CN117439318A - 双向提前换向的永磁直流电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及永磁直流电机技术领域，尤其是一种双向提前换向的永磁直流电机。一种双向提前换向的永磁直流电机，包含端盖、定子组件、与所述定子组件同轴设置的转子组件、换向装置，所述换向装置包括：刷架板、至少一对滑动设置在所述刷架板上的电刷、同轴套设在所述转子组件的转轴上的摩擦件，所述摩擦件內缘通过若干摩擦瓦与所述转轴过盈配合并在所述转轴的带动下转动，所述摩擦件通过传动件带动所述刷架板绕所述转轴转动一定角度，且所述刷架板的转向与所述转子转向相反。本发明通过逆向移刷结构实现双向提前换向，改善了永磁直流电机换向性能，有效抑制火花，提高电刷使用寿命，能更好地满足EMI电磁兼容标准的要求。

Description

双向提前换向的永磁直流电机

技术领域

本发明涉及永磁直流电机技术领域，尤其是一种双向提前换向的永磁直流电机。

背景技术

符合人体工学及舒适便捷功能的电动化、智能化的产品越来越多地应用于人们的生活、工作场景中，而线性致动器成为各应用产品中最关键的驱动执行单元。终端产品日趋电动化、自动化、智能化的快速发展对线性致动器的空间结构紧凑、高响应速度、高性能（高转速高功率）、低成本提出了新的要求。

线性致动器一般由以下主要模块组成：电机、减速机构、螺杆传动结构等。在线性致动器中常采用永磁直流电机作为优选动力源，其具有体积小、安全性好、成本低等优点。

显然，减小永磁直流电机转子外径能使电机的体积大大减小，同时转动惯量也大为减小，有利于提高电机动态响应速度，发明专利CN115664064B中提出了一种更小体积、更低成本、更高效率的永磁直流电机的技术解决方案，其采用2对磁极、较小的转子外径和较少的槽数，采用不同的绕线方法且绕组跨距为一个槽距，很好的满足了线性致动器外形紧凑美观、功率密度高、性价比高的要求。

线性致动器的驱动电机在满足电机功率密度高的同时，还无法很好地满足更高转速和更高功率的要求。通常，减小转子外径增大了电机线负荷A，根据直流电机换向理论，较高的线负荷A和较高的转速n使换向元件中产生较大的电抗电动势e_r，使电抗电动势e_r与旋转电动势e_k合成的电动势∑e大于零，即运行在延后换向的不利状态，存在电机换向火花恶劣所带来的EMI性能差、电刷电蚀磨损严重等问题。同时，电机直径的减小限制了电刷尺寸空间，很难通过增加电刷长度满足电机工作寿命要求。另外，电机定位转矩是线性致动器自锁性能的重要因素之一，其随着电机体积的减小（尤其是直径方向）而有下降，从而降低了线性致动器的自锁性能，需要依靠额外增加其它自锁机构，对线性致动器的结构紧凑性和整体成本产生不利影响。而直流无刷电机虽能避免电刷换向问题，完全满足高功率密度、高转速、高功率的应用要求，但使驱动控制系统更为复杂且成本大大增加。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为抑制永磁直流电机换向器产生的火花，提出一种双向提前换向的永磁直流电机，电机正反转都能通过逆向移刷实现提前换向，改善永磁直流电机换向性能，有效抑制换向火花，提高电刷寿命。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双向提前换向的永磁直流电机，包含端盖、定子组件、与所述定子组件同轴设置的转子组件、换向装置，所述换向装置包括刷架板、至少一对滑动设置在所述刷架板上的电刷、同轴套设在所述转子组件的转轴上的摩擦件，所述摩擦件的内缘通过若干摩擦瓦与所述转轴过盈配合并在所述转轴的带动下转动，所述摩擦件通过传动件带动所述刷架板绕所述转轴转动一定角度，且所述刷架板的转向与所述转轴转向相反。

进一步地，所述传动件为小齿轮，所述摩擦件外缘设置若干外齿，所述外齿与所述小齿轮的外齿形成外啮合，所述小齿轮的外齿又与所述刷架板的内齿形成内啮合。

进一步地，所述传动件为拨杆，所述拨杆中部的铰接点设于端盖上，所述拨杆两端皆具有长圆孔，一端与所述摩擦件上的销轴连接，另一端与所述刷架板上的销轴连接；所述摩擦件转动时带动刷架板向相反方向转动一定角度。

