电机定子、电机和电动工具的制作方法

本发明涉及电机部件领域，并且更具体而言，涉及一种电机定子，其带有非对称线槽、轭部和磁极结构。本发明还涉及一种包括该电机定子的电机以及包括该电机的电动工具。

背景技术：

动力工具中常设置有电机，典型地为交流通用电机。交流通用电机通常包括至少两个定子磁极，并且带有构成对称的几何形状的环形轭部结构。定子线圈设为位于磁极周边的定子槽或线槽中。在通电的情况下，定子线圈与定子磁极一起受激励来产生电磁场，从而推动转子运动来产生电磁扭矩。

在电机设计中，通过根据所期望的电机输出功率以及期望的转子输出扭矩来确定定子槽或线槽的面积，该面积通常由线圈的外径和内径、磁极的宽度以及轭部的宽度来限定，并且该面积将限制线圈的尺寸。对本领域技术人员来说已知的是，一方面，对于选定的线圈直径，电机的输出功率取决于线圈的匝数；另一方面，线圈的尺寸还受到电流密度和预计的温度升高的限制。

轭部部分的尺寸与定子槽或线槽的面积一起确定定子磁极可承载的磁通量大小。如果采用较薄的轭部，则可使定子槽或线槽的面积增大线槽。但是轭部的厚度受到磁通密度极限的限制。如果磁通密度过高，则会引起磁极的磁通量降低并且导致更大的铁损。如果磁极的磁通量过低，则会影响电机的效率。因此，轭部宽度和定子槽或线槽的面积在电机设计中是存在矛盾的，需要在两者之间取折中来达到平衡。

在交流电机的设计中需要考虑的另一个问题是电枢反应。当转子(电枢)线圈通电时，由电枢线圈产生的横向磁通量趋向于使各个磁极中的磁通量减弱，从而使磁通量分布被扭曲并影响磁极中的磁通量和电机效率。电枢反应使得转子转入侧极弧的磁通密度趋于增大并且更密，而使转子转出侧极弧的磁通密度降低。同时，电枢反应在接近线槽的转子转入侧轭部上所产生的磁场扭曲使得磁通密度增大，而在转子转出侧轭部上使磁通密度减小。对于电机设计来说，磁通密度增大的部分的磁通密度是对磁极磁通量的主要制约因素，并且受到电机转动的影响。

因此，所期望的是设计一种用于交流通用电机的电机定子，其至少能够克服上述问题中的至少一个。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种用于交流电机的电机定子，其通过非对称线槽、轭部和磁极结构来在轭部宽度和定子槽或线槽的面积之间取得平衡，并且减少电枢反应的影响。本发明另一个目的在于提供一种包括该电机定子的电机以及包括该电机的电动工具。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种电机定子(21)，其包括两个磁极(30a、30b)和至少两个定子线圈，每个磁极分别具有转子转入侧和转子转出侧；并且各个磁极(30a、30b)分别具有：极身(26a、26b)、轭部(21a、21b)、极靴(25、24)和两个定子槽(250b、250a；240b、240a)，其中：

轭部(21a)包括转子转入侧轭部(210b)和转子转出侧轭部(210a)；

极靴(25)包括：转子转入侧极弧(25b)、转子转出侧极弧(25a)、以及与转子(22)相对的极靴表面(254)，极靴表面(254)构造为具有对称的圆弧形横截面；

定子槽(250b、250a)构造于转子转入侧轭部(210b)与转子转入侧极弧(25b)之间以及转子转出侧轭部(210a)与转子转出侧极弧(25a)之间，并且定子线圈构造为设置于定子槽(250b、250a)中；并且

其特征在于，在径向横截面上，极身(26a)的中心线从极靴表面(254)的中心线向转子转入侧平行地偏离。

备选地，转子转入侧极弧(25b)的底部尺寸(G2)构造为比转子转出侧极弧(25a)的底部尺寸(G1)更大。

备选地，转子转入侧轭部(210b)与极身(26a)连接处的宽度(K2)构造为小于转子转出侧轭部(210a)与极身(26a)连接处的宽度(K1)

备选地，转子转入侧极弧一侧(25b)的定子槽(250b)与转子转出侧极弧(25a)一侧的定子槽(250a)构造为具有相等的横截面尺寸。

备选地，转子转出侧极弧(25a)具有转子转出侧极尖(251a)，并且转子转入侧极弧(25b)具有转子转入侧极尖(251b)，转子转出侧极尖(251a)的厚度(I1)小于或等于转子转入侧极尖(251b)的厚度(I2)。

