CN1261474A - 电动机 - Google Patents

Abstract

一种电动机,包括借助一公共电源(6)驱动的两个或多个转子(20,30),每个转子(20,30)具有多个极(22,32)并与具有多个极(18,28)的定子(16,26)相关连,其中对于每个转子(20,30),转子极(22,32)和定子极(18,28)的布置是不同的,以致当该公共电源(6)供电时,这些转子(20,30)以不同速度转动。

Description

电动机

本发明涉及一种电动机。

多年来，在电动机方面，尤其是，对于用于家用器具的那些电动机已作出许多发展。但是，普遍地认为，对于通用电动机的发展趋势正接近其终点。因此，本发明的目的是提供一种电动机，它适于对各种家用器具的部件提供合适的动力，并亦具有能超过公知通用电动机能力的改善余地。

家用电器，例如真空吸尘器通常包括通用电动机，用来驱动产生吸力的风扇，借助于它空气被吸入真空吸尘器。当真空吸尘器为直立式吸尘器时，刷杆通常被可转动地安装在位于吸尘头中的污尘空气入口上。刷杆借助于延伸在电动机及刷杆之间的驱动带驱动旋转。这种结构有许多缺点，它们不只是驱动带本身的易损性。另外的缺点包括，在通常情况下，驱动带与刷杆的外表面啮合，这意味着刷毛不能位于该区域中。如果由于任何原因电动机转动而真空吸尘器保持静止，例如进行地板上的吸尘时，也可有利地设有某种机构，来阻止刷杆对着要吸尘的地毯转动。

在一种圆柱形吸尘器中，污尘空气入口位于一个软管的端部，因此使用连到真空主电动机上的驱动带是不实用的，而用辅助通用电动机来直接驱动刷杆实际上具有困难。压缩空气推动的“涡轮”刷被推荐出来，但它们通常低效并降低了可用于由吸尘头吸取污物及灰尘的功率量。

因此，本发明的一个目的是提供一种具有被驱动刷杆的真空吸尘器，但它能减少或消除上述问题。

根据本发明，提供了一种符合权利要求要求1特征的电动机。本发明的优选特征由从属权利要求给出。

在电动机中设置至少两个转子被证明是：以不同的速度来驱动家用器具如真空吸尘器的两个分开的部件的既经济又紧凑的方式。使用一个或多个相同绕组或公其电源来驱动分开的转子在用户需要小且轻的器具的场合显然是有利的。

现在将通过例子的方式并参照附图来描述本发明的多个变型实施例，其附图为：

图1是实施本发明的主及副电动机结构的概图；

图2a-2d是包含图1的副电动机的刷杆的截面及横截面图；

图3a-3d是包含如图1所示的副电动机的第二刷杆的截面及横截面图；

图4a-4i表示根据本发明的、适于由两相开关式磁阻主电动机对两相开关式磁阻副电动机供电的电路部分：

图5a-5k表示根据本发明的、用于由单相开关式磁阻主电动机对单相开关式磁阻副电动机供电的电路部分：

图6a-6s表示根据本发明的、能组合在一起由两相开关式磁阻电动机对副电动机供电的一系列电路部分：

图7a-7g表示根据本发明的各种变型电动机的横截面概图；

图8a及8b表示根据本发明的变型电动机结构的横截面概图；

图9是根据本发明的电动机结构的横截面概图；及

图10是根据本发明的另一电动机结构的横截面概图。

图1表示一个主4/2两相开关式磁阻电动机2及一个副24/16两相开关式磁阻电动机4，以及与主电动机2连接的电源电路。如果需要，也可使用另外类型的开关式磁阻电动机(如单相、三相、四相等)。可以看出，图示的结构特别适于驱动真空吸尘器的风扇及刷杆，尽管这决不是所设想的唯一应用。

