CN106992642A - 具有中空型转子和内外圈定子的直流马达结构 - Google Patents

Abstract

一种具有中空型转子和内外圈定子的直流马达结构，包括一壳体、一外定子、一换向器、一输出件、一中空型转子和一内定子，其中，该换向器与输出件分别容纳至壳体的前后两端，且壳体由外向内依序组装有外定子、中空型转子与内定子，且中空型转子位于外定子与内定子之间，此外，该中空型转子上绕设有多匝线圈，且其前后端分别与换向器和输出件相连接，当各该线圈接收换向器传来的电流后，会使中空型转子产生对应的电磁场，以使换向器和输出件能随着中空型转子同步转动，进而使中空型转子所产生的转动扭力能直接经由输出件传输出去。

Description

具有中空型转子和内外圈定子的直流马达结构

技术领域

本发明涉及直流马达结构，尤其涉及一种具有中空型转子，且该中空型转子的内外分别设有定子的直流马达结构。

背景技术

马达(Electric motor)，又称为电动机，其主要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，进而能驱动其他装置，这也使得马达被广泛地应用至各种产品上，如：电动汽车、车床、电风扇、水泵...等不同领域中，其中，直流马达(directcurrent，简称DC motor)是最早能将电力转换为机械能的装置，之后，由于交流电的使用日趋普及，造成了感应马达与同步马达问世，也使得直流马达的重要性与应用逐渐降低，然而，随着电力调整器(简称SCR)的发明，以及磁铁材料、碳刷、绝缘材料的改良，加上人们对于变速控制的需求日益增加，直流马达又再度成为工业自动化的关键技术，主要原因在于，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，使得直流马达简单且易于控制，所以直流马达仍是目前最常应用于变速控制的马达。

请参阅图1A所示，目前直流马达1的基本架构，主要了包括一壳体10、一枢轴11、一转子12(rotor)、一定子13(stator)和一换向器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，而且，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，并与该线圈相电气连接，以能将电力输送至该线圈，同时，该换向器14还能改变输送至该线圈的电流方向，如此，根据弗莱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，举例来说，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。

再请参阅图1A所示，一般来说，该转子12所产生的动能，通常是通过该枢轴11一端的输出轴111传输出去，因此，业者往往必须在该枢轴11一端的输出轴111上额外组装其它的传动机构(如：齿轮)，造成该直流马达1在实际应用时，结构会变得更为复杂，其次，由于该输出轴111凸露在该壳体10外的一端是自由端，故该输出轴111的长度通常被设计成较短，以避免其发生轴线偏移的问题，然而，由于该枢轴10往往必须以高转速方式，以产生足够的转动扭力，带动该传动机构，长此以往，仍极易因所承受的负载太大，造成其传动机构的相关组件容易发生磨损，进而因受力不均匀，而导致该输出轴111的轴线仍极易发生偏移的问题。

综上所述，现有的直流马达的整体架构在实施使用上，仍存在部分缺失，因此，如何设计出一种创新的直流马达架构，以解决前述问题，并能够产生低转速和高扭矩的转动扭力，以获得使用者的青睐，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。

发明内容

有鉴于前述已知直流马达的架构仍未尽完美，发明人依多年的实务经验，并经过长久的努力研究与实验后，终于研发出本发明的一种具有中空型转子和内外圈定子的直流马达结构，以期通过本发明而能提供一种效果更加优良的直流马达。

本发明的一目的，是提供一种具有中空型转子和内外圈定子的直流马达结构，包括一壳体、一外定子、一换向器、一输出件、一中空型转子和一内定子，其中，该壳体呈一圆柱体，其内设有一容纳空间，其后端开设有至少一输出孔，该输出孔与该容纳空间相连通，而且，该换向器与输出件分别容纳至壳体的前后两端，且壳体由外向内依序组装有外定子、中空型转子与内定子，该中空型转子上绕设有多匝线圈，且其前后端分别与换向器和输出件相连接，此外，各该线圈的两端分别电气连接至该换向器上两个相邻的换向片，以接收该换向器传来的电流，同时，该换向器上两个相邻的换向片能依一设定频率，令其传送至对应线圈的电流方向逆转，以使该线圈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，进而令该中空型转子产生对应的电磁场，再者，该外定子包括多个外磁铁，各该外磁铁沿该壳体的圆周向固定至该壳体的内壁，彼此相互间隔，且任意两个相邻的外磁铁彼此极性相反，该内定子包括多个内磁铁，各该内磁铁沿该壳体的圆周向固定在该内定子的外缘，彼此相互间隔，任意两个相邻的内磁铁彼此极性相反，且各该内磁铁对应于各该外磁铁，如此，当这些线圈接收到该换向器传来的电流，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和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，且同步带动该输出件，令该输出件能经由该输出孔，透过一传动件(如：炼条或皮带圈)，将该中空型转子产生的低转速和高扭矩的一转动扭力，输出至一负载(如：变速箱)，以增加该直流马达的动力效能和使用寿命。

