电机定子组件的制作方法

专利名称：电机定子组件的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及用于电机或电动机的定子。更具体地，本发明涉及用于电马达和发电机的定子，其中定子承载支撑在环形背铁上的绕组。
背景技术：
绕组被支撑在铁磁性的大体环形背铁上的马达或发电机是已知的。这种机器比典型的径向磁极机器使用较少的铁，但是带来了把绕组放置在铁磁芯上或者把铁芯放置在绕组内的困难。通过使用穿过环形铁芯并围绕环形铁芯有效旋转的专门绕线机，在具用或不具用线轴的环形铁芯上缠绕绕组是已知的。类似地，通过使绕线线轴穿过在铁芯中左打开或通过弯曲铁芯而闭合的间隙，把铁芯放置在一系列绕线线轴内是已知的。在US 4，103，197、US 7，145，280 和 US 7，391，294 中描述了此类型的马达设计。 在US 4，103，197和US 7，145，280中描述了适用于这种结构的特定背铁铁芯。在铁芯中留有间隙在此点处造成了磁通量的不连续，这降低了效率并趋于加剧马达齿槽效应(cogging)，使其随着叠加在平稳扭矩上有规律的急动(jerk)而运动，并产生噪音。弯曲铁芯需要铁芯在径向方向上是易弯曲的，这需要铁芯材料具有比传统堆叠叠片 (lamination)更小的良好价格性能比。将绕线线轴螺接到随后装配到完整铁芯内的多个铁芯段上也是已知的。然而， 在段之间的接合由于配合的不完美必然引起磁通量的不连续。在实现此方法的已知途径中，段连接在绕组之间的间隙中。这造成不连续性被不均勻地磁性分布，引起随着转子旋转磁路磁阻的变化。这又引起了齿槽效应和振动。日本规范2008-259399、H01-138937和 S55-157964示出了此类型的凸极马达，且具有突出部分以帮助防止段之间的相对运动。还已知的是，以此方法延伸邻接长度以覆盖转子的完整磁极，以便当转子运动时通量的变化能够很大地减小。然而，对于磁极数目小于16的情况，由完整磁极对向的角度大到足以使此长度的接合对于制造和装配而不弯曲铁芯是不合实际的。从而，存在对下列问题的解决方案的需要，S卩如何提供提供具有环形绕组的绕线定子的方法，其中环形绕组易于缠绕和装配且不会嵌齿(cog)或产生噪音。目的本发明的目的是提供对此和其它问题的解决方案，该解决方案提供超过现有技术的优势或将至少为公众提供有用的选择。定义在本说明书内，术语“机械角度”指围绕机器旋转轴线的一个测量角度。因此转子的完全旋转为360机械角度。在本说明书内，术语“电角度”是在给定角度由机器上的磁极数目划分的机械角度数的两倍。这样，在六极机器中，360电角度占据120机械角度，且180电角度占据60机械角度。此术语描述了在产生交流电的一个完整周期所需要时间的1/360中，马达或发电机的理论旋转角。包括在此说明书中引用的任何专利或专利申请的所有参考文献据此以引用方式并入。不做出任何参考文献构成现有技术的承认。参考文献的讨论陈述其作者的主张，且本申请保留质疑引用文献的准确性和相关性的权利。会清楚地理解，虽然在此参考了若干现有技术出版物，但此参考不构成对在新西兰或在任何其他国家中，任何的这些文献形成本领域中部分公知同常识的承认。承认在不同的管辖地区，术语“包括(comprise) ”可以归结为排外或包括在内的意思。为此说明书的目的，除非另外注明，术语“包括(comprise)”应具有包括在内的意思-即其应该被用来表示不但包括其直接参考的列出部件，也包括其它非指定的部件或元件。当术语“包括(comprised)”或“包括(comprising) ”关于方法或过程中的一个或多个步骤使用时，此基本原理也将被使用。发明概述在一个范例中，本发明在于一种装配电机定子的方法，所述电机定子具有以至少两个相位在使用中供应的多个绕组部件，此方法包括提供装配时形成具有构型的环形铁芯的至少两个铁芯部分，铁芯的构型限制铁芯部分彼此接合，并限制一个铁芯部分相对于另一个关于铁芯轴线在径向方向上的偏移；围绕每一个铁芯部分安装至少一个绕组部件； 并通过在垂直于电机旋转轴线的平面中的运动把铁芯部分装配在一起，铁芯部分的邻接构型同等地落入绕组部件的每个相位中，以使构型周向长度的总和将对于定子的任何180电角度总是基本相同，且总和接近180电角度的倍数(包括一)。