專利名稱：高效低慣量長壽命空芯電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及稀土永磁電機(jī)，特別的，涉及一種高效低慣量長壽命的空 心電機(jī)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的有鐵芯有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量、機(jī)電時間常數(shù)、轉(zhuǎn)矩波動都較大，齒 槽結(jié)構(gòu)又成為散熱的瓶頸。鐵芯結(jié)構(gòu)的存在，使銅損和鐵損成為電機(jī)的主要損 耗。由于電刷與換向器之間存在著相對線速度很大的滑動摩擦，導(dǎo)致電刷和換
向器的磨損很快，嚴(yán)重影響了有刷電機(jī)的壽命和可靠性；加之電刷和換向器之 間存在接觸電火花，造成電能的大量損失，因而大大降低了有刷電機(jī)的效率。 傳統(tǒng)的滾動電刷由于電刷和換向器之間是線接觸，要通過大的電流，就要使電 刷與換向器接觸線盡量長，這樣不但增加了換向器的長度，浪費(fèi)材料，而且造 成了電機(jī)結(jié)構(gòu)上的不協(xié)調(diào)。正是由于傳統(tǒng)電機(jī)的這些不足，限制了這些電機(jī)的 應(yīng)用場合。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的電刷與換向器之間 接觸線短難以滿足大電流需求的缺陷，提供一種電刷與換向器之間為滾動接 觸、并且其接觸線較長的高效低慣量長壽命空芯電機(jī)。
本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提供一種高效低慣量長 壽空芯電機(jī)，包括電機(jī)外殼、安裝在所述電機(jī)外殼內(nèi)的磁碟式轉(zhuǎn)子、與轉(zhuǎn)子配 合的聚磁雙定子、與所述轉(zhuǎn)子固定連接的電機(jī)轉(zhuǎn)軸、與所述轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動的曲 面換向器以及與所述換向器配合的滾動電刷結(jié)構(gòu)；所述滾動電刷結(jié)構(gòu)包括滾動 電刷；所述換向器和滾動電刷相配合的面分別為相凹凸配合的回轉(zhuǎn)面，所述回轉(zhuǎn)面的母線為曲線。
在本實(shí)用新型的高效低慣量長壽空芯電機(jī)中，所述滾動電刷設(shè)置在所述換 向器外側(cè)形成外切接觸、或者所述滾動電刷設(shè)置在所述換向器內(nèi)側(cè)形成內(nèi)切接 觸、或者分別將所述滾動電刷設(shè)置在所述換向器外側(cè)和內(nèi)側(cè)形成外切和內(nèi)切接 觸。
在本實(shí)用新型的高效低慣量長壽空芯電機(jī)中，所述換向器為外凹內(nèi)凸型或 者外凸內(nèi)凹型；
當(dāng)所述換向器為外凹內(nèi)凸型時，設(shè)置在所述換向器外側(cè)的所述滾動電刷為 凸型滾動電刷，而設(shè)置在所述換向器內(nèi)側(cè)的所述滾動電刷為凹型滾動電刷；
當(dāng)所述換向器為內(nèi)凹外凸型時，設(shè)置在所述換向器外側(cè)的所述滾動電刷為 凹型滾動電刷，而設(shè)置在所述換向器內(nèi)側(cè)的所述滾動電刷為凸型滾動電刷。
在本實(shí)用新型的高效低慣量長壽空芯電機(jī)中，所述滾動電刷結(jié)構(gòu)還包括通 過螺釘固定與所述電機(jī)外殼上的可更換電刷盒、固定在所述電刷盒內(nèi)用于固定 電刷的刷握、以及設(shè)置在所述刷握內(nèi)推動所述電刷的彈簧。
在本實(shí)用新型的高效低慣量長壽空芯電機(jī)中，所述刷握上設(shè)有用于定位所 述電刷的電刷定位柱和刷握邊卡。
在本實(shí)用新型的高效低慣量長壽空芯電機(jī)中，所述定子為分別固定設(shè)置在 所述電機(jī)外殼相對兩側(cè)內(nèi)壁上的永磁陣列定子；所述轉(zhuǎn)子為設(shè)置在所述兩個定 子之間的磁碟式轉(zhuǎn)子繞組，所述轉(zhuǎn)子繞組包括至少一個分別由導(dǎo)電材料繞制成 型的多邊形線圈；并且所述多邊形線圈相錯一定角度疊置并整形后固化成盤 狀。
