直流马达的内外圈定子结构的制作方法

本发明是一种直流马达的内外圈定子结构，尤指在一圆柱状的壳体内壁环设一外定子，再于轴心位置设置一内定子，令该外定子与内定子之间能形成一转动空间，供容纳一中空型转子的定子结构。

背景技术：

马达(electricmotor)，又称电动机，是一种能将所接收到的电力转化成机械能，之后，再利用该机械能产生动能，进而驱动其他装置的电器设备。由于，动能是人们日常生活中主要运用的能量型态，而电能又具有易储存、传输及洁净等特性，所以，能够被电能驱动，输出动能的马达，即成为人们生活中不可或缺的重要器具。

一般言，依照驱动电能的不同，马达又可分为直流马达、交流马达与脉冲马达等类型，其中，直流马达的“转速-转矩”与“电流-转矩”等特性曲线，均为线性关系，具有易于控制输出速度、启动转矩较大等特点，易于进行变速控制，因而成为工业自动化上的关键技术，而本发明的目的，即是针对直流马达进行改良。

请参阅图1a所示，直流马达1的基本架构包括一壳体10、一枢轴11、一转子12(rotor)、一定子13(stator)及一换向器14(commutator)，其中，该壳体10内设有一容纳空间101，该枢轴11枢设在该壳体10内，且其一端的输出轴111凸露在该壳体10之外，该转子12由多个硅钢片组合而成，且组装固定至该枢轴11上，该转子12上缠绕有多匝线圈。该定子13为永久磁铁所组成，且固设在该壳体10的内壁对应于该转子12的外侧周缘，并与该转子12保持一间距，该换向器14设在该容纳空间101内，能接收外部电力，并将电力输送至该转子12，且该换向器14还能随着该换向器14的转动，改变输送的电流方向。

根据佛来明左手定则或右手开掌定则，当一导线被放置于一磁场内，若该导线通上电流后，该导线所产生的磁场会切割原有磁场的磁场线，进而使该导线产生移动，所以，当转子12上的线圈通电后，其所产生的磁场，会切割定子13所产生的磁力线，而生成旋转扭矩造成转子12的转动，并将电能转换成动能，举例而言，请参阅图1b所示，当定子13的磁力线为由左至右时，若转子12的线圈的电流方向为由右方流入左方流出，此时，该转子12所产生的旋转扭矩会迫使该转子12顺时针旋转。

如前所述，直流马达1的优势，是在于易于控制转子12的转速，所以适合应用于工业自动化技术上。在控制直流马达1时，本领域技术人员可透过改变线圈上的电流大小，以增强或减弱该定子13在线圈上产生的动能，然而，线圈缠绕的密度有其限制，电流的改变幅度也不能非无限制，所以，发明人考虑到，是否能对直流马达1的结构进行改良，以在不大幅增加整体体积的前提下，提升转子12速度的可控制性与转速范围？

此外，发明人在研究过程中还发现，在已知的直流马达中，本领域技术人员必须在该输出轴111上额外组装其它的传动机构(如：齿轮组)，才能将该转子12产生的动能传递出去，但传动机构的配置却会造成结构复杂化，以及动能的必然耗损。此外，由于该输出轴111凸露在该壳体10外的一端是自由端，所以，该输出轴111的长度必须被设计的较短，以避免发生“轴线偏移”的问题。据此，当该枢轴11欲以高转速，产生足够的转动扭力带动该传动机构时，该枢轴11与传动机构间其实承受了极大的负荷，很容易产生磨损，进而因受力不均匀，而导致该输出轴111的轴线仍逐渐发生偏移的问题。

综上所述，现有的直流马达的整体架构于实施使用上，仍存有部分缺失，因此，如何对直流马达的结构进行改良，以提升其转速的可控制性，并解决“轴线偏移”的问题，即成为目前各制造、设计直流马达的厂商，亟欲解决的一重要课题。

技术实现要素：

鉴于已知直流马达在转速的可控制性上应仍有改良的空间，且长久使用后容易产生“轴线偏移”的问题，发明人经过多年来不断地钻研，经过反复的测试、改良并实作分析后，终于设计出本发明的一种直流马达的内外圈定子结构，以期能改善马达的效能与耐用性。

