两极电刷换向直流电动马达的制作方法

本发明涉及一种具有定子和转子的两极电刷换向直流电动马达，该电动马达设有具有n个线圈段(线圈)的中空圆柱形无铁心绕组和具有n个换向器段的换向器，每个线圈段电气地连接到两个相邻的换向器段，重心轴线与转子轴线垂直地相交并且穿过线圈段的重心或线圈段的中心线，线圈段的中心线穿过重心，并且转子轴线跨越限定相关联的线圈段的角位置的线圈平面，换向器段的电气连接到相同线圈段的两个电刷接触表面之间具有距离，其中距离平分线与转子轴线垂直地相交，距离平分线和转子轴线跨越换向器平面，换向器平面限定相关联换向器段的角位置，并且其中n为整个自然数。

背景技术：

此直流电动马达从DE 102010049524 A1中已知。这是具有转子系统的马达，该转子系统具有中空圆柱形无铁心绕组，其中各个线圈段相对于中空圆柱体的轴向方向倾斜地伸展并且用于换向地连接到相关联的换向器段。为此目的，在绕组的前面侧离开的绕组抽头径向地弯曲并且以星形方式向内引导，其中它们随后电气连接到相关联的换向器段。由多个换向器段形成的彼此电气绝缘的圆柱形换向器与两个沿直径相对设置的电刷滑动接触。电刷包括弹簧装置，电刷通过该弹簧装置压靠在换向器上，使得产生垂直于护套表面的表面作用的电刷接触力。在直流马达中，线圈段的电流在换向期间首先通过借助于电刷使线圈段短路而停止，并且随后再次以反极性符号建立。弦式或倾斜式绕组通常用于此类两极直流马达中。具有相对于轴向方向倾斜延伸的绕组线路的可用的无铁心绕组的示例在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。从中可以看出，线圈段的多边形或菱形形状是优选的。每个线圈段由一定数量的绕组组成，并且因此表示围绕转子轴线旋转的弯曲三维结构。在无铁心绕组的主要情况下，连接到换向器段的绕组抽头径向地位于相关联的换向器段外侧。然后，它们可以通过相对短的导体彼此电气连接。由于空间的原因，使用特别小的特殊形状也是有利的，从而以45°的角度将它们倾斜地连接。一个此实施例在JP 2002-64966A中有所描述。

从EP 2104205A1中已知一种小型电动马达，其具有包括叠片铁心的转子，其中，借助于电刷平面相对于磁性平面的旋转实现抵靠止动件的减振运行。为补偿电刷相对于磁体的旋转，换向器也相应地相对于绕组向回旋转。

两极电刷换向直流电动马达的定子可以具有插入到中空圆柱形无铁心绕组的内部中的圆柱形永磁体。然后，在外侧设置导磁的磁轭套筒。

此类电动马达由于无铁心的转子而没有定位转矩，使得以小转速在无颠簸的情况下运行该电动马达也是可能的，这通常导致更少的振动和噪声。因此，可以容易地控制任何期望的转子位置，并且在控制作用中没有给出非线性。由于转子中缺乏铁，因此没有铁的损失，并发生恒定磁化。这导致高的效率(大于90％)和低空载电流(通常<50mA)。因此避免了铁心中的饱和效应。此外，即使在最高电流下，所生成的转矩仍严格地与马达电流成比例。马达的功率取决于所使用的永磁体的强度。转子的小质量惯性也是有利的，并且导致高动态和少的启动时间。尽管这些马达被广泛使用并且通常具有良好的操作性能，但是在实践中已经发现，在换向器的区域中有时会发生振动，由此电流被调制，其随后导致由于该反馈所导致的振动的放大。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种最初提到的类型的两极电刷换向直流电动马达，其由于改进的振动特性而表现出减少的电流调制。

为此目的，提供了在开头提到的类型的通用两极电刷换向直流电动马达，其中线圈段(线圈)的线圈平面被布置成相对于相关联换向器段的换向器平面围绕转子轴线在>45°至<135°的角范围旋转校正角度(α)。

