外转子风机散热结构优化设计--控制网



外转子风机散热结构优化设计
企业：控制网 日期：2009-09-02
领域：工控机 点击数：3440




许江晨（1987-）

男，毕业于浙江大学。就职于横店集团联宜电机有限公司，现任研发中心电机工程师，主要从事电机研发工作。



摘要：讨论外转子电机结构散热问题。提出一种申报专利（公告号：CN201038926）的解决方案，方案给出了工艺实施详细设计。

关键词：外转子电机；外转子风机；电机散热结构设计

Abstract: The paper discusses the heat dissipation of motor with external rotor 
structure and the solution is given which is filed as one patent. (
Patent  Notification Number: CN201038926). The solution includes the detailed 
design of technical process.

Key words: external rotor motor; heat dissipation structure

1  引言

    常规电机结构是转子在定子内旋转，而外转子电机相反，转子包围定子旋转。外转子电机的这种反置式结构特点，主要用于驱动小功率风机，广泛运用于净化空调、机房空调、除湿机、全热转换机、压缩制冷、管道风机、风幕机、窗式自然通风器等领域。 常见的吊扇和笔记本电脑的散热风扇也是使用外转子电机的常见案例。由于外转子电机与风机采用机电一体化结构，所以工程上称为外转子风机。外转子风机叶轮直接驱动的结构配合合理的气动设计，具有效率高、噪声低、重量轻、结构紧凑等众多优点。

    由于外转子电机绕组和控制电路板被永久地固定在定子装置基体上，因此印刷电路板对电机发出的热量因积聚而成的高温极为敏感，尤其高温状态下热量传递给电路板后性能急剧下降，严重的导致元件永久性损坏。因为绕组是永久性地固定在定于装置基体上，如果要改变或者修理控制电机的电路板上的电路或元件极其困难。实际的情况是，试图修理或者维护外转子电机不如直接报废节省成本。因此外转子风机存在使用寿命短，报废率高的问题。

    本文提出一种改善外转子式电机线圈绕组的散热的解决方案。新型外转子结构电机延长了外转子式电机的使用寿命，降低了报废率。本设计另一目的在于提供一种结构简单，体积较小的外转子式风扇，解决了现有风扇存在的结构较为复杂，且体积较大等问题。

2  电机散热解决方案

2.1 外转子电机结构

    外转子电机分解结构如图1所示，包括机壳，设置在机壳内的定子和设置在机壳开口端的端盖，转轴一端与机壳底部固定，转轴的另一端与定子旋转支承，线圈绕组设置于定子上，定子包括定子铁芯和与定子铁芯注塑为一体的绝缘结构，绝缘结构对应于定子端部的轴孔周围形成轴向延伸的弧形凸片，线路板内孔与定子绝缘结构上的弧形凸片外壁相配；绝缘结构上位于弧形凸片外围形成至少三个轴向凸柱，凸柱端部形成定位台阶，线路板上形成与凸柱相配的定位孔，凸柱端部进入定位孔后，定位台阶与线路板的下端面接触，通过对凸柱端部的热铆将凸柱与线路板之间轴向及圆周方向固定，使线路板与绝缘结构之间轴向固定和圆周方向固定。外转子电机装配外形如图2所示。


                                         图1   外转子电机分解结构图

                                       图2   外转子电机装配外形图

2.2 凸柱散热结构

    新的改进结构是通过在与定子铁芯注塑为一体的绝缘结构的轴孔周围形成弧形凸片，与线路板的内孔配合起到了对线路板的径向定位。在绝缘结构上位于弧形凸片外围形成至少三个凸柱，并将线路板与凸柱端部铆接在一起，从而使线路板与定子铁芯端部之间具有较大的间距，即增大了线路板与线圈绕组之间的距离，改善了定子铁芯及线圈绕组的散热，减少了线圈绕组及定子铁芯发热对线路板的影响，延长了外转子式电机的使用寿命，降低了外转子式电机的报废率。采用与定子铁芯注塑为一体的绝缘结构，绝缘结构与定子铁芯之间结合牢固，便于线圈绕组的绕制，简化了电机的制造工艺，提高了生产效率，同时保证了产品质量的稳定性，如图3所示。

