CN102237733A - 电机 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种电机，包括定子和转子，所述转子包括转轴、电枢绕组、以及固定到转轴的转子铁心和换向器，所述转子铁心具有若干齿，相邻齿之间形成线槽，所述电枢绕组容置于所述线槽内；所述换向器包括若干换向片；所述电枢绕组包括若干个绕组单元，每两个相邻的换向片通过一个绕组单元实现电连接，每个绕组单元包括至少一个线圈组，其中至少部分绕组单元每个包括至少两个串联的线圈组；其中，每个所述线圈组包括至少两个直接串接且彼此至少间隔一个齿的线圈，每个线圈组首尾的两个线圈分别直接连接到两个换向片。本发明实施例可以改善换向、提高电机寿命，并改善绕线工艺产生的平衡量。

Description

电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及电机的转子绕组结构。

背景技术

单相串励电机也称通用电机，是带换向器的电枢绕组经电刷与定子励磁绕组串联的单相电机，是交流换向器电机中最常用的类型。此种电机由于转速高、体积小、重量轻、启动转矩大、调速方便，具有串励特性，常用于医疗器械、电动工具、日用电器等需要高速、体积小、重量轻的小功率器械的驱动，如：食物搅拌机、吸尘器、家用缝纫机、电钻、电磨及其他手提式电动工具。

现有的业界常用的单相串励电机通常采用两个励磁绕组分别缠绕于定子的两个凸极上，每一励磁绕组在相应凸极处形成主磁极，且两主磁极的极性相反，两主磁极通过定子铁心两边的轭部、两主磁极与转子间的气隙、转子电枢构成磁回路，磁路贯穿整个定子铁心的截面，磁路较长。对于电机的转子绕组，每个线圈的两端通常直接连接到两个换向片上，当换向线圈匝数较高时，换向情况较差。

因此，需开发一种能改善换向、优化磁路的新型通用电机。

发明内容

本发明实施例提供一种电机，包括定子和转子，所述转子包括转轴、电枢绕组、以及固定到转轴的转子铁心和换向器，所述转子铁心具有若干齿，相邻齿之间形成线槽，所述电枢绕组容置于所述线槽内；所述换向器包括若干换向片；所述电枢绕组包括若干个绕组单元，每两个相邻的换向片通过一个绕组单元实现电连接，每个绕组单元包括至少一个线圈组，其中至少部分绕组单元每个包括至少两个串联的线圈组；其中，每个所述线圈组包括至少两个直接串接且彼此至少间隔一个齿的线圈，每个线圈组首尾的两个线圈分别直接连接到两个换向片。

可选的，所述定子包括定子铁心，所述定子铁心包括沿其周向交替设置的P个主凸极轭部和P个辅助极轭部、分别设于主凸极轭部和辅助极轭部的P个主凸极和P个辅助极，所述P个主凸极上分别缠有励磁绕组，通电后可于所述P个主凸极处分别形成极性相同的磁极，于所述P个辅助极处分别形成与主凸极处的磁极极性相反的磁极；其中P为大于1的整数。

本发明实施例具有以下有益效果：与传统技术中仅采用一个线圈连接两个换向片相比，本发明实施例采用包括至少两个线圈的线圈组连接两个换向片，能够有效降低换向线圈中的电感电动势，从而达到改善换向、提高电机寿命的目的，并可以改善绕线工艺产生的平衡量。

进一步的，本发明实施例可以通过两个励磁绕组形成四个磁极，在相邻主磁极与辅助磁极间形成磁回路，使磁路得到改善。并且，在获得相同输出力的情况下，本实施例的通用电机可以具有更小的体积和重量，能够节省材料，降低了成本。

为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1所示为本发明一实施例提供的电机沿垂直轴线方向的侧视图；

图2所示为图1的电机的磁场分布示意图；

图3所示为图1的电机的转子的电枢绕组的一种绕线方式的示意图；

图4所示为图3所示绕线方式的连接关系示意图。

具体实施方式

为了使本发明的所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明一实施例的电机包括定子和转子，所述转子包括转轴、电枢绕组、以及固定到转轴的转子铁心和换向器，所述转子铁心具有若干齿，相邻齿之间形成线槽，所述电枢绕组容置于所述线槽内，所述换向器包括若干换向片；其中，所述电枢绕组包括若干个绕组单元，相邻两个换向片通过一个绕组单元实现电连接，每个绕组单元包括至少一个线圈组，其中至少部分绕组单元每个包括至少两个串联的线圈组；其中，每个所述线圈组包括至少两个直接串接且彼此至少间隔一个齿的线圈，每个线圈组首尾的两个线圈分别直接连接到两个换向片。在本发明中，“直接串接”或“直接连接”是指“串接”或“连接”的两个元件之间不存在第三个元件。

