TWI559651B

TWI559651B - DC motor inner and outer ring stator structure

Info

Publication number: TWI559651B
Application number: TW104144665A
Authority: TW
Inventors: Lian-Xin Wu
Priority date: 2015-12-31
Filing date: 2015-12-31
Publication date: 2016-11-21
Also published as: DE102016125140A1; JP2017121155A; TW201810863A; US20170194822A1; JP6131358B1

Description

直流馬達之內外圈定子結構

本發明係一種直流馬達之內外圈定子結構，尤指在一圓柱狀之殼體內壁環設一外定子，再於軸心位置設置一內定子，令該外定子與內定子之間能形成一轉動空間，供容納一中空型轉子之定子結構。

按，馬達(Electric motor)，又稱電動機，係一種能將所接收到之電力轉化成機械能，之後，再利用該機械能產生動能，進而驅動其他裝置的電器設備。由於，動能是人們日常生活中主要運用的能量型態，而電能又具有易儲存、傳輸及潔淨等特性，故，能夠被電能驅動，輸出動能之馬達，即成為人們生活中不可或缺的重要器具。

一般言，依照驅動電能的不同，馬達又可分為直流馬達、交流馬達與脈衝馬達等類型，其中，直流馬達的「轉速-轉矩」與「電流-轉矩」等特性曲線，均為線性關係，具有易於控制輸出速度、啟動轉矩較大等特點，易於進行變速控制，因而成為工業自動化上的關鍵技術，而本發明之目的，即係針對直流馬達進行改良。

請參閱第1A圖所示，直流馬達1之基本架構包括一殼體10、一樞軸11、一轉子12(rotor)、一定子13(stator)及一換向器14(commutator)，其中，該殼體10內設有一容納空間101，該樞軸11係樞設在該殼體10內，且其一端之輸出軸111係凸露在該殼體10之外，該轉子12係由複數個矽鋼片組合而成，且組裝固定至該樞軸11上，該轉子12上纏繞有複數匝線圈。該定子13係為永久磁鐵所組成，且固設在該殼體10之內壁對應於該轉子12的外側周緣，並與該轉子12保持一間距，該換向器14係設在該容納空間101內，能接收外部電力，並將電力輸送至該轉子12，且該換向器14尚能隨著該換向器14之轉動，改變輸送的電流方向。

根據佛來明左手定則或右手開掌定則，當一導線被放置於一磁場內，若該導線通上電流後，該導線所產生之磁場會切割原有磁場的磁場線，進而使該導線產生移動，故，當轉子12上的線圈通電後，其所產生之磁場，會切割定子13所產生的磁力線，而生成旋轉扭矩造成轉子12的轉動，並將電能轉換成動能，舉例而言，請參閱第1B圖所示，當定子13的磁力線為由左至右時，若轉子12之線圈的電流方向為由右方流入左方流出，此時，該轉子12所產生之旋轉扭矩會迫使該轉子12順時針旋轉。

如前所述，直流馬達1之優勢，係在於易於控制轉子12之轉速，故適合應用於工業自動化技術上。在控制直流馬達1時，業者可透過改變線圈上的電流大小，以增強或減弱該定子13在線圈上產生之動能，然而，線圈纏繞的密度有其限制，電流的改變幅度亦不能非無限制，故，發明人乃思及，是否能對直流馬達1之結構進行改良，以在不大幅增加整體體積的前提下，提昇轉子12速度的可控制性與轉速範圍？

此外，發明人在研究過程中尚發現，在習知的直流馬達中，業者必須在該輸出軸111上額外組裝其它的傳動機構(如：齒輪組)，始能將該轉子12產生之動能傳遞出去，但傳動機構的配置卻會造成結構複雜化，以及動能的必然耗損。此外，由於該輸出軸111凸露在該殼體10外之一端係自由端，故，該輸出軸111之長度必須被設計的較短，以避免發生「軸線偏移」之問題。據此，當該樞軸11欲以高轉速，產生足夠的轉動扭力帶動該傳動機構時，該樞軸11與傳動機構間其實承受了極大的負荷，很容易產生磨損，進而因受力不均勻，而導致該輸出軸111之軸線仍逐漸發生偏移之問題。

綜上所述，現有的直流馬達之整體架構於實施使用上，仍存有部分缺失，因此，如何對直流馬達之結構進行改良，以提昇其轉速的可控制性，並解決「軸線偏移」的問題，即成為目前各製造、設計直流馬達之廠商，亟欲解決之一重要課題。

