CN103973064B - 直流有刷电机 - Google Patents

Abstract

一种电机包括定子和转子。定子包括2P个磁极，P为大于1的整数。转子包括转轴、固定于转轴的铁芯、换向器和绕组。铁芯有m×P个齿，m为大于1的奇数。换向器有k×m×P个换向片，k为1或2。绕组包括n层，n为小于P的整数，每一层具有k×m个绕组单元，每个绕组单元包括P个直接串接的线圈元件，每个线圈元件缠绕一个齿，所述P个直接串接的线圈元件分别绕制于相同相位的P个齿上，每个绕组单元仅在其两端与换向器的换向片直接连接，每个绕组仅与两个换向片直接连接。所述换向片中，一部分换向片的每一换向片同时与2n个绕组单元直接连接，另一部分换向片的每一换向片仅与n个线组单元直接连接，其余换向片则不与任何绕组单元直接连接。

Description

直流有刷电机

【技术领域】

本发明涉及电机领域，更具体地，涉及一种直流有刷电机。

【背景技术】

一种传统的6极9槽18个换向片的电机具有18个绕组线圈元件，每个绕组线圈元件绕制于转子铁芯的一个齿且电连接到相邻的两个换向片。因为转子铁芯具有9个齿，所以每个齿上面具有两个绕组线圈元件。

该传统的电机绕组形成6个并联支路与正极电刷、负极电刷电连接。每条支路包括3个线圈元件。每个线圈元件的匝数较多，因此，绕组的绕制时间较长，电机的制造效率较低。此外，由于绕线槽的空间限制，对于匝数多的线圈元件，需要选用线径较小的绕线绕制，比如0.6毫米（mm）以下。这样，绕线容易断线而造成电机断路，导致电机的可靠性不高。

因此，亟需一种改善方案。

【发明内容】

本发明的一个目的是减少电机的绕线时间。为此，本发明提供一种直流有刷电机，包括定子和转子，所述定子包括2P个磁极，P为大于1的整数。所述转子可转动地安装到定子，所述转子包括转轴、固定于转轴的转子铁芯、换向器和绕组。所述转子铁芯具有m×P个齿，m为大于1的奇数；所述换向器具有k×m×P个换向片，k为1或2;所述绕组包括n层，n为大于0小于P的整数，每一层具有k×m个绕组单元，每个绕组单元包括P个直接串接的线圈元件，每个线圈元件缠绕一个齿，所述P个直接串接的线圈元件分别绕制于处于相同相位的P个齿上，每个绕组单元仅在其首尾两端与换向器的换向片直接连接，每个绕组仅与两个换向片直接连接。所述k×m×P个换向片中，其中一部分换向片的每一换向片同时与2n个绕组单元直接连接，其中另一部分换向片的每一换向片仅与n个线组单元直接连接，而其余换向片则不与任何绕组单元直接连接。

在一个优选的方案中，所述绕组仅由一根连续的绕线绕制而成，所述绕线在整个绕组形成过程中未被切断。

在一个优选的方案中，在与同一换向片相连的2n个绕组单元中，其中n个绕组单元沿顺时针方向绕制，另外n个绕组单元沿逆时针方向绕制。

在一个优选的方案中，k等于2，n等于1，每个齿上绕制有两个线圈元件，所述两个线圈元件分别属于两个线圈元件组。

在一个优选的方案中，k等于2，n等于2，每个齿上绕制有四个线圈元件，所述四个线圈元件分别属于四个线圈元件组。优选地，所述四个线圈元件组中，其中两个线圈元件组的两端连接到同一对换向片，另两个线圈元件组的两端连接到另一对换向片。

在一个优选的方案中，换向片数量等于齿数的两倍，即k等于2。

在一个优选的方案中，所述转子具有均压线用于电连接相同相位的换向片。

在一个优选的方案中，所述电机具有正极电刷和负极电刷，用于与所述换向器的换向片电连接；所述绕组中每一层的k×m个绕组单元形成两条并联支路与所述正极电刷、负极电刷电连接。

在一个优选的方案中，所述定子只使用一对电刷与所述换向器摩擦接触。

在一个优选的方案中，n为1，所述绕组的绕线直径为0.9毫米至1.1毫米；或者

在一个优选的方案中，n为2，所述绕组的绕线直径为0.6毫米至0.8毫米。

在一个优选的方案中，P为3，m为3，所述直流有刷电机为6极9槽电机。

实施本发明，本发明的电机绕组每一层只形成两个并联支路，在同等性能的情况下可以减少线圈的匝数，减少了转子绕组的绕制时间，提供了电机的生产速度。此外，还可以采用线径更大的绕线。

