TWI554007B

TWI554007B - With inside and outside of the hollow rotor of motor delineated DC sub-structure

Info

Publication number: TWI554007B
Application number: TW104144664A
Authority: TW
Inventors: Lian-Xin Wu
Priority date: 2015-12-31
Filing date: 2015-12-31
Publication date: 2016-10-11
Also published as: US20170194844A1; JP2017121154A; TW201724706A; DE102016125138A1

Description

具中空型轉子及內外圈定子之直流馬達結構

本發明係關於直流馬達結構，尤指一種具有中空型轉子，且該中空型轉子之內外分別設有定子之直流馬達結構。

按，馬達(Electric motor)，又稱為電動機，其主要能將所接收到之電力轉化成機械能，之後，再利用該機械能產生動能，進而能驅動其他裝置，這亦使得馬達被廣泛地應用至各種產品上，如：電動汽車、車床、電風扇、水泵...等不同領域中，其中，直流馬達(direct current，簡稱DC motor)是最早能將電力轉換為機械能的裝置，之後，由於交流電的使用日趨普及，造成了感應馬達與同步馬達問世，亦使得直流馬達的重要性與應用逐漸降低，然而，隨著電力調整器(簡稱SCR)的發明，以及磁鐵材料、碳刷、絕緣材料之改良，加上人們對於變速控制之需求日益增加，直流馬達又再度成為工業自動化的關鍵技術，主要原因在於，直流馬達之「轉速-轉矩」與「電流-轉矩」等特性曲線，均為線性關係，使得直流馬達簡單且易於控制，故，直流馬達仍是目前最常應用於變速控制的馬達。

請參閱第1A圖所示，目前直流馬達1之基本架構，主要了包括一殼體10、一樞軸11、一轉子12(rotor)、一定子13(stator)及一換向器14(commutator)，其中，該殼體10內設有一容納空間101，該樞軸11係樞設在該殼體10內，且其一端之輸出軸111係凸露在該殼體10之外，該轉子12係由複數個矽鋼片組合而成，且組裝固定至該樞軸11上，該轉子12上纏繞有複數匝線圈，又，該定子13係為永久磁鐵所組成，且固設在該殼體10之內壁對應於該轉子12的外側周緣，並與該轉子12保持一間距，該換向器14係設在該容納空間101內，能接收外部電力，並與該線圈相電氣連接，以能將電力輸送至該線圈，同時，該換向器14尚能改變輸送至該線圈之電流方向，如此，根據佛來明左手定則或右手開掌定則，當一導線被放置於一磁場內，若該導線通上電流後，該導線所產生之磁場會切割原有磁場的磁場線，進而使該導線產生移動，故，當轉子12上的線圈通電後，其所產生之磁場，會切割定子13所產生的磁力線，而生成旋轉扭矩造成轉子12的轉動，並將電能轉換成動能，舉例而言，請參閱第1B圖所示，當定子13的磁力線為由左至右時，若轉子12之線圈的電流方向為由右方流入左方流出，此時，該轉子12所產生之旋轉扭矩會迫使該轉子12順時針旋轉。

復請參閱第1A圖所示，一般言，該轉子12所產生之動能，通常是藉由該樞軸11一端之輸出軸111傳輸出去，因此，業者往往必須在該樞軸11一端之輸出軸111上額外組裝其它的傳動機構(如：齒輪)，造成該直流馬達1於實際應用時，結構會變得更為複雜，其次，由於該輸出軸111凸露在該殼體10外之一端係自由端，故該輸出軸111之長度通常被設計成較短，以避免其發生軸線偏移之問題，然而，由於該樞軸11往往必須以高轉速方式，以產生足夠的轉動扭力，帶動該傳動機構，長此以往，仍極易因所承受之負載太大，造成其傳動機構之相關元件容易發生磨損，進而因受力不均勻，而導致該輸出軸111之軸線仍極易發生偏移之問題。

綜上所述，現有的直流馬達之整體架構於實施使用上，仍存有部分缺失，因此，如何設計出一種創新的直流馬達架構，以解決前述問題，並能夠產生低轉速及高扭矩之轉動扭力，以獲得使用者的青睞，即成為目前各製造、設計直流馬達之廠商，亟欲解決之一重要課題。

有鑑於前述習知直流馬達之架構仍未盡完美，發明人依多年之實務經驗，並經過長久的努力研究與實驗後，終於研發出本發明之一種具中空型轉子及內外圈定子之直流馬達結構，以期藉由本發明而能提供一種效果愈加優良之直流馬達。

