兩極電刷換向直流電動馬達的制作方法

文檔序號：12487920閱讀：372來源：國知局

本發明涉及一種具有定子和轉子的兩極電刷換向直流電動馬達，該電動馬達設有具有n個線圈段(線圈)的中空圓柱形無鐵心繞組和具有n個換向器段的換向器，每個線圈段電氣地連接到兩個相鄰的換向器段，重心軸線與轉子軸線垂直地相交并且穿過線圈段的重心或線圈段的中心線，線圈段的中心線穿過重心，并且轉子軸線跨越限定相關聯的線圈段的角位置的線圈平面，換向器段的電氣連接到相同線圈段的兩個電刷接觸表面之間具有距離，其中距離平分線與轉子軸線垂直地相交，距離平分線和轉子軸線跨越換向器平面，換向器平面限定相關聯換向器段的角位置，并且其中n為整個自然數。

背景技術：

此直流電動馬達從DE 102010049524 A1中已知。這是具有轉子系統的馬達，該轉子系統具有中空圓柱形無鐵心繞組，其中各個線圈段相對于中空圓柱體的軸向方向傾斜地伸展并且用于換向地連接到相關聯的換向器段。為此目的，在繞組的前面側離開的繞組抽頭徑向地彎曲并且以星形方式向內引導，其中它們隨后電氣連接到相關聯的換向器段。由多個換向器段形成的彼此電氣絕緣的圓柱形換向器與兩個沿直徑相對設置的電刷滑動接觸。電刷包括彈簧裝置，電刷通過該彈簧裝置壓靠在換向器上，使得產生垂直于護套表面的表面作用的電刷接觸力。在直流馬達中，線圈段的電流在換向期間首先通過借助于電刷使線圈段短路而停止，并且隨后再次以反極性符號建立。弦式或傾斜式繞組通常用于此類兩極直流馬達中。具有相對于軸向方向傾斜延伸的繞組線路的可用的無鐵心繞組的示例在1188709B、DE 1463855A1、DE 1538843 A1、DE 1613168 A1、DE 102005051059 A1、EP 2180581 A2、EP 1073179 A2和DE 102014102204 A1中有所描述。從中可以看出，線圈段的多邊形或菱形形狀是優選的。每個線圈段由一定數量的繞組組成，并且因此表示圍繞轉子軸線旋轉的彎曲三維結構。在無鐵心繞組的主要情況下，連接到換向器段的繞組抽頭徑向地位于相關聯的換向器段外側。然后，它們可以通過相對短的導體彼此電氣連接。由于空間的原因，使用特別小的特殊形狀也是有利的，從而以45°的角度將它們傾斜地連接。一個此實施例在JP 2002-64966A中有所描述。

從EP 2104205A1中已知一種小型電動馬達，其具有包括疊片鐵心的轉子，其中，借助于電刷平面相對于磁性平面的旋轉實現抵靠止動件的減振運行。為補償電刷相對于磁體的旋轉，換向器也相應地相對于繞組向回旋轉。

兩極電刷換向直流電動馬達的定子可以具有插入到中空圓柱形無鐵心繞組的內部中的圓柱形永磁體。然后，在外側設置導磁的磁軛套筒。

此類電動馬達由于無鐵心的轉子而沒有定位轉矩，使得以小轉速在無顛簸的情況下運行該電動馬達也是可能的，這通常導致更少的振動和噪聲。因此，可以容易地控制任何期望的轉子位置，并且在控制作用中沒有給出非線性。由于轉子中缺乏鐵，因此沒有鐵的損失，并發生恒定磁化。這導致高的效率(大于90％)和低空載電流(通常<50mA)。因此避免了鐵心中的飽和效應。此外，即使在最高電流下，所生成的轉矩仍嚴格地與馬達電流成比例。馬達的功率取決于所使用的永磁體的強度。轉子的小質量慣性也是有利的，并且導致高動態和少的啟動時間。盡管這些馬達被廣泛使用并且通常具有良好的操作性能，但是在實踐中已經發現，在換向器的區域中有時會發生振動，由此電流被調制，其隨后導致由于該反饋所導致的振動的放大。

