具有定子的電機的制作方法

專利名稱：具有定子的電機的制作方法
技術領域：
0002本申請涉及電機的定子及生產和組裝該定子的方法。

發明內容
0003在一個實施例中，本發明提供了一個限定了定子軸線的定子。該定子包 括磁軛和多個齒。每個齒與磁軛耦合并限定了第一凹槽、第一齒端以及與該第 一齒端沿軸向相對的第二齒端。第一凹槽從第一齒端向第二齒端沿軸向延伸。 第一線圈包括第一端線圈和第二端線圈。第一線圈位于該多個齒中的第一齒上， 使得該第一端線圈置于第一凹槽內以使第一端線圈不會沿軸向延伸超過第一齒
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0004在另一實施例中，本發明提供了一種定子，該定子具有在長度方向上延 伸以限定出芯長度的磁軛。齒包括與磁軛耦合的齒頂部和線圈容納部分。齒頂 部在長度方向上延伸基本上等于該芯長度的第一距離，并且線圈容納部分在長 度方向上延伸小于該芯長度的第二距離。線圈置于線圈容納空間的周圍，并且 限定了線圈長度，該線圈長度與該芯長度基本相同。
0005本發明還提供了一種定子，該定子構造成使具有多個磁極的轉子旋轉。 該定子包括磁軛，該磁軛具有背部和第一類型和第一數量的整體齒。第二類型 和第二數量的可插入齒與背部相耦合，并且用連續的電線纏繞出至少兩個線圈。 該線圈被置于兩個不同的整體齒周圍以限定出第一繞組部分。用連續的電線纏 繞出至少兩個其它線圈。該線圈被置于兩個不同的可插入齒周圍以限定出第二 繞組部分。0006在另一禾中結構中，本發明提供了一種包括多個線圈的定子，該多個線圈 排布為限定了多個相繞組，以使具有多個磁極的轉子旋轉。該定子包括磁軛， 該磁軛具有背部和第一類型和第一數量的整體齒。該定子還包括與背部相耦合 的第二類型和第二數量的可插入齒。第一類型的齒和第二類型的齒被配置為至 少一對相鄰的齒是不同的類型，并且設置于這兩個相鄰齒周圍的線圈屬于同一 個相繞組。
0007i!31詳細描述和附圖，本發明的其它方面和實施例將變得顯而易見。


0008詳細描述尤其參照附圖，其中
0009圖1為包括定子的電機的軸向示意0010圖2為包括單層繞組的定子的透視0011圖3為包括雙層繞組的定子的透視0012圖4為包括可拆裝齒的一部分定子芯的透視0013圖5為包括線圈的可拆裝齒的端視0014圖6為圖2定子的端視0015圖7為圖3定子的端視0016圖8為圖7所示類型的一部分定子的橫斷面視0017圖9為定子疊片和齒疊片的壓制排列的端年見0018圖10為包括內部襯墊的圖3的定子的端視0019圖11為包括堞形內部襯墊或罩的圖3的定子的端視0020圖12為包括線圈保持夾的一部分定子的橫斷面視0021圖13為包括直齒和小寬度榫頭的一部分定子的橫斷面視0022圖14為包括齒基部和小寬度榫頭的一部分定子的橫斷面視亂
0023圖15為包括直齒和鳩尾榫頭的一部分定子的橫斷面視0024圖16為包括齒基部和雞尾榫頭的一部分定子的橫斷面視0025圖17為包括線圈容納凹槽的可拆裝齒的透視0026圖18為包括圖17的可拆裝齒的定子的橫斷面視0027圖19為包括12個槽和單層繞組的3相定子的一種可能繞線圖的示意性
圖示；
0028圖20為包括12 ^Nf和雙層繞組的3相定子的一種可能繞線圖的示意性 圖示；
0029圖21為包括18個槽和雙層繞組的3相定子的一種可能繞線圖的示意性 圖示；
0030圖22為多相電機的一種可能繞線圖的示意性圖示；以及0031圖23為多相電機的另一種可能繞線圖的示意性圖示。
具體實施例方式
0032在詳細解釋本發明的任一實施例之前，需要明白本發明并不局限于該申 請的以下描述所提出的或附圖所示的結構的細節和部件的布置。本發明可以以 其它實施例實行或者以各種方式實現。還需要明白這里使用的措辭和術語用于 描述而不應該被認為是限制。這里使用的"包括"、"包含"或君'具有'及其變形表 示包含其后所列的項目和其等同物以及另外的項目。除非另有指定或限制，術 語"安紫'、"連度'、"支撐"以及'耦合"及其變形被廣義地^頓且包含直接和間接 安裝、連接、支撐以及耦合。此外，"連接"和"耦合"并不局限于物理或機械的 連接或耦合。
0033如圖1所示，電機10通常包括置于定子20內的轉子15。轉子15被安 裝在軸30上，軸30沿軸向延伸以提供支撐點和提供方便的軸功率分出點。通 常，兩個或更多啊由承35嚙合轉子軸30并支撐轉子15使其圍繞旋轉軸線40 旋轉。定子20通常安裝在外殼45內。定子20限定了基本上為圓柱形的孔隙或 孔55，正如在電機領域通常所指的那樣，孔隙或孔55被對中在旋轉軸線40上。 當轉子15相對于定子20位于運行位置時，在轉子和定子之間建立一個小的氣 隙。該氣隙使轉子15可以在定子20內相對自由地旋轉。0034如果使用了外殼45，則其支撐定子20。 一個外殼45 (較佳地如圖11 所示)包括轉角附近的多個空區域46。空區域46為7襯卩空氣或其它冷卻液體提 供了7轉卩通道。在優選結構中，外殼45包撤主模或其它方式形成的塑料材料。 在其它結構中，采用擠壓的鋁外殼。在更多其它結構中，可以采用其它材料和 其它生產方法來生產外殼45。
