本發(fā)明涉及層疊式直流無(wú)刷電機(jī)。

背景技術(shù)：

無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，如無(wú)人機(jī)、汽車、工具、工業(yè)工控、自動(dòng)化以及航空航天等等?？偟膩?lái)說(shuō)，無(wú)刷直流電機(jī)可以分為三種主要應(yīng)用用途：一時(shí)持續(xù)負(fù)載應(yīng)用，二是可變負(fù)載應(yīng)用，三是定位應(yīng)用。持續(xù)負(fù)載主要是應(yīng)用于需要一定轉(zhuǎn)速但是對(duì)轉(zhuǎn)速精度要求不高的領(lǐng)域，比如風(fēng)扇、吹風(fēng)機(jī)等，成本較低且多為開(kāi)環(huán)控制。可變負(fù)載主要是應(yīng)用于轉(zhuǎn)速需要在某個(gè)范圍內(nèi)變化的應(yīng)用，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間特性有更高的需求。如甩干機(jī)和壓縮機(jī)等，汽車工業(yè)領(lǐng)域中的油泵控制、電控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制等，成本相對(duì)更高。大多數(shù)工業(yè)控制和自動(dòng)控制方面的應(yīng)用屬于定位應(yīng)用，往往會(huì)完成能量的輸送，所以對(duì)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩有特別的要求，對(duì)控制器的要求也較高。測(cè)速時(shí)可能會(huì)用上光電和一些同步設(shè)備。過(guò)程控制、機(jī)械控制和運(yùn)輸控制等很多都屬于這類應(yīng)用。但是，現(xiàn)有技術(shù)中的直流無(wú)刷電機(jī)還存在一些問(wèn)題，例如：功率重量比偏低。無(wú)法實(shí)現(xiàn)小電流大扭矩。用于發(fā)電的效率不高。大功率的電機(jī)發(fā)熱量過(guò)大，能量浪費(fèi)多，散熱構(gòu)成很大問(wèn)題等等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，提出了一種層疊式直流無(wú)刷電機(jī)，包括由前、后蓋以及側(cè)殼組成的外殼、兩端分別通過(guò)軸承安裝在外殼內(nèi)的轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)軸上間隔均勻地固定著至少一塊磁石板，所述磁石板垂直于轉(zhuǎn)軸的兩個(gè)平面均具有2n個(gè)磁極區(qū)，同一平面上相鄰的兩個(gè)磁極區(qū)的極性相反，兩個(gè)平面相對(duì)位置的兩個(gè)磁極區(qū)極性相反，所述n為大于等于2的自然數(shù)；所述側(cè)殼上固定著與所述磁石板均勻穿插設(shè)置的至少一塊線圈板，所述線圈板上的線圈為圍繞轉(zhuǎn)軸排布的至少一圈齒輪狀或花瓣?duì)畹钠矫婢€圈，其具有n個(gè)凸齒形狀或花瓣形狀以及一個(gè)入線頭和一個(gè)出線頭，所述線圈相鄰兩組沿徑向方向的導(dǎo)線分別位于相鄰的磁極區(qū)內(nèi)。

本發(fā)明采用磁石板作為轉(zhuǎn)子的一部分，利用線圈作為定子的一部分，通過(guò)線圈通電切割磁力線，產(chǎn)生沿切線方向的力從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，加工方法簡(jiǎn)單，非常適合量產(chǎn)。由于線圈板和磁石板由多個(gè)分布式的小線圈和小磁石均勻分布構(gòu)成，因此電機(jī)外殼內(nèi)的空間得到了充分利用，對(duì)于相同功率和扭矩的現(xiàn)有技術(shù)中的電機(jī)來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)體積的大幅縮小。與其他現(xiàn)有技術(shù)中的電機(jī)相比，本發(fā)明的電機(jī)不使用鐵芯，重量大幅減輕，同時(shí)，采用了最有效率的方式利用了永磁體的磁場(chǎng)，永磁體的總使用量并不高，因此電機(jī)總重量進(jìn)一步輕量化。也正是因?yàn)槔昧擞来盆F所產(chǎn)生的最強(qiáng)磁場(chǎng)，配合相應(yīng)的線圈板，兩者結(jié)合的特殊的結(jié)構(gòu)使得通電線圈永遠(yuǎn)工作于磁場(chǎng)最強(qiáng)的區(qū)域，可以獲得最大機(jī)電轉(zhuǎn)換效率。因此，本發(fā)明由于有效工作磁場(chǎng)強(qiáng)度高，線圈多，線圈有效長(zhǎng)度很長(zhǎng)，因此通電后會(huì)產(chǎn)生非常大的旋轉(zhuǎn)力矩，而線圈中的通電電流只需要小電流即可，發(fā)熱量小，而且可實(shí)現(xiàn)小電流大扭矩，更進(jìn)一步因?yàn)榫€圈分布得比較均勻，因此發(fā)熱量顯著下降，而且多層的均勻分布結(jié)構(gòu)也十分有利于散熱。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的裝配圖；

