CN1292942A - 一种小型电动机 - Google Patents

Abstract

一种电动机,包括一由磁性软材料制成的定子和一由永久磁铁制成的转子。定子至少沿转子轴的方向具有较低的导电性,从而降低由转子的转动而在定子材料内产生的涡流。由可磁化的材料制成的定子包括一环形部件,该环形部件包括两个部分,这两个部分具有不同的直径,以使环形部件能够同轴连接到筒状定子上。因为定子由多个部分组成,这种设置同样可以降低涡流损失,但定子的成本很低。线圈在柔性箔片上被加工成平面状线圈,这些线圈沿定子的内侧设置。

Description

一种小型电动机

本发明涉及一种小型电动机，包括一用作转子的可转动永久磁铁和一封闭转子的定子壳体。

本发明基于高性能的小型电动机。例如，用于移动电话上的小型电动机，其中被偏心地安装在电动机轴上的一个质量块在转动将使移动电话产生振动，从而通过无线方式使用户知道有电话打入。这表明可以有利地应用根据本发明的电动机，但实施例并非用于限制本发明。

为使电动机具有足够高的性能和速度，最好使用永久磁铁作转子。但由于磁铁转动时将会产生转动的磁场，而转动的磁场又将在定子内产生涡流损失，因此在连接这种尺寸的电动机时通常会产生一些问题，在通常情况下，可通过将电动机的壳体／定子的磁铁部分分成薄层来解决这种问题。为了避免在电动机和变压器的磁心内产生涡流损失而使用层状的磁心是公知的方法，所述磁心由多个至少部分电绝缘的薄片构成，从而使薄片叠层能够沿叠置方向至少明显降低穿过薄片平面的导电性。

在高频技术领域，使用铁氧体的烧结磁性元件是公知的。

上述解决小型电动机定子内涡流损失问题的方法具有一些缺点。例如，由于小型电动机的定子其壁厚非常小，而且当定子的磁心由多个小型的环状薄片部件以足够高的精度装配在一起时，明显增加了成本，因此沿轴向设置的层状定子成本很高。

类似地，由于使用烧结部件也需要很小的材料厚度，另外定子的极限强度非常低，而且以足够小的公差用烧结材料(例如铁氧体)制造定子也非常困难，因此使用烧结部件也很不利。

上述类型的小型电动机已在1998年7月9日出版的《机械设计》第58页有关“精确包装的小型电动机”的文章或广告中公开。但这种电动机还是有一些缺陷。这种电动机使用了线绕线圈，而这种线绕线圈又是通过将线圈的细线紧密缠绕在一起，同时由于尺寸较小而必须以很高的精度使细线定位的方法制成的，从而使小巧、紧凑的线圈具有合适的高性能。这种方法需要非常高的精度，这就使该方法很麻烦，因此通过这种方法制成的电动机其成本也就很高。

此外，这种公知的电动机还不包括换向器电刷。因此就需要额外设置复杂且成本高的电子控制元件，用于保持转子相对定子的转动轨迹并确定转子相对定子的角度位置，从而激励线圈的合适部分，以有利地对磁体产生作用。另外，高速转动对电子控制元件提出了非常高的要求。使用这种外部电子控制元件的其它缺陷在于：相对小型电动机而言，电子元件本身占用了很大的空间。在其用于移动电话内时，这一点尤其明显，因为其体积、重量和价格都是极具竞争性的参数。

本发明的目的在于提供一种能够高速转动的小型高性能电动机，由于这种电动机仅由一些简单的部件组成，因此易于制造。

本发明提供一种涡流损失低的小型高性能电动机，这种电动机仅包括非常少而且非常简单的元件，例如轴承、两侧设置有线圈部件的双面柔性电路板、用作换向器电刷的弹簧、用作转子的永久磁铁等。这样，就能够提供一种简单、低成本的电动机制造方法。

根据本发明，当磁铁转动时存在于壳体内的涡流问题可按以下方式得以解决。

在一优选实施例中，电动机的壳体由多个非平面状的子元件构成，这些子元件设置有突出部分和相应的凹入部分，以容纳另一子元件上的突出部分，从而使子元件在装配时能够自动对心。这就意味着壳体沿电动机的纵向基本绝缘，实际上，由于壳体被划分为多个子元件也就相当于将电子元件划分为多个层，从而完全避免或在很大程度上降低涡流损失，而在现有技术中，只能通过设置昂贵的层来降低涡流损失。而壳体仍然具有电动机定子所需的导磁性。

根据一个优选实施例，接线端子集成在柔性电路板上。由于接线端子不必焊接在线圈上，而是被一体集成，因此这样就确保更加简单，也更加柔软的结构。这样就能够提供一种用于移动电话的简单且便宜的电动机装置。

