CN1980001A

CN1980001A - 通用电机及其定子叠片

Info

Publication number: CN1980001A
Application number: CNA2005101191505A
Authority: CN
Inventors: 唐宪; 袁伟峰; 赵健
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric SA
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2007-06-13
Also published as: EP1793481A2; US20070126310A1; JP2007159400A

Abstract

一种用于通用电机的定子的叠片(10)，它具有两个磁极(12)和以连接该两磁极的环(14)的形式形成的磁通返回通路。每个磁极(12)都有极面(16)，在其间确定出具有用于容纳转子的转子空间(20)，且同时每个磁极(12)都有用于容纳定子励磁绕组的颈部(18)。环(14)的宽度(A)、磁极(12)的长度(B)，在极面(16)之间的将向距离(C)以及磁极颈部(18)的宽度(D)都是根据要达到的改进的功率输出和输出转矩的方程来选择。

Description

通用电机及其定子叠片

技术领域

本发明涉及通用电机，特别涉及用于通用电机的定子铁芯的叠片。

背景技术

如今设备需要更小、更轻、和/或更大功率。这种需求就把这些相似要求加在了驱动这些设备的电机上。一种用于为家用设备，例如电动工具、厨房电器和真空吸尘器提供动力的通常类型的电机就是小型通用电机。典型地带有速度高达38000rpm的这些电机通常运行在8000到18000rpm之间。如今的设备要求通用电机在更轻和/或更小的同时有更高的额定电流和更好的过载能力。

对串联式通用电机而言，直轴(direct-axis)磁通量正比于磁场/电枢的电流。直轴磁通量是由励磁绕组产生而分布在定子极和电枢之间的气隙磁通量。该磁通量通常是沿已知为场轴(field-axis)或者直轴的磁极中心线对称的。因此，如果用于定子绕组的空间不足，电机电流密度将会非常高。重量和绕组空间的平衡可以在有限的电机框架尺寸下通过优化叠片设计来实现，该设计带来合理的磁通密度分布和足够的用于定子绕组的空间(槽空间)。

通用电机是根据已知为“框架尺寸”的电机定子的外部尺寸来被评价的。要想提高给定框架的电机的功率，需要电机的外部尺寸保持相应，否则会出现安装问题。然而，在有限的或给定框架尺寸下，叠片的实际形状可以被更改从而提高一定的操作特性和/或改变电机的重量。由于定子铁芯是对电机重量的显著贡献，所以对定子铁芯重量的改变会直接影响电机的重量。当然，定子绕组的重量也是一个因素。

对一个小型通用电机而言，要得到一个期望的速度和转矩，沿场磁极的尺寸是很关键的。由于定子的整体尺寸、框架尺寸都是受限的，磁转矩就取决于穿过场磁极的有效磁通，该场磁极作为激励磁场。因此，定子叠片的尺寸必须设计为在为励磁绕组提供足够空间的同时，最大化有效磁通量。

因为磁通分布直接影响成功换向的限度，所以该磁通分布是重要的。如果电刷不在中性点位置或者连着换向器片的磁线没有转到一个合适的角度，则电枢磁通势不仅可以产生正交磁化，而且产生直轴磁化，这会引起不均匀的磁力线。如果磁极颈部太窄，使定子磁极达到饱和，则这种情况会更加恶化。励磁绕组位于定子磁极的颈部周围，并且位于由定子环和磁极确定或限定的定子槽中。磁极的颈部尺寸同定子槽的尺寸有个折衷，槽越大则能容下的励磁绕组的匝数就越多；而磁极颈部越小，则用于缠绕同样匝数的包覆线(场线)的总长就越小，这就可以减轻重量和减小花费。

发明内容

因此，一方面，本发明提供一种用于通用电机定子的叠片，该叠片有两个磁极和磁通返回通路，该磁通返回通路为连接该两个磁极并确定定子铁芯的外径的环的形式，每个磁极具有极面，在极面之间确定具有用于容纳转子的内径的转子空间，每个磁极有将磁极连接到环的颈部，该环和磁极确定出用于设于该磁极周围的定子绕组而不与转子空间干涉的空间；其中，

