CN109643916A - 有刷电机 - Google Patents

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CN109643916A CN201880003270.4A CN201880003270A CN109643916A CN 109643916 A CN109643916 A CN 109643916A CN 201880003270 A CN201880003270 A CN 201880003270A CN 109643916 A CN109643916 A CN 109643916A
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韩圭益
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Abstract

本发明涉及一种有刷电机。本发明的目的在于提供一种有刷电机，其中，该有刷电机被构造为具有四个极、二十四个槽和两个电刷；作为磁体宽度与极间隔之比，极弧/极角比被优化，从而允许紧凑化和轻量化；并且减少由转子与定子之间的磁场的改变导致的“齿槽转矩”和“纹波电流”的产生，从而改进电机的旋转性能。为了实现上述目的，本发明提供了一种有刷电机，该有刷电机包括：电机壳体；按照间隔安装在电机壳体的内周表面上的多个定子；可旋转地安装在定子内的转子；安装在转子的旋转中心轴处的多个换向器；以及用于向各个换向器施加电的多个电刷，其中，转子包括按照间隔形成在其外周表面上的多个槽以及绕各个槽缠绕的多个线圈。四个定子被安装在电机壳体的内周表面上。两个电刷向转子的各个换向器施加电。转子的二十四个槽分别与四个定子经历吸引和排斥动作，并且当通过施加的电流被激励或去磁时生成旋转扭矩，并且二十四个线圈部分分别绕槽缠绕，从而提供包括四个极、二十四个槽和两个电刷的结构。

Description

有刷电机
技术领域
本发明涉及有刷电机，更具体地，涉及一种有刷电机，其具有4个极、24个槽和2个电刷的结构，并且能够通过优化极弧/角比(磁体宽度与极间隙之比)来减小电机的尺寸和重量并且能够通过减少由于转子和定子之间的磁场改变导致的齿槽转矩和纹波电流的产生来改进电机的旋转性能。
背景技术
机动车配备有空调以控制乘客室中的温度。这种空调包括各种致动器，其一个示例是风机电机。
风机电机在响应于施加的控制信号操作的同时使鼓风扇旋转。因此，鼓风扇可抽吸存在于乘客室内部或外部的空气。
通常，如图1所示，用于空调的风机电机由2个极、12个槽和2个电刷组成。
在具有这种结构的风机电机中，当电力通过电刷1施加到换向器3时，通过施加的电力在槽5的线圈6中生成磁场。所生成的磁场对定子7施加引力和斥力以生成转矩。转子8通过由此生成的转矩而旋转。
然而，这种传统的风机电机的缺点在于，与输出相比，传统的风机电机的重量相对重并且体积大。这对于减小空调的尺寸和重量是很大障碍。
具体地，近年来，随着机动车的小型化、纤薄化和轻量化的趋势，空调必须缩小尺寸，变纤薄并且减小重量。然而，沉重且体积大的传统的2极12槽型风机电机难以使空调缩小尺寸、变纤薄且减小重量。
由于传统风机电机具有2极12槽型结构，所以在旋转期间由于定子7与转子8的线圈6之间的引力的改变而产生大的齿槽转矩。
由于该大的齿槽转矩，在转子8中产生振动并且转子8的转速改变。
另外，根据传统的风机电机，在对转子8的线圈6施加电的过程中，由于线圈6与定子7之间的引力的周期性改变以及由此产生的磁场的改变，产生纹波电流。此纹波电流由于2极12槽型结构而变得非常大。
具体地，当施加到电机的电压增大以便增加风机的转速时，如图2所示，纹波电流的幅度变得更大，从而产生噪声并使电池以及各种电气装置损坏。
发明内容
技术问题
鉴于现有技术中固有的上述问题，本发明的目的在于提供一种能够通过结构改进显著减小其重量和尺寸的有刷电机。
