CN113346651A - 空心杯电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空心杯电机，其包括转子组件和定子组件，所述转子组件包括线圈和电机轴，所述定子组件包括机壳和第一磁钢组件，所述线圈位于所述机壳内，所述第一磁钢组件套设在所述机壳外，所述电机轴穿过所述线圈，且所述电机轴可带动所述线圈以所述电机轴的中轴线为转动轴相对所述第一磁钢组件转动，所述第一磁钢组件的极性按照海尔贝克阵列组合排列，且所述第一磁钢组件沿所述电机轴的中轴线方向两端的磁力线将所述第一磁钢组件沿所述电机轴的中轴线方向中部的磁力线约束在所述线圈的磁力线切割的有效区域内；本发明能够有效提升空心杯电机的性能，以满足微型电机高性能的制造要求。
Description
技术领域
本发明涉及电机制造技术领域，尤其涉及一种空心杯电机。
背景技术
现有空心杯电机结构中，磁钢的充磁方式为单向充磁，其磁极方向十分单一，其磁场强度沿轴向的强度是均匀分布的，但是，线圈本身是具有磁力线切割有效区域和无效区域。由于磁钢的磁场强度沿轴向的强度是均匀分布的，使得磁钢相当一部分的磁力线作用在无效区域，导致磁场过剩，磁场过剩的部分不能提升电机的效能，磁钢产生无效磁力线的部分也无疑增加了电机的整体重量，严重制约了空心杯电机的轻量化。且当需要提升电机的转速时，就需要增大磁钢的体积，这不仅会增大空心杯电机的整体体积，而且会进一步增大磁钢的无用磁力线部分，还会增大磁钢的重量，容易导致空心杯电机结构不稳定。
发明内容
本发明的目的是提供一种空心杯电机，其能够有效提升空心杯电机的性能，以满足微型电机高性能的制造要求。
为了实现上有目的，本发明公开了一种空心杯电机，其包括转子组件和定子组件，所述转子组件包括线圈和电机轴，所述定子组件包括机壳和第一磁钢组件，所述线圈位于所述机壳内，所述第一磁钢组件套设在所述机壳外，所述电机轴穿过所述线圈，且所述电机轴可带动所述线圈以所述电机轴的中轴线为转动轴相对所述第一磁钢组件转动，所述第一磁钢组件的极性按照海尔贝克阵列组合排列，且所述第一磁钢组件沿所述电机轴的中轴线方向两端的磁力线将所述第一磁钢组件沿所述电机轴的中轴线方向中部的磁力线约束在所述线圈的磁力线切割的有效区域内。
与现有技术相比，本发明的第一磁钢组件套设在所述机壳外，电机轴可带动所述线圈以所述电机轴的中轴线为转动轴相对所述第一磁钢组件转动，通过改变流经线圈电流的方向以切割第一磁钢组件的内部磁场而实现转动，该第一磁钢组件的极性按照海尔贝克阵列组合排列，且第一磁钢组件沿电机轴的中轴线方向两端的磁力线将第一磁钢组件沿电机轴的中轴线方向中部的磁力线约束在线圈的磁力线切割的有效区域内，通过海尔贝克阵列组合排列的方式将第一磁钢组件的磁极设置为多样化，以使第一磁钢组件的磁场强度沿轴向分布且方向为径向的磁场被集中约束在线圈的磁力线切割的有效区域内，有效减少第一磁钢组件的磁力线落入线圈的磁力线切割的无效区域内的部分，有效降低磁场过剩率，从而实现在不增加磁钢重量和电机外径的情况下，有效提升空心杯电机的性能，以满足微型电机高性能的制造要求。
较佳地，所述第一磁钢组件包括依次连接的第一约束磁钢、第一有效磁钢和第二约束磁钢，所述第一约束磁钢和第二约束磁钢分别呈圆环状设置，所述第一有效磁钢呈环形圆柱状设置，所述第一约束磁钢包括第一半圆环磁钢和第二半圆环磁钢，所述第一半圆环磁钢和第二半圆环磁钢对接连接形成所述第一约束磁钢，所述第二约束磁钢包括第三半圆环磁钢和第四半圆环磁钢，所述第三半圆环磁钢和第四半圆环磁钢对接连接形成所述第二约束磁钢，所述第一半圆环磁钢和第三半圆环磁钢分别设于所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的两端，所述第二半圆环磁钢和第四半圆环磁钢分别设于所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的两端。
具体地，所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分与径向下半部分的极性相反；
所述第一半圆环磁钢和第三半圆环磁钢靠近所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的一端的极性分别与所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的极性一致；
所述第一半圆环磁钢和第三半圆环磁钢远离所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的一端的极性分别与所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的极性相反；
所述第二半圆环磁钢和第四半圆环磁钢靠近所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的一端的极性分别与所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的极性一致；
所述第二半圆环磁钢和第四半圆环磁钢远离所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的一端的极性分别与所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的极性相反。
