CN1592045A - 电刷型dc电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电刷型DC电机。改进的电机的几个实施例，其中线圈以某种方式缠绕以减少相移且线圈端部以某种形式连接到换向片以减少电压泄漏。

Description

电刷型DC电机
发明背景
本发明涉及一种电刷型旋转DC电机，更具体地涉及用于这种电机的线圈绕组和换向器以及电刷的结构。
典型地这种类型的具有电刷的DC电机包括转子和定子的旋转轴。定子通常由多个沿圆周间隔开的永磁体构成，该永磁体与形成在转子和电枢上的沿圆周间隔开的轴向延伸的磁极齿配合且围绕永磁体缠绕线圈。为了在电机的线圈绕组和外部端子之间传递电能，在转子上，通常在邻接磁极齿的轴向端处具有换向器。换向器具有多个环形的导体片，导体片之间具有一定的空隙，线圈绕组的端部连接到导体换向片。与换向器片滑动接触的电刷将电能传输到外部端子或从外部端子传输电能。
在这种DC电机中，需要减少电刷之间的电压泄漏和抑制由于线圈中的相移导致的能量损失。当在彼此相对的方向给相邻的线圈绕组通电时，相移以电磁能量损失的形式出现。因此，为了防止相移，因为以相同的方向给线圈绕组通电，当旋转时流动方向相反，因此需要以相反的绕组方向对相邻的线圈通电。还有为了延长电刷的寿命，需要在旋转期间电刷和相关的换向片之间的滑动接触摩擦保持稳定和没有变化的恒定。
在日本专利文献JP-A-2001-275327中公开了这种类型的具有电刷的DC电机。在这种DC电机中，线圈绕组的端部与换向片连接使得磁极齿上的一组线圈绕组像用笔一笔画出的线那样连续且线圈通过换向片由两个电刷通电。两个电刷的宽度与两个换向片的宽度一样大，电刷之间的间隔与一个换向片的宽度一样大，且线圈在电刷之间彼此平行设置以减少电机电感使得电刷的寿命延长且有利于更平滑地旋转。
但是在这篇文献描述地线圈连接结构中，没有参考当电流从两个电刷的正极(+)侧流向负极(-)侧时线圈中电流的方向进行考，所以很难说这种线圈连接结构会防止在相对方向，垂直或相反方向旋转线圈通电导致的相移。还有，除了线圈绕组的端部连接到换向片，需要在缠绕之后在换向片之间线连接和切削工作，这使得围绕换向片的连接工作以及线结构复杂化。
此外，由于仅有换向片之间的一个空隙(绝缘区域)容纳在电刷之间的间隔中，减小了抵抗没有泄漏的电压的能力。还有，由于在线圈缠绕在所有的磁极齿上之后还有未用的换向片，使用率低且在旋转过程中对于电刷的滑动接触摩擦阻力变化，这加速了电刷的损耗。
因此本发明的主要目的是提供一种能够用简单的连接结构防止相移的DC电机，能够增加电刷接收不泄漏高电压的能力且抑制其损耗使得延长它们的寿命。
还有本发明进一步的目的是提高换向片的利用率且简化其布线。
发明概述
本发明适于以包括可围绕轴线旋转的轴的DC电机实施。多个沿圆周间隔开的永磁体围绕轴线设置。多个沿圆周间隔开的磁极齿面对该永磁体。电线圈缠绕在磁极齿上。多个沿圆周间隔开的换向片在相邻的边缘之间具有间隙，线圈绕组的端部连接到所述换向片。多个电刷与换向片滑动接触用于在线圈和电刷之间传递电能。线圈端部连接到选择的换向片使得当所述电机旋转时电能在相对的方向在相同的电路中流过相邻的线圈对以减小或消除相移。
根据本发明的另一特征，相邻对的线圈端部连接到被至少两个换向片彼此间隔开的换向片以增加不泄漏电压容量。
根据又一特征，第二组线圈绕组围绕每一个极齿形成且连接到没有连接到第一所述组的线圈绕组的换向片以增加容量且提高电刷负载和损耗。
附图说明
图1是用于内燃机中特殊形式的电启动电机的旋转电机的剖视图。
