电动助力转向系统及其有刷电机的制作方法

本发明涉及电动领域，更具体地，涉及一种有刷电机以及应用该有刷电机的电动助力转向系统。
背景技术：
：电动助力转向系统例如汽车方向盘电动助力转向系统使用电机作为动力源，该种电机通常为有刷电机，电机转子包括转轴、固定到转轴的换向器、固定到转轴的转子磁芯、绕组到转子磁芯的齿上并与换向器的换向片电连接的转子绕组。传统的转子绕组采用单叠绕组，当某个元件出现断路时，电机性能显著下降，导致助力急剧下降，从而严重影响了电动助力转向系统的可靠性和安全性。因此，亟需一种改进方案。技术实现要素：本发明的第一方面提供一种有刷电机，包括定子和可转动地安装到定子的转子；所述转子包括转轴、固定到转轴的换向器和转子磁芯，以及绕制到转子磁芯的转子绕组；所述换向器具有若干换向片，所述转子磁芯具有若干齿，所述转子绕组包括若干元件；相邻齿之间形成线槽用于收容所述元件；所述若干元件包括若干第一元件和若干第二元件，所述若干第一元件经由换向片相互串联形成第一闭环，所述若干第二元件经由换向片相互串联形成第二闭环，所述第一元件和第二元件分别收容于不同的线槽内。进一步地，对于任意相邻的两线槽，其中一线槽用于收容第一元件，另一线槽用于收容第二元件。进一步地，对于任意相邻的两换向片，其中一换向片与第一元件电连接，另一换向片与第二元件电连接。进一步地，所述若干第一元件由一根绕线连续绕制而成，所述若干第二元件由一根绕线连续绕制而成。进一步地，所述换向器的换向片数量为偶数，所述转子磁芯的齿的数量为偶数。进一步地，所述换向片的数量等于所述齿的数量。进一步地，所述元件的跨距为偶数。进一步地，由同一根绕线连续绕制的元件中，相邻的两个元件沿转子的周向错开两个线槽，并沿换向器的周向错开两个换向片。进一步地，每个元件的跨距与用转子齿数量计算的极距的差值不大于1，每个元件的两个出线端分别直接连接到两个换向片。进一步地，每个元件的两个出线端分别直接连接到两个换向片，每个元件的换向器节距与用换向片数量计算的极距的偶数倍的差值不大于2。进一步地，每个元件的换向器节距与用换向片数量计算的极距的两倍的差值等于1。进一步地，所述换向片沿换向器的周向均匀设置，相邻的两换向片之间具有一间隔，所述定子具有若干电刷与所述换向器的换向片接触，每一电刷沿所述换向器周向的尺寸被设置为在任意时刻所述电刷至少同时与相邻的两个换向片接触。进一步地，所述定子具有4个定子极，所述换向片的数量为22，所述线槽的数量为22。进一步地，所述定子具有4个定子极，所述换向片的数量为18，所述线槽的数量为18。进一步地，所述定子具有4个定子极，所述换向片的数量为14，所述线槽的数量为14。进一步地，所述定子具有6个定子极，所述换向片的数量为20，所述线槽的数量为20。本发明的另一个方面，提供一种电动助力转向系统，包括转矩传感器和电控单元，还包括上述技术方案中所述的有刷电机，所述有刷电机接受所述电控单元的控制作为助力电机。实施本发明，电机两个相邻线槽的元件位于不同的闭环上，提高了电机的可靠性，从而能提高产品的可靠性。附图说明下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：图1为本发明第一实施例的有刷电机的示意图；图2是图1所述有刷电机的爆炸示意图；图3是图1所示电机的转子绕组的展开示意图；图4是图3所示转子绕组的第一元件的绕线示意图；图5是图3所示转子绕组的所有第二元件的绕线示意图；图6是本发明第二实施例的有刷电机的转子绕组的展开示意图；图7是图6示转子绕组的所有第一元件的绕线示意图；图8是图6所示转子绕组的所有第二元件的绕线示意图；图9是本发明第三实施例的有刷电机的转子绕组的展开示意图；图10是图9示转子绕组的所有第一元件的绕线示意图；图11是图9所示转子绕组的所有第二元件的绕线示意图；图12是本发明第四实施例的有刷电机的转子绕组的展开示意图；图13是图12示转子绕组的所有第一元件的绕线示意图；图14是图12所示转子绕组的所有第二元件的绕线示意图；图15是本发明提供的电动助力转向系统的示意图。