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的爆炸圖；

圖3為本發(fā)明轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明霍爾元件裝配后與磁石對(duì)應(yīng)的位置俯視示意圖；

圖5為本發(fā)明電機(jī)工作時(shí)的氣流走向圖；

圖6是本發(fā)明線圈板一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明圖6的局部細(xì)節(jié)放大圖；

圖8為本發(fā)明一層線圈與磁石板的位置關(guān)系示意圖；

圖9為本發(fā)明兩層線圈與磁石板的位置關(guān)系示意圖。

標(biāo)號(hào)說(shuō)明：1、前蓋，2、后蓋，3、側(cè)殼，4、軸承、5、轉(zhuǎn)軸，6、磁石板，7、線圈板，8、防塵蓋，9、隔套，10、鍵，11、霍爾元件板，12、霍爾元件，13、隔桿，14、焊點(diǎn)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理及方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

圖1、圖2給出了本發(fā)明層疊式直流無(wú)刷電機(jī)的一個(gè)具體的組成實(shí)施例，該實(shí)施例中前蓋1、后蓋2和側(cè)殼3組成電機(jī)的外殼，前蓋1和后蓋2的內(nèi)側(cè)分別設(shè)有兩個(gè)十字形的支架 8，兩個(gè)軸承4分別安裝在支架8的中心，轉(zhuǎn)軸5的兩端通過(guò)軸承4固定在外殼內(nèi)的支架上，且轉(zhuǎn)軸5的一端穿過(guò)前蓋1伸出至外殼外，另一端的端部設(shè)有限位圓盤51，限位圓盤51位于支架的外側(cè)，軸承4的內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸5固定，外圈與軸承安裝部固定，內(nèi)圈與外圈之間設(shè)有滾珠，使內(nèi)外圈可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

轉(zhuǎn)軸5上固定至少一個(gè)圓形的磁石板，在該實(shí)施例中，轉(zhuǎn)軸上間隔均勻地固定了六塊磁石板6，磁石板6之間通過(guò)隔套9均勻隔開(kāi)，保證間距相同的相對(duì)間隙，參考圖3，轉(zhuǎn)軸沿其軸向方向在其外壁上設(shè)有鍵10，磁石板6和隔套9上分別設(shè)有對(duì)應(yīng)的卡槽，通過(guò)鍵10和卡槽進(jìn)行限位防止磁石板6相對(duì)轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)。

如圖4所示，磁石板6垂直于轉(zhuǎn)軸的兩個(gè)平面均具有2n個(gè)等分排列的磁極區(qū)，本發(fā)明中n為大于等于2的自然數(shù)，即有4個(gè)或者更多偶數(shù)個(gè)等分排列的磁極區(qū)，且相鄰磁極區(qū)的磁性相反，磁石板6兩個(gè)平面相對(duì)位置的極性相反。在本實(shí)施例中，磁石板6的一個(gè)平面上具有16個(gè)磁極區(qū)，8個(gè)S極和8個(gè)N極依次間隔排布，該磁石板6可以由8個(gè)形狀大小相同的獨(dú)立的扇形磁鐵拼接而成，也可以采用平面兩極注磁的工藝在磁石板的兩面上分別形成16個(gè)磁極區(qū)。

如圖5所示，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一定的離心力，導(dǎo)致空氣往四周跑。本實(shí)施例中，在前、后蓋上靠近轉(zhuǎn)軸的地方設(shè)置了進(jìn)風(fēng)孔，轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的離心力使氣流向四周散開(kāi)，并在靠近轉(zhuǎn)軸的區(qū)域形成相對(duì)真空。該真空又將外部的氣體從靠近轉(zhuǎn)軸的進(jìn)風(fēng)孔吸入，進(jìn)入到電機(jī)外殼內(nèi)，高速旋轉(zhuǎn)的磁石板繼續(xù)將氣流打向四周，從側(cè)殼上設(shè)置的出風(fēng)孔流出，完成氣流循環(huán)。這樣，電機(jī)線圈板產(chǎn)生的熱量可以借助該流動(dòng)的氣流迅速散到電機(jī)外，保證電機(jī)的工作環(huán)境溫度。因此，電機(jī)可以以很大的功率工作，實(shí)現(xiàn)很大的能量密度。

