具有可检测转子转速功能的电的制造方法
【专利摘要】一种具有可检测转子转速功能的电机，包括定子和转子，所述定子包括壳体及设于壳体内的磁铁，所述磁铁形成4个磁极，所述转子包括转轴、固定于转轴上的铁芯和换向器、以及缠绕于铁芯上并与换向器电连接的绕组，所述铁芯包括6个极齿，所述换向器包括12个换向片，所述绕组包括12个线圈元件，每个极齿上承载两个线圈元件，所述电机未设置位置传感器，所述转子的转速通过检测获得电机电流波形后经由傅里叶变换而得到电流的基波频率，再由电流基波频率除以换向片数而获得。上述电机不用设置位置传感器，仅通过检测电机的电流便可获得转子的转速信息，从而获得转子的位置信息，本发明的电机的结构更为紧凑且具有更低的成本。
【专利说明】具有可检测转子转速功能的电机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电机，尤其涉及一种具有可检测转子转速功能的电机。
【背景技术】
[0002]电机领域中，通过检测转子的转速获得转子的位置信息。现有的电机通常在转子上设置检测部件，如检测磁铁等，并于定子上设置位置传感器，如霍尔元件、旋转编码器、光电编码器等，经由位置传感器感测检测部件的位置，从而得到转子转速信息，继而获得转子的位置信息。然而，这种电机需要额外的空间来装位置传感器，不仅增加了电机的体积，也增加了电机的成本。
【发明内容】
[0003]鉴于此，有必要提供一种结构紧凑且成本较低的具有可检测转子转速功能的电机。
[0004]本发明提供一种具有可检测转子转速功能的电机，包括定子和转子，所述定子包括壳体及设于壳体内的磁铁，所述磁铁形成4个磁极，所述转子包括转轴、固定于转轴上的铁芯和换向器、以及缠绕于铁芯上并与换向器电连接的绕组，所述铁芯包括6个极齿，所述换向器包括12个换向片，所述绕组包括12个线圈元件，每个极齿上承载两个线圈元件，所述电机未设置位置传感器，所述转子的转速通过检测获得电机电流波形后经由傅里叶变换而得到电流的基波频率，再由电流基波频率除以换向片数而获得。
[0005]较佳的，每个换向片直接与两个线圈元件连接。
[0006]较佳的，所述绕组共形成4条并联支路。
[0007]较佳的，每个线圈元件连接到相邻的一对换向片，每一极齿上的两个线圈元件所连接的两对换向片之间间隔一个换向片。
[0008]较佳的，每一极齿上的至少一个线圈元件所连接的一对换向片与相邻极齿上的一线圈元件所连接的一对换向片相邻。
[0009]较佳的，每一极齿上的两个线圈元件的绕制方向相反。
[0010]较佳的，所述电机还包括若干均压器，每一均压器将预定的两换向片短路。
[0011]较佳的，所述电机还包括至少一均压器，至少有一个换向片仅直接连接一个线圈元件，至少有一个换向片直接连接两个线圈元件，至少有一个换向片不直接连接线圈元件，所述不直接连接线圈元件的换向片通过所述均压器与直接连接线圈元件的相应换向片短路。
[0012]较佳的，每个线圈元件的一端直接连接一换向片，另一端直接与另一极齿上的一个线圈元件的一端连接。
[0013]较佳的，直接连接到同一个换向片的两个线圈元件具有相反的绕线方向。
[0014]较佳的，所述绕组共形成2条并联支路。
[0015]较佳的，所述电机还包括至少一对用于与换向器滑动接触的正、负电刷，当电刷短路部分线圈元件时，通过线圈元件的电流值与当电刷未短路线圈元件时通过线圈元件的电流值之比为3:2。
[0016]较佳的，所述定子壳体的横截面包括四个侧壁和四个弧形连接部，每一连接部连接于相邻的两侧壁之间，所述侧壁为平面或曲率小于连接部的曲面，所述磁铁的数量为四个，所述四个磁铁分别对应设置所述四个连接部处。