图2A-2C是包括极齿，周围线圈绕组，永磁体以及在连续相等的部分旋转过程中显示电流流动的换向片的第一实施例的主要电机元件的展开图。
图3A-3C部分类似于图2A-2C，是分别表示第一和第二组线圈绕组和联合线圈绕组的第二实施例的相同的元件的展开图。
图4A-4C部分类似于图2A-2C和图3A-3C，是在连续相等的部分旋转过程中表示电流流动的第三实施例的相同的元件的展开图。
图5部分类似于图2A，3C和4A，是表示第四实施例的结构的展开图。
图6部分类似于图2A，3C，4A和5，是表示第五实施例的结构的展开图。
图7部分类似于图2A，3C，4A，5和6，是表示没有永磁体的第六实施例的结构的展开图。
图8A-8C部分类似于图2A-2C和图3A-3C，是在连续相等的部分旋转过程中表示永磁体和电流流动的第六实施例的相同的元件的展开图。
图9A-9C部分类似于图3A-3C，是分别表示第一和第二组线圈绕组和联合线圈绕组的第七实施例的相同的元件。
图10部分类似于图2A，3C，4A，5，6和7，是表示没有永磁体的第八实施例的结构的展开图。
图11A-11C部分类似于图2A-2C，3A-3C和图10，是在连续相等的部分旋转过程中表示永磁体和电流流动的第八实施例的相同的元件的展开图。
图12A-12C是部分类似于图10的图，但是示出了两个不同系列的线圈如何可以形成在类似于图9A-9C的实施例的每个极齿上。
图13A是部分类似于图2A的图，但是示出了换向片以一种方式彼此连接以减少需要的电刷的数量的实施例。
图13B是部分类似于图7的图，但是示出了换向片以一种方式彼此连接以减少需要的电刷的数量的另一个实施例。
图14A-14C是表示在图13A的实施例中使用的且仅有两个电刷的线圈连接的连续状态的展开图。
图15A-15C是表示在图13A的实施例中使用的且有四个电刷的线圈连接的连续状态的展开图。
详细描述
现在详细参考附图，首先参考图2，应用于本发明的DC电启动电机形式的旋转电机通常由附图标记21表示。电机21，例如用作摩托车的起动装置。起动装置电机21包括包含圆柱形轭部的外壳体，该圆柱形轭部22由端部隔板23和24在相对端封闭。
外壳体且特别是中心轭部22包括定子，其包括适于例如通过粘结到轭部22的内表面上的永磁体25。永磁体25包括多个沿着轭部22的内侧圆周表面以规则的圆周间隔设置的裂开的弧形主体。
通常由附图标记26表示的转子以将被描述的方式被轴颈支撑(journalled)于定子的内部。转子26具有中心部分，从该中心部分多个沿圆周隔开的磁极齿27轴向延伸以面对磁体25。每一个磁极齿27通常是T形的，其头部邻近磁体25。在相邻的磁极齿27之间形成槽28。线圈(如点线表示且由附图标记29表示)缠绕在每一个磁极齿27上且通过槽28。
转子26适于安装在转子轴31上，该转子轴通过由端部隔板23和24支撑的轴承32轴颈支撑(journalled)在其相对端。转子轴31的一端延伸出端部隔板23且支撑转向装置33用于以任何适当的方式与发动机轴(未示出)啮合。
通常由34表示的换向器在线圈29的轴向方向安装在转子轴31的一端，在示出的实施例中邻近端部隔板24。换向器34由多个其间具有一定间隙的设置成环形的换向片35制成。各个线圈绕组29以后面参考剩余的附图描述的方式连接到给定的换向片35。
弹簧加载的电刷36提供与换向片35的电连接，其中弹簧加载的电刷的数量和间隔将在后面参考其余的附图描述，在图1中仅出现一个。某个电刷36通过正极端子连接器37连接到正极(+)电池端子。其余的电刷通过与端部隔板24一体形成的电机壳体的安装框架38提供的接地连接连接到负极(-)电池端子。