优选地，邻接构型跨马达磁路的180电角度基本均勻地分布。优选地，对铁芯部分接合的限制通过使铁芯部分的圆周突出部分与在邻近铁芯部分的相应接合部分上的凹入(re-entrant)部分相接合来提供。 优选地，铁芯部分是叠片。优选地，用于单一定子层的铁芯部分被加工为在连续链中的结合段，并通过相对地弯曲结合链，把铁芯部分装配为定子层。优选地，用于单一定子层的铁芯部分被加工为在连续链中的结合段，并通过断开结合链且把之前链接的部分彼此相邻定位，来将铁芯部分装配为定子层。在可选择的实施方式中，本发明在于用于电机定子的绕线铁芯，所述定子与具有多个磁极的转子相互作用，所述绕线铁芯由装配时形成环形铁芯的至少两个铁芯部分组成，每个铁芯部分具有构型，该构型限制铁芯部分彼此接合并限制一个铁芯部分相对于另一个关于铁芯轴线在径向方向上的偏移，每个铁芯部分具有一个或多个绕组，铁芯部分具有一定长度，使得铁芯部分的接合限制构型同等地落入定子的每个相位，且每个铁芯部分毗连区域的构型与下一个铁芯部分重叠，使得重叠的总和接近180电角度的倍数。优选地，如果每个180电角度的铁芯部分重叠，则覆盖的重叠部分将显示为跨180 电角度同等地分布。优选地，定子由具有安装的定子线圈的铁芯部分装配，铁芯部分的构型为使得定子能够由垂直于定子轴线的运动来装配。优选地，铁芯部分的接合通过使圆周突出部分与在相邻铁芯部分的相应接合部分上的凹入部分相接合来限制。优选地，铁芯部分是叠片。优选地，对于单层叠片的铁芯部分最初由结合的铁芯部分的链组成。优选地，结合的铁芯部分通过相对弯曲运动被装配为铁芯层。优选地，结合的铁芯部分在铁芯部分之间的可变形颈部处被拆开并重新装配。在另一个实施方式中，本发明在于包括具有多个磁极的转子的发电机，其中磁极邻近由以环形铁芯形式装配的多个铁芯部分组成的定子，每个铁芯部分具有构型，该构型限制铁芯部分彼此结合，并限制一个铁芯部分相对于另一个关于铁芯轴线在径向方向上的偏移，每个铁芯部分具有一个或多个绕组，铁芯部分的长度为使铁芯部分的构型同等地落入定子的每个相位内，每个铁芯部分邻接区域的构型与下一个铁芯部分重叠，使得重叠的总和接近180电角度的倍数。优选地，如果每个180电角度的铁芯部分重叠，则覆盖的重叠部分将显示为跨180 电角度同等地分布。优选地，电机定子由具有安装的定子线圈的铁芯部分装配，铁芯部分的构型使得定子能够由垂直于定子轴线的运动来装配。优选地，在盘状(discoidal)构型中，转子和定子轴向对齐。优选地，铁芯部分具有相等的长度。优选地，铁芯部分具有至少两个不同的长度。表示本发明特征的这些和其他特征以及优势，将在阅读了下述详细描述并回顾相关附图后变得明显。附图简述

图1是根据本发明的电马达的图解平面图。图2示出了用于图1马达的可能定子铁芯的平面图。图3是用于图1马达的更有用形式的定子铁芯的平面图。图4是图3的铁芯的平面图，其中铁芯被分开。图5是从每个相位的180度意义上截取的图1铁芯的视图。图6是从每个相位的360度意义上截取的图1铁芯的视图。图7示出了图1的马达的示例性透视图。图8示出了沿着图1定子的一个方向的示例性透视图，其中定子为装配而被分开。图9从不同方向示出了与图8相同的视图。图10示出了由片状材料冲压(stamp)而成的一系列叠片。发明描述现在参考图1，图1示出了具有三相六极马达的平面图。磁极由多对的南极朝外磁铁103和北极朝外磁铁104形成。相位由在铁磁或亚铁磁定子铁芯101上的环形线轴A、B 和C上的三组三相位102提供，以便对于两块磁铁的每一连续组有一组三相位。相位的每个线轴将对向磁极磁铁宽度的三分之二，且360电角度将对向相位组的三个线轴或120机械角度。磁铁可以是基于铁素体陶瓷、稀有元素或铁的。为了允许用已经位于合适位置的线轴装配铁芯，铁芯101可以如在已知现有技术中所述的以段的形式装配。这种段通常通过简单地邻接段的径向面，或者通过使用轴向装配的燕尾接合(dovetail joint)来连接。在每种情形下，这在段未完全配合的铁芯中留下至少两个径向气隙。这些径向气隙用作铁芯磁导率的突然变化和铁芯中较高磁阻的区域。 磁通量的这种变化在电动马达转子上产生了电动势的变化，电动势的变化造成转子在接口处突然减速和在此之后突然加速的趋势，已知为“齿槽效应”。