本發明之一目的，係提供一種具中空型轉子及內外圈定子之直流馬達結構，包括一殼體、一外定子、一換向器、一輸出件、一中空型轉子及一內定子，其中，該殼體係呈一圓柱體，其內設有一容納空間，其後端開設有至少一輸出孔，該輸出孔係與該容納空間相連通，另，該換向器與輸出件分別容納至殼體的前後兩端，且殼體由外向內依序組裝有外定子、中空型轉子與內定子，該中空型轉子上繞設有複數匝線圈，且其前後端分別與換向器及輸出件相連接，又，各該線圈之兩端係分別電氣連接至該換向器上二相鄰之換向片，以接收該換向器傳來之電流，同時，該換向器上二相鄰之換向片能依一設定頻率，令其傳送至對應線圈的電流方向逆轉，以使該線圈所產生的電磁場亦同時逆轉，此一換向過程係依該設定頻率一再重複，進而令該中空型轉子產生對應之電磁場，再者，該外定子包括複數個外磁鐵，各該外磁鐵係沿該殼體之圓周向固定至該殼體之內壁，彼此相互間隔，且任二相鄰之外磁鐵彼此極性相反，該內定子包括複數個內磁鐵，各該內磁鐵係沿該殼體之圓周向固定在該內定子之外緣，彼此相互間隔，任二相鄰之內磁鐵彼此極性相反，且各該內磁鐵係對應於各該外磁鐵，如此，當該等線圈接收到該換向器傳來之電流，並產生對應之電磁場後，將因該電磁場能分別與該內定子上之各該內磁鐵及該外定子上之各該外磁鐵產生互斥作用，而使該中空型轉子轉動，且同步帶動該輸出件，令該輸出件能經由該輸出孔，透過一傳動件(如：鍊條或皮帶圈)，將該中空型轉子產生之低轉速及高扭矩之一轉動扭力，輸出至一負載(如：變速箱)，以增加該直流馬達的動力效能及使用壽命。

為便貴審查委員能對本發明目的、技術特徵及其功效，做更進一步之認識與瞭解，茲舉實施例配合圖式，詳細說明如下：

〔習知〕

1‧‧‧直流馬達

10‧‧‧殼體

101‧‧‧容納空間

11‧‧‧樞軸

111‧‧‧輸出軸

12‧‧‧轉子

13‧‧‧定子

14‧‧‧換向器

〔本發明〕

2‧‧‧直流馬達結構

20‧‧‧殼體

20A‧‧‧前蓋

20B‧‧‧後蓋

20C‧‧‧外殼

200‧‧‧容納空間

201‧‧‧輸出孔

202A‧‧‧前連接部

202B‧‧‧後連接部

203‧‧‧連接桿

204‧‧‧電刷

205‧‧‧嵌卡部

21‧‧‧外定子

211‧‧‧外磁鐵

22‧‧‧換向器

220‧‧‧盤體

221‧‧‧換向片

23‧‧‧輸出件

24‧‧‧中空型轉子

24A‧‧‧第一間隙

24B‧‧‧第二間隙

240‧‧‧軸孔

241‧‧‧外鐵芯

242‧‧‧內鐵芯

243、243A、243B‧‧‧外線槽

244‧‧‧固定孔

244A‧‧‧第一凹部

244B‧‧‧第二凹部

245、245A、245B‧‧‧內線槽

246‧‧‧固定棒

247‧‧‧限位管

25‧‧‧內定子

250‧‧‧內定子本體

251‧‧‧內磁鐵

252‧‧‧定位桿

26A、26B‧‧‧軸承

27、27A、27B‧‧‧線圈

第1A圖係習知直流馬達的結構示意圖；第1B圖係習知直流馬達的作動原理示意圖；第2圖係本發明之直流馬達的***示意圖；第3圖係本發明之直流馬達的剖面示意圖；第4圖係本發明之中空型轉子的局部立體示意圖；及第5圖係本發明之中空型轉子之繞線示意圖。

有鑑於習知直流馬達，均是採用輸出軸的方式傳輸出去，其中，該輸出軸乃是樞軸的一部分(如第1A圖所示之輸出軸111)，因此，對於需要較大的轉動扭力才能帶動之負載，例如：電動汽車之變速箱或其它大型器具而言，習知直流馬達必須以高轉速方式，才足以產生前述較大的轉動扭力，然而，誠如前述，極易造成習知直流馬達之結構受損，亦需耗費較多的電力，針對此，發明人特別設計出一種嶄新的直流馬達結構，且完全無需使用第1A圖所示之輸出軸111，即能夠以低轉速、大扭力帶動其它傳動機構，在此特別一提者，本發明之一種具中空型轉子及內外圈定子之直流馬達結構，並非僅限定於後續圖式中所繪製的樣式，熟悉該領域之技藝人士，當能在掌握本案之整體技術特徵後，在後續實施例中調整各個元件的外觀態樣與元件數量，合先陳明。

