用于直流电机的磁极片和磁轭连接件的制作方法

用于直流电机的磁极片和磁轭连接件的制作方法
【专利摘要】提供了一种包括转子和磁场框架的电机。磁场框架包括大致环状的磁轭、从磁轭延伸的多个大致呈弧形地间隔开的磁极片、和至少部分围绕磁极片延伸的绕组。磁轭包括多个磁极片连接位置。各磁极片与对应的一个连接位置相关。磁极片和磁轭以互锁方式在磁极片连接位置连接。
【专利说明】用于直流电机的磁极片和磁轭连接件
[0001] 对相关申请的相交引用
[0002] 本申请要求2012年5月4日提交的美国临时申请No. 61/642,931的优先权，该申 请的全部内容在此通过引用并入本文。

【技术领域】
[0003] 本发明总体上涉及一种用于机器中的电动机。更具体地，本发明涉及一种包括磁 场框架的无刷式直流电机，所述磁场框架具有磁轭和互锁的磁极片。

【背景技术】
[0004] 本领域的普通技术人员将了解的是，电动机用于包括但不限于家电和车辆（诸如 汽车和高尔夫球车）的多种应用中。例如，在高尔夫球车中，可设置直流（DC)电动机以驱 动车辆并继而向前或向后推进球车。


【发明内容】

[0005] 根据本发明的一个方面，提供了一种包括转子和磁场框架的电机。磁场框架包括 大致环状的磁轭、从磁轭延伸的多个大致呈弧形地间隔开的磁极片、和至少部分围绕磁极 片延伸的绕组。每个磁极片都包括具有第一径向主体端和第二径向主体端的大致径向地延 伸的主体。每个磁极片还包括与第一径向主体端大致周向地邻近的鞋状物/滑靴（shoe)。 第二径向主体端包括一对臂，该对臂限定两者之间的磁轭接纳凹部。磁轭包括多个磁极片 连接位置，每个磁极片连接位置都包括一对间隔开、大致径向地延伸的臂接纳凹部和在周 向上位于臂接纳凹部之间的大致径向地延伸的磁轭突起。每个磁极片都与对应的一个连接 位置相关，其中臂接纳在相应的臂接纳凹部中并且磁轭突起接纳在磁轭接纳凹部中。
[0006] 提供此
【发明内容】
以采用简化形式介绍概念的选择。下面在对优选实施例的详细描 述中进一步描述这些概念。此
【发明内容】
并非意在确定要求保护的主题的关键特征或必要特 征，也非意在用来限制要求保护的主题的范围。
[0007] 本发明的各种其它方面和优点将从以下对优选实施例和附图的详细描述变得明 显。

【专利附图】

【附图说明】
[0008] 下面将参考附图详细描述本发明的优选实施例，在附图中：
[0009] 图1是按照本发明的优选实施例的原理构成的包括转子和磁场框架的电动机的 前透视图；
[0010] 图2是图1的电机的后透视图；
[0011] 图3是图1和2的电机的部分剖视的前透视图；
[0012] 图4是图1-3的刷盒和刷绝缘环的前透视图；
[0013] 图5是图4的刷盒和刷绝缘环的后透视图；
[0014] 图6是图1-3的磁场框架的前透视图，特别是示出了磁轭、磁极片、绕线筒、线圈和 磁场框架的端板；
[0015] 图7是图6的磁场框架的分解前透视图；
[0016] 图8是图1-3、6和7的磁场框架的磁极片的后透视图；
[0017] 图9是图1_3、6和7的磁场框架的磁轭的单个层压件的前透视图；
[0018] 图10是图1_3、6和7的磁场框架的磁轭层压件和磁极片层压件的互锁区域的正 视图；以及
[0019] 图11是图1_3、6和7的磁场框架的正视图，特别示出了磁极片、绕线筒和线圈之 间的关系。
[0020] 附图并未将本发明限制于本文披露和描述的特定实施例。附图不一定按比例绘 制，而是着重于清楚地示出优选实施例的原理。

【具体实施方式】