有鑑於習知直流馬達在轉速之可控制性上應仍有改良之空間，且長久使用後容易產生「軸線偏移」的問題，發明人經過多年來不斷地鑽研，經過反覆的測試、改良並實作分析後，終於設計出本發明之一種直流馬達之內外圈定子結構，期能藉此改善馬達的效能與耐用性。

本發明之一目的，係提供一種直流馬達之內外圈定子結構，該內外圈定子結構係應用至一直流馬達，該直流馬達包括一殼體，該殼體係呈一圓柱體，其內設有一容納空間，該內外圈定子結構包括一外定子及一內定子，該外定子係安裝在該容納空間內，包括複數個外磁鐵，各該外磁鐵係沿該殼體之圓周向固定至該殼體之內壁，彼此相互間隔，且任二相鄰之外磁鐵彼此極性相反；該內定子係組裝至該外定子內，其前後端分別固定至該殼體之前後端，該內定子與該外定子間保持有一轉動空間，該轉動空間足以容納一中空型轉子，該中空型轉子分別與該外定子及該內定子保持一第一間隙及一第二間隙，以使該中空型轉子能在該外定子及該內定子間轉動，該內定子包括複數個內磁鐵，各該內磁鐵係沿該殼體之圓周向固定在該內定子之外緣，彼此相互間隔，任二相鄰之內磁鐵彼此極性相反，各該內磁鐵係對應於各該外磁鐵。如此，當該中空型轉子之線圈接收到一換相器傳來之電流，並產生對應之電磁場後，將因該電磁場能分別與該內定子上之各該內磁鐵及該外定子上之各該外磁鐵產生互斥作用，而使該中空型轉子轉動，且同步帶動一輸出件，將該中空型轉子產生之低轉速及高扭矩之一轉動扭力，輸出至一負載(如：變速箱)。

為便貴審查委員能對本發明目的、技術特徵及其功效，做更進一步之認識與瞭解，茲舉實施例配合圖式，詳細說明如下：

〔習知〕

1‧‧‧直流馬達

10‧‧‧殼體

101‧‧‧容納空間

11‧‧‧樞軸

111‧‧‧輸出軸

12‧‧‧轉子

13‧‧‧定子

14‧‧‧換向器

〔本發明〕

2‧‧‧直流馬達

20‧‧‧殼體

200‧‧‧容納空間

20A‧‧‧前蓋

20B‧‧‧後蓋

20C‧‧‧外殼

201‧‧‧輸出孔

202A‧‧‧前連接部

202B‧‧‧後連接部

203‧‧‧連接桿

204‧‧‧電刷

205‧‧‧嵌卡部

21‧‧‧外定子

211‧‧‧外磁鐵

22‧‧‧換向器

220‧‧‧盤體

221‧‧‧換向片

23‧‧‧輸出件

24‧‧‧中空型轉子

24A‧‧‧第一間隙

24B‧‧‧第二間隙

240‧‧‧軸孔

241‧‧‧外鐵芯

242‧‧‧內鐵芯

243‧‧‧外線槽

244‧‧‧固定孔

245‧‧‧內線槽

246‧‧‧固定棒

247‧‧‧限位管

25‧‧‧內定子

250‧‧‧內定子本體

251‧‧‧內磁鐵

252‧‧‧定位桿

26A、26B‧‧‧軸承

27‧‧‧線圈

271、272‧‧‧線圈段

D1、D3‧‧‧內側間距

D2、D4‧‧‧外側間距

第1A圖係習知直流馬達的結構示意圖；第1B圖係習知直流馬達的作動原理示意圖；第2圖係本發明之定子結構所應用之直流馬達示意圖；第3圖係本發明之定子結構所應用之直流馬達的剖面圖；第4圖係本發明之定子結構平面示意圖；第5圖係直流馬達之中空型轉子的局部立體示意圖；及第6圖係直流馬達之中空型轉子之繞線示意圖。

本發明係一種直流馬達之內外圈定子結構，請參閱第2及3 圖所示，係本發明之第一較佳實施例，該內外圈定子結構係應用於一直流馬達2上，包括一外定子21及一內定子25，且該直流馬達2除了具備該內外圈定子結構外，尚包括一殼體20(如第3圖所示)、一換向器22、一輸出件23及一中空型轉子24等組件，在本實施例中，該殼體20係由一前蓋20A、一後蓋20B及一外殼20C組裝而成，使其整體呈一中空圓柱狀，其內形成有一容納空間200，該換向器22與該輸出件23係分別定位於該前蓋20A及後蓋20B中。