技術實現要素：

因此，本發明的目的是提供一種最初提到的類型的兩極電刷換向直流電動馬達，其由于改進的振動特性而表現出減少的電流調制。

為此目的，提供了在開頭提到的類型的通用兩極電刷換向直流電動馬達，其中線圈段(線圈)的線圈平面被布置成相對于相關聯換向器段的換向器平面圍繞轉子軸線在>45°至<135°的角范圍旋轉校正角度(α)。

發明人已經-特別是使用相對于中空圓柱體的軸向方向傾斜延伸的線圈段-認識到，沿直徑的合力或橫向于旋轉軸線(取決于繞組的類型)延伸的扭矩與電流相關聯。兩種效應均可以使轉子在換向器的位置處在徑向方向上偏轉。如果換向器的這種橫向運動具有在電刷方向上的分量，則電刷接觸壓力并且因此電流被調制。因此，本發明試圖分別有利地減小或抑制這種力影響或扭矩影響。當然最有利的是，由于換向繞組段(即，線圈段)中的電流而產生的力和轉矩的方向大體上垂直于電刷觸點的方向起作用，使得經由電刷觸點的反饋得以避免。然而，當經由電刷觸點的反饋減少時，已經出現優于已知實施例的優點。作用力的方向可以通過線圈平面和換向器平面之間的校正角度改變，使得在電刷接觸方向上的對電刷的影響減小或抑制。由于繞組或各個線圈段難以根據其形狀多樣性及其三維布置來描述，所以線圈段的重心在當前情況下朝向。此外，該線圈段的合力在大多數情況下與該重心相關或者合力矩分別圍繞該重心進行作用。然后，垂直于轉子軸線的重心與轉子軸線一起大致跨越線圈平面，該線圈平面在大多數情況下將線圈段分成兩個對稱的半部。因此，可以為線圈段中的每個確定線圈平面，然后使線圈段中的每個分別布置成相對于相鄰線圈段的線圈平面圍繞轉子軸線旋轉一定的角度量。

換向器段的旋轉角度位置由換向器平面以相同的方式限定。兩個相鄰的換向器段各自限定跨越在其間的換向器平面。當電刷與兩個相鄰換向器段的電刷接觸表面對稱接觸時，該換向器平面還大致將相關聯電刷的接觸表面分成兩個半部。與常規配置相比，繞組被類似地布置成相對于換向器圍繞預定的校正角度旋轉。電刷分別跟隨該旋轉。

已經發現，當與根據DE 1538843 A1、DE 1463855 A1、DE 102005051059 A1、EP 2180581 A2和DE 102014102204 A1的繞組一起使用時，本發明特別有利，因為其導致轉子系統的振動減少。

根據一個實施例，當校正角度在60°至120°，優選地75°至105°的角范圍內時，本發明的優點已經非常顯著。當然，校正角度大體上為90°de一個實施例特別有利。在大多數類型的繞組中，合力由此大體上切向于換向器并且因此垂直于電刷觸點作用，從而使換向器在胸部[原文如此]方向上的位移最小化。

本發明對于具有中空圓柱形無鐵心繞組的轉子特別有利，因為這些轉子由于缺乏鐵而具有低旋轉質量。然而，它們因此也可以更容易地通過橫向力而徑向地偏轉。軸承的設計當然在該徑向偏轉方面也具有一定的影響。

橫向力特別是在根據一個實施例的繞組的各個線圈段至少在很大程度上相對于轉子軸線傾斜地伸展時出現。這尤其是線圈段的多邊形和菱形布置的情況。本發明的優點在那里是特別顯著的。根據一個變型，線圈段的各匝因此在繞組的展開中各自具有菱形形狀，其前部頂端和后部頂端(其可以是圓形的)可以位于繞組的面側上。展開目前表示繞組的扁平的即條形的布置，其中該展開繞組的長度對應于中空圓柱形無鐵心繞組的周長。