0035圖1所示的電機10是鄉詠磁(PM)電機。同樣地，轉子15包括鐵 磁芯和限定了兩個或更多個磁極的7K磁體。定子20包括一個或多個相繞組(如
圖2-3所示)，其可以被有選擇地激勵以產生磁場。轉子15的永磁體與定子20 的磁場相互作用以產生電磁轉矩并令轉子旋轉。正如普通技術人員所意識到的， 除了這里所示的預詠磁電機之外，本發明腿用于其他類型的電機。同樣地， 本發明不應被局限為僅這些類型的電機。此外，本領域的普通技術人員將意識 到本發明還可以應用于許多類型的發電機。圖中描述了具有置于定子20內部的 轉子15的電機10的結構。但是，本發明還適用于典型地被稱i乍'反結構同步電 動機(insKleK)utmotor)"的電機結構，其中轉子位于定子的外面。此外，這里給出 的附圖和描述主要涉及定子20禾n/或電機10。但是描述和所示的許多特征可以 用于繞線轉子。這樣，雖然附圖和描述參照了鄉lJ電機10禾卩/或定子20，但是 也可能有其它應用。
0036圖2和3所示分另偽兩種可能的定子20、 60，其適用于圖1中的電機 10。定子20、 60都包括限定定子20、 60最外表面的連續磁軛65或背鐵。磁軛 65為許多定子芯部件提供結構支撐，還在定子20、 60內提供磁通的流通路徑。 若干整體齒70從磁軛65沿徑向向內延伸。齒70包括線圈容納部分75和布置 成與圓柱形孔55相鄰的齒基部80。圖2和3所示的整體齒70通常為直齒。換 句話說，每個齒70在線圈容納部分75處的寬度基本上等于齒70在齒基部80 處的寬度。
0037磁軛65限定了若干齒安裝部份85。每個齒安裝部份85的尺寸和形狀都 適合于容納可拆裝齒90 (圖5所示)。在大多數結構中，齒安裝部份85的數量 等于整體齒70的數量。在這些結構中，齒70、 90在整體齒70和可拆裝齒90 之間交替。這樣，與任一整體齒70緊鄰的兩個齒都是可拆裝齒90,并且與任一 可拆裝齒90緊鄰的兩個齒都是整體齒70。
0038在其他結構中，齒的分布可以改變成使得整體齒不必位于可拆裝齒之間。 此外，繞線圖和/或相和極的數量的其他組合可以變化。例如，圖21所示為具有 18個槽95和16個極轉子(未示出)的三相預lj PM電機的定子60a。這種類 型的電機在美國專利號為6,133,633中被討論過，將其全部結合到這里作為參考。 定子60a包括在每個齒70、 90周圍的一個線圈100。三個連續的齒上的線圈100 在同一個相繞組中連接以限定一個線圈相組99。兩個這樣的線圈相組99沿直徑 相對并限定了一個相繞組。相繞組的起點(去)和終點(回)分別由下標"go" 稱'ret"表示，并且由繞線方向決定的線圈側的極性由加號(+ )和減號(一) 表示。在一種結構中，在由三個線圈和齒構成的相組99內，中心齒是整體齒70 并且兩個相鄰的齒是可拆裝齒90。這樣，這種結構限定了這樣一種重復分布， 即，圍繞三相定子60a的周邊，兩個可拆裝齒90后面跟著為一個整體齒70。這 樣，完整的定子60a包括數量為整體齒70數量兩倍的可拆裝齒90。在另一種結 構中，在由三個線圈和齒構成的相組99內，中心齒是可拆裝齒90，兩個相鄰的 齒是整體齒70。這樣，這種結構限定了這樣一種重復分布，即，圍繞三相定子 60a的周邊，兩個整體齒70后面跟著一個可拆裝齒90。這樣，完整的定子包括 數量為可拆裝齒90數量兩倍的整體齒70。所述的這些結構使徑向力的影響最小 化，并且可以在無附加裝置(例如軸減震器)的情況下使用。0039任意兩個相鄰的齒70、 90之間的空間限定了槽95，該槽95的尺寸適合 于容納線圈ioo的一側或多側。線圈100本身或與其它線圈100 —起限定了可 以被激勵以產生具有期望極性的磁場的相繞組。圖2中的定子20包括單層繞組 101。這樣，只有線圈100的單側位于齡槽95內。圖3的定子60包括雙層繞 組102,該雙層繞組102包括每個槽95內的線圈100的兩側。0040圖2禾口圖3的線圈100包括纏繞在齒70、 90周圍的電導體，線圈100 安裝至齒70、 90。對于安裝到可拆裝齒90的線圈100來說，導體直接纏繞在齒 90上。電絕緣體(圖中未示出)置于線圈100的電導體和安裝其的齒70、 90 之間。通常，使用電機領域常用的繞線器可以快速和便宜地完成在可拆裝齒90 上的繞線操作。纏繞在整體齒70上的線圈100可以使用針狀繞線器或其它適合 該項任務的繞線器直接纏繞在齒70上。可替代地，可以使用更便宜的繞線器將 導體纏繞在戯以齒(dummy tooth)或固定物(未示出)上。然后將線圈100從 戯以齒或固定物上取下并且滑動到整體齒70上。
