專利名稱:適于在電動(dòng)馬達(dá)中使用的具有錐形齒幾何形狀的疊片的制作方法
適于在電動(dòng)馬達(dá)中使用的具有錐形齒幾何形狀的疊片
背景技術(shù):
常規(guī)電動(dòng)馬達(dá)包括定子和被設(shè)置成在定子中旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。一個(gè)常規(guī)的定子使用一 疊疊片(鐵心片)(laminations)以支撐一組繞組。疊片與繞組結(jié)合形成被設(shè)置以產(chǎn)生變 化的磁場(chǎng)以轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子的一組電磁體。圖1顯示具有定子22和轉(zhuǎn)子24的常規(guī)無(wú)刷DC馬達(dá)20的橫截面圖。定子22包 括圍繞轉(zhuǎn)子24延伸的定子疊片26。轉(zhuǎn)子24包括轉(zhuǎn)子軸28和圍繞軸28分布的永磁體30。每個(gè)定子疊片26包括外環(huán)部分32和從外環(huán)部分32朝向轉(zhuǎn)子24向內(nèi)地突出的定 子齒34。為了簡(jiǎn)化,圖1中省略定子22的線圈或繞組,通常繞組圍繞定子疊片26的定子齒 34纏繞以形成馬達(dá)繞組。槽36將定子齒34分開(kāi)或間隔開(kāi)。如圖所示1,槽36的深度(d)小于轉(zhuǎn)子24的總半徑(r),即,d < r。此外,定子的 總直徑DS1小于轉(zhuǎn)子24的總直徑DK1的兩倍。S卩,2XDK1>DS1。而且,總的槽橫截面面積通 常大于定子齒34橫截面面積。此外,對(duì)于每個(gè)定子齒34,齒側(cè)邊38 ( S卩,沿著齒的中間部分42的齒側(cè))相互平行 并且在鄰近轉(zhuǎn)子24的齒端部44處遠(yuǎn)離彼此地展開(kāi)。具體地,端部44處的齒拐角延伸到尖 端形成極靴(shoe) 46,當(dāng)從定子齒34的中心軸線垂直地測(cè)量時(shí),極靴大致寬于齒34的中間 部分42。
發(fā)明內(nèi)容
通過(guò)相對(duì)于定子直徑(例如,參見(jiàn)圖1中的DS1)減少轉(zhuǎn)子直徑(例如,參見(jiàn)圖1中 的DK1)可以獲得有優(yōu)勢(shì)的折衷或交換。具體地,如果總定子直徑大于總轉(zhuǎn)子直徑的兩倍(例 如,如果DS1 > 2XDK1),可以實(shí)現(xiàn)諸如更快的自旋的某種動(dòng)態(tài)控制性能。圖2示出如果采用圖1的馬達(dá)20并且按照常規(guī)的馬達(dá)設(shè)計(jì)實(shí)踐來(lái)形成深槽馬達(dá) 設(shè)計(jì)可以得到的最終的馬達(dá)120。如圖所示2,馬達(dá)120具有定子122和轉(zhuǎn)子124。定子122 包括圍繞轉(zhuǎn)子124延伸的定子疊片126。轉(zhuǎn)子124包括轉(zhuǎn)子軸128和永磁體130。每個(gè)定子疊片126包括外環(huán)部分132和從外環(huán)部分132朝向轉(zhuǎn)子124向內(nèi)地突出 定子齒134。再次,為了簡(jiǎn)化圖2中省略定子122的繞組,但是通常,繞組圍繞定子疊片126 的定子齒134纏繞以形成馬達(dá)繞組。槽136將定子齒134間隔開(kāi)。與圖1的馬達(dá)20對(duì)比,最終的馬達(dá)120的定子122的總定子直徑DS2是轉(zhuǎn)子124 的總轉(zhuǎn)子直徑DK2的至少2. 5倍。S卩,DS2 > 2. 5XDK2。此外,按比例地,最終的馬達(dá)120的 槽136比馬達(dá)20槽36深。同樣地,按比例地,最終的馬達(dá)120的定子齒134比馬達(dá)20的 定子齒34長(zhǎng)。然而,在與圖1的馬達(dá)20相同或類似的方式中,槽136的總橫截面面積大于定子 齒134的總橫截面面積。此外,對(duì)于每個(gè)定子齒134,齒側(cè)邊138 ( S卩,沿著齒的中間部分142 的齒側(cè))平行并且在靠近轉(zhuǎn)子124的定子齒端部144處遠(yuǎn)離彼此地展開(kāi)。具體地,在端部 144處的齒拐角延伸到頂端形成極靴146,當(dāng)從定子齒134的中心軸線垂直地測(cè)量時(shí)極靴大 致寬于齒134的中間部分142。
