一种多对组磁极并联电机的制作方法

1.本发明属于电机技术领域，尤其是涉及一种多对组磁极并联电机。


背景技术：

2.电机包括有刷电机和无刷电机，其中有刷电机由于其性能稳定，造价低等优点而被广泛用于一些要求不高的场合。
3.有刷电机的线圈数量有多有少，一般情况下，线圈数量越多，电机越稳定，所以一般的电机都会采用多个线圈方式。现有技术中，为了节省绕组成本、方便接线等目的，会将每个线圈的线圈角度减小，即，将每个线圈在铁芯上铁芯槽/柱的跨越数量减少，当线圈角度减小到一定数量时，需要增加磁极对数以满足对线圈的作用效果，如中国专利公开了一种直流有刷电机及冷却风扇[申请号：cn202011160645.3]，包括定子、转子和电刷组件，定子包括壳体和设置在壳体内部的2n对磁极；转子包括转轴、固定在转轴上的钩型换向器和导磁体、缠绕在导磁体内并与钩型换向器的挂钩电连接的绕线组；钩型换向器上每间隔180
°
的两个挂钩通过导体电连接；电刷组件相对于壳体固定，电刷组件包括绝缘板和固定在绝缘板上的n对电刷。
[0004]
上述方案解决了一些问题，例如在为了减少绕线组铜线用量而增加磁极对数为2n对的情况下，能够保持电刷对数依旧仅需要n对，用更简单的电机结构实现更好的效果。但是上述方案仍然存在一些缺陷，例如上述方案中，仍然沿用了电刷和换向器思路，每个线圈的通电时间仍然需要换向器来分配，每个线圈的工作时间有限，并且无法实现所有线圈并联通电，限制电机工作效率。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是针对上述问题，提供一种具有多导电环对的多线圈并联电机。
[0006]
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
[0007]
一种多对组磁极并联电机，包括转子和定子，所述的转子包括相互独立的至少两个独立线圈；
[0008]
所述的定子包括至少两对由第一磁体和第二磁体构成的磁体对，至少两对由正导电环和负导电环构成的导电环对，且第一磁体的n极和第二磁体的s极分别用于作用于通电的独立线圈；
[0009]
每个独立线圈均具有两个分别用于在转子旋转过程中交替电连接正导电环、负导电环的接电端点，且在一个旋转周期中，存在有至少两个独立线圈相互并联的时刻，每个独立线圈的轨迹圆心角小于或等于180度且不等于360/n，其中n表示导电环对数。
[0010]
在上述的多对组磁极并联电机中，在一个旋转周期中，存在有至少三/四/五/六个独立线圈相互并联的时刻；
[0011]
在每个旋转周期中，存在至少两/三/四/五/六个独立线圈相互并联的时刻大于1/z旋转周期，z等于2、3、4或5；
[0012]
每个正导电环均包括正有效段弧度，每个负导电环均包括负有效段弧度，正有效段弧度和负有效段弧度周向交替布置，且相邻的正有效段弧度与负有效段弧度之间具有空缺弧度，每个独立线圈的两个接电端点构成的轨迹圆心角均大于所述的空缺弧度。
[0013]
在上述的多对组磁极并联电机中，所有导电环周向依次均匀分布且具有相同的圆心以使正有效段弧度构成正导电环，负有效段弧度构成负导电环。
[0014]
在上述的多对组磁极并联电机中，所述的轨迹圆心角在(360/2n)
±
阈值角度的范围内。阈值角度可以为0，此时当有两对磁体对时，轨迹圆心角为90度，当有三对磁体对时，轨迹圆心角为60度。阈值角度也可以为10度，20度、30度等，如为10度，当有两对磁体对，轨迹圆心角的范围在80度-100度之间。
[0015]
在上述的多对组磁极并联电机中，相邻的导电环之间通过绝缘薄膜相隔离以使正导电环有效段和负导电环有效段均趋近于零。
[0016]
在上述的多对组磁极并联电机中，所述的独立线圈均由漆包线在铁芯的任意两个绕线槽上绕设而得，且各个独立线圈跨有相同的绕线槽数量；此时，所有独立线圈具有相同或相近的线圈角度，线圈角度指线圈在铁芯的360度圆周上所占据的角度；
[0017]
或者，存在至少两组跨有不同绕线槽数量的独立线圈。
[0018]