[0017]上述电机未设置位置传感器，仅通过检测电机的电流便可获得转子的转速信息，从而获得转子的位置信息，本发明的电机结构更为紧凑，且具有更低的成本。
[0018]为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明第一实施例的电机的立体分解图。
[0020]图2是图1所示电机的绕组示意图。
[0021]图3是图2所示绕组在电刷/均压器短路线圈元件时的等效电路图。
[0022]图4是图2所示绕组在电刷/均压器未短路线圈元件时的等效电路图。
[0023]图5是图1所示电机的绕组的电流波形图。
[0024]图6是图5所示电流波形经傅里叶变换后得到的电流分量幅值与频率关系图。
[0025]图7是本发明第二实施例的电机的绕组示意图。
[0026]图8是图7所示绕组在电刷/均压器短路部分线圈元件时的等效电路图。
[0027]图9是图7所示绕组在电刷/均压器未短路线圈元件时的等效电路图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图，通过对本发明的【具体实施方式】详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。可以理解，附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的尺寸仅仅是为了便于清晰描述，而并不限定比例关系。
[0029]图1所示为本发明的电机，该电机可应用于座椅调节装置、车窗升降装置、天窗驱动装置等需要通过控制电机转子旋转数从而控制驱动装置行程的领域。
[0030]所述电机包括一定子10、一转子20及一端盖30。所述定子10包括一外壳11以及设于外壳11内的磁铁12。所述外壳11优选地包括四个侧壁13和四个弧形连接部14，每一连接部14连接相邻的两个侧壁13。所述侧壁13为平面或曲面。当侧壁13为曲面时，其于电机横截面上的边的弯曲程度小于所述连接部的弯曲程度。所述磁铁12共形成四个磁极。本实施例中，共包括四块磁铁12，所述四块磁铁12分别对应设置于四个连接部14处。本实施例的电机采用大致呈方形的外壳，在性能相同的前提下，该电机相比圆形电机具有更小的体积，也即具有更高的功率密度。可选地，该电机的定子外壳也可呈圆形。
[0031]所述转子20包括一转轴21、固定于转轴21上的铁芯22和换向器23，以及缠绕于铁芯22上并电连接到换向器23的绕组(图未示)。所述铁芯22具有沿径向向外延伸的6个极齿。相邻的极齿之间形成一绕线槽24，从而使铁芯22共形成6个绕线槽24。
[0032]请同时参图2。所述极齿由T1-T6表示。所述换向器23包括12个换向片C1-C12，这12个换向片C1-C12分别形成6对等电位换向片，即Cl和C7、C2和C8，C3和C9，C4和CIO, C5和Cll，C6和C12这6对等电位换向片。所述绕组包括12个线圈元件，WA1-WA6以及WB1-WB6。所述线圈元件的端部与相应的换向片电连接。转子铁芯22的每一极齿上承载两个线圈元件，在图中显示为内层线圈元件(用WAn表示)和外层线圈元件(用WBn表示)。内层线圈元件WAn绕极齿顺时针方向绕制，而外层线圈元件WBn绕极齿逆时针方向绕制。上述内层线圈元件WAn和外层线圈元件WBn仅供图示说明用，事实上，在绕制绕组时，会出现在同一极齿上，图中标示的外层线圈元件WBn较内层线圈元件WAn先绕，在那样的情况下，图中标示的外层线圈元件WBn实际上为内层线圈元件,而图中标示的内层线圈元件WAn实际上是外层线圈元件，但这并不影响电机的正常工作。