较佳地，所述定子组件还包括设于所述线圈内的第二磁钢组件，所述第二磁钢组件包括第三约束磁钢、第二有效磁钢和第四约束磁钢，所述第三约束磁钢和第四约束磁钢分别呈圆环状设置，所述第二有效磁钢呈环形圆柱状设置，所述第三约束磁钢包括第五半圆环磁钢和第六半圆环磁钢，所述第五半圆环磁钢和第六半圆环磁钢对接连接形成所述第三约束磁钢，所述第四约束磁钢包括第七半圆环磁钢和第八半圆环磁钢，所述第七半圆环磁钢和第八半圆环磁钢对接连接形成所述第四约束磁钢，所述第五半圆环磁钢和第七半圆环磁钢分别设于所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的两端，所述第六半圆环磁钢和第八半圆环磁钢分别设于所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的两端。
具体地，所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分与径向下半部分的极性相反，且所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分与所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的极性相反，所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分与所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的极性相反；
所述第五半圆环磁钢和第七半圆环磁钢靠近所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的一端的极性分别与所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的极性一致；
所述第五半圆环磁钢和第七半圆环磁钢远离所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的一端的极性分别与所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的极性相反；
所述第六半圆环磁钢和第八半圆环磁钢靠近所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的一端的极性分别与所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的极性一致；
所述第六半圆环磁钢和第八半圆环磁钢远离所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的一端的极性分别与所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的极性相反。
较佳地，所述第一有效磁钢和第二有效磁钢沿垂直于所述电机轴的中轴线方向的投影完全落入所述线圈的磁力线切割的有效区域内。
较佳地，所述第一有效磁钢和第二有效磁钢沿垂直于所述电机轴的中轴线方向的投影完全落入所述线圈沿垂直于所述电机轴的中轴线方向的投影内。
较佳地，所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的长度等于所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的长度。
较佳地，所述第一有效磁钢和第二有效磁钢沿垂直于所述电机轴的中轴线方向的长度相等，且所述第一有效磁钢和第二有效磁钢沿垂直于所述电机轴的中轴线方向的长度等于所述线圈沿垂直于所述电机轴的中轴线方向的长度。
较佳地，所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的长度分别大于所述第一约束磁钢和第二约束磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的长度；
所述第一约束磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的长度等于所述第二约束磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的长度；
所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的长度分别大于所述第三约束磁钢和第四约束磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的长度；
所述第三约束磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的长度等于所述第四约束磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的长度。
较佳地，所述第一磁钢组件和第二磁钢组件呈环形圆柱状设置，所述第一磁钢组件包括多个第一磁钢单体，所有第一磁钢单体沿所述电机轴的径向共同围成所述第一磁钢组件；所述第二磁钢组件包括多个第二磁钢单体，所有第二磁钢单体沿所述电机轴的径向共同围成所述第二磁钢组件。
较佳地，所述定子组件还包括用于盖合所述机壳的开口端的端盖，所述转子组件还包括轴承、轴承套、振子、整流子组件、电刷组件和导线，所述轴承固定连接所述机壳，至少两所述轴承间隔套设在所述电机轴上，所述轴承套通过所有轴承套设在所述电机轴上，所述第一磁钢组件通过所述轴承套套设在所述电机轴上，所述电机轴的一端通过所述整流子组件转动地连接所述端盖，另一端可转动地穿出所述机壳的密封端并连接所述振子，所述振子呈偏心结构设置，所述线圈连接所述整流子组件，所述电机轴转动以带动所述线圈同步转动，所述电刷组件设于所述端盖内，两所述导线分别穿过所述端盖，且两所述导线中的一者电连接所述电刷组件的正极端，另一者电连接所述电刷组件的负极端。
附图说明