最后由端部隔板23支撑的油密封39密封地啮合在转子轴31上以完成可以实施本发明的这种类型的旋转电机的总的描述。
下面将参考其余的附图描述实施本发明的一些特殊的布线图和元件布置以及线圈间隔。然而，在特别参考它们之前，将对通用的特征进行一些概括描述。永磁体裂开弧形磁铁换向片25的数量是四或更多的偶数。即，m＝4，6，8....如果m＝4，磁铁具有大致90°的弧形，如果m＝6，具有大致60°的弧形，且如果m＝8，具有大致45°的弧形。磁极齿27的数量表示为t＝m+2，且换向片35的数量表示为s＝2t。电刷36的数量表示为b＝m。
首先参考图2A-2C，其示出了根据本发明第一实施例的线圈连接结构的展开图。该实施例是永磁体25的数量m是4的例子，磁极齿27的数量t是6，换向片35的数量s是12，且电刷36的数量b是4。在所有附图中，为了容易理解，换向片35根据它们在圆周上的位置顺序编号且电刷36以相同的顺序按字母顺序用字母标明(根据它们数字的A，B，C和D等)。
图2A-C表示当由于转子26的旋转导致的电刷36在图中相对于换向片向右移动等于半个换向片的距离的线圈连接的连续状态。在所有的图中，为了简单和为了方便表示线圈绕组的方向，线圈仅以单独绕组表示。
线圈29面对四个永磁体25缠绕在六个磁极齿27的每一个上。每一个线圈29的绕组的两端连接到十二个换向片(1-12)中具有给定的位置关系的换向片。如图所示，每一个线圈29的绕组的两端连接到换向片35，彼此交叉且跨过相邻的线圈29的绕组的一端。换向片的数量s是磁极齿的数量的两倍，且对应于每一个磁极齿27，与齿27相对，具有两个换向片35。在每一个磁极齿27上的线圈29的绕组的端部连接到磁极齿正下方的更远的两个换向片之一，或者连接到相邻的磁极齿的正下方的更远的两个换向片之一。
连接到每一个磁极齿的正下方的换向片的线圈和连接到相邻的磁极齿的正下方的换向片的线圈交替的设置。因此，换向片连接到成对的线圈，其中剩下两个换向片未连接，以形成一组六个线圈。由此，如图中所示，十二个换向片中的六个换向片#1，2，5，6，9和10用于连接六个线圈29。该组六个线圈29如此构成，使得当通过电刷36在箭头方向通电时，平行的线圈29具有相对的激励方向，当在法向或相反的方向通电时，并联的相邻的线圈29的绕组具有相同的激励方向。这消除了相移。
组成转子换向器34的十二个换向片35与线圈29一起旋转，且四个电刷36(A-D)与换向片35滑动接触。图2A-C示出了当由于转子的旋转电刷36在图中相对于换向片向右移动半个换向片时线圈连接的连续状态。如图所示，相邻的电刷36之间的间隔足够宽以容纳两个换向片35之间的孔隙。这样的间隔允许作为绝缘区域的换向片35之间两个或更多的孔隙的存在，使得提高绝缘特性和容量以经受没有泄漏的电压。
图3示出了部分与图2A-2C相似的本发明的第二实施例。然而，在图2A-2C的例子中未用的六个换向片(#3，4，7，8，11，12)在本实施例中用作以重叠关系在磁极齿27上形成第二组线圈29。即，如图3A所示，六个换向片(#1，2，5，6，9，10)用作形成如图2A-2C中的第一组六个线圈29，且此外，如图3B所示剩余的六个换向片(#3，4，7，8，11，12)用于以重叠关系在磁极齿27上形成第二组线圈29。通过如图3C中所示的重叠图3A和图3B形成转子的整个线圈连接结构。这样所有的换向片35统一地使用，使得换向片的利用率得到提高且可以实现稳定的高输出，还有在旋转过程中对于电刷36的滑动摩擦力变得近似恒定，使得电刷36的损耗得到抑制且它们的寿命可以延长。在图3C中，图3A的一组线圈和图3B的一组线圈重叠，图3B的该组线圈由点划线表示。