与公知的开关式磁阻电动机相同，主电动机2包括设有四个凸极18a-18d的定子16。对置的极18a及18b各支持一个类似的电枢绕组+A、-A，并形成第一相。对置的极18c及18d容纳相应类似的电枢绕组+B、-B，其代表第二相。转子20可旋转地安装在定子16内的轴21上并包括对置的极22。转子20由轴向叠放的钢叠片组成。

电力从主电源6经桥式整流器8整流后供给电动机2。电容器10设置来对整流桥的输出平波。每个电枢绕组对A、B由各非对称半桥12.14供电。每半桥12、14相关于两相中的相应一相。在这方面，半桥12对A绕组供电，半桥14对B绕组供电。

为了连续工作，电流以一定速率供给每定子相，该速率依赖于并由转子位置随时间的变化来确定。非对称半桥12、14的定时是借助于光或霍尔效应传感器或其它合适装置参考主和/或副电动机的转子位置来确定的。

主磁电动机2还包括两个附加绕组对：C及D。绕组对C的每绕组放置在凸极18a及18b的每个上。绕组对D的每绕组放置在凸极18c及18d的每个上。

相应的绕组对A及C为一方，B及D为另一方，各以变压器方式工作。在绕组对C及D中由绕组对A及B感应的电流供给副磁阻电动机4。为了便于组装到真空吸尘器的刷杆内，该电动机的结构与主电动机相反。这就是说，转子30在径向位于定子26的外部，定子位于固定轴34上。刷杆36的径向内表面直接地配合在转子30的径向外表面上，并借助于键槽37固定到位。

仔细参看图1可发现定子26包括十六个极32。转子30包括二十四个径向朝内的极28。位于定子26上的极32成对布置，每对被相应绕组围绕。绕组本身在圆周上形成对，并接着，这些绕组对又与位于定子径向反侧的类似绕组对配成对。例如，极32a及32b设有D绕组。圆周上相邻的极32c及32d设有第二D绕组。在其径向对面，以类似方式布置了极32e-32h。极32a-32h之间的距离是这样的，即能使其与转子极28具有同步的径向一致性，如图中所示。但是，与D绕组相关的极在径向上相对与C绕组相关的线圈具有偏移，以致不能由和C线圈相关的极与和D线圈相关的极同时地获得与转子极的径向一致性。因此形成了两相结构。

在副开关式磁阻电动机2中设置的极数保证了刷杆36的平滑转动。

主磁阻电动机4的电源典型地以每相1.25KHz量级的频率进行开关(如果使用4/4单相开关式磁阻电动机作主电动机，则可比较地使用约2.5kHz的开关频率)。副磁阻电动机也可用同样高的频率开关(或通过断开副绕组来减少极数比)。作为该频率幅度的后果，不需要在主电动机的绕线电枢(或中间变压器，如果在主电动机的外面有压降的话)中建立高幅值的磁通。因为副电动机4的电压被降低并与主电动机2的电压隔开，供给副电动机的电力非常安全。事实上，该电源很安全，以致电源可通过圆柱型真空吸尘器的软管提供给吸头，而不会有危及安全的危险。

通过电源电路对主电动机的供电引起主转子22在定子16中转动。在绕组A、B内流动的电流在绕组C、D中感应出电流，该电流接着又引起副转子30绕副定子36转动。在每个定子16、36，转子22、30上具有的极数确定了相对旋转速度；在该例中，副转子30将以主转子22速度的十二分之一的转速转动。

设置了开关38，使与绕组C、D的电连接能被切断。这些开关可手动操作，或响应于装有电动机的装置的状态被触发。例如，希望在某种状态下关掉真空吸尘器的刷杆，这可由开关38的操作来达到。在真空吸尘器的手把竖直位置时，可借助于熟练技术人员易于获得的简单电子电路使该开关打开。该开关也可间歇地被操作，例如，当刷杆起动期间，由此能以可控及可靠的方式使刷杆的转动提速。

