CN101026323A - 不对称磁场的2/2极磁阻电机 - Google Patents

Abstract

一种两相2/2极磁阻振动电机的构造。定子中线圈的一端与换向片连接，另一端与电源的一个极连接，电刷与电源的另一个电极相连；转子由偏心永磁体和轴套组成，定子由直列于固定轴两侧的线圈组成，转子借助转子轴套套在固定轴上旋转；固定轴既不与转子的质心重合，也不在转子磁极连线上，从而构成偏心振子；单刷换向器为这种偏心转子提供启转力矩和稳定运转力矩。配平转子的重心后，同样的电机构造也可以用于普通动力电机；同样的单刷换向器也可以用于电枢式转子的磁阻电机，和替代普通磁阻电机的转子位置传感器，直接驱动大功率换向电路。本电机构造对于多极磁阻电机也可以应用。

Description

不对称磁场的2/2极磁阻电机

技术领域

本发明涉及一种不对称磁场下的永磁转子直流电机的构造，尤其是扁平微型振动电机。

背景技术

目前扁平微型振动电机的结构有两种，一种带换向器，一种是不带换向器，依靠外置换向电路对线圈换向。

微型振动电机应用在移动电话或其他个人随身电子信息产品上，并且一般使用电池作为电源，因此要求微型电机一方面耗电省，尺寸小，重量轻，另一方面又要求必须达到应用目的：具有足够的振动力度。目前以线圈作为转子的扁平振动电机在振动力度上已经基本上达到了极限，复杂的制作工艺也使得电机成本难以降低。

普通永磁转子直流电机都是绕组固定，永磁体旋转，并在换向电路支持下工作的无刷形式。换向电路采用转子位置检测装置，来判断针对关键线圈电流的通断时刻，并根据该线圈与其他线圈的相位关系进行相位运算，同时推算出所有线圈的电流通断时刻。永磁转子直流电机虽然具有效率高，结构简单，启转电流小等突出的优越性，但一般永磁转子直流电机通常要与换向电路结合在一起才可以使用，这对调速应用是很自然的，但对一些负载固定和对转速稳定要求不高的应用，复杂而成本较高的换向电路却是显得多余。这就对推广机电效率较高的永磁转子直流电机带来成本顾虑。

现有两极直流电机，即2/2极具有永磁定子的直流电机，是一种转子和定子都是仅有两个磁极的电机。通常由于这种电机的电刷式换向器在特定位置处转子没有启转力矩，启转力矩方向不确定，以及换向瞬间有电源短路现象而缺乏实际应用价值，但这种电机具有电机结构简单，力矩大和转速高的特点。只要解决其固有的问题，并结合永磁转子直流电机的特点，就可以在电机应用方面开创一个新的领域。

发明内容

本发明提供一种构造具有单刷换向器和偏心永磁转子的扁平直流微型振动电机和非振动电机的方法，以及适配这种电机的单刷换向器，并以不对称磁场下2/2极永磁转子直流电机的有刷驱动方案为例，由此提出一般永磁转子直流电机的有刷驱动方案。

本发明的技术方案为：对于2/2极永磁转子直流电机来说，采用相对于转轴偏心的转子或定子磁场，以获取电机在任何相位的启转力矩，如果是振动电机，转子的质心也同时偏转；单刷换向器为定子绕组线圈根据转子位置提供电流通断操作；振动电机优选轴向气隙，动力电机可任选轴向和径向气隙。

本发明的有益效果是，作为两极电机的本发明优选实施例，合理地利用了两极电机的特点，以永磁转子磁极偏心求得启动力矩并兼得振子效果，启转无死点，起动电流小，换向过程无短路现象。

单刷换向器结构简单可靠，可直接替代转子位置传感器。如果使单刷换向器与功率开关电路的控制端连接，直接控制功率开关电路的功率输出端对绕组线圈进行电流通断的操作，对于普通永磁转子直流电机来说，既可以替代转子位置探测电路，也可以避免电刷因切换大电流而造成的电火花产生的电磁辐射和对电刷表面的烧蚀，从而使结构简单的电刷能够在永磁转子直流电机上得以应用，并且使电刷的寿命大大提高。