图4A-4C示出与图2A-2C的基本相似的本发明的第三实施例。与那些附图相似，图4A-C表示当由于转子的旋转导致电刷在图中相对于换向片向有移动半个换向片时的线圈连接的连续状态。在本实施例中，电刷36的宽度增加且由此电刷之间的间隔某种程度的减少。在该例子中，仅换向片之间的孔隙中的一个保持在图4B位置上的电刷之间的间隙中，但是在图4A和4C的位置，电刷之间的间隔足够宽以保持换向片之间的两个孔隙。由此，电刷36之间的间隔如此设置，使得至少在旋转过程中的位置，其保持两个或更多的换向片35之间的孔隙，使得电刷之间的中间间隔加宽且可以允许足够大的无泄漏电压。这允许对电刷宽度更少的限制和更大设计自由度。
图5是第四实施例的展开图。该实施例示出了电磁铁25的数量m为六，磁极齿27的数量t为8，换向片35的数量s为十六，电刷36的数量b为6的例子。
如在图2A-2C的实施例中，每一个线圈29的绕组的两端连接到换向片35，彼此交叉且跨过相邻的线圈的绕组的一个端部。换向片的数量s是磁极齿的数量的两倍，且对应于每一个磁极齿27，在齿的正下方具有两个换向片35。在每一个磁极齿27上的线圈29的绕组的端部各自连接到磁极齿正下方的两个换向片中的更远的一个，或连接到相邻的磁极齿正下方的两个换向片中更远的一个。连接到每一个磁极齿正下方的线圈和连接到相邻的磁极齿正下方的线圈交替设置。
由此，如该图所示，十六个换向片中的八个换向片#1，2，5，6，9，10，13和14用于连接八个线圈29。该组八个线圈29如此构成，使得当通过电刷以箭头方向通电时，相邻的线圈具有相对的激励方向，法向和反向，且平行的相邻的线圈绕组29具有相同的激励方向。这消除了相移。
还有，在本实施例中，在m＝6的情况下，如图3A-3C所示的实施例，未用的换向片(#3，4，7，8，11，12，15，16)可以用于以重叠关系形成第二组线圈。
图6示出了本发明的又一个实施例。本实施例示出了电磁铁25的数量m为8，磁极齿27的数量t为10，换向片35的数量s为20，电刷36的数量b为8的例子。如在图2A-2C的实施例中，每一个线圈29的绕组的两端连接到换向片35，彼此交叉且跨过相邻线圈绕组的一个端部。换向片的数量s是磁极齿的数量t的两倍，且对应于每一个磁极齿27，在齿的正下方具有两个换向片35。在每一个磁极齿27上的线圈29的绕组的端部各自连接到磁极齿正下方的两个换向片中的更远的一个，或连接到相邻的磁极齿正下方的两个换向片中更远的一个。连接到每一个磁极齿正下方的线圈和连接到相邻的磁极齿正下方的线圈交替设置。
由此，如该图所示，十个换向片#1，2，5，6，9，10，13，14，17和18用于连接十个线圈29。该组十个线圈29如此构成，使得当通过电刷以箭头方向通电时，相邻的线圈具有相对的激励方向，法向和反向，且平行的相邻的线圈绕组29具有相同的激励方向。这消除了相移。
还有，在本实施例中，在m＝8的情况下，如图3A-3C所示的实施例，未用的十个换向片(#3，4，7，8，11，12，15，16，19，20)可以用于以重叠关系形成第二组线圈。
图7是本发明另一个实施例的圆周展开图。该实施例示出了具有六个磁极齿27和十二个换向片35的例子，其中六个磁极齿27中的三个磁极齿27用于形成两个相对缠绕的线圈29a，一个以重叠关系用于每一个磁极齿27。这些线圈连接到十二个换向片中的六个换向片35以形成一组线圈。
如该图所示，以重叠关系形成的两个线圈29a，29b，连接到两个相邻换向片35的一个线圈29a的两端，彼此交叉。另一个线圈29b的绕组的两端以彼比分开的关系连接到在远处的换向片35。如上述的实施例，换向片35连接到成对的线圈，其中剩下两个换向片未连接。
