CN1741355A - Dc换向器电动机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种DC换向器电动机(10)，包括：内部转子(16)，该内部转子(16)包括轴(12)和布置在轴(12)表面上的两个永磁体(14a、14b)；基本柱形的外部定子(20)，该外部定子(20)布置成通过气隙(18)在内部转子(16)外部与永磁体(14a、14b)相对；以及线圈，即第一和第二线圈(26a、26b)，该线圈分别布置在形成于外部定子(20)内表面上的多个狭槽(22)中，且该线圈的表面模制有树脂(24)。
Description
技术领域
本发明涉及一种包括电刷和线圈的DC换向器电动机(brushmotor)。
背景技术
在传统技术的DC(直流)换向器电动机中，线圈布置在内部转子的狭槽中，具有永磁体的外部定子布置在内部转子的外部，同时与该内部转子分离预定距离(见日本公开专利文献No.2003-169437和2003-230234)。换向器(commutator)布置在轴的表面上，该轴作为内部转子的中心轴。线圈与换向器电连接。电刷与换向器表面接触，以便将DC电流从外部供给线圈。
这时，当DC电流能够通过电刷而从外部流向换向器时，DC电流通过换向器流过线圈。根据由线圈通过DC电流产生的磁通以及由永磁体产生的贯穿内部转子的磁通的作用，在内部转子上产生力矩。内部转子环绕轴的中心轴线而旋转。
在传统技术的DC换向器电动机中，例如当DC换向器电动机用于高温和高湿度环境中时，或者当在旋转驱动力通过轴传递给另一装置时轴的旋转停止的情况下得到推力时，接着由线圈产生大量的热，从而与正常使用状态相比会加热内转子。在这种情况下，在上述DC换向器电动机中，由于在内部转子和外部定子以及外部定子的永磁体之间存在气隙，因此，由内部转子产生的热量不能高效向外释放。
发明内容
本发明的目的是提供一种DC换向器电动机，它能够高效释放由线圈产生的热量。
通过下面结合附图的说明，将更清楚本发明的上述和其它目的、特征和优点，附图中，通过所示实例表示了本发明的优选实施例。
附图说明
图1是表示本发明实施例的DC换向器电动机的剖视图；
图2是沿图1中所示的线II-II的剖视图；
图3是包括图1中所示的换向部分的电路图；
图4是表示换向部分的主要部件沿图1中所示的线IV-IV的剖视图；
图5是表示图3中所示的换向部分的变化实施例的侧视图；
图6是表示换向部分的主要部件沿图1中所示的线VI-VI的剖视图；
图7是表示换向部分的主要部件沿图1中所示的线VII-VII的剖视图；
图8是表示图1所示的DC换向器电动机布置在电夹具中的透视图；
图9是表示图1所示的DC换向器电动机布置在电促动器中的透视图；以及
图10是表示图1所示的DC换向器电动机布置在电促动器中的透视图。
具体实施方式
图1和2所示的DC换向器电动机10包括：内部转子16，该内部转子16设有轴12和布置在轴12的表面上的两个永磁体14a、14b(N极和S极)；基本柱形的外部定子20，该外部定子20布置成在内部转子16外部对着永磁体14a、14b，且在该外部定子和该永磁体之间布置有气隙18；定子线圈26，该定子线圈26(下文中也称为“第一和第二线圈26a、26b”)分别布置在形成于外部定子20的内表面上的两个狭槽22中，且各定子线圈的表面模制有树脂24；基本柱形的换向部分28，该换向部分28布置在轴12的表面上，同时与永磁体14a、14b分离；基本柱形的电动机壳体30，该电动机壳体30容纳外部定子20；供电电刷34(下文中也称为“第一和第二供电电刷”)，各供电电刷34的一端通过弹簧32而与电动机壳体30的内表面连接，另一端能够与换向部分28的表面接触；以及线圈连接电刷36(下文中也称为“第一和第二线圈连接电刷36a、36b”)。