使用开关式磁阻电动机作为副电动机4产生了显著的优点。由于没有换流电刷，不会因刷的磨损产生碳粉。此外，该电动机有较长的寿命，并且不会因需要维持刷的合理寿命使其速度受到限制。使用开关式磁阻电动机作为主电动机能使开关式磁阻电动机用作副电动机变得相对地容易。

图2a-2d更详细地表示位于一个真空吸尘器刷杆36内的、图1中的副电动机2。图2a是一剖面图。图2b-2d是分别沿图2a中线I至III剖取的横截面。参见图2a，可以看出，刷杆36及转子28借助于轴承40安装在支承定子26的轴34上。轴34安装在真空吸尘器的外壳42的每端上。由横截面图2c可以看出，轴34包括间隔地(如90°)位于圆周上的四个轴向槽42。每个槽42容纳一根从主电动机2向副电动机4供电的导线。

图3a-3d表示图2中结构的一个变型。图3a是一个剖面图，及图3b至3d分别是沿图3a中线I至III剖取的横截面。至该实施例中，轴34是空心的，对副电动机绕组供电的导线放置在该轴内部，如从图3c的横截面图可清楚地看出的。

虽然以上实施例副电动机具有比主电动机多的极数，这并非必要的。如果情况需要，主电动机的极数可等于或大于副电动机的极数。例如，在一个洗衣机中，用作直接驱动的主电动机可工作在约0-2000rpm，驱动用作高速水泵的副电动机工作在0-10000rpm上。在此情况下可以理解，主电动机具有比副电动机多的极数。在所述例子情况下，主电动机具有的极布置能使副电动机以主电动机5倍的转速驱动。

图4表示图1中由两相开关式磁阻主电动机2向开关式磁阻副电动机4供电的一些替代电路结构。

在每种情况下，第一级电源电路与图1中的相同，这就是说，它包括AC主电源，桥式整流器及平波电容器。这些电路的每个包括半桥12、14，用于如前所述地向主电动机的各相绕组供电。但是，对副电动机的供电连接在每种情况下是不同的。

图4g及4i整体相应于图1的结构。这就是说，在主电动机上设有一对附加绕组，该附加绕组直接地连接到设于副电动机的绕组上。图4i正好对应于图1中的布置；图4g表示相同的布置，但无开关38。图4h表示类似的布置，其中电动机并联地电连接，并也设置了开关。

在图4a中，副电动机上的每个绕组与主电动机绕组中对应的一个并联连接。尽管该布置相对地简单，但它并未使副电动机的绕组与主电动机的绕组隔离或未由主电动机对副电动机降压。

图4b表示一个电路，其中副电动机的每个绕组与主电动机绕组中对应的一个串联连接。它由主电动机对副电动机提供了降压。但是，同样地，它也未提供副电动机的绕组与主电动机的绕组的隔离。

图4c表示一个电路，其中副电动机的每个绕组从主电动机绕组中对应的一个上抽头连接。这种布置能起到在主电动机与副电动机之间选择降压比的作用。但是，两个电动机也未电隔离。

图4d-4f相应于图4a-4c，不同的是，在每种情况下，在每个副电动机绕组及其相关的主电动机绕组之间接入了变压器。这种布置的优点是副电动机绕组与主电动机绕组相隔离并能使主电动机绕组及副电动机绕组之间电压下调。通过使用工作在相对高频率、如每相1.5kHz上的开关式磁阻电动机，在变压器中建立的磁通将相对小，因此，可使用相对紧凑、重量轻的部件并使该装置整体重量低。