[0033]如图2所示，极齿上的内层线圈元件WAn分别电连接到相邻的一对换向片；外层线圈元件WBn也分别电连接到相邻的一对换向片。所述内层线圈元件WAn所连接的一对换向片与所述外层线圈元件WBn连接的一对换向片之间间隔一个换向片。相邻的前一极齿上的内层线圈元件WAn所连接的一对换向片则与后一极齿的内层线圈元件WAn所连接的一对换向片相邻；且相邻的前一极齿上的外层线圈元件WBn所连接的一对换向片与后一极齿的外层线圈元件WAn所连接的一对换向片相邻。比如，缠绕于极齿Tl上的内层线圈元件WAl的两端部分别电连接到换向片Cl和C2 ;缠绕于极齿Tl上的外层线圈元件WBl的两端部分别电连接到换向片C4和C5。而极齿T2上的内层线圈元件WA2的两端部电连接到换向片C3和C4 ;外层线圈元件WB2的两端部电连接到换向片C6和C7。其他极齿上的线圈元件与换向器的连接关系依此类推。
[0034]图2仅为本发明的一个具体的实施例而已，事实上，由于换向片Cl-C 12中有6对换向片具有等电位的关系，因此，连接到每一换向片的线圈元件还可以替代地连接到与之对应的等电位换向片。以线圈元件WAl为例，在图2中，线圈元件WAl的两端部是分别电连接到换向片C I和C2，但由于换向片Cl和C7等电位，C2和C8等电位，因此，线圈元件WAl的一端可以电连接至换向片Cl或C8，而另一端可以电连接到换向片C2或C9，因此，线圈元件WAl与换向片存在四种连接 关系，即线圈元件WAl的两端分别电连接至Cl和C2，或Cl和C8，或C7和C2，或C7和C8。其它线圈元件的连接关系也与此类似。
[0035]本实施例中，在绕制绕组时，线圈导线的起点(即一端部)连接到换向片Cl，然后沿顺时针方向将导线绕制在极齿Tl上，然后将其连接到换向片C2，形成线圈元件WA1，然后该导线沿逆时针方向绕制在极齿T6上，再连接到换向片C3，从而形成线圈元件WB6 ;然后该导线沿顺时针方向绕制在极齿T2上形成线圈元件WA2，然后连接到换向片C4，然后导线沿逆时针方向绕制在极齿Tl上，并连接到换向片C5，形成线圈元件WB1，依此类推，直到所有绕组都已经缠绕以及该导线最终终止于第一换向片Cl上。
[0036]综上，该绕线过程从一个换向片按序进行到下一个换向片，同时沿顺时针方向绕制在第一个极齿，然后沿逆时针方向绕制在后一极齿(以极齿Tl到T2的方向为向前，以极齿Tl到T6的方向为向后),然后沿顺时针绕制在两个极齿之前的极齿,然后沿逆时针方向绕制在后一极齿，也就是，顺时针绕线，往后退一个极齿、逆时针绕线、往前进两个极齿、顺时针绕线、往后退一个极齿、逆时针绕线……，依此类推，直到完成绕线，从而使绕组共形成4条并联支路。可以注意到，在该绕线方法中，线圈元件WB6是在线圈元件WA6之前绕制，因此绕组WB6实际上是内层线圈元件，而WA6是外层线圈元件，上述标记仅仅是为了便于说明用，不会对电机的正常运行造成任何影响。[0037]通常情况下，具有4个磁极的电机包括2对电刷。当然，如图2所示，也可以使用6个均压器40分别将6对等电位的换向片短路,从而替代一对电刷的功能而省略一对电刷，以降低成本。
[0038]此外，上述绕线方式为单飞叉绕线方式，可以理解地，该绕组也可以采用双飞叉绕线方式实现。请参阅图2，当采用双飞叉绕线方式时，其中一根导线从A起点开始绕制，同时另一根导线从B起点开始绕制，如此可以节约绕线时间。另外，采用双飞叉方式绕制绕组时，可同时绕制均压线以形成所述均压器40。