                                            图3   凸柱散热结构

    弧形凸片的外壁上形成有轴向加强筋，所述线路板内孔的圆周上形成与加强筋相配的凹槽。其中，在弧形凸片的外壁上设置加强筋与线路板内孔圆周上的凹槽配合，可便于线路板上的定位孔与凸柱的对准，从而方便了线路板与定子之间的装配，提高了生产效率。加强筋靠近弧形凸片的两侧边缘设置，从而提高了弧形凸片与线路板之间相对位置的定位精度。

3  散热与风扇结构设计

3.1 定子结构设计

    定子铁芯包括中空柱状部和若干个沿柱状部圆周呈辐射状均匀分布的T型部，定子铁芯除T型部的外圆周部之外其余部位均被与绝缘结构整体包覆，T型部的外圆周部裸露。作为优选，绝缘结构对应于T型结构的上端面和下端面型结构的上端面和下端面分别形成径向延伸的凸起部，绝缘结构对应于相邻两个T型部之间的柱状部外部形成轴向延伸的凸筋。其中，凸起部可加强绝缘结构在T型部上、下端的强度，凸筋可加强绝缘结构在定子铁芯中空柱状部外壁的强度。弧形凸片沿定子端部的轴孔圆周等间距分布，相邻弧形凸片之间形成缺口。绝缘结构上固定有两个间隔设置的电插片，电插片近中部形成可弯折的弯折部，线圈绕组的两个引出线分别与其中一个电插片的弯折部固定电连接；电插片的上端形成插头，线路板上形成电插孔，电插片的插头与电插孔插接形成电连接。采用电插片分别与线圈绕组固定连接和与控制器线路板插接电连接，避免了焊接，便于电机的生产装配，提高了生产效率。插头整体呈扁平的条状，插头的插入端呈楔形，插头的根部靠近所述弯折部的上侧，电插片位于插头根部以下部分宽度大于插头的宽度且在插头根部两侧形成台阶，从而使电插片下端较宽以便于电插片能可靠地固定在绝缘结构上。其中，插头插入端呈楔形可便于插头插入到线路板的电插孔内。线路板上焊接有电源引出线，端盖上设有引出线孔，引出线孔内紧配有呈中空的橡胶套管，套管的外端形成外锥面结构，从而便于套管穿入端盖的引出线孔，套管的内端形成外凸缘，在套管的中空结构内端形成内锥面，引出线与套管的中空结构紧配。外凸缘可将套管限制在端盖的引出线孔内以防止引出线从引出线孔内被拉出，在套管的中空结构内端形成内锥面，从而便于引出线穿入套管的中空结构内，便于装配，以提高生产效率。定子立体结构示意如图3所示。

3.2 风扇结构设计

    外转子结构的电机制成的风扇，包括机壳，设置在机壳内的定子和设置在机壳开口端的端盖，转轴一端与机壳底部固定，转轴的另一端穿过定子的轴孔后与端盖旋转支承，线圈绕组设置于定子上，定子包括定子铁芯和与定子铁芯注塑为一体的绝缘结构，绝缘结构对应于定子端部的轴孔周围形成轴向延伸的弧形凸片，线路板内孔与定子绝缘结构上的弧形凸片外壁相配；绝缘结构上位于弧形凸片外围形成至少三个轴向凸柱，凸柱端部形成定位台阶，线路板上形成与凸柱相配的定位孔，凸柱端部进入定位孔后，定位台阶与线路板的下端面接触，通过对凸柱端部的热铆将凸柱与线路板之间轴向及圆周方向固定，使线路板与绝缘结构之间轴向固定和圆周方向固定，风叶直接与机壳外壁焊接固定在一起。将风扇的风叶直接焊接在作为外转子的机壳外壁上，减少了风叶的二次安装，从而大大简化了风扇的结构，且结构非常紧凑。