本发明的一目的，是提供一种直流马达的内外圈定子结构，该内外圈定子结构应用至一直流马达，该直流马达包括一壳体，该壳体呈一圆柱体，其内设有一容纳空间，该内外圈定子结构包括一外定子及一内定子，该外定子安装在该容纳空间内，包括多个外磁铁，各该外磁铁是沿该壳体的圆周向固定至该壳体的内壁，彼此相互间隔，且任二相邻的外磁铁彼此极性相反；该内定子组装至该外定子内，其前后端分别固定至该壳体的前后端，该内定子与该外定子间保持有一转动空间，该转动空间足以容纳一中空型转子，该中空型转子分别与该外定子及该内定子保持一第一间隙及一第二间隙，以使该中空型转子能在该外定子及该内定子间转动，该内定子包括多个内磁铁，各该内磁铁是沿该壳体的圆周向固定在该内定子的外缘，彼此相互间隔，任二相邻的内磁铁彼此极性相反，各该内磁铁对应于各该外磁铁。如此，当该中空型转子的线圈接收到一换相器传来的电流，并产生对应的电磁场后，将因该电磁场能分别与该内定子上的各该内磁铁及该外定子上的各该外磁铁产生互斥作用，而使该中空型转子转动，且同步带动一输出件，将该中空型转子产生的低转速及高扭矩的一转动扭力，输出至一负载(如：变速箱)。

附图说明

图1a是已知直流马达的结构示意图；

图1b是已知直流马达的作动原理示意图；

图2是本发明的定子结构所应用的直流马达示意图；

图3是本发明的定子结构所应用的直流马达的剖面图；

图4是本发明的定子结构平面示意图；

图5是直流马达的中空型转子的局部立体示意图；

图6是直流马达的中空型转子的绕线示意图。

【符号说明】

直流马达1

壳体10

容纳空间101

枢轴11

输出轴111

转子12

定子13

换向器14

直流马达2

壳体20

容纳空间200

前盖20a

后盖20b

外壳20c

输出孔201

前连接部202a

后连接部202b

连接杆203

电刷204

嵌卡部205

外定子21

外磁铁211

换向器22

盘体220

换向片221

输出件23

中空型转子24

第一间隙24a

第二间隙24b

轴孔240

外铁芯241

内铁芯242

外线槽243

固定孔244

内线槽245

固定棒246

限位管247

内定子25

内定子本体250

内磁铁251

定位杆252

轴承26a、26b

线圈27

线圈段271、272

内侧间距d1、d3

外侧间距d2、d4

具体实施方式

本发明是一种直流马达的内外圈定子结构，请参阅图2和3所示，是本发明的第一优选实施例，该内外圈定子结构应用于一直流马达2上，包括一外定子21及一内定子25，且该直流马达2除了具备该内外圈定子结构外，还包括一壳体20(如图3所示)、一换向器22、一输出件23及一中空型转子24等组件，在本实施例中，该壳体20是由一前盖20a、一后盖20b及一外壳20c组装而成，使其整体呈一中空圆柱状，其内形成有一容纳空间200，该换向器22与该输出件23分别定位于该前盖20a及后盖20b中。

请参阅图2和3所示，为便于描述组件之间的相对关系，以图2和3的右方为“前方”、其左方为“后方”。该外定子21安装在该容纳空间200内，包括多个外磁铁211，各该外磁铁211沿该外壳20c的圆周向固定至该壳体20的内壁，彼此相互间隔，且任二相邻的外磁铁211的极性彼此相反。在本实施例中，该等外磁铁211嵌卡固定于该外壳20c的内壁面，而在本发明的其他实施例中，该外定子21也可包括一口径略小于该外壳20c的筒状固定座，且该等外磁铁211固设于该筒状固定座的内壁，以透过该筒状固定座，间接地定位于该壳体20的内壁上。

