CN100525021C - 空心电机 - Google Patents

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Abstract

本发明之目的是实现一种响应性、控制性良好，并且得到比供给线圈的驱动电力的大的旋转转矩，且强度大、容易装配并且能源效率高的小型空心电机。空心电机包括：壳体；环状的磁铁；多个通电用的线圈，具有上下的平坦部和至少一个其他部分；凸缘，在固定于旋转轴周围的线圈支座的下部设置；和圆环状的上侧加强板，安装在上侧的平坦部上，其中，空心电机包括固定在壳体内部的环状的线圈轭，多个线圈以沿着磁铁的圆周方向的方式安装到线圈支座上，两个平坦部为平坦的圆弧状，上侧的平坦部与磁铁的上表面相对，至少一个其他部分包括与磁铁的外周侧面相对的两个弯曲折回部，在下侧的平坦部的下方具有圆环状的下侧加强板，其被固定在线圈支座的凸缘的下方，被设置并固定在凸缘和下侧加强板之间的间隙中。

Description

空心电机
技术领域
本发明涉及一种适合作为精密仪器的动力用的空心电机。
背景技术
当前，精密仪器的执行机构使用的小型电机有线圈在磁铁周围旋转的空心电机，作为其优势可以列举：没有如带芯电机(带铁心电机)那样的反应转矩、整流火花少且电杂音小、转子惯性小从而响应性良好等。
然而，作为精密仪器的动力而使用的电机，响应性、控制性必须良好是自然的事情，而在具备多个电机的精密仪器中，要求各电机的消耗功率小、能源效率高。
但是，当前的空心型电机具有响应性、控制性良好的优点，而根据以下的理由，具有能源效率不够高的缺点。
当前，一般使用的空心电机的结构是使形成为圆筒形状的线圈在磁铁与线圈轭之间的间隙中旋转，而在与构成线圈的导线的方向呈直角的方向产生作用于前述线圈的旋转转矩，所以如果对于线圈的旋转圆周方向，构成线圈的导线的方向(绕线方向)呈直角，旋转转矩(旋转输出)对由具有这种结构的线圈形成的磁场的强度的比例上升，从而得到能源效率高的电机。
然而，形成为圆筒形状的线圈，构成同线圈的导线为使与线圈的高度方向平行，不回绕的某种程度的倾斜角度，因此，如果该倾斜角度变大，那么作用于磁铁的旋转转矩减少，能源效率低下。
因此，这种电机中如果减小轴方向的长度，线圈的绕线方向与线圈的轴方向形成的角度变大，因此能源效率更低下，阻碍实现小型并且高效率的电机。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有优良的响应性、控制性，并且可以得到比提供给线圈的驱动电力大的旋转转矩，此外，在强度大时容易组装的能源效率高且小型的空心电机。
为了实现上述目的，本发明的技术方案1所涉及的空心电机，包括：壳体(1)；环状的固定的磁铁(5)；多个通电用的线圈(8)，该线圈(8)被设置为通过向该线圈(8)通电而与旋转轴(4)同时旋转，各线圈(8)具有上下的平坦部(8a、8b)、和至少一个其他部分，下侧的平坦部(8b)与所述磁铁(5)的下表面相对，所述线圈(8)的所述其他部分与所述磁铁(5)的外周侧面相对，通过导线从导线的一端(8e)到另一端(8f)构成各线圈(8)，所述导线成为连续中空状；薄板状的凸缘(9a)，在固定于所述旋转轴(4)周围的线圈支座(9)的下部设置，通过在该凸缘(9a)上固定各线圈(8)的下侧的平坦部(8b)，将所述多个线圈(8)安装到所述线圈支座(9)上；和圆环状的上侧加强板(15)，安装在各线圈(8)的上侧的平坦部(8a)上，所述空心电机的特征在于，所述空心电机包括固定在壳体(1)内部的环状的线圈轭(7)，所述多个线圈(8)以沿着所述磁铁(5)的圆周方向的方式安装到所述线圈