在另一实施例中，与转接器部分相接触的弹簧端部具有与轴的转动方向相反的卷绕方向。由于当电动机被使用时，弹簧将被可靠地固定，因此就能够确保弹簧不能轻易与轴脱开。

现参照附图，更加全面地描述本发明，其中附图：

图1为根据本发明优选实施例的纵向剖视图；

图2示出了用于构成图1所示的电动机定子的元件；

图3示出了根据本发明实施例的柔性电路板的展开侧视图(前侧)；

图4示出了根据本发明实施例的柔性电路板的另一侧(后侧)展开视图；

图5示出了根据本发明实施例的三个换向片和折叠／卷绕成筒体的柔性电路板的横向示意图。

图1示出了根据本发明优选实施例的电动机的纵向剖视图。该电动机包括一定子10，该定子由磁性软材料制成并被加工成圆筒形的管体，该管体由多个部件组成，如图2所示。

图2示出了用于形成图1所示之电动机定子的部件50。部件50由磁性的软材料制成并且为环形或具有两个相互连接部分的短管，这两个部分包括第一部分51和第二部分52。第一部分51的外径与第二部分52的内径相同，从而使第一部分能够以合适程度的摩擦装配在第二部件的第二部分内。

当制造图1所示的电动机定子时，将适当数量的部件50安装在一个心轴上，这些部件被压在一起，从而使部件50的较窄的第一部分51压装在相邻部件的较宽的第二部分52上。这样就形成了被用作电动机定子的管状部件，如图1所示。心轴用于协助组装，而且还具有使制成的定子不是弯曲的，而是直线状的作用。

这样就沿纵向将定子划分为多个独立的部分，以显著降低涡流损失，从而将更高的功效传递给电动机。

由于用于形成定子的部件50包括两个可相互压装并能够至少部分相互封装的部分，因此其能够自动对心。这种自动对心作用可通过部件的其它实施例来实现。例如，所述部件可被加工成截锥形的壳体，或者在其一侧设置有凸起，而在另一侧设置有相应的凹槽。

图1还示出了轴3的一端安装有一个配重55，该配重相对轴3偏心设置。

两个轴承4，5设置于定子10的两端，轴承5被用作换向器，并设置有多个换向片。轴3可转动地固定于轴承4，5上，并通过一螺旋弹簧7与轴承4，5导电连接，而螺旋弹簧7与轴承4始终处于导电接触状态下，从而形成滑动环接触。轴承4可设置有一未断开的滑动环，或者与设置于相对端上且具有换向片的轴承5相同。其优点在加工方面是显而易见的。或者，轴承4本身可以为导体并由用于制造这种轴承的公知导电材料制成，例如青铜或导电塑料，从而省去了弹簧7。一永久磁铁1被固定安装于轴3上，该磁铁可沿径向励磁并用作转子。此外，一个用作换向器电刷的导电螺旋弹簧9安装于轴3上。弹簧9设置有一压在轴的一部分上的端部11，该端部11包括一直径略微变大的部分，从而使弹簧9能够通过其自身的机械张力保持在轴上的合适位置上。接触弹簧7，9具有相反的卷绕方向，但其卷绕方向也可以相同。

三个换向片设置于轴承5上，但在图1中仅有一个换向片6是可见的。三个换向片相互间隔120度设置，并通过轴3的转动而使弹簧的自由端穿过三个换向片并分别与三个换向片接触。电动机最好设置有多于三个的换向片，同时这些换向片又分别与线圈相连接。

与电动机的导电连接使一个换向器电刷和一个滑动环形成永久性导电连接，而其它类型的电动机在同一换向器上设置有两个换向器电刷。所选具有一个换向器电刷的结构比较有利，因为这样可以使换向片的磨损基本减少一半，而换向片的磨损又是使换向器的金属部分产生断电的主要原因。此外，由于产生的噪音较小也使这种结构比较有利。

图3-4示出了一个柔性箔片形式的柔性电路板2，这种柔性电路板上通过现有技术中的方法蚀刻有线圈。轴承6上的换向片通过各个连接点分别与柔性电路板2上的线圈12，15；13，16；14，17导电连接，其中以柔性箔片形式存在的柔性电路板上设置有线圈。一正电压作用于接在柔性电路板2正极接线端“+”上的所有线圈12，15；13，16；14，17上，同时一负电压(或接地线)通过导电轴承4穿过导电轴承4与柔性电路板2上的负极接线端“-”之间的连接点作用于轴上。当弹簧9接触换向片时，电流将在与换向片相连接的线圈12，15；13，16；14，17内流动。而电流将在沿纵向延伸的线圈导体12，15；13，16；14，17内即沿径向延伸的部分内产生一个磁场，该磁场将对磁铁1产生一个力并使磁铁1及轴3产生转动，而线圈12，15；13，16；14，17相对壳体固定。

