CN106253590B - 用于缠绕转子同步电动机的滑环和刷的结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于缠绕转子的同步电动机的滑环和刷的结构。所述结构能够通过增加所述滑环和所述刷之间的接触面积来减小电动机的轴向长度，并且通过稳固地支撑所述电动机的轴来提高顺利实现所述电动机性能的可靠性，所述结构包括：内滑环，所述内滑环与电动机的旋转轴组合；刷，所述刷配置在所述内滑环的圆周处并且具有形成在所述刷中的多个褶皱，所述多个褶皱接触所述内滑环的外周表面；外滑环，所述外滑环配置在所述刷的圆周处并且与所述刷的所述多个褶皱接触；以及保持器，所述保持器支撑所述外滑环。

Description

用于缠绕转子同步电动机的滑环和刷的结构

技术领域

本发明涉及一种用于缠绕转子同步电动机(wound rotor synchronous motor，WRSM)的滑环和刷的结构，并且更特别地涉及这样一种用于WRSM的滑环和刷的结构，即所述结构能够通过增加所述滑环和所述刷之间的接触面积来减少电动机的轴向长度，并且通过稳固地支撑所述电动机的轴来提高顺利地实现所述电动机的性能的可靠性。

背景技术

一般来说，已经作为生态友好型汽车而提到的混合动力汽车或电动汽车由使用电能来获得旋转力的电动机驱动。

混合动力汽车在仅使用电动机的动力作为纯电动汽车模式的电动车辆(EV)模式下驾驶，或者在发动机和驱动电动机的旋转力两者均用作动力的混合动力电动车辆(HEV)模式下驾驶。常规的电动汽车使用驱动电动机的旋转力作为动力来驾驶。

以这种方式，用作生态友好型汽车的动力源的驱动电动机通常是永磁同步电动机(PMSM)。PMSM需要使永磁体的性能最大化，以在有限布局条件下显示出最大性能。

在此，永磁体中的钕(Nd)用于提高永磁体的强度，并且镝(Dy)用于提高抗高温退磁。然而，永磁体中的稀土金属(诸如Nd和Dy)有限地埋藏在一些国家(包括中国，等)且非常昂贵并且价格波动严重。

为了克服这些缺点，异步电动机的使用已得到检验。然而，为体现相同的电动机性能，对诸如体积、重量等尺寸的过多增加有限制。

同时，在相关产业中，取代PMSM作为生态友好型汽车动力源的电动机的缠绕转子同步电动机(WRSM)的发展已经更为快捷地进行。

WRSM能够体现电动机的性能，与PMSM相比最佳地增加大约10％。通过将线圈围绕转子缠绕并且在将电流施加到线圈时使转子处于电磁状态下，WRSM取代PMSM的永磁体。

WRSM被构造成使得线圈围绕转子进行缠绕，以在转子中产生磁通，并且刷和滑环设置在电动机的壳体外侧，以通过使电流流过线圈而产生磁通，并且电流经由刷和滑环施加到线圈。

同时，WRSM被构造成使得刷始终维持与滑环的外周表面进行机械接触，使得直流电(DC)施加到被缠绕的线圈，并且为了使刷和滑环之间进行机械接触连续，刷的一侧的端部被弹簧弹性地支撑，并且由于弹簧的弹力使刷维持与滑环的外周表面的连续接触状态，并且电流传输到线圈。

然而，在针对WRSM的滑环和刷的常规结构中，滑环和用于施加DC的刷之间的接触面积与滑环的整个面积相比相对较小，使得接触电阻在高电流经由刷输入到线圈时增加，由此，在电动机中发生散热和热损失。另外，由于刷和滑环之间的重复机械接触，在接触表面中发生摩擦和磨损，并且由于这样的摩擦和磨损，形成诸如金属粉末的异物，使得发生火花等，并且电动机的耐久可靠性降低。

此外，当滑环在轴向方向上延伸并且滑环的轴向长度增加使得刷和滑环之间获得足够的接触面积时，滑环和刷之间的接触面积增加，但由于滑环的轴向长度增加，电动机的尺寸可能过度增加。

