CN101529700B - 钕铁硼直流电机 - Google Patents

Abstract

一种钕铁硼直流电机，包括外壳(2)、端盖(1)、圆筒形磁瓦(3)、转子总成(4)、碳刷(5)和电路板(6)。转子总成(4)包括转子(41)、电枢绕组(42)、整流子(43)和转轴(44)。圆筒形磁瓦(3)采用钕铁硼制成，并且紧贴外壳(2)的内壁固定。转子(41)的槽数是圆筒形磁瓦(3)的极数的整倍数。

Description

钕铁硼直流电机

技术领域

本发明涉及一种直流电机，特别是涉及一种小型而高效、性价比较高的钕铁硼磁筒直流电机。

背景技术

在现有技术中，小型直流电机多使用永久磁铁作为磁极，最常用的永久磁铁材料是成本低廉的铁氧体磁铁，但铁氧体磁瓦电机的缺点是体积大，质量重，效率低。而现有的钕铁硼磁瓦电机一般在需要小体积的场合中使用，比如一些小的散热风扇电机和光盘驱动电机等，因其缺点是功率小，不能在大电流大功率下工作。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种小型高效的钕铁硼磁筒电机，相对于传统铁氧体永磁小型直流电机体积小、重量轻、效率高、扭矩增大、成本相对较低，以扩大传统钕铁硼磁瓦电机的应用范围。

本发明的目的可以通过以下的技术措施来实现：一种小型高效的钕铁硼磁筒电机，包括外壳、端盖、磁瓦、转子总成、碳刷和电路板，其中，磁瓦位于外壳内壁上，转子总成包括转子、电枢绕组、整流子和转轴，其特征是所述的磁瓦采用粘结钕铁硼制成的磁筒，磁筒紧贴外壳内壁固定，所述的转子槽数X能被磁筒极数A的一半整除，且按转子槽数X被磁筒极数A的一半整除之数量间隔将电枢绕组短接起来，以确保每个磁瓦极对之间都有有效的通电线圈。

当电流通过绕组时，实际是同时通过与正极直接并联的转子槽数X/(A/2)个绕组，然后通过直接和负极并联的X/(A/2)个绕组，此时前面X/(A/2)个绕组的电流方向与磁力线方向和后面X/(A/2)个绕组的电流方向与磁力线方向都刚好相反，于是它们相对转轴中心线的扭矩方向一致。当一个绕组从磁场中心偏离，下一个绕组进入磁场中心后重复第一个绕组的受力情况，电机因此得以不断运转下去。

本发明所述磁筒按极数A等分360°角度间距内充磁，极数为偶数。

本发明所述的磁筒充磁方式可以是直充或者斜充两种：当磁筒采用斜充磁式时，相对于磁筒中轴线的充磁斜度α介于5°～30°之间(参见图4)，同时，转子对应为直槽式结构；当磁筒采用直充磁式时，则转子对应为斜槽式结构，其斜度β介于5°～30°(参见图9)。

本发明可以做以下的改进：所述的钕铁硼磁筒为圆形磁筒，端部采用缺口定位，即在磁筒的一端设有定位缺口/凸台，在外壳内壁相应的位置上设置凸台/缺口，以便在磁筒安装到外壳内时相互嵌合定位，以保证其在充磁和安装过程中定位的准确性和统一性。

本发明所述的转子槽数为X是能被极数A的一半整除的数，即转子槽数X是A/2的整数倍，它是根据转子的直径和长度、电机的性能要求以及绕线的槽满率和转子运行的平稳性来决定的，一般在3～20槽范围内，因为少于3槽会导致转子运行不平稳，槽数太多则会导致转子的绕线能力不足，槽数最佳范围是在6～12槽之间。

本发明所述的转子总成上的整流子片数Y与所述的电枢绕线绕组数和转子槽数X相等。

本发明还可以做以下改进：所述的端盖分前端盖和后端盖，在其中一个端盖内设碳刷，正、负极碳刷之间相对于电机转轴中心的夹角为(2n-1)×360°/极数A，其中，n为自然数。