0041
一個或多個線圈100被電連接以限定出圖21中所述的相繞組。圖19和 20所示為具有12個槽的三相定子的每一相內表示線圈連接的示例性繞線圖解。 圖19所示的具有單層繞組的定子20a可以與八極永磁轉子組合使用以限定^lj 永磁(PM)電機，其可以是DC或AC型。圖20所示的具有雙層繞組的定子 60b可以與八極永磁轉子、或者可替代地與16極永磁轉子組合使用，以限定無 刷PM電機，其可以是DC或AC型。
0042在對稱的多相定子結構中，置于齒70、 90周圍的線圈在每一相內連接 成使得相繞組的軸線在定子圓周周圍等距地布置。為了使不期望的徑向磁力和 磁引力最小化，定子被構成為使得沿直徑相對的齒70、 90具有相同的外形，并 且或者不承載線圈或者承載屬于同一個相繞組的線圈100。線圈100設計并連接 成使得當電流流經電線時，在相應的齒70、 90中建立的電樞反應磁場與在沿直 徑相對的齒70、 90中建立的電樞反應磁場幅值相等且方向相反。在圖19一20 中對于由相繞組的線圈100包圍的齒70、 90，由箭頭102示意性地表示電樞反 應場。圖19—20中示出的定子20a、 60b包括交替分布的整體齒70和可拆裝齒 90，整體齒70和可拆裝齒90的數量相等。
0043整體齒70通常是直齒。同樣地，每個齒70限定了基本上為矩形的齒外 形，使線圈100可以滑裝到整體齒70上。可拆裝齒90 (較佳地如圖5所示)包 括增大的齒基部105以及齒頂部110或齒榫頭。增大的齒基部105使可拆裝齒 外形不同于整體齒外形。增大的齒基部105幫助將線圈100保持在齒90上的理 想位置，并且還幫助傳播磁場以減少電機齒槽效應和轉矩脈動。增大的齒基部 105還減少定子20和轉子15之間的氣隙的等效磁長度，并且因此增加電機的比 轉矩輸出。在優選的結構中，整體齒70以及可拆裝齒90的線圈容納部分75具 有基本上相同的寬度。這樣，如果愿意，具有相同匝數和電線尺寸的相同線圈 IOO可以被纏繞在每一個齒上。當然，如果愿意可以使用不同寬度的線圈容納部 分。例如，整體齒70和可拆裝齒90的位于繞組部分下面的寬度可以變化，以 使它們限定介于大約0.75和1.25之間的齒寬度比。
0044圖4和5所示為齒安裝部傷、85和齒頂部110的一種可能的結構。在這 種結構中，齒安裝部份85包括成形為像雞尾槽形狀的凹槽。齒頂部110的形狀 像凸出的雞尾榫頭，該凸出的雞尾榫頭能與由該安裝部分85限定的凹入的鳩尾 槽相匹配。為了達到理想的匹配程度，通常需要在雞尾槽和鳩尾之間提供干涉 配合或收縮配合。該緊密配合保證了部件之間的良好接觸，并且當磁場穿過可 拆裝齒90和磁軛65之間的交界面時使磁動勢(mmf)降最小化。0045雖然已經示出了鳩尾配合，但是本領域的普通技術人員將意識到可以使 用許多其它匹配和結構以將可拆裝齒90連接到磁軛65。例如，剛剛描述的雞尾 配合可以反過來，使該配合的凸出部分形成為磁軛65的一部分，并且使凹入部 分形成為可拆裝齒90的一部分。在更多其它結構中，使用不同的匹配形狀。一 個這樣的形狀如圖13-14中所示和所描述的。還可以使用的其它形狀包括但不限 于T形榫頭，樅樹型榫頭，L形榫頭等。當然，任何這些榫頭的凸出部分可
以按照需要位于磁軛65或可拆裝齒90上。
0046如圖6和7所示，旨整體齒70和可拆裝齒90在與定子孔55相鄰的 表面里包括至少一個虛擬槽(dummy groove) 115。該j^J以槽115將齒70、 90 分為交替的高點120和低點125 (圖8和9所示)。對于單個虛擬槽115， 齒70、 90被分為兩個高點120和一個低點125。這樣，圍繞定子孔55的周長建 立了一種堞形分布，并且改變了該氣隙的磁導，以便有效減小齒槽效應、轉矩 脈動和電磁噪聲。
0047圖8所示為另一種結構，其中每個整體齒70包括單個J^t以槽115并且 旨可拆裝齒90包括三個虛擬槽115。這樣，整體齒70限定兩個高點120和一 刊氐點125，而可拆裝齒90限定四個高點20和三個低點125。相鄰的齒70、 90之間的每個槽開口 130有效地作為低點125。這樣，以基本上相等的周向長 度交替的高點120和低點125形成的一致分布圍繞定子孔55周長延伸。這種排 列產生了相對平滑的轉子運行，并且與圖6和7的結構相比進一步減小了齒槽 效應和轉矩脈動。高點120和低點125的總數量選擇與電機極性、槽和繞組的 數量以及轉子相對定子的軸向磁歪斜有關。定子孔55周圍的高點120和低點125 的空間分布也可能不均勻，因此在齒頂部110的局部非線性磁飽和的情況下， 分布磁場以提高電機性能。