[现有技术文件]

[专利文件]

专利文件1：韩国专利登记号10-0178158(1998年11月20公布)

专利文件2：韩国专利特许公开号2000-0055497(2000年9月5日公布)

发明内容

本发明涉及一种用于缠绕转子同步电动机(WRSM)的滑环和刷的结构，通过增加所述WRSM的所述刷和所述滑环之间的接触面积，所述结构能够在经由所述刷将高电流输入到所述电动机时防止电动机的散热和热损失。

本发明还涉及一种用于缠绕转子同步电动机(WRSM)的滑环和刷的结构，通过在所述滑环的圆周方向上平均地分布所述刷和所述滑环之间的接触表面，使得即使所述接触表面的一部分被磨损，所述接触表面的其它部分也用于补充磨损部分，所述结构能够提高平稳驱动所述电动机的可靠性。

本发明还涉及一种用于缠绕转子的步电动机(WRSM)的滑环和刷的结构，通过朝向所述电动机的外侧排放因所述刷和所述滑环的重复机械摩擦和磨损而产生的异物，所述结构能够提高所述电动机的耐久可靠性。

本发明还涉及一种用于缠绕转子同步电动机(WRSM)的滑环和刷的结构，通过增加所述滑环和所述刷之间的接触面积以及减少所述电动机的总体轴向尺寸，所述结构能够减少所述滑环的轴向长度。

本发明还涉及一种用于缠绕转子同步电动机(WRSM)的滑环和刷的结构，通过在所有方向上稳固地支撑所述电动机的所述轴，所述结构能够在所述电动机的轴振动时执行阻尼功能并且提高所述电动机的所述轴的支撑强度。

本发明的目的并不限于上述内容，并且本领域技术人员根据以下描述可清楚地理解未描述的其它目的。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于缠绕转子同步电动机(WRSM)的滑环和刷的结构，所述结构包括：内滑环，所述内滑环与电动机的旋转轴组合；刷，所述刷配置在所述内滑环的圆周处并且具有形成在所述刷中的多个褶皱，所述多个褶皱接触所述内滑环的外周表面；外滑环，所述外滑环配置在所述刷的圆周处并且与所述刷的所述多个褶皱接触；以及保持器，所述保持器支撑所述外滑环。