图5涉及其中主电动机2及副电动机4均为单相电动机的装置。参照图5a-5h可看到，与图4中电路对应的电路正如两相结构中那样可简易地用于单相结构中。图5i及5j与图5d相对应，但在主电动机绕组及副电动机绕组之间连接了一个附加开关，在各自情况下，该开关接在中间变压器的一个相对侧上。图5k对应于图5g，但如图5i及5j，在主电动机绕组及副电动机绕组之间连接了一个附加开关。该附加开关能使副开关式磁阻电动机的工作频率相对主开关式磁阻电动机的工作频率变化。因此该开关能当副电动机停止时，通过转换供电电流并由此在转子中能建立足够惯性而使其再起动。该附加开关可用来与主开关极一起依次连接绕组，以便改变副频率。如果希望在零电流转换状态下操作开关可使开关额定功率减至最低。此外，当清洗真空吸尘器软管/杆或清洗刷杆时，为安全起见，该开关能使副电动机的供电被切断。

图6表示由两相开关式磁阻主电动机对副电动机供电的另外一些变型。

图6a与图1中所示电源的第一级相同，这就是说，它包括与桥式整流器及平波电容器相连接的AC电源。图6b不同于图6a之处仅在于省掉平波电容器。虽然这产生DC波形变差的后果，但得到成本及尺寸显著节省的好处，并可能增加长效可靠性，因为不存在可能不利地变干的电解质。

图6c-6f正好对应于图4d-4g，图6g亦如此。

图6h及6i分别表示中间变压器的并联及串联连接。图6j表示中间变压器的公共次边绕组。图6h-6j中的布置能使两相开关式磁阻电动机每相的输出供给一个单相开关式磁阻副电动机。

如图61中所示的一个开关可连接在图6g-6j的输出中，以便控制电动机速度。图6m所示为给一对DC电动机供电的整流器连接。这些电动机可被平波，如图6q所示，或不被平波，如图6r所示。图6n及6o分别表示整流器的并联及串联，以对单相DC电动机供电。当然，可使用如图6s所示的AC电动机，它可使用图6p的直接连接。

如从图6中所阐明的，副电动机不必需是开关式磁阻电动机。

图7表示本发明各种实施例，其中每种都使用一个或多个绕组来驱动多于一个的单相电动机的转子。图7a表示类似图1至3的一个实施例。电动机500具有携带绕组A及二十四个外极504的定子502。外定子506可转动地安装在定子502的径向外侧，它也带有二十四个极508。多个键槽510布置在外转子506及真空吸尘器刷杆圆柱体512的内表面之间。可利用这种布置来使刷杆512以和参照前面附图所述相同的方式转动。

图7a中所示电动机与前面所述电动机之间的主要区别是在定子502上设有4个内极514。定子502的径向内部装有带四个等间隔极518的第二内转子516。内转子516可转动地安装在中心轴520上。

可以理解，当电源供给绕组A时，随着外转子506转动的同时，内转子516也将转动。但是，内转子516的转速将是外转子526转速的6倍，这是由于每个转子及相应定子上设有的极数差引起的。

也可以理解，该原则可用于许多变型的结构及可能有许多变型方案。图7b、c、d、e及f的每个都示意性表示具有一个或一组公共绕组绕组并驱动两个分开转子的单相开关式磁阻电动机的不同布置。在每种情况下，每个转子带有的极数是不同的。可以理解，每个转子上的极数可根据需要而变化。图7g示意性表示具有两个绕组而不是一个绕组驱动两个不同转子的两相开关式磁阻电动机。借助于一个或一组绕组来驱动两个分开转子的一个优点在于，将会减小电动机占据的体积及相关的重量也由此会下降。

根据本发明的这些转子可单向，反向或多方向地旋转。

在开关式磁阻电动机的情况下，起始转向通常由转子极相对定子极的起始位置和/或当电流脉冲施加给绕组时的相位转换次序来确定。

如果考虑图7所示的电动机，可以通过在施加电流脉冲前使转子相对定子适当地定位，可以获得单向或反向的旋转。图8a及图8b表示一种电动机，其中设有磁铁550，用于当驱动电流中断时，吸停转子，以便当再施加电流时转子将处于反向转动的合适位置上。在此方面，图8a表示在施加驱动电流前在起始吸停位置上的具有不同速度输出的电动机。图8b表示在绕组激磁后各转子的转向。从该图中可看出，两个转子在相反方向上转动。可以看出，磁铁被战略性地放置，以便使转子的每个极比其相邻极更靠近某一特定极。因此，当绕组被激磁时，每个转子极移向最近的定子极，由此确定了其转向。当然，可以设置调节磁铁位置的机构，由此改变特定电动机的转向。