进一步地，所述摩擦件上设置至少一种内磁块，所述刷架板上设置与所述内磁块磁性相反的外磁块，所述摩擦件转动时在磁性相吸或相斥的作用下使刷架板向相反方向转动一定角度。

进一步地，所述摩擦瓦通过弹性连接部与所述摩擦件内缘连接。

进一步地，所述摩擦件的材质为PPA或PPS或PEEK。

进一步地，所述刷架板上设置阻挡刷架板转动的限位部。

进一步地，所述刷架板转动角度为-5°～+5°。

进一步地，所述定子组件的磁极对数为2对。

所述端盖为弹性材料或所述端盖上设置可弹性变形的安装座。

本发明的有益效果是：

1.通过可调节角度的换向结构，实现双向提前换向的有利换向条件，改善了永磁直流电机换向性能，有效抑制火花，提高电刷使用寿命，能更好地满足EMI电磁兼容标准的要求，较好地满足了线性致动器对高载荷、高转速、高功率密度电机的需求。

2.可调节角度的换向结构中的摩擦件通过转轴的摩擦传动，通过换向角度调节结构实现刷架反向转动，自动实现双向提前换向的功能，简单可靠易制造，降低了电机换向控制的难度。

3.可调节角度的换向结构，将刷架与端盖之间采用柔性连接的设计，很好地将电机本体的振动及外部的振动进行阻尼吸收，大大减小电刷的振动，从而更好的抑制了换向火花，还有效降低了电刷与换向器摩擦振动产生的噪音。

4.摩擦件与刷架设置调节限位，调节限位保证了在两个转动方向上刷架上的电刷相对于换向中性线一定角度，并根据实验确定最佳换向位置来确定该角度，实现了双向换向性能改善的效果。

5.电机停止时，摩擦件在转轴的摩擦传动下同步转动，并带动刷架板到达设定角度调节限位后停止转动，摩擦件内侧与转轴外圆产生相对转动并有一定的滑动摩擦力，阻止转轴转动，从而提升了电机自锁能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例一的零件分解图。

图2是本发明实施例一的整体结构示意图。

图3是本发明实施例一的刷架板结构示意图。

图4是本发明实施例一的摩擦件结构示意图。

图5是本发明实施例一的端盖安装座结构示意图。

图6是本发明实施例二结构示意图。

图7是本发明实施例三结构示意图。

图8是本发明实施例三原理图。

图中：

1-定子组件；2-转轴；3-刷架板；31-内齿；32-刷握；33-限位部；4-电刷；5-摩擦件；51-摩擦瓦；52-弹性连接部；53-外齿；6-小齿轮；7-端盖；71-安装座；8-拨杆；91-外磁块；92-内磁块。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

永磁直流电机要满足高功率密度、高转速、高功率的应用，除了采用较好的电磁参数来提高电机效率外，改善换向性能也非常重要。通常改善换向的措施主要有增大换向回路电阻、减小合成电动势∑e两大类。其中，增大换向回路电阻如增大电刷电阻率等措施，对电机效率有不利影响；而增加槽数虽然可减小每槽换向元件匝数进而减小电抗电动势，但是槽绝缘也随之增加，使槽面积的利用率降低，电机制造成本也有所增加。设置换向极是改善换向的有效的措施，但仅在1马力以上直流电机中采用，且工艺复杂成本较高，对于办公、家居、工业自动化用途的线性致动器的1马力以下永磁直流电机不适合采用换向极。

根据直流电机理论，另一种改善换向的方法是朝转动方向相反的方向移动电刷位置，使换向区域也跟着从电枢上的几何中性线移开一相应角度而进入主磁极之下，以获得必要的旋转电动势e_k来抵消电抗电动势e_r， 实现减小合成的电动势∑e改善换向性能的效果。逆向移刷后的直轴电枢反应起去磁作用，会使永磁直流电机转速上升，但在2对磁极或更多对磁极下，通过合理的电磁参数设计，对电机整体性能影响不大。

小型永磁直流电机在几何中心线位置换向都属于延后换向，这种通过移动电刷提前换向的方法使合成的电动势∑e接近于零，使换向更趋于线性，从而较好地改善了换向性能。同样，通过绕组在换向器上的挂钩位置顺转向偏移一定角度与移刷所产生的提前换向效果是等同的，工程上也较为常用。一般根据额定负载工况下通过试验确定移刷角度，使之达到最佳换向位置。但该移刷方法只能使一个转动方向实现提前换向，而另一个转动方向必然为滞后换向，滞后换向给换向性能带来更为不利的影响。所以移刷改善换向只适用于单向工作的应用场合（如风扇、电钻），对于线性致动器双向工作的应用需求不符。

