一种有刷直流电机的制作方法

本实用新型属于电机技术领域，具体涉及一种有刷直流电机。

背景技术：

有刷直流电机是一种典型的直流电机，其具有结构简单、运行平稳、易于控制、成本低廉等优点，可用于运动器材、车辆、家电等领域。有刷直流电机包括定子和转子。定子安装有固定的永磁铁磁极和电刷，磁极产生磁场。转子包括铁芯、绕组和换向器，绕组绕制在铁芯槽内。直流电源经由电刷和换向器向绕组输入直流电流，在磁场的作用下产生转动力矩，驱动转子相对于定子转动。

在现有技术的有刷直流电机中，转子铁芯槽数多为偶数，磁极对数多为一对，这种电机具有诸多问题。图1示出了现有技术的有刷直流电机的端视图，其中，定子磁极对数P＝1，转子铁芯槽数Z＝16，电机极距Z/(2P)＝8，电机节距y＝8。电机极距指相邻的两个磁极之间的距离，可用每个磁极下所占的铁芯的槽数来表示；电机节距指一个线圈的两个有效边所跨占的槽数，为使电机性能最佳，电机节距应接近电机极距。如图2所示，现有技术的有刷直流电机中，单个线圈跨过8个铁芯槽布置，使得位于转子一端的无效部分较长，绕线利用率低，绕线用量大，制造成本高。

另外，这种电机的齿槽转矩较大。齿槽转矩是永磁体与转子齿间相互作用力的切向分量的波动引起的。在电机内外径、转子尺寸及磁钢性能等参数相同情况下，电机的齿槽转矩幅值随着每个机械周期内齿槽转矩的周期数N增大而减小。图3示出了现有技术的有刷直流电机的齿槽转矩曲线，在一个机械周期内，该电机的齿槽转矩的周期数N为16，齿槽转矩的幅值高达～230mN·m。这一齿槽转矩导致电机在运行中出现显著的转矩和转速波动，使电机产生不利的振动和噪声。

针对现有技术的不足，本实用新型期望提供一种能够减少绕线用量、降低振动和噪声的新型有刷直流电机。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决现有技术所造成的至少一个问题。为此，本实用新型提供了一种有刷直流电机，包括：定子，包括壳体和多对定子磁极，所述多对定子磁极沿壳体的圆柱形腔体的内壁均匀分布；转子，包括铁芯和绕组，铁芯设置在所述圆柱形腔体内，其具有多个铁芯齿，所述多个铁芯齿沿圆周方向均匀分布，相邻的铁芯齿限定铁芯槽，绕组布置在所述铁芯槽中。绕组电连接至换向器，换向器可滑动地接触电刷，电刷电连接直流电源，绕组中的电流和定子磁极的磁场相互作用，驱动转子转动。当任一铁芯齿的中心线位于一对相邻定子磁极中间的非稳定平衡位置时，其它铁芯齿的中心线均不处于其余相邻定子磁极中间的非稳定平衡位置。

根据本实用新型的有刷直流电机，相对于现有技术中一对定子磁极的情况，具有多对定子磁极的电机的绕组节距显著减小，导线的无效部分减少，提高的材料的利用率。而且，在该电机中，不存在多个铁芯齿的中心线同时位于多个相邻定子磁极中间的非稳定平衡位置处，由于在铁芯齿波动偏离非稳定平衡位置回产生齿槽转矩，本实用新型的电机中不存在来自多个铁芯齿的齿槽转矩的叠加增强，导致齿槽减小，电机振动和噪音问题得以改善。

可选地，所述铁芯槽的槽数Z为奇数，并且，所述槽数Z不是所述多对定子磁极的对数P的整数倍。由此，两个非稳定平衡位置之间的夹角为n×360/2P(n为正整数)，相邻两个铁芯齿的中心线之间的夹角为360/Z，二者的商不是整数，由此，在任一位置，所述多个铁芯齿中，仅存在一个铁芯齿的中心线恰好位于非稳定平衡位置处。

可选地，所述多对定子磁极的对数P可以为2或3；所述铁芯槽的槽数Z为11、13、17、19、23中的任一个。由此，电机极距Z/2P小于铁芯槽数Z的一半，由于绕组的节距y近似电机极距Z/2P，绕制在铁芯上的导线的无效部分的长度显著减小，从而节约材料，降低成本。在电机的一个机械周期内，齿槽转矩的周期数为N＝Z×2P，相比于现有技术的电机的齿槽转矩周期数显著增大，齿槽转矩显著减小。