[0021] 本发明允许多种不同形式的实施例。虽然附图示出并且说明书描述了本发明的某 些优选实施例，但应理解，这样的披露仅借助于示例。无意将本发明的原理限制于具体披露 的实施例。
[0022] 首先参考图1-3,提供了电动机10。电机10优选包括转子或电枢12、磁场框架14、 换向器端头16和机器侧端盖18。电机10优选为DC电机，尽管在本发明的一些方面中允许 电机为交流（AC)电机。
[0023] 转子或电枢12优选包括芯20、电枢绕组22、可旋转的轴24和换向器26。在一优 选实施例中，芯20限定出多个槽28,并且电枢绕组22包括嵌合在槽28中的导电线30。束 带（binder)32优选环绕并保持线30。芯20优选包含钢，尽管可使用多种铁磁性材料中的 任何一种或多种。芯可以是层压的或实心地构成的而不脱离本发明的范围。
[0024] 优选地，轴24延伸穿过并支承芯20和换向器26,以使得轴24、芯20和换向器26 一体地旋转。轴24优选包括换向器端34和构造成用于与机器（未不出）连接的机器连接 端36。轴承组件38优选将换向器端34可旋转地支承在换向器端头16中。
[0025] 在一优选实施例中，刷盒组件40设置在换向器26附近。刷盒组件40优选包括与 换向器26相关的多个刷42。如图3、4和6中最佳所示，刷盒组件40优选还包括刷绝缘环 44以及安装在其上的多个刷盒46和弹簧栓47。在一优选实施例中，设置了四个刷42、四个 刷盒46、四个弹簧（未示出）和四个弹簧栓47,尽管可设置不同数量而不脱离本发明的范 围。如图3所示，各刷42安装在对应的一个刷盒46内。与各刷42对应的弹簧（未示出） 安装在对应的弹簧栓47上并且还相对于刷盒46固定刷42。
[0026] 刷绝缘环44优选由诸如Glastie?之类的热固性材料模塑而成，而刷盒46优选包 含金属且经由冲压而形成。然而，允许对刷绝缘环和/或刷盒使用多种替代材料中的任何 一种或多种而不脱离本发明的范围。
[0027] 在一优选实施例中，换向器端头34由铸铝形成，尽管多种材料和/或成形工艺可 能是适合的而不脱离本发明的范围。
[0028] 如图6、7和11中最佳所示，磁场框架14优选包括大致环形的磁轭48、从磁轭48 延伸的多个大致呈弧形间隔开的磁极片50、和至少部分围绕磁极片50延伸的绕组52。电 机10优选为内转子电机，其中磁场框架14至少大致包围转子12。然而，本发明的某些方面 适用于外转子电机或双转子电机。
[0029] 如本领域的技术人员将认识到的，所示的优选实施例中的电机10包括常规圆柱 形的管状外框架。亦即，电机10可被适当地描述为"无框架的"。如下面将更详细地说明 的，磁轭48限定电机10的外表面并支承换向器端头16和机器侧端盖。然而，在本发明的 一些方面的范围内允许设置常规框架。
[0030] 尽管在所示的优选实施例中不存在间极，但可设置间极而不脱离本发明的范围。
[0031] 绕组52优选包括多个线圈54,各线圈卷绕在一个磁极片50周围。更优选地，设置 了四个线圈54,尽管可存在不同数量的线圈而不脱离本发明的范围。
[0032] 在一优选实施例中，各磁极片50的至少一部分电绝缘。优选地，这种绝缘由多个 电绝缘的绕线筒56提供。各绕线筒56优选承载相应的一个线圈54以形成线圈组件58。 各线圈组件58优选位于对应的一个磁极片50上。然而，允许使用：粉末涂层；二次成型； 绝缘纸、绝缘标签或绝缘帽；或其它绝缘方式。例如，可将热固性化合物呈绕线筒形式模压 在各磁极片上，使得形成一体的磁极片/绕线筒。
