安装角随所述叶片的高度变化率在3°/mm～4°/mm之间。

进一步改进方案为：所述外转子包括贴合于所述环形侧壁的内壁的磁钢套及由所述磁钢套固持的数个磁钢，所述磁钢沿周向均匀分布于所述环形侧壁的内壁上。

进一步改进方案为：所述内定子包括套设于所述转轴外侧的机架及位于所述转轴与所述机架之间的轴承，所述机架通过所述轴承轴向固定在所述转轴上。

进一步改进方案为：所述内定子还包括套设于转轴上的定子铁芯、设置于所述定子铁芯上的定子绝缘和绕制于所述定子绝缘上的绕组，所述定子铁芯固定于所述机架上。

进一步改进方案为：一种风扇，固定连接于一外转子电机的转轴上，所述风扇具有由所述转轴驱动的轮毂及自所述轮毂的外周面径向向外凸伸的数个叶片，所述轮毂的直径d与所述风扇的直径D之比小于等于0.6。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、当所述轮毂的直径d与所述风扇的直径D之比小于等于0.6时，相较于d/D大于0.6的风扇，可以保证叶片根部进风以冷却绕组底部，使绕组温度降低3％；

2、当所述进风口的进风总面积S1与所述端壁的周向面积S2之比大于等于0.7时，可以保证较大的进风面积，增加风扇风量，使绕组温度降低5％，满足电机的热需求；

3、当所述叶片的最大弦长与所述叶片的高度的比值小于等于1时，可以使得叶根、叶中及叶尖的气动负荷分配均匀，从而提高风扇的全压效率，相较于最大弦长与叶片的高度的比值大于1的风扇，其全压效率可以提升6％；

4、当所述叶片安装角的角度介于45°至75°之间，且所述叶片安装角随所述叶片的高度变化率在3°/mm～4°/mm之间时，可以改善不同半径处叶型流动发生流动分离的情况，从而进一步提高风扇的全压效率，相较于不在该范围内的风扇，可以达到全压效率提升8％以上，并且降低涡流噪声；

5、当同时满足d/D小于等于0.6、S1/S2大于等于0.7、最大弦长与叶片的高度的比值大于1、叶片安装角的角度介于45°至75°之间，且所述叶片安装角随所述叶片的高度变化率在3°/mm～4°/mm之间时，风扇的全压效率可以意想不到的提升到20％以上，同时提升了20％的散热效率及降低了10％的涡流噪声。

【附图说明】

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明:

图1是本发明较佳实施例中外转子电机的整体结构示意图；

图2是图1所示的外转子电机的爆炸图；

图3是图1所示的外转子电机的剖视图；

图4是图2所示的风扇的轮毂比示意图；

图5是图1所示的外转子电机的正视图；

图6是图2所示的外转子电机中风扇的弦长示意图；

图7是图6所示的风扇的安装角示意图。

图中附图标记的含义：

100、外转子电机 10、转轴 20、外转子

21、壳体 211、端壁 212、环形侧壁

213、进风口 22、磁钢套 23、磁钢

30、内定子 31、机架 32、轴承

33、定子铁芯 34、定子绝缘 35、绕组

40、风扇 41、轮毂 42、叶片

D、风扇直径 d、轮毂直径 S1、进风总面积

S2、端壁周向面积

【具体实施方式】

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参阅图1至图3所示，本发明的实施方式涉及一种外转子电机100，包括沿轴向延伸的转轴10、连接于所述转轴的外转子20、位于所述转轴10与所述外转子20之间的内定子30及固定于所述转轴上的风扇40，所述外转子20固定于转轴10上，且所述转轴10随着外转子20相对于内定子30转动。

所述内定子30包括套设于所述转轴10外侧的机架31及位于所述转轴10与所述机架31之间的轴承32，所述机架31通过所述轴承32轴向固定在所述转轴10上。所述内定子30还包括套设于转轴10上的定子铁芯33、设置于所述定子铁芯33上的定子绝缘34和绕制于所述定子绝缘34上的绕组35，定子绝缘34用于在所述定子铁芯33与所述绕组35之间实现绝缘。

具体地，所述绕组35包括线圈及一体成型于所述线圈上的胶黏剂，在本实施方式中，胶黏剂为环氧树脂，环氧树脂含有多种极性基团和活性很大的环氧基，因而与表面活性高的材料具有很强的粘接力，同时环氧固化物的内聚强度也很大，所以其胶接强度很高，且环氧树脂固化时基本上无低分子挥发物产生，体积收缩率小，耐腐蚀性及介电性能好等优点，故优选用于与线圈一体成型。当然，胶黏剂例如但不限于，丙烯酸类树脂、聚氨酯、酚醛树脂等具有相似性能的树脂。在本发明的外转子电机中，所述绕组为三相，且由多股绞合漆包线或铜条绕制呈圆筒型的无槽结构。