图1是本发明第一实施例的空心杯电机的结构示意图；
图2是图1的分解示意图；
图3是图1的剖视图；
图4是本发明的第一磁钢组件的分解示意图；
图5是本发明的第一磁钢组件的磁力线分布示意图；
图6是本发明的第一磁钢组件与线圈的位置状态示意图；
图7是本发明的第一磁钢组件沿电机轴的中轴线方向呈两段设置时的极性分布图；
图8是本发明的第一磁钢组件沿电机轴的中轴线方向呈四段设置时的极性分布图；
图9是本发明的第一磁钢组件沿电机轴的中轴线方向呈五段设置时的极性分布图；
图10是本发明第二实施例的空心杯电机的分解示意图；
图11是本发明第二实施例的空心杯电机的剖视图；
图12是本发明的第二磁钢组件的分解示意图
图13是本发明的第二磁钢组件的磁力线分布示意图；
图14是本发明的第二磁钢组件与线圈的位置状态示意图；
图15是本发明的第一磁钢组件、线圈和第二磁钢组件的位置关系示意图；
图16是图15的俯视图；
图17是本发明的线圈在第一磁钢组件和第二磁钢组件的磁力线共同作用下的状态示意图；
图18是本发明的第二磁钢组件沿电机轴的中轴线方向呈两段设置时的极性分布图；
图19是本发明的第二磁钢组件沿电机轴的中轴线方向呈四段设置时的极性分布图；
图20是本发明的第二磁钢组件沿电机轴的中轴线方向呈五段设置时的极性分布图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
第一实施例
请参阅图1-图3所示，本实施例的空心杯电机包括定子组件和转子组件，其中，转子组件包括线圈11和电机轴12，定子组件包括机壳21和第一磁钢组件22，第一磁钢组件22通过诸如粘合等方式套设在机壳21上。电机轴12穿过线圈11，且电机轴12可带动线圈11以电机轴12的中轴线为转动轴相对第一磁钢组件22转动，以实现电机轴12和线圈11的同步转动。此时，线圈11位于第一磁钢组件22的内部磁场内，通过改变流经线圈11电流的方向以切割第一磁钢组件22的内部磁场而实现转动，通过改变流经线圈11的电流方向和大小，以实现该空心杯电机的转速调整和正、反转调整。
可以理解的是，本实施例的线圈11为六边环状柱结构的线圈11，当然，在其他实施方式中，线圈11可以为其他多边环状柱结构的线圈11，在此不做限定。
第一磁钢组件22的极性按照海尔贝克阵列(Ha l bach Array)组合排列，且第一磁钢组件22沿电机轴12的中轴线方向两端的磁力线将第一磁钢组件22内部沿电机轴12的中轴线方向中部的磁力线约束在线圈11的磁力线切割的有效区域内。海尔贝克阵列是一种磁体结构，是工程上的近似理想结构，目标是用最少量的磁体产生最强的磁场。本实施例利用海尔贝克阵列将第一磁钢组件22内部的大部分磁力线集中约束在线圈11的磁力线切割的有效区域内，以减小第一磁钢组件22内部的磁力线落入线圈11的磁力线切割的无效区域内，以增大同一体积下的第一磁钢组件22的磁力线效能，从而在轻微增加磁钢重量和电机外径的情况下，有效提升空心杯电机的性能，以满足微型电机高性能的制造要求。
需要说明的是，磁钢一般是指铝镍钴合金(磁钢在英文中Al Ni Co即铝镍钴的缩写)，磁钢是由几种硬的强金属，如铁与铝、镍、钴等合成，有时是铜、铌、钽合成，用来制作超硬度永磁合金。磁钢能产生磁力线(也叫磁场)，磁力线是一种虚拟的物理概念，是指传递实物间磁力作用的场。磁场具有波粒的辐射特性。磁钢周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的，所以两磁钢不用在物理层面接触就能发生作用。
请参阅图4和图5所示，本实施例的第一磁钢组件22呈环形圆柱状设置，第一磁钢组件22沿电机轴12的中轴线方向呈三段设置。该第一磁钢组件22包括依次连接的第一约束磁钢221、第一有效磁钢222和第二约束磁钢223，第一约束磁钢221、第一有效磁钢222和第二约束磁钢223为独立制成的磁块，并依次粘合形成一体式结构的第一磁钢组件22。
第一约束磁钢221和第二约束磁钢223分别呈圆环状设置，第一有效磁钢222呈环形圆柱状设置，第一约束磁钢221包括第一半圆环磁钢2211和第二半圆环磁钢2212，第一半圆环磁钢2211和第二半圆环磁钢2212对接连接形成第一约束磁钢221，相应地，第一半圆环磁钢2211和第二半圆环磁钢2212为独立制成的磁块，并对接粘合形成一体式结构的第一约束磁钢221。
第二约束磁钢223包括第三半圆环磁钢2231和第四半圆环磁钢2232，第三半圆环磁钢2231和第四半圆环磁钢2232对接连接形成第二约束磁钢223，相应地，第三半圆环磁钢2231和第四半圆环磁钢2232为独立制成的磁块，并对接粘合形成一体式结构的第二约束磁钢223。
第一半圆环磁钢2211和第三半圆环磁钢2231分别通过粘合的方式设于第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分的两端，第二半圆环磁钢2212和第四半圆环磁钢2232分别通过粘合的方式设于第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的径向下半部分的两端。
具体地，该第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分与径向下半部分的极性相反。本实施例中，第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分的极性为N极，径向下半部分的极性为S极。
此时，第一有效磁钢222的环形柱状结构的柱内如图5所示的产生沿电机轴12的径向向下的磁力线，该磁力线作用在线圈11的有效磁力线切割的有效区域内，通过改变线圈11的电流方向以实现线圈11的转动。