請參閱第2及3圖所示，為便於描述組件之間的相對關係，茲以第2及3圖之右方為「前方」、其左方為「後方」，合先陳明。該外定子21係安裝在該容納空間200內，包括複數個外磁鐵211，各該外磁鐵211係沿該外殼20C之圓周向固定至該殼體20之內壁，彼此相互間隔，且任二相鄰之外磁鐵211的極性係彼此相反。在本實施例中，該等外磁鐵211係嵌卡固定於該外殼20C之內壁面，惟，在本發明之其他實施例中，該外定子21亦可包括一口徑略小於該外殼20C的筒狀固定座，且該等外磁鐵211係固設於該筒狀固定座之內壁，以透過該筒狀固定座，間接地定位於該殼體20之內壁上。

該內定子25係組裝至該外定子21內，其前後端分別固定至該前蓋20A及後蓋20B，該內定子25與該外定子21間保持有一轉動空間，該轉動空間足以容納該中空型轉子24，且能使該中空型轉子24分別與該外定子21及該內定子25保持一第一間隙24A及一第二間隙24B，而能於該轉動空間中轉動；該內定子25包括一內定子本體250與複數個內磁鐵251，各該內磁鐵251係沿該外殼20C之圓周向固定在該內定子本體250之外緣，彼此相互間隔，任二相鄰之內磁鐵251彼此極性相反，各該內磁鐵251之位置係對應於各該外磁鐵211，在本實施例中，為維持內磁鐵251及外磁鐵211之數量相對應，該內磁鐵251之面積係小於該外磁鐵211之面積。

在本實施例中，該內定子本體250之前後兩端凸設有二定位桿252(該等定位桿252可為同一支桿體之兩端，如第3圖所示)，各該定位桿252係分別連接至該殼體20之前端與後端，以使該內定子25之軸心能對應於該殼體20之軸心。在本發明之其它實施例中，業者能依設計需求自行調整該內定子本體250的構型，合先陳明。

該中空型轉子24是由複數個鐵芯組合而成，其內沿軸向形成有一軸孔240，其前端係與該換向器22相連接，其後端則與該輸出件23相連接，該中空型轉子24上繞設有複數匝線圈27。如此，當該中空型轉子24上之線圈27被外部(如：換向器22，其細部結構將於後文詳述)傳來之電流導通，而產生對應之電磁場時，該電磁場能分別與該內定子25上之各該內磁鐵251及該外定子21上之各該外磁鐵211產生互斥作用，而使該中空型轉子24轉動，且同步帶動輸出件23(該換向器22亦會被同步帶動)，進而將該中空型轉子24產生之低轉速及高扭矩之一轉動扭力，輸出至一負載(如：變速箱)。由於，該中空型轉子24係同時受到該內定子25及外定子21的電磁場影響，而被推動旋轉，故，相較於單一個定子之習知直流式馬達，本發明之設計能使業者更容易控制該中空型轉子24之轉速變化，並使輸出件23輸出更高的扭矩。

為使該內定子25及外定子21產生之電磁場能更精準地帶動該中空型轉子24，發明人尚針對該等內磁鐵251及外磁鐵211之配置方式做了詳細的研究：請參閱第2~4圖所示，發明人發現，相鄰之二外磁鐵211間，鄰近該殼體20內壁之一側間係保持有一內側間距D1，其另一側之間則保持有一外側間距D2，該外側間距D2係大於該內側間距D1(如第4圖所示，各該外磁鐵211上設有一切角，使其間距較大)，如此，即能增加相鄰之外磁鐵211「磁極端部」間的距離，避免彼此之磁場相互干擾。同理，相鄰之二內磁鐵251間，遠離該中空型轉子24(或該外定子21)的一側間係保持有一內側間距D3，其另一側之間則保持有一外側間距D4，該外側間距D4係大於該內側間距D3。

本發明之技術，除能利用內定子25、外定子21之特殊結構，穩定地帶動中空型轉子24與輸出件23，使其產生高轉矩之扭力外，該中空型轉子24之獨特結構亦能改善輸出效率，並減輕損耗。請參閱第2及3圖所示，該輸出件23之位置係對應於該殼體20後端之至少一輸出孔201，且呈一齒輪狀(亦可為輪毂或其它元件)，如此，一傳動件(如：鍊條、皮帶圈或其它元件)即能夠通過該輸出孔201，與該輸出件23相連接，進而在該直流馬達2運轉時，使該直流馬達2所產生之動能能依序經由該輸出件23與傳動件，輸出至一負載(如：變速箱)，以使該負載能藉由該動能而運作。

如第2~4圖所示，由於中空型轉子24之特殊構型，該輸出件23係連接於該中空型轉子24之環狀周緣(如：透過複數支固定棒，其結構於後續詳述)，與習知直流馬達是以輸出軸111(如第1A圖所示)帶動負載的方式不同，因此，不會如同習知直流馬達一般容易發生軸線偏移之問題，據此，該直流馬達2在低轉速時，便能夠產生較大的轉動扭力，故能減少其上之各個組件的磨損率，大幅提高該直流馬達2的使用壽命。