在磁极界面(pole interface)处的环的宽度是A；

从极面到环的该磁极的长度是B；

内径的长度是2C；和

磁极颈部的宽度是D；并且其中

B＝K₁*A 其中K₁在0.65到1.0的范围内；

C＝(K₂*A)*(A+B)/B 其中K₂在1.7到2.05的范围内；

D＝K₃*A*C/B 其中K₃在0.72-到0.747的范围内。

优选的，该环的宽度基本上一致。

优选的，该叠片在磁极的颈部有孔，并且颈部宽度D小于在颈部宽度的方向上测量的该孔的宽度。

优选的，该叠片是由冷轧钢片或硅钢片冲压而成的。

根据第二方面，本发明还提供一种具有叠片定子铁芯的通用电机，其中定子铁芯包括按上述定义的叠片。

优选的，励磁绕组和电枢绕组是串联在一起的。

附图说明

参考附图，仅通过示例来描述本发明的一个优选实施例，其中：

图1是根据发明的并且标示了各个尺寸的通用电机定子铁芯的叠片的平面图；

图2是定子和转子叠片组的平面图；

图3a-d是优选实施例和三个现有技术实施例的定子/转子叠片组的磁力线图；以及

图4a-b是定子/转子叠片组的磁力线图，其显示了改变定子叠片的一个尺寸的效果。

具体实施方式

图1示出用在通用电机的叠片定子中的叠片10，。叠片10有两个磁极12，彼此通过以环14(也称为轭)形式的磁通返回通路相连。每一个磁极具有弓形极面16和连接到该环的窄或颈部18。极面朝向彼此延伸，并且在其之间确定了容纳转子或电枢的转子空间20。所用的励磁绕组在间隙或槽22(被称为定子槽或磁场槽)内位于颈部周围，该间隙或槽在该环与磁极之间形成。该磁极彼此面对，并沿着叫做磁极轴24的假想线延伸。

孔26可选地形成于在叠片10中的每一磁极12的颈部18。该孔的目的是减少叠片的重量，且帮助对该磁极的冷却。孔26的设置依据设计选择和操作需要而定。

可选地设置在该环上的两个其他的孔28彼此斜对并且为了电机和/或轴承支架的安装而与该磁极等距间隔开。为了保持相同面积或体积的金属来保持磁通密度，孔区域的环的宽度被增加。

为了进一步的论述，叠片的尺寸A-E被点P1到P7示出。

图2中，带有在通常位置的对应的电枢叠片30的定子叠片10被示出。以代表下述的测量位置的线标V到Z表示一定面积或区域。

将利用磁场理论并且参考图1中所示的部件和尺寸来讨论叠片10的设计。

在讨论中，Φ_d定义为每极的直轴磁通。Φ_d的一半穿过图1中的线“P3P7”，然后通过弧“P6P7”。点‘P3’应该正好在点‘P7’之上。这样，磁力线将直接进入定子的磁通返回通路或环(也被称为轭)。理想的设计是有足够的槽面积用于励磁绕组，却不会引起在半极的磁通密度的畸变。为了产生这个目的，尖点‘P3’被修整为弧‘P2P4’，而且‘P2P4’非常接近于点P3。为了在磁极得到最低的磁通密度，磁力线应该近乎平行于在磁极的颈部的线‘P3P7’。弧‘P3P5’设计成让磁通近乎垂直通过线‘P3P7’。但由于受弧‘P7P8’磁通弯曲和受来自弧‘P7P8’的磁通挤压的组合影响，点P7附近的该线段不能达到上述目的。因此，如果电机尺寸不是非常大的话，段‘P7P9’的影响可以忽略。因而，用于磁力线通过的线‘P3P7’的有效长度就是B。通过尺寸“A”的磁通是

，而沿着线‘P3P7’的磁通是，其中S_A和S_B是尺寸A和B的相应的截面积。因此，可以认为A和B应该有着同样的磁通密度。

通用电机的电磁转矩可以这样计算：

T = \frac{C_{α}}{π} φ_{d} i_{α}

i_a是外部电枢电路中的电流，C_a是电枢绕组的总匝数，其取决于槽面积。由于电枢铁芯的辐条的磁通密度必须保持在一个可接受的水平上，因此电枢的槽面积是受辐条的宽度限制。因而槽面积是正比于电枢面积，参照图1，这就意味着“T”是正比于πC² 。如果考虑到适当的磁通分布，可以给出：

T＝m₁C²φ_d.........................................(1)

其中m₁是与电枢槽的形状相关的系数。

考虑到定子通常具有高的电流密度，这通常会引起会引起轭的某种程度的饱和。但在重量轻的产品是绝对优先的情况下，这个也是可以接受的。换句话说， φ_d应该正比于A。参照图1，A是磁轭的宽度。因而：

T＝m₂C²A...........................................(2)

其中m₂是一个与通过A的有效磁通密度相关的系数。假设沿着场磁极的大小仅受限于其本身的应用。那意味着：

A+B+C＝常数........................................(3)

从等式(1)和(2)中，可以说A是固定的，以便用于特殊应用的有效磁通φ_d也可以得到。当有效磁通不再能被增大时，为了得到更大的输出，可以增大C。从等式(3)中，这是以减小B为代价的，但是因为沿着场磁极的磁通密度饱和是不被允许的，所以B不能没有限制地减小。