本发明所述的按转子槽数X被极数A的一半整除之数量间隔将电枢绕组短接起来的方式可以有以下三种方式来实现：

第一种是传统的采用绕线方式短接，即在绕线时按上述计算数量间隔相等的槽数后将电枢绕组短接起来。

第二种是通过线路板短接的方式：在整流子线耳处的端面上设置一短接线路板，按每隔X/(A/2)数量的线耳用所述的短接线路板表面上的金属镀膜块将相应的绕组短接起来。

第三种是采用短接碳刷的方式：即在端盖中每隔夹角为360°/极数A设置一个碳刷，且间隔的碳刷相短接，这样把端盖中所有的碳刷分成两组分别被短接的碳刷，每组碳刷分别与电机的正或负极端子相连，也能实现每个磁瓦极对之间都有有效的通电线圈。

当采用上述第一或者第二种方式来解决相间的绕组短接问题时，端盖内设置3个碳刷架及碳刷，每相邻的两个碳刷之间的夹角为90°即可。因为如果采用上述第一或者第二种方式解决相间的绕组短接问题，在理论上而言，电机端盖中只需要两个碳刷就可以完成电机换向的任务，碳刷之间的夹角为(2n-1)×360°/A(n为自然数)，由于磁筒极数A一定是偶数，所以，碳刷的夹角必然可以统一到180度或者90度。因此，端盖内设置3个碳刷架，这样，在使用完全一样材料的情况下，只需要根据需要改变磁筒的充磁极数和转子的绕线方式等可变参数，然后在端盖上选择使用相应的碳刷排列，就可以制造出不一样的电机。

本发明所述的电机外壳的两端分别设有挂耳，与端盖相压装固定。

所述的电机前端盖上设有插座，用来连接电机的电源。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)采用钕铁硼磁筒，可以得到比铁氧体更高的磁性能，且钕铁硼磁筒的厚度和长度比铁氧体磁瓦都明显减小，因此，电机外壳和转子的直径及长度都相应减小，从而降低制造成本；

(2)电机磁筒充磁采用内充的方式，有效的防止漏磁现象的发生，提高电机效率，同时对电机外壳的导磁能力要求降低，可以大量减薄外壳的厚度，进一步降低成本；

(3)多极磁筒及其相对应绕线方式的使用，使磁筒的磁性能得到更充分的利用，电机效率大大提高；

(4)磁筒充磁方式采用斜充或者转子采用斜槽的方式，可以有效的减少电机在转动过程中的脉动力矩，有效的降低电机的噪声和振动；

(5)若采用绕线方式解决相间绕组的短接问题，并在端盖上设置3个90°角分布的碳刷，在使用完全一样材料的情况下，只需要根据需要改变磁筒的充磁极数和转子的绕线方式等可变参数，然后在端盖上选择使用相应的碳刷排列，就可以制造出不一样的电机，给电机设计提供了灵活多变的空间。

(6)综上所述，本发明的结构简单，体积小、质量轻，最佳实施例比相同性能的传统永磁直流电机小60％左右，扭矩大，性能和效率均大大提高。

附图说明

图1是本发明实施例之一的电机总装简图；

图2是本发明实施例之一的外壳与磁筒结构的立体图；

图3是本发明实施例之一的外壳与磁筒结构的局部放大立体图；

图4是本发明实施例之一的磁筒的立体图；

图5是本发明实施例之一的磁筒的主视图；

图6是本发明实施例之一的没装电枢绕组的转子总成的主视图；

图7是图5的左视显示装在转子槽上的电枢绕组的示意图；

图8是本发明实施例之一的前端盖去掉电路板的立体图；

图9是本发明实施例之二的没装电枢绕组的转子总成的主视图；

图10是本发明实施例之二的整流子的立体图；

图11是本发明实施例之三的前端盖去掉电路板的主视图；

图12是本发明实施例之四的整流子的立体图；

图13是本发明实施例之五的前端盖去掉电路板的主视图。

具体实施方式

实施例1

如图1～图8所示的一种小型高效的钕铁硼磁筒电机是本发明的实施例之一，它包括外壳2、端盖1、磁瓦、转子总成4、碳刷5和电路板6，其中，转子总成4包括转子41、电枢绕组42、整流子43和转轴44，其特征是所述的磁瓦采用粘结钕铁硼制成的圆筒形磁筒3，磁筒3紧贴外壳2内壁固定，在磁筒3的一个端面上设有对称的两个定位缺口31，外壳2采用钣金材料，卷板镀锌工艺制作，在外壳2靠近端面处的内壁上设有内冲凸台21，与磁筒3端面上的定位缺口31相配合，二者定位安装。磁筒3为2mm粘结钕铁硼磁瓦，6极等角度间距内充磁，即磁瓦充磁极数A＝6；磁筒3充磁方式采用斜充方式，斜充斜度角α为5°，转子41对应为直槽式结构，转子41槽数X＝12。

