CN101534032A - 用于冷却电动马达的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于各种应用的高速电动马达。所述电动马达包括一马达本体或定子，一具有换向器的转子和用于在预限定区域已知为接触区域上接触所述换向器的电刷。另外，所述马达包括一受推空气冷却部件。所述受推空气冷却部件包括一用于产生空气流的离心式风机，一用于加速所述空气流的多头导管。所述多头导管具有出气口和所述出气口设置在所述接触区域的正上方以引向所述空气流至所述接触区域，并且所述马达本体具有至少一与接触区域对准的开口和至少一限定一排气口的第二开口。另外，本发明同时也公开了一种用于冷却马达的方法。

Description

用于冷却电动马达的方法和装置

技术领域

本发明涉及有刷电动马达领域，尤其是本发明涉及一种包括用于冷却其内部的装置的小型、高速电动马达。

背景技术

电动马达(electric motor，也称电机或电动机)因其似乎从不停止地执行各种各样任务而被广泛应用。此类马达很受欢迎是由于其小和强的驱动能力。另外，其几乎零污染且其运行时总体而言比其它马达，如内燃机(ICE)运行时更安静。很多行业严重依赖于此类电动马达以驱动其设备。例如，水池清洁机几乎全都由此类马达驱动。可以理解地，为了使此类设备适用，马达必须很小和驱动能力强。此类马达被要求以极高的速度旋转，并且安装在限定的空间内。可以很好理解地是，在物理上限制马达的空间以及马达的高速意味着堆积的热量会非常多，尤其是在马达被经常使用和过分使用的情况下。

在限定空间内的小型高速马达的两个最大缺点在于灾难性破坏马达铜线圈的热量和堆积在换向器(commutator，也称为整流子)，尤其是在电刷与换向器之间，其导致同样地灾难性破坏的尘埃或固体颗粒物质。

热量引起转子的铜线圈变热从而导致其丧失机能，并且灾难性破坏导致马达永久性损害而需要被替换掉。因此，热量是此类马达的第一要害且冷却此类马达成为一个长期迫切地需求。

接下来是尘埃或固体颗粒物质。例如，大多数电刷是以碳制成。要求电刷和换向器之间的接触以产生电磁电路，其由此对于在有刷马达环境下的马达的运作是必不可少地。当电刷接触换向器时，磨损产生细微碳颗粒、尘埃，实际上释放在空气中，也堆积在换向器上电刷和换向器之间的接触区域。当足够多的固定颗粒堆积在换向器上时，电刷会无法产生电磁电路并且马达不再运作。

清楚的是，没有一个马达是永存。但是，在有刷电磁马达的情况下，最优的方法是马达的寿命可以延续到至少与电刷寿命相同。实际上，已经发现，由于过热而导致失效的铜线圈是缩短马达寿命的第一典型要素。其次，使用者可以得知铜线圈失效、尘埃或固体颗粒(特别是碳尘埃)堆积同样会导致灾难性和永久性的损坏。

由以上所述可知，冷却电动马达是一个长久确切地需求。其对于一天中需要忍受长持续、频繁使用的有刷电动马达而言更是如此。实际上，美国专利商标局的快速检索报告表明关于冷却电动马达的专利文献已超过一百多份。

在美国专利商标局检索的专利文献大多数是关于液体冷却设备。典型地是，这些设备是非有刷马达(Non brushed motor)如感应马达。非有刷马达同样广知为无刷马达(brushless motor)。无刷马达不要求电刷，也不要求电刷与换向器之间的接触来产生电接触和引起马达运作。无刷马达使用电介质液体来作为冷却介质。

对于有刷马达的文献，典型的是使用空气来作为冷却介质。典型地，与冷却有关的有刷马达的文献聚焦于通过在马达本体上集成一散热器(heat sink)来改善冷却效果。几乎所有公开的案例中，轴流式风机(axial fan)被用来冷却，且一体化为马达的一部分或与马达独立连接。这样的轴流式风机抽取空气和输送空气到马达本体，并且试着提供冷却。尽管如此，不管独立于马达还是与马达一体化，轴流式风机提供的是高空气流但低气压。

美国专利US74042121公开了一种具有一由一风扇轮产生并且路经马达本体的通风口的冷却空气流的电动马达。所述电动马达进一步包括一散热器和一风机以放置一旁来加大冷却。