優選地，線圈段的第一匝和線圈段的最后一匝可以各自設有繞組抽頭，該繞組抽頭電氣地連接到相應的相關聯換向器段。第一匝和最后一匝目前是在換向中涉及的實際匝，并且沒有假匝，使得得以參考有效線圈段。因此，線圈段電氣地連接到兩個相鄰的換向器段，使得橋接這兩個換向器段的電刷使該線圈段短路。

為在線圈段和換向器段之間提供盡可能短的連接路徑，繞組抽頭優選地布置在繞組的最靠近換向器的面側上。

在一個有利的實施例中，規定繞組抽頭被傾斜地從繞組引出以便彌補校正角度。以這種方式，無論校正角度如何仍然能保持相對短的連接路徑。

此外，可以規定，繞組抽頭和相關聯的換向器段通過使用導體連接，所述導體由繞組線形成或者為換向器的一部分或者由PCB電路形成。根據馬達的設計和成本，可以使用最有利的連接技術。還存在插入進一步改進換向的其他電路(例如，CLL板)的選擇。

特別是在定子包括具有主磁化方向的永磁體，并且換向器包括兩個沿直徑布置的換向器電刷的情況下，可以容易地創建兩極系統，其中所述換向器電刷的公共軸線大體上被定向成優選地垂直地相對于主磁化方向旋轉(圍繞轉子軸線A)校正角度。該布置已經考慮了繞組的校正角度，由此該布置已經是不尋常的并且具有相應的優點。然而，已經獲得了優點，其中換向器電刷的公共軸線相對于主磁化方向的旋轉通過各個校正角度在>45°至<135°，優選地從60°至120°，更優選地從75°至105°的角范圍內圍繞轉子軸線執行。

有利地，根據一個實施例，換向器電刷可以通過使用彈簧裝置壓靠換向器。由此，可以使用簡單的配置獲得大體上均勻的接觸力，使得可以預期所測量的接觸壓力，所述接觸壓力將所涉及的元件之間的摩擦力保持在合理的界限內。此外，換向器電刷的磨損通過它們的跟蹤得到自動補償。

可以優選地使用石墨電刷或貴金屬電刷。通常具有銅部分的石墨電刷可徑向移位地安裝或可樞轉地布置，并且具有一種鉤形狀或有角度的形狀。貴金屬電刷通常為由銅制成的板簧，其中在接觸區域中具有銀涂層。

換向器段優選地形成圓柱形換向器，其中換向器電刷沿直徑按壓在換向器的圓柱形護套表面上。這種類型的換向器已經得到驗證，并且根據換向器段的數量能夠實現相對小的換向器直徑，由此也可以將摩擦配合件之間的相對速度保持為低的。

此外，本發明涉及一種用于根據權利要求1至14中的一項所述的兩極電刷換向直流電動馬達的轉子。所述轉子包括具有n個線圈段的中空圓柱形無鐵心繞組和具有n個換向器段的換向器，每個線圈段電氣地連接到兩個相鄰的換向器段，重心軸線與轉子軸線垂直地相交并且穿過線圈段的重心或者線圈段的中心線，所述中心線穿過重心，并且轉子軸線跨越限定相關聯線圈段的角位置的線圈平面，換向器段的電氣地連接到該線圈段的兩個電刷接觸表面之間具有距離，其中距離平分線與轉子軸線垂直地相交，所述距離平分線和轉子軸線跨越限定相關聯換向器段的角位置的換向器平面，并且其中n為整個自然數，并且其中線圈平面被布置成相對于相關聯的線圈段的換向器平面圍繞轉子軸線在>45°至<135°的角范圍旋轉校正角度(α)。此轉子也可以用作現有馬達的交換轉子，只要可以同樣地校正電刷布置的角位置。

