專利名稱：具有連續(xù)排列的磁極的直流電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直流電機(jī)，如直流電動(dòng)機(jī)等。
背景技術(shù)：
一種先前已知的直流電機(jī)如直流電動(dòng)機(jī)等包括不同極性(N極和S極)的磁體、電樞、換向器和兩個(gè)電刷。當(dāng)通過電刷和換向器來切換提供給每個(gè)相應(yīng)的電樞線圈的電流的方向時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。
在切換電流的方向時(shí)，即，在換向時(shí)，由于電樞線圈的感應(yīng)，發(fā)生了趨向于阻礙電流的線性變化的負(fù)效應(yīng)，引起了不充分的換向。在這樣的情況下，可能會(huì)在換向的后期，強(qiáng)制地停止從換向器流向電樞線圈的電流，引起了火花(換向火花)的產(chǎn)生。已知該現(xiàn)象引起了電刷磨損、噪聲產(chǎn)生、電磁噪聲產(chǎn)生等。因此，需要解決這樣的缺點(diǎn)。
日本待審專利公開No.2002-95230致力于上述缺點(diǎn)，并公開了一種直流電動(dòng)機(jī)，該直流電動(dòng)機(jī)通過改變每個(gè)磁體的磁通量的分布(即，磁通密度的分布)來改變通過處于換向過程中的每一個(gè)相應(yīng)電樞線圈的磁通量的量，來實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的換向。
圖21示出了在日本待審專利公開No.2002-95230中所描述的直流電動(dòng)機(jī)71。具體地，電動(dòng)機(jī)殼77容納一對(duì)磁體72、73。磁體72、73分別形成了N極和S極，并且圍繞電樞74彼此相對(duì)。電樞74包括電樞鐵芯78、電樞線圈79a、79b、以及換向器80。在電樞鐵芯78中形成了12個(gè)齒78a。使每個(gè)電樞線圈79a、79b纏繞六個(gè)齒78a的相應(yīng)組。雖然未示出，使其余的電樞線圈的每一個(gè)類似地纏繞六個(gè)齒78a的相應(yīng)組。
換向器80設(shè)置在電樞74的一端。換向器80包括多個(gè)片(換向器片)76。相鄰的兩個(gè)換向器片76a、76b通過相應(yīng)的電樞線圈79a彼此相連，而相鄰的兩個(gè)換向器片76c、76d通過相應(yīng)的電樞線圈79b彼此相連。使電刷75a、75b壓迫換向器80以便可滑動(dòng)地與換向器80嚙合。將從直流電源(未示出)提供的直流電通過電刷75a、75b和換向器80的相應(yīng)換向器片76，施加到電樞線圈79a、79b。
當(dāng)電樞74按照X方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，由電刷75a使換向器片76a、76b短路，從而使短路電流流過電樞線圈79a。此外，還由電刷75b使換向器片76c、76d短路，從而使電路電流流過電樞線圈79b。在由相應(yīng)的電刷75a、75b進(jìn)行短路期間，對(duì)在相應(yīng)的電樞線圈79a、79b中流動(dòng)的電流的方向進(jìn)行切換，從而使電樞74進(jìn)一步按照順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)(按照?qǐng)D21所示的X方向)。如圖21所示，在圓周方向上以30度的間隔排列12個(gè)換向器片76，并且對(duì)每一個(gè)相應(yīng)的電樞線圈79a、79b中的電流方向進(jìn)行切換。更具體地，在電樞74的30度旋轉(zhuǎn)期間，執(zhí)行電樞線圈79a、79b的換向過程。
磁體72包括主磁極72a(N極)和兩個(gè)端磁極72b、72c(S極)。端磁極72b、72c分別從主磁極72a的相對(duì)端開始延伸。磁體73包括主磁極73a(S極)和兩個(gè)端磁極73b、73c(N極)。端磁極73b、73c分別從主磁極73a的相對(duì)端開始延伸。在前一半換向過程期間，在換向過程下用電樞線圈79a纏繞的頭端齒的頭端78b位于磁體72的端磁極72b處，所述端磁極72b按照電樞74的旋轉(zhuǎn)方向，位于磁體72的前端。在后一半換向過程中，頭端78b位于磁體73的端磁極73c處，端磁極73c按照電樞74的旋轉(zhuǎn)方向，位于磁體73的后端。此外，在換向過程的前一半期間，在換向過程下用電樞線圈79b纏繞的頭端齒的頭端78b位于磁體73的端磁極73b處，所述端磁極73b按照電樞74的旋轉(zhuǎn)方向，位于磁體73的前端。在換向過程的后一半期間，頭端78b位于磁體72的端磁極72c處，所述端磁極72c按照電樞74的旋轉(zhuǎn)方向，位于磁體72的后端。
