CN1297055C - 用于分段式定子电机的端帽组件 - Google Patents

Abstract

一种用于具有一个定子和若干定子极的电机的绕组端帽组件(22)，包括第一和第二端帽，连接到上述定子极之一的相对轴向端表面上。第一和第二内部绕组保持器部分(66)在轴向上延伸，以便把第一端帽(64A)的一个内端连接到第二端帽(64B)的一个内端上。第一和第二端帽包括一个外面部分，一个里面部分和一个衬套部分，所述衬套部分把外面部分连接到里面部分上。第一和第二端帽及第一和第二内部绕组保持器部分限定一个接收和保持绕组线的连续环形沟道。第一和第二外部保持器部分邻近上述第一和第二端帽的外面部分或衬套部分连接第一和第二端帽。

Description

用于分段式定子电机的端帽组件

技术领域

本发明涉及电机，而更具体地说，涉及一种用于电机的绕组端帽组件。

背景技术

磁阻电机，如：电动机和发电机，通常都包括一个定子和一个转子，所述定子被安装在电机外壳内部，而所述转子被支承用于相对于定子旋转。由于转子往往会旋转到一个使磁路的磁阻最小的位置(并使定子绕组电感最大)，磁阻电机产生一个转矩。当一对径向相反的转子极与一对已激励且径向相反的定子极对准时，转子的磁阻最小。在同步式磁阻电机中，绕组以一受控的频率被激励。在开关磁阻电机中，检测转子的角位置。驱动电路根据检测的转子而激励定子绕组。

有两种明显不同的用于检测转子角位置的方法。在一种“检测式”方法中，一个外部物理传感器检测转子的角位置。例如，一种具有霍尔效应传感器或光学传感器的转子位置传感器(RPT)实际上检测转子的角位置。在一种“无传感器”方法中，与驱动电路关联的电子设备在没有物理传感器的情况下得到转子角位置。例如，在无传感器方法中，转子位置通过测量未激励绕组中的反电动势(EMF)，通过将诊断脉冲加入激励的和/或未激励的绕组中并检测最终的电气响应，或通过检测其它电参数并得到转子角位置来得到。

常规的开关磁阻电机一般包括一个定子，上述定子具有一个实心定子铁芯和/或一个具有多个圆形定子板的叠层式定子，上述圆形定子板用一种导磁材料制造并叠加在一起。定子板限定凸出的定子极和极间槽，上述定子极径向上向内伸出，而上述极间槽位于相邻的定子极之间。绕组线绕在定子极上。正如可以理解的，增加绕组匝数和槽内填充物会增加电机的转矩密度。开关磁阻电机的定子极通常都具有平行的侧面，所述平行的侧面不是固有地保持绕组线。在定子极的径向内端上设置柄脚来帮助将绕组线保持在定子极上获得了有限的成功。

有几种常规方法用于将绕组线安放在磁阻电机的定子上。绕组线可以先缠绕并转移到定子极上。可供选择地，可以采用针形绕组(needlewinding)将绕组线绕在定子极上。上述两种方法往往会围绕定子极的轴向端留下过量的绕组线或环。尽管在定子极上缠绕大匝数绕组绕有利于电机性能，但在绕组包装和形成期间难以使绕组线保持在位。此外，绕组线在定子极上的位置随定子极和电机的不同而不同。换句话说，各绕组匝数定位不同，并且定子极绕组的剖面图形不同。结果是，即使采用相同的绕组匝数，各定子极和电机的电感和电阻在随定子极的不同而不同。在定子极之间还采用轴向上插入的楔形件或顶部条来帮助将绕组定位，这取得了一些成功。

如上所述，开关磁阻电机的驱动电路需要转子的角位置作为输入。有许多与应用检测法的开关磁阻电机有关的问题。在检测法中，RPT检测转子相对于定子的角位置。RPT通常包括一个传感器板和一个光闸，上述传感器板具有一个或多个传感器，而上述光闸耦合到转子轴上并与所述转子轴一起旋转。光闸包括多个光闸齿，所述光闸齿随着转子旋转而穿过光学传感器。