支座(9)上，各线圈(8)的两个平坦部(8a、8b)为平坦的圆弧状，上侧的平坦部(8a)与所述磁铁(5)的上表面相对，各线圈(8)的所述至少一个其他部分包括与所述磁铁(5)的所述外周侧面相对的两个弯曲折回部(8c、8d)，所述空心电机在所述线圈(8)的下侧的平坦部(8b)的下方具有圆环状的下侧加强板(10)，该下侧加强板(10)被固定在线圈支座的凸缘(9a)的下方，各线圈的所述下侧平坦部(8b)被设置并固定在所述凸缘(9a)和所述下侧加强板(10)之间的间隙中。
本发明的技术方案2所涉及的空心电机，所述下侧加强板(10)与线圈支座的凸缘(9a)分隔开，并经由垫圈(11)与所述凸缘(9a)平行，该垫圈(11)的厚度与一个所述线圈(8)的所述下侧平坦部(8b)的厚度相等，所述间隙通过所述垫圈(11)形成。
本发明的技术方案3所涉及的空心电机，所述上侧加强板(15)由具有导电性的材料构成，各线圈(8)的一端与该上侧加强板(15)连接，该线圈(8)的另一端与设置在线圈支座(9)下方的旋转轴(4)周围的换向器(12)连接。
本发明的技术方案4所涉及的空心电机，所述磁铁(5)沿半径方向被四极磁化，并在所述旋转轴(4)周围具备有三个所述线圈(8)，并且，固定在旋转轴(4)周围的换向器(12)采用六部分，对应于该换向器(12)，接触所述换向器(12)的两个电刷(14)设置在互成90°的位置。
本发明的技术方案5所涉及的空心电机，所述磁铁(5)沿直径方向被二极磁化，并在所述旋转轴(4)周围具备有三个所述线圈(8)，并且，固定在旋转轴(4)周围的换向器(12)采用三部分，对应于该换向器(12)，两个电刷设置在互相平行的位置。
本发明的技术方案6所涉及的空心电机，所述磁铁(5)被固定在环状的磁铁支座(6)的外周，并且在磁铁支座的上部具备有用于保持轴承(3)的筒状部(6a)，该筒状部(6a)嵌入并固定于在壳体(1)的顶板部(1a)中央形成的轮毂(2)内，并且所述旋转轴(4)借助于在筒状部(6a)内设置的轴承(3)保持能够旋转。
本发明的技术方案7所涉及的空心电机，所述磁铁支座(6)的下表面侧形成凹陷部(6b)，并构成为使线圈支座(9)的上部接近该凹陷部(6b)。
本发明的技术方案8所涉及的空心电机，所述磁铁(5)由把沿各自半径方向被磁化的四个圆弧状磁铁(18)呈环状排列而构成。
附图说明
图1是表示本发明涉及的电机的实施例的纵断面图。
图2是表示本发明涉及的电机的实施例的横断面图。
图3是线圈的透视图。
图4是表示第1实施例中换向器与电刷的关系的结构图。
图5是第1实施例中线圈的通电时序图。
图6是线圈轭的分解透视图。
图7是表示第2实施例中换向器与电刷的关系的结构图。
图8是第2实施例中线圈的通电时序图。
图9是由四个圆弧形状的磁铁构成磁铁时的磁铁的俯视图。
具体实施方式
下面根据附图所表示的具体例对本发明涉及的空心电机的实施例进行说明。
壳体1形成下部开口的圆筒形状，在该壳体的顶板部1a中央具有上下开口的圆筒形状轮毂2，在该轮毂内，与旋转轴同心的环状的磁铁5嵌入到外周具备磁铁支座6的圆筒部6a，该磁铁支座的中央纵孔内容纳上下两列的轴承3、3，通过该轴承可旋转地支承旋转轴4。
前述各磁铁5是沿半径方向例如被四极磁化的磁铁，磁铁5的上下表面和外周侧面与设置在前述壳体1的内周面的线圈轭7的内周面隔适宜的间隙而相对，在该间隙中设置与磁铁和线圈轭不接触的通电用线圈8、8。
如图3所示，上述各线圈8具有与前述磁铁5的上下表面相对的上下的平坦部8a、8b，与磁铁的外周侧面相对的弯曲折回部8c、8d，上述平坦部8a、8b的平面形状被构成为圆弧形状，从导线的一端8e到另一端8f缠绕形成连续中空形状，多个(图2是三个)线圈在前述磁铁的圆周方向并排设置，各自的平坦部的绕线部分与磁铁的上下表面相对，弯曲折回部的绕线部分与磁铁的外周侧面相对。