如圖6至圖7所示，側(cè)殼3的內(nèi)壁上固定至少一塊線圈板7，支架之間靠近側(cè)殼的位置固定了四根隔桿13，四根隔桿13上相同的位置都設(shè)置了間隔均勻的卡槽，四根隔桿位于同一平面內(nèi)的四個(gè)卡槽可以對(duì)一塊線圈板的邊緣進(jìn)行限位，保障線圈板的間隔均勻。線圈板7也具有垂直于轉(zhuǎn)軸的兩個(gè)平面，這兩個(gè)平面當(dāng)中至少有一個(gè)平面設(shè)有線圈來(lái)與一磁石板的一個(gè)平面上的磁極相互作用，線圈板7的中間開(kāi)設(shè)了可供轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)孔，轉(zhuǎn)動(dòng)孔的內(nèi)徑只需要略大于轉(zhuǎn)軸的外徑即可，因此，讓線圈板和磁石板有較大的相對(duì)面積，可以來(lái)設(shè)置相互作用的磁石和線圈。線圈板上的線圈為圍繞轉(zhuǎn)軸排布的至少一圈齒輪狀或花瓣?duì)畹钠矫婢€圈，其具有n個(gè)凸齒形狀或花瓣形狀，也就是具有2n個(gè)沿徑向方向的導(dǎo)線可以分別位于2n個(gè)磁極區(qū)內(nèi)，且相鄰兩組導(dǎo)線的電流方向必然相反，例如位于N極內(nèi)的導(dǎo)線的電流自沿著徑向方向由內(nèi)至外時(shí)，位于S極內(nèi)的導(dǎo)線的電流則沿著徑向方向由外至內(nèi)，因此其產(chǎn)生的作用力將一致。在本發(fā)明中，線圈可以由一根螺線進(jìn)行繞線形成多圈齒輪狀或花瓣?duì)畹钠矫婢€圈?；蛘哌€可以采用毫米或亞毫米量級(jí)整塊薄銅板通過(guò)垂直刻蝕或者激光切割或者其他方法形成多圈齒輪狀或花瓣?duì)畹钠矫婢€圈，可以使線圈的圈數(shù)倍增，達(dá)到相應(yīng)的阻抗要求，且每一個(gè)線圈僅具有一個(gè)入線頭和一個(gè)出線頭（參考圖6），焊點(diǎn)非常少，非常易于量產(chǎn)，其中入線頭與側(cè)殼上的焊點(diǎn)連接，該焊點(diǎn)將電連接至電機(jī)的電源，出線頭與線圈板上的焊點(diǎn)連接，各線圈板上的焊點(diǎn)之間可以通過(guò)平行于轉(zhuǎn)軸的一根或多根導(dǎo)線進(jìn)行并聯(lián)或者串聯(lián)。

如圖8所示，線圈板7和磁石板6同圓心設(shè)置，即磁石板6、線圈板7的中心均在轉(zhuǎn)軸的中心軸線上，線圈板7與磁石板6均勻穿插設(shè)置，即線圈板7可以與磁石板為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，或者是多塊線圈板穿插在多塊磁石板之間，也可以是多塊磁石板穿插在多塊線圈板之間。在該實(shí)施例中，側(cè)殼內(nèi)壁上固定著五塊線圈板7，每塊線圈板7都間隔均勻地伸入到兩塊磁石板6之間。圖中為了顯示清晰，僅示出了一層線圈與磁石板俯視時(shí)的效果圖，線圈板7上的線圈具有8個(gè)花瓣形狀，一共有16組沿著徑向方向的導(dǎo)線，分別位于16個(gè)磁極區(qū)內(nèi)。

如圖9所示，還可以設(shè)置兩層或三層上述平面線圈，每層線圈之間相互絕緣，通過(guò)涂覆絕緣漆的方式，既不增加線圈板的厚度又可以很好地實(shí)現(xiàn)絕緣，除了該絕緣方式以外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以采用其他慣常的絕緣手段，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。如果設(shè)置了兩層線圈，即為兩相控制電機(jī)，兩層線圈各自的驅(qū)動(dòng)電流相差90度相位，兩層線圈的位置相差90/（每層齒輪數(shù)或花瓣數(shù)/2）。如果是三層線圈，即為三相控制電機(jī)，三層線圈各自驅(qū)動(dòng)電流相差60度相位，三層線圈的位置各自錯(cuò)開(kāi)60/（每層齒輪數(shù)或花瓣數(shù)/2）度。例如，圖9的示例中，線圈板的兩個(gè)面上可以分別設(shè)置一層線圈，一共兩層線圈，90/16/2=11.25，因此兩層線圈之間的位置應(yīng)該錯(cuò)開(kāi)11.25度。圖中同樣為了顯示清晰，只顯示了兩層線圈與磁石板的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在初始狀態(tài)時(shí)，即電機(jī)未工作時(shí)，有一層線圈滿足線圈相鄰兩組沿徑向方向的導(dǎo)線分別位于相鄰的磁極區(qū)內(nèi)即可。