4
不幸地,馬達(dá)120可能有缺點(diǎn)。例如,將難以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)120以產(chǎn)生高的扭矩。相反,馬達(dá)120的深槽設(shè)計(jì)將傾向于由繞組中的高電流密度帶來(lái)的高磁電機(jī)動(dòng)力 (magneto-motive force, MMF)導(dǎo)致的疊片鋼磁飽和。這種飽和將嚴(yán)重地限制在沒(méi)有這這 種飽和的情況下可以獲得的扭矩容量或性能。與上述常規(guī)馬達(dá)20(參見(jiàn)圖1)對(duì)比,改良的用于馬達(dá)的疊片具有錐形齒的設(shè)計(jì)或 結(jié)構(gòu)。具體地,朝向轉(zhuǎn)子靠近,齒的寬度變窄。這種設(shè)計(jì)允許在較小的飽和(如果有一些) 的情況下實(shí)現(xiàn)較高的磁電機(jī)動(dòng)力。因此,改良的疊片能夠使馬達(dá)更有效地運(yùn)行。一個(gè)實(shí)施方式提供一種具有定子和設(shè)置在定子中的轉(zhuǎn)子的電動(dòng)馬達(dá)。定子具有一 組定子疊片和通過(guò)一組定子疊片保持在合適位置中的一組繞組。轉(zhuǎn)子被布置成圍繞轉(zhuǎn)子軸 線旋轉(zhuǎn)。所述一組定子疊片被布置成堆疊或?qū)盈B。每個(gè)定子疊片包括外部部分和耦合到外 部部分的一組齒。所述一組齒中的每個(gè)齒從外部部分朝向轉(zhuǎn)子軸線延伸。每個(gè)齒具有(i) 第一端,第一端鄰近外部部分并且遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子軸線,和(ii)第二端,第二端鄰近轉(zhuǎn)子軸線并 且遠(yuǎn)離外部部分。當(dāng)從齒的中心軸線垂直地測(cè)量時(shí)每個(gè)齒的第一端的寬度大致大于齒的第 二端的寬度。
從本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的如下說(shuō)明中上述的和其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)將顯而易 見(jiàn),如附圖中圖解,在不同的附圖中相同附圖標(biāo)記表示相同部件。附圖不必按比例,而是強(qiáng) 調(diào)在于圖解本發(fā)明的各種實(shí)施方式的原則。圖1是常規(guī)的定子疊片的剖面圖。圖2是用于深槽馬達(dá)的可能的定子疊片的剖面圖。圖3是包括具有帶錐形齒的改良定子疊片的深槽馬達(dá)的電子系統(tǒng)的方塊圖。圖4是圖3中的深槽馬達(dá)的橫截面圖,其包括定子疊片的剖面。圖5是圖4的定子疊片的齒的詳細(xì)視圖。
具體實(shí)施例方式圖3顯示具有電子控制器310和馬達(dá)320的電子系統(tǒng)300。電子控制器310控制 馬達(dá)320的運(yùn)行。具體地,電子控制器310控制通過(guò)馬達(dá)320的多個(gè)繞組314的電流312。圖4顯示馬達(dá)320的多個(gè)部分的橫截面圖。如圖所示,馬達(dá)320包括定子322和 轉(zhuǎn)子324。定子322包括圍繞轉(zhuǎn)子324延伸的定子疊片326。轉(zhuǎn)子324包括轉(zhuǎn)子軸328和 永磁體330。每個(gè)定子疊片326包括外部部分332和從外部部分332朝向轉(zhuǎn)子324向內(nèi)地突出 的定子齒334。圖4為了簡(jiǎn)化僅僅顯示繞組314的部分(顯示橫截面),但是雖然如此,應(yīng) 該理解繞組314圍繞每個(gè)定子疊片326的每個(gè)定子齒334纏繞。槽336分開(kāi)定子齒334。 圖5是一個(gè)齒334的詳細(xì)視圖。如圖4所示,定子322的總定子直徑Ds3是轉(zhuǎn)子324的總轉(zhuǎn)子直徑Dk3的至少2. 5 倍。S卩,DS3> 2.5XDK3。