本发明的另一目的在于提供一种能够减小其尺寸和重量并因此使得可减小空调的尺寸和重量的有刷电机。
本发明的又一目的在于提供一种能够通过改进内部结构减小在旋转期间定子与转子的线圈之间产生的齿槽转矩的有刷电机。
本发明的再一目的在于提供一种有刷电机，该有刷电机能够减小齿槽转矩，减小由齿槽转矩导致的转子的振动和转子的转速的波动，并因此改进旋转性能。
本发明的另一目的在于提供一种能够在对转子的线圈施加电的过程中减少纹波电流的产生的有刷电机。
本发明的另一目的在于提供一种有刷电机，该有刷电机能够在对转子的线圈施加电的过程中减少纹波电流的产生，从而防止由于纹波电流而产生噪声并且防止对电池以及各种电气装置的损坏。
技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种具有4极24槽2刷结构的有刷电机，包括：电机壳体；按照间隔设置在电机壳体的内圆周表面上的多个定子；可旋转地安装在定子内的转子；安装在转子的旋转中心轴上的多个换向器；以及被配置为向换向器供应电力的多个电刷，转子包括按照间隔形成在其外圆周表面上的多个槽以及缠绕在槽中的多个线圈，其中，按照间隔设置在电机壳体的内圆周表面上的定子的数量为四个，被配置为向换向器供应电力的电刷的数量为两个，用于在通过电力被激励或去激励时在相对于四个定子施加引力和斥力的同时生成旋转扭矩的转子的槽的数量为二十四个，并且缠绕在槽中的线圈的数量为二十四个。
优选地，各个定子可沿着与转子的圆周方向对应的宽度方向具有变化的厚度。
各个定子可在宽度方向中间部分中具有最大厚度，并且在两个边缘部分中具有逐渐减小的厚度。
宽度方向中间部分与两个边缘部分的厚度比可为10:4。
各个定子中的极弧/角比可落在0.88至0.92的范围内。
各个定子中的极弧/角比可被设定为满足[式1]：
[式1]
0.88≤L1/R1≤0.92
其中L1表示设置在各个定子中的永磁体之一的长度，并且R1表示通过将永磁体所在的表面形成的圆的圆周长度除以永磁体的数量而获得的长度。
技术效果
根据本发明的有刷电机具有4个极、24个槽和2个电刷的结构。因此，该有刷电机可具有相当于2极12槽2刷结构的传统有刷电机的输出，同时减小转子的线圈和定子的尺寸。因此使得可减小有刷电机的尺寸和重量。
此外，由于有刷电机具有能够减小其尺寸和重量的结构，所以可实现空调的缩小尺寸、纤薄和重量减小。
另外，由于有刷电机具有4个极、24个槽和2个电刷的结构，所以可减小转子的线圈和定子的尺寸而不会损失旋转扭矩，因此减小转子的线圈与定子之间产生的齿槽转矩。
由于转子与定子之间的齿槽转矩可减小，所以可减小由齿槽转矩导致的转子的振动和转子的转速的波动，因此改进电机的旋转性能。
此外，由于有刷电机具有4个极、24个槽和2个电刷的结构，所以可减小转子的线圈和定子的尺寸而不会损失旋转扭矩，最终减小由于线圈与定子之间的磁场的改变而产生的纹波电流。
此外，通过减小由于线圈与定子之间的磁场的改变而产生的纹波电流，可防止由于纹波电流而产生噪声并且防止对电池以及各种电气装置的损坏。
另外，由于有刷电机具有4个极、24个槽和2个电刷的结构以优化极弧/角比(磁体宽度与极间隙之比)，所以可减小有刷电机的尺寸和重量并使由于转子与定子之间的磁场的改变而导致的齿槽转矩和纹波电流的产生最小化。
附图说明
图1是示出传统的有刷电机的配置的截面图。
图2是示出传统的有刷电机的操作示例的曲线图，其中示出电机的转矩纹波根据电的施加的改变。
图3是示出根据本发明的有刷电机的配置的侧截面图。
图4是沿着图3中的线IV-IV截取的横截面图，其详细示出根据本发明的有刷电机的主要特征。
图5是示出根据本发明的有刷电机的操作示例的曲线图，其中示出电机的转矩纹波根据电的施加的改变。
图6是示出在具有4极24槽2刷结构的DC电机中根据极弧/角比的齿槽转矩的曲线图。
图7是示出根据极弧/角比的不平衡电磁力的曲线图。