【附图说明】

图1是本发明一个实施例提供的永磁体直流有刷电机的爆炸示意图；

图2显示了图1所示电机的转子；

图3和图4显示了图2所示转子的绕组与齿、换向片的连接关系；

图5是图3所示转子绕组、换向器片以及定子电刷的电路连接示意图；

图6是本发明另一个实施例提供的永磁体直流有刷电机的转子绕组、换向器片以及定子电刷的电路连接示意图。

【具体实施方式】

参考图1和图2，本实施例的电机10包括定子12和转子14。

定子12包括外壳71、安装到外壳71内壁的永磁体72、安装到外壳71开口处的端盖76、分别安装到外壳71和端盖76的轴承74和75。永磁体72共形成6个磁极，如果以P表示电机的磁极的极对数，那么，本实施例中，P为3。

转子14包括转轴81、固定到转轴81的换向器83、转子铁芯85和绕组87。转轴81由轴承74和75滚动支撑，从而使转子14能够相对于定子12转动。

转子铁芯85具有9个齿，每两个相邻齿之间形成一个绕线槽用于容纳绕组的线圈元件。本实施例中，转子14的齿数等于极对数的奇数倍，如果使用m×P表示转子的齿数，那么，m为大于1的奇数。本实施例中，P为3，m也为3。

本实施例中，换向器83具有18个换向片，换向片的数量等于齿数的两倍。如果以k×(m×P)表示换向片的数量，那么k等于2。应当意识到，在其他实施例中，换向片的数量可以等于齿数，即k等于1。

绕组87包括18个线圈元件，每个线圈元件绕制于一个相应的齿上。因为线圈元件的数量等于齿数的两倍，所以，每个齿上绕制有两个线圈元件。

在图3至图5中，换向器的18个换向片表示为K1-K18，相同相位的换向片被对应的均压线E1-E6电连接。例如，换向片K2、K8和K14被对应的均压线E2电连接。所述相同相位的换向片是指这些换向片之间的角距与相同极性的定子磁极之间的角距相等。换句话说，在转子14相对定子12旋转时，相同相位的换向片会同时正对定子12的相同极性的磁极，比如N极。

转子铁芯85的9个齿表示为T1-T9，绕组的18个线圈元件表示为C1-C9以及C1’-C9’。其中，线圈元件C1-C9均沿顺时针方向绕制，而线圈元件C1’-C9’均沿逆时针方向绕制。每一齿Tn上绕制有两个绕圈元件Cn和Cn’，其中n为1-9的任一数。

所述转子铁芯85的齿T1-T9可分成三组相同相位的齿。每组齿包括三个具有相同相位的齿。也就是说，属于同一组的齿之间的角距与极性相同的定子磁极之间的角距相等。这样，在转子14相对定子12旋转时，相同相位的齿会在同一时刻正对定子12的相同极性的磁极，比如N极。例如，齿T1正对着定子的北极时，与齿T1具有相同相位的齿T7和T4也刚好正对定子12的另外两个北极。

图3表示了本发明电机转子14的展开图。所述换向器片K1-K18、所述齿T1-T9及所述线圈元件C1-C9和C1’-C9’均呈线性排列。为便于说明，换向器片K1和K18以及齿T9各重复显示一次。

下面将结合图4对本发明的电机转子14的绕组87进行详细描述，本实施例中，绕线的始端挂接于换向片K1，然后再沿顺时针方向依次缠绕第一组相同相位的齿T1、T7和T4，再端接于换向片K8以形成绕组单元WA，具体地，绕线从换向片K1出发，在顺时针缠绕齿T1若干匝以形成线圈元件C1后，直接跨到齿T7并顺时针缠绕齿T7若干匝以形成线圈元件C7，接着跨到齿T4并顺时针缠绕齿T4若干匝以形成线圈元件C4，然后挂接到换向片K8。这样，线圈元件C1，C7和C4形成直接串联。本说明书和权利要求书中，将直接串接的线圈元件称为一个绕组单元，所述绕组单元仅在其两末端挂接换向器片。也就是说，所述绕组单元仅与两个换向器片直接连接，各相邻的两线圈元件之间直接连接而不与换向片连接。具体到绕组单元WA，其仅在两端连接到换向片K1和K8。