这就是B由定子槽的形状决定的原因，而定子槽也被称为“场槽”。

再看图4，示出了两种叠片形状。图4a中的尺寸D＝19.8mm，小的B和大的C。而图4b中的尺寸D＝16.0mm，B和C不变。在图4b中，场磁极和电枢齿的磁通密度接近饱和。而在图4a中，磁通密度分布由于D较大的关系而比较疏。换句话说，图1中示出的尺寸D非常重要，因为在磁力线不畸变或不从叠片泄漏的条件下，“D”的面积将为磁力线通过提供足够的空间。在决定尺寸D的恰当值时，应注意我们只关注叠片材料的宽度，因而下面这种情况相当普遍，在叠片的颈部形成了孔，这样D的数值就应该根据从颈部总宽度的测量值中减去沿穿过颈部方向测量出的孔的宽度而适当地修改。

通过上述分析，参考图1一些公式可以如下得出。

B＝K₁*A.............................................(4)

其中系数K₁与场槽的形状相关，深槽相比于浅槽具有更小的K₁值。当“C”的值增大时，K₁的值将会减小。K₁在0.65～1.0的范围内。

C＝(K₂*A)*(A+B)/B.....................................(5)

其中K₂正比于电枢尺寸，K₂在1.7-2.05的范围内。实际上，尺寸C也是被外径E所限制的，因此不推荐将C增加到0.3倍的E值之上。

要在受限的框架尺寸的基础上，实现绕组空间和有效磁通之间的平衡，给出

D＝K₃*A*C/B....................................(6)

这里K₃依赖于关系式A/B。当A/B的结果增大时，K₃的值也会增大，K₃在在0.72-0.747的范围内。

如果电机的尺寸和系数符合上述等式(4)，(5)，(6)的限制，则可以相信电机的最大输出功率和转矩将会增大，而散热也会得到改进。

试验分析

对包括标号为#1的优选实施例的四个电机样品进行磁场仿真比较。

电机的尺寸在表1中列出：

叠片样品	#1	#2	#3	#4	单位
叠片样品	#1	#2	#3	#4	单位	尺寸：A	4.5	4.45	6.31	4.5	mm
尺寸：B	4.5	4.81	2.19	3.7	mm	尺寸：A	4.5	4.45	6.31	4.5	mm
尺寸：B	4.5	4.81	2.19	3.7	mm	尺寸：C	18	18.04	18.04	16.8	mm
尺寸：D	13.42	12.5	25.57	15	mm	尺寸：C	18	18.04	18.04	16.8	mm
尺寸：D	13.42	12.5	25.57	15	mm	尺寸：E	62	61.925	61.82	62	mm
每片的场体积	535.77	488.31	590.64	514.33	mm³	尺寸：E	62	61.925	61.82	62	mm
每片的场体积	535.77	488.31	590.64	514.33	mm³	每片的电枢体积	220.50	229.88	235.06	219.02	mm³
场每槽的绕组面积	96.85	101.14	54.12	94.06	mm³	每片的电枢体积	220.50	229.88	235.06	219.02	mm³
场每槽的绕组面积	96.85	101.14	54.12	94.06	mm³	电枢每槽的绕组面积	30.17	2543	27.69	27.52	mm³
场和电枢的体积	756.27	718.19	825.70	733.35	mm³	电枢每槽的绕组面积	30.17	2543	27.69	27.52	mm³
场和电枢的体积	756.27	718.19	825.70	733.35	mm³	绕组的总面积	749.44	709.72	548.76	706.48	mm³
K1	1.000	1.081	0.347	0.822	-	绕组的总面积	749.44	709.72	548.76	706.48	mm³
K1	1.000	1.081	0.347	0.822	-	K2	2.000	2.106	0.737	1.685	-
K3	0.746	0.749	0.492	0.734	-	K2	2.000	2.106	0.737	1.685	-

表1

用于定子和电枢的叠片都由0.5mm厚的冷轧钢片冲压出。

性能数据在表3中列出。

叠片系列	#1	#2	#3	#4
叠片系列	#1	#2	#3	#4		最大效率					单位
转矩	262.5	256.96	257.03	253.1	mNm	最大效率					单位
转矩	262.5	256.96	257.03	253.1	mNm	速度	16539	16242	15710	15590	Rpm
电流	4.323	4.15	3.67	4.225	安培	速度	16539	16242	15710	15590	Rpm
电流	4.323	4.15	3.67	4.225	安培	功率输出	460.34	440.9	426.84	415.41	瓦特
效率	49.22	49.24	53.4	46.42	％	功率输出	460.34	440.9	426.84	415.41	瓦特
效率	49.22	49.24	53.4	46.42	％	PF	0.939	0.931	0.941	0.909
最大输出功率					单位	PF	0.939	0.931	0.941	0.909
最大输出功率					单位	转矩	406.13	405.21	420.15	411.91	mNm
速度	12680	12070	11487	11321	Rpm	转矩	406.13	405.21	420.15	411.91	mNm
速度	12680	12070	11487	11321	Rpm	电流	5.589	5.48	4.978	5.684	安培
功率输出	526.62	507.87	502.05	486.69	瓦特	电流	5.589	5.48	4.978	5.684	安培