由于转子角位置是开关磁阻电机合适运行的关键，所以采用精密的对准技术以保证RPT传感器板相对于外壳和定子合适定位。人们已知对不准传感器板会使电机性能变差。遗憾的是，利用这些复杂的对准技术增加了装备RPT的开关磁阻电机的制造成本。

RPT还增加开关磁阻电机的总尺寸，总尺寸的增加会对机器和产品包装要求产生不利影响。在一些应用中，RPT的成本常常把开关磁阻电机放在一种竞争不利的地位，上述一些应用适合于不要求RPT的开环式感应电机。

用RPT的另一些缺点包括开关磁阻电机的现场检修。具体地说，位于封闭的转子外壳内的一些磨损的元件，如：轴承可能必须进行修理或更换。为了接近磨损的元件，必须取下外壳的端罩。由于传感器板的对准很关键，所以放回端罩常常要求用复杂的对准技术。当对准技术不适合由维修技术人员实施时，传感器板对不准并且电动机的性能受到严重影响。

在努力消除RPT以及降低制造成本和对不准问题的过程中，希望用无传感器技术来检测转子位置。应用无传感器方法的开关磁阻电机也有一些问题。无传感器法检测开关或磁阻电机中定子未激励的绕组反电动势(EMF)的幅度，或者应用向已激励和/或未激励的绕组输出的诊断脉冲。当测得的EMF幅度达到一预定水平时，各绕组换向。如果采用诊断脉冲，则当检测到合适的电响应时各绕组换向。有一些专利公开了用于检测开关磁阻电机中转子位置的无传感器技术，其中包括Tang申请的美国专利5,929,590和Maes等申请的美国专利5,877,568，它们被引入本申请作为参考。

尽管有一些与消除RPT有关的显而易见的优点，但由于定子绕组可变的电特征，无传感器法也达到了有限的成功。例如，可变电特性的来源之一是由装配期间在定子极上单个绕组匝放置不一致所引起的。当单个绕组匝相对于定子极的位置在不同定子极之间发生变化时，定子极的电特性同样发生变化。在使用期间，各绕组如果不固定在适当位置，它们往往会发生蠕变或移动。定子绕组的电特性使它难以一致地从比较低的反EMF中识别转子角位置。同样，定子绕组对诊断脉冲的电响应也受可变电特性的不利和不一致的影响。

尽管开关磁阻电机的设计比较成熟，但也有几个需要改进的地方。具体地说，希望改进开关磁阻电机定子极的电特性的一致性。人们希望通过增加槽充填来改进开关磁阻电机的转矩密度。通过增加转矩密度，对于给定的转矩输出，可以减少开关磁阻电机的尺寸，或者可以用增加转矩输出保持尺寸不变。电机达到较高的转矩密度将使装有开关磁阻电机的产品的设计人员能在产品设计上有更大的灵活性，这样可以通过产品的变化增加销售额和/或提高利润率。

另外，人们还希望消除对开关磁阻电机中对RPT的需要。另外，可以以高度均匀和可重复的方式装配开关磁阻电机的定子绕组，以便通过减少定子电感和电阻的变化而改善无传感器开关磁阻电机的性能。

发明概述

根据本发明的用于一种具有一个定子和若干定子极的绕组端帽组件包括第一和第二端帽，所述第一和第二端帽连接到各定子极的相对轴向端表面上。第一内部绕组保持器部分在轴向上延伸，以便将第一端帽的内端连接到第二端帽的内端上。

在本发明的另一些特点中，第二内部绕组保持器部分在轴向上延伸，以便将第一端帽的内端连接到第二端帽的内端上。第一和第二端帽及第一和第二内部绕组保持器部分限定一个环形沟道，用于接收和保持绕组线，上述绕组线绕在第一和第二端帽，定子极及第一和第二内部绕组保持器部分上。绕组端帽组件还包括第一和第二外部保持器部分，上述第一和第二外部保持器部分将上述第一和第二端帽的衬套部分或外面部分连接在一起。

在本发明的另一方面，开关磁阻电机包括一个定子。定子包括多个定子段组件，每个定子段组件都具有一个定子段铁芯。一个端帽组件包括第一和第二端帽，邻近定子段铁芯的相对轴向端表面设置。一个第一内部绕组保持器部分在轴向上延伸，以便将第一端帽的内端连接到第二端帽的内端上。