如果保持转子两个磁极中心连线与转轴不正交但重心在转轴上，或者使重心关于转轴平衡的线圈作为转子，偏心的磁极作为定子，可以使两极电机具有自启动能力，因而使两极电机力矩大、转速高的特点在实际应用中前景更加广泛。

作为扁平微型永磁振动电机，以永磁体作为转子既可以在转子偏心度上具有较大调整自由度，又使得处于轴向的磁气隙，因省去了线圈托板而更小且稳定；

根据电机技术构造和特点，这种电机的命名应该为：具有永磁转子或定子的、采用单刷换向的不对称磁场的2/2极永磁直流电机。由于这种命名结果难以简练全面地概括表述这种电机与现有其它电机种类的区别，因此这种电机将以发明人姓氏命名为：冯氏电机及振动电机。

附图说明

下面结合附图和一个优选实施例对本发明进一步说明。

图1是所述本发明第一优选实施例的微型振动电机的示意图；

图2A是所述第一实施例的电机电路示意图；

图2B是所述第一实施例的电机电路的另一实施例方案的示意图；

图3A～F是所述第一实施例电机运转状态与换向器换向相位的对应关系；

图4是所述第一实施例电机在换向器作用下两个定子线圈的磁极相序图；

图5是所述第二实施例的微型振动电机的示意图；

图6是所述第三实施例的微型振动电机的示意图；

图7是一种用于径向气隙的偏心永磁转子振动电机的局部示意图；

图8是一种转子质心配平，磁极偏心的转子方案示意图；

图9是一种定子线圈偏置，转子磁极和质心对称的电机的示意图；

图10是一种定子磁极偏置，转子绕组和质心关于转轴对称，并具有轴向气隙的电机构造底视示意图；

图中，1.永磁偏心转子，2.定子，3.换向器，4.固定轴，5.轴承，6.电机外壳，10.永磁体，11.偏心杆，12.转子轴套，13.电刷座，14.径向气隙偏心转子，15.非偏心转子，20.粒状铁心，21.线圈1，22.线圈2，23.成型铁心，24.定子副极，30.电刷，31.换向片，32.电刷环，33.刷环电刷，34.刷环电刷座，41转轴，50.轴座垫片，51.上轴座，52.下轴座，60.电机底板，61.电机上盖，210.线圈1的中心抽头端b，211.线圈1的起始端a，212.线圈1的末尾端c，213.线圈1的N1极线圈，214.线圈1的S1极线圈，220.线圈2的中心抽头端b，221.线圈2的起始端a，222.线圈2的末尾端c，223.线圈2的N1极线圈，224.线圈2的S2极线圈。

具体实施方式

图1所示是本发明第一优选实施例的一种直流微型振动电机的构造图。该电机取定子无铁心两相线圈直列，转子两极偏心永磁体形式。

永磁偏心转子(1)处于定子线圈1(21)和2(22)的轴向一侧，并由下轴座(52)托持使转子(1)与定子线圈(2)之间在轴向保持极小的磁气隙。定子线圈1(21)和2(22)是空心的，两线圈(21)和(22)轴线与固定轴平行，两定子线圈的轴心之间的连线与固定轴(4)轴线正交。定子线圈1(21)和定子线圈2(22)粘接固定在电机底板(60)上。固定轴(4)一端固定在电机底板(60)的下轴座(52)上，另一端插入电机上盖(60)的上轴座(51)上。

永磁偏心转子(1)可以具有多种形式。图1中所示是一种永磁偏心转子(1)的优选实施例。图中永磁偏心转子(1)的永磁体磁极(10)相对于固定轴(4)有一个磁极偏心距(11)。弧状的偏心永磁体(10)其磁极位于弧型的两端处，并在轴向方向上充磁。两磁极对轴心的夹角为120°。偏心杆一头连接弧状永磁体(10)，另一头连接轴套(12)。轴套(12)套在固定轴(4)上，使永磁偏心转子(1)相对于固定轴(4)和定子线圈(2)转动。轴座垫片(50)将转子轴套(12)与两个轴座(51)和(52)隔离开来，并缓冲来自转子轴套的轴向振动力，降低轴承振动并进行润滑。