[0033] 优选地，绕组52包含导电材料。最优选地，绕组52包含铝。例如，绕组52可适当 地包含#15 AWG型圆铝线。然而，在本发明的范围内绕组包含铜和/或另一种或多种导电 材料。也允许使用其它线形状。例如，线可具有矩形或方形截面。
[0034] 如图3所示，线托盘（wire tray) 60优选与绕线筒56邻近地设置在换向器26和 刷42附近。如图6和其它图所示，各绕线筒56优选包括多个孔口 62。线托盘60优选包括 主体64和从主体64向外延伸到孔口 62中以相对于绕线筒56固定线托盘60的多个大致 径向地延伸的突片（未示出）。线托盘60的主体64因而提供用以防止绕线筒56的周向和 径向移位的阻力。
[0035] 线托盘60优选还包括构造成按特定应用所需接纳和引导配线的布线结构66。
[0036] 如图8和10中最佳所示，各磁极片50优选包括具有内径向主体端70和外径向主 体端72的大致径向地延伸的主体68。鞋状物74优选邻近内径向主体端70大致在周向上 延伸。线圈54优选卷绕在相应磁极片50的主体68周围，而鞋状物74优选延伸成共同限 定出转子接纳开口 76,如图11所示。
[0037] 各磁极片50的外径向主体端72优选包括一对臂78。臂78优选沿大致径向延伸， 并且各磁极片50至少基本上彼此平行。然而，在本发明的一些方面的范围内允许臂沿替换 方向延伸和/或不平行。例如，臂可彼此背离地延伸或包括大致周向延伸的构件。如果设 置外转子电机，则磁极片定向可适当地颠倒，臂于是优选大致径向向内延伸。
[0038] 各臂78优选包括分别地相对的内径向臂端80和外径向臂端82。对于各磁极片 50而言，臂78优选在外径向端82朝彼此扩张（flared)。也就是说，各臂78的大致径向尺 寸朝外端82逐渐增大。还应指出的是，臂78优选出于将说明的目的而朝彼此扩张。然而， 根据本发明的一些方面，允许臂没有扩张区域或包括替换地限定出的扩张区域。给定极片 的臂可例如彼此背离地扩张，或具有在内径向臂端限定出的扩张区域。
[0039] 在一优选实施例中，各磁极片50包括在对应的臂78之间隔开并从对应的磁极片 50的主体68径向向外地突出的榫舌（tang)84。如下面将更详细地说明的，各榫舌84优选 不均匀地隔开在对应的一对臂78之间。然而，允许榫舌84均匀地隔开在对应的一对臂78 之间而不脱离本发明的范围。
[0040] 如下面将更详细地说明的，各磁极片50的臂78优选限定出两者之间的磁轭接纳 凹部86,其中榫舌84突出到磁轭接纳凹部86中。由于所示的臂78朝彼此扩张，所以磁轭 接纳凹部86存在变窄、径向最外部的喉部87。喉部87特别有益于将磁极片50固定在磁轭 48上。
[0041] 各磁极片50优选包括多个磁极片层压件50a。然而，根据本发明的一些方面，允许 磁极片具有实心结构。
[0042] 各磁极片50优选限定轴向长度。优选地，各磁极片轴向长度相等。再者，优选臂 78、磁轭接纳凹部86和各磁极片50的榫舌84沿至少基本上全部磁极片长度连续地延伸。 然而，在一些情形中，可允许以上一者或多者的不连续延伸或截断延伸。例如，磁极片均可 在轴向端不存在禪舌。
[0043] 如前文指出且如图6和9中最佳所示，磁场框架14优选包括大致环形磁轭48。磁 轭48优选包括多个磁轭层压件48a。然而，根据本发明的一些方面，允许磁轭具有实心结 构。
[0044] 磁轭48优选存在背对转子12的大致周向地延伸的外磁轭表面88和面对转子12 的大致周向地延伸的磁轭内表面90。
[0045] 外磁轭表面88优选限定出大致方形外周92。最优选地，外周92具有圆角94的方 形的外周。然而，允许限定其它外周形状。
