CN112271881A - 直流有刷电机及冷却风扇 - Google Patents

Abstract

直流有刷电机，涉及到发动机冷却风扇领域，包括定子、转子和电刷组件，定子包括壳体和设置在壳体内部的2n对磁极；转子包括转轴、固定在转轴上的钩型换向器和导磁体、缠绕在导磁体内并与钩型换向器的挂钩电连接的绕线组；钩型换向器上每间隔180°的两个挂钩通过导体电连接；电刷组件相对于壳体固定，电刷组件包括绝缘板和固定在绝缘板上的n对电刷；通过将钩型换向器上每间隔180°的两个所述挂钩通过导体电连接，相比于n对磁极，n对电刷的传统设置，本方案增加磁极对数为2n对的情况下，电刷对数依旧仅需要n对，不仅不用改变转子的内部结构，并且减少绕线组铜线的用量，能够实现整个电机更高效率的输出，有利于降低功耗。

Description

直流有刷电机及冷却风扇

技术领域

本发明涉及到发动机冷却风扇领域，具体为一种冷却风扇及驱动该冷却风扇的直流有刷电机。

背景技术

冷却风扇一般运用在汽车发动力内，但是因汽车发动机舱内部空间紧凑，所以要求冷却风扇电机的轴向长度尽可能短；因此受环境件限制，冷却风扇电机的外形呈扁平结构，同时，考虑到有刷电机的内部结构，目前常见的设计只能采用四个(两对)电刷的设计方式，四个电刷按360°均匀分布，为了配合电刷对数的设计，以实现电机的平稳运行，在定子上设置的磁极对数与电刷对数相同，即同样的设置四个(两对)磁极的设计方式。

以上设计为目前最为常见的冷却风扇电机的结构布置方式，同时相关的设计工程师也在不断的努力，希望能够进一步优化电机的布置结构，在提升电机运转的平稳性的同时提高电机的工作效率。

发明内容

针对现有技术中冷却风扇电机的结构布置方式，本发明在现有的基础上进一步设计改进，在不改变电机外形结构的情况下，进一步提升电机的工作效率，降低功耗。

本发明提出的技术方案如下：

直流有刷电机，包括定子、转子和电刷组件，所述定子包括壳体和设置在所述壳体内部的2n对磁极；所述转子包括转轴、固定在所述转轴上的钩型换向器和导磁体、缠绕在所述导磁体内并与所述钩型换向器的挂钩电连接的绕线组；所述钩型换向器上每间隔180°的两个所述挂钩通过导体电连接；所述电刷组件相对于所述壳体固定，所述电刷组件包括绝缘板和固定在所述绝缘板上的n对电刷；所述电刷与所述钩型换向器的换向片接触电导通，使得所述转子在所述定子内旋转转动。

进一步的，所述壳体包括壳体包括具有容腔的底座和设在底座另一端的端盖，所述磁极设置在所述容腔内并贴着所述底座的侧壁等间隔分布；所述转子设置在所述容腔内；所述底座的侧壁的上端面设有向上凸出的凸缘，所述端盖上设有与所述凸缘相对应的插接孔，所述端盖通过所述凸缘、插接孔的配合实现与所述底座的固定安装。

进一步的，所述绝缘板上面向所述钩型换向器的一端设有与所述电刷个数相等的安装盒，每个所述电刷可滑动的安装在所述安装盒内；所述电刷与所述安装盒的尾部之间还设有弹性体，所述弹性体的两端分别与所述电刷、安装盒连接使得所述电刷与所述安装盒弹性抵接。

进一步的，所述导磁体包括环体和设置在所述环体外圆壁的绕齿，所述绕齿呈辐射状向外延伸，每相邻的两个所述绕齿形成大小相同的绕线槽，所述绕线组缠绕在多个所述绕齿上。

进一步的，所述环体的中心处设有固定部，所述固定部的上表面低于所述环体的上表面以形成一凹腔，所述凹腔用于容纳所述换向器。

进一步的，所述环体与所述固定部一体成型。

采用本技术方案所达到的有益效果为：

通过将钩型换向器上每间隔180°的两个所述挂钩通过导体电连接，相比于n对磁极n对电刷的传统设置，本方案增加磁极对数为2n对的情况下，电刷对数依旧仅需要n对，即在减少绕线组铜线用量的情况下，增加磁极对数而不用进一步的增加电刷对数，不仅不用改变转子的内部结构，对于降低企业的成本有极大的促进作用，还能够实现整个电机更高效率的输出，有利于降低功耗。