附圖說明

下面參考附圖更詳細地解釋本發明的實施例，其中：

圖1示出了常規的兩極電刷換向直流電動馬達的示意性分解圖，

圖2示出了用于兩極電刷換向直流電動馬達的常規轉子的換向器側的示意性橫截面圖，

圖3示出了轉子的繞組變型的示意圖，

圖4示出了轉子的進一步的繞組變型的示意圖，

圖5示出了具有常規兩極電刷換向直流電動馬達的電刷的展開繞組和相關聯換向器的示意圖，

圖6示出了具有根據本發明的兩極電刷換向直流電動馬達的電刷的展開繞組和相關聯換向器的示意圖，

圖7示出了根據本發明的轉子的變型的換向器側的示意性前視圖。

具體實施方式

現在將參照圖2更詳細地解釋常規的兩級電刷換向直流電動馬達1的結構。無鐵心直流電動馬達1的主要部件為定子2和轉子3。定子2包括作為主要部件的中空圓柱形永磁體4、定位永磁體4的凸緣5、由鐵制成并形成為套筒的磁軛6以及前凸緣7，其中兩個換向器電刷8.1和8.2可樞轉地安裝在前凸緣7上。定子2的進一步的部件為布置在凸緣5和凸緣7以及密封件10中的滾珠軸承9.1和9.2。

轉子3包括作為主要部件的軸12，自支撐中空圓柱形無鐵心繞組13，由若干個換向器段14.1至14.13(在當前情況下為13)組成的換向器14，以及將換向器14和繞組13連接到軸12的換向器板15。轉子3的進一步的部件為換向器V形環16.1和16.2，換向器V形環16.1和16.2用作鎖并被壓在軸12的外端上。相對于凸緣5定位永磁體4借助于壓入這兩個元件中的套筒11來實現。從圖1中還可以看出，換向器段14.1至14.13彎曲成L形，一起在前部區域中形成圓柱形換向器14，而其他L形支腳徑向向外突出并且電氣連接到各個線圈段(13個線圈段)。還可以看出，處于組裝狀態的自支撐繞組13在永磁體4的護套表面和磁軛6的內表面之間的氣隙中旋轉。

圖2借助于示例性地示出了轉子3的換向器端的替代配置。

換向器段15借助于注射成型生產而成，并且組合各個換向器段14.1至14.13，使得它們之間相應地存在絕緣層或空間。軸12在該區域中設有滾花17用于使換向器段15更好地附著。繞組抽頭18.1至18.13在中空圓柱形繞組13的面側處露出。它們在當前情況下由在該點處露出的繞組線的部件形成并且被徑向向內引導且連接到相關聯的換向器段14.1至14.13的徑向支腳。此外，提供保護該連接的覆蓋材料19。

上述描述涉及一種兩極電刷換向直流電動馬達1，其中繞組抽頭18.1至18.13直接徑向地位于換向器段14.1至14.13的相關聯支腳的外部。換向器電刷8.1和8.2的取向使得它們在永磁體4的主磁化軸線的方向上精確地接觸換向器14。換向器電刷8.1和8.2在本示例中借助于可樞轉布置的石墨電刷(具有銅含量)進行布置，石墨電刷借助于支腳彈簧按壓。

合適的繞組類型為如在出版物DE 1538843 A1、DE 102005061059 A1、EP 2180581 A2和DE 102014102204 A1中描述的繞組。當然，必須存在所需數量的線圈段13。