所述刷的所述褶皱可以等距地沿圆周方向布置，并且可分别与所述内滑环的所述外周表面和所述外滑环的内周表面接触。

将所述内滑环、所述刷和所述外滑环容纳在其中的容纳沟槽可形成在所述保持器中。

沿轴向方向穿孔以与所述容纳沟槽连通的异物排放端口可形成在所述保持器中。

导致将异物强制排放通过所述异物排放端口的风扇可安装在所述电动机处。

所述保持器可压装到所述电动机中并且与所述电动机组合。将销压装到其中的销沟槽可形成在所述保持器中，使得压装到所述电动机中的所述保持器的位置被固定。

磁体可安装在所述内滑环和所述刷之间，并且用于检测所述磁体的位置的传感器可安装在所述保持器处。

可通过在所述内滑环和所述刷之间注入可模制磁性材料而形成所述磁体。

所述传感器可以是可使用霍尔效应来检测所述磁体的位置的霍尔传感器。

所述结构可进一步包括用于向所述外滑环施加电流的线材，并且所述线材可连同用于向所述传感器供电的线材一起一体地安装在所述保持器中。

附图说明

通过参考附图详细地描述本发明的示例性实施方式，本发明的以上及其它的目的、特征和优点将对本领域普通技术人员变得更清楚，其中：

图1是图示用于根据本发明的实施方式的缠绕转子同步电动机(WRSM)的滑环和刷的结构的立体图；

图2是图1的分解立体图；

图3是沿着图1的线A-A截取的横截面图；

图4是通过将保持器从图1所示的结构省略而图示用于内滑环、刷和外滑环的组合结构的细节的立体图；

图5是图4的正视图；

图6是通过将外滑环从图4的组合结构省略而图示用于刷和内滑环的组合结构的细节的立体图；

图7是图示根据本发明的另一实施方式用于WRSM的滑环和刷的结构的立体图；

图8是图7的侧视图；以及

图9是图7的正视图。

具体实施方式

下文中，将参考附图详细地描述用于根据本发明的示例性实施方式的缠绕转子同步电动机(WRSM)的滑环和刷的结构。

图1是图示用于根据本发明的一个实施方式的缠绕转子同步电动机(WRSM)的滑环和刷的结构的立体图，是与电动机旋转轴组合的滑环和刷以及环绕并支撑滑环和刷的保持器的摘选。另外，图2是图1的分解立体图，并且图3是沿着图1的线A-A截取的横截面图。此外，图4是通过将保持器从图1所示的结构省略而图示用于内滑环、刷和外滑环的组合结构的细节的立体图，并且图5是图4的正视图。另外，图6是通过将外滑环从图4的组合结构省略而图示用于刷和内滑环的组合结构的细节的立体图。

参照图1至图6，用于根据本发明的一个实施方式的WRSM的滑环和刷的结构包括：内滑环120，其与电动机的旋转轴110组合；刷130，其配置在内滑环120的外侧；外滑环140，其配置在刷130的外侧；线材150，其用于将电流施加到外滑环140；以及保持器160，其支撑外滑环140。

内滑环120是用于将电流施加到围绕电动机转子(未示出)缠绕的线圈的电流传输介质，其形成为具有较小厚度的圆环形状，其中与用于安装在常规电动机处的滑环的常规结构比较，内滑环120的轴向长度减小。

设置两个内滑环120，彼此沿轴向方向间隔开预定距离，并且被压装到、组合并固定到电动机的旋转轴110的外周表面。

以这种方式压装到电动机的旋转轴110中的两个内滑环120分别连接到围绕电动机转子缠绕的线圈的正(+)极和负(-)极，并且随着电动机的旋转轴110的旋转而旋转。

同时，两个刷130中的每个均配置成与每个内滑环120的外周表面接触。

每个刷130均形成波纹管类型的刷结构，其中刷130的整个形状沿圆周方向以波形反复起皱，如图2所示。

在这种情况下，形成在刷130中的褶皱132等距地沿圆周方向布置。

当从旋转轴110的正面观察时，如图5所示，一侧刷130的褶皱132配置成与另一侧刷130的褶皱132交叉。

这在电动机的旋转轴110旋转时产生每个刷130和每个内滑环120之间的均等摩擦。

另外，在每个刷130均配置在每个内滑环120的圆周处的状态下使每个刷130的褶皱132内侧的端部维持与每个内滑环120的外周表面接触。

由此，在电动机的旋转轴110旋转的同时，每个刷130均维持为在每个刷130的内侧与每个内滑环120滑动接触，并且电流流过与每个刷130的褶皱132接触的每个内滑环120，使得电流施加到围绕电动机转子缠绕的线圈并且产生用于旋转的磁通。

如在常规的刷中，通过烧结石墨和铜来制造每个刷130。当每个刷130和每个内滑环120之间产生滑动摩擦时，石墨材料作为润滑剂。

另外，在用于波纹管类型的刷130的结构中，根据安装在电动机的旋转轴110处的每个刷130的直径尺寸，不同地设定褶皱132的形成周期和数量。

即，刷130的数量和褶皱132的形成长度可不同地设计成适合电动机的旋转轴110的支撑强度以及每个刷130与每个内滑环120之间的接触面积。

另外，因为两个波纹管类型的刷130安装在电动机的轴向方向上，与安装一个波纹管类型的刷130的情况比较，阻尼功能可以在径向方向上均等地维持，以抵抗由于电动机轴的外部负载、电动机的电磁力、电动机旋转体的偏心运动等造成的电动机轴的振动，并且可以平均地支撑电动机轴。