换向器(3)套在固定轴上，并固定在定子线圈1(21)和定子线圈2(22)之间的中心位置处，处于永磁偏心转子(1)的轴套(12)穿过下方，套在永磁偏心转子(1)轴套中的固定轴(4)从其中间的孔中穿过换向器(3)与下轴座(52)接触。电刷(30)固定在永磁偏心转子(1)的偏心杆(11)上，触点在其自身弹性作用下压在换向器(3)的换向片上。

作为偏心距的杆状部分(11)的杆体可用非磁性材料制成。实际的永磁偏心转子(1)可采用环氧树脂密封钕铁硼磁条、电刷(30)或电刷座(13)和铜制轴套(12)的方法制造，以使永磁体(10)、偏心杆(11)、电刷(30)或电刷座(13)和轴套(12)以经济的成本构成一体。

定子线圈1(21)和定子线圈2(22)分别具有线圈起始端a(211)、d(221)，以及中心抽头端b(210)和e(220)和末尾端c(212)和f(222)。其中，对于定子线圈(2)来说，如果电流从中心抽头b(210)和e(220)流入，分别由a(211)和d(221)流出，则定子线圈(2)就对永磁转子(1)表现出S极，而电流分别从c(212)和f(222)流出，则定子线圈(2)就对永磁转子(1)表现出N极。

实际的情况也就是如此。每个线圈的中心抽头都被固定地与电源的一个电极，比如电源正极连接在一起了，如果希望定子线圈1(21)表现为N极，则将电流导入由中心抽头b(210)和末尾点c(212)组成的N1极线圈(213)，反之，则将电流导入由中心抽头b(220)和起始点a(211)组成的S1极线圈(214)。

同理对于定子线圈2(22)也有对应的N2极线圈(223)和S2极线圈(224)。

为避免定子线圈1(21)在N极和S极上的性能表现不一致，N1线圈(213)和S1线圈(214)可以在工艺上采用双线同时同向缠绕的方法制作，并将由此构成的双线线圈的一个起始端和另一个的末尾端相连，构成一个中心抽头b(210)，与电源的一个电极，比如电源的正极连接。

由于每个双线绕制的线圈的线头都已经固定连接在换向器(3)上的对应换向片(31)上，而另一端固定连接在电源的正极上，因此可以保证每个线圈里的电流是按照预先规定的方向流动的。

如图2A所示，本发明优选实施例的电机电路为：所有定子线圈的中心抽头端b(210)和e(220)均与直流电源正相连，所有起始端a(211)、d(221)和末尾端c(212)和f(222)均按换流相位角与换向器(3)的对应换向片(31)相连；电刷(30)一端与换向器(3)滑动接触，另一端与作为电导体的偏心杆(11)的电刷座(13)相连；永磁偏心转子(1)的偏心杆(11)经过轴套(12)与固定轴(4)以滑动轴承的方式接触配合，最终与直流电源的负极构成电路连接。

当电机运转时，电流从电源正极→线圈中心抽头端b(210)或e(220)→线圈起始端a(211)、d(221)或末尾端c(212)、f(222)→换向片(31)→电刷(30)→电刷座(13)→偏心杆(11)→转子轴套(12)→固定轴(4)→轴座(6)→电源负极。

由于电刷(30)在固定于转子上的电刷座(13)的带动下，相对于换向器(3)转动，使N1、S1、N2和S2极线圈分别按相序接通和断开，形成对转子的定向转矩。

图2B示例了本发明的另一种电机电路实施例方案。该实施例是在上述电路回路中，将电刷座(13)与偏心杆(11)绝缘，并与另行安装的一个电刷环(32)进行电路连接。刷环电刷(33)保持与电刷环(32)处于持续电接触，并固定在刷环电刷座(34)上，将刷环电刷座(34)与电源负极连接。本电路所代表的实施例方案可见图5描述。