具有多于一个转子的多相开关式磁阻电动机的一个变型是这样设置相序，即产生转子单向或可反向的转动。也可以在转子极及定子极之间设置不对称的气隙，来控制转向。

上述电动机结构允许设置反向转动部件而无大的成本增加或机械的复杂性。这些电动机结构也能提供以下显著的附加优点。首先，可消除或降低纯角动量。这导致电动机和/或装有它的装置或产品上加速/减速反应转矩的减小。此外，可消除或减小陀螺效应。这导致当受到总力矩时电动机和/或装置或产品上回转力的减小。这种电动机结构也可通过包括叠加抵消的各种方法来降低声音及机械的振动。

具有如上述反向转子的电动机当用于真空吸尘器中驱动双重或多重旋转体旋转时，可提供显著的优点。更具体地说，该电动机可直接驱动内及外斗中的叶轮。此外，如果需要，流过内及外叶轮的空气流可以串联连接，这产生了电动机输出之间的可能的负载匹配，并由此简化及降低了功率电子和/或机械部分的复杂性。

在开关式磁阻电动机的情况下，主和/或附加绕组的开关时间可使用来自主和/或附加绕组上位置传感器的信息来控制。如果需要，转子的位置信息可被组合(例如通过微处理机，传感器的组合逻辑或物理结构)，以给出关于电动机和/或其中使用或组合了电动机的产品/装置的所需工作特性。这允许功率电子电路的可能简化及由此产品/装置的总成本尺寸及重量的可能降低。

图9及10表示双输出单相电动机例如图7a中所示电动机的绕组结构的变型。在图9及10的每个中，定子502设有两组绕组。在这方面，第一绕组550被绕在径向向内的极518上及第二绕组560被绕在径向向外的极504上。

图10表示很相似的结构，但在径向内绕组550及径向外绕组560之间具有某些径向重叠。这种结构对于给定数目的绕组圈数能显著地减小尺寸。

在真空吸尘器应用中可以设置多于一个叶轮，以通过吸尘器吸空气。典型地，根据图11所示的实施例，第一叶轮570可被布置在使污物及灰尘与气流隔离的袋(未示出)的上游，而第二叶轮572可设置在其下游。第一叶轮570可比第二叶轮572的转动慢得多，但可具有较大尺寸来容纳较大灰尘粒子的通道。第二叶轮572可以做得较小，因为其只用于细小灰尘颗粒。这有利于提高操作速度，其又进一步改善了真空吸尘器的性能。此外，转子的转速比可被设计成补偿风扇/转子的惯性比，由此能减小回转力或使其净为零。可设置第三电动机来使刷杆转动。

参看图11，更详细地，该电动机结构包括中心机械支承574，它支持设有叠片绕组590的轴向中心定子576。极590设有绕组578。一对轴向对齐的转子580、581设在定子576相应的轴侧。叶轮570、572设在远离支承574的转子580、581的轴向侧上。叶轮570、572及转子580、581安装在与支承574形成整体的中心轴582上。设置吸停磁铁584用于使每转子580、581的极586更靠近分别位于定子极590的任何给定相邻极对之间中点的圆周对立侧的极上。这具有当绕组578被激磁时使转子580、581按相反方向转动的作用。为了保证叶轮570、572从电动机结构的相反侧吸取空气，每个叶轮570、572具有相对另一叶轮的叶片反向定向的叶片588。因此空气可由叶轮570从真空吸尘器的污尘空气入口吸入，并从那里排放到污尘收集袋，空气在其中被滤清，然后被叶轮572从袋吸向清洁空气出口。