本方案还提出了一种装有上述有刷电机的冷却风扇，该冷却风扇还包括叶轮，所述叶轮固定在所述有刷电机的转子的转轴上，通过有刷电机驱动叶轮实现叶轮的转动。

附图说明

图1为有刷电机与叶轮的配合示意框图。

图2为有刷电机的爆炸结构图。

图3为转子结构的爆炸图。

图4为钩型换向器的立体结构图。

图5为电刷组件的结构图。

图6为现有的两对磁极和两对电刷的布置结构图。

图7为本方案中提出的四对磁极、两对电刷的布置结构图。

图8为四片磁瓦形成的四对磁极结构图。

图9为传统绕线组跨槽数的示例图。

其中：10定子、11壳体、11-1底座、11-2端盖、11-3凸缘、11-4插接孔、12磁极、20转子、21转轴、22钩型换向器、23导磁体、23-1环体、23-2绕齿、23-3固定部、30电刷组件、31绝缘板、32电刷、33安装盒、34弹性体、100叶轮、200电机、221导体。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本方案提出了一种冷却风扇，参见图1，该冷却风扇包括有叶轮100和驱动该叶轮100转动的直流有刷电机200。

其中，参见图2-图5，直流有刷电机200包括定子10和可相对于该定子10转动的转子20；其中定子10包括壳体11和设置在壳体11内部的2n对磁极12；转子20包括转轴21、固定在转轴21上的钩型换向器22和导磁体23、缠绕在导磁体23内并与钩型换向器22的挂钩依次电连接的绕线组(未画出)，绕线组之间相互连通；本实施例中，为了进一步的提升电机200的输出效率，提升电机200工作的稳定性，将钩型换向器22上每间隔180°的两个挂钩通过导体221电连接。

需要说明的是：导体221表面是有绝缘漆层的，当和挂钩进行电焊接时，其表层的绝缘漆层在大焊接电流下会融化，并与挂钩焊接一体，所以导体221通过挂钩、换向片和绕线组进行导通；但导体221除了和挂钩焊接部分外，缠绕在钩型换向器底部的其他部分都是各自绝缘的。

可选的，钩型换向器22的底部还有一圆凸台，该圆凸台与挂钩之间形成有一环槽，这里的环槽用于引导导体221的缠绕，达到方便绕线的目的。

参见图3，本方案设计的导磁体23包括环体23-1和设置在环体23-1外圆壁的绕齿23-2，该绕齿23-2呈辐射状向外延伸，每相邻的两个绕齿23-2形成大小相同的绕线槽，绕线组缠绕在多个绕齿23-2上。

传统的冷却风扇电机设置的导磁体23的绕齿23-2个数一般为二十个绕齿，并且每个绕线组需要横跨五个绕线槽，参见图9，图9中只展示了两组绕线组作为示例。

这样的设计方式裸露在绕齿23-2上端面和下端面的铜线较长，而露出的这部分铜线是和磁场方向平行，无法产生磁场力，所以不能输出机械能；通过统计分析，露出在绕齿上下两端部分的铜线占到了总绕线组铜线长度的60～80％，而嵌入在绕线槽中占总长度的20％～40％；这是因为主机厂不希望发动机舱太长，这样占用了乘客舱的空间，所以对冷却风扇电机的轴向尺寸要求尽量小，而外形越扁平越好，轴向尺寸和直径的比值越小，导致露出铜线和镶嵌在导磁体的比例就越高，这就造成了铜线的浪费；所以本方案在将导磁体的绕齿23-2增加到二十四个，同时让绕线组只横跨三个绕线槽。

通过以上设置，绕线组的跨槽数由传统的五个绕线槽降低到三个绕线槽，有效的减少了裸露铜线的长度，至少节约了20％～30％铜线成本投入。

可选的，在环体23-1的中心处设有固定部23-3，固定部23-3的上表面低于环体23-1的上表面以形成一凹腔，这里的凹腔用于容纳钩型换向器22。

可选的，环体23-1与固定部23-3一体成型。

定子10上还安装有电刷组件30，具体的，电刷组件30相对于壳体11固定，电刷组件30包括绝缘板31和固定在绝缘板31上的n对电刷32；电刷32与钩型换向器22的换向片接触电导通，使得转子20在定子10内旋转转动。

通过减少绕线组中铜线的跨槽数，同时将钩型换向器22上每间隔180°的两个挂钩通过导体221电连接，使得实际设置的电刷32的对数始终等于磁极12对数的一半，不仅不用过多的改变改造电机的内部结构，还能够实现整个电机更高效率的输出，有利于降低功耗。