图2仅例举了单刷换向器的换向片直接驱动绕组线圈的形式，这在通常情况下会带来换向火花。如果换向片与一个功率开关电路的控制端，比如一个达林顿功率三极管的基极连接，线圈连接在该达林顿管的发射极，则换向火花将不再存在，而且换向器可以在很小的电压和电流下工作，工作寿命大大增强。

图3A～F描述了本发明所述第一实施例的电机在运转中转角与换向器(3)的相位对应关系。图3A～F中为了明显和易于说明问题，将S线圈和N线圈作为内外线圈来处理。其中外线圈在通电状态下分别为N1或N2线圈，内线圈在通电状态下分别为S1或S2线圈。

图3A表示在转角为0°时，电刷(30)处于线圈1(21)磁极换向瞬间。此时线圈2的S2线圈被接通。永磁偏心转子(1)的S极被线圈2(22)的S极磁性所排斥，转子(1)偏转使其S极偏离线圈2中心位置以寻求最小磁阻状态而形成对转子(1)的顺时针转动力矩。

线圈1(21)的N1极线圈(213)和S1线圈(214)在此瞬间被同时接通，线圈1(21)的磁性被抵消，而在此前仅S1线圈(214)被接通，之后是N1线圈(213)被接通，分别连续地对转子(1)的N极构成顺时针驱动力矩。

图3B表示当转子(1)偏转到60°时，电刷处于换向器(3)上使线圈1(21)的N1线圈(223)接通的位置。此前转子(1)的两极先是N极被线圈1(21)的N1极线圈(213)所排斥，然后是转子的S极被线圈1(21)的N1极线圈(213)所吸引。转子在转到60°的时刻时，在前后个各60°的120°转角范围内，具有相对稳定的顺时针驱动力矩的作用，此时一个线圈的正常工作电流同时对转子(1)两个磁极都具有较强的作用力，直到转子的S极到达线圈1(21)的中心位置。

由于本实施例是针对2/2极直流电机，因此当转子的一个磁极相对某个线圈的角距接近或超过90°时，则该线圈对转子(1)该磁极的作用力和力臂都将迅速减小，但该线圈对这个转子磁极的电流分量在感生电动势减小的趋势下，反而变得迅速增大，可以肯定此时电机在这一因素的作用下，机电效率具有降低的趋势。

为了避免这个现象，提高本发明优选实施例的机电效率，本实施例选择60°作为线圈与转子磁极的作用范围。也就是说，当转子的一个磁极距某线圈的角距超过60°时，换向器将切断该线圈对该转子磁极的作用电流。

图3C表现了当转子(1)偏转到120°时，转子的S极与线圈1(21)的中心位置重合，线圈1处于换向瞬间。而此时转子的N极开始被线圈2(22)的S2线圈(224)所吸引，使换向瞬间转子所受到的驱动力矩连续不断。

实际上，在本实施例的任何一个换向瞬间，以及任何一个转角位置，转子(1)所受到的驱动力矩都不曾中断过。

图3D表示当转子偏转到180°时，转子的N极与线圈2(22)的中心位置重合。当线圈2(22)的换向过程结束前，转子的S极受线圈1(21)的S1线圈(213)的作用，继续产生顺时针转动力矩。当线圈2(22)换向结束后，转子已转过线圈2(22)的中心位置，重新对线圈2(22)具有力臂。此时线圈2(22)的N2极线圈(223)对转子的N极产生顺时针转矩，而线圈1的S极线圈(214)在线圈2(22)换向结束时，就被切断了电流，失去了对转子S极的作用。

以下图3E和F将基本重复上述已阐述的原理过程，恕不缀述。

总之，所述本发明第一实施例的微型振动电机，是以120°转子磁极夹角，60°作用范围确定本方案的换向器(3)的换向相位关系的。由于该两个角度互为补角，因此换向器具有换向片(31)分布对称，启动没有死点，也没有换向短路现象，更不需要通常永磁转子直流电机需要的初始启转位置定位装置的特点。