绕线挂接在换向器片K8上后，接着沿逆时针方向依次跨绕第二组相同相位的齿T3、T6、T9，依次形成线圈元件C3’、C6’、C9’，然后挂接到换向片K15上从而形成绕组单元WB’。接着绕线沿顺时针方向依次跨绕第三组相同相位的齿T8、T5、T2，依次形成线圈元件C8、C5、C2，然后挂接到换向片K4从而形成绕组单元WC。接着绕线沿逆时针方向依次跨绕第一组相同相位的齿T1、T4、T7，依次形成线圈元件C1’、C4’、C7’，然后挂接到换向片K11上从而形成绕组单元WA’。接着绕线沿顺时针方向依次跨绕第二组相同相位的齿T6、T3、T9，依次形成线圈元件C6、C3、C9，然后挂接到换向片K18上从而形成绕组单元WB。接着绕线沿逆时针方向跨线第三组相同相位的齿T8、T2、T5，依次形成线圈元件C8’、C2’、C5’，然后挂接到换向片K7上从而形成绕组单元WC’，从而绕线结束。

从上述绕线过程可知，绕线以顺时针绕制绕组单元和逆时针绕制绕组单元交替进行的方式绕制。本实施例中，仅利用一根连续的绕线形成整个绕组，优选地，在绕制过程中不剪断绕线，也即是说绕线在整个绕组形成过程中未被切断。换句话说，所有在先形成的线圈元件和随后形成的线圈元件之间不断线。这样可以减少绕线时间。此外，先绕的绕组元件和随后绕的绕组元件共同挂接在共用换向片上。也就是说，此类共用换向片同时与两个绕组单元连接，且这两个绕组单元的绕线方向相反。。虽然该共用的换向片同时与两个绕组元件相连，但实际上只挂了一次线头，不会增加线头的数量，从而也不会产生因线头太多而导致的绕线脱落的危害。此外，从图3和图4可知，另一部分换向片仅与一个绕组单元直接连接。余下的换向片不直接连接到任何绕组单元或者线圈元件，但这些换向片通过对应的均压线与绕组单元或者线圈元件保持电连接。

由于使用了均压线，本发明的电机可以减少电刷的数量。通常情况下，在不使用均压线的情况下，电机的磁极数应当与电刷数相等。因此，本发明可以减少一对电刷，甚至减少两对电刷而只使用一对电刷与换向器摩擦接触。电刷数量的减少可以降低电机的成本。

本领域技术人员应当意识到，由于绕组单元内的线圈单元均绕制在相同相位的齿上，也即是说，这些齿处于相同相位，那么这些线圈元件也处于相同相位，即同时正对定子的相同极性的磁极。那么同一绕组单元内的线圈元件的绕制顺序是可以变化的，不局限于本实施例所给的顺序。例如：齿T1、T7和T4处于相同相位位置，所以对应的线圈元件C1、C7和C4也处于相同相位位置，因此，线圈元件C1、C7和C4的绕制顺序可以根据实际情况调整，不局限于先绕制线圈元件C1再绕制C7和C4。

本实施例的电机转子共形成6个绕组单元，且每一绕组单元包括三个直接串联的线圈元件。下面将对本发明的电机转子的绕组单元和线圈元件的数量的规律进行详细说明。

在本实施例中，所有绕组单元各不相同，要么是其所缠绕的齿不同，要么是绕线的方向不同。此类绕组被称为单层绕组。可以理解地，如果转子的绕组包括若干对绕组单元，每对绕组单元包括两个并联的绕组单元，且这两个绕组单元所缠绕的齿和绕线方向均相同，此类绕组被称为双层绕组。应当意识到，由于每个绕组单元具有的绕圈元件的数量等于一组具有相同相位的齿的齿数，如果转子绕组为单层绕组，则转子的绕组单元的数量可用k×m来表示。由此可以推得，如果转子绕组为n层绕组，则转子的绕组单元的数量可用n×k×m表示。

