CN117751507A - 模块化无刷dc（bldc）马达结构 - Google Patents

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Abstract

无刷DC马达(BLDC)包括具有环形主体的定子，该定子具有从环形主体轴向向外延伸的多个定子柱。多个定子绕组各自缠绕对应的一个定子柱。转子支撑结构定位在多个定子柱的径向内部。包括轴的转子被接收在转子支撑结构中。第一转子盘固定在轴的第一端部上。至少第一组磁体围绕转子盘设置并且与定子柱径向相邻定位成使得第一组磁体和定子绕组限定第一径向磁通流动路径。第二组磁体相对于定子柱以轴向相邻或径向相邻之一定位成使得限定第二磁通流动路径。

Description

模块化无刷DC(BLDC)马达结构
相关申请的交叉引用
本申请要求2021年7月15日提交的美国非临时专利申请第17/376228号的优先权。
技术领域
本公开总体上涉及无刷DC(BLDC)马达结构，更具体地涉及用于BLDC马达的改进构造。
背景技术
无刷DC(BLDC)马达是使用直流(DC)电源驱动旋转的同步马达。马达使用相关的电子闭环控制器来产生通过马达的单独磁性绕组驱动的若干个交流(AC)信号。AC信号产生旋转磁通量场。包括磁体的转子结构位于旋转磁通量场内，磁体与旋转磁通量场之间的相互作用驱动转子旋转。BLDC马达通过机械轴输出旋转，该旋转可以通过传统的机械连接件连接到任何旋转系统。
虽然在电气上适用于多种应用，但满足某些应用的电气要求的BLDC结构的物理约束太大和/或存在无法使用它们的其他尺寸原因。BLDC马达的形状因子和紧凑性都需要改进。
发明内容
在一个示例性实施方式中，无刷DC马达(BLDC)包括：具有环形主体的定子，该定子具有从环形主体轴向向外延伸的多个定子柱、多个定子绕组以及定位在多个定子柱的径向内部的转子支撑结构，其中每个定子绕组缠绕在对应的一个定子柱上；转子，该转子包括被接收在转子支撑结构中的轴、固定在轴的第一端部上的第一转子盘、至少第一组磁体，该第一组磁体围绕转子盘设置并且与定子柱径向相邻定位成使得第一组磁体和定子绕组限定第一径向磁通流动路径；以及第二组磁体，该第二组磁体相对于定子柱以轴向相邻或径向相邻之一定位成使得限定第二磁通流动路径。
在上述无刷DC马达的另一个示例中，转子支撑结构包括细长衬套，该细长衬套具有设置在其中的多个轴承，其中每个轴承被构造为至少部分地支撑转子轴。
在任何上述无刷DC马达的另一个示例中，多个轴承中的每个轴承包括压配合到轴的内圈和接触衬套的外圈，衬套在轴向对准表面上的第一轴承的外圈接触衬套的位置处以及在轴向对准表面上的第二轴承的外圈接触衬套的位置处被弯皱化(crimped)。
在任何上述无刷DC马达的另一个示例中，每个定子绕组经由导电环连接，形成具有中性节点的星形相连接，该导电环被完全封闭。
在任何上述无刷DC马达的另一个示例中，导电环限定中性节点，并且其中，在导电环上发生开路故障的情况下，中性节点保持与所有定子绕组的中性节点连接。
在任何上述无刷DC马达的另一个示例中，导电环包括扩展部分，该扩展部分被构造为在无刷DC马达组装期间提供周向断裂。
在任何上述无刷DC马达的另一个示例中，来自无刷DC马达的周围部件的压力保持横跨扩展部分的物理接触。
在任何上述无刷DC马达的另一个示例中，第二组磁体固定在转子盘上。
在任何上述无刷DC马达的另一个示例中，第二组磁体固定在转子盘的轴向延伸部分上，并且设置在定子柱的径向内部，使得第二组磁体限定径向磁通流动路径。
在任何上述无刷DC马达的另一个示例中，第二组磁体固定在转子盘的轴向面对表面上，并且设置在定子柱的轴向端部处，使得第二组磁体限定轴向磁通流动路径。