下面以具体的实施例来进行对比说明。

目前市场上的冷却风扇电机普遍的设计，采用的磁极12和电刷32个数和对数是相等的，数目通常都是四个(两对)，为了实现对称性，所有磁极12和电刷32按360°均匀分布开来，参见图6，所以按照现有电机的结构设计，电流从正极分流流向电刷A1、电刷A2,然后分别经过绕线组(这里为了简便说明，图中通过设置椭圆来代表绕线组)，经过绕线组的电流同时达到电刷B1、电刷B2，最后流向负极；电流的流动将使得转子20相对于定子10转动。

按照传统的设计方式，绕线组中铜线的跨槽数的减少，需要将定子10中的磁极对数由现有的两对磁极12增加到四对磁极12，为了实现电路的平衡，保证电机转子20的平稳输出，同样的应该将传统的两对电刷32增加到四对电刷32，并保证电刷32与正负极的连接应该呈交错式布置连接，即若是其中一个电刷与正极连接，则与该电刷相邻的另外两个电刷就与负极相连。

但是在实际的结构布置中，因为受发动机仓空间限制，对电机直径的大小也有一定限制，径向布置四对电刷很难排布下来。因此本方案中，磁极12由两对增加到四对，同时通过将钩型换向器22上每间隔180°的两个挂钩通过导体221电连接，通过此导体221使每间隔180°的两个挂钩是相互导通的，即当其中一个挂钩与电刷通电后会就将电流通过导体221直接引导到相隔180°的挂钩上，由此减少了其本来位置需存在的电刷，从而形成电路的平衡。

下面以具体的实施例对本方案所形成的电流流向进行说明，参见图7，为了简便，图中只设置了电刷的一种位置布置方式，同时为了便于说明电流的具体流向，将换向器的挂钩进行逆时针编号，即⑥、

其余的数字虽然未标注，但是应当理解为是从①到

号逆时针进行编排的。

参见图7，正极电流经过分流分别流向电刷A1和电刷A2,再从B1和B2电刷流出；流向电刷A1的电流达到2号挂钩后，因为拥有了导体221，电流将会分成三路分流：

第一路：电刷A1→②号挂钩→经过右边绕线组→

号挂钩→电刷B1→电源负极；

第二路：电刷A1→②号挂钩→经过左边绕线组→⑤号挂钩→导体→达到与⑤号挂钩180°间隔的

号挂钩→电刷B2→电源负极；

第三路：电刷A1→②号挂钩→导体→达到与②号挂钩180°间隔的

号挂钩→经过右边绕线组→

号挂钩→电刷B2→电源负极；

需要注意的是，在第三路电路中还有一段支路，即电刷A1→②号挂钩→导体→达到与②号挂钩180°间隔的

号挂钩→经过左边绕线组→

号挂钩→导体→达到与

号挂钩180°间隔的

号挂钩→电刷B1→电源负极。

同理的，流向电刷A2的电流达到⑧号挂钩后，因为拥有了导体的存在，电流将会分成三路分流，分流方式与电刷A1的分流方式相通，这里不再赘述。

可得知，本方案采用将钩型换向器22上每间隔180°的两个挂钩通过导体221电连接，使得每间隔180°的两个挂钩是相互导通的，即当其中一个挂钩与电刷通电后会就将电流通过导体221直接引导到相隔180°的挂钩上，等同于每个电刷的180°正对方向拥有一个虚拟的电刷；这样使得实际电刷对数加上虚拟电刷对数就和设置的磁极对数相同，但是实际设置的电刷对数将始终为磁极对数的一半。

需要注意的是，这里对实际电刷的位置进行布置的时候，需要考虑上文提及的虚拟电刷，即在分布排列时依旧需要遵循相邻电刷的电极相反的规则；比如在图7中，电刷A2的左右两侧为虚拟电刷，为了保证输出的稳定性，电刷A2与电源正极相接时，其两侧的虚拟电刷应该是与电源负极相通。

通过采用将钩型换向器22上每间隔180°的两个挂钩通过导体221电连接的设计方式，这样在减少绕线组中铜线的跨齿数，从而减少铜线的用量的同时，增加磁极对数而不用增加电刷对数，这样设置不仅在现有基础上提升了电机的输出效率，降低了功耗，还降低企业的成本投入。

需要说明的是，这里所描述的导体221为可以导电的部件，可以是导线，也可以是导电片等，本实施例中，为了装配的方便，优先采用导线作为导体221实现相隔180°的两个挂钩电导通。