可选地，绕组包括Z个线圈，线圈的节距y为Z除以2P的值取整，其中，每个线圈的第一边位于第n槽中，第二边位于第n+y槽中，n为1至Z中的一个整数，n+y超过Z则取除以Z的余数。

可选地，换向器包括Z个换向片，换向片的跨距yk，其中，每个线圈的第一边连接至第m换向片，第二边连接至第m+yk换向片，m为1至Z中的一个整数，m+yk超过Z则取除以Z的余数。yk的数值依以下方式确定：当定子磁极的对数P和铁芯槽的槽数Z的组合为11槽2对极，13槽2对极，13槽3对极，17槽2对极，19槽2对极，19槽3对极，23槽2对极中的一个时，换向片跨距yk＝(Z-1)/P；当定子磁极的对数P和铁芯槽的槽数Z的组合为11槽3对极，17槽3对极，23槽3对极中的一个时，换向片跨距yk＝(Z+1)/P。

可选地，在所述Z个线圈中，第i个线圈的起始槽为第1+(i-1)yk槽，结束槽为1+(i-1)yk+y槽，i为1至Z中的一个整数，1+(i-1)yk、1+(i-1)yk+y超过Z则取除以Z的余数。由此，线圈绕制成双层绕组，即，每个槽中具有内外两侧线圈边。

可选地，在所述Z个线圈中，第i个线圈的位于起始槽中的第一边连接至第1+(i-1)×yk换向片，第i个线圈的位于结束槽中的第二边连接至第1+i×yk换向片，i为1至Z中的一个整数，1+(i-1)×yk、1+i×yk超过Z则取除以Z的余数。由此，所述多个线圈收尾相接形成连续的电流通路，使得任一时刻存在多个线圈同时导通电流，增大转子的转矩。

可选地，有刷直流电机包括多个电刷，电刷的数量和定子磁极的数量相等，多个电刷在圆周方向上均匀分布，每相邻的两个电刷电连接至直流电源的不同电极，使得各铁芯槽中的绕组部分中的电流方向和邻近的磁场方向匹配，产生相同方向的转动力矩。

附图说明

以下附图用于结合本文的说明更好地呈现本实用新型的一些实施例，用于解释权利要求书中限定的各种特征及其优势。在各附图中，相同的附图标记表示相同或相应的部分。

图1示出现有技术的有刷直流电机的端视图；

图2示出现有技术的有刷直流电机铁芯上的绕线示意图；

图3示出现有技术的有刷直流电机的齿槽转矩曲线；

图4示出根据本实用新型的有刷直流电机的端视图；

图5示出根据本实用新型的有刷直流电机的定子的透视图；

图6示出根据本实用新型的有刷直流电机的转子的透视图；

图7示出根据本实用新型的有刷直流电机的绕线示意图；

图8示出图7的有刷直流电机的绕线的另一示意图；

图9示出图7的有刷直流电机的绕线展开图；

图10示出图7的有刷直流电机的整体示意图；

图11示出根据本实用新型的有刷直流电机的端部示意图；

图12示出根据本实用新型的有刷直流电机的齿槽转矩曲线；

图13示出根据另一实施例的有刷直流电机的端视图和绕线示意图；

图14示出根据又一实施例的有刷直流电机的端视图和绕线示意图。

具体实施方式

本文提供一种新型有刷直流电机，以解决现有技术中的诸多问题，如，转子铁芯槽数与定子磁极极数比值大，导致绕线利用率低；转子铁芯槽数和定子磁极极数均为偶数所产生的齿槽转矩大，引起振动和噪声问题。

图4示出根据本实用新型的有刷直流电机的端视图。有刷直流电机包括定子1及转子2，转子2设置在定子1的圆柱形腔体中。图5示出了定子1的透视图。定子1包括圆筒形的壳体11，多个瓦片状的永磁体磁极12均匀地分布在壳体11的内壁上。磁极12的极性交错设置。相邻两个磁极12之间具有空隙。如图7所示，转子2包括转子铁芯21及绕制在转子铁芯21上的绕组22。如图6所示，转子铁芯21具有径向向外伸出、并且在周向上均匀分布的多个铁芯齿，相邻的铁芯齿之间形成槽，绕组22绕制在槽内。