发明人已经-特别是使用相对于中空圆柱体的轴向方向倾斜延伸的线圈段-认识到，沿直径的合力或横向于旋转轴线(取决于绕组的类型)延伸的扭矩与电流相关联。两种效应均可以使转子在换向器的位置处在径向方向上偏转。如果换向器的这种横向运动具有在电刷方向上的分量，则电刷接触压力并且因此电流被调制。因此，本发明试图分别有利地减小或抑制这种力影响或扭矩影响。当然最有利的是，由于换向绕组段(即，线圈段)中的电流而产生的力和转矩的方向大体上垂直于电刷触点的方向起作用，使得经由电刷触点的反馈得以避免。然而，当经由电刷触点的反馈减少时，已经出现优于已知实施例的优点。作用力的方向可以通过线圈平面和换向器平面之间的校正角度改变，使得在电刷接触方向上的对电刷的影响减小或抑制。由于绕组或各个线圈段难以根据其形状多样性及其三维布置来描述，所以线圈段的重心在当前情况下朝向。此外，该线圈段的合力在大多数情况下与该重心相关或者合力矩分别围绕该重心进行作用。然后，垂直于转子轴线的重心与转子轴线一起大致跨越线圈平面，该线圈平面在大多数情况下将线圈段分成两个对称的半部。因此，可以为线圈段中的每个确定线圈平面，然后使线圈段中的每个分别布置成相对于相邻线圈段的线圈平面围绕转子轴线旋转一定的角度量。

换向器段的旋转角度位置由换向器平面以相同的方式限定。两个相邻的换向器段各自限定跨越在其间的换向器平面。当电刷与两个相邻换向器段的电刷接触表面对称接触时，该换向器平面还大致将相关联电刷的接触表面分成两个半部。与常规配置相比，绕组被类似地布置成相对于换向器围绕预定的校正角度旋转。电刷分别跟随该旋转。

已经发现，当与根据DE 1538843 A1、DE 1463855 A1、DE 102005051059 A1、EP 2180581 A2和DE 102014102204 A1的绕组一起使用时，本发明特别有利，因为其导致转子系统的振动减少。

根据一个实施例，当校正角度在60°至120°，优选地75°至105°的角范围内时，本发明的优点已经非常显著。当然，校正角度大体上为90°de一个实施例特别有利。在大多数类型的绕组中，合力由此大体上切向于换向器并且因此垂直于电刷触点作用，从而使换向器在胸部[原文如此]方向上的位移最小化。

本发明对于具有中空圆柱形无铁心绕组的转子特别有利，因为这些转子由于缺乏铁而具有低旋转质量。然而，它们因此也可以更容易地通过横向力而径向地偏转。轴承的设计当然在该径向偏转方面也具有一定的影响。

横向力特别是在根据一个实施例的绕组的各个线圈段至少在很大程度上相对于转子轴线倾斜地伸展时出现。这尤其是线圈段的多边形和菱形布置的情况。本发明的优点在那里是特别显著的。根据一个变型，线圈段的各匝因此在绕组的展开中各自具有菱形形状，其前部顶端和后部顶端(其可以是圆形的)可以位于绕组的面侧上。展开目前表示绕组的扁平的即条形的布置，其中该展开绕组的长度对应于中空圆柱形无铁心绕组的周长。

优选地，线圈段的第一匝和线圈段的最后一匝可以各自设有绕组抽头，该绕组抽头电气地连接到相应的相关联换向器段。第一匝和最后一匝目前是在换向中涉及的实际匝，并且没有假匝，使得得以参考有效线圈段。因此，线圈段电气地连接到两个相邻的换向器段，使得桥接这两个换向器段的电刷使该线圈段短路。

为在线圈段和换向器段之间提供尽可能短的连接路径，绕组抽头优选地布置在绕组的最靠近换向器的面侧上。

在一个有利的实施例中，规定绕组抽头被倾斜地从绕组引出以便弥补校正角度。以这种方式，无论校正角度如何仍然能保持相对短的连接路径。

此外，可以规定，绕组抽头和相关联的换向器段通过使用导体连接，所述导体由绕组线形成或者为换向器的一部分或者由PCB电路形成。根据马达的设计和成本，可以使用最有利的连接技术。还存在插入进一步改进换向的其他电路(例如，CLL板)的选择。

特别是在定子包括具有主磁化方向的永磁体，并且换向器包括两个沿直径布置的换向器电刷的情况下，可以容易地创建两极系统，其中所述换向器电刷的公共轴线大体上被定向成优选地垂直地相对于主磁化方向旋转(围绕转子轴线A)校正角度。该布置已经考虑了绕组的校正角度，由此该布置已经是不寻常的并且具有相应的优点。然而，已经获得了优点，其中换向器电刷的公共轴线相对于主磁化方向的旋转通过各个校正角度在>45°至<135°，优选地从60°至120°，更优选地从75°至105°的角范围内围绕转子轴线执行。