当组装电动机时，首先将设置有线圈的盘卷柔性电路板插入定子壳体内，从而使其与壳体的内壁相接合并通过盘卷的柔性电路板向外的压力紧密固定于内壁中。接着，通过简单的轴向移动从而插入壳体的一端而使一第一轴承固定，以使柔性电路板受到进一步拉伸并固定在壳体的内部。这样，设置有固定磁铁即转子的轴就沿中心被定位于该轴承内。一弹簧沿轴向顶压在轴上，该弹簧被用作换向器电刷，例如使其与磁铁接合或沿轴向固定。接下来，一设置有换向片的第二轴承沿轴向移动到壳体的另一端内，直到检测到换向器电刷和换向片之间的导电连接。然后，该第二轴承被进一步压入电动机的壳体内(例如0．1-O．2mm)，以使弹簧可靠固定于磁铁与第二轴承之间。具体而言，后面的压力保证换向器电刷和换向片之间良好的接触力，从而确保换向片和轴之间以最小的磨损形成良好稳定的电连接。

设置有弹簧9的转子最好有一个转动方向，而弹簧9的端部与换向片接触，这就意味着弹簧9与换向片之间的摩擦将使弹簧进一步张紧。

图3示出了根据本发明展开的柔性电路板2的侧视图(前侧面)。该图示出了三个定位于柔性电路板2一侧上的子线圈12，13，14。子线圈12，13，14通过接点25，26，27分别与设置于柔性电路板另一侧的另外三个子线圈相连接(见图3及下面的说明)。每个线圈12，13，14都包括一个与各个换向片相连接的接点21，22，23。一接点24确保来自负极接线端“-”的负电压(或接地线)能够被输送给轴承4。

子线圈12，13，14的结构可根据柔性电路板2的面积及每个线圈上的卷绕圈数来确定。柔性电路板2以两层(两层之间有一个小的重叠，见图5)卷绕成一个筒体，从而使线圈的中心25，25’，26，26’；27，27’相互偏移120度。具有两层的筒体将使线圈卷绕720度。每对线圈都沿周边方向具有一240度的角度。在图中，线圈设置于柔性电路板上意味着每个线圈都由分别定位于柔性电路板2两侧的一个小的子线圈和一个大的子线圈构成。每个线圈中较大的线圈部分12，14，16沿周边方向具有一定的宽度，以充分封闭磁铁1，从而使其产生转动(见图4)。这一点尤其可通过本发明来实现：每个线圈都由一对线圈构成，其中包括一个大的子线圈和一个小的子线圈，大的子线圈可交替设置于柔性电路板的一侧和另一侧。如果大的子线圈设置于柔性电路板的同一侧，那么在仍然保持两层(有一小的重叠)的情况下，柔性电路板的一侧将不具有足够的空间。这样，通过在另一侧面空间内设置至少一个子线圈而为其它大的子线圈作准备，同时为本发明中各个小的线圈部分13，15，17提供所需的额外空间，目的是增加每个线圈的有效卷绕圈数，从而在每个线圈内形成更大的有效功率。这样就使在有限空间内线圈面积的使用比例非常高。

当从一侧观看时，图4示出了展开电路板的另一侧(后侧)。该图示出了三个子线圈15，16，17，每个子线圈都通过接点30与柔性电路板另一侧的三个子线圈12，13，14导电连接。图中还示出了分别给线圈施加正电压和负电压(或接地)的接线端“+，-”。来自正接线端“+”的正电压通过接点被输送给所有的线圈。当弹簧9与一个换向器电刷相接触时，就会通过接点形成一个电路，该电路包括正接线端“+”、与所接触的换向片相连接的线圈、所接触的换向片、弹簧9、轴3、弹簧7、轴承4及负接线端“-”。在该电路中流动的电流将沿连接线圈的纵向导体形成一磁场，该磁场通过一个力对磁铁1产生影响，并使磁铁1及轴3产生转动，而线圈12，15；13，16；14，17和柔性电路板2则固定于壳体上。

或者，所有六个子线圈在柔性电路板的两侧都是相同的，从而使每个线圈都沿周边方向具有一240度的角度。

图5为根据本发明的一个实施例，通过柔性电路板上折叠／或卷绕而成的筒体40及三个换向片的剖视图，其中筒体围绕换向片设置。在图中，附图标记41表示弹簧9与工作的换向片之间的接点。工作的换向片在与图3中的接点23相对应的接点42处与其各个线圈相连接。筒体40上的实线表示沿线圈纵向的导体位置。附图标记43和43’分别表示设置于柔性电路板2一侧上的线圈其大线圈部分的一半和另一半，而附图标记44和44’分别表示设置于柔性电路板2对侧的线圈其大线圈部分的一半和另一半。该图还示出了相对轴的中心(未示出)接点41与磁化方向之间的角度，其中磁化方向由从S指向N的箭头表示。x和·分别表示进入和流出该平面的电流方向。