该内定子25组装至该外定子21内，其前后端分别固定至该前盖20a及后盖20b，该内定子25与该外定子21间保持有一转动空间，该转动空间足以容纳该中空型转子24，且能使该中空型转子24分别与该外定子21及该内定子25保持一第一间隙24a及一第二间隙24b，而能于该转动空间中转动；该内定子25包括一内定子本体250与多个内磁铁251，各该内磁铁251沿该外壳20c的圆周向固定在该内定子本体250的外缘，彼此相互间隔，任二相邻的内磁铁251彼此极性相反，各该内磁铁251的位置对应于各该外磁铁211，在本实施例中，为维持内磁铁251及外磁铁211的数量相对应，该内磁铁251的面积小于该外磁铁211的面积。

在本实施例中，该内定子本体250的前后两端凸设有二定位杆252(该等定位杆252可为同一支杆体的两端，如图3所示)，各该定位杆252分别连接至该壳体20的前端与后端，以使该内定子25的轴心能对应于该壳体20的轴心。在本发明的其它实施例中，本领域技术人员能依设计需求自行调整该内定子本体250的构型。

该中空型转子24是由多个铁芯组合而成，其内沿轴向形成有一轴孔240，其前端与该换向器22相连接，其后端则与该输出件23相连接，该中空型转子24上绕设有多匝线圈27。如此，当该中空型转子24上的线圈27被外部(如：换向器22，其细部结构将于后文详述)传来的电流导通，而产生对应的电磁场时，该电磁场能分别与该内定子25上的各该内磁铁251及该外定子21上的各该外磁铁211产生互斥作用，而使该中空型转子24转动，且同步带动输出件23(该换向器22也会被同步带动)，进而将该中空型转子24产生的低转速及高扭矩的一转动扭力，输出至一负载(如：变速箱)。由于该中空型转子24同时受到该内定子25及外定子21的电磁场影响，而被推动旋转，所以，相较于单一个定子的已知直流式马达，本发明的设计能使本领域技术人员更容易控制该中空型转子24的转速变化，并使输出件23输出更高的扭矩。

为使该内定子25及外定子21产生的电磁场能更精准地带动该中空型转子24，发明人还针对该等内磁铁251及外磁铁211的配置方式做了详细的研究：请参阅图2至4所示，发明人发现，相邻的二外磁铁211间，邻近该壳体20内壁的一侧间保持有一内侧间距d1，其另一侧之间则保持有一外侧间距d2，该外侧间距d2大于该内侧间距d1(如图4所示，各该外磁铁211上设有一切角，使其间距较大)，如此，即能增加相邻的外磁铁211“磁极端部”间的距离，避免彼此的磁场相互干扰。同理，相邻的二内磁铁251间，远离该中空型转子24(或该外定子21)的一侧间保持有一内侧间距d3，其另一侧之间则保持有一外侧间距d4，该外侧间距d4大于该内侧间距d3。

本发明的技术，除能利用内定子25、外定子21的特殊结构，稳定地带动中空型转子24与输出件23，使其产生高转矩的扭力外，该中空型转子24的独特结构也能改善输出效率，并减轻损耗。请参阅图2和3所示，该输出件23的位置对应于该壳体20后端的至少一输出孔201，且呈一齿轮状(也可为轮毂或其它组件)，如此，一传动件(如：炼条、皮带圈或其它组件)即能够通过该输出孔201，与该输出件23相连接，进而在该直流马达2运转时，使该直流马达2所产生的动能能依序经由该输出件23与传动件，输出至一负载(如：变速箱)，以使该负载能通过该动能而运作。

如图2至4所示，由于中空型转子24的特殊构型，该输出件23连接于该中空型转子24的环状周缘(如：透过多支固定棒，其结构于后续详述)，与已知直流马达是以输出轴111(如图1a所示)带动负载的方式不同，因此，不会如同已知直流马达一般容易发生轴线偏移的问题，据此，该直流马达2在低转速时，便能够产生较大的转动扭力，故能减少其上的各个组件的磨损率，大幅提高该直流马达2的使用寿命。