有利地，根据一个实施例，换向器电刷可以通过使用弹簧装置压靠换向器。由此，可以使用简单的配置获得大体上均匀的接触力，使得可以预期所测量的接触压力，所述接触压力将所涉及的元件之间的摩擦力保持在合理的界限内。此外，换向器电刷的磨损通过它们的跟踪得到自动补偿。

可以优选地使用石墨电刷或贵金属电刷。通常具有铜部分的石墨电刷可径向移位地安装或可枢转地布置，并且具有一种钩形状或有角度的形状。贵金属电刷通常为由铜制成的板簧，其中在接触区域中具有银涂层。

换向器段优选地形成圆柱形换向器，其中换向器电刷沿直径按压在换向器的圆柱形护套表面上。这种类型的换向器已经得到验证，并且根据换向器段的数量能够实现相对小的换向器直径，由此也可以将摩擦配合件之间的相对速度保持为低的。

此外，本发明涉及一种用于根据权利要求1至14中的一项所述的两极电刷换向直流电动马达的转子。所述转子包括具有n个线圈段的中空圆柱形无铁心绕组和具有n个换向器段的换向器，每个线圈段电气地连接到两个相邻的换向器段，重心轴线与转子轴线垂直地相交并且穿过线圈段的重心或者线圈段的中心线，所述中心线穿过重心，并且转子轴线跨越限定相关联线圈段的角位置的线圈平面，换向器段的电气地连接到该线圈段的两个电刷接触表面之间具有距离，其中距离平分线与转子轴线垂直地相交，所述距离平分线和转子轴线跨越限定相关联换向器段的角位置的换向器平面，并且其中n为整个自然数，并且其中线圈平面被布置成相对于相关联的线圈段的换向器平面围绕转子轴线在>45°至<135°的角范围旋转校正角度(α)。此转子也可以用作现有马达的交换转子，只要可以同样地校正电刷布置的角位置。

附图说明

下面参考附图更详细地解释本发明的实施例，其中：

图1示出了常规的两极电刷换向直流电动马达的示意性分解图，

图2示出了用于两极电刷换向直流电动马达的常规转子的换向器侧的示意性横截面图，

图3示出了转子的绕组变型的示意图，

图4示出了转子的进一步的绕组变型的示意图，

图5示出了具有常规两极电刷换向直流电动马达的电刷的展开绕组和相关联换向器的示意图，

图6示出了具有根据本发明的两极电刷换向直流电动马达的电刷的展开绕组和相关联换向器的示意图，

图7示出了根据本发明的转子的变型的换向器侧的示意性前视图。

具体实施方式

现在将参照图2更详细地解释常规的两级电刷换向直流电动马达1的结构。无铁心直流电动马达1的主要部件为定子2和转子3。定子2包括作为主要部件的中空圆柱形永磁体4、定位永磁体4的凸缘5、由铁制成并形成为套筒的磁轭6以及前凸缘7，其中两个换向器电刷8.1和8.2可枢转地安装在前凸缘7上。定子2的进一步的部件为布置在凸缘5和凸缘7以及密封件10中的滚珠轴承9.1和9.2。

转子3包括作为主要部件的轴12，自支撑中空圆柱形无铁心绕组13，由若干个换向器段14.1至14.13(在当前情况下为13)组成的换向器14，以及将换向器14和绕组13连接到轴12的换向器板15。转子3的进一步的部件为换向器V形环16.1和16.2，换向器V形环16.1和16.2用作锁并被压在轴12的外端上。相对于凸缘5定位永磁体4借助于压入这两个元件中的套筒11来实现。从图1中还可以看出，换向器段14.1至14.13弯曲成L形，一起在前部区域中形成圆柱形换向器14，而其他L形支脚径向向外突出并且电气连接到各个线圈段(13个线圈段)。还可以看出，处于组装状态的自支撑绕组13在永磁体4的护套表面和磁轭6的内表面之间的气隙中旋转。

图2借助于示例性地示出了转子3的换向器端的替代配置。

换向器段15借助于注射成型生产而成，并且组合各个换向器段14.1至14.13，使得它们之间相应地存在绝缘层或空间。轴12在该区域中设有滚花17用于使换向器段15更好地附着。绕组抽头18.1至18.13在中空圆柱形绕组13的面侧处露出。它们在当前情况下由在该点处露出的绕组线的部件形成并且被径向向内引导且连接到相关联的换向器段14.1至14.13的径向支脚。此外，提供保护该连接的覆盖材料19。