图5所示的位置勾画出轴处于停止状态下的初始位置／开始位置。如果对电压端子“+，-”施加一个电压，那么如上所述，将通过接点形成一个电路，该电路包括正接线端“+”、与所接触的换向片连接的线圈43，43’，44，44’、所接触的换向片、弹簧9、轴3、导电轴承4及负接线端“-”，电流将在线圈43，43’，44，44’内沿x和·所示的方向流动。导体(延伸为一个平面)内的电流及由从S到N的箭头所示的磁场将在43和44内形成一个对导体43和44产生逆时针影响的力。由于导体被固定于壳体10上，相反，轴3是可转动的，因此导体将对轴3产生顺时针的作用力。在43’和44’内，电流流出平面，导体43’，44’将沿逆时针受到一个力，由于导体被固定在壳体10上，因此该力将使轴3受到顺时针的作用。这两个相互配合的力将使轴3沿弯曲的箭头所示的顺时针方向转动。这种力的作用将会继续，直到弹簧9不再与换向片接触，从而断开电路。轴3和磁铁1的转矩将使轴3继续转动，转动弹簧9与下一换向片接触并形成一个新的电路，该电路包括相对前一线圈偏移120度的新线圈。新电路中的电流和磁场将以类似于上述的方式产生一个力，并仅偏移120度，而且还将使轴3和磁铁1转动。重复进行这种过程，那么轴也将继续转动，直到不再向接线端“+，-”施加电压。

电动机的两个轴承4，5被加工成能够沿轴向插入定子内的楔形，同时柔性电路板的部件设置于轴承与定子10之间。只有导电路线沿电动机轴向延伸的线圈部分能够对转子的磁铁施加一个力矩，这些线圈部分沿轴向的尺寸与磁铁相同。

柔性电路板上的导电路线中不排除沿电动机轴向延伸的部分位于磁铁的外部，并最好位于轴承塞与定子之间。该位置尤其有利，因为这些导电部分不占用空间，因此电动机的结构可以更加紧凑。在电动机的一端，电流沿围绕周边方向的回路在这些部件内单向流动，在电动机的另一端，大小相同的电流沿另一回路流动。这些电流彼此平衡，从而在运转过程中，转子不会沿轴向受到网状力的影响。这是一个优点，因为接触力取决于结构，而并非取决于操作条件。

Claims (8)

1．一种电动机，包括：

-一个由磁性软材料制成的定子；

-一个由永久磁铁制成的转子，该转子定位于一轴上，所述转子可在定子内转动；

所述定子至少沿转子轴的方向具有较低的导电性，从而降低由于转子的转动而在定子材料内产生的涡流；

其特征在于：所述定子包括由多个同轴的部件(50)组成的组件，每个所述的部件都限定一轴线并设置有至少一个突出部分和至少一个相应的空腔，以容纳第二部件上的突出部分，从而使其突出部分容纳于第二部件空腔内的第一部件基本与第二部件同轴。

2．根据权利要求1所述的电动机，其特征在于：所述定子的部件(50)为环形，所述环形部件包括一第一环形部分(51)和一第二环形部分(52)，第二环形部分与第一环形部分同轴，而且第一环形部分(51)具有一外径，第二环形部分具有一允许部件(50)的第一部分(51)装配在第二部件(50)的第二部分(52)内的内径。

3．根据权利要求2所述的电动机，其特征在于：第一部分(51)的外径与第二部分(52)的内径调整成第一部件的第一部分能够通过摩擦固定于第二部件的第二部分内。

4．根据权利要求1至3所述的电动机，其特征在于：其包括一导电线圈，该线圈沿定子的内侧成平面状卷绕在柔性箔片上。

5．根据权利要求4所述的电动机，其特征在于：用于转子的轴承(4，5)设置于定子的两端，所述轴承至少部分被定子封闭，其中分别与一个线圈导电连接的换向片与轴承(5)中的第一个连接，所述转子仅设置有一个换向器电刷(9)，该电刷与所述的轴导电连接，所述电刷通过转子的转动与换向片交替接触，在轴承(4)的第二端上，所述的轴通过滑动接触与第二轴承(4)导电连接。

6．根据权利要求5所述的电动机，其特征在于：所述轴承(4)中的第二个设置有多个相互导电连接的换向片，轴(3)与第二轴承(4)还通过一换向器电刷(7)导电连接。

7．根据权利要求6所述的电动机，其特征在于：所述第一轴承(5)和第二轴承(4)是相同的，换向器电刷(7，9)构造成沿相反方向卷绕的螺旋弹簧。

8．根据权利要求5所述的电动机，其特征在于：未沿轴向延伸的线圈部分至少部分设置于轴承(4，5)与定子(10)之间。

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