为方便对本发明目的、技术特征及其功效做更进一步的认识与了解，现举实施例配合附图，详细说明如下：

附图说明

图1A为已知直流马达的结构示意图；

图1B为已知直流马达的动作原理示意图；

图2为本发明的直流马达的***示意图；

图3为本发明的直流马达的剖面示意图；

图4为本发明的中空型转子的局部立体示意图；

图5为本发明的中空型转子的绕线示意图。

主要组件符号说明：

直流马达结构 …… 2

壳体 …… 20

前盖 …… 20A

后盖 …… 20B

外壳 …… 20C

容纳空间 …… 200

输出孔 …… 201

前连接部 …… 202A

后连接部 …… 202B

连接杆 …… 203

电刷 …… 204

外定子 …… 21

外磁铁 …… 211

换向器 …… 22

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

第一凹部 …… 244A

第二凹部 …… 244B

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

具体实施方式

有鉴于已知直流马达，均是采用输出轴的方式传输出去，其中，该输出轴是枢轴的一部分(如图1A所示的输出轴111)，因此，对于需要较大的转动扭力才能带动的负载，例如：电动汽车的变速箱或其它大型器具而言，已知直流马达必须以高转速方式，才足以产生前述较大的转动扭力，然而，诚如之前所述，极易造成已知直流马达的结构受损，也需耗费较多的电力，针对此，发明人特别设计出一种崭新的直流马达结构，且完全无需使用图1A所示的输出轴111，即能够以低转速、大扭力带动其它传动机构，在此特别一提的是，本发明的一种具中空型转子和内外圈定子的直流马达结构，并非仅限定在后续附图中所绘制的样式，本领域技术人员应当能在掌握本案的整体技术特征后，在后续实施例中调整各个组件的外观方案与组件数量，在此一并说明。

本发明是一种具中空型转子和内外圈定子的直流马达结构，在本发明的一较佳实施例中，为便于说明，以图2的左方为组件的前方，图2的右方为组件的后方，请参阅图2和3所示，该直流马达结构2包括一壳体20、一外定子21、一换向器22、一输出件23、一中空型转子24和一内定子25，其中，该壳体20呈一圆柱体，其内设有一容纳空间200，其后端开设有三个输出孔201，该输出孔201与该容纳空间200相连通，只是，在本发明的其它实施例中，该输出孔201能够为一个，且开设样式能依业者需求而改变。

而且，在该实施例中，该壳体20由一前盖20A、一后盖20B和一外壳20C组装而成，其中，该前盖20A的周缘设有多个前连接部202A(如：锁孔)，且其内安装有多个电刷204(carbon brush，也称碳刷)，这些电刷204能够接收外部电流，该后盖20B则设有该输出孔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，而且，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和外壳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和后盖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，只是，在本发明的其它实施例中，业者能够依设计需求，而将该壳体20设计为单一个组件，或是由两个以上的组件组合而成(如，仅有前盖20A与后盖20B，或是增加外壳20C的数量)，并非仅限定在前述前盖20A、后盖20B与外壳20C的三个组件的组合方式，在此一并说明。

而且，还请参阅图2所示，该外定子21安装在该容纳空间200内，包括多个外磁铁211，在该实施例中，各该外磁铁211位在该外壳20C内，且沿该外壳20C(即，壳体20)的圆周向固定至该外壳20C的内壁，各该外磁铁211彼此相隔一间距，且任意两个相邻的外磁铁211彼此极性相反，只是，在本发明的其它实施例中，该外定子21尚能包括一外定子本体，其中，该外定子本体呈中空管体状，且固定至该壳体20的内壁，这些外磁铁211则固定至该外定子本体内，如此，业者便能够单独或定制化地制作出该外定子21，以提高生产上的便利性，在此特别一提的是，该外定子本体的构造如同该外壳20C的方案，但是，业者能如该实施例般省略该外定子本体，或是将外定子本体与壳体20结合为一体，以减少该直流马达结构2的组件数量。