此外，当使用用于波纹管类型的刷130的结构时，每个刷130与滑环120和140中的每个之间发生均等摩擦和磨损，使得电动机的耐久可靠性得以提高。

同时，外滑环140是用于将电流传输到刷130的介质，其配置在刷130的圆周处。

外滑环140的内周表面与形成在刷130中的褶皱132外侧的端部接触。

由此，在电动机的旋转轴110旋转的同时，外滑环140维持与刷130的褶皱132的外部部分滑动接触，并且电流经由接触部分传输到刷130。

另外，线材150配置在外滑环140中，使得电流可以从外侧施加到线材150。

在这种情况下，线材150可使用诸如点焊、熔合等方法连接到外滑环140的一侧。

在这种情况下，在外滑环140的与刷130接触的内周表面处不产生焊缝。

通过这种结构，当正(+)电流施加到配置在沿轴向方向布置的两个外滑环140中的线材150中的一个线材且负(-)电流施加到线材150中的另一个时，正(+)电流和负(-)电流经由与外滑环140顺序地接触的刷130和内滑环120而施加到转子的线圈，使得用于驱动电动机的磁通得以产生。

同时，保持器160与电动机的壳体(未示出)组合，以环绕并保护与电动机的旋转轴110顺序地组合的内滑环120、刷130和外滑环140。

在这种情况下，在分隔壁161配置在两个容纳沟槽162之间的状态下使两个容纳沟槽162形成在保持器160的内侧。

两个容纳沟槽162形成可以分别容纳包括沿轴向方向布置的外滑环140、刷130和内滑环120的两组电流传输介质的环形空间部。

在这种情况下，沿轴向方向穿孔以与每个容纳沟槽162连通的多个异物排放端口164形成在保持器160的垂直于保持器160的轴向方向配置的前表面和后表面中，使得由于刷130与滑环120和140中的每个之间的重复摩擦和磨损而产生的金属异物可以排放到保持器160的外侧。

在这种情况下，多个异物排放端口164等距地沿圆周方向配置在保持器160的前表面和后表面中。

另外，风扇(未示出)可安装在电动机的转子处，以经由异物排放端口164顺利地排放异物。

即，使用进行旋转以与转子连通的风扇的吹力经由异物排放端口164将容纳沟槽162中的异物强制地排放到外侧，使得可以导致异物的平稳排放。

考虑到强度和弹性，具有以上构造的保持器160可由增强塑料或工程塑料制造。

使用压装方法将保持器160与电动机的壳体组合。在这种情况下，借助电动机的壳体和保持器160之间的压装销(未示出)将保持器160与电动机的壳体组合，使得压装到电动机的壳体中的保持器160可以固定在预定位置不动。

为此，可将销压装到其中的多个销沟槽166形成在保持器160的外表面中，并且形成在电动机壳体的供保持器160压装到其中的内表面中。

销沟槽166形成在保持器160的外表面和电动机壳体的内表面中以具有半圆形横截面形状，并且在将保持器160压装到电动机的壳体中的状态下，销被压装到形成在保持器160中并形成在电动机壳体的两侧的销沟槽166之中，使得保持器160的位置可以被固定。

以这种方式，通过将销压装到形成在保持器160的外表面和电动机壳体的内表面中的销沟槽166中将保持器160与电动机的壳体组合，保持器160不会从电动机的壳体容易地脱开，而是甚至当外力施加到保持器160时也可以被固定。

因为在保持器160与电动机的壳体组合的状态下上述保持器160执行与支撑电动机的旋转轴110的一部分的轴承相同的功能，所以与现有技术比较，设置在电动机的旋转轴110处的轴承的尺寸可以减少。

当在车辆的交流发电机中采用用于具有根据本发明的上述构造的WRSM的滑环和刷的结构时，应执行在交流发电机内侧旋转的转子的实时位置检测，使得精确的发动机输出辅助功能可以实施。