此外，在本发明中，每一绕组单元仅直接与两个换向片相连。这两个换向片中，其中之一与其中之另一的相邻换向片等相位。例如，绕组单元WA连接换向片K1和K8，而K8和K2是等相位的换向片，且K2与K1相邻。相似地，K1与K7是等相位的换向片，而K7与K8相邻。由于线圈元件连接到相位相同的换向片上时，其电路是等效的。也就是说，绕组单元WA的两端可以连接到相邻的换向片K1和K2；也可以一端连接到换向片K1，另一端连接到与换向片K2同相位的换向片例如K8或者K14；又或者连接到K7和K8，或K13和K14等。总而言之，绕组单元的两端可以连接到一对相邻的换向片，该相邻的两换向片的其中之任一又可以由与其相位相等的其他换向片代替，但以绕线在挂接换向片时所跨距离最短为优选方案，例如，该绕组单元绕制线圈元件C4后，是挂接到K2、K8和K14这组等相位的换向片中最近的K8，而不是挂接到较远的换向片K2和K14，以进一步缩短绕线时间，以及降低绕线的材料成本。

从上述绕线过程可知，本实施例中，每个齿上绕制有两个线圈元件，该两个线圈元件分别属于两个不同的绕组单元，该两个绕组单元的两端分别连接到不同的换向片。例如，齿T1绕制有两个线圈元件C1和C1’，线圈元件C1和C1’分别属于不同的绕组单元WA和WA’，该不同的绕组单元连接到不同的换向片。

请同时参考图5，本实施例中的电机使用了两对电刷。每对电刷包括一个正极电刷B+和一个负极电刷B-，电机的18个线圈元件共形成了两条并联支路连接于正极电刷B+和负极电刷B-之间。每条支路包括9个线圈元件。本领域的技术人员应当了解，与具有6条支路的传统6极9槽电机相比，只要本发明的电机的每条支路的所有线圈元件的总匝数与传统电机的每条支路的线圈元件的总匝数相等，则两电机的性能基本持平。然而，本发明电机的每条支路包括9个线圈元件，是传统电机的每条支路所包括的线圈元件数的3倍，因此，在确保电机性能基本不变的前提下，本发明的电机的每一线圈元件的匝数是传统电机线圈元件的匝数的三分之一（1/3）。由于线圈元件的总数相同，而每一线圈元件的匝数大量减少，因而本发明的电机的绕线时间大大缩短。提高了电机的生产速度。

此外，由于本发明的每一线圈元件的匝数显著减少，其可以采用线径较大的绕线。例如，绕组的绕线直径可以为0.9毫米至1.1毫米，优选1.0毫米左右的线径。

图6为本发明另一个实施例提供的电机的电刷、转子绕组、和换向片电路连接的示意图。该电机也是一个6极9槽18个换向片的电机，即，极数2P为6，齿数m×P为9，即m等于3，换向片数为齿数的两倍，即k等于2。图6所示实施例与图5所示实施例的主要区别在于：图6所示电机的绕组为双层绕组，即n等于2，其绕组单元的数量、总线圈元件的数量均为图5所示电机的两倍。

具体地，图5所示电机具有6个（n×k×m=1×2×3=6）绕组单元，每个绕组单元具有3个（P）直接串接的线圈元件；图6所示电机具有12个（n×k×m=2×2×3=12）绕组单元，但每个绕组单元具有的线圈元件数不变。所述12个绕组单元中，共形成6对绕组单元，每对包括两个并联的绕组单元。本实施例中，该两个绕组单元所缠绕的齿、绕线方向以及所连接的换向片均相同。

在图6所示的实施例中，因为线圈元件总数等于齿数的4倍，因此，每个齿上绕制有四个线圈元件，四个线圈元件分别属于四个绕组单元，该四个绕组单元中，其中两个绕组单元形成并联且其两端连接到同一对换向片，即所述两绕组单元属于同一对绕组单元，另两个绕组单元形成并联且其两端连接到另一对换向片，即所述两绕组单元属于同一对绕组单元。例如，齿T5绕制有两个线圈元件C5和两个线圈元件C5’，该两个线圈元件C5分别绕制于内层和外层（或者第一层、第二层），分别属于两个绕组单元，且所述两个绕组单元的两端连接到同一对换向片K15和K4。另外两个线圈元件C5’分别绕制于内层和外层（或者第一层、第二层），属于两个绕组单元，且所述两个绕组单元的两端连接到另一对换向片K7和K18。