在任何上述无刷DC马达的另一个示例中，每个定子柱包括从锥形侧面、轴向侵入槽和轴向侵入缺口(divot)的列表中选择的至少一个几何特征。
任何上述无刷DC马达的另一个示例还包括设置在无刷DC马达的第一轴向端部处的第一非导电环和设置在无刷DC马达的第二轴向端部处的第二非导电环。
在任何上述无刷DC马达的另一个示例中，至少一个非导电环包括安装支撑件，该安装支撑件被构造为相对于壳体在结构上支撑无刷DC马达。
在任何上述无刷DC马达的另一个示例中，转子还包括在与轴的轴向端部相对的定子的轴向端部处固定在轴上的第二转子盘，第二转子包括转子盘，并且其中至少第二组磁体固定在转子盘上。
在一个示例性实施方式中，无刷DC马达(BLDC)包括：具有环形主体的定子，该定子具有从环形主体轴向向外延伸的多个定子柱、多个定子绕组以及定位在多个定子柱的径向内部的转子支撑结构，其中每个定子绕组缠绕在对应的一个定子柱上；转子，该转子包括被接收在转子支撑结构中的轴、固定在轴的第一端部上的第一转子盘、至少第一组磁体，该第一组磁体围绕转子盘设置并且与定子柱相邻定位成使得在第一组磁体与定子绕组之间形成轴向磁通流动路径和径向磁通流动路径之一，并且转子包括在与轴的轴向端部相对的定子的轴向端部处固定在轴上的第二转子盘，第二转子包括至少第二组磁体，该第二组磁体围绕转子盘且与定子柱相邻设置，使得在磁体与定子绕组之间形成轴向磁通流动路径和径向磁通流动路径之一。
在上述无刷DC马达的另一个示例中，每个定子绕组经由导电环连接，形成具有中性节点的星形相连接，该导电环被完全封闭。
在任何上述无刷DC马达的另一个示例中，第一组磁体和第二组磁体限定轴向磁通流动路径。
任何上述无刷DC马达的另一个示例还包括设置在无刷DC马达的第一轴向端部处的第一非导电环和设置在无刷DC马达的第二轴向端部处的第二非导电环，这些非导电环中的至少一个包括安装支撑件，该安装支撑件被构造为相对于壳体在结构上支撑无刷DC马达。
本发明的这些和其他特征可以从下面的说明书和附图中得到最好的理解，下面是简要描述。
附图说明
图1示意性示出了双转子无刷DC(BLDC)马达。
图2示意性示出了图1的双转子BLDC的四分之一剖视图，其中剖面线A、B限定了移除的四分之一。
图3示意性示出了图1和图2的BLDC马达的分解图。
图4A以等距图示出了单转子无刷DC(BLDC)马达，为了特征清楚起见而省略了一部分。
图4B示意性示出了图4A的单转子BLDC马达的剖面，其包括从图4A中省略的转子部分。
图4C示意性示出了图4A的单转子BLDC马达的定子部分的分解图。
图4D示意性示出了图4A的单转子BLDC马达的转子部分的分解图，其包括从图4A中省略的转子部分。
图5A示意性示出了具有两组径向对准的磁体和一组轴向对准的磁体的单转子BLDC马达的剖面。
图5B示出了图5A的转子部分的分解图。
图6A示意性示出了用于图1至图5B的任何BLDC的短路环。
图6B示意性示出了为了安装而展开的图6A的短路环。
图6C示意性示出了由图6A和图6B的短路环构造的电路。
具体实施方式
图1至图3示意性示出了无刷DC(BLDC)马达100，其中图1提供了双转子轴向磁通BLDC马达100的等距图，图2示意性示出了沿着剖面线A和B切割的BLDC马达100的四分之一剖面等距图，图3示意性示出了BLDC马达100的分解图。BLDC马达100通过将具有磁体126的第一转子部分120与定子绕组132轴向相邻定位并将具有磁体146的第二转子部分140在定子部分130的轴向相对端部处与定子绕组132轴向相邻定位来限定轴向磁通流动路径。在替代构造中，可以通过将磁体126、146的组与定子柱径向相邻定位并且包括与磁体126、146的组径向相邻的转子盘的部分对转子部分140进行修改来提供径向磁通路径，其中磁体126、146设置在转子盘与定子柱之间。