然而，在用于WRSM的刷和滑环的常规结构中，由于缺乏位置检测器的装设空间，在实施优化的车辆封装时存在许多困难，装设位置检测器是为了检测转子的位置。

为了解决所述问题，在本发明中，用于转子的位置检测的简单构造被另外安装在用于根据上述实施方式的滑环和刷的结构中，使得建议一种实施用于滑环和刷的结构的方案，使之具有实现转子的位置检测的简单模块形状。

图7是图示用于根据本发明的另一实施方式的WRSM的滑环和刷的结构的立体图，图8是图7的侧视图，并且图9是图7的正视图。

参照图7至图9，用于根据本发明的另一实施方式的WRSM的滑环和刷的结构包括：磁体172和174，其设置在内滑环120和刷130之间以检测转子的位置；和传感器180，其用于检测与电动机的旋转轴110一体旋转的磁体172和174的位置，磁体172和174另外设置在用于根据本发明的一个实施方式具有上述形状的滑环和刷的结构中。

在这种情况下，磁体172和174由可模制磁性材料形成，并且可模制磁性材料被注入内滑环120和刷130之间，使得磁体172和174可以形成。

以这种方式，通过注入磁性材料而形成在内滑环120和刷130之间的磁体172和174中的每个均包括N-极和S-极。如图9所示，一对N-极和S-极磁体172和174可配置在旋转轴110的外侧，以面对彼此。在这种情况下，磁体172和174可根据设置在转子中的极数经由若干组合进行构造。

由于在内滑环120和刷130之间模制的磁体172和174，内滑环120和刷130之间的空间维持在固定状态下。由此，刷130在旋转轴110旋转时执行与旋转轴110一体的旋转运动。

另外，设置成检测磁体172和174的实时位置的传感器180可以是可使用霍尔效应来感测磁体172和174的位置的霍尔传感器。

传感器180埋藏在保持器160的内侧，以检测进行旋转而与旋转轴110连通的磁体172和174的位置，如图9所示。

另外，用于为传感器180供电的线材(未示出)连同用于为外滑环140供应电流的线材150一起一体地安装在保持器160的内侧，使得用于具有简单结构(其中不需要复杂的接线)的滑环和刷的结构可以实施。

以这种方式，磁体172和174安装在WRSM的内滑环120和刷130之间，并且可检测磁体172和174的实时位置的传感器180安装在保持器160处，使得用于WRSM的滑环和刷的结构以一个紧凑模块的形式来实施。由此，与常规领域的动力供应单元和位置检测器比较，用于检测转子位置的封装可以简化，并且就封装而言可以高效地利用空间。

如上所述，在用于根据本发明的缠绕转子同步电动机(WRSM)的滑环和刷的结构中，可以获得以下有用效果。

第一，WRSM的刷和滑环之间的接触面积大大增加，使得因高电流输入导致的电动机的散热可以最小化，并且可以防止因散热导致的电动机损坏。

第二，使电动机的刷和滑环彼此接触的多个接触表面等距地沿圆周方向分布，使得刷和滑环之间的摩擦和磨损可以平均化，并且甚至当刷的一部分接触表面被磨损时，它的其它部分也用于补充磨损部分，使得电动机的耐久可靠性可以提高。

第三，甚至当由于刷和滑环之间的重复机械摩擦和磨损而产生金属异物时，异物也可以顺利排放到电动机的外侧，使得可以防止发生由于电动机中的异物而造成的火花。

第四，刷和滑环之间的接触面积增加，使得滑环的轴向长度可以减少，由此，电动机的总体轴向尺寸可以减少。

第五，甚至当外部负载施加到电动机的旋转轴时，电动机的旋转轴也可以经由波纹管类型的刷结构平均而稳固地支撑在若干地点中。此外，经由所述波纹管类型的刷结构，可以向电动机的旋转轴提供阻尼功能，使得可以防止电动机的旋转轴的振动，并且可以稳固地维持电动机轴的旋转平衡。

第六，磁体安装在内滑环和刷之间，并且用于检测磁体的位置的传感器安装在保持器处，使得用于WRSM的滑环和刷的结构可以以一个模块的形式实施，并且可以实施与现有技术比较更简化而紧凑的位置检测封装。