图8是从数值上总结极弧/角比在0.88至0.92的范围内时的齿槽转矩和不平衡电磁力的表。
图9是详细示出构成本发明的有刷电机的定子的立体图。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述根据本发明的有刷电机的优选实施方式。
在描述根据本发明的有刷电机的特征之前，将参照图3和图4简要描述有刷电机。
有刷电机包括圆柱形电机壳体10。定子20按照预定间隔20a安装在电机壳体10的内圆周表面上。转子30可旋转地安装在定子20内。
转子30具有按照间隔形成在其外圆周表面上的多个槽32以及按照预定间隔安装在旋转中心轴30a的外表面上的换向器34。具体地，槽32沿着转子30的圆周方向按照间隔形成。线圈36绕转子30缠绕。
有刷电机包括被安装为从电机壳体10朝着转子30的换向器34延伸的一对电刷40。电刷40与转子30的换向器34摩擦接触以间歇地向换向器34供应电力。
在有刷电机中，当通过电刷40向换向器34供应电力时，转子30的线圈36通过施加的电力被激励和去激励，以相对于定子20生成引力和斥力。转子30通过由相对于定子20的引力和斥力生成的旋转扭矩来旋转。
接下来，将参照图3至图9详细描述根据本发明的有刷电机的特征。
首先参照图3和图4，本发明的有刷电机包括设置在电机壳体10的内圆周表面上的定子20，其中定子20的数量为四个。
四个定子20按照规则的间隔20a设置在电机壳体10的内圆周表面上，并且被安装为使得S极和N极彼此交替地布置。
当缠绕在转子30上的线圈36被激励和去激励时，四个定子20在与线圈36施加引力和斥力的同时生成旋转扭矩。因此，转子30可通过生成的旋转扭矩来旋转。
本发明的有刷电机包括形成在转子30中的24个槽32以及设置在转子30的旋转中心轴30a中的24个换向器34。
由于具有这种配置的转子30具有24个换向器34和24个槽32，以使得绕槽32缠绕的线圈36的数量为24。
因此，本发明的有刷电机可形成为具有4极24槽2刷结构，包括4个定子20和24个槽32。
在具有4极24槽2刷结构的有刷电机中槽32的数量、线圈36的数量以及与之对应的定子20的数量增加。因此，在具有2极12槽2刷结构的电机的相同尺寸条件下，可增加定子20与转子30的线圈36之间生成的引力和斥力以及由此产生的旋转扭矩。
因此，即使本发明的有刷电机的尺寸和重量被设定为小于具有2极12槽2刷结构的电机的尺寸和重量，本发明的有刷电机的输出也可相当于具有2极12槽2刷结构的电机的输出。
具体地，即使定子20的尺寸和转子30的线圈36的尺寸减小，本发明的有刷电机的输出也可相当于具有2极12槽2刷结构的电机的输出。
结果，可减小有刷电机的尺寸和重量，由此可使得空调更小、更纤薄和更轻。
在具有4极24槽2刷结构的有刷电机中，槽32、线圈36和定子20的数量增加。因此，即使定子20的尺寸和转子30的线圈36的尺寸减小，本发明的有刷电机的输出也可相当于具有2极12槽2刷结构的电机的输出。
因此，由于转子30的线圈36的尺寸减小并且定子20的尺寸减小，定子20与转子30的线圈36之间产生的齿槽转矩可显著减小。具体地，与具有2极12槽2刷结构的电机相比，可显著减小转子30与定子20之间产生的齿槽转矩。
结果，可显著减小由齿槽转矩导致的转子30的振动和转子30的转速的波动，从而改进电机的旋转性能。
此外，根据具有4极24槽2刷结构的有刷电机，通过增加槽32、线圈36和定子20的数量，可减小定子20的尺寸和转子30的线圈36的尺寸而不会损失转子30与定子20之间的引力和斥力以及旋转扭矩。
因此，由于转子30的线圈36的尺寸减小以及定子20的尺寸减小，可显著减小由于线圈36与定子20之间的引力的改变以及由此产生的磁场的改变而产生的纹波电流。
具体地，即使施加到电机的电压增大以便增加风机的转速，纹波电流的幅度也可显著减小，如图5所示。
结果，可防止由纹波电流导致的噪声，并且可防止对电池和各种电气装置的损坏。