本发明的另一应用是电动机及发电机转速比的改变。该类应用的一个例子是如图12所示的机动车内燃机上涡轮增压器中的涡轮机及压缩机的变速的应用。在实际中，这可通过使用开关式磁阻电动机610驱动压缩机612及开关式磁阻发电机614吸收涡轮机616的能量来达到。压缩机612的速度可相对涡轮机616速度的整数倍及电动机/发电机极数比来同步，以使得发电机614每“冲程”的输入功率能直接转变为电动机610每“冲程”的输出功率。这种可变比的涡轮增压器与标准单一比涡轮增压器相比具有许多优点，包括：改善发动机功率及效率，减小“涡轮”延迟，高可靠性与部件紧凑尺寸及坚固结构相组合。该结构的制造不昂贵并能连接到发动机管理系统中。它也为机动车去除交流发电机消除冗余提供了可能性。

对于本领域的熟练技术人员来说，在参考上述说明后将会对它们作出许多另外的修改及变化，上述说明仅是以例子方式给出的并非用于限制本发明的范围，后者将由附设权利要求书来确定。

Claims (20)

1.一种电动机，包括借助一公共电源驱动的两个或多个转子，每个转子具有多个极并与具有多个极的定子相关连，其中对于每个转子，转子极和定子极的布置是不同的，以致当该公共电源供电时，这些转子以不同速度转动。

2.根据权利要求1的电动机，其特征在于对于每个转子，定子极数相同，但转子极数不同。

3.根据权利要求2的电动机，其特征在于对各转子设有一个公共定子。

4.根据权利要求1或2的电动机，其特征在于对每转子设有分开的定子，及在每定子上的绕组电连接。

5.根据权利要求4的电动机，其特征在于设有开关，用于分断不同定子上绕组之间的相互连接，以便独立地停止一个或多个转子的转动。

6.根据权利要求4或5的电动机，其特征在于绕组之间的相互连接可被间歇地中断，以便有利于一个或多个转子的起动和/或停止。

7.根据权利要求4至6中任一项的电动机，其特征在于设有通过对绕组之间电连接方式按序变化以离散步骤来改变转子之间速度比的装置。

8.根据上述权利要求中任一项的电动机，其特征在于设有使至少一个转子在与其余一个或多个转子转动方向相反的方向上转动的装置。

9.根据权利要求8的装置，其特征在于所述装置包括磁铁，当静止时它位于使转子再起动的位置，通过使每转子极靠近两个相邻的定子极中预定的一个放置使它们反向地转动。

10.根据上述权利要求中任一项的电动机，其特征在于第一转子及第二转子的每个以开关式磁阻电动机的方式工作。

11.根据权利要求1至9中任一项的电动机，其特征在于第一转子及第二转子的每个以步进电动机的方式工作。

12.根据权利要求1至9中任一项的电动机，其特征在于第一转子以开关式磁阻电动机的方式工作，及第二转子以步进电动机的方式工作。

13.根据上述权利要求中任一项的电动机，其特征在于该电动机适用于真空吸尘器。

14.根据权利要求13的电动机，其特征在于其中一个转子适用于驱动真空吸尘器的叶轮。

15.根据权利要求14的电动机，其特征在于第二转子适用于驱动真空吸尘器的第二叶轮。

16.根据权利要求13至15中任一项的电动机，其特征在于其中一个转子适用于驱动真空吸尘器的刷杆。

17.根据权利要求1至12中任一项的电动机，其特征在于其中第二转子形成开关式磁阻发电机的一部分。

18.根据权利要求17的电动机，其特征在于第一转子用于驱动涡轮增压器的压缩机，及开关式磁阻发电机用于吸收涡轮机的能量。

19.主要根据以上参照附图中所示任一实施例所描述的电动机。

20.包括以上任一权利要求所述电动机的真空吸尘器。

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