具有改进的振荡性能的有刷换向DC电动机的制作方法

具有改进的振荡性能的有刷换向dc电动机
1.本发明涉及一种根据独立权利要求1的前序部分的有刷换向dc电动机。
2.一种通用的有刷换向dc电动机具有一个定子和一个转子，该定子包括一个具有数量为p个的极对的永磁体，而该转子可以相对于定子旋转，该转子具有一个空心圆柱形无铁绕组，该绕组具有一个几何轴以及数量为q个的子线圈，以及具有数量为k个的集电器段的集电器，其中，子线圈分布在转子的外周，并且其中有刷换向dc电动机还具有至少一对与集电器接触的电刷，通过这些电刷给子线圈通电。
3.这种有刷换向电动机的定子可以具有圆柱形永磁体，该永磁体布置在空心圆柱形无铁绕组的内部。在外部，通常有一个导磁返回套筒，它同时用作电动机的外壳。归因于无铁绕组，这种电动机没有任何齿槽转矩，因此即使在低速时也可以实现无冲击运行。这涉及很少的振动和噪音。归因于转子中缺少铁，不存在铁损，并且会持续产生外加磁化。这导致高效率。而且，即使在高电流下，所产生的转矩仍与电机电流成比例。导致高动态和短启动时间的转子质量的低惯性也是有利的。
4.尽管有刷换向dc电动机被广泛使用并且通常具有良好的运行性能，但在实践中表明，集电器区域偶尔会发生振荡，从而电流被调制，因而导致由这种反馈引起的振荡的增加，因为在有刷换向的dc电动机中，在换向期间，子线圈的电流最初通过经由电刷将其短路而被阻断，随后又以相反的符号重新设置。特别是在具有带弦或倒角的子线圈的两极电动机的情况下，涉及径向合力或横向于旋转轴线作用的扭矩。这两种效应都可以使转子在靠近集电器处沿径向偏转。
5.根据独立权利要求1的前序部分的有刷换向dc电动机是已知的，例如从ep 3171498 b1中。该文献处理下述尝试：通过布置子线圈的线圈平面以相对于相关联的集电器段的集电器平面以在45
°
和135
°
之间的校正角围绕转子的轴旋转来对抗上述效果。然而，事实证明，由此也不能完全防止振荡和由此产生的电流调制。
6.因此，本发明的目的是提供一种通用的有刷换向dc电动机，其中尽可能完全地避免了所示问题。
7.此目的通过独立权利要求1的特征来达成。因此，在根据独立权利要求1的前序部分的有刷换向dc电动机中，如果电刷的布置和子线圈的互连以这样的方式被选择，则给出了根据本发明的问题的解决方案：使得在每种情况下n≥2个子线圈总是同时被供给相同的电流，其中每个子线圈以相对于转子的轴旋转对称的方式偏移360
°
/n地布置。这将被理解为，n≥2个子线圈中的每一个子线圈都以旋转对称的方式偏移地布置，每个子线圈通过围绕转子的轴旋转360
°
/n而映射在其自身上。当然，这里只给出子线圈在其自身上的精确映射，前提是子线圈具有根据下面说明的优选实施例的统一形状。“相同的电流”是指电流量。因此，“相同的电流”流过的子线圈可以被串联或并联。
8.在一个有利的实施例中，子线圈至少在空心圆柱形无铁绕组的包面上的一个投影中具有均匀的形状。
9.为了尽可能完全地防止振荡，有利的是各个线圈的形状完全一致。子线圈的统一设计是完全可变的。合适的形状是已知的，例如从ep1780871a1、de1801263a1和de1188709b
中。电流可以沿相同方向流过n个线圈，这些线圈以相对于彼此旋转对称的方式布置，并且它们被同时供给相同的电流。然而，其中电流可以以相反方向流过n个线圈的实施例也是可能的，这些线圈以相对于彼此旋转对称的方式布置并且被同时供给相同的电流。作为电刷，优选使用石墨刷。空心圆柱形无铁绕组优选地是自支撑的，并且子线圈优选地不缠绕在铁芯等上。
10.本发明的进一步优选实施例是从属权利要求的主题。
11.为了给n个子线圈供给相同的电流，根据本发明的一个实施例，n个子线圈中的每一个都以相对于彼此旋转对称的方式布置并且总是同时被通电,所述子线圈可以串联。串联的子线圈的连接可以通过线圈导线本身或通过集电器来完成。在后一种情况下，串联连接的子线圈的连接优选通过集电器的集电器电路板实现。
12.如果相同幅值和相位的磁通总是对称地流过子线圈，则n个子线圈的始端和末端都处于相同的电势，也可以实现相同电流的供应。根据本发明的替代实施例，n个子线圈可以并联连接，每个子线圈都以相对于彼此旋转对称的方式布置并且总是同时通电。
13.本发明特别适用于具有单极对的有刷换向dc电动机。根据本发明的一个实施例，极对数p因此为1，其中集电器具有奇数k≥3个集电器段，其中子线圈的数量q为2
·
k，并且其中每个以相对于彼此旋转对称的方式布置并且总是同时通电的子线圈的的数量n为2。同时通电的两个线圈径向相对并且优选地串联连接。根据本发明的特别优选且易于实现的实施例，在这种情况下，每个子线圈在一端集电器段连接，并且在相应的另一端与径向相对的子线圈连接。
14.本发明还适用于具有多于一对极对的有刷换向dc电动机。根据本发明的一个实施例，极对的数量p因此大于1，其中集电器具有数量为k＝k
·
p个集电器段，其中k为≥3的奇数，其中子线圈的数量q为q
·