在本實(shí)用新型的高效低慣量長壽空芯電機(jī)中，所述導(dǎo)電材料為一根或多根 具有一定長寬比的扁形導(dǎo)電條。
在本實(shí)用新型的高效低慣量長壽空芯電機(jī)中，所述轉(zhuǎn)子繞組的截面形狀分 別為"工"形，通過加固結(jié)構(gòu)相對固定安裝在所述電機(jī)轉(zhuǎn)軸上。
在本實(shí)用新型的高效低慣量長壽空芯電機(jī)中，所述定子為導(dǎo)磁材料做成的 圓盤；所述圓盤上開設(shè)有未貫通的凹槽，在所述凹槽內(nèi)鑲嵌有永磁體。
在本實(shí)用新型的高效低慣量長壽空芯電機(jī)中，所述永磁體的南極和北極交替分布，并且其數(shù)量為四的倍數(shù)，每個所述永磁體的形狀為扇環(huán)形。
實(shí)施本實(shí)用新型具有以下有益效果換向器和滾動電刷相配合的面分別為 相凹凸配合的回轉(zhuǎn)面，形成良好的接觸，并且回轉(zhuǎn)面的母線為曲線，使得兩者 的接觸線長度大大加長，消除了傳統(tǒng)滾動電刷在有限的空間內(nèi)不能承受大電流 的瓶頸，使有刷電機(jī)能夠真正做到大功率、高效率、高動態(tài)性能和長壽命。經(jīng) 過具體實(shí)施的實(shí)例證明，該高效低慣量長壽電機(jī)比傳統(tǒng)有刷電機(jī)效率提高8% 以上，換向器壽命可以超過10000小時。 另外本實(shí)用新型還有以下的特點(diǎn)
1、 機(jī)電時間常數(shù)小動態(tài)性能好；
2、 高效率無鐵損耗，低接觸電阻，火花小，繞組內(nèi)阻低，溫升小，電 機(jī)效率高；
3、 過載能力強(qiáng)空芯磁碟式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使電機(jī)有很高的抗過載能力和峰值 轉(zhuǎn)矩；
4、 超低的轉(zhuǎn)動慣量空芯磁碟式轉(zhuǎn)子使電機(jī)有極低的轉(zhuǎn)動慣量；
6、 超長的壽命凸型滾動電刷結(jié)構(gòu)使電機(jī)壽命是傳統(tǒng)的8—10倍。
7、 無齒槽效應(yīng)空芯磁碟式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使電機(jī)無齒槽效應(yīng)和磁阻轉(zhuǎn)矩。
8、 寬高效率范圍電機(jī)在1/4負(fù)載和滿載之間均有較高的效率。
9、 堆疊式結(jié)構(gòu)功率隨著單體增多可以線性增長，尤其適合輪轂電機(jī)、 混合動力的應(yīng)用。


下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，附圖中
圖1是具有本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的電機(jī)總體圖。
圖2是具有本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的精密繞組轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖3是具有本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子內(nèi)部線圈繞線結(jié)構(gòu)圖。
圖4是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的永磁定子及磁軛盤的平面圖。
圖5是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的凹型換向器的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的凹型換向器的剖面示意圖。圖7是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的凸型滾動電刷的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖8是凹型滾動電刷的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