轴12由导电材料构成。不过，轴12也可以由未示出的绝缘材料构成。也可选择，轴12可以由涂覆有绝缘材料的导电材料(未示出)构成。
对于永磁体14a、14b，基本圆弧形的磁部件被分别磁化成N极和S极，以便形成永磁体，且它们布置在轴12的切口部分中。在该结构中，轴12的一部分可以分别沿径向方向磁化成N极和S极，以便形成永磁体14a、14b。也可选择，多个磁部件(该磁部件的数目与DC换向器电动机10的磁极数目相等)可以分别磁化成N极或S极，以便构成永磁体。
外部定子20构成为这样，即多个包含硅的碳钢板(具有图2所示形状的硅钢板)沿轴12的纵向方向堆垛。第一和第二齿部分38a、38b(它们为沿朝着内部转子16的方向的基本Y形)形成于外部定子20的内表面上。在该结构中，第一和第二齿部分38a、38b相对于轴12的中心轴线布置成180°间隔。多个狭槽22通过在第一齿部分38a和第二齿部分38b之间的间隙而形成。第一和第二线圈26a、26b布置在狭槽22中。
第一和第二线圈26a、26b形成为这样，即铜线40(各铜线40涂覆有绝缘材料，且各铜线40有圆形截面形状或矩形截面形状)分别缠绕在第一和第二齿部分38a、38b上，且整个缠绕的铜线40模制有树脂24(见图1)。
如图3和4所示，第一线圈26a与第一线圈连接电刷36a电连接，第二线圈26b与第二线圈连接电刷36b电连接。
如图1至4所示，换向部分28包括：换向器部件42(第一和第二换向器部件42a、42b)，各换向器部件由基本圆弧形的导电材料构成；以及滑环45(第一和第二供电环45a、45b)，各滑环45由基本环形的导电材料构成，且该滑环45装配在轴12的外周表面上。
在该结构中，第一换向器部件42a与第二换向器部件42b通过两个绝缘部分43而电绝缘。第一和第二换向器部件42a、42b以及相应绝缘部分43的两端通过紧固环44而布置和固定在轴12的表面上，从而构成换向器。紧固环44、第一供电环45a和第二供电环45b分别通过多个环形绝缘部分47而相互电绝缘。而且，未示出的两个切口(这两个切口彼此分离，并沿轴12的轴向方向延伸)形成于各环45a、45b的内周表面上以及各绝缘部分47的内周表面上。铜线49a、49b(见图3)布置在该切口中，各铜线的表面涂覆有绝缘部件。铜线49a与第一供电环45a和第一换向器部件42a电连接，且铜线49b与第二供电环45b和第二换向器部件42b电连接。
因此，在轴12的表面上构成基本柱形的换向部分28。
第一和第二换向器部件42a、42b的数目与第一和第二线圈26a、26b的数目相同。第一和第二换向器部件42a、42b布置成相对于轴12的中心轴线间隔180°。
图1和2所示的电动机壳体30由具有涂覆表面的导电材料构成。不过，电动机壳体30也可以由未示出的绝缘材料构成。电动机壳体30的内部包括容纳外部定子20和定子线圈26的部分以及容纳换向部分28的部分。从内周表面穿透至电动机壳体30的外周表面的孔46布置成穿过电动机壳体30的侧表面。如图3和4所示与DC电源48连接的连接器50布置在电动机壳体30的外周表面上，这样，孔46由该连接器从外部覆盖。
第一和第二供电电刷34a、34b以及第一和第二线圈连接电刷36a、36b(见图1、3和4)由导电材料构成，该导电材料例如包括碳材料、石墨材料、人造石墨材料和金属石墨材料。第一和第二供电电刷34a、34b分别通过软导线(pigtail)52而与连接器50相连。在该结构中，第一和第二供电电刷34a、34b布置成相对于轴12的中心轴线间隔180°。第一供电电刷34a与第一供电环45a的表面接触，而第二换向器部件42b与第二供电环45b的表面接触。
