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許江晨（1987-）

男，畢業于浙江大學。就職于橫店集團聯宜電機有限公司，現任研發中心電機工程師，主要從事電機研發工作。



摘要：討論外轉子電機結構散熱問題。提出一種申報專利（公告號：CN201038926）的解決方案，方案給出了工藝實施詳細設計。

關鍵詞：外轉子電機；外轉子風機；電機散熱結構設計

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

    常規電機結構是轉子在定子內旋轉，而外轉子電機相反，轉子包圍定子旋轉。外轉子電機的這種反置式結構特點，主要用于驅動小功率風機，廣泛運用于凈化空調、機房空調、除濕機、全熱轉換機、壓縮制冷、管道風機、風幕機、窗式自然通風器等領域。 常見的吊扇和筆記本電腦的散熱風扇也是使用外轉子電機的常見案例。由于外轉子電機與風機采用機電一體化結構，所以工程上稱為外轉子風機。外轉子風機葉輪直接驅動的結構配合合理的氣動設計，具有效率高、噪聲低、重量輕、結構緊湊等眾多優點。

    由于外轉子電機繞組和控制電路板被永久地固定在定子裝置基體上，因此印刷電路板對電機發出的熱量因積聚而成的高溫極為敏感，尤其高溫狀態下熱量傳遞給電路板后性能急劇下降，嚴重的導致元件永久性損壞。因為繞組是永久性地固定在定于裝置基體上，如果要改變或者修理控制電機的電路板上的電路或元件極其困難。實際的情況是，試圖修理或者維護外轉子電機不如直接報廢節省成本。因此外轉子風機存在使用壽命短，報廢率高的問題。

    本文提出一種改善外轉子式電機線圈繞組的散熱的解決方案。新型外轉子結構電機延長了外轉子式電機的使用壽命，降低了報廢率。本設計另一目的在于提供一種結構簡單，體積較小的外轉子式風扇，解決了現有風扇存在的結構較為復雜，且體積較大等問題。

2  電機散熱解決方案

2.1 外轉子電機結構

    外轉子電機分解結構如圖1所示，包括機殼，設置在機殼內的定子和設置在機殼開口端的端蓋，轉軸一端與機殼底部固定，轉軸的另一端與定子旋轉支承，線圈繞組設置于定子上，定子包括定子鐵芯和與定子鐵芯注塑為一體的絕緣結構，絕緣結構對應于定子端部的軸孔周圍形成軸向延伸的弧形凸片，線路板內孔與定子絕緣結構上的弧形凸片外壁相配；絕緣結構上位于弧形凸片外圍形成至少三個軸向凸柱，凸柱端部形成定位臺階，線路板上形成與凸柱相配的定位孔，凸柱端部進入定位孔后，定位臺階與線路板的下端面接觸，通過對凸柱端部的熱鉚將凸柱與線路板之間軸向及圓周方向固定，使線路板與絕緣結構之間軸向固定和圓周方向固定。外轉子電機裝配外形如圖2所示。

                                         圖1   外轉子電機分解結構圖

                                       圖2   外轉子電機裝配外形圖

2.2 凸柱散熱結構

    新的改進結構是通過在與定子鐵芯注塑為一體的絕緣結構的軸孔周圍形成弧形凸片，與線路板的內孔配合起到了對線路板的徑向定位。在絕緣結構上位于弧形凸片外圍形成至少三個凸柱，并將線路板與凸柱端部鉚接在一起，從而使線路板與定子鐵芯端部之間具有較大的間距，即增大了線路板與線圈繞組之間的距離，改善了定子鐵芯及線圈繞組的散熱，減少了線圈繞組及定子鐵芯發熱對線路板的影響，延長了外轉子式電機的使用壽命，降低了外轉子式電機的報廢率。采用與定子鐵芯注塑為一體的絕緣結構，絕緣結構與定子鐵芯之間結合牢固，便于線圈繞組的繞制，簡化了電機的制造工藝，提高了生產效率，同時保證了產品質量的穩定性，如圖3所示。