还请参阅图2和3所示，该换向器22安装在该容纳空间200内，且沿该壳体20的轴向枢接至该壳体20前端的内壁，在该实施例中，该换向器22位于该前盖20A中，并与该前盖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，而且，该换向器22包括一盘体220和多个换向片221，其中，这些换向片221彼此相隔一间距地组装至该盘体220的前侧面，在此声明的是，本发明的电刷204与换向器22两者间的电气连接方式为已知技术，在此不予赘述，只要该电刷204与换向器22能相互传递电流，即为本发明所述的电刷204与换向器22的连接关系。而且，该输出件23安装在该容纳空间200内，且沿该壳体20的轴向枢接至该壳体20后端的内壁对应于该输出孔201的位置，在该实施例中，该输出件23呈一齿轮状，并位在该后盖20B中对应于该输出孔201的位置，如此，一传动件(如：链条)即能够通过该输出孔201，与该输出件23相连接，进而在该直流马达结构2运转时，使该直流马达结构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，只是，在本发明的其它实施例中，该输出件23也能为轮毂或其它组件，且该传动件能为皮带圈或其它组件，意思是说，业者能够根据负载与传动件的样式，而变更该输出件23的方案，以使本发明的直流马达结构2能够应用至更多的器具或装置上。

再者，请参阅图2和3所示，该中空型转子24沿该壳体20的轴向安装在该外定子21内，且与该外定子21保持一第一间隙24A，以使该中空型转子24能自由地在该外定子21内转动，其中，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，而且，该中空型转子24上绕设有多匝线圈27，各该线圈27的两端能分别电气连接至该换向器22上两个相邻的换向片221，以接收该换向器22传来的电流，令该中空型转子24产生对应的电磁场，另外，该换向器22上两个相邻的换向片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，如此，当该中空型转子24因磁场作用转动时，也会同步带动该换向器22和该输出件23转动。

为详细说明前述中空型转子24的结构，请参阅图2和4所示，该中空型转子24包括一外铁芯241和一内铁芯242，该外铁芯241与内铁芯242皆是由多片硅钢片组合而成，其中，该外铁芯241的外侧表面沿轴向设有多个外线槽243，其内侧表面则沿轴向设有多个第一凹部244A，而且，该内铁芯242的内侧表面沿轴向设有多个内线槽245，其外侧表面则沿轴向设有多个第二凹部244B，这些外线槽243和内线槽245供绕设线圈27，当该外铁芯241与内铁芯242组装为一体时，该外铁芯241的内侧表面会贴靠至该内铁芯242的外侧表面，且各该第一凹部244A会分别与各该第二凹部244B相对应，以分别形成一固定孔244，使得这些固定孔244能沿该中空型转子24的圆周向排列而成，另外，多支固定棒246能分别伸入至相对应的各该固定孔244中，以与该中空型转子24相结合为一体，而且，各该固定棒246的前端会外露出该中空型转子24，且能固定至该换向器22的盘体220的后侧面，各该固定棒246的后端也会外露出该中空型转子24，并固定至该输出件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，再请参阅图2和4所示，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的前端与后端尚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27。只是，在此特别一提的是，在本发明的其它实施例中，业者能够采用其它方式，使该中空型转子24、换向器22与输出件23三者相结合，只要该中空型转子24能够同步带动该换向器22与输出件23，且分别与该换向器22与输出件23保持一预定间隙，即为本发明所欲保护的连接关系。