请参阅图2与图3所示，所述外转子20包括轴向一端固定于所述转轴10上的壳体21，所述转轴10具有第一轴线A1，所述壳体材料采用不锈钢，具有不生锈、不导磁、强度高的特性。所述壳体21设有容纳腔及位于轴向一端且连通所述容纳腔的进风口213，所述壳体21设有环形侧壁212及位于所述环形侧壁212轴向一端的端壁211，所述环形侧壁212与所述端壁211围设形成所述容纳腔，所述进风口213位于所述环形侧壁212与所述端壁211的至少一个上。

具体地，所述外转子20包括套设于所述定子绝缘34上的磁钢套22及贴合于所述磁钢套上的数个磁钢23，所述磁钢23沿周向均匀分布于所述环形侧壁212的内壁上，所述风扇40位于所述端壁211与所述磁钢23之间。所述风扇40位于所述容纳腔内且邻近所述进风口设置，所述风扇40随所述转轴旋转以产生气流。此处风扇40也可以与磁钢套22做成一体式风扇。另外，磁钢22的结构为瓦片状，且所述磁钢22由钕铁硼材料制成，当然，此处磁钢22的结构也可为环状，磁钢材料也不限于钕铁硼材料。

风扇具有叶型几何参数，叶型是指叶片在沿着气流流动方向上的横截面的几何形状。二维叶型的主要性能指标是升阻比，冷却风扇的压力、功率损失和效率分别与叶型的升力、阻力和升阻比有关。扇叶也称叶片，扇叶截面形状有翼型、弧形和直边三种。弧形和直边叶片形状简单有良好的制造性，性能也能够满足散热风扇的基本要求，而翼型叶片截面形状参考于飞机机翼，多用在航空发动机领域，在冷却风扇领域的应用也能够带来很高的气动和噪声性能表现，但是相对制造难度大，叶尖的强度难以保证，成本较高。弧形和直边结构的参数较为简单，翼型叶片几何参数则较为复杂，本发明中的叶片则属于这里提到的翼型叶片。

请参阅图4所示，风扇40具有可旋转驱动的轮毂41及设置于所述轮毂周围的叶片42，所述叶片呈均匀分布，数量为七个及以上。界定风扇轮毂41的直径d与环列于轮毂41外周面的多个所述叶片构成一叶片总成的外缘直径D的比值d/D为轮毂比，风扇40随磁钢23、磁钢套22及壳体21一起旋转，风扇旋转产生电机散热所需的空气流量的同时成为电机负载，其对电机效率有较大影响，本发明的研究人员通过大量地实验及研究，发现轮毂比小于等于0.6时可以改善散热问题，通常D小于等于40mm。轮毂比过小，叶片根部进风不足以冷却绕组线圈底部，导致绕组线圈温度升高，易损坏电机，当所述轮毂的直径d与所述风扇的直径D之比小于等于0.6时，相较于d/D大于0.6的风扇，可以保证叶片根部进风以冷却绕组底部，使绕组温度降低3％。

请参阅图5所示，更进一步地，设所述进风口具有进风口面积K，所述风扇具有n个进风口，则所述进风口总面积S1为n*K，所述壳体具有壳体周向面积S2(不扣除进风口总面积S1)，若进风面积过小，风扇风量会无法满足电机散热需求，当同时满足所述进风口总面积S1与所述壳体周向面积S2之比大于等于0.7时散热效果更佳，相较于S1/S2小于0.7的方案，本发明可以达到绕组温度降低5％，满足电机的热需求。

请参阅图6所示，在一个优选实施例中，风扇叶片42的高度H为环列于轮毂41外周面的多个所述叶片构成一叶片总成的外缘直径D减去风扇轮毂41的直径d再除以2，即H为(D-d)/2。垂直于所述转轴10对风扇40作X轴线及Y轴线，平行于Y轴线对叶片进行剖切，此时可以看到叶片的剖切面，换另一种方式说，所述轮毂侧面沿径向截取叶片所得的剖面为剖切面，也称翼剖面。剖切面存在叶片两端的a、b点，连接翼型前后缘a、b点的直线叫做弦线，其长度称为弦长C，在叶片上可以做出无数条弦线，弦线具有不同长度的弦长。

请参阅图7所示，D-D处称为叶根部，E-E处称为叶中部，F-F处称为叶尖部，叶中部所具有的弦长为最大弦长Cmax。当所述叶片的最大弦长与所述叶片的高度的比值小于等于1时，可以使得叶根、叶中及叶尖的气动负荷分配均匀，从而提高风扇的全压效率，相较于最大弦长与叶片的高度的比值大于1的风扇，其全压效率可以提升6％。

轮毂侧面沿径向截取叶片所得的剖面为翼剖面，该翼剖面的a端和b端的连线与轴线之间的夹角为叶片安装角，即弦长与轴线之间的角度为叶片安装角α，可以从图中看到，所述叶片安装角从所述叶根部至所述叶尖部呈逐渐增大趋势，在本发明中，叶片安装角的范围为45°至75°之间，优选地，叶片安装角的范围为48°至71°之间，不但使风扇具有优异的散热性能，而且降低了风扇的噪声，提升了风扇效率。更进一步地，在本发明中，叶片安装角随所述叶片的高度变化率在3°/mm～4°/mm之间时，散热效果和风扇效率会进一步提升，此外，该风扇在成型塑模的工艺性及与电机的可匹配性也很好。