p，其中数量q或者对应于数量k或者对应于数量k的两倍，并且其中每个以相对于彼此旋转对称的方式布置并且每个同时通电的子线圈的数量n对应数量p，如果q＝k，或者对应于p的双倍，如果q＝2
·
k，其中p个集电器段中的每个以导电方式在转子侧相互连接，所述集电器段中的每个也布置成以相对于转子的轴旋转对称的方式偏移360
°
/p布置。
15.根据本发明的另一个特别优选的实施例，所述一对电刷中的两个电刷各自具有对应于集电器节距(pitch)的一半与两个集电器段之间的距离的和的宽度，其中所述两个电刷布置成使得该对中的一个电刷的换向过程的开始与该对中相应的另一个电刷的换向过程的终止同时发生。因此，进一步减少了上述负面影响。电刷的宽度是指恰好在集电器外周(也就是电刷和集电器之间的接触面处)的宽度。因此，实际宽度对应于由一半节距和距离产生的弦。
16.在具有多于一个单极对的有刷换向dc电动机中，根据本发明的另一特别优选实施例，该对电刷还可以是第一对电刷，其中该有刷换向dc电动机还包括至少另一对也与集电器接触的电刷，其中另一对电刷的两个电刷每个具有小于第一对电刷的电刷宽度的宽度。在此特别有利的是，至少一个另外的电刷对的电刷由具有比构成第一对电刷的电刷的材料更高的电导率的材料构成。
17.从而在换向结束前电流被较大程度地降低，从而降低产生火花的趋势。此外，使用具有更好导电性的材料可以减少换向期间已经出现的感应电压造成的额外损耗。通过使用
具有更高导电率的材料的电刷，进一步减少了由于电刷过渡电阻引起的损耗。
18.根据本发明的另一个特别优选的实施例，所有子线圈具有相同的形状。由此，可以最有效地避免开头所述的负面影响。
19.如上所述，本发明特别适用于有刷换向的dc电动机，其转子具有子线圈，这些子线圈相对于转子的轴以弦和/或倒角的方式设计。
20.下面结合附图对本发明的实施例进行更详细的说明。
21.在附图中：
22.图1示出了有刷换向dc电动机的示意分解图，
23.图2示出了根据本发明第一实施例的两极有刷换向dc电动机的子线圈互连的示意图，
24.图3示出了图2的表示以及另外表示的电刷，
25.图4示出了图2和3的实施例的空心圆柱形无铁绕组的展开，其具有绕组几何形状和各个子线圈的相关互连的表示，
26.图5示出了根据本发明第二实施例的四极有刷换向dc电动机的子线圈互连的示意图，以及
27.图6示出了根据本发明第三实施例的四极有刷换向dc电动机的子线圈互连的示意图。
28.在以下图示中，相同的部分由相同的附图标记表示。如果附图包含在附图的相关描述中未更详细讨论的附图标记，则参考附图的前面或后面的描述。
29.首先，关于图1，示出了有刷换向dc电动机4的一般结构。具有无铁绕组的dc电动机4的主要部件是定子5和相对于定子可旋转安装的转子7。定子5包括作为主要部件的永磁体6，该永磁体6可以是空心圆柱形设计，定位永磁体6的法兰13，由铁构成并用作外壳的磁回路16，以及另外的法兰14，在所示的示例性实施例中，其用作电刷或外壳盖并且两个集电刷3a和3b以枢转方式附接到其上。在所示情况下，永磁体6相对于法兰13的定位是通过套筒11实现的。用于可旋转地安装转子7的杆12的滚珠轴承15布置在法兰13和14中。除了具有其几何轴线9的杆12之外，转子7包括作为主要部件的自支撑空心圆柱形无铁绕组8以及由多个集电器段组成并与绕组连接的集电器10。自支撑空心圆柱形无铁绕组8在永磁体6的表面区域和回路16的内表面之间的气隙内旋转。
30.空心圆柱形无铁绕组8由多个相同形状的子线圈组成。根据本发明，以这样的方式选择电刷的布置和子线圈的互连：使得在每种情况下，n≥2个子线圈同时被供给相同的电流，其中每个子线圈以相对于转子的轴旋转对称的方式偏移360
°
/n布置。
31.在这方面的一个实施例通过图2和3中的线圈互连的示意表示来说明。在所示实施例中，未描绘的定子具有径向磁化的两极永磁体。转子共有十个子线圈(2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h、2i、2j)，集电器具有五个集电器段(1a、1b、1c、1d、1e)。子线圈形成五对(2a,2f),(2c,2h),(2e,2j),(2g,2b),(2i,2d)，每对子线圈以点对称的方式相对于到转子的轴布置并串联连接。为此，每个子线圈在一端连接到集电器段，而在相应的另一端，它与径向相对的子线圈连接。因此，由于强制连接，相同的电流各自流过径向相对的子线圈。需要指出的是，该图只是示意图类型的图。子线圈由线圈符号表示。在该图示中，到集电器段的所有连接都应理解为电连接，然而，所有线交叉均不理解为电连接。
32.通电是通过图3所示的两个集电刷3a和3b实现的，它们优选设计成石墨刷。特别有利的是，两个电刷3a和3b各自具有对应于集电器间距的一半和两个集电器段之间的距离之和的宽度，其中两个电刷3a、3b布置成使得一个电刷的换向过程的开始与相应的另一个电刷的换向过程的终止同时发生。