图4是对应图3A～F各位置的定子磁极换向相序图。图中标示字母的部分，为定子线圈(2)上对应的线头通电的时段，与在图3A～F中换向片(31)上注明的字母具有相同意义。

图5示例了本发明第二实施例的微型振动电机示意图。其中电机构造的变化部分是将换向器(3)安装到电极上盖(61)中心处，上轴座(51)位于换向器(3)的中心处。电刷(30)也移到了转子的背部偏心杆(11)处，并和刷环电刷(33)一起固定在电刷座(13)与刷环电刷座(34)合并的组合刷座上。同理，电刷环(32)也和换向器(3)合并了。

图5中还描述了本发明第二实施例所述电机的另一种定子实施方案，是在上述微型永磁振动电机结构中，在两个定子线圈1(21)和2(22)的线圈中空部分嵌入了粒状铁心(20)。

图6示例了所述本发明第三实施例的微型电机示意图。该方案的独特的之处是其铁心装置。该型铁心可以提高对转子的作用效率，是电机的径向尺寸更小。

图7是一种采用径向气隙的偏心转子的振动电机的局部示意图。该偏心转子采用的是相对于铁心的外径向气隙的形式或是类杯状转子形式。

从图6和图7中转子与转轴固定连接的形式以及转轴可以伸出机壳之外这些特殊的应用形式，还预示着，如果将转子的重心配平于转轴并保持转子磁极偏心，本发明所述微型电机形式一样可以作为没有振动特性的拖动动力电机应用。

图8是一个配平转子重心于转轴之上的转子方案。该转子两磁极中心连线与转轴不相交。这是一个2/2机永磁转子直流电机用于动力拖动，既非振动应用时的转子形式。转子因此而具有与偏心转子一样的启转力矩，但并不会产生振动。

由于磁型材料的昂贵，像图8那样用永磁材料对转子进行配平会有成本方面的顾虑，因此可以采用其他材料制作配平部分，但又要多出一个平衡检测和校准的工序。

图9是一个定子绕组偏置的电机方案。该方案的定子绕组所产生的两个磁极中心的连线，与转轴不相交，但转子的两个磁极中心的连线与转轴正交，且转子的质心在转轴上。

图9方案是图8所示转子方案的一种改进。启转力矩仍然存在，但转子却无需再进行配平。

图10是一种定子磁极偏置，而转子电枢结构对称的普通2/2极电机示意图。该电机的启转力矩依然存在，而且只要配备了单刷换向器，换向瞬间就不会有电源短路的现象。

结合图8方案，并与图10所示方案类似地，还可以有转子电枢所产生的磁极偏置而定子两个磁极中心连线与转轴正交的方案。即将转子电枢制作成如图8所示的磁极分布结构，其效果如同一个普通三槽直流电机的转子，并将其一个凸极绕组断路以作为配重。

采用单刷换向器，该转子电枢依然可以启动运转。如果用于振动应用，将作为配重的凸极去掉即可。

本发明将开拓2/2极直流电机的应用前景，尤其是在微型电机领域。本发明提供的微型振动电机方案，对常规交流异步振动电机领域也是一个冲击。单刷换向器对于降低永磁转子直流电机的成本具有现实意义。

Claims (3)

1.一种2/2极直流永磁电机，具有2极绕组定子和2极转子，其特征在于：

a.当转子为永磁转子时，转轴不与下列连线之一正交：

转子的两个磁极中心的连线；

定子的两个磁极中心的连线；

b.当转子为绕组电枢转子时，转轴不与定子的两个磁极中心的连线正交。

2.如权利要求1所述的2/2极直流永磁电机，当其转子为永磁转子的形式时，其特征为：

采用单刷换向器对定子线圈进行换向；

3.如权利要求1所示的2/2极直流永磁电机，具有作用于转子和定子的非对称的磁场，其特征为：

a.当转子的一个磁极和定子的一个磁极对正时，转子的另一个磁极与定子的另一个磁极处于未对正状态；

b.定子和转子间对正的磁极产生排斥力，未对正的磁极间产生的作用力，使转子与定子的作用力矩方向始终保持与电机电源极性的相关性。

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