这自然由转速上的变化产生噪音，并产生了能够增加电线疲劳和组成部件磨损的振动。在凸极电机的情形下，这种齿槽效应小于由磁极自身产生的齿槽效应。然而，在具有环形定子的电机的情形下，不发生磁极的齿槽效应，因此这种影响是明显的。图2示出了用于在这样的马达或发电机中降低此影响的一种可能铁芯101。其在铁芯段之间具有渐开线形状延伸的邻接，这些提供了恒定宽度的延伸气隙，导致磁阻非常缓慢的变化。因为没有明确设置铁芯对齐的明显位置，例如所示的接合铁芯的渐开线难以装配，此外由于尖锐的转角和薄的段，特别地如果邻接长度相对于其径向厚度长且如果铁芯是由薄金属叠片构成，则铁芯难以制造和处理。图3示出了变化形式，其中铁芯叠片或段的端部在107处成形有稍微返回的部分， 这保证了如果两个叠片或段的端部对接在一起，则其将明确定位。这允许了径向向内的压力施加在铁芯的外部，用于将铁芯保持在一起，同时邻接长度使受扰通量分布在圆周的更大角度扇区上。这本身造成减小的齿槽效应并从而提供较少的噪音。示出的邻接形状只是提供叠片或段的自限性邻接的形状的一个示例，然而，目的是提供在段装配时具有尽可能有规律的气隙且只要定位就将限制并趋向于保持段对齐的邻接形状或构型。因为最小的齿槽效应需要邻接长度比绕组之间的间隙大，所以使用轴向动作将段与配合到段的线圈装配在一起是不现实的。从而最好避免可能需要垂直于叠片或段的平面的运动的邻接构型。图4示出了铁芯的三个部件109、110、111，三个部件109、110、111在112、113、114 处与具有两个不同尺寸中的一个的段重叠。段109承载五个线轴，同时段101和段111中的每一个承载两个线轴。应指出，随着段110和段111装配在一起，剩余段可以通过几乎直线运动配合到段110和段111。为了使通量变化最小，在定子的每个相位中发生同样数目的通量中断是重要的，虽然对于通量变化来说，中断是发生在单独相位的相邻线圈内，还是在不同组相位线圈中的线圈内隔开是不重要的。因此，段的长度被计算为以使在马达或发电机的每个相位中设置相等数目的接点或气隙，因此每一个相位同等地受接点影响。应指出，虽然在此实施例中，在每一个相位中的线圈数等于磁极对的数量，但在不同情形下可能有其他的相位构型。另外，接头的长度及其分布被计算以使得转子上的每对磁极在任何一个时间同等地受接点的影响，或者换句话说，随着转子旋转，将总有基本相等长度的接点呈现在电磁路的任何180电角度部分内。上述计算产生了限制数目的优选解决方案，其需要段具有不相等的长度或者段数不是磁极数的倍数或约数。非优选的解决方案不满足该计算或者需要不成比例长度的邻接长度。对于除每个磁极设置一个相位的相位分布，不是所有满足第一计算的解决方案也满足第二计算。图5示出了图解的定子的60度部分，其上覆盖了在特定旋转时间来自与转子的磁极位置一致的定子其他部分的接合特征。为此目的，紧邻每个单独磁极的铁芯部分被示为叠加在所有其他磁极上。如所能够看到的，通量中断接合的数目和布置跨电通量的180角度基本同等地分布，意味着每个磁极基本平均地受接合的影响。这在每个相位中和在每个磁极处提供了基本恒定的磁阻，从而提供了减小的转子齿槽效应以及减小的来自马达的噪
Vzl 曰O图6示出了相似图，其中来自定子其他部分的接合特征相对于图4来说重叠，但相对于等于由单组相位线圈对向长度(在此示例中，这等于两个相邻磁极)的圆周长度。在定子的120角度机械范围上的接合的360角度电分隔上，接合现在显示为均勻地分开。这在每个相位中提供了由于接合而导致的基本相等的通量下降，保持相位更加平衡。图7示出了定子和转子105的透视图，其中一个线圈从定子中移除以显示结构。定子具有位于环形线轴115上的线圈102，线轴115围绕由段101制成的定子铁芯同等地隔开，段101可以是堆叠的冲压铁叠片，或同样可以是烧结铁粉或其它合适的软磁性材料的实心段。如图3所示，每个段在107、108处具有共同接合形部分，且段全部对齐，因此铁芯能够对齐以进行装配。一旦装配，在定子和转子之间的磁引力将足以提供必需的径向力以将段保持在其连锁的位置。可选择地，且特别地，在外部转子机器的示例中，可能需要其它机械装置来提供此锁定力。图8示出了部分装配的铁芯，其具有在铁芯部分109上的五个线轴115、在铁芯部分110上的两个线轴以及在已经装配到铁芯部分110的铁芯部分111上的两个更多线轴。 