[0046] 在一优选实施例中且如图6中最佳所不，在位于磁轭48的轴向端的圆角94处形 成有多个大致周向地延伸的定位凹槽96。如图1-3所示，换向器端头16和机器侧端盖18 优选各自包括构造成与对应的凹槽96接合的相应多个突起98和100。各突起98和100具 有与对应的一个凹槽96接合的大致周向地延伸的内表面（未示出）。这种接合优选实现了 换向器端头16和机器侧端盖18相对于磁轭48的受控制的定位。由此优选还实现电枢12 相对于磁轭48的受控制的定位，因为电枢12由轴承组件38支承在换向器端头16中。在 所示的优选实施例中，例如，这种接合确保了换向器端头16、机器侧端盖18和电枢12相对 于磁轭48的轴向对齐。
[0047] 优选地，磁轭48包含钢，不过可使用多种材料的任何一种或多种而不脱离本发明 的范围。
[0048] 端板102优选定位在磁轭48的各端。然而，允许电机不存在端板。
[0049] 在一优选实施例中，凹槽96与各端板102的周向地延伸的最外表面邻近地延伸， 使得端板102有助于换向器端头16和机器侧端盖18相对于磁轭48的定位。亦即，突起98 和100的内表面（未不出）优选除在凹槽96处与磁轭48接合外还与端板102的外表面的 对应部分接合。然而，允许突起的内表面（未示出）仅与端板102的外表面或仅与磁轭48 接合。在前一情况下，例如，磁轭可不存在形成于其中的凹槽，其中端板的周向地延伸的外 表面和位于磁轭的轴向端部的径向地延伸的表面共同限定出凹槽。
[0050] 如图9-11中最佳所示，磁轭48优选包括多个磁极片连接位置104。各磁极片连接 位置104优选包括一对间隔开、大致径向地延伸的臂接纳凹部106和在周向上位于臂接纳 凹部106之间的大致径向地延伸的磁轭突起108之间。
[0051] 优选地，各磁轭突起108限定出磁轭内表面90的磁轭突起部110。如图9和10中 最佳所不，磁轭内表面90的磁轭突起部110优选径向向外偏离磁轭内表面90的剩余部分 112。然而，允许磁轭突起部相对于磁轭内表面的其余部分向内偏离、齐平或以其它方式定 位而不脱离本发明的范围。
[0052] 在一优选实施例中，各磁轭突起108具有榫舌接纳凹部114,使得各磁轭突起108 包括由对应的榫舌接纳凹部114分离的一对尖头（prong) 116和118。优选地，各榫舌接纳 凹部114不均匀地隔开在磁轭突起108内，使得尖头116比尖头118大。
[0053] 磁轭48优选具有一定轴向长度，其中臂接纳凹部106、磁轭突起108和榫舌接纳凹 部114至少基本上沿全部磁轭长度连续地延伸。然而，在一些情形中，可允许以上一者或多 者的不连续延伸或截断延伸。例如，磁轭可以不存在与各轴向端邻近的臂接纳凹部。
[0054] 优选地，各磁极片50与对应的一个连接位置104相关。更具体地，臂78优选接纳 在相应的臂接纳凹部106中，磁轭突起108优选接纳在磁轭接纳凹部86中，并且榫舌84优 选接纳在榫舌接纳凹部114中。磁极片50因而以互锁方式接纳在磁轭48中。
[0055] 在这种互锁构型中，榫舌84、磁轭突起108和臂78优选承受进一步约束磁极片50 相对于磁轭48的位移的周向力。例如，框架14的一端可放置在静止表面上并且可对榫舌 84施加冲击负荷,从而引起榫舌84的轻微周向膨胀并由此改善磁极片50和磁轭48的连 接。
[0056] 如图3中最佳所示，磁极片长度优选至少等于磁轭长度，以使得磁极片50和磁轭 48的轴向端至少基本上齐平。然而，在本发明的范围内允许存在不同的长度。