第一半圆环磁钢2211和第三半圆环磁钢2231靠近第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分的一端的极性分别与第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分极性一致。本实施例中，第一半圆环磁钢2211和第三半圆环磁钢2231分别靠近第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分的一端的极性均为N极。
第一半圆环磁钢2211和第三半圆环磁钢2231远离第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分的一端的极性分别与第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分的极性相反。本实施例中，第一半圆环磁钢2211和第三半圆环磁钢2231分别远离第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分的一端的极性均为S极。
第二半圆环磁钢2212和第四半圆环磁钢2232靠近第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的径向下半部分的一端的极性分别与第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的径向下半部分的极性一致。本实施例中，第二半圆环磁钢2212和第四半圆环磁钢2232分别靠近第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的径向下半部分的一端的极性均为S极。
第二半圆环磁钢2212和第四半圆环磁钢2232远离第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的径向下半部分的一端的极性分别与第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的径向下半部分的极性相反。本实施例中，第二半圆环磁钢2212和第四半圆环磁钢2232分别远离第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的径向下半部分的一端的极性均为N极。
通过上述设置，第一磁钢组件22环形柱结构的内部磁力线分布情况如图5所示，由于磁力线具有闭合回路特性和永不相交特性，因此，此时的第一有效磁钢222的环形柱状内部产生的磁力线能够分别被第一约束磁钢221和第二约束磁钢223的环形柱状内部产生的磁力线约束，并在集中约束在第一有效磁钢222的径向方向所在区域，而由于线圈11一般临近第一磁钢组件22，合理设置第一磁钢组件22和线圈11的相对位置，能够使第一有效磁钢222产生的磁力线被集中约束的区域完全落入线圈11的磁力线切割的有效区域内，从而能够在理论上实现第一有效磁钢222磁力线的最大利用率。
值得注意的是，在其他优选方式中，第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分的极性为S极，第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的径向下半部分的极性为N极，此时，第一半圆环磁钢2211、第二半圆环磁钢2212、第三半圆环磁钢2231和第四半圆环磁钢2232的各部分极性需要作对应修改，在此不做赘述。
需要说明的是，充磁能够使磁性物质磁化或使磁性不足的磁体增加磁性。一般是把要充磁的可带磁性物体放在有直流电通过的线圈11所形成的磁场里以进行充磁操作。实际操作时，第一磁钢组件22需要具有较大磁性，满足本实施例的空心杯电机的正常运转。另外，本实施例的所有磁钢的充磁方式均为单向充磁。
请参阅图6所示，为了实现第一有效磁钢222在理论上磁力线的最大利用率，本实施例对第一磁钢组件22和线圈11的相对位置进行了进一步的优化：
具体地，该第一有效磁钢222沿垂直于电机轴12的中轴线方向的投影完全落入线圈11的磁力线切割的有效区域内，以使第一有效磁钢222产生的磁力线被集中约束的区域完全落入线圈11的磁力线切割的有效区域内，从而能够在理论上实现第一有效磁钢222磁力线的最大利用率。
进一步地，第一有效磁钢222沿垂直于电机轴12的中轴线方向的投影完全落入线圈11沿垂直于电机轴12的中轴线方向的投影内。经实验测得，以特定绕制方法制得的线圈11，其磁力线切割的有效区域理论上能够接近100％，此时，线圈11的磁力线切割的有效区域即为线圈11沿垂直于电机轴12的中轴线方向的投影，而将第一有效磁钢222沿垂直于电机轴12的中轴线方向的投影完全落入线圈11沿垂直于电机轴12的中轴线方向的投影内，具体地，图6示出了当第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的长度等于线圈11沿电机轴12的中轴线方向的长度时，即可获得了磁力线切割的有效区域具有最大利用率的有益效果，此时，第一约束磁钢221和第二约束磁钢223沿电机轴12的中轴线方向的投影分别位于线圈11沿电机轴12的中轴线方向的投影外。
更进一步地，为了进一步降低本实施例的空心杯电机沿电机轴12的中轴线方向的整体长度，第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的长度分别大于第一约束磁钢221和第二约束磁钢223沿电机轴12的中轴线方向的长度。实际上，第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的长度占比应该尽量大，在确保第一约束磁钢221和第二约束磁钢223能够将第一有效磁钢222产生的磁力线集中约束在第一有效磁钢222的径向方向所在区域后再往外扩散的前提下，第一约束磁钢221和第二约束磁钢223沿电机轴12的中轴线方向的长度应该尽量减小，以缩小空心杯电机沿电机轴12的中轴线方向的整体长度。