每个转子部分120、140包括实心转子盘124、144(为了解释的目的，在一个轴向端部处被示出为是透明的)。在每个转子盘124、144的面向内的表面上附接对应的一组永磁体126、146。该组永磁体126、146包括沿周向布置的偶数个磁体，使得磁极以N-S构造交替。永磁体126、146保持与定子130内的定子绕组132轴向相邻，从而在BLDC马达100的运行期间限定轴向磁通流动路径。每个定子绕组132由实心芯定子柱134和缠绕在定子柱134上的导电线圈绕组136构成。每个线圈绕组136在输入处连接至根据任何已知的BLDC电力开关系统的电源。另外，每个线圈绕组136在一个端部处经由短路环(参见图6C)连接到每个其他线圈绕组136，从而形成星形连接。
通过根据传统BLDC开关向绕组提供电力，产生旋转磁通场，该旋转磁通场被传递至轴向相邻的永磁体。磁通场驱动永磁体126、146旋转，这驱动轴110旋转。轴110向任何需要旋转能的系统提供输出。
转子部分120、140经由转子支撑结构160相对于定子部分130被支撑。在图1的示例中，转子支撑结构160包括轴向延伸并接收转子轴110的细长衬套162。一对轴承164、166(在图2中示出)将轴110相对于细长衬套保持就位，并且衬套被压配合到定子中。轴110在BLDC100的每个轴向端部处固定地连接至转子盘124、144。这种构造防止转子轴110在BLDC马达100组装之后轴向移动，同时仍然允许转子轴110在衬套162内自由旋转。
在图1所示的示例中，一对非导电环102、104沿着轴线C安装到定子部分上，在每个轴向端部处各有一个非导电环。在一个示例中，非导电环102、104由铝构成，但是可以使用替代材料来达到类似的效果。环102、104定位在磁体126、146与定子绕组136之间并且与定子线轴138面接，定子线轴138保持每个定子绕组132在定子部分130内的相对位置。由于它们的非导电性质，环102、104不会干扰电能通过定子绕组向转子部分120、140处的旋转能的转换。图1的图示的环102、104包括安装特征106，其允许马达100安装到壳体内的结构上，或者安装到其中使用马达100的结构上。在马达100被直接结合到包覆成型壳体中的情况下(例如，图2和图3的示例)，可以从环102、104上省略安装特征106。在另外的实施方式中，在不需要BLDC马达100的结构支撑的情况下，可以从结构中完全省略铝环。
图1至图3的双转子BLDC马达100利用包括细长衬套162的转子支撑结构，该细长衬套162具有包括在细长衬套162内的多个轴承164、166。轴承164、166各自至少部分地支撑轴110并保持轴110和转子部分120、140的相对位置。在一个示例中，轴承164、166的内圈压配合在轴110上，并且每个轴承164、166的外圈与衬套162轻微推配合。衬套162的端部侧被弯皱化，产生凹痕或从端部侧朝向对应的轴承164、166突出的其他类似特征。每个轴承164、166的外圈接触由弯皱产生的突出特征，并且摩擦防止两个轴承164、166在衬套壳体中旋转。关于衬套壳体不旋转有助于防止轴承润滑在BLDC马达运行期间变干，从而延长BLDC马达的使用寿命。在将衬套162、轴承164、166和轴插入到定子中并形成用于弯皱化的凹痕之后，安装两个转子/磁体子组件。然而，替代示例可包括在替代轴承164、166上或在两个轴承164、166上的弯皱化。图4所示的替代示例可以在图1至图3的实施方式中同样良好地发挥作用，反之亦然。