[0039]图3和图4为上述电机的绕组在电刷/均压器短路部分线圈元件和未短路线圈元件两个不同状态的等效电路图。设定每一线圈元件的电阻值为r，当电刷/均压器短路部分线圈元件(即同一电刷同时接触两相邻的换向片从而将连接于所述两相邻换向片之间的线圈元件短路)时，电机绕组的总电阻值Rl=r/2 ;当电刷/均压器未短路线圈元件(即每一电刷只接触一个换向片)时，绕组的总电阻值R2=3r/4。根据公式I=U/R (其中，I为通过绕组的电流，U为加载在绕组上的电压，R为绕组的总电阻值)可知，当电刷/均压器短路线圈元件时，通过绕组的电流值最大，而当电刷/均压器没有短路线圈元件时，通过绕组的电流值最小。而该电机的绕组的电流最大值/最小值，即Imax/Imin=R2/Rl=l.5。也就是说，当电刷/均压器短路线圈元件和未短路线圈元件时，其绕组的总电阻值不同，从而使得通过绕组的电流值不同，因而，当转子旋转，电刷与换向片滑动接触而使得电刷/均压器在短路线圈元件和未短路线圈元件这两个状态之间切换，使得通过绕组的电流形成纹波。
[0040]请同时参阅图5和图6，由于该电机通过绕组的电流的最大值与最小值比值较大，因而通过绕组的电流的纹波非常明显(见图5)，因此，该电机可直接通过检测获得绕组电流的纹波，再经由傅里叶变换，从而获得电流的基波的频率(图6所示)。用电流的基波频率除以换向片数，即12后，便可得到转子的每秒转速。该电机仅仅通过检测其绕组电流便可获知转子的位置/转速信息，省略了位置传感器，相较现有的使用位置传感器实现位置检测功能的电机，本发明的电机具有更低的成本。此外，由于该电机的绕组采用单齿绕线的方式，绕组端部比较短，使得该电机具有较大的功率密度，非常适用于汽车等领域，顺应其小型化的发展趋势。
[0041]需要说明的是，图5是电机电流纹波的交流分量，即把检测到的电机电流减去其平均值而得到的电流波形。也就是图5所示的图表相当于将表达实际值的图表的横座标上移一基准值后而得到。
[0042]图7所示为本发明另一实施例的电机的绕组示意图。该电机同样包括四个磁极，其转子的铁芯包括6个极齿T1-T6共形成6个绕线槽，换向器包括12个换向片C1-C12，这12个换向片C1-C12分别形成6对等电位换向片，即Cl和C7、C2和C8，C3和C9，C4和ClO，C5和Cll，C6和C12这6对等位换向片。绕组共包括12个线圈元件WA1-WA6和WB1-WB6。与上述实施例相似地，每一极齿上承载两个线圈元件，即内层线圈元件(以WAn表示)和外层线圈元件(以WBn表示)。本实施例与上述实施例的不同之处在于绕组的绕线方式不同。本实施例中，每一极齿上的线圈兀件的一端与一换向片电连接，但另一端直接绕制另一极齿形成另一线圈元件后再与一换向片连接。
[0043]具体地，如图7所示，导线从换向片Cl出发，顺时针方向绕制极齿Tl形成线圈元件WAI后，接着顺时针绕制极齿T4形成线圈元件WA4，然后与换向片C8连接，再逆时针绕制极齿T3形成线圈元件WB3，接着再逆时针绕制极齿Τ6形成线圈元件WB6，然后与换向片C3连接。接着导线顺时针绕极齿Τ2形成线圈元件WA2，再接着顺时针绕制极齿Τ5形成线圈元件WA5，然后连接换向片CIO。此时，导线从换向片ClO连接到C4，然后逆时针绕制极齿Tl形成线圈元件WB1，再逆时针绕制极齿T4形成线圈元件WB4，然后与换向片Cll连接。导线从Cll连接到C5，然后顺时针绕极齿T3形成线圈元件WA3，再顺时针绕极齿T6形成线圈元件WA6，然后与换向片C12连接。接着导线从C12连接到C6，再逆时针绕极齿T2形成线圈元件WB2，然后逆时针绕T5形成WB5，最后连接到换向片Cl，从而完成绕制。直接连接于两等电位换向片之间的导线构成均压器40，将该两换向片短路。
[0044]以上仅仅是本发明的一个具体的实施例而已。由于存在等电位换向片，连接到每个换向片的线圈元件还可以替代地连接到与之对应的等电位换向片，这样绕组的连接顺序也相应地改变。