具体实施方式参考图1和图2，本发明一个实施例提供的电机100是一种直流有刷电机，包括定子和转子。定子包括一端开口的外壳51、安装到外壳51内壁的抵压环53、夹持在外壁51与抵压环53之间的永磁体(图中未显示)、安装到外壳51开口端的端盖61。本实施例中，外壳51开口端的翻边设有通孔55供螺钉67穿过，螺钉67旋入端盖61从而将端盖61与外壳51固定在一起。本实施例中，永磁体安装到磁体安装架54，磁体安装架54包括两个平行的环体、以及连接于该两个环体之间的若干平行的连接杆，每块永磁体位于两根连接杆之间。永磁体与磁体安装架54一起被夹持在外壁51与抵压环53之间。抵压环53由弹性片弯卷成环状，用于防止永磁体脱离外壁51。转子包括转轴81、同轴地固定到转轴81的换向器85和转子磁芯87，以及绕制到转子磁芯87的转子绕组89。转子安装到外壳51内，转轴81被安装于外壳51底部52的轴承(图中未显示)、端盖61内的轴承(图中未显示)支撑，从而使转子能够相对于定子转动。端盖61的中心设通孔63供转轴81伸出，转轴81的伸出端具有或安装有齿轴82用于对外驱动。请同时参阅图3，换向器85具有绝缘基座以及固定到绝缘基座的若干换向片s1-s22。转子磁芯87具有若干沿电机径向向外伸出的齿，相邻齿之间形成线槽。转子绕组89包括若干元件，每个元件由绕线缠绕相应的齿若干匝形成。元件的有效边落入相应的线槽内，元件的线端与换向片导电连接。端盖61安装有电刷71与换向片导电接触，从而实现了通过电刷71对转子绕组89供电。图3为转子绕组89的展开示意图。本实施例中，定子具有4个定子极，端盖61安装有4根电刷，换向器85具有22个换向片s1-s22，本发明中，将s1、s3、s5等带有奇数标号的换向片称为奇数号换向片，将将s2、s4、s6等带有偶数标号的换向片称为偶数号换向片；转子磁芯87具有22个齿t1～t22，该22个齿共形成22个线槽。，本发明中，将t1、t3、t5等带有奇数号的齿称为奇数号齿，将将t2、t4、t6等带有偶数号的齿称为偶数号齿；将奇数号齿左侧的线槽称为奇数号线槽，将偶数号齿左侧的线槽称为偶数号线槽。图3的第一行显示了电机的4根电刷71，第二行显示了22个换向片s1至s22，第三行显示了22个齿t1至t22。图3中，为了清晰地显示转子绕组，图3重复绘制了8片换向片，即第一行右侧的换向片s21、s22、s1至s6。根据电机极距的定义，如果使用转子齿数量或线槽数量计算则本电机的极距为22/4，即，5.5个齿或线槽；如果使用换向片数量计算则极距为22/4，即，5.5个换向片。图3所示的绕组由两根绕线绕制而成。为了便于显示，本发明使用分别使用图4和图5显示该两根绕线的绕组展开图。参考图4，第一根绕线先挂接到某个奇数号换向片s1，该绕线从换向片s1出来，进入齿t22与t1之间的线槽，并跨绕齿t1至t6若干匝从而形成一个元件，然后挂接到换向片s13。接着，绕线从换向片s13出来，进入t12与t13之间的线槽，并跨绕齿t13至t18若干匝从而形成另一个元件，然后挂接到换向片s3。该线绕过程可用表格表示如下：换向片(挂接)跨绕齿集换向片(挂接)跨绕齿集换向片(挂接)s1t1～t6s13t13～t18s3表1：两个元件的跨绕关系、挂接关系图接着，该绕线从换向片s3出来，进入齿t2与t3之间的线槽，并跨绕齿t3至t8若干匝从而形成一个元件，然后挂接到换向片s15。接着，绕线从换向片s15出来，进入t14与t15之间的线槽，并跨绕齿t15至t20若干匝从而形成另一个元件，然后挂接到换向片s5。