转子总成4装在磁筒3内，转子41、绕线、整流子43为同一回转中心，即为电机回转中心。转子41上的整流子43片数Y、电枢绕组42数与转子41槽数X相等，都为12，短接绕组的间隔槽数为X/(A/2)＝12/(6/2)＝4，在整流子43上绕线过程中将每间隔4个槽数的电枢绕组42短接起来，可以确保每个磁瓦极对之间都有有效的通电线圈。用整流子43线耳编号说明电枢绕组42短接情况，如图7所示，相当于用绕线分别将编号为“1、5、9”、“2、6、10”、“3、7、11”、“4、8、12”的四组线耳短接起来，最后将12个绕组合并成4大绕组组合。

端盖1包括前端盖11和后端盖12，由塑料制成，两端盖的内面边缘处均设置有两对称的连接挂钩，相应地，外壳2两端上也设置有配套的耳形挂钩，通过外壳2两端的耳形挂钩与端盖1的压装连接完成电机的最后安装。前端盖11内设置电路板6和碳刷架及碳刷5，其中，电路板6上设置有RFI电路、HALL元件电路以及主电路及其保护器等；碳刷5采用三个90度分布设计，相邻二碳刷5架呈90°角；因为正负极碳刷5之间相对于电机回转中心的夹角可以为(2n-1)×360°/A(n为自然数)，当n＝2时，该夹角为180°，所以在本实施例中，正负极碳刷5装在互呈180°的二碳刷架中。电机前端盖11上设有插座，用来连接电源。

电机的运行过程如下：电源正极——电机插座1极插片(对于电机本身，不分正负极)——碳刷5——电枢绕组42——碳刷5——电机插座2极插片——电源负极。当电流通过绕组时，实际是同时通过4个并联的绕组，4个绕组同时切割四对磁极所形成的磁力线，产生同一方向的扭矩使转子总成4转动。当一个绕组从一个磁场中心偏离，下一个绕组进入该磁场中心后重复前一个绕线的受力情况，电机因此得以不断运转下去。

实施例2

如图9、图10所示的一种小型高效的钕铁硼磁筒电机是本发明的实施例之二，与上一个实施例所不同的是，磁筒3充磁方式采用直充方式，而转子41对应为斜槽式结构，其斜度角β为5°，磁瓦充磁极数A＝4，转子41槽数X＝8，通过线路板6短接的方式将每隔X/(A/2)＝4个槽数的绕组相短接，用整流子43线耳编号进行说明，如图10所示，在整流子43线耳处的端面上设置一短接线路板6，按每隔4个线耳用所述的短接线路板6表面上的金属镀膜块将相应的绕组短接起来，相当于用绕线分别将编号为“1、5”、“2、6”、“3、7”、“4、8”的四组线耳短接起来。电机运行过程同实施例1。

实施例3

如图11所示的一种小型高效的钕铁硼磁筒电机是本发明的实施例之三，与实施例2所不同的是，磁筒3采用直充方式，充磁斜度角α为30°，转子41上的整流子43片数Y、绕线绕组数与转子41槽数X相等，都为8，端盖1内设置3个碳刷5，相邻二碳刷5呈90°角，因为以电机转轴44中心，相邻两碳刷5之间的夹角＝(2n-1)×360°/A(n为自然数)，当n＝1，A＝4时，该夹角为90°，采用每间隔1个碳刷5短接起来的连接方式，三个碳刷5之间两相邻的正、负极碳刷5互呈90°夹角。

实施例4

如图12所示的一种小型高效的钕铁硼磁筒电机前端盖11是本发明的实施例之四，与实施例3所不同的是，电机为6极磁筒，即充磁极数A＝6，转子41槽数X＝9，磁筒3充磁斜度角α为18°，采用短接线路板6短接的方式在短接线路板6上将每隔X/(A/2)＝9/(6/2)＝3个转子槽的绕组相短接起来，用整流子43线耳编号进行说明，相当于用绕线分别将编号为“1、4、7”、“2、5、8”、“3、6、9”的三组线耳短接起来。