本实施例中，所述12个绕组单元共形成4条（即2n）并联支路连接于正极电刷B+和负极电刷B-之间。因此，在性能等同的前提下，本实施例的每个线圈元件的匝数也少于传统的6条并联支路的电机的线圈元件的匝数。本实施例中，绕组的绕线直径可以为0.6毫米至0.8毫米，优选0.7毫米左右的线径。此外，本实施例采用了双层绕组，因而当某一绕组单元断路使得电流无法从该绕组单元通过时，电流仍然可以从与该绕组单元并联的另一绕组单元通过，从而保护电机正常工作。因此，本实施例的电机具有更高的可靠性。

上述实施例均以6极9槽的永磁体直流有刷电机为例对本发明进行说明。但本领域的技术人员应当能够意识到，本发明不局限于6极9槽的直流有刷电机，其也适用于具有其他槽极数的电机，例如，4极6槽电机。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种直流有刷电机，包括：

定子，所述定子包括2P个磁极，P为大于1的整数；

转子，所述转子可转动地安装到定子，所述转子包括转轴、固定于转轴的转子铁芯、换向器和绕组；所述转子铁芯具有m×P个齿，m为大于1的奇数；所述换向器具有k×m×P个换向片，k为1或2；

其特征在于：

所述绕组包括n层，n为大于0小于P的整数，每一层具有k×m个绕组单元，每个绕组单元包括P个直接串接的线圈元件，每个线圈元件缠绕一个齿，所述P个直接串接的线圈元件分别绕制于处于相同相位的P个齿上，每个绕组单元仅在其首尾两端与换向器的换向片直接连接，每个绕组仅与两个换向片直接连接；

所述k×m×P个换向片中，其中一部分换向片的每一换向片同时与2n个绕组单元直接连接，其中另一部分换向片的每一换向片仅与n个线组单元直接连接，而其余换向片则不与任何绕组单元直接连接；n等于2，每个齿上绕制有四个线圈元件，所述四个线圈元件分别属于四个绕组单元。

2.如权利要求1所述的直流有刷电机，其特征在于，所述绕组仅由一根连续的绕线绕制而成，所述绕线在整个绕组形成过程中未被切断。

3.如权利要求1所述的直流有刷电机，其特征在于，在与同一换向片相连的2n个绕组单元中，其中n个绕组单元沿顺时针方向绕制，另外n个绕组单元沿逆时针方向绕制。

4.如权利要求1所述的直流有刷电机，其特征在于，所述转子具有均压线用于电连接相同相位的换向片。

5.如权利要求1所述的直流有刷电机，其特征在于，所述绕组的绕线直径为0.6毫米至0.8毫米。

6.一种直流有刷电机，包括：

定子，所述定子包括2P个磁极，P为大于1的整数；

可转动地安装到定子的转子，所述转子包括转轴、固定转轴的转子铁芯、换向器和绕组；所述转子铁芯具有m×P个齿，m为大于1的奇数；所述换向器具有k×m×P个换向片，k为1或2；

其特征在于：

所述绕组包括n层，n为大于0小于P的整数，每一层具有k×m个绕组单元，每个绕组单元包括P个直接串接的线圈元件；所述P个直接串接的线圈元件分别绕制于处于相同相位的P个齿上，每个绕组单元仅在其两端与所述换向器的换向片直接连接，所述绕组由一根连续的绕线绕制而成，所述绕线在所有在先形成的线圈元件和随后形成的线圈元件之间不断线；

n等于2，每个齿上绕制有四个线圈元件，所述四个线圈元件分别属于四个绕组单元；所述四个绕组单元中，其中两个绕组单元所绕制的齿相同且其两端连接到同一对换向片，另两个绕组单元所绕制的齿相同且其两端连接到另一对换向片。

7.如权利要求6所述的直流有刷电机，其特征在于，所述转子具有均压线用于电连接相同相位的换向片。

8.如权利要求1或6所述的直流有刷电机，其特征在于，所述电机具有正极电刷和负极电刷，用于与所述换向器的换向片电连接；所述绕组中每一层的k×m个绕组单元形成两条并联支路与所述正极电刷、负极电刷电连接。

9.如权利要求6所述的直流有刷电机，其特征在于：

所述绕组的绕线直径为0.6毫米至0.8毫米。

10.如权利要求1至7、9中任意一项所述的直流有刷电机，其特征在于，P为3，m为3，所述直流有刷电机为6极9槽电机。