[0045]本实施例中，有部分换向片没有直接与线圈元件连接，而是通过均压器40与相应的线圈元件形成电连接，且每一极齿上的线圈元件均与另一极齿上的线圈元件直接串联，从而形成了图8和图9所示的等效电路，该电路共包括两条并联支路。当电刷/均压器短路线圈元件时，绕组的总电阻Rl=2r，此时通过绕组的电流最大；当电刷/均压器未短路线圈元件时，绕组的总电阻R2=3r，此时通过绕组的电流最小，且电流的最大值/最小值，SPImax/Imin=l.5。
[0046]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种具有可检测转子转速功能的电机，包括定子和转子，所述定子包括壳体及设于壳体内的磁铁，所述磁铁形成4个磁极，所述转子包括转轴、固定于转轴上的铁芯和换向器、以及缠绕于铁芯上并与换向器电连接的绕组，其特征在于:所述铁芯包括6个极齿，所述换向器包括12个换向片，所述绕组包括12个线圈元件，每个极齿上承载两个线圈元件，所述电机未设置位置传感器，所述转子的转速通过检测获得电机电流波形后经由傅里叶变换而得到电流的基波频率，再由电流基波频率除以换向片数而获得。
2.根据权利要求1所述的具有可检测转子转速功能的电机，其特征在于:每个换向片直接与两个线圈元件连接。
3.根据权利要求2所述的具有可检测转子转速功能的电机，其特征在于:所述绕组共形成4条并联支路。
4.根据权利要求1所述的具有可检测转子转速功能的电机，其特征在于:每个线圈元件连接到相邻的一对换向片，每一极齿上的两个线圈元件所连接的两对换向片之间间隔一个换向片。
5.根据权利要求1所述的具有可检测转子转速功能的电机，其特征在于:每一极齿上的至少一个线圈元件所连接的一对换向片与相邻极齿上的一线圈元件所连接的一对换向片相邻。
6.根据权利要求1所述的具有可检测转子转速功能的电机，其特征在于:每一极齿上的两个线圈元件的绕制方向相反。
7.根据权利要求1所述的具有可检测转子转速功能的电机，其特征在于:还包括若干均压器，每一均压器将等电位的两换向片短路。
8.根据权利要求1所述的具有可检测转子转速功能的电机，其特征在于:还包括至少一均压器，至少有一个换向片仅直接连接一个线圈元件，至少有一个换向片直接连接两个线圈元件，至少有一个换向片不直接连接线圈元件，所述不直接连接线圈元件的换向片通过所述均压器与直接连接线圈元件的相应换向片短路。
9.根据权利要求8所述的具有可检测转子转速功能的电机，其特征在于:每个线圈元件的一端直接连接一换向片，另一端直接与另一极齿上的一个线圈元件的一端连接。
10.根据权利要求8所述的具有可检测转子转速功能的电机，其特征在于:直接连接到同一个换向片的两个线圈元件具有相反的绕线方向。
11.根据权利要求8所述的具有可检测转子转速功能的电机，其特征在于:所述绕组共形成2条并联支路。
12.根据权利要求1所述的具有可检测转子转速功能的电机，其特征在于:所述电机还包括至少一对用于与换向器滑动接触的正、负电刷，当电刷短路部分线圈元件时，通过线圈元件的电流值与当电刷未短路线圈元件时通过线圈元件的电流值之比为3:2。
13.根据权利要求1至12任意一项所示的具有可检测转子转速功能的电机，其特征在于:所述定子壳体的横截面包括四个侧壁和四个弧形连接部，每一连接部连接于相邻的两侧壁之间，所述侧壁为平面或曲率小于连接部的曲面，所述磁铁的数量为四个，所述四个磁铁分别对应设置所述四个连接部处。
【文档编号】H02K23/02GK103812292SQ201210456847
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月14日 优先权日:2012年11月14日
【发明者】杜成顺, 秦锐锋, 陈海, 齐发云 申请人:德昌电机(深圳)有限公司