用于无槽永磁同步电动机的开放式定子绕组和定子芯布置
阅读说明：本技术 用于无槽永磁同步电动机的开放式定子绕组和定子芯布置 (Open stator winding and stator core arrangement for a slotless permanent magnet synchronous motor ) 是由 M·拉马努贾姆 S·洛哈卡 V·诺伯特 于 2021-06-02 设计创作，主要内容包括：无槽永磁同步(SPMS)电动机包括具有向外突出的线圈前头端(302)和线圈后尾端(306)的开放式定子绕组(300)。因为线圈前头端(302)向外突出,故前转子平衡环(308)被移出开放式定子绕组的有效部外。通过将前转子平衡环(308)移出有效部外,开放式定子绕组(300)的有效部的长度被增大,因此由SPMS电动机产生的转矩增大。定子芯包括带有锁定机构的两个半圆形环(502,504；602,604),该锁定机构具有阶梯形设计以减小由电动机产生的定位转矩。(A Slotless Permanent Magnet Synchronous (SPMS) motor includes an open stator winding (300) having an outwardly protruding coil leading end (302) and a coil trailing end (306). Because the coil front tip (302) protrudes outward, the front rotor balancing ring (308) is moved out of the active portion of the open stator winding. By moving the front rotor balancing ring (308) out of the active portion, the length of the active portion of the open stator winding (300) is increased, and therefore the torque generated by the SPMS motor is increased. The stator core includes two semi-circular rings (502, 504; 602,604) with a locking mechanism having a stepped design to reduce cogging torque produced by the motor.)
技术领域
本发明总体上涉及用于电动机的定子绕组和定子芯布置。确切地说，本发明涉及用于无槽永磁同步电动机的定子绕组和定子芯布置。
背景技术
在背景部分中所讨论的主题不应该仅因为其在背景部分中被提到而被假定为现有技术。同样，在背景部分中所提到的问题与背景部分的主题相关联并且不应该假定已经在先在现有技术中被认识到。背景部分中的主题仅代表不同的做法，它们本身也可以对应于所要求保护的技术的实现方案。
在永磁同步(PMS)电动机中，永磁体位于转子上而相绕组位于定子上。控制器被用于依次激励相绕组以产生旋转磁场。永磁体与旋转磁场相互作用而产生用于使转子旋转的转矩。
通常，定子由钢叠片制成，其被冲压和堆叠以形成具有中心开口以容纳转子的柱体形状。定子的钢叠片具有开槽式设计或无槽式设计。圆环形定子芯和放置在气隙中的绕组展现出无槽，即，无槽定子具有较小的绕组电感和较低的芯损耗，因此可以在非常高的速度下运行。无槽永磁同步(SPMS)电动机通常适合用于小的D/L比、即外径与轴长比、低转矩且高速的应用场合。与产生齿槽转矩的开槽式电动机相比，在SPMS电动机中缺少定子芯齿允许不存在定位转矩/齿槽转矩。
通常，自支承式线圈绕组被用在SPMS电动机中。图1示出具有轴向型自支承式线圈绕组的传统SPMS电动机的轴向剖视图100。SPMS电动机的定子绕组具有向内突出的前头端102、定子绕组的有效部分104(也被称为定子有效部104)和具有平坦内表面的且其外表面上有凸起的后尾端106。前平衡环108和后平衡环110位于转子磁体112的端部处并围绕转子轴114。定子绕组的定子有效部104可以平行对应于转子磁体112的长度地对齐。
图2示出传统SPMS电动机的另一个轴向剖视图200。轴向剖视图200示出定子外框架202、设置在定子有效部104上方的叠片组204和叠片架206。叠片架206安置在叠片组204的两端上以保持叠片组204就位。定子有效部104的长度负责在SPMS电动机中产生转矩。在如图1和图2所示的传统构型中，转子磁体112的长度因前头端102向内突出和在定子有效部104下方存在转子前平衡环108而受到限制。转子磁体112的这种有限长度在电动机的D/L比高时导致了在小型无刷直流(SBLDC)电动机中产生有限的转矩量。此外，若考虑强制风冷布置，则组件100的前头端102的向内突出还阻碍空气流动，进而导致散热不良。