4  工艺实施

    如图1所示，外转子结构的电机包括机壳21，设置在机壳21内的定子22和设置在机壳21开口端的端盖23，端盖23端部设有罩盖37，在机壳内壁设置有一体结构的磁钢35，端盖底部中心固定有转轴支架24，转轴25一端与机壳底21底部的转轴支架24固定；如图3所示，定子铁芯1包括中空柱状部和六个沿柱状部圆周呈辐射状均匀分布的T型部2，定子铁芯1除T型部2的外圆周部之外其余部位均被与定子铁芯一体注塑的绝缘结构3整体包覆，T型部的外圆周部4裸露，绝缘结构3对应于T型结构的上端面和下端面分别形成径向延伸的凸起部5，绝缘结构对应于相邻两个T型部之间的柱状部外部形成轴向延伸的凸筋6。如图3、图4和图5所示，绝缘结构3对应于定子端部的轴孔周围形成轴向延伸并沿定子端部的轴孔圆周等间距分布的弧形凸片7，相邻弧形凸片7之间形成缺口15，弧形凸片的外壁靠近弧形凸片的两侧边缘设置分别形成有轴向加强筋9，线路板8的内孔10与定子绝缘结构上的弧形凸片7外壁相配，且在线路板内孔10的圆周上形成与加强筋9相配的凹槽11；绝缘结构3上位于弧形凸片7外围形成三个轴向凸柱12，凸柱12端部形成定位台阶13，线路板8上形成与凸柱12相配的定位孔14，凸柱12端部进入定位孔14后，定位台阶13与线路板8的下端面接触，通过对凸柱端部的热铆将凸柱12与线路板8之间轴向及圆周方向固定，使线路板8与绝缘结构3之间轴向固定和圆周方向固定。如图1所示，定子22的绝缘结构中心轴孔26内嵌装有圆筒状的轴承支架27，轴承支架27与定子22之间圆周方向相对固定，在轴承支架27的端部形成三个径向凸体28，径向凸体27介于绝缘结构3的相邻弧形凸片7之间的缺口15内。在每个径向凸体27上设置轴向的螺纹孔29，端盖23上设有与径向凸体27上的螺纹孔29相应的沉孔30，三个螺钉31分别穿过沉孔30与径向凸体27上的螺纹孔29配合将端盖23与轴承支架27固定在一起。轴承支架27内紧配有与之同轴的第一轴承32和第二轴承33，第一轴承32和第二轴承33之间设置有两个齿形垫片34，转轴25与第一轴承32和第二轴承33的内圈紧配从而实现作为转子的机壳与定子之间的旋转配合，第二轴承32的外端设有轴用挡圈38。如图1和图6所示，绝缘结构3上固定有两个间隔设置的电插片16，电插片16近中部形成可弯折的弯折部17，电插片16的上端形成插头18，插头18整体呈扁平的条状，插头18的插入端呈楔形，插头18的根部靠近弯折部17的上侧，电插片16位于插头18根部以下部分宽度大于插头的宽度且在插头根部两侧形成台阶19，线圈绕组的两个引出线20分别与其中一个电插片的弯折部17固定电连接；如图1、图4和图5所示，线路板8上形成电插孔21，电插片16的插头18与电插孔21插接形成电连接。如图1、图2和图7所示，线路板上焊接有电源引出线39，端盖23上设有引出线孔40，引出线孔40内紧配有呈中空的橡胶套管41，套管41的外端形成外锥面结构42，从而便于套管穿入端盖23的引出线孔40，套管41的内端形成外凸缘43，外凸缘43可将套管41限制在端盖23的引出线孔40内以防止引出线从引出线孔40内被拉出，在套管41的中空结构内端形成内锥面44，从而便于引出线39穿入套管41的中空结构内，便于装配，以提高生产效率，引出线39与套管41的中空结构紧配。如图1和图2所示，采用本实施例外转子结构的电机制成的风扇，其风叶36直接焊接固定在作为转子的机壳21外壁上。

                                                  图4

                                             图5


                                                      图6


                                               图7

5  结束语

    设计通过改善外转子式电机线圈绕组的散热，大幅降低线圈绕组发热对线路板的影响，延长了外转子式电机的使用寿命并降低了报废率，避免了线圈绕组银线与线路板之间的焊接，便于电机的生产装配，提高了生产效率等特点。本发明简化了风扇的结构，缩小了风扇的体积。
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