0048可拆裝齒90的寬的齒基部105減小了槽開口 130的寬度并且向著電機 氣隙傳播磁場。再一次地，這也能通過減小電磁噪聲、齒槽效應和轉矩脈動而 改善電機運行并且提高電機的比輸出轉矩。此外，使用可拆裝齒90有助于繞組 具有非常高的銅填充因數(fillfactor),以使雙層繞組102 (圖8)的兩個相鄰線 圈100之間的槽95的空間、或者在單層繞組101 (圖6)的情況下線圈100和 整體齒70 (圖15-16)之間的空間被減小。高的填充因數導致繞組電阻和銅損耗 的降低，并且因此提高電機效率。
0049在大多數結構中，堆疊多個疊片135形 軛65，包括整體齒70和齒 安裝部份85。疊片135通常由電工鋼沖壓而成。類似地，堆疊多個齒疊片140 通常形成了可拆裝齒90。圖9所示為包括磁軛疊片135和可拆裝齒疊片140的 沖壓片的一種可能的布局圖。可拆裝齒疊片140位于相鄰的整體齒70之間的空 間內，沒有延伸到定子內徑之外。沖壓片的中心部分還用于可能需要的任何轉 子芯疊片。這樣，圖9的布局減少了浪費材料的量，并且減少了形成疊片135、140所需的生產步驟的數量。正如一個普通技術人員將會意識到的，圖9僅示出 了一個可拆裝齒疊片140。但是，應當理解可拆裝齒疊片140可以由任何兩個相 鄰的整體齒70之間的空間沖壓而成。還應注意到，已經描述的生產過程包括沖 壓操作。但是， 一個普通技術人員將會意識到可以使用其它生產過程來切割疊 片(例如，激光切割、電火花線切割、射水切割等)。
0050在其它結構中，單件材料形成磁軛65、整體齒70以及齒安裝區域85。 在這些結構中，使用壓制和/或燒結工藝或其它適合的工藝以將壓實的鐵磁鋼粉 末或軟磁復合材料形成所需的元件。此外，其它結構可以包括由一件材料(例 如壓實的鐵磁鋼粉末或軟磁復合材料)形成的可拆裝齒90。0051{^可拆裝齒90也允許定子20、 60包括由一種材料(例如層疊的電工 鋼，金屬粉，軟磁復合材料，固體金屬等)制造的磁軛65和整體齒70以及由 相同材料或不同材料制造的可拆裝齒90。例如， 一種結構包括由電工鋼的疊片 制成的磁軛65和整體齒70、以及由軟磁復合材料制成的可拆裝齒90。不同的 材料提供了不同的電和磁特性，以用來提高電機10的特定性能特性。0052圖10所示為包括內部襯墊145或罩的定子60。內部襯墊145是基本上 為圓柱形的元件，其裝配在定子孔55內部并且與齒70、 90的齒基部相接觸。 襯墊145包括中心開口 150以為轉子15提供自由通道。該襯墊可以由一,性材 料例如塑料或不銹鋼制成。在其他結構中，襯墊由鐵磁材料例如磁鋼制成，并 被設計成使得由磁場弓跑的局部飽和將會減小齒槽效應、脈動轉矩和/或提高比 扭矩輸出。在一些結構中，襯墊145將通過至少部分地支撐可拆裝齒90來為定 子20提供附加的結構支撐。lt匕外，襯墊145基本上將定子20的部件與轉子15 的部件分隔開。這在密封電機的應用中或在其它的灰塵或其它不期望的物質能 通過定子孔55進入定子20的應用中是有益的。
0053圖10所示的襯墊145基本上是管狀的。因而，內表面和外表面的周長 基本上都是圓形的。除了在齒70、 90和襯墊145之間摩擦之外，這種管狀不會 使得襯墊145以其它任何方式接合齒70、 90。因而，襯墊145 ，齒70、 90 施加徑向力。雖然所示的內船寸墊145在具有雙層繞組102的定子60上，但是 同樣可以用于具有單層繞組101的定子20上。
0054圖11所示為置于具有，繞組102的定子60內部的堞船寸墊155或罩。 堞幵分寸墊155包括交替的高點160和低點165,其與齒70、 90內交替的高點120
和低點125相對應。交替的高點160禾口低點165與齒70、 90的相應的高點120 和低點125互鎖，以使堞船寸墊155在除了徑向之外的方向上為可拆裝齒90提 供結構支撐。這樣，堞形襯墊155通過將每個齒70、 90鎖定在由襯墊155限定 的特定位置處，從而幫助保持齒70、 90之間的空間。像管狀襯墊145—樣，堞 開分寸墊155可以用于包括單層繞組101 g層繞組102的定子20上。應當注意， 所示的堞開分寸墊155具有平滑的或圓柱形的內表面。但是，其他結構可以包括 具有與外表面對應的堞形內表面的堞開分寸墊155。內表面的實際布置對于電機的 功能不太重要。