在上述的多对组磁极并联电机中，每个独立线圈的线圈角度在(360/2n)
±
预设值的范围内。且预设差值可以为60度、50度、30度或20度等。
[0019]
在上述的多对组磁极并联电机中，包括两对磁体对和两对导电环对；
[0020]
或者包括三对磁体对和三对导电环对。
[0021]
在上述的多对组磁极并联电机中，所述的第一磁体11和第二磁体12周向交替布置，且磁体对和导电环对一一对应或周向错开设置。
[0022]
在上述的多对组磁极并联电机中，所述的独立线圈均以60度、90度或120度的线圈角度绕设在铁芯上，且多个独立线圈在铁芯上周向分布；
[0023]
当线圈数量＜360/线圈角度时，多个独立线圈以旋转轴a为中心线周向依次分布；
[0024]
当线圈数量＝360/线圈角度时，多个独立线圈以旋转轴a为中心线周向叠加分布；
[0025]
当线圈数量＞360/线圈角度时，多个独立线圈以旋转轴a为中心线周向叠加和/或交叉分布。
[0026]
本发明的优点在于：
[0027]
采用小角度线圈形式，能够节省绕组成本，满足接线方便的目的，且没有电刷，每个时刻通电线圈的数量不受电刷数量限制，能够实现所有线圈同时通电；
[0028]
通过一定的设置方式，如使导电环有效段的圆心角无穷趋近90度，独立线圈的轨迹圆心角为90度，理想情况下能够实现所有线圈全时并联工作；
[0029]
使用同一时刻多个线圈并联工作的方式替代传统各个线圈依次轮流替换的方式，大大提高了线圈利用率，能够在转矩输出不变的前提下降低损耗；
[0030]
通过周向分布多组较为密集的独立线圈，使磁场的作用力分布满整个转子的周向，能够有效提高磁场力作用效果，保证力矩输出平稳。
附图说明
[0031]
图1是实施例一中两对组磁极并联电机布置三个独立线圈的示意图；
[0032]
图2是本发明施例一中三组90度独立线圈的接电端点在导电环上的布置示意图；
[0033]
图3是本发明施例一中三个独立线圈在铁芯上的布置示意图；
[0034]
图4是本发明施例一中四组90度独立线圈的接电端点在导电环上的布置示意图；
[0035]
图5是本发明施例一中具有四组90度独立线圈的电机效果图；
[0036]
图6是现有技术三线圈电机角型接法的结构示意图；
[0037]
图7是现有技术三线圈电机角型接法的等效电路图；
[0038]
图8是现有技术三线圈电机星型接法的结构示意图；
[0039]
图9是现有技术三线圈电机星型接法的等效电路图；
[0040]
图10是图2所示方案的等效电路图；
[0041]
图11是实施例二中三对组磁极并联电机布置四个独立线圈的示意图；
[0042]
图12是实施例二中四组60度独立线圈的接电端点在导电环上的布置示意图。
[0043]
附图标记：磁体对1；第一磁体11；第二磁体12；导电环对2；独立线圈3；接电端点31。
具体实施方式
[0044]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
[0045]
实施例一
[0046]
本实施例公开了一种多对组磁极并联电机，包括定子和转子，转子包括相互独立的至少两个独立线圈，如三个、四个、五个、六个等；
[0047]
定子包括至少两对由第一磁体11和第二磁体12构成的磁体对1，至少两对由正导电环和负导电环构成的导电环对，第一磁体11和第二磁体12周向交替布置，正导电环和负导电环周向交替布置；且第一磁体11的n极和第二磁体12的s极分别用于作用于通电的独立线圈；
[0048]
每个独立线圈3均具有两个分别用于在转子旋转过程中交替电连接正导电环、负导电环的接电端点，且在一个旋转周期中，存在有至少两个独立线圈3相互并联的时刻，优选在一个旋转周期中，存在至少两/三/四/五/六个独立线圈相互并联的时刻大于1/z旋转周期，z等于2、3、4或5。每个独立线圈3的轨迹圆心角小于或等于180度且不等于360/n，其中n表示导电环对数。轨迹圆心角α的概念为：两个接电端点31位于与旋转轴a垂直的同一平面上，在该平面上两个接电端点31与旋转轴a的夹角即轨迹圆心角α。导电环可以根据需要安装在电机外壳等不进行转动的部位，各接电端点可以通过任何方式固定在转轴上以实现在旋转过程中稳定地与导电环滑动接触，这里不进行限制，且接电端点可以通过滑动接触导电环的上表面，下表面，内表面或外表面实现通电与换向。本实施例接电端点31在旋转过程中直接或间接滑动接触于正导电环、负导电环以与正导电环、负导电环实现电连接。