参照图4，本发明的有刷电机具有极弧/角比(意指磁体宽度与极间隙之比)为0.88至0.92的特征。
此时，定子20的极弧/角比可由[式1]定义：
[式1]
0.88≤L1/R1≤0.92
其中，L1表示设置在各个定子20中的永磁体之一的长度，R1表示通过将永磁体所在的表面形成的圆的圆周长度除以永磁体的数量n而获得的长度。
图6是示出在具有4极24槽2刷结构的DC电机中根据极弧/角比的齿槽转矩的曲线图，图7是示出根据极弧/角比的不平衡电磁力的曲线图。图8是从数值上总结极弧/角比落在0.88至0.92的范围内时的齿槽转矩和不平衡电磁力的表。
如图6和图8所示，即使具有4极24槽2刷结构的DC电机的结构相同，齿槽转矩和不平衡电磁力的特性也根据极弧/角比而变化。因此，可取的是极弧/角比被设计为落在0.88至0.92的范围内，以减小齿槽转矩和电磁力。
例如，在具有4极24槽2刷结构的DC电机的情况下，如果永磁体所形成的圆的半径被假设为5cm，则R1为(2πx5)/4＝7.85cm。因此，可取的是永磁体之一的长度L1被设计为满足6.908cm≤L1≤7.222cm。
因此，在本发明的具有优化的极弧/角比的4极24槽2刷电机中，齿槽转矩和不平衡电磁力被减小。因此，可减小在转子30的旋转期间产生的振动和噪声。结果，可改进电机的旋转性能。
参照图4和图9，根据本发明的有刷电机包括定子20，各个定子20沿着与转子30的圆周方向对应的宽度方向W具有变化的厚度t。
具体地，各个定子20的宽度方向部分当中的中间部分的厚度t1最大，并且厚度t2朝着两个边缘部分逐渐变小。
优选地，各个定子20的宽度方向部分当中的中间部分与两个边缘部分的厚度比为10:4。
这种结构的定子20具有在中间部分中最大并且朝着边缘部分变小的厚度。因此，在中间部分中磁力增加，并且磁力朝着两个边缘部分减小。
具体地，各个定子20的中间部分中的磁力增加，并且定子20之间的边界部分中的磁力减小。
因此，在转子30的旋转期间在不损失由于定子20与转子30的线圈36之间的引力和斥力而引起的转子30的旋转扭矩的同时，可显著减小由于转子30的线圈36与定子20的边界部分之间的引力的改变而产生的齿槽转矩。
结果，可显著减小由齿槽转矩导致的转子30的振动和转子30的转速的改变，从而改进电机的旋转性能。
各个定子20具有从中间部分到两个边缘部分逐渐变薄的厚度，并且具有定子20之间的边界部分中的磁力减小的结构。因此，可减小由于线圈36与定子20之间的边界部分之间的引力的改变以及由于由此产生的磁场的改变而产生的纹波电流。
结果，如图5所示，可显著减小纹波电流的幅度。这使得可防止由于纹波电流而产生噪声并且防止对电池和各种电气装置的损坏。
再参照图4，本发明的有刷电机包括用于向转子30的各个换向器34供应电力的一对电刷40。电刷40被固定地安装在电机壳体10的内圆周表面上。
具体地，电刷40与换向器34对应按照90度的间隔固定地安装在电机壳体10的内圆周表面上。
各个电刷40被配置为同时与至少两个换向器34摩擦接触。如上所述构造的各个电刷40用于对至少两个换向器34施加电力。
根据本发明的具有这种配置的有刷电机，由于定子20和转子30的线圈36的尺寸减小，所以可具有相当于具有传统2极12槽2刷结构的风机电机的输出，从而使得可减小电机的尺寸和重量。
如上所述，根据本发明的有刷电机具有4个极、24个槽和2个电刷的结构。因此，本发明的有刷电机的输出可相当于2极12槽2刷结构的传统有刷电机的输出，同时减小定子20和转子30的线圈36的尺寸。因此使得可减小有刷电机的尺寸和重量。
此外，由于有刷电机具有能够减小其尺寸和重量的结构，所以可实现空调的尺寸缩小、纤薄和重量减小。
另外，由于有刷电机具有4个极、24个槽和2个电刷的结构，所以可减小定子20和转子30的线圈36的尺寸而不会损失旋转扭矩，因此减小定子20与转子30的线圈36之间产生的齿槽转矩。