0055如圖2和3所討論的，整體齒70周圍的線圈100 {皿地可以纏繞在虛 擬齒或其它固定物上，或者纏繞在由電絕緣材料制成的線軸支架上，然后滑裝 到實際的整體齒70上。雖然可以使用許多不同的系統將線圈100緊固到齒70 (例如，膠粘劑，環謝對脂，注模塑料等)，圖12所示為4頓保持夾170的結構。 夾170與齒70上形成的小槽175相嚙合以防止線圈100移動，線圈100被夾在 夾170和磁軛65之間。通常，夾170由相對硬的材料制成，例如彈簧鋼，以使 其在電機運行期間保持在槽175內。在其他結構中，可以使用其它機械裝置， 例如玻璃絲楔、銷、螺釘和螺栓等來將線圈100保持在期望的操作位置。0056在另一結構中，在所有線圈100裝配完成之后，塑料、熱塑樹脂、環氧 樹脂或其它適合的才才料被注入齒70、 90之間的空間內。該注入的材料幫助將線 圈100保持在它們的操作位置，并且也可以幫助將熱量從定子20的齒區域傳到 磁軛65。此外，該注入材料填滿空區域，使得灰塵或其他不希望的成分M)t進 入以及損壞定子20。這種結構也可包括作為該注入操作的永久附件或暫時固定 件的內部襯墊145 ，形襯墊155。
0057圖13-16所示為位于具有單層繞組101的定子20內的可拆裝齒的幾種布 置。圖13示出了齒180，其包括與定子磁軛65嚙合的窄齒頂部185和鄰近定子 孔55的窄齒基部190。圖15示出了另一齒195，其包括與磁軛65嚙合的寬齒 頂部200和窄齒基部205。由于電機操作期間的具體 分布，育巨夠使用由各向 異性磁性材料沖壓出的分立的齒疊片來制造圖13和15的結構，并且沿易磁化 (或者"易于"滾動)方向來定位齒180、 195。 一種可能的磁性材料是具有定向晶 粒的電工疊片鋼，其普遍用于制造變壓器的磁路。選擇這禾中材料減小了磁路的 磁阻和鐵耗，并且提高了電機性能。圖13-16沒有示出戯以槽口 (dummy notch)，
但是可以理解如果需要可以使用與圖8所示相同的結構。0058圖14所示的齒210包括與圖13中的齒頂部185相似的齒頂部215。圖 16所示的齒220包括與圖15中的齒頂部200相似的齒頂部225。但是與圖13 和15中的可拆裝齒180、 195相比，圖14和16中的可拆裝齒210、 220包括增 大的齒基部230。由于具有增大齒基部230的結構在電機運行期間具有特定的磁 通分布，它們最適合f頓各向同性的非晶粒取向的磁性材料(例如，在制造旋 轉電機的磁路時普遍使用的電工鋼)。因此，這些結構無法利用由于使用各向異 性的晶粒取向磁性材料所帶來的益處。而且，圖14的結構的缺點在于，齒頂部 215的夕卜形無法例如像圖16結構中的齒頂部225的外形那樣提供增強的機敝 撐，齒210不得不通過基部230支撐線圈100的重量。另一方面，與圖14中的 結構相比，圖16結構的缺點在于線圈100需要使用更昂貴的繞線裝置直接纏繞 在齒220上。
0059圖17和18所示為可拆裝齒235的一部分的另一種結構。齒235的該部 分包括齒頂部240、齒基部245、以及線圈容納部分250。齒235的該部分還包 括齒235的該部分的一個端部附近的凹槽部分255。在許多結構中，在彼此頂部 堆疊多個疊片并且將它們粘結或以其它方式附著以形成齒235的該部分。在其 他結構中，使用壓實的鐵磁鋼粉末、軟磁復合材料或其他材料來形成齒235的 該部分。在由疊片形成的結構中，堆疊具有第一外形的第一組疊片以限定包括 齒頂部240、齒基部245以及線圈容納部分250在內的該齒235的該部分。 一旦 完成線圈容納部分250，就加入具有齒頂部外形和齒基部外形的疊片以完成齒 235。
0060可拆裝齒235的兩部分被互相連接以完成齒256。在一種結構中，使用 粘結劑來連接齒235的兩半并且完成齒256。在其他結構中，使用緊固件、銷或 其他連接裝置來連接齒235的兩半以完成可拆裝齒256。0061雖然圖17所示的結構包括兩個半體235，每個半體包括位于該齒半體 235的一端處的一個凹槽255，但是其它結構可以包括位于單個齒的兩端處的凹 槽255。凹槽(或多個凹槽)255如圖18所示為端線圈(end coil) 260提供空 間。這樣，由于線圈100位于齒235周圍，端線圈260不會明顯地延伸超出齒 頂部240或齒基部245的端部。
0062圖17和18的結構在I見在的電^l結構方面有一些優點。例如，齒235的
凹槽255為端線圈160提供空間，并且齒基部245提高了定子20對轉子的軸向 覆蓋，因此可得到更緊湊的電機，其具有比現有電機更高的每單位長度的功率 輸出。此外，端線圈260的熱量更容易傳遞至U磁軛65并且消散。0063為了組裝電機10的定子20，首先形成組成各種芯部件的疊片135、 140。 如同圖9中所討論的，沖壓疊片135、 140是同時形 軛疊片135和可拆裝齒 疊片140的一種方式，也可以采用其它方法。磁軛疊片135堆疊在彼此頂部， 直到該堆疊件到達期望的軸向長度。在一些結構中，附加疊片或者端片(未示 出)被定位于該堆疊件的端部上以完成磁軛65和/或整體齒70。在使用端片的 結構中，端片通常不同于疊片135的外形并且提供柳啲結構強度。類似于磁 軛疊片135，齒疊片140也互相堆疊且粘結。 一旦堆疊，這些疊片140就限定一 個或多個可拆裝齒90。