在本发明还有另一方面，一种用于开关磁阻电机定子的定子段组件包括一个定子段铁芯。定子段铁芯包括一个径向外凸缘部分和一个齿形部分，所述齿形部分从经向外凸缘的中心部分径向向内延伸。一个端帽组件限定一个连续的环形沟道。端帽组件包括第一和第二端帽，邻近定子段铁芯相对的轴向端表面设置。第一和第二内部绕组保持器部分在轴向上延伸，以便将第一和第二端帽的内端连接在一起。第一和第二内部绕组保持器部分啮合齿形部分内端。

本发明的另外一些方面、目的、特点和优点通过阅读说明书、附图及后面的权利要求将是显而易见的。

附图说明

图1示出了一种用于开关磁阻电机的分段式定子和转子；

图2示出了一个定子板；

图3是根据本发明的端帽组件的透视图；

图4是一种与定子相关的定子段组件透视图；

图5示出了一种开关磁阻驱动电路及用于将驱动电路连接到各定子段终端上的电路板；

图6A示出了定子段组件，其中去掉了其线绕组和绝缘部分，以便更清楚示出定子板叠层和端帽组件；

图6B是图6A所示端帽组件的平面图；

图6C是图6B所示端帽组件的端视图；

图7A与图6A相似，只是示出了一种可供选择的端帽组件；

图7B示出了图7A的可供选择的端帽组件的平面图；

图7C示出了图7B中所示可供选择的端帽组件的端视图。

优选实施例的详细说明

下面的详细说明仅提供一些优选的示例性实施例，并不打算限制本发明的范围、适用性或构造。更确切地说，优选示例性实施例的详细说明将为本领域的技术人员提供用于实施本发明示例性优选实施例的说明。应该理解，在不脱离本发明所附权利要求所述的精神和范围的情况下，在各元件的功能和安排上可以进行各种改变。

本发明通过将定子分成多个定子段组件，并通过提供定位和保持绕组线的绕组端帽组件，显著地改善了开关磁阻电机定子的电特性的一致性。每个定子段组件包括：一个定子铁芯，一个绕组端帽组件，绕组线和绝缘部分。定子段组件可以用计算机数控(CNC)绕线机单独绕线，上述计算机数控绕线机在安放每一匝绕组线时具有很高的精度。绕组端帽组件提供一种用于容纳绕组线的连续环形沟道。连续环形沟道有助于始终如一地定位绕组线并防止绕组蠕变。

现在参见各附图，其中示出了一种开关磁阻电机10，它包括一个外壳12，一个安装在外壳12中的分段式定子14，和一个相对于分段式定子14旋转支承的转子16。尽管当和开关磁阻电机一起使用时具有特别的优点，但端帽组件也可以用于其它类型的电机。根据本发明，分段式定子14包括多个定子段组件18，这些定子段组件18可以单独装配并在随后与其它段组件结合，以便限定分段式定子14。正如下面将要详细说明的，每个定子段组件18都包括一个定子段铁芯20，一个端帽组件22，和绕组线24，上述端帽组件22靠近上述定子段铁芯20设置和/或固定到定子段铁芯20上，而上述绕组线24绕在定子段铁芯20和端帽组件22上。

主要参见图1和图2，定子段铁芯20包括一个实心铁芯或一单个定子板26的叠层。每个定子板26都包括一个拱形外凸缘部分28和一个齿形极部分30。外凸缘28部分的外边缘表面32被加工成一定形状，用于与外壳12的内壁表面34配合。外凸缘部分28的内边缘表面130通常是拱形，并且通常与外边缘表面32同心。每个外凸缘部分28都具有一个舌形伸出部分36和一个凹槽40，上述舌形伸出部分36在一个边缘表面38上形成，而上述凹槽40在边缘表面38相对的边缘表面42上。定子板26的每个极部分30都具有一个拱形内边缘表面44和一对朝圆周方向延伸的伸出部分46。