根据本发明另一实施例的电机包括定子和转子，定子包括2P个磁极，转子包括转轴、电枢绕组、以及固定到转轴的转子铁心和换向器，所述换向器具有m个换向片Z₁～Z_m，所述转子铁心具有n个齿，相邻齿之间形成线槽，所述电枢绕组容置于所述线槽内；其中，P为大于1的整数，m、n为大于P的偶数，优选的，m/n的值为1、2、或3。

所述电枢绕组包括m个绕组单元R₁～R_m，相邻的换向片Z_k和换向片Z_k+1通过绕组单元R_k实现电连接，k∈[1，m-1]；其中，当k不等于m/P的整数倍时，R_k包括P个串联的线圈组，当k等于m/P的整数倍时，R_k包括P+1个串联的线圈组。相邻的换向片Z_m和换向片Z₁通过包括一个线圈组的绕组单元R_m实现电连接。其中，每个线圈组包括至少两个直接串接且彼此至少间隔一个齿的线圈用于直接连接两个换向片，为便于理解和描述，将首尾的两个线圈分别称为第一线圈和第二线圈。当线圈组包括两个线圈时，第一线圈的一端连接到一个换向片，另一端与第二线圈的一端连接，第二线圈的另一端则直接连接到另一换向片。此外，优选的，线圈组中每个线圈跨绕的齿数q相同，q为满足关系式|q-n/2P|＜1的整数。

当k不等于m/P的整数倍时，R_k包括P个串联的线圈组，从Z_k开始，沿电枢圆周方向行进一周，联线P个串联的线圈组后，联回到与Z_k相邻的Z_k+1，其中每个线圈组所连接的两个换向片所间隔的换向片数为对应约一对磁极的换向片数，使这两个换向片具有相同的磁场位置。例如，当P为2时，R_k包括2个串联的线圈组，这两个线圈组除分别连接到换向片Z_k和Z_k+1外，还共同端接到换向片Z_y，其中y为不等于k和k+1，且满足|k-y|等于m/P或者|k+1-y|等于m/P的整数。

当k等于m/P的整数倍时，R_k包括P+1个串联的线圈组，其中，前P个线圈组每一个所连接的两个换向片所间隔的换向片数为对应约一对磁极的换向片数，最后1个线圈组连接相邻的两个换向片。

较佳的，同一线圈组中每个线圈的绕线方向相同(也即该线圈组的绕线方向)，且跨绕的齿数q相同，q为满足关系式|q-n/2P|＜1的整数。

较佳的，对于k∈[1，m/P-1]的绕组单元R_k，任一绕组单元中的各个线圈组具有相同的绕线方向(也即该绕组单元的绕线方向)，任一绕组单元中每两个相邻的线圈组所间隔的线槽数为对应约一对磁极(n/P)的线槽数。对于k∈[1，m/P-2]的绕组单元R_k，R_k+2与R_k的绕线方向相同，R_k+1与R_k的绕线方向相反。

以下通过一个具体实例进行详细说明。图1示出一个单相4极18槽36换向片串励电机沿垂直轴线方向的剖视图，该电机可直接使用交流电或者直流电作为电源，包括定子19与转子15。

所述定子19包括定子铁心20及励磁绕组30，所述定子铁心20由多数个叠片沿转子轴向堆叠而成，包括沿其周向交替设置的两个主凸极轭部22和两个辅助极轭部24、分别从主凸极轭部22和辅助极轭部24向内延伸的两个主凸极26和两个辅助凸极28，所述主凸极26与辅助凸极28沿转子15周向交替分布于转子15的铁心的外侧，所述励磁绕组30分别缠绕于所述主凸极26上，辅助凸极28上未缠励磁绕组。

转子15的外径D、定子19外部的最小尺寸Y优选地满足以下关系：D/Y＞7∶10。在本发明中，所述转子15的外径是指转子铁心的外径，所谓定子19外部的最小尺寸是指通过定子中心的连接定子外周边两点的连线中的距离最小者的尺寸。