继续参照图1至图3，并且相同的附图标记表示相同的元件，图4A、图4B、图4C和图4D示意性示出了无刷DC(BLDC)马达500，其能够通过在单个转子上包含多组磁体来实现双转子构造的优点的至少一部分。图4A示出了BLDC 500的等距图，其中省略了转子部分520的一部分以增强定子部分520的可视性。图4B示出了BLDC马达500的剖面，其中存在从图4B中省略的部分。图4C示出了马达500的定子部分530的分解图。图4D示出了马达500的转子部分520的分解图。
BLDC 500配置有包括转子盘522的单个转子部分520。在转子盘522的径向外部边缘上安装有一组永磁体526。永磁体526位于定子部分530中的每个定子柱534的部分535的径向内部，从而产生径向对准的磁通流动路径。定子部分530包括基板531，定子柱534从基板531轴向突出。每个定子柱被包含在线轴533内并且线圈绕组536缠绕在线轴533上。包覆成型结构535围绕并支撑绕组536和线轴533。
如图4B和图4D所示，从图4A中省略的转子盘522在定子柱534上方轴向延伸，并且第二组磁体526’与定子柱534轴向相邻定位。在单转子BLDC 500的替代示例中，如图5所示的示例，转子盘522可以轴向超出定子柱，并且包括用于支撑定子柱的径向外部的第一组永磁体和轴向超出定子柱的第二组永磁体的结构。在这两种情况下，该构造都会产生混合轴向-径向磁通马达。
由于BLDC 500的永磁体和定子之间的相互作用，在BLDC马达500的操作期间产生齿槽转矩(cogging torque)。齿槽转矩通常是不受欢迎的，并且在较低速度下尤其突出，在较低速度下它可能导致急动和速度波动。在定子柱530的延伸超出绕组的每个部分535内包括多个成形特征580、582。成形特征580、582包括倾斜边缘580和轴向槽582。每个成形特征580、582操作以调整BLDC 500的运行期间产生的齿槽转矩，从而减小BLDC马达500的运行期间出现的总齿槽转矩。每个特征580、582的齿槽转矩的调整取决于该特征的形状和取向。
举例来说，由槽582产生的齿槽转矩调整可以通过改变槽的深度、槽的数量以及槽相对于BLDC 500的轴线D的角度来调节。在一个特定的示例中，有利地，通过确保槽相对于轴线歪斜(这意味着由槽582形成的线不穿过轴线D)来调整齿槽转矩。
在另一个示例中，由延伸超出绕组536的定子槽部分535的锥形边缘提供齿槽转矩调整，其中调整的幅度取决于锥度角度。在另外的修改中，锥度可以是变化的角度，导致弯曲形状，其中锥度角的变化率影响齿槽转矩的调整量。
在另一个示例中，例如定子柱没有轴向延伸超出绕组的图1的示例，可以通过在定子柱的轴向面对端部中包括凹穴或缺口来调整齿槽转矩。这些缺口采取侵入定子柱端部的形式，侵入的特定形状、深度和尺寸会影响齿槽转矩的调整。
针对给定应用的调整的特定目标将确定齿槽转矩调整特征580、582的特定形状和量。受益于本公开的本领域技术人员将能够在无需大量实验的情况下确定适当的形式。另外，齿槽转矩调整特征580、582可以同样地应用在图1至图3的双转子BLDC 100的每一个端部。