同时，本实施例中对磁极对数的具体布置方式做出了设计，参见图7-图8，即本实施例中的每片磁瓦是采用永磁体材料压制烧结后制成，再使用冲磁设备使磁瓦产生永久磁化，形成磁场；充磁设备使得每片磁瓦磁化后内弧的表层在圆周方向上，一部分是N极，一部分S极；这样只需要设置四片磁瓦，并将四片磁瓦按均匀分布的角度，装配到壳体11中形成磁极12，但须使得四片磁瓦之间的S极和N极交错分布：即N,S,N,S,N,S,N,S或S,N,S,N,S,N,S,N；从而形成四对磁极。

本实施例中，还对电机的壳体11做出了进一步的优化，参见图2，即壳体11包括具有容腔的底座11-1和设在底座11-1另一端的端盖11-2，磁极12就设置在容腔内并贴着底座11-1的侧壁等间隔分布；转子设置在容腔内；在底座11-1的侧壁的上端面设有向上凸出的凸缘11-3，同时端盖11-2上设有与凸缘11-3相对应的插接孔11-4，凸缘11-3与插接孔11-4的配合，使得端盖11-2与底座11-1的能够实现快速且稳定的安装。

可选的，参见图5，在绝缘板31上面向钩型换向器22的一端设有与电刷32个数相等的安装盒33，每个电刷32可滑动的安装在安装盒33内；同时在电刷32与安装盒33的尾部之间还设有弹性体34，该弹性体34的两端分别与电刷32、安装盒33连接使得电刷32与安装盒33弹性抵接。

同时利用该弹性体34可以保证电刷32与钩型换向器22换向片的弹性接触，使得两者之间始终拥有一定的弹性缓冲力，以保证电流的稳定传输。

本实施例中，这里提及的弹性体34具体为弹簧。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.直流有刷电机，包括定子(10)、转子(20)和电刷组件(30)，所述定子(10)包括壳体(11)和设置在所述壳体(11)内部的2n对磁极(12)；所述转子(20)包括转轴(21)、固定在所述转轴(21)上的钩型换向器(22)和导磁体(23)、缠绕在所述导磁体(23)内并与所述钩型换向器(22)的挂钩电连接的绕线组，绕线组之间相互导通；其特征在于，所述钩型换向器(22)上每间隔180°的两个所述挂钩通过导体(221)电连接；所述电刷组件(30)相对于所述壳体(11)固定，所述电刷组件(30)包括绝缘板(31)和固定在所述绝缘板(31)上的n对电刷(32)；所述电刷(32)与所述钩型换向器(22)的换向片接触电导通，使得所述转子(20)在所述定子(10)内旋转转动。

2.根据权利要求1所述的直流有刷电机，其特征在于，所述壳体(11)包括壳体(11)包括具有容腔的底座(11-1)和设在底座(11-1)另一端的端盖(11-2)，所述磁极(12)设置在所述容腔内并贴着所述底座(11-1)的侧壁等间隔分布；所述转子(20)设置在所述容腔内；所述底座(11-1)的侧壁的上端面设有向上凸出的凸缘(11-3)，所述端盖(11-2)上设有与所述凸缘(11-3)相对应的插接孔(11-4)，所述端盖(11-2)通过所述凸缘(11-3)、插接孔(11-4)的配合实现与所述底座(11-1)的固定安装。

3.根据权利要求1所述的直流有刷电机，其特征在于，所述绝缘板(31)上面向所述钩型换向器(22)的一端设有与所述电刷(32)个数相等的安装盒(33)，每个所述电刷(32)可滑动的安装在所述安装盒(33)内；所述电刷(32)与所述安装盒(33)的尾部之间还设有弹性体(34)，所述弹性体(34)的两端分别与所述电刷(32)、安装盒(33)连接使得所述电刷(32)与所述安装盒(33)弹性抵接。

4.根据权利要求1所述的直流有刷电机，其特征在于，所述导磁体(23)包括环体(23-1)和设置在所述环体(23-1)外圆壁的绕齿(23-2)，所述绕齿(23-2)呈辐射状向外延伸，每相邻的两个所述绕齿(23-2)形成大小相同的绕线槽，所述绕线组缠绕在多个所述绕齿(23-2)上。

5.根据权利要求4所述的直流有刷电机，其特征在于，所述环体(23-1)的中心处设有固定部(23-3)，所述固定部(23-3)的上表面低于所述环体(23-1)的上表面以形成一凹腔，所述凹腔用于容纳所述钩型换向器。

6.根据权利要求5所述的直流有刷电机，其特征在于，所述环体(23-1)与所述固定部(23-3)一体成型。

7.一种冷却风扇，其特征在于，包括叶轮(100)和如权利要求1、2、3、6任一项所述的有刷电机(200)，所述叶轮(100)固定在所述有刷电机(200)的转轴(21)上。

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