如上所述，定子段铁芯20优选的是由多个层叠在一起的定子板26限定。各定子极26用薄的导磁材料板冲切而成。在冲切操作期间，一第一对切缝50被切在外凸缘部分28，一第二对切缝52切在极部分30，并且使切缝50和52之间的中间部分变形。切缝50横向上相对于切缝52对准。形成定子段铁芯20的各定子板26层叠并压配合在一起。这种操作造成各定子板26可松脱式相互连接，以便限定定子段铁芯20。

转子16包括一个圆形凸缘部分54和多个齿形极部分56，所述齿形极部分56从凸缘部分54径向伸出。一个圆孔58在转子16中形成并包括键槽60。转子轴(未示出)安放于转子16的圆孔58中。在所示的特定实施例中，转子16具有8个等间距的转子极部分56，而分段式定子14具有12个等间距的极部分30。也可考虑其它的转子极和定子极的组合。此外，每个转子极部分56都具有一个拱形外边缘表面62，它相对于各定子板26的极部分30上拱形内边缘表面44限定一个气隙63。

参见图3和4，定子段组件18包括定子段铁芯20，端帽组件22和绕组线24。端帽组件22用非导磁材料制成，并包括一个第一端帽64A，一个第二端帽64B和一对细长的绕组保持器部分66。第一端帽64A位于定子段铁芯20的一端处，而第二端帽64B位于定子段铁芯20的相对端处。绕组保持器部分66使第一和第二端帽64A和64B相互连接，并靠近伸出部分46，位于各定子板26的极部分30径向内端附近。帽64A和64B最好在构形上相同。同样，各保持器部分66最好在构形上相同。考虑用快速压紧连接将将保持器部分66相对的两端连接到端帽64A和64B上。此外，考虑用黏合剂将端帽64A和64B接合到定子段铁芯20的相对两端上。端帽64A与64B和/或保持器部分66也可以围绕定子段铁芯20模制或粘附到定子段铁芯20上，作为整体的端帽组件22或作为若干单件。因为第一端帽64A与第二端帽64B相同，所以下面对元件的说明对第一端帽64A将用标号带后缀“A”，而对第二端帽64B，同样元件的标号将带后缀“B”。

不像无电刷的永磁电机那样，开关磁阻电机不包括永久磁铁或其它在转子外表面上的直流(DC)激励。开关磁阻电机通过激励径向相反的凸出的定子极形成一个穿过转子的磁通路径。在径向相反的转子极上施加力，以使磁路的磁阻减至最小并使转子极与激励的凸出定子极对准。由于这些操作的不同，所以开关磁阻电机往往会在相邻的定子极之间具有更多的空间，而无电刷永磁电机通常具有尽可能靠近在一起定位的凸出的定子极。无电刷永磁电机各凸出的定子极的接近降低了相邻定子极之间的磁阻。相反，在开关磁阻电机中各凸出的定子极的间距增加了相邻的凸出定子极之间的磁阻。各凸出的定子极上的导磁柄脚在开关磁阻电机上不能充分增加，来保持绕组同时也不降低相邻定子极之间的磁阻。然而，根据本发明的端帽组件通过应用绝缘保持器部分66保持绕组而不降低极间磁阻。绝缘绕组保持器部分比无电刷永磁电机中用柄脚可能延伸的更远。结果，绝缘保持器部分提供绕组的轴向保持。

终端70和72在图4和6A中示出，上述终端70和72待分别安装在槽74和76(图6C)中，上述槽74和76在第一端帽64A的端表面78A中形成。绕组线24的一端连接到第一终端70上，而相对端连接到第二终端72上。绝缘材料77定位到在定子铁芯20的两个横向侧上，盖住绕组线24。绝缘材料77还设置在(但未示出)定子段铁芯的极部分30两侧和绕组线24之间。

参见图5，图5示出了一种开关磁阻驱动电路80，它通过连接线82，84和86连接到印刷电路板88上。印刷电路板88是圆形的并具有多个径向向外伸出的终端焊盘90。每个终端焊盘90都具有导电终端槽92和94，用于接收安装每个定子段组件18的终端70和72。驱动电路80工作以控制各定子段组件18绕组线24的激励作用。