该线绕过程可用表格表示如下：换向片(挂接)跨绕齿集换向片(挂接)跨绕齿集换向片(挂接)s3t3～t8s15t15～t20s5表2：接下来的两个元件的跨绕关系、挂接关系图类似地，绕线从换向片s5出来后，跨绕齿集t5～t10若干匝形成一个元件，然后挂接到换向片s17；绕线从换向片s17出来后，跨绕齿集t17～t22若干匝形成一个元件，然后挂接到换向片s7；绕线从换向片s7出来后，跨绕齿集t7～t12若干匝形成一个元件，然后挂接到换向片s19；绕线从换向片s19出来后，跨绕齿集t19～t2若干匝形成一个元件，然后挂接到换向片s9；绕线从换向片s9出来后，跨绕齿集t9～t14若干匝形成一个元件，然后挂接到换向片s21；绕线从换向片s21出来后，跨绕齿集t21～t4若干匝形成一个元件，然后挂接到换向片s11；绕线从换向片s11出来后，跨绕齿集t11～t16若干匝形成一个元件，然后挂接到换向片s1，实现了闭环。该根绕线的跨绕关系、关节关系汇总如下：表3：第一根绕线的跨绕关系、挂接关系图第一根绕线共绕制了11个元件，元件的数量为换向片数量或齿数的一半。每个元件的绕制方向都相同，例如都是顺时针或逆时针方向。每个元件跨绕6个齿(或6个线槽)，因此，用齿数或线槽数量计算的话，每个元件的跨距为6，比极距大0.5。元件的跨距与极距的差值不大于1，从而使穿过元件的磁通量尽可能地多。用换向片数量计算的话，电机的极距为5.5，即，5.5个换向片。而每个元件的换向器节距(即，每个元件的两个出线端所连接的两个换向片在换向器圆周方向的距离)为12或10(沿换向器的两个圆周方向计算)，例如，挂接到换向片s1和s13的元件的换向器节距为12或10(沿换向器的两个圆周方向计算)，分别比两倍极距多1或少1。从图4可以看到，奇数号的换向片例如s1、s3、s5等都与该根绕线直接连接，偶数号的换向片例如s2、s4、s6等都不与该根绕线直接连接。该根绕线绕制的元件都落入奇数号线槽内，例如落入齿t1、t3、t5左侧的线槽内，因此，用线槽数量计算的元件的跨距都是偶数。奇数号线槽的所有元件分别通过对应奇数号换向片串联一起形成闭环。从图4可以看到，第一根绕线绕制的元件中，相邻两个元件之间错开两个线槽，也错开两个换向片，例如，换向片s1、s13所连接的元件跨绕齿集t1～t6，而换向片s3、s15所连接的元件跨绕齿集t3～t8。参考图5，第二根绕线先挂接到某个偶数号换向片，例如换向片s12，该绕线从换向片s12出来，进入齿t11与t12之间的线槽，并跨绕齿t12至t17若干匝从而形成一个元件，然后挂接到换向片s2。接着，绕线从换向片s2出来，进入t1与t2之间的线槽，并跨绕齿t2至t7若干匝从而形成另一个元件，然后挂接到换向片s14。后续的绕制过程类似，不再详述。该根绕线最终返回挂接到换向片s12实现闭环。该根绕线的跨绕关系、挂接关系汇总如下：换向片(挂接)跨绕齿集换向片(挂接)跨绕齿集换向片(挂接)s12t12～t17s2t2～t7s14s14t14～t19s4t4～t9s16s16t16～t21s6t6～t11s18s18t18～t1s8t8～t13s20s20t20～t3s10t10～t15s22s22t22～t5s12表4：第二根绕线的跨绕关系、挂接关系图第二根绕线共绕制了11个元件，元件的数量为换向片数量或齿数的一半。每个元件的绕制方向都相同，例如都是顺时针或逆时针方向。每个元件跨绕6个齿(或6个线槽)，因此，用齿数或线槽数量计算的话，每个元件的跨距为6，比极距大0.5。元件的跨距与极距的差值不大于1，从而使穿过元件的磁通量尽可能地多。用换向片数量计算的话，电机的极距为5.5，即，5.5个换向片。而每个元件的换向器节距为12或10(沿换向器的两个圆周方向计算)，分别比两倍极距多1或少1。从图5可以看到，偶数号的换向片例如s2、s4、s6等都与该根绕线直接连接，奇数号的换向片例如s1、s3、s5等都不与该根绕线直接连接。该根绕线绕制的元件都落入偶数号线槽内，例如落入齿t2、t4、t6左侧的线槽内，因此，用线槽数量计算的元件的跨距都是偶数。偶数号线槽的所有元件分别通过对应偶数号换向片串联一起形成闭环。