然而，線圈段和換向器段的數量目前并不相關。然而，通常使用奇數，例如，5或7。

現在將參照圖3和圖4借助于示例性地示出了線圈段的各種定位選項和形狀。

圖3示出了圍繞整個中空圓柱形繞組13傾斜延伸的線圈段13.1。線圈段13.1由若干個匝構成，并且從俯視圖看具有橢圓形狀且從套筒形繞組13的一個面側延伸到另一面側。因此，線圈段13.1位于轉子軸線A上方并且部分地位于轉子軸線A下方。為確定該線圈段13.1的角位置，確定其重心S。在該特定情況下，重心S精確地位于轉子軸線A上，因此，難以固定垂直于轉子軸線A的重心軸線。在這種情況下，可以解決的是，繪制穿過重心伸展的中心線M_S1并且該中心線M_S1將線圈段13.1分成兩個相等的半部或者分別確定線圈段13.1的最長延伸。然后，該中心線M_S1與轉子軸線A一起跨越線圈平面E_S1。因此，線圈平面E_S1垂直于轉子軸線A設置。由此可以通過定位該線圈平面E_S1來精確地限定線圈段13.1在轉子3上的角位置。對于所有其他線圈段13.2至13.7，該過程是相同的，并且確定相關聯的線圈平面E_S2至E_S7。

對于如圖4所示的繞組類型，這有點簡單。重心S并不位于轉子軸線A上。線圈段13.1在中心具有彎曲點或反轉點，使得其相對于轉子軸線A大體上定位在一側上，并且包括兩個傾斜的部分區域。重心軸線A_S準確地穿過重心S伸展并且垂直于轉子軸線A。重心軸線A_S1和轉子軸線A現在跨越線圈平面E_S1，線圈平面E_S1指定線圈段13.1在轉子3上的角位置。如果例如線圈段13.1限定0°的角度，則其他線圈段13.2至13.7相應地以可用的360°的預定角度步長分布。圖4所示的繞組類型為最常見的一種。對于所有其他線圈段13.2至13.7，該過程是相同的，并且確定相關聯的線圈平面E_S2至E_S7。

現在將參照圖5更詳細地解釋在類似于圖4的繞組形式中的七個線圈段13.1至13.7之間的布置情況和具有七個換向器段14.1至14.7的相關聯換向器14。示意性地示出了具有七個繞組抽頭18.1至18.7和七個線圈段13.1至13.7的無鐵心繞組13的展開。該布置將借助于示例使用線圈段13.5(以粗體示出)來解釋。在示意圖中，線圈段13.5包括五匝。繞組抽頭18.5和繞組抽頭18.6分別設置在第一匝和最后一匝上，其中繞組抽頭18.6同時表示線圈段13.6的第一匝的繞組抽頭。繞組抽頭18.5以類似的方式表示線圈段13.4的最后一匝的繞組抽頭。繞組抽頭18.5電氣連接到換向器段14.5。繞組抽頭18.6以相同的方式電氣連接到換向器段14.6。圖5所示的角度指示示出了線圈段13.5準確地布置在角度0°的中心。換向器段14.5和換向器段14.6的電刷接觸表面K₅和K₆具有間隔A_K5。準確地間隔A_K5的中心中形成與轉子軸線A垂直地相交(距離平分線垂直于圖5的繪圖平面設置)的距離平分線H_A5(直線)。然后，轉子軸線A和距離平分線H_A5跨越平面E_K5，平面E_K5精確地限定兩個換向器段14.5和14.6的角位置。該平面E_K5準確地在兩個換向器段14.5和14.6之間居中地延伸，在當前情況下準確地處于0°并且因此對應于與線圈段13.5的線圈平面E_S5中相同的角度。因此，來自繞組抽頭18.5和繞組抽頭18.6的線也只能被徑向向內引導到相關聯的換向器段14.5和14.6。使用此布置，線圈平面E_S1至E_S7因此與相關聯的換向器段E_K1至E_K7相同。