第一和第二线圈连接电刷36a、36b也分别通过软导线54而与第一和第二线圈26a、26b连接。在该结构中，第一和第二线圈连接电刷36a、36b布置成相对于轴12的中心轴线间隔180°。第一和第二线圈连接电刷36a、36b与第一和第二换向器部件42a、42b或者绝缘部分43的表面接触。而且，弹簧32是由绝缘材料构成的弹簧，或者是涂覆有绝缘材料的弹簧。
在DC换向器电动机10中，在电动机壳体30两端处的开口由盖部件56、58(见图1)来覆盖，各盖部件56、58由绝缘材料或者表面涂覆有绝缘材料的导电材料而构成。而且，盖部件56、58分别通过多个螺栓60而固定在电动机壳体30的两端。与轴12同轴的孔61、63布置在盖部件56、58的中心部分上。轴承62、64分别与轴12同轴地布置在孔61、63中，该轴承62、64有内径近似与轴12的直径相同的孔。因此，轴12能够穿过各孔，以便向外伸出。
对于变化实施例的换向部分28a，本发明实施例的DC换向器电动机10可以如图5所示构成。换向器部件42a、42b可以布置成与第一和第二供电电刷34a、34b接触。而且，第一供电环45a可以布置成与第一线圈连接电刷36a接触，第二供电环45b可以布置成与第二线圈连接电刷36b接触。
本发明实施例的DC换向器电动机10如上述构成。下面将介绍它的操作、功能和效果。
下面将介绍如图1至4所述的状态，其中，在使得永磁体14a磁化成N极以及使得永磁体14b磁化成S极的状态下，DC电流能够流过第一和第二线圈26a、26b。为了方便，在下面的说明中，永磁体14a称为“N极磁体14a”，而永磁体14b称为“S极磁体14b”。
参考图1和2，N极磁体14a布置在轴12的上侧，S极磁体14b布置在轴12的下侧。这时，当DC电流能够通过连接器50和软导线52从DC电源48(见图3)的正电极流向第一供电电刷34a时，如图4所示，DC电流通过第一供电环45a和铜线49a(见图3)而流过第一换向器部件42a。而且，DC电流通过第一换向器部件42a而从第一线圈连接电刷36a流向第一线圈26a。
流向第一线圈26a的DC电流从该第一线圈26a流向第二线圈26b。DC电流通过第二线圈连接电刷36b而流向第二换向器部件42b。而且，流过第二换向器部件42b的DC电流通过铜线49b和第二供电环45b而流向第二供电电刷34b。DC电流通过软导线52和连接器50而流向DC电源48的负电极。
磁通通过DC电流而由第一和第二线圈26a、26b产生。各磁通通过气隙18而从外部定子20的第一和第二齿部分38a、38b(见图2)伸出，以便贯穿N极磁体14a和S极磁体14b。通过该贯穿磁通以及由N极磁体14a和S极磁体14b产生的磁通，在内部转子16上产生力矩。该力矩使得轴12沿图1和4中箭头所示的方向旋转。
当轴12旋转时，N极磁体14a的位置移动至轴12的左侧(如图6所示)，同时，S极磁体14b的位置运动至轴12的右侧。第一和第二换向器部件42a、42b的位置也根据轴12的旋转而移动。也就是，如图6所示，第一换向器部件42a向左侧移动，第二换向器部件42b向右侧移动。
这时，第一和第二换向器部件42a、42b通过第一和第二线圈连接电刷36a、36b而导电。因此，第一和第二换向器部件42a、42b相对于DC电源48处于电短路状态。因此，停止从DC电源48向第一和第二线圈26a、26b的DC电流供给。
当轴12进一步旋转时，N极磁体14a的位置移动至轴12的下侧(如图7所示)，同时S极磁体14b的位置运动至轴12的上侧。在该状态下，第一换向器部件42a的位置移动至轴12的下侧，第二换向器部件42b的位置移动至轴12的上侧。