例如，美国专利US4092556公开了一种用于冷却马达的封闭系统。所述马达包括一转子，一定子和一换向器。所述马达包括多根排气导管，其开口位于电刷和换向器的接触面的反面。空气从位于换向器上的转子各边被推动通过所述排气导管。风机处的空气通过冷却部件直接流经一冷却路经，并且被设计用于增加冷却流和增强对所述马达的冷却效果。所述冷却部件位于马达的外部。

因此需要一在限定环境下能够提供高速操作的同时与电刷具有相同寿命的马达。正如上述所分析，本发明提供一种装置和方法，该装置和方法提供足够冷却以保护铜线圈和清洁堆积碳的接触区域从而延长马达寿命。

发明内容

一种用于冷却一小型高驱动力的电动马达的装置和方法，所述电动马达包括根据本发明的具有冷却装置的马达。所述冷却装置在电刷和换向器的接触区域提供受推和受压空气。该空气在足够的推力下撞击换向器接触区域以冷却铜线圈和逐出固体颗粒，特别是来自接触区域的碳颗粒。

本发明的另一目的在于提供一种用于冷却小型高驱动力的电动马达的方法和装置。

本发明另一目的在于提供用于冷却小型高驱动力的电动马达的方法和装置，所述方法和装置将位于电刷和换向器之间的接触区域的碳固体颗粒逐出来延长电刷的寿命。

本发明另一目的在于提供用于冷却小型高驱动力的电动马达的方法和装置，所述方法和装置通过延长电刷的寿命来延长马达的寿命。

根据本发明的马达使用一离心式风机来压缩和吹动空气至所述换向器。在一优选实施方式中，所述风机包括一叶轮。该叶轮推动空气流向转子，特别是流向所述接触区域。受推空气在其通过马达本体和沿着发热部件时冷却。特别地，受推和受压空气流经包括如电刷、换向器、铜线圈和转子时在经过路径发生冷却。

另外，空气流具有足够的强度和压力以逐出固体颗粒。特别地是，该马达的电刷以碳制成。细小碳特性的尘埃颗粒造成堆积在接触区域。若没能消除，则通过提供一逐出固体颗粒(包括来自接触区域，特别是堆积在接触区域上的碳尘埃)的空气流是不可取的。

另外，可以理解的是，一具有一脏接触区域的换向器会降低马达性能。进一步地，所述脏接触区域可能会由于换向器和电刷之间的电路部分短路而产生额外的热量。

根据本发明马达的一种实施方式，所述马达包括：

一电动马达，该电动马达具有一马达本体、一定子、一具有一换向器的转子和用于在接触区域接触所述换向器的电刷；

一受推空气冷却部件，该受推空气冷却部件包括：

一用于产生空气流的风机；

一用于加速空气流的多头导管；

该多头导管具有出气口，且所述出气口被设置在接触区域的正上方以导向所述加速空气流至所述接触区域；并且，

所述马达本体具有多个开口；至少一所述开口与所述接触区域对准并且至少一第二开口限定一排气口。

本发明另一实施方式中，根据本发明所述的电动马达，所述电动马达包括：一多头导管，该多头导管具有两个相对的叶轮出气口和两个相对的接触区域进气口。

本发明的优点在于提供一在限定的环境下增加马达寿命的电动马达。

附图说明

为了更好地理解本发明的目的和优点，参考结合以下附图对本发明进行进一步的详细说明，附图中的部分给出类似参考标号，且其中：

图1是本发明提供的电动马达的局部分切面透视图；

图2是本发明提供的电动马达的局部分分解图，示出了一个多头导管实施例细节；

图3是本发明提供的电动马达多头导管反侧切面放大图；

图4示出了本发明电动马达的马达本体内的空气从叶轮流向排气孔；

图5示出了本发明电动马达的使用。

具体实施方式

根据本发明电动马达的一个实施例，参见图1～图3，所述电动马达一般用标号20来标识。马达20包括一定子或本体22，一转子24和一用标号26来标识的电刷部件。

转子24包括一换向器28。特别地是，该换向器使用铜切片。但是，现代多数的换向器28包括碳切片。

电刷部件26包括一用于支撑一电刷32靠至所述换向器28的电刷座30。电刷32接触换向器28的区域称为接触区域。

电刷座30支撑电刷32在适当的位置，并在转子运作时提供本体电气屏蔽。供应功率至马达引起电刷32与换向器28在接触区域接触以产生电流电路并引起转子旋转。

电动马达实施例20进一步包括一受推空气冷却部件，该冷却部件一般由标号40来标识。所述受推空气部件包括一由叶轮42、一多头导管(manifold)44和通风筒(vent shaft)46限定的风机。