根据直流电机换向原理，通过移刷提前换向能改善永磁直流电机换向性能，抑制换向火花，这对高功率密度、高转速、高功率的永磁直流电机运行是极为有利的。对于电机在双向工作条件下，如何实现提前换向是本发明的重点。

一种可双向提前换向的永磁直流电机，通过对换向结构改进，使电刷产生与电机旋转方向相反的转动，电刷相对于定子磁瓦的几何中心线转过设定的角度，使电刷超前接触换向片实现提前换向，从而使电机正反两个方向都实现提前换向的改善效果，具体结构描述如下。

实施例一：

如图1所示，一种双向提前换向的永磁直流电机，包含端盖7、定子组件1、与定子组件1同轴设置的转子组件、换向装置，换向装置包括：刷架板3、至少一对滑动设置在刷架板3上的电刷4、同轴套设在转子组件的转轴2上的摩擦件5，摩擦件5的内缘通过若干摩擦瓦51与转轴2过盈配合并在转轴2的带动下转动，摩擦件5通过传动件带动刷架板3绕转轴2转动一定角度，且刷架板3的转向与转轴2转向相反。

如图1和图2所示，端盖7设有定位槽与定子组件1连接，为保证尺寸容差减小振动，端盖7上另外设有柔性可变形的安装座71，安装座71上设有定位孔，小齿轮6可沿定位孔轴线转动。摩擦件5外缘设置若干外齿53，外齿53与小齿轮6的外齿形成外啮合，小齿轮6的外齿又与刷架板3的内齿31形成内啮合，由于转轴2与摩擦件5之间有摩擦力，当转子转动时，转轴2带动摩擦件5转动，摩擦件5通过小齿轮6带动刷架板3转动。由于摩擦件5外缘设置若干外齿53，外齿53与小齿轮6的外齿形成外啮合，摩擦件5和小齿轮6转向相反，小齿轮6的外齿又与刷架板3内齿形成内啮合，小齿轮6和刷架板3转向相同，所以刷架板3与转轴2转向相反。进而电刷4在刷架板3的带动下偏离定子组件1中的磁瓦的几何中心线，实现提前换向。同理，转轴2向另一个方向旋转时，刷架板3会向另一个方向转动，实现反方向提前换向。

如图3所示，刷架板3上设有限位部33，当刷架板3旋转一定角度后，限位部33卡在端盖7的限位槽上，使刷架板3只能在有限的空间内转动。根据实验的方法选定的最佳换向角度。优选地，角度范围为-5°～+5°。另外，刷架板3上设有刷握32，电刷4在刷握32的滑槽内滑动，并与换向器进行电连接。

如图4所示，摩擦件5为塑胶件，具体材质为PPA（聚邻苯二甲酰胺）或PPS（聚丙烯酸甲酯）或PEEK（聚醚醚酮），其内缘设有若干摩擦瓦51，摩擦件5通过摩擦瓦51与转轴2紧配。转轴2通过摩擦力使摩擦件5跟随转轴2旋转。此外，摩擦件5外缘还设有数个外齿，并与小齿轮6形成外啮合。摩擦件5的外齿、小齿轮6、刷架板3的内齿31通过类似行星减速机构的传动方式，实现摩擦件5与刷架板3反向转动。同理，摩擦件5采用内齿，小齿轮6和刷架板3采用外齿可达到同样效果。

为了有效地将电机内部振动和外部振动与刷架板3隔开，端盖7可采用弹性材料制作，例如橡胶、聚氨酯等材料。这样可以减小因电刷4受振动引起的火花和与换向器撞击产生的噪音。如图5所示，端盖7也可另外设置柔性的安装座71，安装座71固定安装在端盖7上。安装座71上设置定位孔，小齿轮6在定位孔内转动。

优选地，本发明双向提前换向的永磁直流电机的定子的磁极对数为2对。

实施例二：

如图6所示，本发明提供另外一种实施例。拨杆8中间设有圆孔，两端设有长圆孔，其圆孔铰接在端盖7上，其一端与摩擦件5上的销轴连接，另一端与刷架板3上的销轴连接。类似杠杆的两端，当摩擦件5转动时，拨杆8绕中间铰接点转动，并带动刷架板3向相反方向转动一定角度。