圖1是具有本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的電機(jī)總體圖，該電機(jī)包括電機(jī)外殼、相對安 裝在電機(jī)外殼內(nèi)側(cè)的聚磁雙定子1、設(shè)在兩個定子1之間的繞組空芯轉(zhuǎn)子2、 固定螺釘3、通過加固結(jié)構(gòu)5與轉(zhuǎn)子固定連接的電機(jī)轉(zhuǎn)軸4、設(shè)在定子l和電 機(jī)轉(zhuǎn)軸4之間的軸承6、通過電刷盒安裝在電機(jī)外殼上的滾動電刷結(jié)構(gòu)7、以 及與滾動電刷配合的轉(zhuǎn)向器。電刷盒通過固定螺釘3固定安裝在電機(jī)外殼上。 通過電機(jī)轉(zhuǎn)軸帶動設(shè)備輸出機(jī)械功率。
圖2是具有本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的精密繞組轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剖面圖。圖中的8是線圈 的有效邊，是電磁能量轉(zhuǎn)換的主體。圖中的9是線圈端線的壓接部分，即相鄰 的兩個不同相的繞組重疊部分。由若干個用一根或多根具有一定長寬比的扁形 導(dǎo)電材料繞制形成的多邊形線圈疊置并相錯若干角度構(gòu)成該繞組，經(jīng)過整形后 通過熱固材料固化成型，制成圖2形狀的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，這樣大大節(jié)省了電機(jī)軸向 的長度，使電機(jī)能夠滿足極其苛刻的薄型安裝場合。
圖3是具有本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子內(nèi)部線圈繞線結(jié)構(gòu)圖，圖中的10是電 機(jī)的U相，圖中的11是電機(jī)的V相，圖中的12是電機(jī)的W相。通過滾動電 刷和換向器的機(jī)械換向，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組形成旋轉(zhuǎn)磁場，帶動轉(zhuǎn)軸輸出機(jī)械 功率。
圖4是永磁定子平面圖，為導(dǎo)磁材料做成的圓盤；圓盤上開設(shè)有未貫通的 凹槽，在凹槽內(nèi)鑲嵌有永磁體。圖中的13是磁極的N極，圖中的14是磁極 的S極。圖中的15是具有隔磁作用和軸向磁場增強(qiáng)的隔磁陣列。永磁體的N、 S極交替分布。永磁體的數(shù)目是4的倍數(shù)，如4、 8、 12、 16、 20、 24等。永 磁體的形狀是扇環(huán)形狀。隔磁陣列由與主磁極充磁方向正交的隔磁體構(gòu)成，主 要是減少極間漏磁，軸向磁場增強(qiáng)和起到磁束縛的作用。經(jīng)過具體的實(shí)施實(shí)例 證明，在同體積永磁體情況下，該聚磁結(jié)構(gòu)比普通的單邊永磁體結(jié)構(gòu)氣隙磁密 增強(qiáng)10%左右。而且極大的改善了極面下氣隙磁密的均勻性。圖5、圖6分別是凹型換向器的整體結(jié)構(gòu)和剖面圖。圖中16是換向器的 整體結(jié)構(gòu)。圖中17、 18分別是換向器的內(nèi)表面和外表面，內(nèi)、外表面均為回 轉(zhuǎn)面，回轉(zhuǎn)面的為曲線，例如圓弧、雙曲線等。在本實(shí)施例中，換向器為外凹 內(nèi)凸型，即外表面向內(nèi)凹入、而內(nèi)表面向內(nèi)突出。該換向器結(jié)構(gòu)既還可以做成 內(nèi)凹外凸型，即外表面向外突出、而內(nèi)表面向內(nèi)凹入。該換向器可以使用凸型 滾動電刷，也可以使用凹型滾動電刷，也可以同時使用兩種電刷組成可承受更 大功率的雙刷結(jié)構(gòu)。
當(dāng)換向器為外凹內(nèi)凸型時，設(shè)置在換向器外側(cè)的滾動電刷為凸型滾動電 刷，而設(shè)置在換向器內(nèi)側(cè)的滾動電刷為凹型滾動電刷。
當(dāng)換向器為內(nèi)凹外凸型時，設(shè)置在換向器外側(cè)的滾動電刷為凹型滾動電 刷，而設(shè)置在換向器內(nèi)側(cè)的滾動電刷為凸型滾動電刷。