隔板48分开叶轮42与马达本体22。在一种实施方式中，所述隔板48以塑件制成。另一种实施方式，所述隔板48制成为印刷电路板(printed circuitboard，PCB)。使用该实施方式的隔板48，马达头连接至PCB上。另外，该实施方式的隔板48由于其为PCB，将其直接附接至所述马达本体。

叶轮42安装在转子24上，并通过隔板48与马达本体22分开。多头导管44安装在叶轮42的上方并且位于隔板48上。可以理解的是，由于多头导管44安装在叶轮42的上方，所以多头导管44的内侧开口比叶轮42大。其允许马达前的部件在叶轮42之前安装。

多头导管44安装在隔板48上，并且其上通过一卡件50固定。卡件50包括一穿过多头导管44内的一缝隙52的凸件54。所述凸件54卡入隔板48使多头导管44处于适当的位置。另外，卡件50相应地被用于关闭多头导管44的入口。

图4所示，多头导管44包括一轴环56。该轴环56有叶轮出气口58。当所述叶轮转动时，产生一股空气流，该空气流被推出叶轮出气口58。受推空气由于第一次流通多头导管44以更快的速度通过通风筒46。所述通风筒46的一端设置于叶轮出气口58且与所述叶轮出气口58相通，并且所述通风筒46的另一端与接触区域相通。优选地，所述通风筒46可动地附接至所述轴环56。

所述加速空气流由于高速叶轮42和被推出叶轮出气口58同样受到压力。受压空气从通风筒46的一侧流进，并流通至本体22。本发明中，所述叶轮出气口58的数量不限，优选地，所述叶轮出气口58为两个，且该两个叶轮出气口彼此相对。更优地，该两个叶轮出气口以180度相对。

本体22包括许多开口。至少其中一开口62被直接放置毗连所述接触区域，并且限定进气口以引向空气流至所述接触区域。该进气口也可以称为接触区域进气口。通风筒46的另一端通过接触区域进气口与接触区域相通。本发明中，接触区域进气口的数量不限，优选地，接触区域进气口为两个，且该两个接触区域进气口彼此相对。更优地，该两个接触区域进气口以180度相对。比较好的是，叶轮出气口58和接触区域进气口彼此直线排列，并且180度相对于其它出气口和对应的进气口，以此通过叶轮出气口58和接触区域进气口进一步引向空气流至所述接触区域。图2所示的实施例中，开口62为凹槽形以更进一步引向空气流至所述接触区域。

另一实施方式中，叶轮42偏离马达转子。在该实施方式中，空气直接吹在马达本体22，而不用额外的多头导管或进气口。由于叶轮是偏离的，使用一组滑轮和齿轮来给叶轮42提供动力。

可以理解的是，在一实施例中，开口62被直接设置在毗连所述接触区域。但是，可以理解是，进气口的位置可以在本发明范围和原则下有一定的不同。可以理解的是，唯一的限制在于空气流带有足够的推力以冷却马达部件和将碳和其它固体颗粒逐出所述换向器。

对于图4，其示出了一种包括方向的空气流模式。一旦冷却尤其是在接触区域的如铜线圈和换向器的马达部件，以及将固体颗粒逐出所述换向器接触区域后，空气流出所述马达本体22。空气流通过排气口70流出。

图1所述的实施例有两个排气口70。但是，可以理解的是，排气口70的数量不重要，只要空气可以完全排出所述本体22。必须有足够的排气口以允许受压空气的持续流过所述本体22。

对于图5，其示出了本发明马达20的使用实施例。该应用中的马达20安装在一防水本体80中。转子24包括一齿轮82，其随着马达20的旋转而旋转。该齿轮82在本应用中作为一个小齿轮(pinion gear)，并依次推动齿轮84旋转，所述齿轮84依次推动与水池清洁机一起使用的螺旋桨86旋转，例如，所述螺旋桨被用于驱动水池清洁机沿着水池底部运行。