[0049]
需要说明的是，导电环/磁体可以为一整体，也可以为被切割为相邻的两个或多个，这里不进行限制。
[0050]
本实施例以两对磁体对1和两对导电环对2为例，轨迹圆心角小于180度，线圈角度小于或等于180度。线圈在铁芯的360度圆周上所占据的角度。
[0051]
具体地，每个正导电环均包括正有效段弧度，每个负导电环均包括负有效段弧度，且相邻的正有效段弧度与负有效段弧度之间具有空缺弧度，每个独立线圈3的两个接电端
点31构成的轨迹圆心角α均大于空缺弧度，由于接电端点位于空缺弧处的时候，独立线圈失电，使轨迹圆心角大于空缺弧度能够保证独立线圈在旋转过程中至少有某一段时间是通电的。
[0052]
优选地，正导电环和负导电环具有相同的圆心以使正有效段弧度构成正导电环，负有效段弧度构成负导电环，并且所有导电环周向依次均匀分布。
[0053]
优选轨迹圆心角在(360/2n)
±
阈值角度的范围内，阈值角度可以为20度、10度或5度，如当阈值角度为10度时，(360/2n)-10≤轨迹圆心角≤(360/2n)+10，即80≤轨迹圆心角≤100。轨迹圆心角的可选范围较大，但是轨迹圆心角越接近90度，每个独立线圈的通电时间越长，每个独立线圈的利用率也越高，所以在投入使用时，在工艺等条件允许情况下使轨迹圆心角尽量接近90度。
[0054]
进一步地，各个独立线圈3均由漆包线在铁芯的任意两个绕线槽上绕设而得，各个独立线圈3跨有相同的绕线槽数量，或者，存在至少两组跨有不同绕线槽数量的独立线圈3。优选跨有相同数量的绕线槽以保持统一性，便于电机加工制作，跨越绕线槽的数量将影响到独立线圈的线圈角度。
[0055]
独立线圈的线圈角度在(360/2n)
±
预设值的范围内，即90度-预设值范围≤线圈角度≤90度+预设值范围，预设值可以为60度、50度、30度、20度或10度，当预设值为60度时，30度≤线圈角度≤150度。独立线圈的线圈角度越接近90度，磁场对线圈的作用效果越好，所以在投入使用时，在各方面条件允许的情况下，使线圈角度尽量接近90度。
[0056]
优选地，本实施例的两个导电环分别趋近于90度，可以通过在正导电环与负导电环之间设置绝缘薄膜相隔离以尽量保证每个独立线圈的通电时间。
[0057]
当独立线圈均以90度的线圈角度绕设在铁芯上时，多个独立线圈在铁芯上周向分布，且按照如下方式设置独立线圈：
[0058]
当线圈数量＜360/线圈角度时，多个独立线圈以旋转轴a为中心线周向依次分布；如图2所示，当线圈角度为90度，且独立线圈3数量为三个时，三个独立线圈3周向依次分布，优选尽量均匀布置。此时可以使用如图3所示的三线槽铁芯，每个铁芯片片上绕制一个独立线圈，并使独立线圈的角度接近90度。
[0059]
当线圈数量＝360/线圈角度时，多个独立线圈以旋转轴a为中心线周向叠加分布；如图4所示，当线圈角度为90度，且独立线圈数量为四组时，四个独立线圈3周向叠加分布，相邻独立线圈共用一个绕线槽，如图4中l1和l2共用一个绕线槽，在共用绕线槽中叠加，l2和l3共用一个绕线槽，在该共用绕线槽中叠加，如此分布。相邻独立线圈的接电端点可以为同一个或不同个，这里不进行限制。对于120度的线圈，在具有三个独立线圈3时，也采用这样的周向依次叠加分布方式。
[0060]
当线圈数量＞360/线圈角度时，多个独立线圈以旋转轴a为中心线周向叠加和/或交叉分布。
[0061]
为了实现本方案的优越性，下面进行比对分析，以图2三个线圈为例，传统3个线圈的情况，绕组接线方式通常由如图6-7的角型接法和图8-9的星型接法：
[0062]
(一)在同电流下分析：