然而，上述各线圈8的内表面作成仿效磁铁5的上下表面与外周侧面的形状，因此线圈与磁铁互相符合的部分的距离是一定的。
此外，上述线圈8、8的下侧的平坦部8b被夹持于在固定于前述旋转轴4周围的大体是圆板形状的线圈支座9的下部形成的凸缘9a的下表面和下侧加强板10之间，更详细而言，下侧加强板10经由垫圈11安装在凸缘9a上，线圈的下侧平坦部8b嵌入下侧加强板与凸缘之间的间隙中，用粘合剂等固定。
此外，在线圈8、8安装于线圈支座时，通过使前述垫圈11与线圈边缘部抵接，可以校准线圈的位置，具有在电机的制作时可预期提高加工性的优点。
上述线圈支座9的上部，面对着在前述磁铁支座6的下面侧形成的凹陷部6b内，通过策划，可以减小电机的轴方向的高度(厚度)。
此外，圆环形状的上侧加强板15通过粘合被安装在线圈上侧的平坦部8a的上表面，该上侧加强板由具有导电性的金属板构成，如图2所示形成外围部的三个接线用的突起15a，各线圈的一端连接该突起，从而线圈之间可以电连接。
此外，上述接线用突起具有夹住线圈的导线的凹陷部，通过该凹陷部夹住导线可以容易焊接。
此外，在前述线圈支座9的中央部下方的旋转轴周围设置换向器12，该换向器与构成前述线圈的导线的两个端部中，没有与前述上侧加强板15连接的端部连接，可以与封堵壳体1的开口下部的，兼作电刷台的盖板13上的电刷14接触。
如图4所示，上述换向器12具有六段，相对的两个端子与同一个线圈的一端连通，前述电刷14设置在相对于该换向器的端子互相形成90°的位置，因此，两个电刷分别与换向器的六个端子中每两个端子导通。因此，对于三个线圈的通电时序图如图5所示。
此外，在图4、5中为了区别三个线圈，各线圈标注A、B、C，各线圈的各自导通端子标注a、b、c，表示端子与线圈的对应关系。此外，图4中的符号12a是使相对设置的端子彼此导通的导通电路，如图4中粗线所示，实际上由设置在换向器的接线板上的金属板或被覆导线构成。
然而，前述线圈轭7的平面形状是环状，内表面是从半径方向外侧开始包围磁铁5的外周侧面和上下表面，朝向该外周侧面和上下表面的凹面形状，如图6所示由上半部件7a和下半部件7b构成。
上述线圈轭7，上半部件7a和下半部件7b是通过对例如铁等磁性材料进行冲压加工而成形。此外，有时上半部件7a与壳体1由同一材料一体成形。
在上述构成的电机中，通过从电刷14与换向器12对线圈8、8通电，对于线圈产生轴周围的旋转驱动力，对作为输出轴的旋转轴4与线圈8、8和线圈支座9一起进行旋转驱动。
然而，在上述本发明的电机中，构成线圈的导线对于线圈的旋转方向大体呈直角，并且线圈8不仅包围磁铁5的外周侧面，也包围上表面和下表面，此外，线圈轭7不仅包围线圈的外周侧面，也包围上表面和下表面，所以，从磁铁辐射的磁通量几乎都导入线圈轭，对于担当电机输出的旋转轴4的旋转驱动转矩所消耗的驱动电力变小，因此，可以得到利用低电力可以驱动的能源效率极佳的电机。
下面，对组装上述实施例的电机时的工序进行说明。
首先，把下侧加强板10通过垫圈11安装在线圈支座9的凸缘9a上，把旋转轴4压入线圈支座9的中央纵孔并固定，把换向器12安装在旋转轴4上。
然后，在线圈支座9更上侧的旋转轴4的周围，按顺序嵌入并固定下侧的轴承3、磁铁支座6、和上侧的轴承3。此外，预先在磁铁支座6的周围安装的磁铁5。
然后，在前述凸缘9a与下侧加强板10之间嵌入线圈8、8的下侧平坦部8b，并由粘合剂固定，把上侧加强板15粘合固定在线圈的上侧平坦部8a上，构成各线圈的导线的一端连接在上侧加强板，另一端连接换向器的端子。