通過(guò)上述結(jié)構(gòu)，前蓋1、后蓋2、側(cè)殼3以及線圈板7成為固定不動(dòng)的定子，磁石板6、隔套9及轉(zhuǎn)軸5作為可旋轉(zhuǎn)的動(dòng)子，該結(jié)構(gòu)中，我們可以將磁石板做得盡量薄，例如可以采用毫米級(jí)厚度的磁石，通過(guò)設(shè)置多個(gè)間隔排列的薄磁石板，使相鄰兩個(gè)磁石板的狹窄間隙之中存在極強(qiáng)的軸向磁場(chǎng)，薄片狀的線圈板插在上述強(qiáng)磁場(chǎng)間隙中，當(dāng)線圈通電后，將產(chǎn)生非常大的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。通過(guò)多個(gè)磁石板和線圈板的交疊，可實(shí)現(xiàn)上述轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的倍增。因此，本發(fā)明的電機(jī)結(jié)構(gòu)具有極高的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，極高的空間利用率，極高的功率重量比和功率體積比。

后蓋的內(nèi)側(cè)還可以安裝霍爾元件板11，霍爾元件板11上安裝著兩個(gè)霍爾元件來(lái)確認(rèn)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)位置并計(jì)數(shù)。

參考圖4，霍爾元件板上的兩個(gè)霍爾元件12一個(gè)位于磁性較強(qiáng)的磁極區(qū)內(nèi)（N極或S極內(nèi)），另一霍爾元件12位于磁性較弱的區(qū)域內(nèi)，即位于相鄰的兩個(gè)磁極區(qū)中間，當(dāng)磁石板6轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)霍爾元件12的輸出的信號(hào)為相位差為90度的三角波或正弦波。可以精確反饋磁石的位置和角度。通過(guò)霍爾元件檢測(cè)到的反饋信號(hào)可以對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速可調(diào)，并可以通過(guò)控制芯片進(jìn)行剎車控制，控制線圈電流的通斷，能夠滿足極高的精度要求。

除了圖1、圖2給出的線圈板7和磁石板6的組合方式，線圈板7和磁石板6之間還可以具有其他多種多樣的組合方式，組合的具體數(shù)量為0.5*m組，m為大于等于2的自然數(shù)。例如線圈板7與磁石板6的具體數(shù)量可以為1組（一個(gè)線圈板與一個(gè)磁石板相互配合作用）；1.5組（兩個(gè)線圈板分別位于一個(gè)磁石板兩側(cè)，或者兩個(gè)磁石板之間設(shè)置一個(gè)線圈板）；2組（兩個(gè)線圈板與兩個(gè)磁石板）……等其他組。當(dāng)磁石板6為2個(gè)以上時(shí)，兩塊磁石板相對(duì)的兩個(gè)相對(duì)面上相對(duì)的磁極區(qū)的極性相反，所以磁石板之間為相互吸引的作用力。線圈板7之間可以串聯(lián)，也可以并聯(lián)。這樣能夠達(dá)到一個(gè)最佳的電阻值和控制電流值，并能滿足扭矩大小的不同需求和功率，散熱等的具體要求。而且本發(fā)明電機(jī)的尺寸非常靈活。

本發(fā)明的上述多種實(shí)施例均是由兩種標(biāo)準(zhǔn)組件（磁石板和線圈板）簡(jiǎn)單交互堆疊而成，因此比其他電機(jī)的量產(chǎn)性高很多。另外，通過(guò)控制疊層的數(shù)目，可方便控制電機(jī)的外形尺寸，輸出功率和轉(zhuǎn)矩等各項(xiàng)性能參數(shù)，非常靈活。在其他實(shí)施例中，還可以在前蓋和后蓋的中心相向伸出兩個(gè)軸承安裝部，其內(nèi)用來(lái)分別安裝軸承。而導(dǎo)電金屬薄板除了采用銅板以外，還可以采用其他導(dǎo)電的金屬薄板，例如鋁板，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

以上具體實(shí)施例僅用以舉例說(shuō)明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的構(gòu)思下可以做出多種變形和變化，這些變形和變化均包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。