为便于理解本发明的技术原理，进一步详述“直流马达2”的结构细节如下：首先，在壳体20部份，该前盖20a的周缘设有多个前连接部202a(如：锁孔)，其内安装有多个电刷204(carbonbrush，亦称碳刷)，该电刷204能够接收外部电流；该后盖20b则开设有三个输出孔201，且其周缘设有多个后连接部202b(如：锁孔)，该外壳20c则呈中空管体状，且嵌卡在该前盖20a与后盖20b两者之间。

如上所述，该前连接部202a与后连接部202b能分别与一连接杆203的两端相固定，以将该前盖20a、后盖20b及外壳20c结合成一体，形成本发明所述的壳体20，此外，为避免该外壳20c发生转动的情况，该前盖20a及后盖20b两者上分别设有多个嵌卡部205(如：凸片)，以分别与该外壳20c的两端相嵌卡。

其次，扼要说明该换向器22的结构细节及其与电刷204间的组装关系如下：该换向器22是位于该前盖20a中，能与该前盖20a内的电刷204相电气连接，以接收该电刷204传来的外部电流。该换向器22包括一盘体220及多个换向片221，其中，该等换向片221彼此相隔一间距地组装至该盘体220的前侧面，且相邻的二换向片221能依一设定频率，令其传送至对应线圈27的电流方向逆转，以使该线圈27所产生的电磁场也同时逆转，此一换向过程依该设定频率一再重复。

另外，请再次参阅图2、3、5所示，在本实施例中，该中空型转子24包括一外铁芯241及一内铁芯242，该外铁芯241与内铁芯242均是由多片硅钢片组合而成，且其周缘沿轴向开设有多道外线槽243及内线槽245，以及贯穿设有多个固定孔244，该等外线槽243及内线槽245是供缠绕该线圈27，该固定孔244则供嵌插多支固定棒246，各该固定棒246的前端能固定至该换向器22的盘体220的后侧面，各该固定棒246的后端则固定至该输出件23，如此，该中空型转子24、换向器22与输出件23三者便能组装成为一体，以能同步转动。此外，该换向器22与输出件23的中心分别设有一轴承26a、26b，使该内定子25的定位杆252能穿过各该轴承26a、26b，固设至该壳体20，而不会随着该换向器22或输出件23转动。

如上所述，为避免该换向器22与输出件23碰触到该中空型转子24上的线圈27，各该固定棒246的前端与后端还能分别套设一限位管247，该限位管247的外径大于该固定孔244的孔径，而无法伸入至该固定孔244中，且其位于该换向器22与中空型转子24两者间，或位于该输出件23与中空型转子24两者间，以使该换向器22与输出件23不会碰触到该中空型转子24上的线圈。

发明人在多次实验中发现，各该内磁铁251及外磁铁211的极性的配置方式，也会影响到中空型转子24的转动速度，请参阅图2、4、6所示，图4中的n、s代表磁铁极性，图6是本发明缠绕线圈27的其中一种方式，由图所示的缠绕方式，线圈27位于外线槽243的线圈段271，与对应的内线槽245内的线圈段272的电流方向将为相反。

如上所述，在这一缠绕方式时，若外磁铁211与相对应的内磁铁251的极性均相同(如：均为n极)，则根据弗莱明左手定则(拇指为受力方向、食指为磁场方向，掌心或弯曲的中指为电流方向)，该线圈段271会受到外磁铁211形成的磁场影响(若为n极，磁场方向为朝下)，使其受力方向为图6的右下角方向，使该中空型转子24以顺时针方向转动；同理，线圈段272会受到内磁铁251形成的磁场影响(若为n极，磁场方向为朝上)，使其受力方向也为图6的右下角方向，如此，即能确保受力方向的一致与稳定。另外，在实际实施时，本领域技术人员也能自行改变缠绕方式，而根据线圈27上不同段落的电流方向，选择将相对应的内磁铁251与外磁铁211的极性设计为相反。

以上所述，仅是本发明的优选实施例，另外，本发明所主张的权利范围，并不局限于此，本领域技术人员，依据本发明所公开的技术内容，可轻易想到的等效变化，均应属不脱离本发明的保护范畴。