另外，再请参阅图2和4所示，该外铁芯241与内铁芯242通过绕设其上的线圈27而组装固定成一体，以避免该外铁芯241与内铁芯242相互脱离，且令这些固定棒246分别被固定至对应的这些固定孔244中。兹仅就本发明的线圈27缠绕方式说明如后，只是，在本发明的其它实施例中，业者能够以不同的缠绕方式，使线圈27固定至中空型转子24上，请参阅图5所示，其中，图5中仅显示出局部的中空型转子24与两匝线圈27，以避免图式过于复杂。该外铁芯241的外侧表面开设有相邻的二外线槽243A、243B，该内铁芯242的内侧表面则开设有相邻的二内线槽245A、245B，其中，外线槽243A与内线槽245A相对应，外线槽243B与内线槽245B相对应，而且，一线圈27A的一端能电气连接至其中一换向片221，其另一端则伸入至外线槽243A的前端，且通过该外线槽243A，并伸出至该外线槽243A的后端，之后，该线圈27A的另一端会伸入至内线槽245A的后端，且通过内线槽245A，并伸出至该内线槽245A的前端，又，其会斜向伸入至外线槽243B，并依序通过该外线槽243B、外线槽243B的后端、内线槽245B的后端与内线槽245B，再伸出至该内线槽245B的前端，以能电气连接至另一换向片221，前述的线圈27A的缠绕方式即称为一扎线圈27A；另外，当该中空型转子24欲绕设多匝线圈27时，仅需使伸出至内线槽245B的前端的线圈27A斜向伸入至外线槽243A的前端，并重复前述缠绕方式即可。此外，当相邻该线圈27的另一扎线圈27B的另一端伸出至该内线槽245A的前端后，该线圈27A的一端会与另一线圈27B的另一端两者，电气连接至同一个换向片221上，且当换向片221将电流传输至该线圈27A的一端时，其会接收到另一线圈27B的另一端所传输出来的电流，之后，当换向片221执行换向过程时，则前述电流方向会产生逆转，如此，各该线圈27A、27B便能因电流方向而产生对应的电磁场。

再请参阅图2和3所示，该内定子25组装至该中空型转子24的轴孔240内，其前端与后端分别固定至该壳体20的前端与后端，其中，该内定子25与该中空型转子24保持一第二间隙24B，以使该中空型转子24能自由地在该内定子24外转动，在该实施例中，该内定子25包括一内定子本体250与多个内磁铁251，其中，这些内磁铁251沿该壳体20的圆周向固定至该内定子本体250的外壁，彼此相互间隔，且任意两个相邻的内磁铁251彼此极性相反，而且，该内定子本体250的前后两端凸设有二定位杆252，各该定位杆252分别通过一轴承26A、26B固定至该壳体20的前端与后端，且各该轴承26A、26B分别与该换向器22与输出件23相枢接，以在该中空型转子24、换向器22与输出件23转动时，不会带动该内定子25，以保持该内定子25的稳定性，在该实施例中，各该定位杆252分别固定至该前盖20A与后盖20B，只是，在本发明的其它实施例中，业者能够根据不同设计内容，而更改各该定位杆252的固定位置与方式，只要该内定子25能被固定于壳体20内，且不会转动，即为本发明所述的内定子25与壳体20两者的连接关系，此外，业者也能够调整该内定子本体250的方案，或是省略该内定子本体250，只要该内定子25能组装至该中空型转子24的轴孔240内，其前后端能分别固定至该壳体20的前后端，且各该内磁铁251能沿该壳体20的圆周向固定在该内定子25的外缘，即为本发明所述的内定子25，在此一并说明。

再请参阅图2所示，当该外定子21、中空型转子24与内定子25相互组装成一体时，各该内磁铁251会与各该外磁铁211相对应，且相互对应的内磁铁251与外磁铁211两者的极性呈相反或相同，如此，再请参阅图2所示，当这些线圈27接收到该换向器22传来的电流，并产生对应的电磁场后，该电磁场能分别与该内定子25和外定子21所产生的磁场产生互斥作用，而使该中空型转子24转动，且同步带动该输出件23，此时，该输出件23便会透过该输出孔201，依序带动该传动件与负载，以将该中空型转子24所产生的低转速和高扭矩的一转动扭力输出至负载上。综上所述可知，本发明的直流马达结构2与已知直流马达完全不同，已知直流马达是以轴杆的输出轴(如图1A所示的输出轴111)来带动负载，但是，本发明则是以输出件23来带动负载，由于该输出件23是透过多根固定棒246固定至中空型转子24的后端，且其体积较大，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，同时，相比于已知直流马达而言，本发明的直流马达结构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结构2的使用寿命。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种具有中空型转子和内外圈定子的直流马达结构，包括：