圖7、圖8是內(nèi)外滾動電刷的結(jié)構(gòu)圖。圖中19是電刷編織引線，通過引 線將電流傳遞給電刷和換向器。圖中20是電刷彈簧。圖中21是刷握固定螺絲， 通過螺絲將刷握固定在可更換的電刷盒內(nèi)。圖中22是電刷刷握，對電刷起定 位和保護(hù)作用。圖中23是電刷定位柱。圖中25是刷握邊卡。通過定位柱和刷 握邊卡使電刷穩(wěn)定的保持在刷握內(nèi)最小摩擦的位置。圖中24、 26分別是凹型 滾動電刷和凸型滾動電刷，凸型滾動電刷可以用于外滾動結(jié)構(gòu)中，凹型滾動電 刷可以用于內(nèi)滾動結(jié)構(gòu)中，也可以內(nèi)外同時用組成可承受更大功率的雙刷結(jié) 構(gòu)。凸型滾動電刷在適當(dāng)?shù)膲毫ο潞桶夹蛽Q向器接觸，電機(jī)在轉(zhuǎn)動時凸型電刷 和凹型換向器之間幾乎無相對運(yùn)動。滾動電刷與換向器配合的表面為回轉(zhuǎn)面， 回轉(zhuǎn)面的母線為曲線，例如圓弧、雙曲線等。
本實(shí)用新型的工作原理是電源通過凸型滾動電刷與換向器的良好接觸傳 遞給磁碟式空芯繞組，磁碟式空芯繞組由凸型電刷和凹型換向器的機(jī)械換向作 用形成不斷變化的旋轉(zhuǎn)磁場，帶動空芯轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并輸出功率。由于凸型滾動電 刷和換向器之間是滾動摩擦，因而這個相對運(yùn)動的線速度比傳統(tǒng)的電刷與換向 器之間的相對線速度要小很多，從而使電機(jī)比傳統(tǒng)有刷電機(jī)有更高的效率和更 長的壽命。
該電機(jī)由凸型滾動電刷、磁碟式空芯轉(zhuǎn)子和軸向磁場的聚磁雙定子組成。具有效率高、無鐵損耗、轉(zhuǎn)動慣量低、接觸火花小、電刷壽命長、啟動力矩大、 過載能力強(qiáng)、功率密度高、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)。從根本上解決了傳統(tǒng)低慣量電 機(jī)的一系列不足。因此廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、無人機(jī)、空間飛行器、 電動汽車、雷達(dá)、尖端醫(yī)療器械、高速雕刻機(jī)和研磨機(jī)等需要超高性能的場合。 以上所述，盡管為了描述的需要，公開了本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式。應(yīng) 當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，依據(jù)本實(shí)用新型的同樣的實(shí)用新型 制造原理，還可以作出若干變形和改進(jìn)，但是這些均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范 圍。
權(quán)利要求1.一種高效低慣量長壽空芯電機(jī)，包括電機(jī)外殼、安裝在所述電機(jī)外殼內(nèi)的磁碟式轉(zhuǎn)子、與轉(zhuǎn)子配合的聚磁雙定子、與所述轉(zhuǎn)子固定連接的電機(jī)轉(zhuǎn)軸、與所述轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動的曲面換向器以及與所述換向器配合的滾動電刷結(jié)構(gòu)；所述滾動電刷結(jié)構(gòu)包括滾動電刷；其特征在于，所述換向器和滾動電刷相配合的面分別為相凹凸配合的回轉(zhuǎn)面，所述回轉(zhuǎn)面的母線為曲線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效低慣量長壽空芯電機(jī)，其特征在于，所述滾 動電刷設(shè)置在所述換向器外側(cè)形成外切接觸、或者所述滾動電刷設(shè)置在所述換 向器內(nèi)側(cè)形成內(nèi)切接觸、或者分別將所述滾動電刷設(shè)置在所述換向器外側(cè)和內(nèi) 側(cè)形成外切和內(nèi)切接觸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高效低慣量長壽空芯電機(jī)，其特征在于，所述換 向器為外凹內(nèi)凸型或者外凸內(nèi)凹型；當(dāng)所述換向器為外凹內(nèi)凸型時，設(shè)置在所述換向器外側(cè)的所述滾動電刷 為凸型滾動電刷，而設(shè)置在所述換向器內(nèi)側(cè)的所述滾動電刷為凹型滾動電刷 ，當(dāng)所述換向器為內(nèi)凹外凸型時，設(shè)置在所述換向器外側(cè)的所述滾動電刷 為凹型滾動電刷，而設(shè)置在所述換向器內(nèi)側(cè)的所述滾動電刷為凸型滾動電刷。