备选地，转子转出侧轭部(210a)的径向宽度(N1)构造为大于转子侧转入轭部(210b)的径向宽度(N2)。

备选地，至少两个磁极(30a、30b)构造为关于转子的中心成180°两两对称。

一种电机，其包括上述电机定子(21)。

备选地，电机为交流通用电机。

一种电动工具，其包括上述电机。

本发明的电机定子的有益效果在于：提高了定子线圈的效率和电机的功率/质量比，改善了电机的转矩效率，并且使得相同尺寸的电机可具有更大的功率输出范围。

附图说明

以下将结合附图和优选实施例来对本发明进行进一步详细描述，但是本领域技术人员将领会的是，这些附图仅是出于解释优选实施例的目的而绘制的，并且因此不应当作为对本发明范围的限定。此外，除非特别指出，附图仅是意在概念性地表示所描述对象的组成或构造并且可能进行了夸张性显示，并且附图也并非一定是按比例绘制的。

图1是现有技术的电机的横截面示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的电机的横截面示意图。

图3是图2中所示实施例的局部放大示意图。

图4是图2中所示实施例的局部放大示意图。

图5是图2中所示实施例的磁通密度示意图。

图6是本发明的另一个实施例的磁极的局部示意图。

具体实施方式

以下将参考附图来详细描述本发明的优选实施例。本领域技术人员将领会的是，这些描述仅为描述性的、示例性的，并且不应被解释为限定了本发明的保护范围。

首先，需要说明的是，在本文中所提到的顶部、底部、朝上、朝下等方位用语是相对于各个附图中的方向来定义的，它们是相对的概念，并且因此能够根据其所处于的不同位置和不同的实用状态而变化。所以，不应将这些或其他方位用语理解为限制性用语。

此外，还应当指出的是，对于本文的实施例中描述或隐含的任意单个技术特征，或在附图中示出或隐含的任意单个技术特征，仍能够在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行组合，从而获得未在本文中直接提及的本发明的其他实施例。

此外，在不同的附图中，相同的参考标号表示相同或大致相同的部件。

图1是现有技术的电机的横截面示意图。其中，电机10大致由定子11和转子12组成，并且定子11构造为大致关于垂直中心线A-A和水平中心线B-B对称。转子12又称为电枢，并且转子12构造为可围绕轴13转动。转子12的外周部构造有多个电枢槽120。转子线圈(未示出)设置于这些电枢槽120中。

定子11包括上轭部11a和下轭部11b。上轭部11a通过上极身16a连接到包括上左极弧15a和上右极弧15b的上极靴15上，并且在上左极弧15a的左侧和上右极弧15b的右侧分别形成上左定子槽150a和上右定子槽150b。同样地，下轭部11b通过下极身16b连接到包括下左极弧14a和下右极弧14b的下极靴14上，并且在下左极弧14a的左侧和下右极弧14b的右侧分别形成下左定子槽140a和下右定子槽140b。上左定子槽150a、上右定子槽150b、下左定子槽140a和下右定子槽140b构造为容纳定子线圈。

图2是根据本发明的一个实施例的电机的横截面示意图。其中，电机20大致由定子21和转子22组成。转子22又称为电枢，并且转子22构造为可围绕轴23转动。转子22的外周部构造有多个电枢槽220。转子线圈(未示出)设置于这些电枢槽220中。优选地，转子22构造为在逆时针方向上运动。

需要说明的是，在本申请的优选实施例中，根据极弧与转子22的关系定义了转子转入侧和定子转出侧。具体而言，在转子转入侧，转子22趋向于将面对极弧，而在转子转出侧，转子22趋向于脱离与极弧面对的状态。

类似地，定子21包括至少两个磁极和至少两个定子线圈(未示出)，每个磁极分别具有转子转入侧和转子转出侧；并且各个磁极分别具有：极身、轭部、极靴和两个定子槽。在图示的优选实施例中，定子21包括属于上磁极30a的上轭部21a和属于下磁极30b的下轭部21b。上轭部21a通过上极身26a连接到包括上左极弧25a和上右极弧25b的上极靴25上。在上左极弧25a左侧形成上左定子槽250a，并且在上右极弧25b右侧形成上右定子槽250b。同样地，下轭部21b通过下极身26b连接到包括下左极弧24a和下右极弧24b的下极靴24上。在下左极弧24a左侧形成下左定子槽240a，并且在下右极弧24b右侧形成下右定子槽250b。上左定子槽250a、上右定子槽250b、下左定子槽240a和下右定子槽240b构造为容纳定子线圈。其中，定子11构造为分别关于转子22的中心成180°对称，并且图示的优选实施例中还示出了转子22的垂直中心线C-C和水平中心线D-D。此外，由于上右极弧25b和下左极弧24a位于转子转入侧上，因此又称为转子转入侧极弧，并且由于上左极弧25a和下右极弧24b位于转子转出侧上，因此又称为转子转出侧极弧。备选地，如图2中所示，轭部和极身上还可根据需要设置缺口或孔，以用于电机在机壳或底座中的安装。