继续参照图5，相同的附图标记表示相同的元件，图5A示意性示出了与图4的单转子BLDC 500类似的部分单转子BLDC马达600的剖视图，图5B示出了图5A的转子部分620的分解图。虽然以示意框图形式示出，但是应当理解，图5的BLDC 600的定子部分630与图4的定子部分530基本相同。与图4的示例不同，图5的BLDC包括两组永磁体626、626’，其中第一组626与定子柱634的延伸超出绕组636的部分635轴向相邻地固定附接到转子盘622上。第二组磁体626’连接到转子盘622的悬垂部分并且保持在定子部分635的径向外部。另外，径向对准的第三磁体组626”在定子柱635的径向内部安装到转子盘上。这种构造导致使用具有多个磁体组626、626’、626”的单个转子部分620的混合径向轴向磁通BLDC。在替代示例中，可以省略磁体组626、626’、626”之一以利用两个转子组。
为了正确地发挥作用，上述BLDC 100、500、600中的每一个使用短路环590、690(在图4A、图4B和图5中示出)以星形布置连接定子绕组线圈。继续参照图1至图5B，图6A和图6B示出了示例短路环700，用于将每个绕组的一端连接至每个其他绕组，从而使得能够在扩展部分702打开用于安装的情况下进行BLDC操作。在一些替代示例中，图6A的示例短路环700是永久闭合的环，并且在结合有短路环的BLDC 100、400、500、600的组装期间保持闭合。在所示的示例中，短路环700包括开口702，该开口可以在安装期间沿周向弯曲打开。一旦短路环定位在正确位置，短路环中的弹簧力就使环返回到闭合位置，其中扩展部的一部分的径向朝外表面接触扩展部的另一个部分的径向朝内表面，从而确保横跨扩展部的电气连接。在实际示例中，一旦BLDC马达完全组装好，BLDC马达的其他部件将在扩展部分702上施加径向压力，确保保持电接触。
短路环700是形成星形相连接的中性节点的导电环。环700包括连接夹706，每个夹能够连接到对应的定子绕组。短路环700提供连接BLDC马达的每个定子绕组的完整回路电连接。图6C示出了通过使用短路环700产生的电路760，其中电路760上存在开路故障762。完整回路在本文中被称为“完全封闭”的导电环。
完整回路定子环的使用允许导电环在单个开路故障的情况下与所有定子绕组764保持中性节点连接。当发生单个开路故障762时，BLDC马达能够继续正常运行。当第二故障发生时，定子绕组764中的一个或多个由于一对故障而被电移除(打开)。第二故障使用传统的故障检测方案来检测，并且可以逐步结束BLDC马达的运行以防止进一步损坏。闭环构造提供了即使在发生故障后也允许BLDC马达继续全力运行的冗余。
还应当理解，任何上述概念可以单独使用或者与任何或所有其他上述概念组合使用。尽管已经公开了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员将认识到某些修改将落入本发明的范围内。因此，应当研究所附的权利要求书来确定本发明的真实范围和内容。

Claims (18)

1.一种无刷DC马达(BLDC)，其包括：
包括环形主体的定子，所述定子具有从所述环形主体轴向向外延伸的多个定子柱、多个定子绕组以及定位在所述多个定子柱的径向内部的转子支撑结构，其中每个定子绕组缠绕在对应的一个定子柱上；
转子，所述转子包括被接收在所述转子支撑结构中的轴、固定在所述轴的第一端部上的第一转子盘、至少第一组磁体，所述第一组磁体围绕所述转子盘设置并且与所述定子柱径向相邻定位成使得所述第一组磁体和所述定子绕组限定第一径向磁通流动路径；以及
第二组磁体，所述第二组磁体相对于所述定子柱以轴向相邻或径向相邻之一定位成使得限定第二磁通流动路径。
2.根据权利要求1所述的无刷DC马达，其中，所述转子支撑结构包括细长衬套，所述细长衬套具有设置在其中的多个轴承，其中每个轴承被构造为至少部分地支撑所述转子轴。