电机还包括安装至定子1的电刷13和安装至转子2的换向器23，换向器23包括多个彼此绝缘、紧邻排布成环形的换向片。电刷13电连接至直流电源，并且可滑动地接触换向器23中的换向片，换向片依下文所述方式连接至绕组22。当电流通过电刷13和换向器23按绕组22导通的顺序流过转子2时，绕组22产生一旋转矢量磁场，该矢量磁场与定子磁场存在一定角度，二者相互作用带动转子2旋转，使得转子2的矢量磁场的方向与定子磁极12的磁场方向趋于一致，由此，有刷直流电机的转子2以一定转速进行转动。

在本实用新型的有刷直流电机中，定子1的永磁体磁极12的磁极对数P可以是2对极、3对极。转子2的铁芯槽的槽数可以为11、13、17、19、23槽。下文以转子槽数为17槽、定子磁极为2对极为例进行描述。应理解，这些描述适用于其它转子槽数和定子磁极对数的组合。

绕线节距近似电机极距，电机极距以槽数表示为Z/2P。例如，在转子槽数Z＝17、定子磁极对数P＝2的情况下，电机极距为Z/(2P)＝17/2×2＝4.25，绕组22包括17个线圈，取短距绕组节距y＝4，则每个线圈所跨的槽数为4。即，每个线圈的两个有效边所嵌入的槽之间相隔3个槽。

下面结合图7至图9具体描述线圈22的绕制方式。

如图7所示，铁芯21包括顺次相邻的第1至第17槽，这些槽在铁芯21的圆周方向上均匀分布。相应地，绕组22包括17个线圈C1-C17，为方便描述，图7以粗线示出第1至第4线圈C1-C4的位于转子前端的侧边，其它线圈的侧边以虚线示出。侧边连接每个线圈的两个有效边，侧边本身对于产生驱动力矩没有贡献是无效的，缩短侧边的长度有助于节约线圈长度，降低电机成本。如图7所示，第1线圈C1的第一边(以“+”示出其截面)位于铁芯21的第1槽中，其侧边在铁芯21的前端跨4个槽，其第二边(以“－”示出其截面)位于第5槽中，并在铁芯21的后端(前端的相反端)连接至第9换向片；第2线圈C2在后端连接至第9换向片，其第一边位于第9槽中，其侧边在铁芯21的前端跨4个槽，其第二边位于第13槽中，并在铁芯21的后端连接至第17换向片；第3线圈C3在后端连接至第17换向片，其第一边位于第17槽中，其侧边在铁芯21的前端跨4个槽，其第二边位于第4槽中，并在铁芯21的后端连接至第8换向片；第4线圈C4在后端连接至第8换向片，其第一边位于第8槽中，其侧边在铁芯21的前端跨4个槽，其第二边位于第12槽中，并在铁芯21的后端连接至第16换向片。其余线圈按此规律跨4槽依次绕制。

图8是本实施例的有刷直流电机(17槽2对极)的线圈绕制顺序示意图，其中，箭头表示各线圈的绕制方向，虚线连接的两端连接至同一换向片。绕组22包括17个线圈，每个线圈的节距y＝4，每个线圈与换向片连接的跨距为yk＝8。具体来说，第1线圈从第1槽起绕，并以绕线节距y＝4绕制，结束槽为第y+1＝5槽，即第1线圈占据的转子槽分别为第1、1+y槽；第2线圈以第1槽为绕线基准起，绕线的起始槽为第1+yk＝9槽，则结束槽为第1+yk+y＝13槽，即第2线圈占据的转子槽分别为第1+yk、1+yk+y槽。以此类推，每个线圈起始槽均在前一线圈起始槽基础上增加yk；在绕线起始槽基础上增加y，即为绕线结束槽。

由此，在Z个线圈中，第i个线圈Ci的第一边所在的槽数为1+(i-1)×yk除以Z的余数，第二边所在的槽数为1+(i-1)×yk+y除以Z的余数，i为1至17中的任一个。

在本实施例中，yk＝8，y＝4，具体如下：

第1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17线圈的第一边放置在第1、9、17、8、16、7、15、6、14、5、13、4、12、3、11、2、10槽中，第二边放置在第5、13、4、12、3、11、2、10、1、9、17、8、16、7、15、6、15槽中。