由于转子30与定子20之间的齿槽转矩可减小，所以可减小由齿槽转矩导致的转子30的振动和转子30的转速的波动，因此改进电机的旋转性能。
此外，由于有刷电机具有4个极、24个槽和2个电刷的结构，所以可减小定子20和转子30的线圈36的尺寸而不会损失旋转扭矩，最终减小由于线圈36与定子20之间的磁场的改变而产生的纹波电流。
此外，通过减小由于线圈36与定子20之间的磁场的改变而产生的纹波电流，可防止由于纹波电流而产生噪声并且防止对电池以及各种电气装置的损坏。
另外，由于有刷电机具有4个极、24个槽和2个电刷的结构以优化极弧/角比(磁体宽度与极间隙之比)，所以可减小有刷电机的尺寸和重量并减少由于转子30与定子20之间的磁场的改变而导致的齿槽转矩和纹波电流的产生。
尽管上面描述了本发明的优选实施方式，但本发明不限于上述实施方式。在不脱离权利要求中限定的本发明的范围和精神的情况下，可进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种具有4极24槽2刷结构的有刷电机，该有刷电机包括：
电机壳体(10)；
多个定子(20)，所述多个定子(20)按照间隔(20a)设置在所述电机壳体(10)的内圆周表面上；
转子(30)，所述转子(30)被可旋转地安装在所述定子(20)内；
多个换向器(34)，所述多个换向器(34)被安装在所述转子(30)的旋转中心轴(30a)上；以及
多个电刷(40)，所述多个电刷(40)被配置为向所述换向器(34)供应电力，所述转子(30)包括按照间隔形成在所述转子(30)的外圆周表面上的多个槽(32)以及缠绕在所述槽(32)中的多个线圈(36)，
其中，按照间隔设置在所述电机壳体(10)的所述内圆周表面上的所述定子(20)的数量为四个，
被配置为向所述换向器(34)供应电力的所述电刷(40)的数量为两个，
用于在通过所述电力被激励或去激励时在相对于四个定子(20)施加引力和斥力的同时生成旋转扭矩的所述转子(30)的所述槽(32)的数量为二十四个，并且
缠绕在所述槽(32)中的所述线圈(36)的数量为二十四个。
2.根据权利要求1所述的有刷电机，其中，各个所述定子(20)沿着与所述转子(30)的圆周方向对应的宽度方向(W)具有变化的厚度(t)。
3.根据权利要求2所述的有刷电机，其中，各个所述定子(20)在宽度方向中间部分中具有最大厚度(t1)，并且在两个边缘部分中具有逐渐减小的厚度(t2)。
4.根据权利要求3所述的有刷电机，其中，所述宽度方向中间部分与两个边缘部分的厚度比为10:4。
5.根据权利要求1所述的有刷电机，其中，各个所述定子(20)中的极弧/角比落在0.88至0.92的范围内。
6.根据权利要求5所述的有刷电机，其中，各个所述定子(20)中的极弧/角比被设定为满足[式1]：
[式1]
0.88≤L1/R1≤0.92
其中，L1表示设置在各个所述定子(20)中的永磁体之一的长度，并且R1表示通过将永磁体所在的表面形成的圆的圆周长度除以永磁体的数量而获得的长度。
7.根据权利要求1所述的有刷电机，其中，所述换向器(34)的数量被设定为二十四个，以与所述转子(30)的所述线圈(36)的数量对应。
8.根据权利要求1所述的有刷电机，其中，所述电刷(40)与所述换向器(34)对应固定地安装在所述电机壳体(10)中，以使得所述电刷(40)能够在与所述换向器(34)摩擦接触的同时向所述换向器供应电力，并且所述电刷(40)按照90度的间隔安装在所述电机壳体(10)的内圆周表面上。
9.根据权利要求8所述的有刷电机，其中，各个所述电刷(40)被配置为同时与至少两个换向器(34)摩擦接触，并且被配置为向至少两个换向器(34)供应电力。
10.一种用于车载空调的风机，该风机包括根据权利要求1至9中的任一项所述的有刷电机。
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