为了更清楚地示出端帽组件22的结构，图6A示出了在绝缘部分77被安放在槽中及绕组线绕于其上之前的定子段组件18。第一端帽64A包括一个外面部分98A和里面部分100A，所述外面部分98A和里面部分100A通过一个衬套部分102A相互连接，它们都限定一个共用表面104A。表面104A邻接并接合到定子段铁芯20的轴向端表面106上。同样，第二端帽64B的表面104B邻接并接合到定子段铁芯20的端表面108上。当第一端帽64A被固定到定子段铁芯20上时，它的外面部分98A相对于外面凸缘部分28稍微径向上向内延伸并平行于外面凸缘部分28。衬套部分102A与极部分30对准，而里面部分100A与伸出部分46对准，并在内边缘表面44处侧向上延伸到伸出部分46外面。当第二端帽被固定到定子段铁芯20相对的端表面108上时，提供同样的对准。另外，衬套部分102A和102B的宽度小于或等于定子段铁芯20的极部分30的宽度。保持器部分66的两相对端分别连接到端帽64A和64B的表面104A和104B上，邻近它们的里面部分100A和100B。这样，端帽组件22限定一个连续的环形沟道109，绕线组24可以被精确地安装和保持在循环形沟道109内。

图6B示出了第一端帽64A的里面部分100A和第二端帽64B的里面部分100B成矩形形状。然而，应该预料到，也可以用其它的构形(亦即半圈形，方形，锥形等)。作为另一种选择方案，保持器部分66可以作为一种悬臂部分，与端帽66A和/或64B整体形成，并适合于连接到对面端帽的里面部分上。为了减轻端帽组件22的重量，在端帽64A和64B的外面部分上可以形成若干侧轴向槽110和一个中央轴向凹槽112。同样，也可以形成一个空腔114以便提供均匀的壁厚，避免塑料“凹陷”和变形，及减少材料和重量。

现在参见图7A，7B和7C，图中示出了一种可供选择的用于连接到定子段铁芯20上并支承绕组线24的帽组件122。在适合于表示同样元件的地方，将使用图6A，6B和6C中的标号。具体地说，第一端帽124A一般与第一端帽64A相同。可供选择的端帽件122包括一对附加的保持器部分。外面保持器部分126A从共用表面104A轴向延伸，邻近外面部分98A，用于连接到第二端帽124B的外面部分98B上。外面保持器部分126B同样从它的共用表面104B轴向延伸，用于连接到第一端帽124A的共用表面104A上。外面保持器部分126A和126B提供附加的支承，用于精确缠绕绕组线24。外面保持器部分126A和126B具有一拱形上边缘127A和127B，以便与外凸缘部分28的内壁表面130(图2)的外形配合。此外，外面保持器部分126A和126B具有一下边缘132A和132B，被制成垂直于衬套部分102A和102B。

正如从上面的描述可以理解的，根据本发明的开关磁阻电机的分段式定子通过精确缠绕的各定子段组件改善了电机的转矩密度。由于增加了槽充填，电机的转矩输出可以增加。可供选择地，对于给定的转矩输出，电机的外部尺寸可以减少。开关磁阻电机的定子段组件可以单独缠绕。由绕组端帽组件所提供的连续环形沟道有助于始终如一地安放绕组匝并防止绕组蠕变。可以以较大的电均匀性及电感和电阻方面较小的变化产生定子及其定子极。由于改善了电气容差，可以成功地应用无传感器法，这显著地降低了开关磁阻电机的制造成本并改善了在该领域中的可靠性。由于改善了定子段的电气容差，所以可以用较低成本的驱动电路和/或达到更准确的控制。

本领域的技术人员从上面的说明可以理解，本发明的广泛教导可以用各种形式实现。因此，尽管用一些特定的实施例说明了本发明，但本发明的实施范围不应受到这些实施例的限制，因为对本领域的技术人员来说，在研究附图，说明和后面权利要求后，显然可以进行各种修改。

Claims (19)

1.在一种具有一圆周式分段的定子的电机中的定子段组件，所述定子段组件包括一个具有多个定子板的定子铁芯，所述定子板在轴方向上叠加并限定一个定子极，所述定子段组件还包括：