请参阅图2，所述励磁绕组30通电后可在主凸极26处形成励磁极，且两主凸极26处形成励磁极的极性相同(如沿径向励磁极的北极都朝外或都朝里)，磁力线在每一主磁极、定子轭部、相邻的两辅助磁极、相邻的两辅助磁极与转子间的气隙、转子、转子与主磁极间的气隙之间形成回路。这样，缠绕于所述两主凸极26上的励磁绕组30可于主凸极处形成两个极性相同的励磁极，于辅助凸极28处形成两个感应磁极，共形成4个磁极。

优选的，所述定子铁心为双边结构，定子轭部为封闭框形结构。每一凸极26、28包括从定子轭部沿径向向内延伸的颈部，从颈部沿转子周向延伸的两极靴，两极靴远离轭部(与转子相对)的表面形成连续的极弧，围绕在转子15铁心外侧。所述主凸极轭部22的径向宽度小于辅助极轭部24的径向宽度，所述主凸极26极靴的末端26a与定子轭部间的距离大于所述辅助凸极28极靴的末端28a与定子轭部间的距离，这样，所述主凸极26极靴与主凸极轭部22间可形成较大收容空间，以容纳励磁绕组30。可以理解地，此处所称周向和径向为广义上的周向和径向，并非针对圆或圆柱形结构，如，本发明实施例中的定子轭部可以是方形或圆形。

所述转子15的外径D略小于定子凸极26、28的极弧所在圆的直径，因此，定子凸极26、28的极弧所在圆的直径与定子19外部的最小尺寸比亦大于7∶10。可以理解地，主凸极26与转子铁心间的间隙可以等于或不等于辅助凸极28与转子铁心间的间隙，当前述两间隙不相等时，定子凸极26、28的极弧所在圆是指直径较小的圆的直径。

可以理解地，本发明实施例的辅助极，除了可以为凸极外，还可以为隐极，为凸极时，其上亦可以绕少量的励磁绕组，匝数少于主凸极上的励磁绕组的匝数，通电后主凸极上的励磁绕组与辅助凸极上的励磁绕组产生极性相反的磁场。所述辅助极轭部上可设安装孔(如图2所示)以便安装电机端盖。

所述转子15包括转轴、电枢绕组、固定于转轴一端的换向器、固定至转轴另一端的转子铁心，所述换向器包括36个换向片，所述转子铁心具有18个齿，相邻齿之间形成线槽，所述电枢绕组容置于所述线槽内，所述电枢绕组包括通过该36个换向片联结的36个绕组单元，每两个相邻的换向片通过一个绕组单元实现电连接。所述电枢绕组通过换向器和碳刷与定子19上的励磁绕组30电连接，通电后，励磁绕组30产生磁场，磁场穿过转子15，通电的电枢绕组在励磁绕组30产生的磁场作用下使转子15旋转。

图3是上述电枢绕组的一种绕线方式的示意图。第一行示出电机的两个碳刷C1和C2；第二行示出换向器的36个换向片Z₁～Z₃₆；第三行示出转子铁心的18个线槽S₁～S₁₈，以及容置于线槽内的线圈(为避免混乱，图中仅示出部分线圈)；第四行示出电机的4个磁极P1～P4，其中，P1、P3为两个极性相同的励磁极，P2、P4为与P1、P3极性相反的感应磁极。

图4示出图3所示的电枢绕组的连接关系。其中，换向片Z₁和换向片Z₂通过绕组单元R₁实现电连接，R₁由两个串联的线圈组W₁和W₁₉组成，这两个线圈组共同端接到与换向片Z₁具有相同的磁场位置的换向片Z₁₉。线圈组W₁连接换向片Z₁和Z₁₉，线圈组W₁₉连接换向片Z₁₉和Z₂，线圈组W₁的第一线圈W₁₁为跨绕线槽S₅和S₁形成，第二线圈W₁₂为跨绕线槽S₆和S₂形成，线圈组W₁₉的第一线圈W₁₉₁为跨绕线槽S₁₄和S₁₀形成，第二线圈W₁₉₂为跨绕线槽S₁₅和S₁₁形成。换向片Z₂与换向片Z₃通过绕组单元R₂实现电连接，R₁由两个串联的线圈组W₂和W₂₀组成，这两个线圈组共同端接到与换向片Z₂具有相同的磁场位置的换向片Z₂₀。线圈组W₂连接换向片Z₂和Z₂₀，线圈组W₂₀连接换向片Z₂₀和Z₃，线圈组W₂的第一线圈W₂₁为跨绕线槽S₆和S₁₀形成，第二线圈W₂₂为跨绕线槽S₇和S₁₁形成，线圈组W₂₀的第一线圈W₂₀₁为跨绕线槽S₁₅和S₁形成，第二线圈W₂₀₂为跨绕线槽S₁₆和S₂形成。以此类推可得到其他相邻换向片之间的连接关系，此处不再赘述。