诸如医疗电钻和锯等应用场合要求SBLDC电动机具有更好的转矩密度、更高的高压灭菌性、可靠性和更好的散热。
发明内容
本发明的一个总体目的是要在无槽永磁同步(SPMS)电动机中增大转矩密度。
本发明的另一个目的是要改善SPMS电动机的高压灭菌性、可靠性和散热。
本发明的又一个目的是要研发出一种定子组件以提供将转子容易地安装入定子组件中。
本发明的再一个目的是要改善SPMS电动机的性能和可靠性。
本发明的另外一个目的是要提供一种定子芯布置，其减小伴随所提出的SPMS电动机定子绕组布置所产生的齿槽转矩。
发明内容
提供发明内容是为了介绍与用于增大转矩密度的无槽永磁同步(SPMS)电动机的定子绕组和定子芯布置相关的方面，并且这些方面在以下详细说明中被进一步描述。本发明内容既无意确定所要求保护的主题的主要特征，也不想被用于确定或限制所要求保护的主题的范围。
在一个实施例中，该SPMS电动机包括位于中心并沿着SPMS电动机的长度的轴。定子绕组围绕该轴存在并在相对两端具有线圈前头端和线圈后尾端，并且在线圈前头端和线圈后尾端之间存在有效部。所述线圈前头端和线圈后尾端都具有平坦的内表面。转子磁体安置在轴上方和定子绕组下方。转子磁体沿定子绕组有效部的整个长度存在。围绕转子磁体地设置有开放式定子绕组。该开放式定子绕组具有平坦的内表面以及作为在外表面端部上的凸起具有线圈前头端和线圈后尾端。叠片组安置在位于线圈前头端和线圈后尾端之间的有效部中。定子外框架作为开放式定子绕组的壳体位于外侧。
在一个实施例中，前转子平衡环位于线圈前头端的下方，后转子平衡环位于线圈后尾端的下方，以将转子磁体保持就位。前转子平衡环和后转子平衡环位于有效部的底部区域外以增大有效长度，由此增大电动机转矩常数。
在一个实施例中，叠片组由配设有用于相互锁定的锁定机构的两个半圆环形定子芯制成。这两个半圆环形定子芯采用阶梯式设计或斜面接合以减小与转子位置相关的磁阻的变化，由此减小SPMS电动机的定位转矩。这两个半圆环形定子芯由压实的软磁复合(SMC)材料制成。这两个半圆环形定子芯被放置在开放式定子绕组上并相互粘接在一起、被插入定子壳体并在一个轴向位置上被粘固。开放式定子绕组由自支承的非吸湿的热粘合QT型利兹线制成。利兹线允许便于形成开放式定子绕组形状。
本发明的其它方面和优点将从以下结合举例示出本发明的原理的附图的描述中变得清楚易懂。
附图说明
附图构成说明书的一部分并被用于提供对本发明的进一步理解。
图1示出根据现有技术的包括定子绕组和转子组件的传统无槽永磁同步(SPMS)电动机的轴向剖视图。
图2示出根据现有技术的包括定子和转子组件的传统SPMS电动机的另一个轴向剖视图。
图3示出根据本发明实施例的包括定子绕组和转子组件的SPMS电动机的建议组件的轴向剖视图。
图4示出根据本发明实施例的包括定子和转子组件的SPMS电动机的建议组件的轴向剖视图。
图5示出根据本发明实施例的SPMS电动机的两件式定子芯的叠片组布置。
图6示出根据本发明实施例的SPMS电动机的两件式定子软磁复合(SMC)芯的示例性表示。
图7示出根据本发明另一个实施例的所产生的反电动势随SPMS电动机转子位置的变化。
图8示出根据本发明实施例的定位转矩随所提出的SPMS电动机转子位置的变化。
具体实施方式
以下结合附图所描述的详细说明旨在作为对本发明各不同实施例的描述，而并非想要代表可以此实现本发明的仅有实施例。本文所描述的每个实施例仅作为本发明的例子或说明来提供，而不应该被必然解读为优选于或优于其它实施例。详细说明包含用于提供对本发明的透彻理解的具体细节。但对于本领域技术人员来说清楚明白的是可以在没有这些具体细节的情况下实现本发明。
在一个实施例中，本文提供一种用于无槽永磁同步(SPMS)电动机的开放式定子绕组和定子芯布置，以克服与SPMS电动机的性能、可靠性、转矩密度、传热能力和定位转矩相关的问题。下面，参照附图来依次说明SPMS电动机的定子绕组和定子芯的结构和布置。
图3示出SPMS电动机的开放式定子绕组300和转子组件的轴向剖视图。开放式定子绕组300包括具有平坦的内表面和在外表面上的凸起的线圈前头端302。开放式定子绕组300还包括在其外表面上有凸起的线圈后尾端306。有效部304存在于线圈前头端302和线圈后尾端306之间。开放式定子绕组300还包括前转子平衡环308、存在于轴312上的转子磁体310和后转子平衡环314。前转子平衡环308可以位于线圈前头端302的下方，后转子平衡环314可以位于线圈后尾端306的下方。考虑到高速电机运行，前转子平衡环308和后转子平衡环314可被用来平衡转子磁体310并将转子磁体310保持就位。前转子平衡环308和后转子平衡环314可以是非磁性和不生效的组成部件。前转子平衡环308和后转子平衡环314可能对在SPMS电动机中产生转矩无贡献。前转子平衡环308和后转子平衡环314存在于有效部304的底部区域之外以增大有效长度，由此增大电动机转矩常数。