33.图4示出了图2和3的实施例的空心圆柱形无铁绕组的展开，其具有绕组几何形状和各个子线圈的相关互连的表示。实线表示集电器段(1a、1b、1c、1d、1e)和子线圈(2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h、2i、2j)之间的连接。虚线表示每对子线圈的各子线圈之间的电连接。每对子线圈的各子线圈之间的连接可以通过线圈线本身或通过集电器电路板来实现。对于这对线圈(2a，2f)，这两个子线圈(2a，2f)中的电流方向在图4中以两个箭头示出，所述子线圈分别以旋转对称的方式相对于彼此偏移180
°
布置。在该实施例中，当在从外部到空心圆柱形无铁绕组的包面的观察方向中观察各个子线圈时，电流因此在两个子线圈(2a，2f)中以相反的方向流动，这意味着在两个子线圈中的一个中顺时针，在两个子线圈中的另一个中逆时针。
34.图5显示了具有十个集电器段(1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g、1h、1i、1j)和十个子线圈(2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h、2i、2j)的创造性四极dc电动机的转子的电路图。子线圈形成五对子线圈(2a，2f)、(2c，2h)、(2e，2j)、(2g，2b)、(2i，2d)，每对子线圈以点对称方式相对于转子轴排列且串联连接，其两端分别与一对集电器段以导电方式连接。每个相对的集电器段互连成五对(1a，1f)、(1c，1h)、(1e，1j)、(1g，1b)、(1i，1d)，因此它们通过强制连接处于相同的电势。与图2至图4的示例实施例相比，在该示例实施例中，电流沿相同方向流过一对子线圈的子线圈。
35.由于相对的集电器段彼此连接，因此即使是所示的四极电动机也基本上可以仅用一对电刷来操作。然而，在所示的优选设计中，dc电动机配备有两对电刷。优选地，通常应该使用与磁极对的数量相同数量的电刷对。在所示的示例实施例中，第一对电刷3a、3b以这样的方式被设计为类似于图3的示例实施例：使得电刷3a、3b的宽度大致对应于一半的集电器间距和两个集电器段之间的距离之和，其中两个电刷3a、3b布置成使得一个电刷3a的换向过程的开始与相应的另一个电刷3b的换向过程的终止同时发生。第一对电刷的电刷3a、3b由具有相对低电导率的材料构成。第二对电刷3c、3d被设计得稍微窄一些并且由具有更高电导率的材料组成。从而在换向结束前电流被较大程度地降低，从而降低产生火花的趋势。此外，使用具有更好导电性的材料可以减少换向期间已经出现的感应电压造成的额外损耗。通过使用具有更高导电率的材料的电刷，进一步减少了由于电刷过渡电阻引起的损耗。
36.图6最后示出了图4的实施例的修改。这里的子线圈对不是串联连接，而是并联连接。
37.附图标记列表
38.1a to 1j
ꢀꢀꢀꢀ
集电器段
39.2a to 2j
ꢀꢀꢀꢀ
子线圈
40.3a to 3d
ꢀꢀꢀꢀ
电刷
[0041]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
有刷换向dc电动机
[0042]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
定子
[0043]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
永磁体
[0044]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
转子
[0045]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
空心圆柱无铁绕组
[0046]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
轴
[0047]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
集电器
[0048]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
套筒
[0049]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
杆
[0050]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
法兰
[0051]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
法兰(刷盖)
[0052]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
滚珠轴承
[0053]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
外壳(磁回路)