3.根据权利要求2所述的无刷DC马达，其中，所述多个轴承中的每个轴承包括压配合到所述轴的内圈和接触所述衬套的外圈，所述衬套在轴向对准表面上的所述第一轴承的外圈接触所述衬套的位置处以及在轴向对准表面上的所述第二轴承的外圈接触所述衬套的位置处被弯皱化。
4.根据权利要求1所述的无刷DC马达，其中，每个所述定子绕组经由导电环连接，形成具有中性节点的星形相连接，所述导电环被完全封闭。
5.根据权利要求4所述的无刷DC马达，其中，所述导电环限定所述中性节点，并且其中在所述导电环上发生开路故障的情况下，所述中性节点保持与所有定子绕组的中性节点连接。
6.根据权利要求4所述的无刷DC马达，其中，所述导电环包括扩展部分，所述扩展部分被构造为在所述无刷DC马达的组装期间提供周向断裂。
7.根据权利要求6所述的无刷DC马达，其中，来自所述无刷DC马达的周围部件的压力保持横跨所述扩展部分的物理接触。
8.根据权利要求1所述的无刷DC马达，其中，第二组磁体固定在所述转子盘上。
9.根据权利要求8所述的无刷DC马达，其中，所述第二组磁体固定在所述转子盘的轴向延伸部分上，并且设置在所述定子柱的径向内部，使得所述第二组磁体限定径向磁通流动路径。
10.根据权利要求8所述的无刷DC马达，其中，所述第二组磁体固定在所述转子盘的轴向面对表面上，并且设置在所述定子柱的轴向端部处，使得所述第二组磁体限定轴向磁通流动路径。
11.根据权利要求1所述的无刷DC马达，其中，每个定子柱包括从锥形侧面、轴向侵入槽和轴向侵入缺口的列表中选择的至少一个几何特征。
12.根据权利要求1所述的无刷DC马达，其还包括设置在所述无刷DC马达的第一轴向端部处的第一非导电环和设置在所述无刷DC马达的第二轴向端部处的第二非导电环。
13.根据权利要求12所述的无刷DC马达，其中，所述非导电环中的至少一个包括安装支撑件，所述安装支撑件被构造为相对于壳体在结构上支撑所述无刷DC马达。
14.根据权利要求1所述的无刷DC马达，其中，所述转子还包括在与所述轴的轴向端部相对的所述定子的轴向端部处固定在所述轴上的第二转子盘，所述第二转子包括转子盘，并且其中至少所述第二组磁体固定在所述转子盘上。
15.一种无刷DC马达(BLDC)，其包括：
包括环形主体的定子，所述定子具有从所述环形主体轴向向外延伸的多个定子柱、多个定子绕组以及定位在所述多个定子柱的径向内部的转子支撑结构，其中每个定子绕组缠绕在对应的一个定子柱上；
转子，所述转子包括被接收在所述转子支撑结构中的轴、固定在所述轴的第一端部上的第一转子盘、至少第一组磁体，所述第一组磁体围绕所述转子盘设置并且与所述定子柱相邻定位成使得在所述第一组磁体与所述定子绕组之间形成轴向磁通流动路径和径向磁通流动路径之一；并且
所述转子包括在与所述轴的轴向端部相对的所述定子的轴向端部处固定在所述轴上的第二转子盘，所述第二转子包括至少第二组磁体，所述第二组磁体围绕所述转子盘且与所述定子柱相邻设置，使得在所述磁体与所述定子绕组之间形成轴向磁通流动路径和径向磁通流动路径之一。
16.根据权利要求15所述的无刷DC马达，其中，每个所述定子绕组经由导电环连接，形成具有中性节点的星形相连接，所述导电环被完全封闭。
17.根据权利要求15所述的无刷DC马达，其中，所述第一组磁体和所述第二组磁体限定轴向磁通流动路径。
18.根据权利要求15所述的无刷DC马达，其还包括设置在所述无刷DC马达的第一轴向端部处的第一非导电环和设置在所述无刷DC马达的第二轴向端部处的第二非导电环，所述非导电环中的至少一个包括安装支撑件，所述安装支撑件被构造为相对于壳体在结构上支撑所述无刷DC马达。
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