从图5可以看到，第二根绕线绕制的元件中，相邻两个元件之间错开两个线槽，也错开两个换向片。例如，换向片s2、s14所连接的元件跨绕齿集t2～t7，而换向片s7、s16所连接的元件跨绕齿集t4～t9。图4和图5所示的绕组叠加之后，就得到如图3所述的转子绕组89。转子绕组89由两根绕线分别绕制而成，可用单飞叉绕线机顺次绕制其中一根绕线，然后再绕制另一根绕线；也可用双飞叉绕线机同时绕制该两根绕线，优选地，该两个绕线的初始挂接位置分别位于换向器85的两个相对位置。综上，转子绕组89共具有22个元件，元件的数量与换向片数量或齿数相同。落入奇数号线槽的所有元件直接地或仅通过换向片实体地串联在一起形成一个闭环，优选地，落入奇数号线槽的所有元件由第一根绕线连续地绕制而成。落入偶数号线槽的所有元件直接地或仅通过换向片实体地串联在一起形成另一个闭环，优选地，落入偶数号线槽的所有元件由第二根绕线连续地绕制而成。如此，即使某个线槽内的线路断开了，受影响的元件数量占总体数量比例较少，电机的性能影响较小，因此，该种电机适用于对可靠性要求较高的场合，例如用于汽车的电动助力转向系统作为助力电机。换言之，本实施例的电机绕组包括两组相互独立的第一绕组和第二绕组。第一绕组由若干第一元件(即位于奇数号槽内的元件)经由换向片相互串联形成第一闭环；第二绕组由若干第二元件(即位于偶数号槽内的元件)经由换向片相互串联形成第二闭环。如果没有电刷的配合，所述第一闭环和第二闭环并不形成电性连接；在电刷的配合下，所述第一闭环和第二闭环并联。如图3至图5所示，相邻的两换向片之间具有一间隔，优选地，每根电刷71沿换向器85周向的尺寸大于一个换向片的沿换向器85周向尺寸与一个所述间隔的宽度之和，使电刷71在在任意时刻时能够同时与两个换向片接触，从而使得所述第一绕组和第二绕组能够同时工作，确保电机的效率。图6至图8为本发明第二实施例的电机的转子绕组的展开示意图，其中，图6为转子绕组的总体展开示意图，图7和图8分别为落入奇数号线槽、落入偶数号线槽的绕组的展开示意图。该电机具有4个定子极，换向器具有18个换向片s1～s18，转子磁芯具有18个齿t1～t18，从而形成18个线槽。因此，电机极距为4.5个线槽，或者4.5个齿，或者4.5个换向片。为便于说明，同样将线槽右侧的齿编号作为线槽的编号。转子绕组同样由两根绕线绕制而成。其中一根绕线的跨绕关系、挂接关系如下：换向片(挂接)跨绕齿集换向片(挂接)跨绕齿集换向片(挂接)s1t1～t4s11t11～t14s3s3t3～t6s13t13～t16s5s5t5～t8s15t15～t18s7s7t7～t10s17t17～t2s9s9t9～t12s1表5：第一根绕线的跨绕关系、挂接关系图另一根绕线的跨绕关系、挂接关系如下：表6：第二根绕线的跨绕关系、挂接关系图综上，本实施例中，转子绕组共有18个元件，元件的数量与换向片数量或齿数相同。落入奇数号线槽的所有元件直接地或仅通过换向片实体地串联在一起形成一个闭环，优选地，落入奇数号线槽的所有元件由第一根绕线连续地绕制而成。落入偶数号线槽的所有元件直接地或仅通过换向片实体地串联在一起形成另一个闭环，优选地，落入偶数号线槽的所有元件由第二根绕线连续地绕制而成。该18个元件中，每个元件跨绕4个齿(或4个线槽)，因此，用齿数或线槽数量计算的话，每个元件的跨距为4，比极距小0.5，两者的差值不大于1。每个元件的换向器节距为10或8(沿换向器两个圆周方向计算)，例如，挂接到换向片s1和s11的元件的换向器节距为10或8，分别比两倍极距多1或少1。图9至图11为本发明第三实施例的电机的转子绕组的展开示意图，其中，图9为转子绕组的总体展开示意图，图10和图11分别为落入奇数号线槽、落入偶数号线槽的绕组的展开示意图。该电机具有4个定子极，换向器具有14个换向片s1～s14，转子磁芯具有14个齿t1～t14，从而形成14个线槽。