请参阅图1-图3所示，本实施例的定子组件还包括用于盖合机壳21的开口端的端盖24，转子组件还包括轴承13和轴承套14，轴承13固定连接机壳21，至少两轴承13间隔套设在电机轴12上，轴承套14通过所有轴承13套设在电机轴12上，第一磁钢组件22通过轴承套14套设在电机轴12上，电机轴12的一端转动地连接端盖24，另一端可转动地穿出机壳21的密封端。
较佳地，转子组件还包括振子15、整流子组件16、电刷组件17和导线18，振子15呈偏心结构设置，振子15通过铆接的方式设于电机轴12穿出机壳21的密封端的一端，电机轴12通过整流子组件16转动连接端盖24，该整流子组件16安装在端盖24上，线圈11粘合固定在整流子组件16上，电机轴12转动时，带动线圈11、整流子组件16和振子15同步转动。电刷组件17通过嵌入的方式设于端盖24内，两导线18分别穿过端盖24，且两导线18中的一者电连接电刷组件17的正极端，另一者电连接电刷组件17的负极端。
值得注意的是，本实施例的第一磁钢组件22沿电机轴12的中轴线方向呈三段设置，在其他优选方式中，第一磁钢组件22沿电机轴12的中轴线方向呈两段设置、四段设置或五段设置等，图7-图9分别给出了第一磁钢组件22沿电机轴12的中轴线方向呈两段设置、四段设置和五段设置时的极性分布图。在确保第一磁钢组件22产生的磁力线能够将第一磁钢组件22的大部分磁力线集中约束在线圈11的磁力线切割的有效区域内，以减小第一磁钢组件22的磁力线落入线圈11的磁力线切割的无效区域内，以增大同一体积下的第一磁钢组件22的磁力线效能的前提下，不对第一磁钢组件22沿电机轴12的中轴线方向的分段数量进行限制。为了凸显第一磁钢组件22沿电机轴12的中轴线方向呈两段设置、四段设置或五段设置的结构，图7-图9中，粗线为磁钢间的分界线，虚线为磁钢的内部孔。
进一步地，在其他优选方式中，第一磁钢组件22呈环形圆柱状设置，第一磁钢组件22包括多个第一磁钢单体，所有第一磁钢单体沿电机轴12的径向共同围成第一磁钢组件22，以产生第一磁钢组件22沿电机轴12的中轴线方向两端的磁力线将第一磁钢组件22沿电机轴12的中轴线方向中部的磁力线约束在线圈11的磁力线切割的有效区域内的效果。
第二实施例
请参阅图10-17所示，本实施例在第一实施例的基础上，进一步增强线圈11的磁力线切割的有效区域内的磁力线密度。其中，该定子组件还包括设于所述线圈11内的第二磁钢组件23，第二磁钢组件23用于进一步增强线圈11的磁力线切割的有效区域内磁力线密度。所述第二磁钢组件23与第一磁钢组件22相对应地呈三段设置。
具体地，第二磁钢组件23包括依次连接的第三约束磁钢231、第二有效磁钢232和第四约束磁钢233，第三约束磁钢231、第二有效磁钢232和第四约束磁钢233为独立制成的磁块，并依次粘合形成一体式结构的第二磁钢组件23。
第三约束磁钢231和第四约束磁钢233分别呈圆环状设置，第二有效磁钢232呈环形圆柱状设置，第三约束磁钢231包括第五半圆环磁钢2311和第六半圆环磁钢2312，第五半圆环磁钢2311和第六半圆环磁钢2312对接连接形成第三约束磁钢231，相应地，第五半圆环磁钢2311和第六半圆环磁钢2312为独立制成的磁块，并对接粘合形成一体式结构的第三约束磁钢231。
第四约束磁钢233包括第七半圆环磁钢2331和第八半圆环磁钢2332，第七半圆环磁钢2331和第八半圆环磁钢2332对接连接形成第四约束磁钢233，相应地，第七半圆环磁钢2331和第八半圆环磁钢2332为独立制成的磁块，并对接粘合形成一体式结构的第四约束磁钢233。
第五半圆环磁钢2311和第七半圆环磁钢2331分别通过粘合的方式设于第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分的两端，第六半圆环磁钢2312和第八半圆环磁钢2332分别通过粘合的方式设于第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的径向下半部分的两端。
具体地，第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分与径向下半部分的极性相反，且第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分与第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分的极性相反，第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的径向下半部分与第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的径向下半部分的极性相反。本实施例中，与第一实施例对应，该第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分的极性为S极，第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的径向下半部分的极性为N极。
第五半圆环磁钢2311和第七半圆环磁钢2331靠近第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分的一端的极性分别与第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分的极性一致。本实施例中，与第一实施例对应，该第五半圆环磁钢2311和第七半圆环磁钢2331靠近第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分的一端的极性均为S极。