此外,與前述常規(guī)馬達(dá)20 (參見(jiàn)圖1)對(duì)比,按比例地,馬達(dá)320的 疊片326的槽336 (圖4)比馬達(dá)20 (圖1)的槽36深。同樣地,按比例地,馬達(dá)320的齒 334比馬達(dá)20的齒34長(zhǎng)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4和圖5,下面描述用于定子疊片326的疊片幾何形狀特征。每個(gè)定子 齒334限定左側(cè)338 (L)和右側(cè)338 (R)(統(tǒng)稱側(cè)邊338,參見(jiàn)圖5)。每個(gè)齒334的兩側(cè)338 大致徑向地朝向中心340延伸。具體地,齒側(cè)338大致朝向轉(zhuǎn)子324圍繞其旋轉(zhuǎn)的中心軸 線(或者簡(jiǎn)稱中心)340導(dǎo)向或引導(dǎo)。即,定子齒334的沿著中間部分342的側(cè)邊338不平 行,而是朝向轉(zhuǎn)子324的中心340延伸(或者通常所說(shuō)的指向)。此外,每個(gè)定子齒334具有(i)第一端350,第一端350鄰近外部部分322且遠(yuǎn)離中心340,和(ii)第二端352,第二端352鄰近中心340且遠(yuǎn)離外部部分332。而且,如在圖 5中最佳顯示,每個(gè)定子齒334的第一端350(即,離中心340最遠(yuǎn)端部)的寬度(Wtj)大致 大于齒334的第二端352 (即,最靠近中心340的端部)的寬度(W1)。具體地,每個(gè)定子齒 334從外部部分332 (圖4)朝向中心340變窄。因此,沿著每個(gè)定子齒334的中線354 (圖 5)從外部部分332朝向中心340行進(jìn),寬度(或橫截面)變窄。同樣,如圖4所示,一組定子齒334限定最大轉(zhuǎn)子直徑Dm( S卩,在圖4中的Dk3),并 且外部部分332限定定子直徑Ds ( S卩,圖4中Ds3),定子直徑Ds是最大轉(zhuǎn)子直徑Dm至少兩倍 大。在一些排列中,定子直徑Ds和轉(zhuǎn)子直徑Dm之間的比值在2.5 1到10 1范圍內(nèi)。此外,每個(gè)齒334的第二端352是非極靴狀或無(wú)極靴的(shoeless)。S卩,每個(gè)齒 334和第二端352被倒角或者形成大的半徑,例如,參見(jiàn)大的半徑356。這個(gè)特征在圖4和5 中示出,其中每個(gè)齒334的左和右側(cè)338在第二端352處以變圓的方式朝向彼此縮小或變 尖(taper)。此外,該組定子齒334限定一致的齒輪廓和一致的槽輪廓。一致的槽輪廓布置用 以容納繞組314。一致的齒輪廓的面積比一致的槽輪廓大。而且,疊片326適用在具有多種深槽馬達(dá)尺寸的電動(dòng)馬達(dá)中使用。同樣,疊片326 適用于多種馬達(dá)生產(chǎn)方法和操作馬達(dá)的方法。如上所述,疊片326克服在常規(guī)定子疊片中的缺點(diǎn)并且改進(jìn)最大扭矩和馬達(dá)常 數(shù),即,(馬達(dá)扭矩常數(shù))/(馬達(dá)阻抗)的平方根和任何特定尺寸深槽馬達(dá)的性能或功率。 例如,這種疊片326可以被應(yīng)用在具有主動(dòng)式阻尼的伺服致動(dòng)器或電磁致動(dòng)器(EMA)的深 槽永久磁鐵無(wú)刷DC馬達(dá)中。一個(gè)適合的情形是用在飛行器上(例如,用于前輪驅(qū)動(dòng))。電 磁致動(dòng)器阻尼的一些方面在名稱為“用于電動(dòng)機(jī)械致動(dòng)器的阻尼”的美國(guó)專利7,109,679 中描述,因此其全部教導(dǎo)以參考的方式并入本文。應(yīng)理解,圖2的設(shè)計(jì)由于其幾何形狀或幾何構(gòu)造,在齒的底部處具有強(qiáng)的飽和趨 勢(shì)。具體地,高電流和具體的幾何形狀誘發(fā)或促使飽和。與圖2中的設(shè)計(jì)對(duì)比,使用具有錐形齒設(shè)計(jì)的疊片326的馬達(dá)320使用相同水 平驅(qū)動(dòng)電流但是圍繞每個(gè)齒334具有更少繞組,或者可選地,在相同數(shù)量繞組圍繞每個(gè)齒 334的情況下具有較小的電流。