圖5還示出了兩個換向器電刷8.1和8.2的相應位置。換向器電刷18.2與兩個換向器段14.5和14.6完全對稱接觸，即，與換向器段14.5和換向器段14.6的相關聯電刷接觸表面K₅和K₆對稱。換向器段14.5和換向器段14.6之間的線圈段13.5由于電刷8.2而短路。該線圈段13.5中的電流生成準確地位于電刷8.1和電刷8.2的平面中的力。電刷8.1也因此受到影響，因為它被準確地沿直徑相對設置(以180°)。因此，該力抵消了換向器電刷8.1和換向器電刷8.2上的接觸壓力，并且因此導致電流的調制。由于這種反饋，可發生增強的振動。還應當注意，繞組抽頭18.2和換向器段14.1在圖示中示出了兩次。它們在繞組13的圓柱形卷繞形狀中重合，即，這實際上分別為相同的繞組抽頭18.1和換向器段14.1。

定子2的激勵場指向由0°表示的方向。這意味著永磁體4的主磁化方向(垂直于繪圖平面)相應地垂直于轉子軸線A。換向器刷8.1和換向器刷8.2因此在由轉子軸線A和主磁化方向所跨越的平面中對準。

圖5所示的布置是在兩極電刷換向直流電動發動機領域中最常見的布置之一。這是本發明旨在提供補救的地方，現在將參照示意圖6對其進行解釋。在提及相同和具有相同效果的部件的情況下，使用相同的附圖標記另外參考前面的描述。本發明可以利用參考圖1至圖4所描述的原理和結構，除了下述差異以外。

再次將線圈段13.1至13.7準確地布置在相同的角位置中。此外，定子2的激勵場指向由0°表示的方向，即，永磁體4的主磁化方向相應地垂直于轉子軸線A對準。然而，現在出現換向器14和換向器刷8.1與換向器刷8.2的旋轉角度的偏移。在所示實施例中，實現相對于繞組13的旋轉的校正角度α為90°(因此處于>45°和<135°的優選范圍內)。這意味著換向器電刷8.2在該系統中位于90°處，并且在此時短路的線圈段13.5處于0°。兩個相關聯的換向器段14.5和14.6分別以居中的方式與90°的旋轉角度對準。這同樣適用于換向器刷8.1，其現在在該系統中處于270°。由于整個換向器14(包括相關聯的換向器電刷8.1和8.2)的旋轉，通過從繞組抽頭18.1至18.7開始的校正角度α，設置在其間的電氣連接也必須彌補該角度。對于這種特定配置，可以有各種選項。設置在其間的導體可以由繞組線構成，可以為換向器本身的一部分，或者可以由單獨的元件形成，例如，PCB電路。

通過校正角度的旋轉導致從短路線圈段13.5離開的垂直于繪圖平面(圖6)的力現在不在電刷8.1和電刷8.2的按壓方向上起作用，但是與按壓方向垂直，并且因此僅被感知為換向期間的切向力。因此，轉子3的可能的偏轉對電刷接觸的影響由于這些力比而極大地減小，因此電流調制也分別被減小或抑制。在圖6所示的布置中，線圈平面E_S1至E_S7被布置成分別相對于換向器平面E_K1至E_K7圍繞轉子軸線A旋轉90°。

再次參照圖6使用轉子3的正視圖更詳細地解釋該旋轉。圖7所示的實施例僅包括五個線圈段13.1至13.5和五個換向器段14.1至14.5。還示出了在繞組套筒13的面側上的繞組抽頭18.1至18.5。可以看出，繞組線傾斜地引出，并且然后連接到相關聯的換向器段14.1至14.5。目前借助示例提及換向器段14.2，其與抽頭18.2電氣接觸。該圖還示出，換向器平面E_K2被布置成相對于線圈平面E_S2旋轉90°的校正角α。這同樣適用于其他換向器平面E_K1、E_K3至E_K5和相應的相關聯線圈平面E_S1、E_S2至E_S5。

附圖標記列表

1 直流電動馬達

2 定子

3 轉子

4 永磁體

5 凸緣

6 磁軛

7 前凸緣

8.1、8.2 換向器電刷

9.1、9.2 滾珠軸承

10 密封件

11 軸