图9为是本实施例的有刷直流电机(17槽2对极)和换向器(17换向片)的展开示意图。竖直实线表示位于铁芯槽内相应线圈的第一边，竖直虚线表示位于铁芯槽内相应线圈的第二边。同一线圈的两个边在转子的前端(图中的上侧)相接，跨过节距y＝4个槽。两个线圈在转子的后端(图中的下侧)连接至相应的换向片。

换向器23由17个换向片在圆周方向连续并排布置而成。线圈对换向片起始绕制位置为第1换向片，其他换向片顺次相邻为第2换向片、第3换向片、第4换向片……第17换向片邻近第1换向片。第1线圈C1挂接第1换向片后，第1线圈C1和第2线圈C2之间连接线挂接的换向片为第1+yk＝9换向片；第2线圈C2和第3线圈C3之间连接线挂接的换向片为第1+yk+yk＝17换向片……相邻两个线圈之间的连接线挂接的换向片为前一挂接换向片对应数值加上跨距yk＝8。

由此，在Z个线圈中，第i个线圈Ci的第一边所连接的换向片数为1+(i-1)×yk除以Z的余数，第二边所连接的换向片数为1+i×yk除以Z的余数，i为1至17中的任一个。

在本实施例中，yk＝8，y＝4，具体如下：

第1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17线圈的第一边连接至第1、9、17、8、16、7、15、6、14、5、13、4、12、3、11、2、10换向片，第二边连接至第9、17、8、16、7、15、6、14、5、13、4、12、3、11、2、10、1换向片。

另外，本实用新型的有刷直流电机采用双层绕组。如图7所示，第1至8线圈的两边均位于相应槽的内层；第10至17线圈的两边均位于相应槽的外层；第9线圈的第一边位于第14槽的内层，第二边位于第1槽的外层。由此，线圈22可十分紧凑地绕制在铁芯21上。

如上文所述实施例中，绕组22中的每个线圈的侧边在前端仅跨过4个槽，相比于图2所示的现有技术的电机中线圈跨过8个槽的情况，本实用新型的线圈的侧边无效部分长度较少了一半，显著提高了绕线的利用率，降低了绕线用量，降低了制造成本。

图10示出有刷直流电机的整体示意图。第1至第17换向片彼此绝缘且首尾相接地形成环形换向器23。电刷13的数量和定子磁极12的数量一致，均为四个，该四个电刷13在圆周方向上均匀分布，并且，相邻的两个电刷13电连接至直流电源的不同电极。相对布置的第一和第三电刷共电势、且连接至直流电源的正极；相对布置的第二和第四电刷共电势、且连接至直流电源的负极。由此，任一运行时刻，各铁芯槽中的线圈边中的电流方向和邻近的磁场方向匹配，产生相同方向的转动力矩，促使转子22连续且平稳转动。

图11为转子铁芯槽数为17槽、定子磁极为2对极的有刷直流电机的齿槽转矩示意图。图示了不同的角度位置，角度θ为0、90、180、270度的位置位于相邻两个定子磁极12的中间位置，转子齿在此处于不稳定平衡点。在该平衡点处的转子齿所受永磁体磁极的作用力的切向分力为0；如果存在波动，则该转子齿所受永磁体磁极的作用力的切向分力急剧变大。永磁体磁极与转子齿槽间的这种相互作用力的切向分量波动引起转子在运行期间受到的齿槽转矩。齿槽转矩越大，电机的振动和噪音越剧烈。

在图11所示的实施例中，由于槽数为17，极对数为2，存在17个转子齿，4个定子磁极，在此情况下，当存在一个齿的中心线处于角度θ＝0的平衡点时，在角度θ＝90、180、270度的其余三个平衡点处均不存在齿的中心线。由此，仅一个齿与磁极的相互作用力对齿槽转矩有贡献，使得转子受到的齿槽转矩较小。这与现有技术的电机的情形是不同的，如图1所示，槽数为16，极对数为1，存在16个转子齿，2个定子磁极，当一个齿处于角度θ＝0度的不稳定平衡点时，总是存在另一齿位于θ＝180度的不稳定平衡点，由此，存在多个齿与磁极的相互作用力对齿槽转矩有贡献，导致转子受到的齿槽转矩明显更大。