[0057] 如如文指出的，各磁辄关起108的禪舌接纳凹部114偏尚，以使得尖头116比尖头 118大。类似地，各磁极片50的榫舌84相对于对应的臂78偏离中心。这种不对称结构是 优选的，其原因在于它允许磁极片50仅在单个定向上插入磁轭48中。这种方向或定向控 制有利于即使存在与磁极片50和磁轭48的层压件的冲压相关的毛刺和/或其它瑕疵也实 现良好的配合。
[0058] 下面描述磁场框架14的上述优选实施例的形成和组装的优选方法。首先，冲压预 定数量的单块钢板以形成磁极片层压件50a。然后堆叠或组装磁极片层压件50a以形成磁 极片50。类似地，冲压预定数量的单块钢板以形成磁轭层压件48a，所述单块钢板可与磁极 片层压件50a由其冲压而成的钢板相同或不同。然后堆叠或组装磁轭层压件48a以形成磁 轭48。
[0059] 将包括铝绕组52的磁场线圈54卷绕在多个绕线筒56中的各绕线筒上以形成 多个线圈组件58。这种卷绕优选利用绕线筒卷绕设备完成，尽管可使用飞线卷绕（fly winding)或其它技术。将各线圈组件58放置在对应磁极片50的主体68上。
[0060] 或者，如上所述，可在各磁极片周围模塑热固性化合物以形成与对应磁极片成为 一体的绕线筒。然后可以如上所述卷绕一体的磁极片/绕线筒以形成线圈组件。
[0061] 然后使各磁极片60和线圈组件58配合在磁轭48的对应的一个磁极片连接位置 104。更具体地，使各磁极片50相对于磁轭48沿轴向移动，以使得各磁极片50滑动到对应 的磁极片连接位置104。
[0062] 榫舌84和榫舌接纳凹部114的偏置确保了磁极片50与磁轭48之间的合适定向， 以减轻任何可能存在的制造缺陷的后果。
[0063] 在一优选实施例中，在磁极片连接位置104在磁极片50与磁轭48之间提供紧配 合。最优选地，该配合为过盈配合。这种配合优选形成约束磁极片50相对于磁轭48的位 移的大致周向力。
[0064] 磁极片50向磁极片连接位置104中的插入可能由于紧密公差（例如，如上所述的 过盈配合）而要求冲压机、压力机或其它设备的使用。此类设备的使用带来的压力优选引 起各磁极片50的至少一部分的轻微的轴向压缩和对应的周向膨胀。这种周向膨胀确保了 臂78、榫舌84以及尖头116和188承受磁极片50相对于磁轭48的位移的大致周向力。如 已指出的，可在框架14上分配附加负荷以改善磁轭48与磁极片50之间的互连。
[0065] 电机10的剩余部分的适当的组装技术的细节对本领域的技术人员来说将是显而 易见的。然而，应指出的是，转子或电枢12定位在由磁极片50的鞋状物74限定出的转子 接纳开口 76中。此外，换向器端头16和机器侧端盖18各自被直接固定在磁场框架14的 磁轭48上。亦即，电机10不需要用于组装的常规框架或壳体。
[0066] 上述本发明的优选形式仅应用作说明且不应当在限制的意义上用于解释本发明 的范围。本领域技术人员可容易地作出对如上文所述的对示例性实施例的明显修改，而不 会脱离本发明的精神。
[0067] 发明人由此陈述其意图，即依赖于等价原则来确定和评估到本发明合理公平的范 围，其附属于任何设备，而不显著地脱离附后权利要求书所阐述的本发明的字面上的范围。
【权利要求】
1. 一种电机，所述电机包括转子和磁场框架，所述磁场框架包括： 大致环形的磁轭； 从所述磁轭延伸的多个大致呈弧形间隔开的磁极片；和 至少部分围绕所述磁极片延伸的绕组， 每个所述磁极片都包括- 具有第一径向主体端和第二径向主体端的大致径向地延伸的主体，和 邻近所述第一径向主体端大致周向地延伸的鞋状物， 所述第二径向主体端包括一对臂，所述一对臂限定了两者之间的磁轭接纳凹部， 所述磁轭包括多个磁极片连接位置，每个所述磁极片连接位置都包括一对间隔开、大 致径向地延伸的臂接纳凹部，和在周向上位于所述臂接纳凹部之间的大致径向地延伸的磁 轭突起， 每个所述磁极片都与对应的一个所述磁极片连接位置相关，其中所述臂接纳在相应的 所述臂接纳凹部中并且所述磁轭突起接纳在所述磁轭接纳凹部中。