前面具体实施方式已描述了本发明电动马达的几个实施例。可以理解的是，上述实施方式只描述本公开发明的部分，并不限于本公开发明。特别是，在本发明精神及范围内，其可以有许多进气口和出气口。可以理解的是，也有各种各样叶轮类型的风机适用于上述描述的实施例，并且在本发明精神及范围内，也有上述没有提到的各种各样的实施方式。因此，本发明仅限于下述提出的权利要求。

Claims (16)

1、一种用于在限定区域冷却小型高驱动电动马达的方法，所述电动马达具有一马达本体，一转子，一换向器和电刷，且所述电刷在接触区域接触所述换向器，进一步设置一受推空气冷部件，包括：

一用于产生空气流的风机；

一用于加速所述空气流的多头导管；

所述多头导管具有出气口，并且所述出气口设置在所述接触区域的正上方以引向所述被加速的空气流至所述接触区域；以及

所述马达本体具有多个开口；至少一开口与所述接触区域对准并且至少一第二开口限定一排气口；

所述方法包括：

所述电动马达工作时，驱动所述风机以产生空气流；

所述多头导管加压和加速所述空气流，并通过所述出气口引向所述空气流至位于所述电刷与所述换向器之间的接触区域；

在所述接触区域流动空气流至足够强度以将固体颗粒从所述换向器中分离出来；以及

将空气流排出所述马达本体。

2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述风机为一离心式叶轮风机，当驱动所述叶轮时，叶轮产生所述空气流和并在所述多头导管产生通道压力，由该通道压力压缩并推动所述空气流加速流动。

3、一种具有受推空气冷却的小型高驱动电动马达，包括：

一电动马达，该电动马达具有一马达本体，一定子，一具有换向器的转子和用于接触限定一接触区域的换向器的电刷；

一受推空气冷部件，包括：

一用于产生空气流的风机；

一用于加速所述空气流的多头导管；

所述多头导管具有出气口，并且所述出气口设置在所述接触区域的正上方以引向所述被加速的空气流至所述接触区域；以及

所述马达本体具有多个开口；至少一开口与所述接触区域对准并且至少一第二开口限定一排气口。

4、根据权利要求3所述的电动马达，其中，用于产生空气流的风机为一离心式风机。

5、根据权利要求4所述的电动马达，其中，用于产生空气流的风机为一叶轮。

6、根据权利要求5所述的电动马达，其中，所述叶轮产生空气流并且多头导管加压和加速所述空气流。

7、根据权利要求6所述的电动马达，其中，所述叶轮附接至所述转子，并且当马达旋转时旋转以推动受压空气通过所述多头导管并到达所述接触区域。

8、根据权利要求5所述的电动马达，其中，所述多头导管限定至少一叶轮出气口和至少一接触区域进气口，用于将空气流直接引向至所述接触区域上。

9、根据权利要求8所述的电动马达，其中，所述多头导管有两个叶轮出气口，且该两个叶轮出气口彼此相对。

10、根据权利要求9所述的电动马达，其中，所述多头导管有两个接触区域进气口，且该两个接触区域进气口彼此相对。

11、根据权利要求10所述的电动马达，其中，该两个叶轮出气口以180度相对，并且该两个接触区域进气口同样180度相对。

12、根据权利要求10所述的电动马达，其中，一对叶轮出气口和接触区域进气口彼此直线排列，并且180度相对于其它出气口和对应的进气口。

13、根据权利要求8所述的电动马达，其中，所述多头导管包括一连接在所述马达一端的轴环和限定一通风筒的通道，所述通风筒限定用于将由叶轮产生的空气流从叶轮出气口传送至所述接触区域进气口的分布装置。

14、根据权利要求13所述的电动马达，其中，所述通风筒可动地附接至所述轴环。

15、根据权利要求13所述的电动马达，其中，所述通风筒的一端设置于叶轮出气口且与所述叶轮出气口相通，并且所述通风筒的另一端与所述接触区域进气口相通。

16、根据权利要求3所述的电动马达，其中，所述叶轮偏离所述转子，并且所述叶轮通过一组齿轮和连接在所述转子的滑轮驱动。

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