0064在需要雙層繞組102的結構中，將導體纏繞在所需的整體齒70周圍以 限定線圈100。正如討論的，為了這個目的可以使用電機領域熟知的繞線過程(例 如針狀繞線器)。優選地，線圈00纏繞在固定物、虛擬齒上、或者線軸支架上， 然后滑裝到整體齒70上。這個過程可以使用線軸繞線器或其他繞線器，而不是 針狀繞線器。線圈100，繞在可拆裝齒90周圍。再次地，線軸繞線器十分適 合這項任務。在使用單層繞組101的定子結構中，線圈100可以僅位于整體齒 70上、僅位于可拆裝齒90上、或者按照特定應用的需要位于整體齒和可拆裝齒 70、 90的組合上。
0065可拆裝齒90通過將齒安裝部份或齒頂部110與齒安裝部份85互鎖而位 于磁軛65內。齒90 fflil沿著基本上與電機10的旋轉軸線40平行的軸線265
進行軸向滑動而與磁軛65嚙合。為了達至U所需的接觸水平，需要^z:干涉配合。
這樣，該裝配過程可以包括對磁軛65和齒90進行不同的加熱和/或^4卩。例如， 在一種結構中，磁軛65被加熱到比齒90高200華氏度的溫度。這可以通過單 獨加熱磁軛65、或者通過加熱磁軛65并且冷卻齒90來實現。不同的加熱導致 齒安裝部份85的擴張并且，如果使用7賴卩，貝嚙頂部110收縮。一旦齒90位 于期望的位置，這些部件的溫度變得相等并且建立起牢固的收縮配合。在一些 結構中，在可拆裝齒90到位之后放置端板。在這些結構中，端板可以部分地或 全部地覆蓋齒安裝部份85和齒頂部110以防止可拆裝齒90相對于磁軛65出現 不希望的軸向移動。
0066如果4頓內部襯墊145或155，則接下來按照需要相對于齒70、 90在定 子孔55內放置內船寸墊145或155。一旦安裝完，將塑料、環氧樹脂、樹脂或 其他填充材料注入齒70、 90之間的空間以更好地固定齒70、 90，并且防止不期 望的物質進入定子20。
0067根據具體的電機設計特性，生產定子20的操作順序可以改變。例如， S31首先將線圈100連接到整體齒70，然后將包括線圈100的可拆裝齒90連接 至'滅軛65，可以得到具有非常小的槽開口130的電機設計，槽幵口130的尺寸 并不受到與線圈100以及齒70、 90的寬度有關的限制。0068可以使用圖19-21討論的構思來生產齒和繞線方式進行不同組合的定子， 其適合與具有不同磁極性的轉子互相作用。例如，圖22-23為多相(三相)繞組 的繞線示意圖，其中每一相包括多個線圈部分(圖22中為兩個線圈部分)。一 個或多個線圈500被電連接以限定相繞組的繞組部分。在優選結構中， 一個繞 組部分的線圈500 fflil至少一個連續的電線而被連接，該電線也被纏繞以產生 線圈500。例如，圖22中，兩個線圈601和602限定了用電線701纏繞并3^接 的紅(R)相的一個繞組部分。如果需要，也可以使用本領域技術人員所知的其 它連接方式，例如電線焊接或艦電連接器的電線連接。0069圖22示出了繞組部分， 一相一個繞組部分，且與纏繞在可插入(可拆 裝)齒90周圍的線圈500相關。圖23示出了該繞組的全部線圈500、以及僅僅 與連接到(插入到)整體齒70的線圈相關聯的繞組部分的連接。其它繞組部分 的連接如圖22所示。 一些槽515包括屬于不同線圈部分的兩個共用的線圈側。 —些槽520包括作為不同相繞組的一部分的線亂而其它槽525包括作為同一 相繞組的一部分的線圈。在槽內的線圈500為同一相繞組的一部分的槽中，兩 個線圈偵懼有相同的極性。所述的繞組布置為優選的，因為線圈500對應于它 們的生產技術而被分組，并且一個繞組部分內的連接被簡化了。在連接到電源 之前，可將相繞組部分的端子互相連接。例如，對于每相的串聯連接來說，端 子Rlgo連接到一個電源端子，端子Rlret連接到端子R2go，并且端子R2ret被 連接到電源的另一端子。
0070圖22-23所示的三相定子可以與PM轉子配合使用以限定無刷PM電機。 預i」PM電機的極性由轉子的磁極性限定。十極轉子和十四極轉子適合與具有 圖23的繞線方式的十二齒定子芯一起工作。定子齒(整體齒加上可插入齒)的
總數分別等于轉子磁極數加二和轉子磁極數減二。也可以是本領域技術人員已 知的其它定子和轉子極性的組合，例如定子齒數目等于轉子極性加或減一。對
于圖19-20所示的定子來說，轉子極性可能是八和十六，所以齒(整體齒加上可
插入齒)的總數等于極數乘以相數并分別除以二和四。
0071也可以為單相或兩相工作纏繞具有可插入齒90和整體齒70的定子。方 ，見， 一個繞組部分纏繞在至少一些可拆裝齒90周圍，另一個繞組部分纏繞 在至少一些整體齒70周圍。在優選的結構中，可插/^齒90的數量等于整體齒 70的數量，兩種齒70、 90的位置圍繞圓周交替，一個繞組部分纏繞在所有的可 拆裝齒90周圍，另一個繞組部分纏繞^^f有的整體齒70周圍。對于單相電機 而言，在連接到電源之前，將兩個繞組部分電串聯或并聯連接以限定單相繞組。 在包括兩個線圈側的電機槽中，兩者具有相同的極性。為了限定無刷PM電機， {08前述的單相定子結合PM轉子以使定子齒(整體齒加上可插入齒)的總數 等于轉子極性。