在电机内外径、转子尺寸及磁钢性能等参数相同情况下，电机的齿槽转矩幅值将随着每个机械周期内齿槽转矩的周期数N增大而减小。图12为本实施例的有刷直流电机(Z＝17，P＝2)在一个电周期内的齿槽转矩-转子角度曲线。有刷直流电机的齿槽转矩大致呈周期性变化规律，一个电周期内齿槽转矩的周期数为34，定子磁极对数P＝2，即一个机械周期内的齿槽转矩的周期数N＝68(显著大于Z＝16，P＝1的现有电机的齿槽转矩的周期数N＝16，如图3所示)，其幅值为～58mN·m(显著小于现有技术电机的齿槽转矩的幅值～230mN·m，如图3所示)。本实施例的电机的齿槽转矩较现有技术的电机大大降低，电机整体噪声和振动问题可得到有效改善。

在本实用新型的其它实施例中，有刷直流电机的定子部分永磁体的磁极对数为P大于1对极，可以为2对极、3对极。大于1对极的磁极对数可减小电机极距和节距，使得绕组线圈的无效段长度减小，大大节省线圈材料。另一方面，有刷直流电机的转子的铁芯槽数Z选自11、13、17、19、23中的一个。对于各种磁极对数P和铁芯槽数Z的组合，在电机的一个机械周期内的齿槽转矩的周期数符合N＝Z×2P，显著大于现有技术中的周期数，电机的齿槽转矩减小，振动和噪音得以改善。

实际中，可以依据电机的尺寸要求来选择磁极对数和转子铁芯槽数的组合。例如，当电机转子外径为40～50mm，转子槽数优选为11或13槽，定子磁极对数可以为2对极或3对极；当电机转子外径为50～60mm，转子槽数优选为13或17槽，定子磁极对数可以为2对极或3对极；当电机转子外径为60～70mm，转子槽数优选为17、19或23槽，定子磁极对数可以为2对极或3对极。

对于各种组合，绕组的Z个线圈符合以下规律：

第i个线圈的起始槽为第1+(i-1)yk槽，结束槽为1+(i-1)yk+y槽；

第i个线圈的位于起始槽中的第一边连接至第1+(i-1)×yk换向片，第i个线圈的位于结束槽中的第二边连接至第1+i×yk换向片；

其中，i为1至Z中的一个整数，1+(i-1)yk、1+(i-1)yk+y、1+i×yk超过Z则取除以Z的余数；

其中，线圈节距y＝Z/2P取整，换向片跨距yk依据以下方式确定：当定子磁极的对数P和铁芯槽的槽数Z的组合为11槽2对极，13槽2对极，13槽3对极，17槽2对极，19槽2对极，19槽3对极，23槽2对极中的一个时，换向片跨距yk＝(Z-1)/P；当定子磁极的对数P和铁芯槽的槽数Z的组合为11槽3对极，17槽3对极，23槽3对极中的一个时，换向片跨距yk＝(Z+1)/P。

图13示出本实用新型的有刷直流电机的另一实施例，其中，转子铁芯槽数Z＝19，定子磁极对数P＝2，极距为Z/2P＝4.75，线圈节距为y＝5，换向片跨距为yk＝(Z-1)/P＝9，齿槽转矩周期数N＝Z×2P＝76。

图14示出本实用新型的有刷直流电机的又一实施例，其中，转子铁芯槽数Z＝17，定子磁极对数P＝3，极距为Z/2P＝2.83，线圈节距为y＝3，换向片跨距为yk＝(Z+1)/P＝6，齿槽转矩周期数N＝Z×2P＝102。

根据本实用新型的有刷直流电机可以大幅节约绕线的用量，降低成本；并且可以显著改善电机的噪声和振动性能，可有利地应用于运动器材、家电、车辆等场合。例如，采用本实用新型的有刷直流电机的跑步机具有低成本、低噪音、低振动的优势。

上文已经详细描述了用于实现本实用新型的一些实施例，但应理解，这些实施例的作用仅在于举例，而不在于以任何方式限制本实用新型的范围、适用或构造。本实用新型的保护范围由所附权利要求及其等同方式限定。本领域技术人员可以在本实用新型的教导下对前述各实施例作出诸多改变，这些改变均落入本实用新型的保护范围。