铁芯部分的舌部108突出准备进入线轴102。图9示出了铁芯部分109的视图，其更好地展示了铁芯突出部分107与线轴内的凹槽配合，需要径向而不是轴向的装配。图10将叠片段110、111、112显示为由叠片材料冲压而成(尽管具有提供很大浪费的布局)。段的每个链与每个其它链分开，但是段110、111和112的每个链具有通过金属的小颈部彼此连接的每个段。这允许更容易地处理和装配叠片。变化形式应理解，虽然在前述描述中与本发明各种实施方式的结构和运作细节一起，阐明了本发明各种实施方式的许多特征和优势，但是此公开只是阐示性的，且只要本发明的运作没有被不利地影响，则能够做出细节的变化。例如，马达或发电机的特定元件可以依据特定的应用来改变，对于特定应用的使用不脱离本发明的精神和范围。另外，虽然在此描述的优选实施方式针对用在马达中的三相定子，本领域技术人员应领会，在所附权利要求的范围内，变化和修改是可能的。工业实用性本发明的电动机被用作为在工业上和民用使用的电马达或发电机。从而本发明是工业可实用的。
权利要求
1.一种装配电机定子的方法，所述电机定子具有被提供来以至少两个相位使用的多个绕组部件，所述方法包括提供至少两个铁芯部分，所述至少两个铁芯部分围绕所述电机的旋转轴线装配时形成具有一构型的环形铁芯，所述构型限制所述铁芯部分彼此的接合，并限制一个铁芯部分相对于另一个铁芯部分关于所述铁芯的轴线在径向方向上的偏移，围绕每个铁芯部分安装至少一个绕组部件，以及通过在垂直于所述电机的旋转轴线的平面中的运动把所述铁芯部分装配在一起，所述铁芯部分的邻接构型同等地落在所述绕组部件的每个相位中，使得所述构型的圆周长度总和对于所述定子的任何180电角度将总是基本相同的，且所述总和接近180电角度的倍数(包括一倍)。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述邻接构型跨马达磁路的180电角度基本均勻地分布。
3.如权利要求1所述的方法，其中用于单一定子层的所述铁芯部分被加工为在连续链中的结合段，并通过相对地弯曲所述结合链而装配为定子层。
4.如权利要求1所述的方法，其中用于单一定子层的所述铁芯部分被加工为在连续链中的结合段，并通过断开所述结合链并使之前链接的部分彼此相邻定位而装配为定子层。
5.一种用于电机定子的绕线铁芯，所述定子与具有多个磁极的转子相互作用，且所述绕线铁芯由装配时形成环形铁芯的至少两个铁芯部分组成，每个铁芯部分具有构型，所述构型限制所述铁芯部分彼此接合，并限制一个铁芯部分相对于另一个铁芯部分关于所述铁芯的轴线在径向方向上的偏移，每个铁芯部分具有一个或多个环形绕组，所述铁芯部分具有一定的长度使得所述铁芯部分的接合限制构型同等地落入所述定子的每个相位，且每个铁芯部分的毗连区域的构型与下一个铁芯部分重叠，使得所述重叠的总和接近180电角度的倍数。
6.如权利要求5所述的用于电机定子的绕线铁芯，其中所述铁芯部分的接合通过使圆周突出部分与在相邻铁芯部分的相应接合部分上的凹入部分的接合来限制。
7.如权利要求6所述的用于电机定子的绕线铁芯，其中所述铁芯部分由叠片构造。
8.一种具有定子和转子的电机，所述转子具有紧邻所述定子的多个磁极，所述定子具有如权利要求5所述的绕线铁芯。
9.如权利要求8所述的电机，其中所述转子和所述定子在盘状构造中轴向对齐。
10.如权利要求8所述的电机，其中所述铁芯部分具有相等的长度。
11.如权利要求8所述的电机，其中所述铁芯部分具有至少两个不同的长度。
全文摘要
电机例如马达具有定子，在定子上环形线圈安装在分段的背铁上。段重叠以在两个段之间的接合处产生分级的磁通量，且段数和接合位置对于机器线圈和转子磁极的相位为使得通量接合跨相位和磁极均匀地分布，同时允许装配带有安装在段上的线圈的机器背铁。这导致在定子中没有突然通量变化的马达，并因此减小了齿槽效应和初始噪音。
文档编号H02K15/02GK102474164SQ201080030860
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月6日 优先权日2009年7月9日
发明者蒂莫西·斯科特·格尔曼 申请人:威灵顿传动技术有限公司