按照上述結(jié)構(gòu)，在換向過程的前一半中，由具有與主磁極72a(N極)的極性相反的極性的端磁極72b(S極)來減少通過電樞線圈79a的磁通量。在換向過程的后一半中，以具有與主磁極72a(N極)的極性相同的極性的端磁極73c(N極)來增加通過電樞79a的磁通量。此外，在換向過程的前一半中，由具有與主磁極73a(S極)的極性相反的極性的端磁極73b(N極)來減少通過電樞線圈79b的磁通量。在換向過程的后一半中，由具有與主磁極73a(S極)的極性相同的極性的端磁極72c(S極)來增加通過電樞線圈79b的磁通量。因此，在換向過程的前一半中，由于在換向過程中通過電樞線圈79a、79b的磁通量的變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電壓按照換向阻礙方向進(jìn)行作用，以阻礙換向。與此相反，在換向過程的后一半中，由于在換向過程中通過電樞線圈79a、79b的磁通量的變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電壓按照換向有利方向進(jìn)行作用，以有利于換向。按照這種方式，可以改善換向。
此外，還已經(jīng)提出按照以下方式來形成磁體72、73，所述方式為在上述直流電動(dòng)機(jī)71中，端磁極72b和端磁極73c彼此直接相連，并且端磁極72c和端磁極73b彼此直接相連。按照這種方式，磁體72、73沿著電動(dòng)機(jī)殼77的整個(gè)內(nèi)周表面延伸，從而可以有效地使用磁體72、73的磁通量。
在上述直流電動(dòng)機(jī)71中，通過分別設(shè)置在每個(gè)主磁極72a、73a的相反端的端磁極72b、72c、73b、73c，改變了磁通量，以便改善換向。然而，在直流電動(dòng)機(jī)71中，在按照電樞74的旋轉(zhuǎn)方向位于磁體72的前端的磁體72的前圓周端部，設(shè)置了具有與主磁極72a(N極)的極性相反的極性的端磁極72b(S極)。此外，在按照電樞74的旋轉(zhuǎn)方向位于磁體73的前端的磁體73的前圓周端部，設(shè)置了具有與主磁極73a(S極)的極性相反的極性的端磁極73b(N極)。為了減少在換向過程中通過電樞線圈79a、79b的磁通量的量，不利地減少了有助于電樞74的旋轉(zhuǎn)的磁通量。
此外，通常，在直流電動(dòng)機(jī)中，當(dāng)電流流過電樞線圈時(shí)，由電樞磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生磁通量，從而影響了永久磁體的磁通量。該現(xiàn)象被稱為電樞反應(yīng)。當(dāng)電樞反應(yīng)相對(duì)較大時(shí)，實(shí)質(zhì)上扭曲了磁通量的空間分布。例如，當(dāng)通過增加提供給電樞線圈的電能來增加感應(yīng)電壓時(shí)，延遲了換向電流的切換。因此，在換向過程結(jié)束時(shí)，對(duì)電流進(jìn)行突然地切換，引起了電刷火花的產(chǎn)生。為了限制該現(xiàn)象，需要即使在增加了提供給每一個(gè)相應(yīng)電樞線圈的電能的情況下，仍能減少電樞反應(yīng)的影響。
然而，在上述直流電動(dòng)機(jī)71中，未涉及在增加提供給每一個(gè)相應(yīng)電樞線圈79a、79b的電能時(shí)的電樞反應(yīng)的影響。因此，需要即使在增加了提供給電樞線圈79a、79b的電能的情況下，仍能限制電樞反應(yīng)對(duì)有效換向的抑制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明致力于上述缺點(diǎn)。因此，本發(fā)明的目的是提供一種直流電機(jī)，能夠改善換向并且能夠有效地使用用于電樞的旋轉(zhuǎn)的每一個(gè)磁體的磁通量。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，提出了一種直流電機(jī)，所述直流電機(jī)包括圓柱形磁軛、多個(gè)磁極和電樞。沿著圓柱形磁軛的整個(gè)內(nèi)周表面一個(gè)接著一個(gè)地連續(xù)排列磁極，以便沿著圓柱形磁軛的內(nèi)周表面提供交替的磁極。