0072對于兩相電機而言，i!51相位在空間上改變90電度，使用纏繞在至少 一些可拆裝齒90周圍的繞組部分限定第一相，使用纏繞在至少一些整體齒70 周圍的第二繞組部分限定第二相。為了限定預U PM電機，j頓前述的兩相定 子結合PM轉子以使定子齒(整體齒加上可插入齒)的總數等于轉子極性的兩倍。
0073對于兩相電機而言，ilil相位在空間上改變180度，該電機也通常被稱 作單極性單相電機，〗OT纏繞在至少一些可拆裝齒周圍的繞組部分限定第一相， 使用纏繞在至少一些整體齒周圍的第二繞組部分限定第二相。為了限定無刷PM 電機，使用前述的兩相定子結合PM轉子以使定子齒(整體齒加上可插入齒) 的總數等于轉子極性。
0074如前所述，根據本發明的定子還可用于其它 的電機，例如交流同步 或異步(感應)電機和發電機。在具有鼠籠轉子的感應電機中，電機和轉子的極性 由定子磁通勢的基波(或幅值最大的諧波)的極性決定，這可基于定子繞組的 分布(型式)使用本領域技術人員已知的方法計算出來。0075圖19-23的示例示出了與整體齒70具有基本相同寬度的可插入齒90以 及具有增大的齒基部可插入齒90。也可以是圖13-16所示之外的變形。例如， 對于圖21的結構來說，尤其是當用于無刷PM電機中時，根據設計目標，整體
齒70可以比可拆裝齒90更窄或更寬。為了使寄生(諧波)轉矩和力最小化， 尤其是用于多相型無刷PM電機時,圖22-23中的結構可以構成為所有的可插入 齒和整體齒70、 90具有基本上相同的齒基部外形(皿)。但是，除其它因素 外，所述結構具有的共同事實在于，為了增加槽填充因數并且提高電機性能， 至少一些齒為可插入的。
0076這樣，除其它之外，本發明提供了一種新的和有益的用于電機10的定 子20以及裝配定子20的方法。新的定子20改進了電磁和機械性能并且提高了 可制造性。上述以及附圖所示的定子20的結構和裝配定子20的方法僅是以示 例的方式給出的，并非為了限制本發明的構思和原理。以下權利要求列出了本 發明的各種特征和優點。
權利要求
1.一種定子，其限定了定子軸線，所述定子包括磁軛；多個齒，每個齒與所述磁軛耦合并且限定出第一凹槽、第一齒端、以及與第一齒端沿軸向相對的第二齒端，所述第一凹槽從第一齒端向著第二齒端沿軸向延伸；以及包含第一端線圈和第二端線圈的第一線圈，所述第一線圈位于所述多個齒中的第一齒上，使得該第一端線圈置于第一凹槽內以使第一端線圈不會沿軸向延伸超過所述第一齒端。
2. 如權利要求1所述的定子，其中，每個齒包括從第二齒端向著第一齒端沿軸向延伸的第二凹槽。
3. 如權利要求2所述的定子，其中，所述第二端線圈置于所述第二凹槽內以所述第二端線圈不會沿軸向延伸超過第二齒端。
4. 如權利要求1所述的定子，其中,所述多個齒的每一包括粉末金屬部分。
5. 如權利要求1所述的定子，其中，所述多個齒的每一個包括第一部分以 及與第一部分分離的第二部分，第一部分和第二部分中的每一個都由粉末金屬形成。
6. 如權利要求1所述的定子，其中，所述第一線圈僅置于所述的第一齒周圍。
7. 如權利要求l所述的定子，其中，所述磁軛由在堆疊方向上堆疊的多個 疊片形成，并且所述多個齒中的至少一個齒由粉末金屬形成。
8. 如權利要求l所述的定子，其中，所述多個齒配合以限定出18個槽。
9. 如權利要求1所述的定子，其中，所述多個齒中的至少一部分齒與磁軛 分開而形成。
10. —種定子，包括磁軛，該磁軛在長度方向上延伸以限定出芯長度；齒，該齒包括與磁軛耦合的齒頂部以及線圈容納部分，所述齒頂部在長 度方向上延伸第一距離，該第一距離基本上等于所述芯長度，并且所述線圈容 納部分在長度方向上延伸第二距離，該第二距離短于所述芯長度；以及線圈，該線圈置于線圈容納空間周圍并且限定了線圈長度，該線圈長度 與所述芯長度基本上相同。
11. 如權利要求10所述的定子，其中，所述磁軛包括在該長度方向上堆疊的多個疊片，并且所述齒由粉末金屬形成。
12. 如權利要求10所述的定子，其中，所述齒為第一數量的齒中的第一齒， 每個齒與磁軛分開形成并且耦合到磁軛。
13. 如權利要求12所述的定子，進一步包含整體形成為磁軛一部分的第二 數量的齒。
14. 如權利要求13所述的定子，其中，第一數量為第二數量的兩倍。
15. 如權利要求13所述的定子，其中，該第一數量的齒和該第二數量的齒 配合以限定它們之間的18個槽。
16.如權利要求10所述的定子，其中，所述齒包括第一齒部分，該第一齒 部分與第二齒部分分開形成，所述第一齒部分和第二齒部分配合以完整限定所述齒。