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的高效低慣量長壽空芯電機(jī)，其特征 在于，所述滾動電刷結(jié)構(gòu)還包括通過螺釘固定與所述電機(jī)外殼上的可更換電刷 盒、固定在所述電刷盒內(nèi)用于固定電刷的刷握、以及設(shè)置在所述刷握內(nèi)推動所 述電刷的彈簧。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高效低慣量長壽空芯電機(jī)，其特征在于，所述刷握上設(shè)有用于定位所述電刷的電刷定位柱和刷握邊卡。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高效低慣量長壽空芯電機(jī)，其特征在于，所述定子為分別固定設(shè)置在所述電機(jī)外殼相對兩側(cè)內(nèi)壁上的永磁陣列定子；所述轉(zhuǎn)子 為設(shè)置在所述兩個定子之間的磁碟式轉(zhuǎn)子繞組，所述轉(zhuǎn)子繞組包括至少一個分 別由導(dǎo)電材料繞制成型的多邊形線圈；并且所述多邊形線圈相錯一定角度疊置 并整形后固化成盤狀。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的高效低慣量長壽空芯電機(jī)，其特征在于，所述導(dǎo)電材料為一根或多根具有一定長寬比的扁形導(dǎo)電條。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的高效低慣量長壽空芯電機(jī)，其特征在于，所述轉(zhuǎn) 子繞組的截面形狀分別為"工"形，通過加固結(jié)構(gòu)相對固定安裝在所述電機(jī)轉(zhuǎn) 軸上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的高效低慣量長壽空芯電機(jī)，其特征在于，所述定 子為導(dǎo)磁材料做成的圓盤；所述圓盤上開設(shè)有未貫通的凹槽，在所述凹槽內(nèi)鑲 嵌有永磁體。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的高效低慣量長壽空芯電機(jī)，其特征在于，所 述永磁體的南極和北極交替分布，并且其數(shù)量為四的倍數(shù)，每個所述永磁體的 形狀為扇環(huán)形。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種高效低慣量長壽空芯電機(jī)，包括電機(jī)外殼、安裝在電機(jī)外殼內(nèi)的轉(zhuǎn)子、定子、與轉(zhuǎn)子固定連接的電機(jī)轉(zhuǎn)軸、與轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動的換向器以及與換向器配合的滾動電刷結(jié)構(gòu)；滾動電刷結(jié)構(gòu)包括滾動電刷；換向器和滾動電刷相配合的面分別為相凹凸配合的回轉(zhuǎn)面，回轉(zhuǎn)面的母線為曲線，形成良好的接觸，并且回轉(zhuǎn)面的母線為曲線，使得兩者的接觸線長度大大加長，消除了傳統(tǒng)滾動電刷在有限的空間內(nèi)不能承受大電流的瓶頸，使有刷電機(jī)能夠真正做到大功率、高效率、高動態(tài)性能和長壽命。該電機(jī)比傳統(tǒng)有刷電機(jī)效率提高8％以上，換向器壽命可以超過10000小時。且轉(zhuǎn)子采用磁碟式轉(zhuǎn)子，而定子采用聚磁雙面定子，使得該電機(jī)功率密度高、功率大、效率高。
文檔編號H02K1/17GK201134605SQ200720196418
公開日2008年10月15日 申請日期2007年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月25日
發(fā)明者巍 李 申請人:深圳市世盈電通科技有限公司