為便貴審查委員理解本發明的技術原理，茲進一步詳述「直流馬達2」的細部結構如後：首先，在殼體20部份，該前蓋20A之周緣設有複數個前連接部202A(如：鎖孔)，其內安裝有複數個電刷204(carbon brush，亦稱碳刷)，該等電刷204能夠接收外部電流；該後蓋20B則開設有三個輸出孔201，且其周緣設有複數個後連接部202B(如：鎖孔)，該外殼20C則呈中空管體狀，且嵌卡在該前蓋20A與後蓋20B兩者之間。

承上，該前連接部202A與後連接部202B能分別與一連接桿203的兩端相固定，以將該前蓋20A、後蓋20B及外殼20C結合成一體，形成本發明所述之殼體20，此外，為避免該外殼20C發生轉動之情況，該前蓋20A及後蓋20B兩者上分別設有複數個嵌卡部205(如：凸片)，以分別與該外殼20C之兩端相嵌卡。

其次，茲扼要說明該換向器22之細部結構及其與電刷204間之組裝關係如後：該換向器22係位在該前蓋20A中，能與該前蓋20A內之電刷204相電氣連接，以接收該電刷204傳來之外部電流。該換向器22包括一盤體220及複數個換向片221，其中，該等換向片221彼此相隔一間距地組裝至該盤體220之前側面，且相鄰之二換向片221能依一設定頻率，令其傳送至對應線圈27的電流方向逆轉，以使該線圈27所產生的電磁場亦同時逆轉，此一換向過程係依該設定頻率一再重複。

另，復請參閱第2、3及5圖所示，在本實施例中，該中空型轉子24包括一外鐵芯241及一內鐵芯242，該外鐵芯241與內鐵芯242皆是由複數片矽鋼片組合而成，且其周緣沿軸向開設有複數道外線槽243 及內線槽245，以及貫穿設有複數個固定孔244，該等外線槽243及內線槽245係供纏繞該線圈27，該等固定孔244則供嵌插複數支固定棒246，各該固定棒246之前端能固定至該換向器22之盤體220的後側面，各該固定棒246之後端則固定至該輸出件23，如此，該中空型轉子24、換向器22與輸出件23三者便能組裝成為一體，以能同步轉動。此外，該換向器22與輸出件23之中心係分別設有一軸承26A、26B，使該內定子25之定位桿252能穿過各該軸承26A、26B，固設至該殼體20，而不會隨著該換向器22或輸出件23轉動。

承上，為避免該換向器22與輸出件23碰觸到該中空型轉子24上之線圈27，各該固定棒246之前端與後端尚能分別套設一限位管247，該限位管247之外徑大於該固定孔244之孔徑，而無法伸入至該固定孔244中，且其位在該換向器22與中空型轉子24兩者間，或位在該輸出件23與中空型轉子24兩者間，以使該換向器22與輸出件23不會碰觸到該中空型轉子24上之線圈。

發明人在多次實驗中發現，各該內磁鐵251及外磁鐵211之極性的配置方式，亦會影響到中空型轉子24的轉動速度，請參閱第2、4及6圖所示，第4圖中之N、S係代表磁鐵極性，第6圖係本發明纏繞線圈27的其中一種方式，由圖所示之纏繞方式，線圈27位於外線槽243之線圈段271，與對應之內線槽245內之線圈段272的電流方向將為相反。

承上，在此一纏繞方式時，若外磁鐵211與相對應之內磁鐵251之極性皆為相同(如：皆為N極)，則根據弗萊明左手定則(拇指為受力方向、食指為磁場方向，掌心或彎曲之中指為電流方向)，該線圈段271 會受到外磁鐵211形成之磁場影響(若為N極，磁場方向為朝下)，使其受力方向為第6圖之右下角方向，使該中空型轉子24以順時針方向轉動；同理，線圈段272會受到內磁鐵251形成之磁場影響(若為N極，磁場方向為朝上)，使其受力方向亦為第6圖之右下角方向，如此，即能確保受力方向的一致與穩定。惟，在實際實施時，業者亦能自行改變纏繞方式，而根據線圈27上不同段落的電流方向，選擇將相對應之內磁鐵251與外磁鐵211之極性設計為相反。

按，以上所述，僅係本發明之較佳實施例，惟，本發明所主張之權利範圍，並不侷限於此，按几熟悉該項技藝人士，依據本發明所揭露之技術內容，可輕易思及之等效變化，均應屬不脫離本發明之保護範疇。