第五半圆环磁钢2311和第七半圆环磁钢2331远离第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分的一端的极性分别与第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分的极性相反。本实施例中，与第一实施例对应，该第五半圆环磁钢2311和第七半圆环磁钢2331远离第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的径向上半部分的一端的极性均为N极。
第六半圆环磁钢2312和第八半圆环磁钢2332靠近第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的径向下半部分的一端的极性分别与第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的径向下半部分的极性一致。本实施例中，与第一实施例对应，该第六半圆环磁钢2312和第八半圆环磁钢2332靠近第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的径向下半部分的一端的极性均为N极。
第六半圆环磁钢2312和第八半圆环磁钢2332远离第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的径向下半部分的一端的极性分别与第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的径向下半部分的极性相反。本实施例中，与第一实施例对应，该第六半圆环磁钢2312和第八半圆环磁钢2332远离第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的径向下半部分的一端的磁性均为S极。
通过上述设置，第二磁钢组件23的磁力线分布情况如图14所示，由于磁力线具有闭合回路特性和永不相交特性，因此，此时的第二有效磁钢232的环形柱状外部产生的磁力线能够分别被第三约束磁钢231和第四约束磁钢233的环形柱状外部产生的磁力线约束，并在集中约束在第二有效磁钢232的径向方向所在区域后再往外扩散，而由于线圈11一般临近第二磁钢组件23，合理设置第二磁钢组件23和线圈11的相对位置，能够使第二有效磁钢232产生的磁力线被集中约束的区域完全落入线圈11的磁力线切割的有效区域内，从而能够在理论上实现第二有效磁钢232磁力线的最大利用率。
在不考虑第一有效磁钢222的影响下，第二有效磁钢232的环形柱状外部如图13所示的产生沿电机轴12的径向向下的磁力线，该磁力线作用在线圈11的有效磁力线切割的有效区域内。
图15和图16分别示出了第一磁钢组件22、线圈11和第二磁钢组件23间的位置关系，此时，第一有效磁钢222和第二有效磁钢232的磁力线相互影响，第一有效磁钢222在第二有效磁钢232的作用下，与第二有效磁钢232的磁力线进行叠加，两者的磁力线方向均沿电机轴12的径向向下，从而获得了相较图6或图14示出的单个磁钢组件基础上更密集的磁力线分布，从而有效增加了线圈11的有效磁力线切割的有效区域内的磁力线密度，有效提升本实施例的空心杯电机的效能。
图17示出了第一有效磁钢222和第二有效磁钢232相互影响下对线圈11的磁力线分布图，线圈11在第一磁钢组件22和第二磁钢组件23的共同作用下，线圈11的磁力线切割的有效区域内的磁力线密度大大增大，有效提升了本实施例的空心杯电机的效能。
与第一有效磁钢222的设置相对应的，该第二有效磁钢232沿垂直于电机轴12的中轴线方向的投影完全落入线圈11的磁力线切割的有效区域内，以使第二有效磁钢232产生的磁力线被集中约束的区域完全落入线圈11的磁力线切割的有效区域内，从而能够在理论上实现第二有效磁钢232磁力线的最大利用率。
进一步地，第二有效磁钢232沿垂直于电机轴12的中轴线方向的投影完全落入线圈11沿垂直于电机轴12的中轴线方向的投影内。经实验测得，以特定绕制方法制得的线圈11，其磁力线切割的有效区域能够接近100％，此时，线圈11的磁力线切割的有效区域即为线圈11沿垂直于电机轴12的中轴线方向的投影，而将第二有效磁钢232沿垂直于电机轴12的中轴线方向的投影完全落入线圈11沿垂直于电机轴12的中轴线方向的投影内，具体地，图14和图17示出了当第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的长度等于线圈11沿电机轴12的中轴线方向的长度时，即可获得了磁力线切割的有效区域为最大利用率的有益效果，此时，第三约束磁钢231和第四约束磁钢233沿电机轴12的中轴线方向的投影分别位于线圈11沿电机轴12的中轴线方向的投影外。
更进一步地，为了进一步降低本实施例的空心杯电机沿电机轴12的中轴线方向的整体长度，第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的长度分别大于第三约束磁钢231和第四约束磁钢233沿电机轴12的中轴线方向的长度。实际上，第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的长度占比应该尽量大，在确保第三约束磁钢231和第四约束磁钢233能够将第二有效磁钢232产生的磁力线集中约束在第二有效磁钢232的径向方向所在区域后再往外扩散的前提下，第三约束磁钢231和第四约束磁钢233沿电机轴12的中轴线方向的长度应该尽量减小，以缩小空心杯电机沿电机轴12的中轴线方向的整体长度。