                                            圖3   凸柱散熱結構

    弧形凸片的外壁上形成有軸向加強筋，所述線路板內孔的圓周上形成與加強筋相配的凹槽。其中，在弧形凸片的外壁上設置加強筋與線路板內孔圓周上的凹槽配合，可便于線路板上的定位孔與凸柱的對準，從而方便了線路板與定子之間的裝配，提高了生產效率。加強筋靠近弧形凸片的兩側邊緣設置，從而提高了弧形凸片與線路板之間相對位置的定位精度。

3  散熱與風扇結構設計

3.1 定子結構設計

    定子鐵芯包括中空柱狀部和若干個沿柱狀部圓周呈輻射狀均勻分布的T型部，定子鐵芯除T型部的外圓周部之外其余部位均被與絕緣結構整體包覆，T型部的外圓周部裸露。作為優選，絕緣結構對應于T型結構的上端面和下端面型結構的上端面和下端面分別形成徑向延伸的凸起部，絕緣結構對應于相鄰兩個T型部之間的柱狀部外部形成軸向延伸的凸筋。其中，凸起部可加強絕緣結構在T型部上、下端的強度，凸筋可加強絕緣結構在定子鐵芯中空柱狀部外壁的強度。弧形凸片沿定子端部的軸孔圓周等間距分布，相鄰弧形凸片之間形成缺口。絕緣結構上固定有兩個間隔設置的電插片，電插片近中部形成可彎折的彎折部，線圈繞組的兩個引出線分別與其中一個電插片的彎折部固定電連接；電插片的上端形成插頭，線路板上形成電插孔，電插片的插頭與電插孔插接形成電連接。采用電插片分別與線圈繞組固定連接和與控制器線路板插接電連接，避免了焊接，便于電機的生產裝配，提高了生產效率。插頭整體呈扁平的條狀，插頭的插入端呈楔形，插頭的根部靠近所述彎折部的上側，電插片位于插頭根部以下部分寬度大于插頭的寬度且在插頭根部兩側形成臺階，從而使電插片下端較寬以便于電插片能可靠地固定在絕緣結構上。其中，插頭插入端呈楔形可便于插頭插入到線路板的電插孔內。線路板上焊接有電源引出線，端蓋上設有引出線孔，引出線孔內緊配有呈中空的橡膠套管，套管的外端形成外錐面結構，從而便于套管穿入端蓋的引出線孔，套管的內端形成外凸緣，在套管的中空結構內端形成內錐面，引出線與套管的中空結構緊配。外凸緣可將套管限制在端蓋的引出線孔內以防止引出線從引出線孔內被拉出，在套管的中空結構內端形成內錐面，從而便于引出線穿入套管的中空結構內，便于裝配，以提高生產效率。定子立體結構示意如圖3所示。

3.2 風扇結構設計

    外轉子結構的電機制成的風扇，包括機殼，設置在機殼內的定子和設置在機殼開口端的端蓋，轉軸一端與機殼底部固定，轉軸的另一端穿過定子的軸孔后與端蓋旋轉支承，線圈繞組設置于定子上，定子包括定子鐵芯和與定子鐵芯注塑為一體的絕緣結構，絕緣結構對應于定子端部的軸孔周圍形成軸向延伸的弧形凸片，線路板內孔與定子絕緣結構上的弧形凸片外壁相配；絕緣結構上位于弧形凸片外圍形成至少三個軸向凸柱，凸柱端部形成定位臺階，線路板上形成與凸柱相配的定位孔，凸柱端部進入定位孔后，定位臺階與線路板的下端面接觸，通過對凸柱端部的熱鉚將凸柱與線路板之間軸向及圓周方向固定，使線路板與絕緣結構之間軸向固定和圓周方向固定，風葉直接與機殼外壁焊接固定在一起。將風扇的風葉直接焊接在作為外轉子的機殼外壁上，減少了風葉的二次安裝，從而大大簡化了風扇的結構，且結構非常緊湊。