上述电枢绕组的连接方式说明如下：

一)、对于k∈[1，35]，且不等于18(即m/P)的换向片Z_k，与相邻的换向片Z_k+1之间通过绕组单元R_k实现电连接，R_k包括2个串联的线圈组，这两个线圈组除分别连接到换向片Z_k和Z_k+1外，还共同端接到与换向片Z_k间隔约一对磁极、具有相同磁场位置的换向片Z_y，其中k∈[1，17]时，y的取值为k+18(即k+m/P)，k∈[19，35]时，y的取值为k-17(即k-(m/P-1))。

本说明书中，两个换向片具有相同的磁场位置，是指这两个换向片能够同时正对N极或者S极。本领域的技术人员已知道，对于具有m个换向片和P对磁极的电机，每个磁极对应的换向片数量是m/2P，因为N极与S极交替排列，因此，如果两个换向片在电枢表面圆周上间隔整数对磁极的距离(即m/P的整数倍)，那么，这两个换向片将具有相同的磁场位置。本实施例中，电机的磁极对数是2，换向器具有36个换向片，因此，编号差值的绝对值等于18(也就是36/2)的两个换向片具有相同的磁场位置。

其中每个绕组单元R_k可按照下述方式形成：

首先，同一线圈组的第一线圈和第二线圈间隔一个齿并具有相同的绕线方向(即绕圈组的绕线方向)，每一个线圈跨绕的齿数q相同，q为满足|q-n/2P|＜1的整数；每个线圈的匝数相同。本实施例中，每个磁极对应的齿数是4.5(也就是18/4)，因此，每个线圈可以跨绕4个齿或者5个齿。本实施例是跨绕4个齿，以减少线圈的连接端的长度，减少线圈的耗铜量。

其次，对于k∈[1，m/P-1]的绕组单元R_k，，连接相邻换向片Z_k和Z_k+1的绕组单元R_k的2个线圈组共同端接到与换向片Z_k间隔对应于一对磁极的换向片数(即m/P＝18)的换向片，2个线圈组具有相同的绕线方向(即该绕组单元的绕线方向)，间隔的线槽数为对应于一对磁极的线槽数(即n/P＝9)；对于k∈[1，m/P-2]的绕组单元R_k，R_k+2与R_k的绕线方向相同，并间隔1个齿，R_k+1与R_k的绕线方向相反。在此过程中，R₁₉～R₃₅也一并形成。

二)、对于k等于m的换向片Z₃₆，与相邻的换向片Z₁之间通过绕组单元R₃₆实现电连接，R₃₆由一个线圈组W₃₆组成，其第一线圈W₃₆₁为跨绕线槽S₅和S₉形成，第二线圈W₃₆₂为跨绕线槽S₆和S₁₀形成。

三)、对于k等于m/P的换向片Z₁₈，则通过绕组单元R₁₈与换向片Z₁₉实现电连接，R₁₈由三个线圈组组成，第一个线圈组W₁₈连接换向片Z₁₈和Z₃₆、第二个线圈组W₃₆连接换向片Z₃₆和Z₁、第三个线圈组W₁连接换向片Z₁和Z₁₉。其中，线圈组W₁₈的第一线圈W₁₈₁为跨绕线槽S₁₄和S₁₈形成，第二线圈W₁₈₂为跨绕线槽S₁₅和S₁形成，线圈组W₃₆和W₁在前面已经说明，此处不再重复。

较佳的，每个线圈组中两个线圈的匝数相等。可以理解的，两个线圈具有不同的匝数时也可以实现本发明的目的。

在连接两个换向片的线圈的总匝数x(x＝x₁+x₂)相同的情况下，传统技术中通常只用一个线圈连接两个换向片，换向线圈中电感电动势与线圈总匝数的平方x²成正比，本实施例中采用包括两个线圈的线圈组连接两个换向片，换向线圈中电感电动势与线圈组中每个线圈的匝数的平方之和x₁ ²+x₂ ²成正比，因此，本发明实施例能够有效降低换向线圈中的电感电动势，从而达到改善换向、提高电机寿命的目的；另外，连接两个换向片的线圈所跨绕的线槽更加分散，可以改善绕线工艺产生的平衡量。