图3是图2中所示实施例的局部放大示意图。其中，图3示出了定子21的上磁极30a的一部分，并且上轭部21a包括转子转入侧轭部210b和转子转出侧轭部210a。上左极弧25a和上右极弧25b构造为从上极身26a下端向两侧延伸，并且上左极弧25a和上右极弧25b的内侧边缘构造为形成极靴表面254。极靴表面254形成圆形形状，以便与转子22的外部边缘相对应。

如图所示，上左定子槽250a的上表面253a的尺寸H1构造为大于上右定子槽250b的上表面253b的尺寸H2，使得上极身26a构造为整体向右偏离。因此，在径向横截面上，中心线E-E如图2中所示的那样相对于转子的中心线向右侧偏离。在优选实施例中，偏离的中心线E-E使得上左定子槽250a和上右定子槽250b的横截面面积相比常规对称设计的定子线槽增大了大约10%-25%。本领域技术人员将领会的是，通过调整上左定子槽250a和上右定子槽250b周边的各个部分的尺寸，可使得上左定子槽250a和上右定子槽250b的横截面尺寸大致相等，这可有利于定子线圈的缠绕和布置。因此，在本发明的实施例中，转子转出侧轭部210a与上极身26a联接的部分和转子转入侧轭部210b与上极身26a联接的部分构造为具有不同的宽度，具体而言，转子转出侧轭部210a一侧的宽度K1大于转子转入侧轭部210b的宽度K2。此外，上轭部21a构造为使得转子转出侧轭部210a的径向宽度N1大于转子转入侧轭部210b的径向宽度N2。这是因为常规串交流串激定子的转入侧的轭部比转出侧的轭部有较高的磁通密度，本设计采用不同的轭部宽度，即转子转入侧轭部210b 宽度较小，而转子转出侧轭部宽度210a较大, 从而使转入侧轭部和转出侧轭部有大约相同的磁通密度。同时，转子转入侧轭部210a和转子转出侧轭部210b宽度的不同，配合中心线向右偏移，配合G1、G2不相等设计根据期望使上左定子槽250a和上右定子槽250b的横截面面积至大致相等，使上左定子槽250a和上右定子槽250b在缠绕有相同根数定子铜线导体后具有大致相等的槽满率。

上左极弧25a和上右极弧25b从上极身26a下端向两侧延伸至上左极尖251a(又称为转子转出侧极尖)和上右极尖251b(又称为转子转入侧极尖)。为了承载期望的磁通密度，上左极弧25a的底部尺寸G1小于上右极弧25b的底部尺寸G2。上左极尖251a和上右极尖251b分别具有I1和I2，并且厚度I1可小于或等于厚度I2。由于上左极弧25a的作用仅在于保持定子线圈绝缘并机械地固定定子线圈，并且上左极弧25a并非意在承载非常大的磁通量，故上左极弧25a的整体尺寸(包括上左极弧25a的底部尺寸G1和上左极尖251a的厚度I1)可构造为尽可能薄的，直至用冲压技术制造所能达到的最薄尺寸。G2的厚度或宽度构造为比G1大的原因在于：常规交流串激电机定子上转入侧极靴处磁密是最容易接近和超过饱和值(比如2.0T至2.2T)，故G2 更大的宽度尺寸可减少转子转入侧极靴饱和对气隙磁密平均值提高的限制，即可以取得更高的气隙磁密平均值，还可以减少气隙磁密受电枢反应影响对气隙磁场分布的畸变程度。这对减少电机由于磁场高度饱和导致的低次电流谐波(比如三次电流谐波)，对减少电机的整流子碳刷换向导致的EMC干扰，减少整流子换向火花，提高电机性能和提高整流子碳刷寿命有好处。G1和G2的不对称或具有不同厚度的构造，可配合N1和N2不同厚度、K1和K2不同厚度以及26a 中心线向右偏移等设计来使上左定子槽250a和上右定子槽250b的面积的大致相等。

应当理解的是，由于定子11构造为分别关于转子22的中心成180°对称，故定子21的下磁极30b的各个部件也具有与上文所描述的对应内容相同的尺寸、位置和构造关系。

图4为图2中所示的实施例的局部放大视图。以下将结合图3和图4来说明上极身26a的中心线E-E与极靴表面254的中心线G-G之间的位置关系。一方面，上极身26a的左侧252a与右侧252b之间的中心线如图4中的虚线E-E所示，这意味着中心线E-E距上极身26a的左侧252a的距离J1与中心线E-E距上极身26a的右侧252b的距离J2大致相等。另一方面，极靴表面254的中心线G-G至上左极尖251a和上右极尖251b的距离分别为M1和M2，并且M1与M2大致相等。如图所示，在径向横截面上，上极身26a的中心线E-E与极靴表面254的中心线G-G并不重合，而是成大致平行地偏离的关系。这意味着上极身26a相对于极靴表面254向右偏离，也即向转子转入侧平行地偏离。