在圓柱形磁軛的多個(gè)磁極的徑向向內(nèi)的方向上容納電樞。電樞包括電樞鐵芯和多個(gè)電樞線圈。電樞鐵芯包括多個(gè)齒，所述齒以大體上相等的角度間隔排列。多個(gè)電樞線圈的每一個(gè)纏繞從多個(gè)齒中選擇的相應(yīng)的齒組。當(dāng)多個(gè)電樞線圈之一處于換向過程的開始時(shí)，其上纏繞了多個(gè)電樞線圈之一的相應(yīng)齒組中的尾端齒的中心線大體上與多個(gè)邊界中相應(yīng)的邊界對(duì)齊，在多個(gè)磁極的相應(yīng)的兩個(gè)相鄰圓周端之間形成多個(gè)邊界中的每一個(gè)。當(dāng)多個(gè)電樞線圈中的所述一個(gè)位于換向過程的結(jié)束時(shí)，相應(yīng)的齒組的頭端齒的中心線大體上與多個(gè)邊界中的相應(yīng)邊界對(duì)齊。


從以下描述、所附權(quán)利要求和附圖中，本發(fā)明及其附加目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將得到更好的理解，其中，圖1是根據(jù)第一實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)的示意橫截面圖；圖2A是示出了在換向期間的一個(gè)操作狀態(tài)的示意圖；圖2B是示出了在換向期間的另一操作狀態(tài)的示意圖；圖2C是示出了在換向期間的另一操作狀態(tài)的示意圖；圖3是示出了相對(duì)于電動(dòng)機(jī)的電樞的旋轉(zhuǎn)位置的磁通量的變化和感應(yīng)電壓的變化的波形圖；圖4是示出了在換向時(shí)的電流的變化和感應(yīng)電壓的變化的波形圖；
圖5是作為比較實(shí)例的電動(dòng)機(jī)的橫截面圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)的橫截面圖；圖7是示出了第二實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)的磁通量(磁通密度)的分布的波形圖；圖8是示出了電樞的旋轉(zhuǎn)位置和感應(yīng)電壓之間的關(guān)系的波形圖；圖9A是示出了在第一實(shí)施例中換向時(shí)電流的變化和感應(yīng)電壓的變化的波形圖；圖9B是示出了在第二實(shí)施例中換向時(shí)電流的變化和感應(yīng)電壓的變化的波形圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)的示意橫截面圖；圖11是示出了在第三實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)中的磁通量(磁通密度)的分布的波形圖；圖12是示出了在第三實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)中，電樞的旋轉(zhuǎn)位置和在電樞線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓之間的關(guān)系的波形圖；圖13是示出了在第三實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)中，增加電樞電流時(shí)的感應(yīng)電壓與電樞線圈中的電流之間的關(guān)系的波形圖；圖14是示出了在第三實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)中，電樞的旋轉(zhuǎn)位置與在正常周期在電樞線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓之間的關(guān)系的波形圖；圖15是示出了在提供電能時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和在第三實(shí)施例的正常周期的電樞線圈中的電流之間的關(guān)系的波形圖；圖16是作為比較實(shí)例的電動(dòng)機(jī)的示意橫截面圖；圖17是示出了在作為比較實(shí)例的電動(dòng)機(jī)中，電樞的旋轉(zhuǎn)位置和在電樞線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓之間的關(guān)系的波形圖；圖18是示出了在作為比較實(shí)例的電動(dòng)機(jī)中，增加電樞電流時(shí)的感應(yīng)電壓與電樞線圈中的電流之間的關(guān)系的波形圖；圖19是示出了對(duì)電動(dòng)機(jī)的修改的示意橫截面圖；圖20是示出了對(duì)電動(dòng)機(jī)的修改的示意橫截面圖；圖21是現(xiàn)有技術(shù)電動(dòng)機(jī)的示意橫截面圖；