17.—種定子，該定子構造成使具有多個磁極的轉子旋轉，所述定子包括磁軛，該磁軛包括背部以及第一類型和第一數量的整體齒；耦合至所述背部的第二類型和第二數量的可插入齒；用連續電線纏繞的至少兩個線圈，每個線圈被方 在兩個不同的整體齒 周圍以限定出第一繞組部分；以及用連續電線纏繞的至少兩個其它線圈，所述其它線圈被放置在兩個不同 的可插入齒周圍以限定出第二繞組部分。
18. 如權利要求17所述的定子，其中，這兩個繞組部分屬于同一相繞組。
19. 如權利要求18所述的定子，其中， 一個槽包括共用該槽的兩個線圈側， 這兩個線圈側的每一個線圈側屬于不同的繞組部分，并且這兩個線圈側具有相 同的極性。
20. 如豐又利要求19所述的定子，其中，整體齒的數量加上可插入齒的數量 等于磁極的數量。
21.如權利要求17所述的定子，其中，這兩個繞組部分分別屬于不同的相繞組。
22.如權利要求21所述的定子，其中，整體齒的數量加上可插入齒的數量 等于磁極的數量。
23. 如權利要求21所述的定子，其中，整體齒的數量加上可插入齒的數量等于磁極數量的兩倍。
24. 如權利要求21所述的定子，其中，整體齒的數量加上可插入齒的數量 等于磁極的數量乘以定子相數除以2。
25. 如權禾腰求21所述的定子，其中，整體齒的數量加上可插入齒的數量等 于磁極的數量乘以定子相數除以4。
26. 如權利要求17所述的定子，其中，極數等于16并且槽數等于18。
27. 如權利要求17所述的定子，其中，極數等于10并且槽數等于12。
28. 如權利要求17所述的定子，其中，第一數量的整體齒等于第二數量的 可插入齒。
29. 如權利要求17所述的定子，進一步包括位于定子和轉子之間的襯墊。
30. 如權利要求17所述的定子，其中，所述磁軛限定了第一軸向長度，并 且所述可插入齒限定了短于第一軸向長度的第二軸向長度。
31. 如權利要求17所述的定子，其中，每個可插入齒置于兩個整體齒之間， 并且每個整體齒位于兩個可插入齒之間。
32. —種定子，該定子包括多個線圈，該多個線圈布置成限定多個相繞組， 以使具有多個磁極的轉子旋轉，所述定子包括磁軛，該磁軛包括背部以及第一類型和第一數量的整體齒；以及 耦合至該背部的第二類型和第二數量的可插入齒，該第一類型的齒和第二類型的齒排列成使得至少一對相鄰的齒為不同鄉的，并且，設置在這兩個相鄰齒周圍的線圈屬于同一相繞組。
33. 如權利要求32所述的定子，其中，整體齒的數量等于可插入齒的數量。
34. 如權禾腰求32所述的定子，其中，整體齒的數量為可插入齒的數量的 一半。
35. 如權禾腰求32所述的定子，其中，整體齒的數量加上可插入齒的數量 大于或等于磁極的數量減去2。
36. 如權利要求35所述的定子，其中，整體齒的數量加上可插入齒的數量 等于磁極的數量減去2。
37. 如權禾腰求32所述的定子，其中，第二對相鄰的齒具有屬于不同相繞 組的線圈。
38. 如權利要求37所述的定子，其中，該對相鄰的齒限定出第一槽，并且 其中，該對相鄰的齒的每一個齒上的線圈的極性在該第一槽內相同，并且該第 二對相鄰的齒限定出第二槽，并且其中，該第二對齒的每一個齒上的線圈的極 性第二槽內相反。
39. 如權利要求32所述的定子，其中，該對相鄰的齒限定出槽，并且其中， 每一個齒上的線圈的極性該槽內相同。
40. 如權利要求32所述的定子，其中，整體齒的數量加上可插入齒的數量 小于或等于磁極的數量加2。
41. 如權禾腰求40所述的定子，其中，整體齒的數量加上可插入齒的數量 等于磁極的數量加2。
42. 如權利要求32所述的定子，其中，極數等于16并且槽數等于18。
43. 如權利要求32所述的定子，其中，極數等于10并且槽數等于12。
44. 如權利要求32所述的定子，進一步包括位于定子和轉子之間的襯墊。
45. 如權利要求32所述的定子，其中，所述磁軛限定了第一軸向長度，并 且該可插入齒限定了短于第一軸向長度的第二軸向長度。
46. 如權利要求32所述的定子，其中，該可插入齒包括具有第一基本恒定 寬度的第一線圈容納部分，并且，該整體齒限定出具有不同于第一寬度的第二 基本恒定寬度的第二線圈容納部分。
全文摘要
一種定子，其構造成使具有多個磁極的轉子旋轉，該定子包括磁軛，磁軛包括背部以及第一類型和第一數量的整體齒，以及該定子還包括與背部耦合的第二類型和第二數量的可插入齒。利用連續的電線纏繞至少兩個線圈。每個線圈被放置在兩個不同的整體齒周圍以限定第一繞組部分。利用連續的電線纏繞至少兩個其它線圈。該其它線圈被放置在兩個不同的可插入齒周圍以限定第二繞組部分。
文檔編號H02K3/18GK101345439SQ200810214740
公開日2009年1月14日 申請日期2008年7月11日 優先權日2007年7月11日
發明者A·E·萊薩克, D·M·約內爾, S·J·德林格 申請人:A.O.史密斯公司