第七，因为用于为传感器供电的线材和用于为外滑环施加电流的线材一体地配置在保持器中并且可以简单地实现所述线材的接线结构，所以就封装而言可以实施高效的空间利用，并且可以简单地实施包括现场动力供应单元和位置检测器的整个封装结构。

本领域技术人员将清楚的是，对本发明的上述示例性实施方式可以做出各种修改而不脱离本发明的精神或范围。由此，只要落在所附权利要求及其等同物的范围内，本发明旨在涵盖所有这样的修改。

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年6月9日提交的韩国专利申请号10-2015-0081482的优先权，该申请的全部公开内容通过引用并入本文。

Claims (14)

1.一种用于缠绕转子同步电动机的滑环和刷的结构，所述结构包括：

内滑环，所述内滑环与电动机的旋转轴组合；

刷，所述刷配置在所述内滑环的圆周处并且具有形成在所述刷中的多个褶皱，所述多个褶皱接触所述内滑环的外周表面，其中所述刷形成为具有波纹管类型的刷结构，其中所述刷的整个形状沿圆周方向以波形反复起皱；

外滑环，所述外滑环配置在所述刷的圆周处并且与所述刷的所述多个褶皱接触；以及

保持器，所述保持器支撑所述外滑环，

其中，所述刷的所述褶皱等距地沿圆周方向布置，并且分别与所述内滑环的所述外周表面和所述外滑环的内周表面接触。

2.根据权利要求1所述的结构，其中，多个内滑环、多个刷和多个外滑环中的每个均沿所述旋转轴的长度方向布置。

3.根据权利要求2所述的结构，其中，在所述刷的所述褶皱配置成彼此交叉的状态下将所述多个刷布置在所述旋转轴上。

4.根据权利要求1所述的结构，其中，将所述内滑环、所述刷和所述外滑环容纳在其中的容纳沟槽形成在所述保持器中。

5.根据权利要求4所述的结构，其中，在所述保持器中形成有异物排放端口，所述异物排放端口沿轴向方向穿孔而形成以与所述容纳沟槽连通。

6.根据权利要求5所述的结构，其中，在所述电动机处安装有风扇，所述风扇导致将异物通过所述异物排放端口强制排放。

7.根据权利要求1所述的结构，其中，所述保持器被压装到所述电动机中并且与所述电动机组合。

8.根据权利要求7所述的结构，其中，在所述保持器中形成有供销压装到其中的销沟槽，使得压装到所述电动机中的所述保持器的位置被固定。

9.根据权利要求8所述的结构，其中，所述销沟槽形成在所述保持器的外表面中，具有半圆形横截面。

10.根据权利要求1所述的结构，其中，在所述内滑环和所述刷之间安装有磁体，并且在所述保持器处安装有用于检测所述磁体的位置的传感器。

11.根据权利要求10所述的结构，其中，通过在所述内滑环和所述刷之间注入可模制磁性材料而形成所述磁体。

12.根据权利要求10所述的结构，其中，所述传感器是霍尔传感器。

13.根据权利要求10所述的结构，所述结构进一步包括用于向所述外滑环施加电流的线材，其中，所述线材连同用于为所述传感器供电的线材一起一体地安装在所述保持器中。

14.一种用于缠绕转子同步电动机的滑环和刷的结构，所述结构包括：

内滑环，所述内滑环与电动机的旋转轴组合；

刷，所述刷配置在所述内滑环的圆周处并且具有形成在所述刷中的多个褶皱，所述多个褶皱接触所述内滑环的外周表面，其中所述刷形成为具有波纹管类型的刷结构，其中所述刷的整个形状沿圆周方向以波形反复起皱；

外滑环，所述外滑环配置在所述刷的圆周处并且与所述刷的所述多个褶皱接触；

用于向所述外滑环施加电流的线材；以及

保持器，所述保持器支撑所述外滑环，

其中，所述刷的所述褶皱等距地沿圆周方向布置，并且分别与所述内滑环的所述外周表面和所述外滑环的内周表面接触。