具體實(shí)施例方式
(第一實(shí)施例)將參考圖1-5來描述在用作直流電機(jī)的鼓風(fēng)電動(dòng)機(jī)(blowermotor)中具體實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的實(shí)施例。
圖1是示出了第一實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)1的示意結(jié)構(gòu)的局部橫截面圖，而圖2A-2C是示出了在換向過程中的各種操作狀態(tài)的說明圖。
如圖1所示，在電動(dòng)機(jī)1中，在制作為磁軛的電動(dòng)機(jī)殼7中可旋轉(zhuǎn)地支撐固定到可旋轉(zhuǎn)軸6上的電樞4。按照使磁體2、3關(guān)于電樞4彼此相對(duì)的方式，沿著電動(dòng)機(jī)殼7的整個(gè)圓周一個(gè)接著一個(gè)地連續(xù)排列磁體(磁極)2、3。將每一個(gè)磁極2、3形成為半圓柱的形狀，具有180度的弧度角。對(duì)磁體2進(jìn)行磁化以形成N極，而對(duì)磁體3進(jìn)行磁化以形成S極。也就是說，交替地排列多個(gè)磁體2、3，以提供交替的磁極。
電樞4包括電樞鐵芯8和電樞線圈9。電樞線圈9纏繞電樞鐵芯8。在提供了直流電流時(shí)，電樞4旋轉(zhuǎn)。
電樞鐵芯8包括多個(gè)齒12。在電樞線圈9中，電樞線圈9a、9b中的每一個(gè)纏繞齒12的相應(yīng)組，其數(shù)量等于齒12的總數(shù)的一半。在本實(shí)施例中，齒12的總數(shù)是12，并且在電樞4的圓周方向上，以30度的間隔排列這些齒。也就是說，形成每相鄰的兩個(gè)齒12，從而使齒12之一的中心線和齒12的另一個(gè)的中心線之間的角度(即，電動(dòng)機(jī)電樞的槽角度，此后將被稱為相鄰齒12之間的角度)是30度(＝360度/12)。每一個(gè)電樞線圈9a、9b纏繞六個(gè)齒12的相應(yīng)組。設(shè)置出現(xiàn)在每一個(gè)齒12的組中的齒12的數(shù)量，以具有與每個(gè)磁體2、3的總角度范圍相一致的180度的總角度范圍。此外，盡管未示出，將其余的電樞線圈9中的每一個(gè)類似地纏繞在六個(gè)齒12的相應(yīng)組上。即，電樞線圈9的纏繞方式被稱為分布式纏繞。
在電樞4的一端設(shè)置具有換向器片11的換向器10。如圖1所示，每相鄰的兩個(gè)換向器片11通過相應(yīng)的電樞線圈9彼此相連。第一和第二電刷5a、5b關(guān)于換向器10彼此相對(duì)，并且壓迫換向器片11以可滑動(dòng)地與換向器片11嚙合。當(dāng)將從直流電源(未示出)中提供的直流電流通過第一和第二電刷5a、5b和換向器10的相應(yīng)換向器片11提供給電樞線圈9a、9b時(shí)，電樞4開始旋轉(zhuǎn)。更具體地，通過第一和第二電刷5a、5b中相應(yīng)的一個(gè)使成對(duì)的相鄰換向器片11短路，之后，對(duì)每一個(gè)相應(yīng)的電樞線圈9a、9b中的電流流動(dòng)方向進(jìn)行切換。按照這種方式，電樞4按照?qǐng)D1所示的順時(shí)針方向(即，圖1中箭頭X的方向)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
在本實(shí)施例中，在圓周方向上以30度的間隔來排列12個(gè)換向器片11。當(dāng)電樞4相對(duì)于第一和第二電刷5a、5b旋轉(zhuǎn)了大約30度時(shí)，切換每一個(gè)電樞線圈9a、9b中的電流方向。此時(shí)，相應(yīng)電樞線圈9a、9b中的每一個(gè)被稱為處于換向過程中。電樞4的該旋轉(zhuǎn)范圍被稱為每一個(gè)電樞線圈9a、9b的換向角度范圍(或者簡(jiǎn)單地被稱為換向范圍)。即，在電樞4旋轉(zhuǎn)大約30度的時(shí)間段內(nèi)，在每一個(gè)電樞線圈9a、9b中發(fā)生了換向過程。