在這種情況下,由于具有極小或者沒(méi)有飽和(例如,在某些 情況下在齒尖端352處可能局部地飽和),因此產(chǎn)生較高的磁電機(jī)動(dòng)力(magneto-motive force,MMF)。因此,圖3和圖4中的馬達(dá)320能夠在沒(méi)有這種飽和缺點(diǎn)的情況下運(yùn)行,而不 是如圖2中的設(shè)計(jì)那樣的、會(huì)屈從于限制和減少齒中的磁通量和齒端與轉(zhuǎn)子磁體之間間隙 中的磁通量的飽和。如上所述,改良的用于馬達(dá)320的疊片326具有錐形齒的設(shè)計(jì)。具體地,朝向轉(zhuǎn)子 324靠近齒334的寬度變窄。這種設(shè)計(jì)允許在較小飽和(如果有的話)的情況下具有較高的磁電機(jī)動(dòng)力。相應(yīng)地,改良的疊片能夠使馬達(dá)320更有效地和以較高扭矩運(yùn)行。雖然已經(jīng)具體地顯示和描述了本發(fā)明各種實(shí)施方式,本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解在沒(méi) 有背離由附后權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以有各種形式和細(xì)節(jié)的變化。
例如,應(yīng)理解,上面的馬達(dá)320僅以示例地方式地描述成具有在中心340處的轉(zhuǎn)子 324和圍繞轉(zhuǎn)子324設(shè)置的定子322。在這些布置中,外部部分是固定的而內(nèi)部/中心部分 旋轉(zhuǎn)。在其它布置中,替換方式是可以的。即,外部部分旋轉(zhuǎn)并且內(nèi)部/中心部分固定。這 種修改、提高和選擇意味著屬于本發(fā)明的多種實(shí)施方式。
權(quán)利要求
一種定子疊片,包括外部部分,所述外部部分限定中心;和一組齒,所述一組齒耦合到所述外部部分;所述一組齒的每個(gè)齒從所述外部部分朝向由所述外部部分限定的所述中心延伸;每個(gè)齒具有(i)第一端,所述第一端鄰近所述外部部分且遠(yuǎn)離所述中心,和(ii)第二端,所述第二端鄰近所述中心且遠(yuǎn)離所述外部部分;和每個(gè)齒的所述第一端的寬度大致大于每個(gè)齒的所述第二端的寬度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子疊片,其中,所述一組齒限定最大轉(zhuǎn)子直徑;和其中,所述外部部分限定定子直徑,所述定子直徑是所述最大轉(zhuǎn)子直徑的至少兩倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2中的任一項(xiàng)所述的定子疊片,其中,當(dāng)從中線垂直地測(cè)量時(shí),每個(gè) 齒從所述外部部分朝向所述中心變窄。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的定子疊片,其中,每個(gè)齒限定左側(cè)和右側(cè),所述 左側(cè)和右側(cè)沿著每個(gè)齒的中間部分大致徑向地朝向所述中心取向;其中,每個(gè)齒的所述第二端是基本上無(wú)極靴的;其中,每個(gè)齒的所述第二端被倒角,具有基本上朝向所述定子疊片中心的半徑和倒角 中的一個(gè);其中,所述一組齒限定一致的齒輪廓和一致的槽輪廓,所述一致的槽輪廓布置用以容 納繞組,并且所述一致的齒輪廓的面積大于所述一致的槽輪廓的面積。
5.一種馬達(dá),包括 定子;和轉(zhuǎn)子,所述轉(zhuǎn)子布置成相對(duì)于所述定子旋轉(zhuǎn),所述定子包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子疊片。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的馬達(dá),其中,所述定子疊片的所述一組齒限定最大轉(zhuǎn)子直徑;和其中,所述外部部分限定定子直徑,所述定子直徑是所述最大轉(zhuǎn)子直徑的至少兩倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求5-6中任一項(xiàng)所述的馬達(dá),其中,所述定子疊片的每個(gè)齒從所述外部 部分朝向所述中心變窄。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7中任一項(xiàng)所述的馬達(dá),其中,所述定子疊片的每個(gè)齒限定左側(cè)和 右側(cè),所述左側(cè)和右側(cè)沿著每個(gè)齒的中間部分大致徑向地朝向所述中心取向。