图8A-8C表示当由于转子的旋转导致电刷36相对于换向片在图中向右移动半个整流子时图7的实施例中的线圈连接的连续状态。箭头表示从电刷36的激励方向。
图9A-9C示出了图7的实施例中未用的三个磁极齿和六个换向片用于以重叠关系形成与图7相同的形状的不同组的线圈的例子。图9A与图7相同，其中两个线圈29a，29b形成在每一个磁极齿27上。图9B示出了与图9A相同形状的与不同的磁极齿和不同的换向片一起形成的不同组的线圈。两个线圈29c，29d形成在每一个磁极齿上，且连接这些线圈以形成第二组线圈。图9A和图9B重叠以构成图9C。
图10表示本发明的又一个实施例，其与图7相同，除了省略了上述实施例中的总共六个磁极齿的未用的三个磁极齿。即，具有三个磁极齿27和十二个换向片35。两个线圈29a，29b以重叠关系形成在三个磁极齿27的每一个上。这些线圈连接到十二个换向片中的六个换向片35以形成两组线圈。
如图7的实施例，两个线圈29a，29b以重叠关系形成，一个线圈29a的两端连接到两个相邻的换向片，彼此交叉。另一个线圈29b的绕组的两端以彼此分开的关系连接到在远处的换向片35。换向片35连接到成对的线圈，其中剩下两个换向片未连接。
图11A-C表示当由于转子的旋转导致电刷相对于换向片35在图中向右移动半个换向片间隔时的图10的实施例的线圈连接的连续状态。
图12A-12C示出了图10的实施例中的未用的六个换向片用于以重叠关系形成与图10相同形状的两组不同的线圈的例子。图12A与图10相同且具有形成在每一个磁极齿27上的两个线圈29a，29b。图12B示出了与不同的换向片连接的与图12A相同形状的不同组线圈。两个线圈29c和29d形成在每一个磁极齿上，且连接每一个或这些线圈以形成一组线圈。图12C示出了图12A和12B的线圈如何重叠。
图13A和图13B各自示出了本发明另外两个实施例的线圈连接结构，其中换向片彼此连接以在某种程度上减少电刷的需求数目(不超过4个)。
图13A示出了使用与图2的实施例相同的线圈缠绕结构但是每一个换向片连接到第六个相邻换向片的例子。图13B示出了使用与图7的实施例相同的线圈缠绕结构但是每一个换向片连接到第六个相邻换向片的例子。虽然在图13A和13B中都具有六个磁极齿和十二个换向片，本发明并不局限于此，且如果仅换向片每一个连接到第t个相邻的换向片那么t磁极齿和2t换向片的任何连接结构都适用。除了换向片可以以这种种方式彼此连接，可以增加两个，三个或四个电刷的设置以消除相移和经受电压。
图14A-14C表示当由于转子的旋转导致电刷在图中相对于换向片向右移动半个换向片时的应用在图13A的实施例中的且仅具有两个电刷的线圈连接的连续状态。
图15A-15C表示当由于转子的旋转导致电刷在图中相对于换向片向右移动半个换向片时的应用在图13A的实施例中的且仅具有四个电刷的线圈连接的连续状态。
由此，从几个实施例的上述描述中，很显然本发明的目的已经实现。例如，当一组线圈连接使得当在法向和相反方向通电时它们的激励的方向交替设置，使得可以防止相移。还有在一些实施例中，电刷之间的间隔足够宽以保持换向片之间的两个孔隙，允许绝缘特性提高以及不泄漏的电压承受。还有在一些实施例中，线圈以重叠关系缠绕在每一个磁极齿上且线圈连接到相同数量的换向片以形成两组其中激励方向设置到所有磁极齿的线圈。因此，换向片的使用率提高且可以实现稳定的高输出。还有，换向片统一使用且在旋转过程中对电刷的滑动接触摩擦变的大致恒定，使得电刷的损耗得到抑制且它们的寿命延长。当然本领域技术人员将会理解描述的实施例仅仅是示例性的，如提交的权利要求所限定的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种变化和修正。