这时，通过连接器50(见图1)、软导线52、第一供电电刷34a、第一供电环45a和铜线49a(见图3)而从DC电源48的正电极流过第一换向器部件42a的DC电流流向第一线圈连接电刷36a。DC电流从第一线圈连接电刷36a流向第二线圈26b，且DC电流进一步流向第一线圈26a。已经流过第一线圈26a的DC电流通过铜线49b、第二供电环45b、第二供电电刷34b、软导线52和连接器50而从第二线圈连接电刷36b流向DC电源48的负电极。
因此，由第一和第二线圈26a、26b产生磁通。该磁通通过气隙18而从外部定子20的第一和第二齿部分38a、38b(见图1和2)伸出，以便贯穿N极磁体14a和S极磁体14b。通过该贯穿磁通以及由N极磁体14a和S极磁体14b产生的磁通的作用，在内部转子16上产生力矩。该力矩使得轴12进一步旋转。
在前述说明的情况中，在第一和第二线圈26a、26b能够与第一和第二线圈连接电刷36a、36b接触的状态下(见图1、3至7)，DC电流能够从DC电源流向换向部分28。不过当然，例如即使在布置多个(即三个或更多)换向器部件以代替第一和第二换向器部件42a、42b，且三个或更多线圈能够与各换向器部件接触的状态下使得DC电流能够从DC电源48流过各换向器部件时，内部转子16也旋转。
当换向部分28a如图5构成，且N极磁体14a和S极磁体14b(见图1和2)的位置根据轴12的旋转而变化时，第一和第二换向器部件42a、42b根据位置变化而转换第一和第二供电电刷34a、34b以便进行接触。因此，内部转子16能够通过使DC电流从DC电源48(见图3)流向第一和第二换向器部件42a、42b而旋转。且当内部转子16进行旋转运动时能够抑制在内部转子16上产生的力矩的暂时变化或波动。
第一和第二线圈连接电刷36a、36b与第一和第二换向器部件42a42b的接触位置可以通过未示弹簧、气压、或液压的加压或各电刷36a、36b的重力来移动。这样，可以避免当第一和第二换向器部件42a、42b分别与第一和第二线圈连接电刷36a、36b接触时形成短路状态(见图6)。因此可以抑制在内部转子16上产生的力矩的暂时变化或波动。
而且，通过增加线圈连接电刷和线圈的数目，DC换向器电动机10可以构成为三极或更多极的电动机。因此，即使当在两极之间发生短路状态时，该短路状态也能够通过能够在另外两极之间流动的DC电流补偿。因此，这时也能够抑制在内部转子16上产生的力矩的暂时变化或波动。
下面将参考图8至10介绍当本发明实施例的DC换向器电动机10包含在电夹具和电促动器中的示例用途。
图8表示了DC换向器电动机10包含在电夹具70(例如见日本公开专利文献No.2001-310225)中的实例。在该结构中，旋转传动机构76布置在电夹具70中，该旋转传动机构76与DC换向器电动机10的轴12连接，并由多个齿轮72和肘节连杆机构74构成。夹具臂78与该肘节连杆机构74连接。在该结构中，旋转传动机构76根据轴12的旋转而传动，且夹具臂78可沿箭头方向旋转。
图9和10表示了DC换向器电动机10包含在电促动器80、81(例如见日本公开专利文献No.7-284242)中的实例。这时，DC换向器电动机10布置为电促动器80中的旋转驱动源。轴12集成有滚珠丝杠82。将轴12的旋转运动转变成直线运动的滚珠丝杠衬套84与滚珠丝杠82啮合。滚珠丝杠衬套84的侧部与台板块86a、86b连接。
在该结构中，当滚珠丝杠82通过DC换向器电动机10而旋转时，滚珠丝杠82的旋转运动通过滚珠丝杠衬套84而转变成直线运动，且台板块86a、86b沿导轨88沿箭头方向滑动。
如上所述，本发明实施例的DC换向器电动机10包括第一和第二线圈26a、26b，该第一和第二线圈26a、26b为外部定子20布置。因此，与普通技术的任何DC换向器电动机的线圈的热量释放面积相比，可用于由第一和第二线圈26a、26b产生的热量的热量释放面积能够增加。因此，当DC电流能够从DC电源48流向第一和第二线圈26a、26b时，由第一和第二线圈26a、26b产生的热量传递给树脂24和外部定子20。而且，热量能够通过电动机壳体30而从外部定子20向外高效释放。