因此，电机极距为3.5个线槽，或者3.5个齿，或者3.5个换向片。为便于说明，同样将线槽右侧的齿编号作为线槽的编号。转子绕组同样由两根绕线绕制而成。其中一根绕线的跨绕关系、挂接关系如下：表7：第一根绕线的跨绕关系、挂接关系图另一根绕线的跨绕关系、挂接关系如下：换向片(挂接)跨绕齿集换向片(挂接)跨绕齿集换向片(挂接)s8t8～t11s2t2～t5s10s10t10～t13s4t4～t7s12s12t12～t1s6t6～t9s14s14t14～t3s8表8：第二根绕线的跨绕关系、挂接关系图综上，本实施例中，转子绕组共有14个元件，元件的数量与换向片数量或齿数相同。落入奇数号线槽的所有元件直接地或仅通过换向片实体地串联在一起形成一个闭环，优选地，落入奇数号线槽的所有元件由第一根绕线连续地绕制而成。落入偶数号线槽的所有元件直接地或仅通过换向片实体地串联在一起形成另一个闭环，优选地，落入偶数号线槽的所有元件由第二根绕线连续地绕制而成。该14个元件中，每个元件跨绕4个齿(或4个线槽)，因此，用齿数或线槽数量计算的话，每个元件的跨距为4，比极距大0.5，两者的差值不大于1。每个元件的换向器节距为8或6(沿换向器两个圆周方向计算)，例如，挂接到换向片s1和s9的元件的换向器节距为8或6，分别比两倍极距多1或少1。图12至图14为本发明第四实施例的电机的转子绕组的展开示意图，其中，图12为转子绕组的总体展开示意图，图13和图14分别为落入奇数号线槽、落入偶数号线槽的绕组的展开示意图。该电机具有6个定子极，换向器具有20个换向片s1～s20，转子磁芯具有20个齿t1～t20，从而形成20个线槽。因此，电机极距为20/6，四舍五入后即约为3.3个线槽，或者3.3个齿，或者3.3个换向片。为便于说明，同样将线槽右侧的齿编号作为线槽的编号。转子绕组同样由两根绕线绕制而成。其中一根绕线的跨绕关系、挂接关系如下：换向片(挂接)跨绕齿集换向片(挂接)跨绕齿集换向片(挂接)s1t1～t4s7t7～t10s13s13t13～t16s19t19～t2s5s5t5～t8s11t11～t14s17s17t17～t20s3t3～t6s9s9t9～t12s15t15～t18s1表9：第一根绕线的跨绕关系、挂接关系图另一根绕线的跨绕关系、挂接关系如下：换向片(挂接)跨绕齿集换向片(挂接)跨绕齿集换向片(挂接)s10t10～t13s16t16～t19s2s2t2～t5s8t8～t11s14s14t14～t17s20t14～t3s6s6t6～t9s12t12～t15s18s18t18～t1s4t4～t7s10表10：第二根绕线的跨绕关系、挂接关系图综上，本实施例中，转子绕组共有20个元件，元件的数量与换向片数量或齿数相同。落入奇数号线槽的所有元件直接地或仅通过换向片实体地串联在一起形成一个闭环，优选地，落入奇数号线槽的所有元件由第一根绕线连续地绕制而成。落入偶数号线槽的所有元件直接地或仅通过换向片实体地串联在一起形成另一个闭环，优选地，落入偶数号线槽的所有元件由第二根绕线连续地绕制而成。该20个元件中，每个元件跨绕4个齿(或4个线槽)，因此，用齿数或线槽数量计算的话，每个元件的跨距为4，比极距大0.7，两者的差值不大于1。每个元件的换向器节距为6或14(沿换向器两个圆周方向计算)，例如，挂接到换向片s1和s7的元件的换向器节距为6或14，比两倍极距少0.6或比四倍极距多0.8。参考图15，为本发明提供的电动助力转向系统200的示意图。电动助力转向系统200包括转矩传感器150、电控单元170和有刷电机100。电控单元170与转矩传感器150连接，有刷电机100接受电控单元170的控制作为助力电机。由于应用了本发明的有刷电机100，能大大提高该电动助力转向系统200的可靠性。以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。当前第1页12