进一步的，本发明实施例的多极电机具有偶数个换向片，能够使用高效的绕线工艺，可以提高生产效率；此外，本实施例中用正负极性的2根电刷即可正常工作，这样可以节省电刷数量，降低材料成本，当然也可以使用4根电刷。

另外，传统的通用电机通过定子上的两个励磁绕组形成两个磁极，且磁路贯穿整个定子铁心的截面，磁路较长。相比之下，本实施例的通用电机通过两个励磁绕组形成四个磁极，在相邻主磁极与辅助磁极间形成磁回路，使磁路得到改善。而且，在获得相同输出力的情况下，本实施例的通用电机可以具有更小的体积和重量，例如，定子铁心的轴向高度和/或径向尺寸减小，定子绕组和/或转子绕组的匝数减少等等。因此，本实施例的通用电机节省了材料的使用，降低了成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，例如，本发明的原理也可应用到通用电机之外的其他电机等，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种电机，包括定子和转子，所述转子包括转轴、电枢绕组、以及固定到转轴的转子铁心和换向器，所述转子铁心具有若干齿，相邻齿之间形成线槽，所述电枢绕组容置于所述线槽内；所述换向器包括若干换向片；其特征在于：

所述电枢绕组包括若干个绕组单元，每两个相邻的换向片通过一个绕组单元实现电连接，每个绕组单元包括至少一个线圈组，其中至少部分绕组单元每个包括至少两个串联的线圈组；

其中，每个所述线圈组包括至少两个直接串接且彼此至少间隔一个齿的线圈，每个线圈组首尾的两个线圈分别直接连接到两个换向片。

2.如权利要求1所述的电机，其特征在于：所述定子包括2P个磁极，所述换向器具有m个换向片，所述转子铁心具有n个齿；其中，P为大于1的整数，m、n为大于P的偶数。

3.如权利要求2所述的电机，其特征在于：所述电枢绕组包括m个绕组单元R₁～R_m，相邻的换向片Z_m和Z₁通过包括一个线圈组的绕组单元R_m实现电连接，相邻的换向片Z_k和Z_k+1通过绕组单元R_k实现电连接，k∈[1，m-1]；其中，当k不等于m/P的整数倍时，R_k包括P个串联的线圈组，当k等于m/P的整数倍时，R_k包括P+1个串联的线圈组。

4.如权利要求3所述的电机，其特征在于：对于k不等于m/P的绕组单元R_k，每个绕组单元中的每个线圈组连接的两个换向片所间隔的换向片数为对应约一对磁极的换向片数。

5.如权利要求3所述的电机，其特征在于：对于k∈[1，m/P-1]的绕组单元R_k，任一绕组单元中的各个线圈组具有相同的绕线方向。

6.如权利要求5所述的电机，其特征在于，对于k∈[1，m/P-1]的绕组单元R_k，任一绕组单元中每两个相邻的线圈组所间隔的线槽数为对应于约一对磁极的线槽数。

7.如权利要求5所述的电机，其特征在于，对于k∈[1，m/P-2]的绕组单元R_k，R_k+2与R_k的绕线方向相同，R_k+1与R_k的绕线方向相反。

8.如权利要求7所述的电机，其特征在于，所述R_k+2与R_k间隔一个齿。

9.如权利要求1至8任一所述的电机，其特征在于：每个线圈组包括两直接串接的线圈，所述两线圈间隔一个齿。

10.如权利要求1至8任一所述的电机，其特征在于：同一线圈组中各线圈的绕线方向相同。

11.如权利要求1至8任一所述的电机，其特征在于：所述定子包括定子铁心，所述定子铁心包括沿其周向交替设置的P个主凸极轭部和P个辅助极轭部、分别设于主凸极轭部和辅助极轭部的P个主凸极和P个辅助极，所述P个主凸极上分别缠有励磁绕组，通电后可于所述P个主凸极处分别形成极性相同的磁极，于所述P个辅助极处分别形成与主凸极处的磁极极性相反的磁极；其中P为大于1的整数。

12.如权利要求11所述的电机，其特征在于：所述转子外径与定子铁心外部最小尺寸的比值大于7∶10。

13.如权利要求1至8任一所述的电机，其特征在于，所述定子包括4个磁极。

14.如权利要求2至8任一所述的电机，其特征在于：m/n的值为1、2、或3。

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