在本實(shí)施例中，將與第一和第二電刷5a、5b中的每一個(gè)和相應(yīng)的相對(duì)換向器片11之間的嚙合程度相對(duì)應(yīng)的嚙合弧度角設(shè)置得與相鄰齒12之間的角度θ大體上相等。與每個(gè)電樞線圈9的換向角度相對(duì)應(yīng)的電樞4的旋轉(zhuǎn)角還對(duì)應(yīng)于相鄰齒12之間的角度θ。
將參考圖2來描述從第一電刷5a提供給電樞線圈9a的電流的變化。實(shí)際上，圖2所示的換向器片11彼此分離，如圖1所示。
首先，如圖2A所示，在換向過程的開始，第一電刷5a與換向器片11a嚙合(圖1)，從而使電流I在電樞線圈9a從右向左流動(dòng)，并且按照抵消方向(圖2A中從左到右)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，以便抵消電流I。然后，如圖2B所示，電樞4旋轉(zhuǎn)，因此，換向器片11a、11b相對(duì)于第一電刷5a按照向右的方向(圖2B所示的箭頭X的方向)運(yùn)動(dòng)。因此，第一電刷5a使換向器片11a、11b短路，因此，流過電樞線圈9a的電流實(shí)質(zhì)上變?yōu)榱恪４藭r(shí)，在電樞線圈9a中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓也變?yōu)榱?。之后，如圖2C所示，電樞4進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)，因此，換向器片11a、11b相對(duì)于第一電刷5a按照向右的方向(圖2C所示的箭頭X的方向)運(yùn)動(dòng)。因此，電流I從左向右流過電樞線圈9a，并且沿抵消方向(圖2C中從右到左)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，以便抵消電流I。
也就是說，當(dāng)電樞4按照?qǐng)D2A、2B和2C的順序旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)流過電樞線圈9a的電流I的方向進(jìn)行反轉(zhuǎn)，即，進(jìn)行切換。此外，對(duì)在電樞線圈9a中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的方向進(jìn)行反轉(zhuǎn)，即，進(jìn)行切換。電樞線圈9a的電磁力和磁體2、3的磁力感應(yīng)出旋轉(zhuǎn)力，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)1旋轉(zhuǎn)。
參考圖1，尾端齒12b位于在其上纏繞了電樞線圈9a的齒12的組的尾端。換句話說，尾端齒12b按照電樞4的旋轉(zhuǎn)方向，位于該齒12的特定組的后端。按照以下的方式來設(shè)置第一電刷5a的位置，所述方式為當(dāng)電樞4位于在其上通過經(jīng)由第一電刷5a的短路而進(jìn)行的電樞線圈9a的換向過程開始的上述旋轉(zhuǎn)位置時(shí)，尾端齒12b的中心線位于與磁體2(N極)和磁體3(S極)之間的邊界(圖1中的頂側(cè)邊界)徑向相對(duì)，即，對(duì)齊。該狀態(tài)對(duì)應(yīng)于圖2A所示的狀態(tài)。類似地，尾端齒12d位于其上纏繞了電樞線圈9b的齒12的組的尾端。按照以下的方式來設(shè)置第二電刷5b的位置，所述方式為當(dāng)電樞4位于在其上通過經(jīng)由第二電刷5b的短路而進(jìn)行的電樞線圈9b的換向過程開始的上述旋轉(zhuǎn)位置時(shí)，尾端齒12d的中心線位于與磁體2(N極)和磁體3(S極)之間的另一邊界(圖1中的底側(cè)邊界)徑向相對(duì)，即，對(duì)齊。
參考圖1，頭端齒12a位于其上纏繞了由第一電刷5a換向的電樞線圈9a的齒12的組的頭端。換句話說，頭端齒12按照電樞4的旋轉(zhuǎn)方向，位于該齒12的特定組的前端。當(dāng)電樞4按照?qǐng)D1中箭頭X的方向旋轉(zhuǎn)了15度時(shí)，頭端齒12a的頭端(旋轉(zhuǎn)方向上的前端)位于徑向相對(duì)，即，與磁體2(N極)和磁體3(S極)之間的邊界(圖1中的底側(cè)邊界)對(duì)齊。該狀態(tài)對(duì)應(yīng)于圖2B所示的狀態(tài)。此外，頭端齒12c位于其上纏繞了由第二電刷5b換向的電樞線圈9b的齒12的組的頭端。此時(shí)，頭端齒12c的頭端位于與磁體2(N極)和磁體3(S極)之間的邊界(圖1中的頂側(cè)邊界)徑向相對(duì)，即，對(duì)齊。