然后，把线圈轭7的上半部件7a安装在壳体1内部，把磁铁支座6的圆筒部6a嵌入并固定在壳体的圆筒状轮毂2内，再安装线圈轭7的下半部件7b，壳体的开口下部塞入兼作电刷台的盖板13，从而电机完成。
在上述第1实施例的电机中，磁铁5是被四极磁化的磁铁，也可以是沿直径方向被两极磁化的磁铁，经策划，与被四极磁化的磁铁相比某些转矩常量等的输出性能低下，而具有输出性能比以往规格程度相同的电机良好，并且磁铁的部件成本便宜的优点。
上述磁铁是被两极磁化的磁铁时，如图7所示，换向器16采用三段，两个电刷17、17设置为互相平行，通电时序图如图8所示。
研究上述构成的本发明的空心电机的被四极磁化(实施例1)与被二极磁化(实施例2)各自的特性，得到下表1的结果。
此外，下表1中，尺寸栏的φ表示壳体的直径，L表示壳体的高度。
[表1]
 
第1实施例 第2实施例
尺寸φ—L(mm) φ41—17 φ41—17
体积(mm<sup>3</sup>) 22433 22433
额定电压(V) 12 12
起动电流(mA) 1065 960
空载旋转数(r pm) 2300 3270
空载电流(mA) 4 4.8
起动转矩(mNm) 53.2 33.2
转矩常数(mNm/A) 50.1 34.8
最大输出(W) 3.17 2.85
最大效率(％) 88 86.3
机械的时间常数(ms) 12 28
如上表1所示，本发明涉及的第1实施例和第2实施例的电机任何一个的起动转矩、转矩常数优良，特别是最大效率高。
上述第1实施例采用沿半径方向被四极磁化的环状的磁铁5，如图9所示，有时由四个圆弧形状的磁铁18、18在圆周方向并列构成一个环状磁铁。
上述各圆弧状磁体18，沿各自半径方向被磁化，制造磁力强各向异性磁铁时，可以比制造环状的径向各向异性磁铁时降低制造成本。因此，具有可以缩减电机部件成本中磁铁的部件成本这一大的优点。
此外，一般称空心电机是高价的，是由于磁铁中必须使用磁力强的高价的部件，所述可以降低磁铁部件成本的优点，成为实现空心电机的低成本化的重要的一点。
如上述的实施例，本发明涉及的空心电机中，空心电机具备线向圈通电用的电刷，而上述第1实施例中电机的旋转控制的方法也可以应用于磁铁旋转型的无电刷电机。即，在具备有三个线圈和四极径向被磁化的磁铁的无电刷电机中，可以利用电子电路代替第1实施例的换向器与电刷，进行与如图5所示的通电时序图相同的通电控制，具体而言，利用沿磁铁的旋转轨道间隔60°或者120°设置的三个霍耳传感器来检测磁铁的旋转位置，根据来自霍耳传感器的信号进行通电控制。
本发明涉及的电机，由于线圈构成包围磁铁的外周侧面和上下表面的形状，所以来自磁铁的磁通量几乎都导入线圈轭，对于担当电机输出的旋转轴的旋转驱动转矩所消耗的驱动电力变小，因此，可以得到利用低电力可以驱动的能源效率良好的电机。
此外，上述线圈具有平面形状形成圆弧状的绕线部分，和与磁铁的外周侧面相对的绕线部分，由于从构成该绕线部分的导线的一端到另一端构成连续中空状，构成线圈的导线的大部分对于磁铁的圆周方向即线圈的旋转方向呈直角，因此，可以有效利用来自磁铁的磁通，从而得到能源效率良好的电机。
此外，由于线圈的上侧平坦部通过上侧加强板，下侧平坦部通过线圈支座的凸缘和下侧加强板，各自中央部被维持、固定，所以即使伴随线圈的旋转有离心力也能得到充分的强度，可以降低线圈在旋转时变形的危险，使电机的可靠性提高。
此外，由于前述线圈轭的内表面具有仿效线圈的外周侧面与上下表面的形状，所以来自磁铁的磁通有效地导入线圈轭，磁阻小从而几乎没有不均匀旋转，可以得到极平滑并且稳定的旋转输出。