实施例5

如图13所示的一种小型高效的钕铁硼磁筒电机前端盖11是本发明的实施例之五，与实施例1所不同的是，磁筒3充磁方式采用直充方式，而转子41对应为斜槽式结构，其斜度角β为30°，在端盖1中每隔夹角为360°/A(A＝6)＝60°设置一个碳刷5，即设置6个碳刷5，并以电机转轴44为中心均匀分布，电枢绕组42采用碳刷5短接绕线法，将相间隔的碳刷5相短接，所有的碳刷5分成两组分别被短接的碳刷5，每组碳刷5分别与电机的正负极端子相连，从而也能实现每个磁瓦极对之间都有有效的通电线圈。

Claims (10)

1.一种小型高效的钕铁硼磁筒直流电机，包括外壳(2)、端盖(1)、磁瓦、转子总成(4)、碳刷(5)和电路板(6)，其中，磁瓦位于外壳内壁上，转子总成(4)包括转子(41)、电枢绕组(42)、整流子(43)和转轴(44)，其特征是通过粘结钕铁硼制成的磁瓦形成磁筒(3)，磁筒(3)紧贴外壳内壁固定，所述的转子(41)槽数X能被磁筒(3)极数的一半整除，且按转子(41)槽数X被磁筒(3)极数A的一半整除之数量间隔将电枢绕组(42)短接起来，以确保每个磁瓦极对之间都有有效的通电线圈。

2.根据权利要求1所述的小型高效的钕铁硼磁筒直流电机，其特征在于：所述的钕铁硼磁筒(3)为圆形磁筒，端部采用缺口/凸台定位，即在磁筒(3)的一端设有定位用的缺口/凸台(31)，在外壳(2)内壁相应的位置上设置凸台/缺口(21)，以便在磁筒(3)安装到外壳(2)内时相互嵌合定位。

3.根据权利要求2所述的小型高效的钕铁硼磁筒直流电机，其特征在于：所述按转子(41)槽数X被磁筒极数A的一半整除之数量间隔将电枢绕组(42)短接起来的方式采用绕线方式短接，即在绕线时按上述计算数量间隔相等的槽数后将电枢绕组(42)短接起来。

4.根据权利要求2所述的小型高效的钕铁硼磁筒直流电机，其特征在于：通过短接线路板(6)短接的方式：在整流子线耳处的端面上设置一短接线路板(6)，按每隔X/(A/2)数量的线耳用所述的短接线路板(6)表面上的金属镀膜块将相应的绕组短接起来。

5.根据权利要求1或2或3所述的小型高效的钕铁硼磁筒直流电机，其特征在于：所述的端盖分前端盖(11)和后端盖(12)，在其中一个端盖内设碳刷(5)，正、负极碳刷(5)之间相对于电机转轴中心的夹角为(2n-1)×360°/极数，其中，n为自然数。

6.根据权利要求5所述的小型高效的钕铁硼磁筒直流电机，其特征在于：所述的端盖(1)内设置3个碳刷架及碳刷(5)，每相邻的两个碳刷(5)之间的夹角为90°。

7.根据权利要求6所述的小型高效的钕铁硼磁筒直流电机，其特征在于：所述磁筒(3)按极数等分360°角度间距内充磁。

8.根据权利要求7所述的小型高效的钕铁硼磁筒直流电机，其特征在于：当磁筒(3)采用斜充磁式时，相对于磁筒(3)中轴线的充磁斜度α介于5°～30°之间，同时，转子(41)对应为直槽式结构。

9.根据权利要求7所述的小型高效的钕铁硼磁筒直流电机，其特征在于：当磁筒(3)采用直充磁式时，则转子(41)对应为斜槽式结构，其斜度β介于5°～30°。

10.根据权利要求1或2所述的小型高效的钕铁硼磁筒直流电机，其特征在于：所述按转子(41)槽数X被极数A的一半整除之数量间隔将电枢绕组(42)短接起来的方式采用短接碳刷(5)的方式，即在所述的端盖(1)中每隔夹角为360°/极数A设置一个碳刷(5)，且每间隔1个的两个碳刷(5)相短接，从而形成两组分别被短接的碳刷(5)，每组碳刷(5)分别与电机的正极或负极端子相连。

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