效率表征了能量利用和转换的程度。能量从电机输出到空气流动这一传递过程中，存在各种阻力、机械损失和内部流动损失，所以空气最终获取的能量远小于轴功率，因此需要用效率来表征能量利用率的大小。用全压效率η来表征空气的能量利用率，当保持风扇的最大弦长Cmax与叶片总高度H比值小于等于1、叶片安装角的范围为48°至71°之间、叶片安装角随所述叶片的高度变化率在3°/mm～4°/mm之间时会有效改善散热问题，减少噪音，相对于市面上现有的风扇及风扇应用到外转子电机上大幅提升全压效率8％以上。

通过大量创造性的试验之后，本发明人意外地发现，当同时满足d/D小于等于0.6、S1/S2大于等于0.7、最大弦长与叶片的高度的比值大于1、叶片安装角的角度介于45°至75°之间，且所述叶片安装角随所述叶片的高度变化率在3°/mm～4°/mm之间时，相较于本发明技术方案的范围外，本发明风扇的全压效率可以意想不到的提升到20％以上，同时提升了20％的散热效率，还降低了10％的涡流噪声，具备了本技术领域预料不到的技术效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (12)

1.一种外转子电机，包括沿轴向延伸的转轴、套设于所述转轴外周的内定子及固定于所述转轴上的外转子与风扇，所述内定子位于所述转轴与所述外转子之间，所述风扇随所述转轴旋转以产生气流；其特征在于：所述风扇具有由所述转轴驱动的轮毂及自所述轮毂的外周面径向向外凸伸的数个叶片，所述轮毂的直径d与所述风扇的直径D之比小于等于0.6。

2.根据权利要求1所述的外转子电机，其特征在于：所述外转子设有环形侧壁及位于所述环形侧壁的轴向一端的端壁，所述的环形侧壁与所述的端壁围设形成所述容纳腔，所述内定子收容于所述容纳腔内，所述风扇邻近所述端壁设置。

3.根据权利要求2所述的外转子电机，其特征在于：所述端壁固定于所述转轴上且设有连通所述容纳腔的进风口，所述风扇邻近所述进风口设置，所述进风口的进风总面积S1与所述端壁的周向面积S2之比大于等于0.7。

4.根据权利要求1所述的外转子电机，其特征在于：所述叶片包括连接于所述轮毂的叶根部、居于所述叶片的中间的叶中部及远离所述轮毂的叶尖部，所述叶片的最大弦长位于所述叶中部上，且所述叶片的最大弦长与所述叶片的高度的比值小于等于1。

5.根据权利要求4所述的外转子电机，其特征在于：所述转轴具有第一轴线，所述叶片具有所述弦长与所述第一轴线之间角度的叶片安装角，所述叶片安装角从所述叶根部至所述叶尖部呈逐渐增大趋势。

6.根据权利要求5所述的外转子电机，其特征在于：所述叶片安装角的角度介于45°至75°之间，且所述叶片安装角随所述叶片的高度变化率在3°/mm～4°/mm之间。

7.根据权利要求2所述的外转子电机，其特征在于：所述外转子包括贴合于所述环形侧壁的内壁的磁钢套及由所述磁钢套固持的数个磁钢，所述磁钢沿周向均匀分布于所述环形侧壁的内壁上。

8.根据权利要求7所述的外转子电机，其特征在于：所述内定子包括套设于所述转轴外侧的机架及位于所述转轴与所述机架之间的轴承，所述机架通过所述轴承轴向固定在所述转轴上。

9.根据权利要求8所述的外转子电机，其特征在于：所述内定子还包括套设于转轴上的定子铁芯、设置于所述定子铁芯上的定子绝缘和绕制于所述定子绝缘上的绕组，所述定子铁芯固定于所述机架上。

10.一种风扇，固定连接于一外转子电机的转轴上；其特征在于：所述风扇具有由所述转轴驱动的轮毂及自所述轮毂的外周面径向向外凸伸的数个叶片，所述轮毂的直径d与所述风扇的直径D之比小于等于0.6。

11.根据权利要求12所述的风扇，其特征在于：所述叶片包括连接于所述轮毂的叶根部、居于所述叶片的中间的叶中部及远离所述轮毂的叶尖部，所述叶片的最大弦长位于所述叶中部上，且所述叶片的最大弦长与所述叶片的高度的比值小于等于1。

12.根据权利要求13所述的风扇，其特征在于：所述转轴具有第一轴线，所述叶片具有所述弦长与所述第一轴线之间角度的叶片安装角，所述叶片安装角从所述叶根部至所述叶尖部呈逐渐增大趋势，所述叶片安装角的角度介于45°至75°之间，且所述叶片安装角随所述叶片的高度变化率在3°/mm～4°/mm之间。

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