Claims (22)

1.一种DC电机，包括：围绕轴线旋转的轴，多个围绕所述轴线设置沿圆周隔开的永磁体，多个面对所述永磁体沿圆周隔开的磁极齿，缠绕在所述磁极齿上的电线圈，多个在相邻的边缘之间具有空隙的沿圆周隔开的换向片，所述线圈绕组的末端连接到换向片，以及
与用于在所述线圈和所述电刷之间传递电能的所述换向片滑动接触的多个电刷，所述线圈端部连接到选择的所述换向片，使得当所述电机旋转时在相反的方向在相同的电路中电能流过相邻的线圈对。
2.如权利要求1所述的DC电机，其中相邻对的线圈端部连接到被至少两个没有连接到任何线圈绕组的换向片彼此隔开的换向片。
3.如权利要求1所述的DC电机，其中每一个线圈绕组的绕组的两个端部连接到换向片，彼此交叉且跨过相邻的线圈绕组的绕组的一端。
4.如权利要求1所述的DC电机，其中永磁体的数量m是四或更多的偶数，磁极齿的数量t是m+2，换向片的数量s是2t和电刷的数量b是m。
5.如权利要求4所述的DC电机，其中磁铁的数量m是四，磁极齿的数量t是六，换向片的数量s是十二和电刷的数量b是二，三或四。
6.如权利要求5所述的DC电机，其中相邻对的线圈端部连接到被至少两个没有连接到任何线圈绕组的换向片彼此隔开的换向片。
7.如权利要求6所述的DC电机，其中12个换向片的每一个平行连接到相隔六个换向片的另一个换向片。
8.如权利要求2所述的DC电机，进一步包括围绕每一个极齿形成且连接到没有连接到上述第一组线圈绕组的换向片的第二组线圈绕组。
9.如权利要求8所述的DC电机，其中当所述电机旋转时电流以相对的方向在第二组线圈中相邻的线圈对中流动。
10.如权利要求9所述的DC电机，其中永磁体的数量m是四或更多的偶数，磁极齿的数量t是m+2，换向片的数量s是2t和电刷的数量b是m。
11.如权利要求10所述的DC电机，其中磁铁的数量m是四，磁极齿的数量t是六，换向片的数量s是十二和电刷的数量b是二，三或四。
12.如权利要求1所述的DC电机，其中电机包括电动机。
13.如权利要求12所述的DC电机，其中相邻对的线圈端部连接到被至少两个没有连接到任何线圈绕组的换向片彼此隔开的换向片。
14.如权利要求12所述的DC电机，其中每一个线圈绕组的绕组的两个端部连接到换向片，彼此交叉且跨过相邻线圈绕组的绕组的一端。
15.如权利要求12所述的DC电机，其中永磁体的数量m是四或更多的偶数，磁极齿的数量t是m+2，换向片的数量s是2t和电刷的数量b是m。
16.如权利要求15所述的DC电机，其中磁铁的数量m是四，磁极齿的数量t是六，换向片的数量s是十二和电刷的数量b是二，三或四。
17.如权利要求16所述的DC电机，其中相邻对的线圈端部连接到被至少两个没有连接到任何线圈绕组的换向片彼此隔开的换向片。
18.如权利要求17所述的DC电机，其中12个换向片的每一个平行连接到相隔六个换向片的另一个换向片。
19.如权利要求13所述的DC电机，进一步包括围绕每一个极齿形成且连接到没有连接到上述第一组线圈绕组的换向片的第二组线圈绕组。
20.如权利要求19所述的DC电机，其中当所述电机旋转时电流以相对的方向在第二组线圈中相邻的线圈对中流动。
21.如权利要求20所述的DC电机，其中永磁体的数量m是四或更多的偶数，磁极齿的数量t是m+2，换向片的数量s是2t和电刷的数量b是m。
22.如权利要求21所述的DC电机，其中磁铁的数量m是四，磁极齿的数量t是六，换向片的数量s是十二和电刷的数量b是二，三或四。
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