2. 如权利要求1所述的电机， 每个所述臂都扩张。
3. 如权利要求2所述的电机， 所述臂朝彼此扩张。
4. 如权利要求2所述的电机， 每个所述臂都包括相对的第一径向臂端和第二径向臂端， 每个所述臂都朝所述第一径向臂端和第二径向臂端中的一个扩张。
5. 如权利要求4所述的电机， 所述第二径向臂端定位在所述第一径向臂端的大致径向外侧， 每个所述臂都朝所述第二径向臂端扩张。
6. 如权利要求1所述的电机， 每一对所述臂都基本上平行。
7. 如权利要求1所述的电机， 所述磁场框架至少基本上包围所述转子。
8. 如权利要求7所述的电机， 所述磁轭具有面对所述转子的大致周向地延伸的磁轭表面， 每个所述磁轭突起都限定出所述磁轭表面的磁轭突起部， 所述磁轭表面的磁轭突起部大致径向地偏离所述磁轭表面的剩余部分。
9. 如权利要求8所述的电机， 所述磁轭表面的磁轭突起部大致径向向外地偏离所述磁轭表面的剩余部分。
10. 如权利要求1所述的电机， 每个所述磁极片还包括隔开在所述臂之间并突出到所述磁轭接纳凹部中的榫舌， 每个所述磁轭突起都具有榫舌接纳凹部，使得每个磁轭突起包括由对应的榫舌接纳凹 部分隔开的一对尖头， 每个榫舌都接纳在对应的一个所述榫舌接纳凹部中。
11. 如权利要求10所述的电机， 各所述榫舌不均匀地隔开在对应的一对臂之间，使得所述一对尖头包括较大的尖头和 较小的尖头。
12. 如权利要求10所述的电机， 所述榫舌、所述带尖头的突起和/或各磁极片的至少一个臂或磁极片连接位置承受大 致周向力。
13. 如权利要求12所述的电机， 所述大致周向力是由于所述磁极片与所述磁轭之间的过盈配合。
14. 如权利要求12所述的电机， 每个所述榫舌都承受轴向压缩力，所述轴向压缩力引起所述大致周向力。
15. 如权利要求1所述的电机， 所述磁轭具有轴向的磁轭长度， 每个所述磁极片都具有轴向的磁极片长度， 所述磁极片长度至少与所述磁轭长度基本上相等。
16. 如权利要求1所述的电机， 所述磁轭具有轴向的磁轭长度， 所述臂接纳凹部、所述突起接纳凹部和所述带尖头的突起至少沿基本上全部磁轭长度 连续地延伸。
17. 如权利要求1所述的电机， 所述磁场框架限定出大致方形外周。
18. 如权利要求1所述的电机， 所述磁轭包括多个磁轭层压件， 所述磁极片包括多个磁极片层压件。
19. 如权利要求1所述的电机， 所述绕组包括多个线圈，每个所述线圈都卷绕在对应的一个所述磁极片的主体周围。
20. 如权利要求19所述的电机， 每个所述磁极片的至少一部分是电绝缘的。
21. 如权利要求20所述的电机， 所述磁场框架还包括多个电绝缘的绕线筒，每个所述绕线筒都承载相应的一个所述线 圈并且定位在对应的一个所述磁极片上。
22. 如权利要求1所述的电机， 所述绕组包括铝线。
【文档编号】H02K1/22GK104508947SQ201380029470
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2013年5月3日 优先权日:2012年5月4日
【发明者】W·C·小希泰, T·H·苏利文, W·E·德林克沃特, M·J·罗布 申请人:先锋发动机及驱动有限公司