在DC换向器电动机10中，当由第一和第二线圈26a、26b产生的热量向外释放时，热量能够在不通过气隙18和永磁体14a、14b的情况下向外释放，因为热量释放路线并不包括例如气隙18和永磁体14a、14b(它们阻碍热量释放)。因此，与普通技术的任何DC换向器电动机相比，DC换向器电动机10并不包括阻碍热量释放的部件。因此，在本发明中能够高效释放热量。
而且，永磁体14a、14b布置在内部转子16中，因此，内部转子16的惯性力减小。还容易通过利用内部转子16的旋转运动来驱动例如缸、夹具和齿轮。因此，DC换向器电动机10能够用于使装置快速加速和/或减速，如上所述。
当内部转子16相对于外部定子20进行相对旋转运动时，换向部分28的换向器部件42a、42b根据永磁体14a、14b的旋转角度来转换DC电流能够流向的第一和第二线圈连接电刷36a、36b。因此，即使当内部转子16旋转时，也可以抑制在内部转子16上产生的力矩的暂时变化或波动。
外部定子20由包含硅的碳钢板的堆垛而构成。因此，改善了外部定子20的导热。由第一和第二线圈26a、26b产生的热量能够高效传递给电动机壳体30，且热量能够从电动机壳体30向外释放。
轴12的惯性通过使永磁体14a、14b布置在内部转子16中而降低。因此，当DC换向器电动机10包含在电夹具70或电促动器80、81中时，旋转驱动力通过轴12而传递给上述装置中的活动元件，同时高效释放由第一和第二线圈26a、26b产生的热量。因此，在上述DC换向器电动机10中，在内部抑制产生热量。在轴12的旋转停止的状态下能够获得合适的推力。因此，该推力例如能够用于使图8中所示的夹具臂78沿箭头方向旋转，和/或使图9和10所示的台板块86a、86b沿箭头方向滑动。
当然，本发明的DC换向器电动机并不局限于上述实施例，在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下可以以其它变化形式来实施。
Claims (15)
1.一种DC换向器电动机，包括：
内部转子(16)，该内部转子设有永磁体(14a、14b)，该永磁体可与旋转轴(12)成一体旋转；
外部定子(20)，该外部定子包围所述永磁体(14a、14b)，同时与该永磁体分开预定距离，且该外部定子有多个狭槽(22)，这些狭槽形成于与所述永磁体(14a、14b)相对的表面上；
多个定子线圈(26、26a、26b)，这些定子线圈布置在所述外部定子(20)的各所述狭槽(22)中；
换向部分(28、28a)，该换向部分布置成与所述内部转子(16)同轴；
多个线圈连接电刷(36、36a、36b)，这些线圈连接电刷分别与所述换向部分(28、28a)的一端接触且与所述定子线圈(26、26a、26b)电连接；以及
两个供电电刷(34a、34b)，这两个供电电刷与所述换向部分(28、28a)的另一端接触，且这两个供电电刷使得DC电流能够流向所述换向部分(28、28a)。
2.根据权利要求1所述的DC换向器电动机，其中：
所述换向部分(28)包括换向器，该换向器与所述供电电刷(34a、34b)电连接，且该换向器有多个换向器部件(42、42a、42b)；以及
当所述内部转子(16)相对于所述外部定子(20)进行相对旋转运动时，所述换向器部件(42、42a、42b)根据所述内部转子(16)的旋转角度而转换所述线圈连接电刷(36、36a、36b)，所述DC电流能够流向所述线圈连接电刷。