表3

注意：

-除定子叠片形状外，所有电机以同样配置制成

-测试电压：230V

-测试频率：50Hz

-换向角度：15度

-堆叠长度是30mm。

利用执行仿真软件进行有限元分析来确定不同位置处的磁通密度。结果如图3所示，并且在表2中列表显示，图2示出了分析位置。

电机	点V的平均磁通	点V的最大磁通	点W的平均磁通	点X的平均磁通	点Y的平均磁通	点Z的平均磁通	点Z的ZUIDA磁通
电机	点V的平均磁通	点V的最大磁通	点W的平均磁通	点X的平均磁通	点Y的平均磁通	点Z的平均磁通	点Z的ZUIDA磁通	#1	1.975	2.07	1.785	1.880	1.785	1.975	2.07
#2	2.07	2.16	1.80	1.710	2.07	2.07	2.16	#1	1.975	2.07	1.785	1.880	1.785	1.975	2.07
#2	2.07	2.16	1.80	1.710	2.07	2.07	2.16	#3	2.07	2.16	1.755	1.89	1.077	1.98	2.16
#4	1.98	2.29	1.98	1.98	2.048	1.98	2.29	#3	2.07	2.16	1.755	1.89	1.077	1.98	2.16

表2

仿真条件：仿真采用软件FEMAG进行，其中转子绕组12×2T，定子绕组84T，电流8A，叠片材料-0.5mm厚的冷轧钢片(CRS)以及15度的换向角。

对#2、#3和#4示例的磁通密度在位置V和Z都是过饱和的，这会导致这些电机高的铁损。这就意味着高的发热，因此带来了电机热量处理的问题。

图4显示了先前讨论过的通过改变尺寸D对磁通密度的影响。

因而，可以看出本发明的目的已经通过上述方法所确定的尺寸而实现。如果尺寸和系数落入等式(4)、(5)和(6)限定的范围内，该电机就可以更好地提供大的转矩和大的输出功率。

上述的实施例仅仅通过示例给出，，并且对本领域技术人员而言各种不超出由附属的权利要求所确定的本发明的范围的改动是显而易见的。例如，尽管测试样品是采用冲压冷轧钢片得到的叠片，但是发明也适用于冲压硅钢片得到的叠片。

Claims

1、一种通用电机的定子的叠片，所述叠片(10)具有两个磁极(12)，和以连接所述两个磁极(12)并确定定子铁芯的外径(E)的环(14)的形式形成的磁通返回通路，每个所述磁极(12)具有极面(16)，在其间确定出具有用于容纳转子的内径的转子空间(20)，每个所述磁极(12)具有将所述磁极连接到环(14)的颈部(18)，所述环(14)和所述磁极(12)确定出不与所述转子空间(20)干涉以在所述极(12)周围放置定子绕组的空间(22)；其中，

在磁极界面处的所述环(14)的宽度是A；

从极面到所述环的所述磁极(12)的长度是B；

所述内径的长度是2C；并且

所述磁极的颈部(18)的宽度是D；以及

其中

B＝K₁*A 其中K₁在0.65到1.0的范围内

C＝(K₂*A)*(A+B)/B 其中K₂在1.7到2.05的范围内

D＝K₃*A*C/B 其中K₃在0.72到0.747的范围内。

2、如权利要求1中所述的叠片，其特征在于，所述环(14)的宽度是基本上是一致的。

3、如权利要求1所示的叠片，其特征在于，所述叠片(12)在所述磁极的所述颈部(18)具有孔(26)，且等于所述颈部(18)的宽度的D小于在所述颈部的宽度方向上测量的孔(26)的宽度。

4、如权利要求1所述的叠片，其特征在于，所述叠片(10)是由冷轧钢片冲压而成。

5、如权利要求1所述的叠片，其特征在于，所述叠片(10)是由硅钢片冲压而成。

6、如权利要求1所述的叠片，其特征在于，所述叠片(10)具有外径E，而且C不大于0.30*E。

7、一种具有叠片定子铁芯的通用电机，其特征在于，所述定子铁芯包括前述权利要求中任一项所述的叠片(10)。

8、如权利要求7所述的通用电机，励磁绕组和电枢绕组电气串连连接。