上述描述涉及一种两极电刷换向直流电动马达1，其中绕组抽头18.1至18.13直接径向地位于换向器段14.1至14.13的相关联支脚的外部。换向器电刷8.1和8.2的取向使得它们在永磁体4的主磁化轴线的方向上精确地接触换向器14。换向器电刷8.1和8.2在本示例中借助于可枢转布置的石墨电刷(具有铜含量)进行布置，石墨电刷借助于支脚弹簧按压。

合适的绕组类型为如在出版物DE 1538843 A1、DE 102005061059 A1、EP 2180581 A2和DE 102014102204 A1中描述的绕组。当然，必须存在所需数量的线圈段13。

然而，线圈段和换向器段的数量目前并不相关。然而，通常使用奇数，例如，5或7。

现在将参照图3和图4借助于示例性地示出了线圈段的各种定位选项和形状。

图3示出了围绕整个中空圆柱形绕组13倾斜延伸的线圈段13.1。线圈段13.1由若干个匝构成，并且从俯视图看具有椭圆形状且从套筒形绕组13的一个面侧延伸到另一面侧。因此，线圈段13.1位于转子轴线A上方并且部分地位于转子轴线A下方。为确定该线圈段13.1的角位置，确定其重心S。在该特定情况下，重心S精确地位于转子轴线A上，因此，难以固定垂直于转子轴线A的重心轴线。在这种情况下，可以解决的是，绘制穿过重心伸展的中心线M_S1并且该中心线M_S1将线圈段13.1分成两个相等的半部或者分别确定线圈段13.1的最长延伸。然后，该中心线M_S1与转子轴线A一起跨越线圈平面E_S1。因此，线圈平面E_S1垂直于转子轴线A设置。由此可以通过定位该线圈平面E_S1来精确地限定线圈段13.1在转子3上的角位置。对于所有其他线圈段13.2至13.7，该过程是相同的，并且确定相关联的线圈平面E_S2至E_S7。

对于如图4所示的绕组类型，这有点简单。重心S并不位于转子轴线A上。线圈段13.1在中心具有弯曲点或反转点，使得其相对于转子轴线A大体上定位在一侧上，并且包括两个倾斜的部分区域。重心轴线A_S准确地穿过重心S伸展并且垂直于转子轴线A。重心轴线A_S1和转子轴线A现在跨越线圈平面E_S1，线圈平面E_S1指定线圈段13.1在转子3上的角位置。如果例如线圈段13.1限定0°的角度，则其他线圈段13.2至13.7相应地以可用的360°的预定角度步长分布。图4所示的绕组类型为最常见的一种。对于所有其他线圈段13.2至13.7，该过程是相同的，并且确定相关联的线圈平面E_S2至E_S7。

现在将参照图5更详细地解释在类似于图4的绕组形式中的七个线圈段13.1至13.7之间的布置情况和具有七个换向器段14.1至14.7的相关联换向器14。示意性地示出了具有七个绕组抽头18.1至18.7和七个线圈段13.1至13.7的无铁心绕组13的展开。该布置将借助于示例使用线圈段13.5(以粗体示出)来解释。在示意图中，线圈段13.5包括五匝。绕组抽头18.5和绕组抽头18.6分别设置在第一匝和最后一匝上，其中绕组抽头18.6同时表示线圈段13.6的第一匝的绕组抽头。绕组抽头18.5以类似的方式表示线圈段13.4的最后一匝的绕组抽头。绕组抽头18.5电气连接到换向器段14.5。绕组抽头18.6以相同的方式电气连接到换向器段14.6。图5所示的角度指示示出了线圈段13.5准确地布置在角度0°的中心。换向器段14.5和换向器段14.6的电刷接触表面K₅和K₆具有间隔A_K5。准确地间隔A_K5的中心中形成与转子轴线A垂直地相交(距离平分线垂直于图5的绘图平面设置)的距离平分线H_A5(直线)。然后，转子轴线A和距离平分线H_A5跨越平面E_K5，平面E_K5精确地限定两个换向器段14.5和14.6的角位置。该平面E_K5准确地在两个换向器段14.5和14.6之间居中地延伸，在当前情况下准确地处于0°并且因此对应于与线圈段13.5的线圈平面E_S5中相同的角度。因此，来自绕组抽头18.5和绕组抽头18.6的线也只能被径向向内引导到相关联的换向器段14.5和14.6。使用此布置，线圈平面E_S1至E_S7因此与相关联的换向器段E_K1至E_K7相同。