4  工藝實施

    如圖1所示，外轉子結構的電機包括機殼21，設置在機殼21內的定子22和設置在機殼21開口端的端蓋23，端蓋23端部設有罩蓋37，在機殼內壁設置有一體結構的磁鋼35，端蓋底部中心固定有轉軸支架24，轉軸25一端與機殼底21底部的轉軸支架24固定；如圖3所示，定子鐵芯1包括中空柱狀部和六個沿柱狀部圓周呈輻射狀均勻分布的T型部2，定子鐵芯1除T型部2的外圓周部之外其余部位均被與定子鐵芯一體注塑的絕緣結構3整體包覆，T型部的外圓周部4裸露，絕緣結構3對應于T型結構的上端面和下端面分別形成徑向延伸的凸起部5，絕緣結構對應于相鄰兩個T型部之間的柱狀部外部形成軸向延伸的凸筋6。如圖3、圖4和圖5所示，絕緣結構3對應于定子端部的軸孔周圍形成軸向延伸并沿定子端部的軸孔圓周等間距分布的弧形凸片7，相鄰弧形凸片7之間形成缺口15，弧形凸片的外壁靠近弧形凸片的兩側邊緣設置分別形成有軸向加強筋9，線路板8的內孔10與定子絕緣結構上的弧形凸片7外壁相配，且在線路板內孔10的圓周上形成與加強筋9相配的凹槽11；絕緣結構3上位于弧形凸片7外圍形成三個軸向凸柱12，凸柱12端部形成定位臺階13，線路板8上形成與凸柱12相配的定位孔14，凸柱12端部進入定位孔14后，定位臺階13與線路板8的下端面接觸，通過對凸柱端部的熱鉚將凸柱12與線路板8之間軸向及圓周方向固定，使線路板8與絕緣結構3之間軸向固定和圓周方向固定。如圖1所示，定子22的絕緣結構中心軸孔26內嵌裝有圓筒狀的軸承支架27，軸承支架27與定子22之間圓周方向相對固定，在軸承支架27的端部形成三個徑向凸體28，徑向凸體27介于絕緣結構3的相鄰弧形凸片7之間的缺口15內。在每個徑向凸體27上設置軸向的螺紋孔29，端蓋23上設有與徑向凸體27上的螺紋孔29相應的沉孔30，三個螺釘31分別穿過沉孔30與徑向凸體27上的螺紋孔29配合將端蓋23與軸承支架27固定在一起。軸承支架27內緊配有與之同軸的第一軸承32和第二軸承33，第一軸承32和第二軸承33之間設置有兩個齒形墊片34，轉軸25與第一軸承32和第二軸承33的內圈緊配從而實現作為轉子的機殼與定子之間的旋轉配合，第二軸承32的外端設有軸用擋圈38。如圖1和圖6所示，絕緣結構3上固定有兩個間隔設置的電插片16，電插片16近中部形成可彎折的彎折部17，電插片16的上端形成插頭18，插頭18整體呈扁平的條狀，插頭18的插入端呈楔形，插頭18的根部靠近彎折部17的上側，電插片16位于插頭18根部以下部分寬度大于插頭的寬度且在插頭根部兩側形成臺階19，線圈繞組的兩個引出線20分別與其中一個電插片的彎折部17固定電連接；如圖1、圖4和圖5所示，線路板8上形成電插孔21，電插片16的插頭18與電插孔21插接形成電連接。如圖1、圖2和圖7所示，線路板上焊接有電源引出線39，端蓋23上設有引出線孔40，引出線孔40內緊配有呈中空的橡膠套管41，套管41的外端形成外錐面結構42，從而便于套管穿入端蓋23的引出線孔40，套管41的內端形成外凸緣43，外凸緣43可將套管41限制在端蓋23的引出線孔40內以防止引出線從引出線孔40內被拉出，在套管41的中空結構內端形成內錐面44，從而便于引出線39穿入套管41的中空結構內，便于裝配，以提高生產效率，引出線39與套管41的中空結構緊配。如圖1和圖2所示，采用本實施例外轉子結構的電機制成的風扇，其風葉36直接焊接固定在作為轉子的機殼21外壁上。

                                                  圖4

                                             圖5

                                                      圖6

                                               圖7

5  結束語

    設計通過改善外轉子式電機線圈繞組的散熱，大幅降低線圈繞組發熱對線路板的影響，延長了外轉子式電機的使用壽命并降低了報廢率，避免了線圈繞組銀線與線路板之間的焊接，便于電機的生產裝配，提高了生產效率等特點。本發明簡化了風扇的結構，縮小了風扇的體積。