具体地，第一有效磁钢222沿电机轴12的中轴线方向的长度等于第二有效磁钢232沿电机轴12的中轴线方向的长度，第一约束磁钢221、第二约束磁钢223、第三约束磁钢231和第四约束磁钢233沿电机轴12的中轴线方向的长度均相等，以最优化设置空心杯电机的尺寸和重量。
值得注意的是，与第一磁钢组件22在其他实施方式中多段式设置相对应地，该第二磁钢组件23可以沿电机轴12的中轴线方向呈两段设置、四段设置或五段设置等，图18-图20分别给出了第一磁钢组件22和第二磁钢组件23沿电机轴12的中轴线方向呈两段设置、四段设置和五段设置时的极性分布图。在确保第一磁钢组件22和第二磁钢组件23产生的磁力线能够将第一磁钢组件22和第二磁钢组件23的大部分磁力线集中约束在线圈11的磁力线切割的有效区域内，以减小第一磁钢组件22和第二磁钢组件23的磁力线落入线圈11的磁力线切割的无效区域内，以增大同一体积下的第一磁钢组件22和第二磁钢组件23的磁力线效能的前提下，不对第一磁钢组件22和第二磁钢组件23沿电机轴12的中轴线方向的分段数量进行限制。
进一步地，在其他优选方式中，第二磁钢组件23呈环形圆柱状设置，第二磁钢组件23包括多个第二磁钢单体，所有第二磁钢单体沿电机轴12的径向共同围成第二磁钢组件23，以产生第二磁钢组件23沿电机轴12的中轴线方向两端的磁力线将第二磁钢组件23沿电机轴12的中轴线方向中部的磁力线约束在线圈11的磁力线切割的有效区域内的效果。
结合图1-图20，本发明的第一磁钢组件22的极性按照海尔贝克阵列组合排列，且第一磁钢组件22沿电机轴12的中轴线方向两端的磁力线将第一磁钢组件22沿电机轴12的中轴线方向中部的磁力线约束在线圈11的磁力线切割的有效区域内，通过海尔贝克阵列组合排列的方式将第一磁钢组件22的磁极设置为多样化，以使第一磁钢组件22的磁场强度沿轴向分布且方向为径向的磁场被集中约束在线圈11的磁力线切割的有效区域内，有效减少第一磁钢组件22的磁力线落入线圈11的磁力线切割的无效区域内的部分，有效降低磁场过剩率，从而实现在不增加磁钢重量和电机外径的情况下，有效提升空心杯电机的性能，以满足微型电机高性能的制造要求。
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种空心杯电机，其特征在于：包括转子组件和定子组件，所述转子组件包括线圈和电机轴，所述定子组件包括机壳和第一磁钢组件，所述线圈位于所述机壳内，所述第一磁钢组件套设在所述机壳外，所述电机轴穿过所述线圈，且所述电机轴可带动所述线圈以所述电机轴的中轴线为转动轴相对所述第一磁钢组件转动，所述第一磁钢组件的极性按照海尔贝克阵列组合排列，且所述第一磁钢组件沿所述电机轴的中轴线方向两端的磁力线将所述第一磁钢组件沿所述电机轴的中轴线方向中部的磁力线约束在所述线圈的磁力线切割的有效区域内。
2.如权利要求1所述的空心杯电机，其特征在于：所述第一磁钢组件包括依次连接的第一约束磁钢、第一有效磁钢和第二约束磁钢，所述第一约束磁钢和第二约束磁钢分别呈圆环状设置，所述第一有效磁钢呈环形圆柱状设置，所述第一约束磁钢包括第一半圆环磁钢和第二半圆环磁钢，所述第一半圆环磁钢和第二半圆环磁钢对接连接形成所述第一约束磁钢，所述第二约束磁钢包括第三半圆环磁钢和第四半圆环磁钢，所述第三半圆环磁钢和第四半圆环磁钢对接连接形成所述第二约束磁钢，所述第一半圆环磁钢和第三半圆环磁钢分别设于所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的两端，所述第二半圆环磁钢和第四半圆环磁钢分别设于所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的两端。
3.如权利要求2所述的空心杯电机，其特征在于：所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分与径向下半部分的极性相反；
所述第一半圆环磁钢和第三半圆环磁钢靠近所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的一端的极性分别与所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的极性一致；
所述第一半圆环磁钢和第三半圆环磁钢远离所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的一端的极性分别与所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的极性相反；
所述第二半圆环磁钢和第四半圆环磁钢靠近所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的一端的极性分别与所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的极性一致；
所述第二半圆环磁钢和第四半圆环磁钢远离所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的一端的极性分别与所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的极性相反。