此外，磁铁由圆弧状的磁铁构成，可以谦价地得到具有强磁力的磁铁，实现电机的低成本化。

Claims (8)

1.一种空心电机，包括：
壳体(1)；
环状的固定的磁铁(5)；
多个通电用的线圈(8)，该线圈(8)被设置为通过向该线圈(8)通电而与旋转轴(4)同时旋转，各线圈(8)具有上下的平坦部(8a、8b)、和至少一个其他部分，下侧的平坦部(8b)与所述磁铁(5)的下表面相对，所述线圈(8)的所述其他部分与所述磁铁(5)的外周侧面相对，通过导线从导线的一端(8e)到另一端(8f)构成各线圈(8)，所述导线成为连续中空状；
薄板状的凸缘(9a)，在固定于所述旋转轴(4)周围的线圈支座(9)的下部设置，通过在该凸缘(9a)上固定各线圈(8)的下侧的平坦部(8b)，将所述多个线圈(8)安装到所述线圈支座(9)上；和
圆环状的上侧加强板(15)，安装在各线圈(8)的上侧的平坦部(8a)上，
所述空心电机的特征在于，
所述空心电机包括固定在壳体(1)内部的环状的线圈轭(7)，
所述多个线圈(8)以沿着所述磁铁(5)的圆周方向的方式安装到所述线圈支座(9)上，
各线圈(8)的两个平坦部(8a、8b)为平坦的圆弧状，上侧的平坦部(8a)与所述磁铁(5)的上表面相对，
各线圈(8)的所述至少一个其他部分包括与所述磁铁(5)的所述外周侧面相对的两个弯曲折回部(8c、8d)，
所述空心电机在所述线圈(8)的下侧的平坦部(8b)的下方具有圆环状的下侧加强板(10)，该下侧加强板(10)被固定在线圈支座的凸缘(9a)的下方，各线圈的所述下侧平坦部(8b)被设置并固定在所述凸缘(9a)和所述下侧加强板(10)之间的间隙中。
2.根据权利要求1所述的空心电机，其中，
所述下侧加强板(10)与线圈支座的凸缘(9a)分隔开，并经由垫圈(11)与所述凸缘(9a)平行，该垫圈(11)的厚度与一个所述线圈(8)的所述下侧平坦部(8b)的厚度相等，所述间隙通过所述垫圈(11)形成。
3.根据权利要求1或2所述的空心电机，其中，
所述上侧加强板(15)由具有导电性的材料构成，各线圈(8)的一端与该上侧加强板(15)连接，该线圈(8)的另一端与设置在线圈支座(9)下方的旋转轴(4)周围的换向器(12)连接。
4.根据权利要求1或2所述的空心电机，其中，
所述磁铁(5)沿半径方向被四极磁化，并在所述旋转轴(4)周围具备有三个所述线圈(8)，
并且，固定在旋转轴(4)周围的换向器(12)采用六部分，对应于该换向器(12)，接触所述换向器(12)的两个电刷(14)设置在互成90°的位置。
5.根据权利要求1或2所述的空心电机，其中，
所述磁铁(5)沿直径方向被二极磁化，并在所述旋转轴(4)周围具备有三个所述线圈(8)，
并且，固定在旋转轴(4)周围的换向器(12)采用三部分，对应于该换向器(12)，两个电刷设置在互相平行的位置。
6.根据权利要求1或2所述的空心电机，其中，
所述磁铁(5)被固定在环状的磁铁支座(6)的外周，并且在磁铁支座的上部具备有用于保持轴承(3)的筒状部(6a)，该筒状部(6a)嵌入并固定于在壳体(1)的顶板部(1a)中央形成的轮毂(2)内，并且所述旋转轴(4)借助于在筒状部(6a)内设置的轴承(3)保持能够旋转。
7.根据权利要求6所述的空心电机，其中，
所述磁铁支座(6)的下表面侧形成凹陷部(6b)，并构成为使线圈支座(9)的上部接近该凹陷部(6b)。
8.根据权利要求1或2所述的空心电机，其中，
所述磁铁(5)由把沿各自半径方向被磁化的四个圆弧状磁铁(18)呈环状排列而构成。
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