3.根据权利要求2所述的DC换向器电动机，其中：所述换向部分(28)包括多个滑环(45、45a、45b)，这些滑环分别与所述供电电刷(34a、34b)以及所述换向器部件(42、42a、42b)电连接。
4.根据权利要求3所述的DC换向器电动机，其中：所述滑环(45、45a、45b)分别通过铜线(49a、49b)而与所述换向器部件(42、42a、42b)电连接，各铜线具有由绝缘材料涂覆的表面。
5.根据权利要求3所述的DC换向器电动机，其中：所述滑环(45、45a、45b)以预定间隔沿所述旋转轴(12)布置，且所述滑环(45、45a、45b)通过绝缘部分(47)而相互电绝缘。
6.根据权利要求2所述的DC换向器电动机，其中：
所述换向器部件(42、42a、42b)以预定角度间隔布置在所述旋转轴(12)上；
所述换向器部件(42、42a、42b)通过绝缘部分(43)而相互电绝缘；以及
所述换向器通过利用紧固环(44)将所述换向器部件(42、42a、42b)和所述绝缘部分(43)固定在所述旋转轴(12)上而构成。
7.根据权利要求1所述的DC换向器电动机，其中：
所述换向部分(28a)包括换向器，该换向器与所述线圈连接电刷(36、36a、36b)电连接，且该换向器有多个换向器部件(42、42a、42b)；以及
当所述内部转子(16)相对于所述外部定子(20)进行相对旋转运动时，所述换向器部件(42、42a、42b)根据所述内部转子(16)的旋转角度而转换所述供电电刷(34a、34b)，所述DC电流能够流向所述供电电刷。
8.根据权利要求7所述的DC换向器电动机，其中：所述换向部分(28)包括多个滑环(45、45a、45b)，这些滑环分别与所述换向器部件(42、42a、42b)和所述线圈连接电刷(36、36a、36b)电连接。
9.根据权利要求8所述的DC换向器电动机，其中：所述滑环(45、45a、45b)分别通过铜线(49a、49b)而与所述换向器部件(42、42a、42b)电连接，各铜线具有由绝缘材料涂覆的表面。
10.根据权利要求8所述的DC换向器电动机，其中：所述滑环(45、45a、45b)以预定间隔沿所述旋转轴(12)布置，且所述滑环(45、45a、45b)通过绝缘部分(47)而相互电绝缘。
11.根据权利要求7所述的DC换向器电动机，其中：
所述换向器部件(42、42a、42b)以预定角度间隔布置在所述旋转轴(12)上；
所述换向器部件(42、42a、42b)通过绝缘部分(43)而相互电绝缘；以及
所述换向器通过利用紧固环(44)将所述换向器部件(42、42a、42b)和所述绝缘部分(43)固定在所述旋转轴(12)上而构成。
12.根据权利要求1所述的DC换向器电动机，其中：所述外部定子(20)由包含硅的碳钢板构成。
13.根据权利要求1所述的DC换向器电动机，其中：
朝向所述内部转子(16)的多个齿部分(38a、38b)以预定角度间隔形成于所述外部定子(20)的内表面上；以及
所述狭槽(22)通过在所述齿部分(38a、38b)之间的间隙而形成。
14.根据权利要求1所述的DC换向器电动机，还包括：电动机壳体(30)，该电动机壳体容纳所述内部转子(16)、所述外部定子(20)、所述定子线圈(26、26a、26b)以及所述换向部分(28、28a)。
15.根据权利要求14所述的DC换向器电动机，还包括：多个弹簧(32)，这些弹簧的第一端与所述电动机壳体(30)的内表面连接，第二端分别与所述线圈连接电刷(36、36a、36b)和所述供电电刷(34a、34b)连接；其中
所述弹簧(32)迫使所述线圈连接电刷(36、36a、36b)和所述供电电刷(34a、34b)分别与所述换向部分(28、28a)的外表面接触。
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