实施例三：

如图7和图8所示，本发明提供第三种实施例。内磁块92设置在摩擦件5上，刷架板3上设置与内磁块92对应的外磁块91。两种磁块极性同向平行设置，利用N、S极同性相斥异性相吸的简单原理，摩擦件5上的N极(或S极)与刷架板3上的S极(或N极)始终处于趋近的状态，当摩擦件5向一个方向转动时，刷架板3在磁性作用下必然会反向运动，使刷架板3上的N极（或S极）趋近于摩擦件5上的S极(或N极)，实现刷架板3向摩擦件5的反向运动。

本发明通过上述技术方案实现了永磁直流电机双向提前换向，改善了负载换向性能，减小了火花。

智能家具和汽车等大部分应用场合，出于安全性的考虑，对于电机静态负载的保持力的要求远远大于动态负载。大部分应用场景的静态负载保持力是单向的，如智能升降桌、汽车尾门、电动床等应用产品，即只有重力方向或单一负载方向的静态负载保持力是有要求的。为了增加电机自锁力，适当加大摩擦件5与转轴2的摩擦力是必要的，但过大的摩擦力会产生较大的功率损耗，对电机输出功率造成影响。优选地，如图4所示，摩擦件5的摩擦瓦51通过弹性连接部52进行连接，优选地，采用斜向弹性连接。摩擦件5的弹性连接部52在电机一个转动方向（重力或负载力的方向）上产生抱紧的分力，使摩擦力增大，在另一个转动方向（电机驱动负载的方向）上产生分离的分力，使摩擦力减小。

优选地，为了使摩擦件在高温环境下保持弹性，摩擦件材料选择为PPA或PPS或PEEK。

本发明采用自动可双向调节电刷4角度的换向结构的方案，能很好地满足电机高功率密度、高转速、高功率条件下提高电机换向性能，并且同时改善了电机自锁性能的要求。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种双向提前换向的永磁直流电机，包含端盖（7）、定子组件（1）、与所述定子组件（1）同轴设置的转子组件、换向装置，其特征在于：所述换向装置包括刷架板（3）、至少一对滑动设置在所述刷架板（3）上的电刷（4）、同轴套设在所述转子组件的转轴（2）上的摩擦件（5），所述摩擦件（5）的内缘通过若干摩擦瓦（51）与所述转轴（2）过盈配合并在所述转轴（2）的带动下转动，所述摩擦件（5）通过传动件带动所述刷架板（3）绕所述转轴（2）转动一定角度，且所述刷架板（3）的转向与所述转轴（2）转向相反。

2.根据权利要求1所述的双向提前换向的永磁直流电机，其特征在于：所述传动件为小齿轮（6），所述摩擦件（5）外缘设置若干外齿（53），所述外齿（53）与所述小齿轮（6）的外齿形成外啮合，所述小齿轮（6）的外齿又与所述刷架板（3）的内齿（31）形成内啮合。

3.根据权利要求1所述的双向提前换向的永磁直流电机，其特征在于：所述传动件为拨杆（8），所述拨杆（8）中部的铰接点设于端盖（7）上，所述拨杆（8）两端皆具有长圆孔，一端与所述摩擦件（5）上的销轴连接，另一端与所述刷架板（3）上的销轴连接；所述摩擦件（5）转动时带动刷架板（3）向相反方向转动一定角度。

4.根据权利要求1所述的双向提前换向的永磁直流电机，其特征在于：所述摩擦件（5）上设置至少一种内磁块（92），所述刷架板（3）上设置与所述内磁块（92）平行设置的外磁块（91），所述摩擦件（5）转动时在磁性相吸或相斥的作用下使刷架板（3）向相反方向转动一定角度。

5.根据权利要求1～4任一项所述的双向提前换向的永磁直流电机，其特征在于：所述摩擦瓦（51）通过弹性连接部（52）与所述摩擦件（5）内缘连接。

6.根据权利要求1～4任一项所述的双向提前换向的永磁直流电机，其特征在于：所述摩擦件（5）的材质为PPA或PPS或PEEK。

7.根据权利要求1～4任一项所述的双向提前换向的永磁直流电机，其特征在于：所述刷架板（3）上设置阻挡刷架板（3）转动的限位部（33）。

8.根据权利要求1～4任一项所述的双向提前换向的永磁直流电机，其特征在于：所述刷架板（3）转动角度为-5°～+5°。

9.根据权利要求1～4任一项所述的双向提前换向的永磁直流电机，其特征在于：所述定子组件（1）的磁极对数为2对。

10.根据权利要求1～4任一项所述的双向提前换向的永磁直流电机，其特征在于：所述端盖（7）为弹性材料或所述端盖（7）上设置柔性可变形的安装座（71）。