本發明係一種具中空型轉子及內外圈定子之直流馬達結構，在本發明之一較佳實施例中，為便於說明，係以第2圖之左方為元件之前方，第2圖之右方為元件之後方，請參閱第2及3圖所示，該直流馬達結構2包括一殼體20、一外定子21、一換向器22、一輸出件23、一中空型轉子24及一內定子25，其中，該殼體20係呈一圓柱體，其內設有一容納空間200，其後端開設有三個輸出孔201，該輸出孔201係與該容納空間200相連通，惟，在本發明之其它實施例中，該輸出孔201能夠為一個，且開設樣式能依業者需求而改變。

又，請參閱第2及3圖所示，在該實施例中，該殼體20由一前蓋20A、一後蓋20B及一外殼20C組裝而成，其中，該前蓋20A之周緣設有複數個前連接部202A(如：鎖孔)，且其內安裝有複數個電刷204(carbon brush，亦稱碳刷)，該等電刷204能夠接收外部電流，該後蓋20B則設有該輸出孔201，且其周緣設有複數個後連接部202B(如：鎖孔)，該外殼20C則呈中空管體狀，且嵌卡在該前蓋20A與後蓋20B兩者之間，又，該前連接部202A與後連接部202B能分別與一連接桿203的兩端相固定，以將該前蓋20A、後蓋20B及外殼20C結合成一體，形成本發明所述之殼體20，此外，為避免該外殼20C發生轉動之情況，該前蓋20A及後蓋20B兩者上分別設有複數個嵌卡部205(如：凸片)，以分別與該外殼20C之兩端相嵌卡，惟，在本發明之其它實施例中，業者能夠依設計需求，而將該殼體20設計為單一個元件，或是由兩個以上的元件組合而成(如，僅有前蓋20A與後蓋20B，或是增加外殼20C的數量)，並非僅限定於前述前蓋20A、後蓋20B與外殼20C之三個元件的組合方式，合先陳明。

另，復請參閱第2及3圖所示，該外定子21係安裝在該容納空間200內，包括複數個外磁鐵211，在該實施例中，各該外磁鐵211係位在該外殼20C內，且沿該外殼20C(即，殼體20)之圓周向固定至該外殼20C之內壁，各該外磁鐵211彼此相隔一間距，且任二相鄰之外磁鐵211彼此極性相反，惟，在本發明之其它實施例中，該外定子21尚能包括一外定子本體，其中，該外定子本體係呈中空管體狀，且固定至該殼體20之內壁，該等外磁鐵211則係固定至該外定子本體內，如此，業者便能夠單獨或客製化地製作出該外定子21，以提高生產上的便利性，在此特別一提者，該外定子本體之構造係如同該外殼20C之態樣，但是，業者能如該實施例般省略該外定子本體，或是將外定子本體與殼體20結合為一體，以減少該直流馬達結構2的元件數量。

復請參閱第2及3圖所示，該換向器22係安裝在該容納空間200內，且沿該殼體20之軸向樞接至該殼體20前端之內壁，在該實施例中，該換向器22係位在該前蓋20A中，並與該前蓋20A內之電刷204相電氣連接，以接收該電刷204傳來之外部電流，又，該換向器22包括一盤體220及複數個換向片221，其中，該等換向片221彼此相隔一間距地組裝至該盤體220之前側面，在此聲明者，本發明之電刷204與換向器22兩者間的電氣連接方式係為習知技術，在此不予贅述，只要該電刷204與換向器22能相互傳遞電流，即為本發明所述之電刷204與換向器22的連接關係。另，該輸出件23係安裝在該容納空間200內，且沿該殼體20之軸向樞接至該殼體20後端之內壁對應於該輸出孔201之位置，在該實施例中，該輸出件23係呈一齒輪狀，並位在該後蓋20B中對應於該輸出孔201之位置，如此，一傳動件(如：鍊條)即能夠通過該輸出孔201，與該輸出件23相連接，進而在該直流馬達結構2運轉時，使該直流馬達結構2所產生之動能能依序經由該輸出件23與傳動件，輸出至一負載(如：變速箱)，以使該負載能藉由該動能而運作，惟，在本發明之其它實施例中，該輸出件23亦能為輪毂或其它元件，且該傳動件能為皮帶圈或其它元件，意即，業者能夠根據負載與傳動件的樣式，而變更該輸出件23之態樣，以使本發明之直流馬達結構2能夠應用至更多的器具或裝置上。