容易理解的是，在图示的优选实施例中，极靴表面254的中心线G-G与转子22的垂直中心线C-C大致重合。因此，上极身26a的中心线E-E及下极身26b的中心线F-F构造为并不与转子22的垂直中心线C-C重合，而是大致成互相平行的关系，并且上极身26a及下极身26b相对于转子22的垂直中心线C-C向转子转入侧平行地偏离。

图5是图2中所示实施例的磁通密度示意图。具体而言，图示了在12安培的电流作用下时本实施例的电机横截面上的磁通密度。如图所示，本发明的非对称线槽、轭部和磁极结构使得横截面上的磁通密度分布相对均匀，避免了出现局部磁通密度过大或过小的现象。此外，各个磁极的总磁通量可增大2%-5%，从而提高了电机转矩常数(每单位安培下的电磁扭矩)，这对于电机设计来说是期望的。

在图示的优选实施例中，定子11具有两个磁极。然而，本领域技术人员将领会的是，定子11也可构造为具有两个以上的磁极，例如四极电机，并且这些磁极可构造为相对于转子22的中心成180°两两对称，而且仍然能够具有上文所述的结构特征，并且达到上文所描述的技术效果。

优选地，本发明的定子线槽的位置和形状构造为保持了每个磁极上左右两个线槽大约相同的线槽面积，这使得仍然可以用现有的定子装配绕线技术来进行定子线圈的绕线组装。

优选地本发明的转子22设置为在逆时针方向上转动。

图6是本发明的另一个实施例的磁极的局部示意图。其中，转子22设置为顺时针转动，而磁极30a'的各个部分构造为与图2中的磁极30a关于转子22的垂直中心线C-C成镜像对称。这时，定子矽钢段的两个端面将前后对换，并且磁极30a'中各个极弧上的极尖构造为使得转子转入侧极弧的径向尺寸较厚，并且转子转出侧极弧的径向尺寸较薄。因此，本领域技术人员能够根据本发明的公开内容来构造适合于顺时针转动的转子的电机定子，而不脱离本发明的范围。

本发明的有益效果在于：在给定定子外径和竖直平行高度尺寸，给定电机叠长的情况下，本发明的电机定子有更加合理的磁通密度分布。与常规的对称结构的串激电机定子设计比较，本发明的定子设计在定子轭部、定子极身、转子轭部以及转子齿部各处的平均磁密分别相近并产生相同的定子每极磁通的情况下，定子线槽的横截面面积可增大大约10%-25%，使得有可能在定子上使用更粗的铜线，以提高电机效率；或使在定子安装另外的刹车线圈制成刹车电机成为可能，使由于增加刹车线圈而使刹车电机的工作线圈匝数不减少或较小地减少，从而使刹车电机性能不下降或下降程度较小。

在产生相同的定子每极磁通的情况下，本发明的电机定子可使用较少的激磁匝数，降低电机的用铜量，减少铜损耗，提高电机效率。在相同的激磁安匝下，顺应转子的横向电枢反应，降低总磁阻提高每极平均气隙磁通密度，使每极磁通量提高2-5%，增加电机转矩常数，提高转矩效率，提高了电机额定功率范围，提高了电机的最大输出功率。或在相同的功率下，或相同的单位电流转矩下，减少电机叠长，降低成本，使电机具有更高的功率密度，更高的功率体积比和转矩体积比。通过采用本发明的设计，在相同功率的电机中可以采用更小的定子外径或垂直高度。

在本发明的优选实施例中，电机定子配合转子矽钢片的设计，使电机(包括铁心和气隙)中具有更合理的磁通密度分布，并使定子转入侧轭部和转子转出侧轭部的磁密接近。这可降低由于转子转入侧磁通密度饱和极限和由于电枢反应横向磁场导致的对气隙磁场分布的畸变程度和降低铁心内磁场的高饱和程度，减少电机由于磁场高度饱和导致的低次电流谐波(如三次电流谐波)，减少电机的整流子碳刷换向导致的EMC干扰，减少整流子换向火花，并且提高电机性能和整流子碳刷寿命。

采用本发明的电机定子的电机典型地为运用于电动工具上的交流通用电机。电动工具例如为圆锯、吸尘器和食物搅拌器等。

本说明书参考附图来公开本发明，并且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统、选用合适的材料以及使用任何结合的方法。本发明的范围由请求保护的技术方案限定，并且包含本领域技术人员想到的其他示例。只要此类其他示例包括并非不同于请求保护的技术方案字面语言的结构元件，或此类其他示例包含与请求保护的技术方案的字面语言没有实质性区别的等价结构元件，则此类其他示例应当视为处于由本发明的权利要求书请求保护的技术方案所确定的保护范围内。