4.如权利要求2所述的空心杯电机，其特征在于：所述定子组件还包括设于所述线圈内的第二磁钢组件，所述第二磁钢组件包括第三约束磁钢、第二有效磁钢和第四约束磁钢，所述第三约束磁钢和第四约束磁钢分别呈圆环状设置，所述第二有效磁钢呈环形圆柱状设置，所述第三约束磁钢包括第五半圆环磁钢和第六半圆环磁钢，所述第五半圆环磁钢和第六半圆环磁钢对接连接形成所述第三约束磁钢，所述第四约束磁钢包括第七半圆环磁钢和第八半圆环磁钢，所述第七半圆环磁钢和第八半圆环磁钢对接连接形成所述第四约束磁钢，所述第五半圆环磁钢和第七半圆环磁钢分别设于所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的两端，所述第六半圆环磁钢和第八半圆环磁钢分别设于所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的两端。
5.如权利要求4所述的空心杯电机，其特征在于：所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分与径向下半部分的极性相反，且所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的极性与所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的极性相反，所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的极性与所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的极性相反；
所述第五半圆环磁钢和第七半圆环磁钢靠近所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的一端的极性分别与所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的极性一致；
所述第五半圆环磁钢和第七半圆环磁钢远离所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的一端的极性分别与所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向上半部分的极性相反；
所述第六半圆环磁钢和第八半圆环磁钢靠近所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的一端的极性分别与所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的极性一致；
所述第六半圆环磁钢和第八半圆环磁钢远离所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的一端的极性分别与所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的径向下半部分的极性相反。
6.如权利要求4所述的空心杯电机，其特征在于：所述第一有效磁钢和第二有效磁钢沿垂直于所述电机轴的中轴线方向的投影完全落入所述线圈的磁力线切割的有效区域内。
7.如权利要求6所述的空心杯电机，其特征在于：所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的长度等于所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的长度。
8.如权利要求4所述的空心杯电机，其特征在于：所述第一有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的长度分别大于所述第一约束磁钢和第二约束磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的长度；
所述第一约束磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的长度等于所述第二约束磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的长度；
所述第二有效磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的长度分别大于所述第三约束磁钢和第四约束磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的长度；
所述第三约束磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的长度等于所述第四约束磁钢沿所述电机轴的中轴线方向的长度。
9.如权利要求4所述的空心杯电机，其特征在于：所述第一磁钢组件和第二磁钢组件呈环形圆柱状设置，所述第一磁钢组件包括多个第一磁钢单体，所有第一磁钢单体沿所述电机轴的径向共同围成所述第一磁钢组件；所述第二磁钢组件包括多个第二磁钢单体，所有第二磁钢单体沿所述电机轴的径向共同围成所述第二磁钢组件。
10.如权利要求1所述的空心杯电机，其特征在于：所述定子组件还包括用于盖合所述机壳的开口端的端盖，所述转子组件还包括轴承、轴承套、振子、整流子组件、电刷组件和导线，所述轴承固定连接所述机壳，至少两所述轴承间隔套设在所述电机轴上，所述轴承套通过所有轴承套设在所述电机轴上，所述第一磁钢组件通过所述轴承套套设在所述电机轴上，所述电机轴的一端通过所述整流子组件转动地连接所述端盖，另一端可转动地穿出所述机壳的密封端并连接所述振子，所述振子呈偏心结构设置，所述线圈连接所述整流子组件，所述电机轴转动以带动所述线圈同步转动，所述电刷组件设于所述端盖内，两所述导线分别穿过所述端盖，且两所述导线中的一者电连接所述电刷组件的正极端，另一者电连接所述电刷组件的负极端。
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