再者，請參閱第2及3圖所示，該中空型轉子24係沿該殼體20之軸向安裝在該外定子21內，且與該外定子21保持一第一間隙24A，以使該中空型轉子24能自由地在該外定子21內轉動，其中，該中空型轉子24是由複數個鐵芯組合而成，其內沿軸向形成有一軸孔240，其前端係與該換向器22相連接，其後端則與該輸出件23相連接，又，該中空型轉子24上繞設有複數匝線圈27，各該線圈27之兩端能分別電氣連接至該換向器22上二相鄰之換向片221，以接收該換向器22傳來之電流，令該中空型轉子24產生對應之電磁場，另，該換向器22上二相鄰之換向片221能依一設定頻率，令其傳送至對應線圈27的電流方向逆轉，以使該線圈27所產生的電磁場亦同時逆轉，此一換向過程係依該設定頻率一再重複，如此，當該中空型轉子24因磁場作用轉動時，亦會同步帶動該換向器22及該輸出件23轉動。

為詳細說明前述中空型轉子24之結構，請參閱第2及4圖所示，該中空型轉子24包括一外鐵芯241及一內鐵芯242，該外鐵芯241與內鐵芯242皆是由複數片矽鋼片組合而成，其中，該外鐵芯241之外側表面沿軸向設有複數個外線槽243，其內側表面則沿軸向設有複數個第一凹部244A，又，該內鐵芯242之內側表面沿軸向設有複數個內線槽245，其外側表面則沿軸向設有複數個第二凹部244B，該等外線槽243及內線槽245係供繞設線圈27，當該外鐵芯241與內鐵芯242組裝為一體時，該外鐵芯241之內側表面會貼靠至該內鐵芯242之外側表面，且各該第一凹部244A會分別與各該第二凹部244B相對應，以分別形成一固定孔244，使得該等固定孔244能沿該中空型轉子24之圓周向排列而成，另，複數支固定棒246能分別伸入至相對應之各該固定孔244中，以與該中空型轉子24相結合為一體，又，各該固定棒246之前端會外露出該中空型轉子24，且能固定至該換向器22之盤體220的後側面，各該固定棒246之後端亦會外露出該中空型轉子24，並固定至該輸出件23，如此，該中空型轉子24、換向器22與輸出件23三者便能組裝成為一體，以能同步轉動。

此外，復請參閱第2及4圖所示，為避免該換向器22與輸出件23碰觸到該中空型轉子24上之線圈27，各該固定棒246之前端與後端尚能分別套設一限位管247，該限位管247之外徑大於該固定孔244之孔徑，而無法伸入至該固定孔244中，且其位在該換向器22與中空型轉子24兩者間，或位在該輸出件23與中空型轉子24兩者間，以使該換向器22與輸出件23不會碰觸到該中空型轉子24上之線圈27。惟，在此特別一提者，在本發明之其它實施例中，業者能夠採用其它方式，使該中空型轉子24、換向器22與輸出件23三者相結合，只要該中空型轉子24能夠同步帶動該換向器22與輸出件23，且分別與該換向器22與輸出件23保持一預定間隙，即為本發明所欲保護之連接關係。