一壳体，呈一圆柱体，其内设有一容纳空间，其后端开设有至少一输出孔，该输出孔与该容纳空间相连通；

一外定子，安装在该容纳空间内，包括多个外磁铁，各该外磁铁沿该壳体的圆周向固定至该壳体的内壁，彼此相互间隔，且任意两个相邻的外磁铁彼此极性相反；

一换向器，沿该壳体的轴向枢接至该壳体内邻近前端的位置，该换向器上两个相邻的换向片能依一设定频率，令其传送至一线圈的电流方向逆转，以使该线圈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；

一输出件，沿该壳体的轴向枢接至该壳体内邻近后端且对应于该输出孔的位置；

一中空型转子，沿该壳体的轴向安装在该外定子内，且与该外定子保持一第一间隙，该中空型转子上绕设有多匝线圈，各该线圈的两端分别电气连接至该换向器上两个相邻的换向片，以接收该换向器传来的电流，使该中空型转子产生对应的电磁场，该中空型转子内沿轴向形成有一轴孔，且其前后端分别固定至该换向器和该输出件，以使该换向器和该输出件能随着该中空型转子同步转动；及

一内定子，组装至该中空型转子的轴孔内，其前后端分别固定至该壳体的前后端，该内定子与该中空型转子保持一第二间隙，该内定子包括多个内磁铁，各该内磁铁沿该壳体的圆周向固定在该内定子的外缘，彼此相互间隔，任意两个相邻的内磁铁彼此极性相反，且各该内磁铁分别对应于各该外磁铁。

2.如权利要求1所述的直流马达结构，其中，该中空型转子由多片铁芯组合而成，且这些铁芯上绕设有该线圈。

3.如权利要求2所述的直流马达结构，该壳体由一外壳、一前盖和一后盖组合而成，其中，该外壳呈中空管体状，该前盖组装至该外壳的前端，该后盖则组装至该外壳的后端，且其开设有该输出孔。

4.如权利要求3所述的直流马达结构，其中，各该外磁铁固定至该外壳的内壁面。

5.如权利要求3所述的直流马达结构，其中，该外定子还包括一外定子本体，该外定子本体固定至该外壳的内壁面，且呈中空管体状，各该外磁铁固定至该外定子本体内。

6.如权利要求3所述的直流马达结构，其中，该内定子还包括一内定子本体，这些内磁铁布设于该内定子本体的外侧。

7.如权利要求6所述的直流马达结构，其中，该内定子本体的前后两端凸设有两个定位杆，各该定位杆分别通过一轴承，而固定至该壳体的前端与后端，且该换向器与该输出件分别枢接至各该轴承。

8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的直流马达结构，其中，该换向器包括一盘体和多个换向片，该盘体的前侧面设有该换向片，且这些换向片彼此相隔一间距，该中空型转子的前端固定至该盘体的后侧面。

9.如权利要求8所述的直流马达结构，还包括多支固定棒，各该固定棒沿该中空型转子的圆周向，固定至该中空型转子，且各该固定棒的前后端分别固定至该换向器和该输出件。

10.如权利要求9所述的直流马达结构，其中，该中空型转子包括一外铁芯和一内铁芯，该外铁芯的外侧表面沿轴向设有多个外线槽，以使各该线圈能容纳至各该外线槽，该内铁芯的内侧表面沿轴向设有多个内线槽，以使各该线圈能容纳至各该内线槽，该内铁芯的外侧表面贴靠至该外铁芯的内侧表面，且各该固定棒分别固定在该内铁芯与该外铁芯之间。

11.如权利要求10所述的直流马达结构，其中，该前盖的周缘设有多个前连接部，该后盖的周缘设有多个后连接部，且各该前连接部与各该后连接部能分别与一连接杆的两端相固定，以将该前盖、后盖和外壳结合成一体。

12.如权利要求11所述的直流马达结构，其中，该前盖和该后盖两者上分别设有多个嵌卡部，各该嵌卡部分别与该外壳相嵌卡。

13.如权利要求12所述的直流马达结构，其中，该前盖内安装有多个电刷，这些电刷能接收外部电流，并将外部电流传递至该换向器。

14.如权利要求13所述的直流马达结构，其中，任意两个对应的该内磁铁和该外磁铁也彼此极性相反。

15.如权利要求13所述的直流马达结构，其中，任意两个对应的该内磁铁和该外磁铁也彼此极性相同。