图5还示出了两个换向器电刷8.1和8.2的相应位置。换向器电刷18.2与两个换向器段14.5和14.6完全对称接触，即，与换向器段14.5和换向器段14.6的相关联电刷接触表面K₅和K₆对称。换向器段14.5和换向器段14.6之间的线圈段13.5由于电刷8.2而短路。该线圈段13.5中的电流生成准确地位于电刷8.1和电刷8.2的平面中的力。电刷8.1也因此受到影响，因为它被准确地沿直径相对设置(以180°)。因此，该力抵消了换向器电刷8.1和换向器电刷8.2上的接触压力，并且因此导致电流的调制。由于这种反馈，可发生增强的振动。还应当注意，绕组抽头18.2和换向器段14.1在图示中示出了两次。它们在绕组13的圆柱形卷绕形状中重合，即，这实际上分别为相同的绕组抽头18.1和换向器段14.1。

定子2的激励场指向由0°表示的方向。这意味着永磁体4的主磁化方向(垂直于绘图平面)相应地垂直于转子轴线A。换向器刷8.1和换向器刷8.2因此在由转子轴线A和主磁化方向所跨越的平面中对准。

图5所示的布置是在两极电刷换向直流电动发动机领域中最常见的布置之一。这是本发明旨在提供补救的地方，现在将参照示意图6对其进行解释。在提及相同和具有相同效果的部件的情况下，使用相同的附图标记另外参考前面的描述。本发明可以利用参考图1至图4所描述的原理和结构，除了下述差异以外。

再次将线圈段13.1至13.7准确地布置在相同的角位置中。此外，定子2的激励场指向由0°表示的方向，即，永磁体4的主磁化方向相应地垂直于转子轴线A对准。然而，现在出现换向器14和换向器刷8.1与换向器刷8.2的旋转角度的偏移。在所示实施例中，实现相对于绕组13的旋转的校正角度α为90°(因此处于>45°和<135°的优选范围内)。这意味着换向器电刷8.2在该系统中位于90°处，并且在此时短路的线圈段13.5处于0°。两个相关联的换向器段14.5和14.6分别以居中的方式与90°的旋转角度对准。这同样适用于换向器刷8.1，其现在在该系统中处于270°。由于整个换向器14(包括相关联的换向器电刷8.1和8.2)的旋转，通过从绕组抽头18.1至18.7开始的校正角度α，设置在其间的电气连接也必须弥补该角度。对于这种特定配置，可以有各种选项。设置在其间的导体可以由绕组线构成，可以为换向器本身的一部分，或者可以由单独的元件形成，例如，PCB电路。

通过校正角度的旋转导致从短路线圈段13.5离开的垂直于绘图平面(图6)的力现在不在电刷8.1和电刷8.2的按压方向上起作用，但是与按压方向垂直，并且因此仅被感知为换向期间的切向力。因此，转子3的可能的偏转对电刷接触的影响由于这些力比而极大地减小，因此电流调制也分别被减小或抑制。在图6所示的布置中，线圈平面E_S1至E_S7被布置成分别相对于换向器平面E_K1至E_K7围绕转子轴线A旋转90°。

再次参照图6使用转子3的正视图更详细地解释该旋转。图7所示的实施例仅包括五个线圈段13.1至13.5和五个换向器段14.1至14.5。还示出了在绕组套筒13的面侧上的绕组抽头18.1至18.5。可以看出，绕组线倾斜地引出，并且然后连接到相关联的换向器段14.1至14.5。目前借助示例提及换向器段14.2，其与抽头18.2电气接触。该图还示出，换向器平面E_K2被布置成相对于线圈平面E_S2旋转90°的校正角α。这同样适用于其他换向器平面E_K1、E_K3至E_K5和相应的相关联线圈平面E_S1、E_S2至E_S5。

附图标记列表

1 直流电动马达

2 定子

3 转子

4 永磁体

5 凸缘

6 磁轭

7 前凸缘

8.1、8.2 换向器电刷

9.1、9.2 滚珠轴承

10 密封件

11 轴

12 轴

13 绕组

13.1至13.13 线圈段

14 换向器

14.1至14.13 换向器段

15 换向器板

16.1、16.2 换向器V形环

17 滚花

18.1至18.13 绕组抽头

19 覆盖材料

A 转子轴线

A_K1至A_K7 间隔的换向器段

E_K1至E_K5 换向器平面

E_S1至E_S7 线圈平面

H_A1至H_A7 距离平分线

K₁至K₇ 电刷接触面

M_S1至M_S7 中心线线圈段

S 重心

α 校正角