由于线圈前头端302具有平坦的内表面并向外突出，故前转子平衡环308被移出有效部304的底部区域外。通过使前转子平衡环308移位，有效部304的长度被增大。由于开放式定子绕组的有效部304的长度增大，故由SPMS电动机产生的转矩也增大。因此，SPMS电动机的转矩密度和性能在使用开放式定子绕组300时得到改善。此外，开放式定子绕组可以包括在有效部304中的笔直导体以增大SPMS电动机的转矩常数。开放式定子绕组还可以通过转注成型该定子组件而使SPMS电动机具有更好的高压灭菌性。
根据本实施例，球轴承可被压配合到轴312上并且转子组件可穿过开放式定子绕组组件。这允许更好地组装球轴承，因此导致更长的电动机使用寿命。
开放式定子绕组可以采用自支承且非吸湿的热粘合QT型利兹线，以提供改善的定子转注成型能力和利用约200℃的较高工作温度的SPMS电动机高压灭菌性。由于热粘合QT型利兹线的实现方式，SPMS电动机的可靠性可得到改善。此外，利兹线允许便于形成开放式定子绕组形状。
图4示出所建议的SPMS电动机组件400的轴向剖视图。除了组件300的组成部件之外，组件400还包括定子外框架402和叠片组404。定子外框架402用作开放式定子绕组300的壳体。叠片组404被安置于在线圈前头端302和线圈后尾端306之间所限定出的且介于有效部304和外框架402之间的区域中。
微型电动机具有内置式印刷电路板(PCB)组件。霍尔传感器安装在这种内置式PCB组件上。这些霍尔传感器用于寻找转子位置以进行换相。这些霍尔传感器出故障主要存在于可消毒的SPMS电动机中。为了避免霍尔传感器出故障，可以将PCB连同定子组件一起转注成型，以提高SPMS电动机的可靠性。
图5示出用于SPMS电动机的两件式定子芯500的叠片组布置。两件式定子芯500可以包括两个半圆环形定子芯502和504。两个半圆环形定子芯502和504可以由叠片组制成并配设有用于在组装而形成定子绕组时相互锁定的锁定机构。两件式定子芯500可被制造为两个半圆环形定子芯502和504以安装在有效部304上，有效部的外径小于限定绕组形状的线圈前头端302和线圈后尾端306的外径。叠片被堆叠并在外表面被激光焊接或铆接在一起。叠片芯的外径大于线圈前头端302和线圈后尾端306。
图6示出用于SPMS电动机的两件式定子芯600的示例性表示。在一个实现方式中，为了消除由接合表面产生的齿槽转矩，半圆环形定子芯602和604可以利用阶梯形设计或斜面来接合以减小与转子位置相关的磁阻的变化，如图6所示的那样。SPMS电动机的定位转矩随磁阻减小而减小。两个半圆环形阶梯形定子芯602和604可以由压实的软磁复合(SMC)材料制成。
作为组装过程的第一步，用成型工具形成开放式线圈。随后，将定子芯放置在定子绕组上并粘接在一起。随即，该子组件被共同插入定子壳体中并在一个期望的轴向位置处被粘固。因为有开放式绕组布置，故转子组件可以从定子壳体的任一侧被插入。这种特征将会允许在制造阶段中的组件模块化和电动机故障模式分析。
图7示出针对两种不同的定子绕组实现方式的所产生的反电动势(EMF)随SPMS电动机转子位置的变化。反电动势表示在转子旋转时在定子绕组中产生的开路电压。此外，反电动势与电动机转矩常数有关。电动机转矩常数越高，满足负载转矩要求所需要的电流越小。曲线702表示在SPMS电机中的传统定子绕组实现方式中的反电动势的变化。曲线704表示在SPMS电机中的所建议的开放式定子绕组实现方式中的反电动势的变化。通过在SPMS电机中实现开放式定子绕组，与用传统定子绕组实现的其它SPMS电动机的性能相比，SPMS电动机的性能可提高至少高达8％。此外，与现有线圈设计相比，定子绕组电阻的增大可以忽略不计。
图8示出针对三种不同定子芯实现方案的、定位转矩随SPMS电动机转子位置的变化。曲线802表示在SPMS电动机中的传统或现有的环形定子芯和现有的定子绕组实现方式中的定位转矩的变化。曲线804表示在具有扁平设计的两个半圆环形定子芯的开放式定子绕组中的定位转矩的变化。曲线806表示在具有两个阶梯式设计的半圆环形定子芯的开放式定子绕组中的定位转矩的变化。通过在两个半圆环形定子芯(即两件式定子芯)中都实现扁平设计，与传统的圆环形定子芯相比，定位转矩可被增大。通过在两个半圆环形定子芯(即两件式定子芯)中都实现阶梯形设计/轮廓，峰值定位转矩可被降低至1.5毫牛顿米(mNm)并且可忽略不计。因此，阶梯芯设计减小了SPMS电动机所产生的定位转矩。
在一个实施例中，开放式定子绕组和定子芯/组件可以在两极式、四极式和八极式无槽永磁(PM)同步电动机中的任一类型中实现。
如上所述，被用于SPMS电动机的定子绕组和定子芯布置的实施例可以提供某些优点。尽管不需要实践本文的诸多方面，但这些优点可包含由以下特征提供的那些优点。