9.根據(jù)權(quán)利要求5-8中任一項(xiàng)所述的馬達(dá),其中,所述定子疊片的每個(gè)齒的所述第二 端大致是無(wú)極靴的。
10.根據(jù)權(quán)利要求5-9中任一項(xiàng)所述的馬達(dá),其中,所述定子疊片的每個(gè)齒的所述第二 端被倒角,具有基本上朝向所述定子疊片中心的半徑和倒角中的一個(gè)。
11.根據(jù)權(quán)利要求5-10中任一項(xiàng)所述的馬達(dá),其中,所述定子疊片的所述一組齒限定 一致的齒輪廓和一致的槽輪廓,所述一致的槽輪廓布置用以容納繞組,并且所述一致的齒 輪廓的面積大于所述一致的槽輪廓的面積。
12.一種電子系統(tǒng),包括 馬達(dá)控制器;和馬達(dá),所述馬達(dá)與所述馬達(dá)控制器電聯(lián)通,所述馬達(dá)具有定子和布置成相對(duì)于所述定子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子,所述定子包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子疊片。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電子系統(tǒng),其中,所述定子疊片的所述一組齒限定最大轉(zhuǎn) 子直徑;和其中,所述外部部分限定定子直徑,所述定子直徑是所述最大轉(zhuǎn)子直徑的至少兩倍。
14.根據(jù)權(quán)利要求12-13中任一項(xiàng)所述的電子系統(tǒng),其中,所述定子疊片的每個(gè)齒從所 述外部部分朝向所述中心變窄。
15.根據(jù)權(quán)利要求12-14中任一項(xiàng)所述的電子系統(tǒng),其中,所述定子疊片的每個(gè)齒限定 左側(cè)和右側(cè),所述左側(cè)和右側(cè)沿著每個(gè)齒的中間部分大致徑向地朝向所述中心取向。
16.根據(jù)權(quán)利要求12-15中任一項(xiàng)所述的電子系統(tǒng),其中,所述定子疊片的每個(gè)齒的所 述第二端大致是無(wú)極靴的。
17.根據(jù)權(quán)利要求12-16中任一項(xiàng)所述的電子系統(tǒng),其中,所述定子疊片的每個(gè)齒的所 述第二端被倒角,具有基本上朝向所述定子疊片中心的半徑和倒角中的一個(gè)。
18.根據(jù)權(quán)利要求12-17中任一項(xiàng)所述的電子系統(tǒng),其中,所述定子疊片的所述一組齒 限定一致的齒輪廓和一致的槽輪廓,所述一致的槽輪廓布置用以容納繞組,并且所述一致 的齒輪廓的面積大于所述一致的槽輪廓的面積。
全文摘要
一種電動(dòng)馬達(dá),具有定子和設(shè)置在定子中的轉(zhuǎn)子。定子具有一組定子疊片和通過(guò)該組定子疊片保持在合適位置的一組繞組。轉(zhuǎn)子被布置成圍繞軸線旋轉(zhuǎn)。該組定子疊片被布置成層疊或堆疊。每個(gè)定子疊片包括外部部分和耦合到外部部分的一組齒。該組齒的每個(gè)齒從外部部分朝向軸線延伸。每個(gè)齒具有(i)第一端,第一端鄰近外部部分且遠(yuǎn)離軸線,和(ii)第二端,第二端鄰近軸線且遠(yuǎn)離外部部分。每個(gè)齒的第一端的寬度基本上大于每個(gè)齒的第二端的寬度。
文檔編號(hào)H02K1/16GK101868901SQ200880114368
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2008年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月30日
發(fā)明者M·羅伯特·莫克 申請(qǐng)人:伍德沃德Hrt公司