[0063]
三角形连接方式
[0064]
转矩：
[0065]
损耗：
[0066]
电压：星形连接方式
[0067]
转矩：t＝c
·i·
2＝2
·c·i[0068]
损耗：p＝2i2r
[0069]
电压：u＝2ri
[0070]
本方案连接方式
[0071]
转矩：
[0072]
损耗：
[0073]
电压：
[0074]
结论：在同电流下，
[0075]
tb《ts《t
x
[0076]
pb《ps《p
x
[0077]
ub《us《u
x
[0078]
p为电机损耗，t为电机转矩，c为常数；r为电阻；u为电压；i为电流，下标“b”表示本方案的参数，下标“s”表示现有技术三角形连接方式的参数，下标“x”表示星形连接方式的参数。
[0079]
(二)在同转矩下分析：
[0080]
本方案连接方式
[0081]
转矩：
[0082]
推导出电流：
[0083]
功耗：
[0084][0085][0086][0087]
电压：
[0088]
[0089][0090][0091]
结论，在同转矩下：
[0092]
tb＝ts＝t
x
[0093]
pb《ps《p
x
[0094]
ub《us《u
x
[0095]
ib》is》i
x
[0096]
(三)在同电压下分析
[0097][0098]
即，ib＝2is＝6i
x
[0099]
转矩：tb＝c
·
ib[0100][0101][0102]
功耗：
[0103]
(四)在等功耗情况下
[0104][0105]
即，
[0106]
转矩：
[0107][0108][0109][0110]
电压：
[0111][0112][0113]
[0114]
结论，在同功耗下：
[0115]
tb》ts》t
x
[0116]
ub《us《u
x
[0117]
ib》is》i
x
[0118]
以上以三线圈为例，线圈布置越多，以上优势更明显，对于更多线圈的分析可以类推，这里不再赘述。
[0119]
本方案能够通过采用小角度线圈的形式达到节省绕组成本的和满足接线方便的目的，且省去了传统形式的电刷，每个时刻通电线圈的数量不受电刷数量限制，能够实现所有线圈同时通电；
[0120]
通过一定的设置方式，如使导电环有效段的角度无穷趋近90度，独立线圈的线圈角度和轨迹圆心角均为90度，理想情况下能够实现所有线圈全时并联工作；
[0121]
使用同一时刻多个线圈并联工作的方式替代传统各个线圈依次轮流替换的方式，大大提高了线圈利用率，能够在转矩输出不变的前提下降低损耗；
[0122]
通过周向分布多组较为密集的独立线圈，使磁场的作用力分布满整个转子的周向，能够有效提高磁场力作用效果，保证力矩输出平稳。
[0123]
实施例二
[0124]
如图11和图12所示，本实施例与实施例一类似，不同之处在于，本实施例具有三对导电环对2和三对磁体对1，此时，轨迹圆心角小于或等于180度，且不等于120度。
[0125]
此外，本实施例的优选角度在60
±
阈值角度范围内，在实际生产中，使轨迹圆心角尽量靠近60度，同时使线圈角度尽量靠近60度，以尽量保证独立线圈的利用率。
[0126]
进一步地，磁体对1和导电环对2之间可以一一对应设置，如图12所示，也可以周向错开设置，如图2所示。
[0127]
本领域技术人员受本技术的启发可以将本技术与现有技术的电机线圈设置方式相结合，如将部分线圈串联连接，部分线圈独立设置，或将由多组线圈串联而成的串联线圈作为独立线圈，然后将独立线圈相互并联等方式，无论是哪种方式，只要应用了本技术独立线圈相互并联的思路，都应当在本技术的保护范围内。
[0128]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
[0129]
尽管本文较多地使用了磁体对1；导电环对2；独立线圈3、l1、l2、l3、l4；接电端点31、a1、a2、b1、b2、c1、c2、d1、d2等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。