一个包括第一和第二端帽的绕组端帽组件，连接到上述定子铁芯的定子板上，该第一和第二端帽位于上述定子铁芯的相对轴向端表面处；及

一个第一内部绕组保持器部分，其在轴向上延伸，以便将上述第一端帽的内端连接到上述第二端帽的内端上。

2.根据权利要求1的定子段组件，还包括：

一个第二内部绕组保持器部分，在轴向上延伸，以便将上述第一端帽的内端连接到上述第二端帽的内端上。

3.根据权利要求2的定子段组件，其中上述第一和第二端帽部分包括一个外面部分，一个里面部分和一个衬套部分，所述衬套部分将上述外面部分连接到上述里面部分上。

4.根据权利要求3的定子段组件，其中上述绕组端帽组件由磁绝缘材料制成，并且上述电机是一种开关磁阻电机。

5.根据权利要求1的定子段组件，还包括绕组线，所述绕组线绕在上述定子铁芯和上述端帽组件上，其中上述第一和第二端帽及所述第一内部绕组保持器部分限定在所述定子铁芯的径向侧表面与所述第一内部绕组保持器部分之间的一个第一开口。

6.根据权利要求4的定子段组件，其中上述定子段组件包括一个定子段铁芯，所述定子段铁芯包括一定子板叠层，上述定子板具有一个径向外凸缘部分和一个齿形部分，所述齿形部分从上述径向外凸缘部分的中央部分径向向内延伸。

7.根据权利要求6的定子段组件，其中上述第一和第二端帽的上述外面部分与上述定子板的外凸缘部分对准，上述第一和第二端帽的里面部分与上述定子板齿形部分径向内端对准，及上述第一和第二端帽部分的衬套部分与上述定子板的齿形部分对准。

8.根据权利要求6的定子段组件，其中上述第一和第二内部绕组保持器部分在上述定子段铁芯齿形部分的径向内端上沿着圆周伸出部分在轴向上延伸。

9.根据权利要求3的定子段组件，其中上述第一端帽的外面部分接收第一和第二终端，用于连接到绕组线的相对端上。

10.根据权利要求2的定子段组件，其中上述第一和第二端帽及第一和第二内部绕组保持器部分整体式模制。

11.根据权利要求3的定子段组件，其中上述第一和第二端帽及上述第一和第二内部绕组保持器部分限定一个接收绕组线的连续环形沟道。

12.根据权利要求3的定子段组件，还包括：第一和第二外部保持器部分，该第一和第二外部保持器部分与上述第一和第二端帽的所述外面部分相邻近地连接上述第一和第二端帽。

13.根据权利要求3的定子段组件，其中上述外面部分包括一个空腔。

14.据权利要求3的定子段组件，其中上述外面部分包括一个在其径向外表面上的凹槽。

15.一种开关磁阻电机包括：

一个分段的定子包括多个定子段组件，每个定子段组件包括一个定子段铁芯，所述定子段铁芯包括多个在轴向方向上层叠的定子板；

一个端帽组件包括第一和第二端帽，上述第一和第二端帽邻近上述定子板设置，所述定子板位于上述定子段铁芯的相对轴向端表面处，及第一内部绕组保持器部分，它在轴向上延伸，将上述第一端帽的内端和上述第二端帽的内端连接在一起；及

绕组线绕在上述定子段铁芯及上述端帽组件上，其中上述第一和第二端帽及所述第一内部绕组保持器部分限定在所述定子段铁芯的径向侧表面与所述第一内部绕组保持器部分之间的一个第一开口。

16.根据权利要求15的开关磁阻电机，其中上述第一和第二端帽包括一个外面部分，一个里面部分和一个衬套部分，所述衬套部分将上述外面部分连接到上述里面部分上。

17.根据权利要求16的开关磁阻电机还包括：

第一和第二外部保持器部分，该第一和第二外部保持器部分与上述第一和第二端帽的所述外面部分相邻近地连接上述第一和第二端帽。

18.根据权利要求16的开关磁阻电机，其中上述第一和第二端帽的外面部分接收第一和第二终端，用于连接绕组线的相对端。

19.根据权利要求15的开关磁阻电机还包括：

位于上述绕组线和上述定子段铁芯之间的绝缘部分。

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