另，復請參閱第2及4圖所示，該外鐵芯241與內鐵芯242係藉由繞設其上的線圈27而組裝固定成一體，以避免該外鐵芯241與內鐵芯242相互脫離，且令該等固定棒246分別被固定至對應之該等固定孔244中。茲僅就本發明之線圈27纏繞方式說明如後，惟，在本發明之其它實施例中，業者能夠以不同的纏繞方式，使線圈27固定至中空型轉子24上，請參閱第5圖所示，其中，第5圖中僅顯示出局部之中空型轉子24與兩匝線圈27，以避免圖式過於複雜。該外鐵芯241之外側表面開設有相鄰之二外線槽243A、243B，該內鐵芯242之內側表面則開設有相鄰之二內線槽245A、245B，其中，外線槽243A與內線槽245A相對應，外線槽243B與內線槽245B相對應，又，一線圈27A之一端能電氣連接至其中一換向片221，其另一端則伸入至外線槽243A之前端，且通過該外線槽243A，並伸出至該外線槽243A之後端，之後，該線圈27A之另一端會伸入至內線槽245A之後端，且通過內線槽245A，並伸出至該內線槽245A之前端，又，其會斜向伸入至外線槽243B，並依序通過該外線槽243B、外線槽243B之後端、內線槽245B之後端與內線槽245B，再伸出至該內線槽245B之前端，以能電氣連接至另一換向片221，前述之線圈27A的纏繞方式即稱為一扎線圈27A；另，當該中空型轉子24欲繞設複數匝線圈27時，僅需使伸出至內線槽245B之前端的線圈27A斜向伸入至外線槽243A之前端，並重複前述纏繞方式即可。此外，當相鄰該線圈27之另一扎線圈27B的另一端伸出至該內線槽245A之前端後，該線圈27A之一端會與另一線圈27B之另一端兩者，電氣連接至同一個換向片221上，且當換向片221將電流傳輸至該線圈27A之一端時，其會接收到另一線圈27B之另一端所傳輸出來的電流，之後，當換向片221執行換向過程時，則前述電流方向會產生逆轉，如此，各該線圈27A、27B便能因電流方向而產生對應的電磁場。

復請參閱第2及3圖所示，該內定子25係組裝至該中空型轉子24之軸孔240內，其前端與後端分別固定至該殼體20之前端與後端，其中，該內定子25係與該中空型轉子24保持一第二間隙24B，以使該中空型轉子24能自由地在該內定子25外轉動，在該實施例中，該內定子25包括一內定子本體250與複數個內磁鐵251，其中，該等內磁鐵251係沿該殼體20之圓周向固定至該內定子本體250之外壁，彼此相互間隔，且任二相鄰之內磁鐵251彼此極性相反，又，該內定子本體250之前後兩端凸設有二定位桿252，各該定位桿252分別通過一軸承26A、26B固定至該殼體20之前端與後端，且各該軸承26A、26B分別與該換向器22與輸出件23相樞接，以在該中空型轉子24、換向器22與輸出件23轉動時，不會帶動該內定子25，以保持該內定子25之穩定性，，在該實施例中，各該定位桿 252分別固定至該前蓋20A與後蓋20B，惟，在本發明之其它實施例中，業者能夠根據不同設計內容，而更改各該定位桿252的固定位置與方式，只要該內定子25能被固定於殼體20內，且不會轉動，即為本發明所述之內定子25與殼體20兩者的連接關係，此外，業者亦能夠調整該內定子本體250的態樣，或是省略該內定子本體250，只要該內定子25能組裝至該中空型轉子24之軸孔240內，其前後端能分別固定至該殼體20之前後端，且各該內磁鐵251能沿該殼體20之圓周向固定在該內定子25之外緣，即為本發明所述之內定子25，合先敘明。

復請參閱第2圖所示，當該外定子21、中空型轉子24與內定子25相互組裝成一體時，各該內磁鐵251會與各該外磁鐵211相對應，且相互對應之內磁鐵251與外磁鐵211兩者的極性係呈相反或相同，如此，復請參閱第2圖所示，當該等線圈27接收到該換向器22傳來之電流，並產生對應之電磁場後，該電磁場能分別與該內定子25及外定子21所產生之磁場產生互斥作用，而使該中空型轉子24轉動，且同步帶動該輸出件23，此時，該輸出件23便會透過該輸出孔201，依序帶動該傳動件與負載，以將該中空型轉子24所產生之低轉速及高扭矩之一轉動扭力輸出至負載上。綜上所述可知，本發明之直流馬達結構2與習知直流馬達完全不同，習知直流馬達是以軸桿之輸出軸(如第1A圖所示之輸出軸111)來帶動負載，但是，本發明則是以輸出件23來帶動負載，由於該輸出件23是透過複數根固定棒246固定至中空型轉子24之後端，且其體積較大，因此，不會如同習知直流馬達一般容易發生軸線偏移之問題，同時，相較於習知直流馬達而言，本發明之直流馬達結構2在低轉速時，便能夠產生較大的轉動扭力，故能減少其上之各個元件的磨損率，大幅提高該直流馬達結構2的使用壽命。

按，以上所述，僅係本發明之較佳實施例，惟，本發明所主張之權利範圍，並不侷限於此，按凡熟悉該項技藝人士，依據本發明所揭露之技術內容，可輕易思及之等效變化，均應屬不脫離本發明之保護範疇。