當(dāng)電樞4按照?qǐng)D1中箭頭X的方向再旋轉(zhuǎn)15度時(shí)，電樞線圈9a、9b的每一個(gè)中的換向過程結(jié)束。此時(shí)，頭端齒12a的中心線位于與磁體2(N極)和磁體3(S極)之間的邊界(圖1中的底側(cè)邊界)徑向相對(duì)。該狀態(tài)對(duì)應(yīng)于圖2C所示的狀態(tài)。類似地，此時(shí)，頭端齒12c的中心線位于與磁體2(N極)和磁體3(S極)之間的邊界(圖1中的頂側(cè)邊界)徑向相對(duì)。
接下來，將描述電動(dòng)機(jī)(直流電機(jī))1的操作。
在圖1中，當(dāng)通過第一和第二電刷5a、5b提供電能時(shí)，電樞4按照?qǐng)D1中箭頭X的方向旋轉(zhuǎn)。因此，其上纏繞了當(dāng)前處于換向過程中的電樞線圈9a的六個(gè)齒12的組的頭端齒12a移過15度的角度間隔(＝θ/2)。該15度的角度間隔從按照電樞4的旋轉(zhuǎn)方向位于磁體2的前端的磁體2的前圓周端處開始延伸。然后，頭端齒12a再移過另一個(gè)15度的角度范圍(＝θ/2)。該15度的角度范圍從按照電樞4的旋轉(zhuǎn)方向位于磁體3的后端的磁體3的后圓周端處開始延伸。此外，其上纏繞了當(dāng)前處于換向過程中的電樞線圈9b的六個(gè)齒12的組的頭端齒12c移過15度的角度范圍(＝θ/2)。該15度的角度范圍從按照電樞4的旋轉(zhuǎn)方向位于磁體3的前端的磁體3的前圓周端處開始延伸。然后，頭端齒12c再移過另一個(gè)15度的角度范圍(＝θ/2)。該15度的角度范圍從按照電樞4的旋轉(zhuǎn)方向位于磁體2的后端的磁體2的后圓周端處開始延伸。
磁通量通過其上圍繞了當(dāng)前處于換向過程中的電樞線圈9a、9b的六個(gè)齒12的組的頭端齒12a、12c。將參考圖5所示的電動(dòng)機(jī)81來描述該磁通量的效果。
如圖5所示，用作比較實(shí)例的電動(dòng)機(jī)81具有一對(duì)磁體82、83。磁體82、83分別形成了N極和S極。每個(gè)磁體82、83的弧度角(角度范圍)是150度。響應(yīng)磁體82、83的弧度角，使每個(gè)電樞線圈89a、89b纏繞5個(gè)齒12的相應(yīng)組。每個(gè)電樞線圈89a、89b的纏繞角度(即，其上纏繞了電樞線圈89的五個(gè)齒12的組的頭端和尾端之間的角度)設(shè)置為150度。盡管未示出，應(yīng)該理解，使每個(gè)其余的電樞線圈類似地纏繞五個(gè)齒12的相應(yīng)組。
圖3是示出了相對(duì)于本發(fā)明的電樞4的旋轉(zhuǎn)位置的磁通量的變化和感應(yīng)電壓的變化的波形圖。圖3還示出了相對(duì)于比較實(shí)例的電動(dòng)機(jī)81(圖5)中的電樞4的旋轉(zhuǎn)位置的磁通量的變化和感應(yīng)電壓的變化。
在圖3中，電樞線圈9的參考位置是電樞線圈9的頭端的位置，并且將電樞9的該參考位置轉(zhuǎn)過0-360度，以便測(cè)量電樞線圈9中的上述變化。電樞線圈9的頭端的位置與槽的中心線相一致，所述槽位于其上纏繞了電樞線圈9的齒12的組的頭端齒12a和按照電樞4的旋轉(zhuǎn)方向緊接在頭端齒12a之后的下一個(gè)齒12之間。因此，在圖1所示的狀態(tài)中，當(dāng)假定頂部端點(diǎn)為零度時(shí)，將電樞線圈9的位置按照X方向從頂部端點(diǎn)處旋轉(zhuǎn)165度。
圖3所示的磁通量是磁體2、3的磁通量和在旋轉(zhuǎn)電樞4時(shí)所產(chǎn)生的磁通量(即，由通過電樞線圈9的電流所產(chǎn)生的磁通量)的和。圖3所示的感應(yīng)電壓是由上述磁通量所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和由旋轉(zhuǎn)電樞4時(shí)的磁通量所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的和。
參考圖3，在本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)1中，在分別用當(dāng)前處于換向過程中的電樞線圈9a、9b纏繞的頭端齒12a、12c的整個(gè)換向角度范圍(換向范圍)內(nèi)，存在磁體2、3。因此，即使在電動(dòng)機(jī)1的換向角度范圍中，磁通量也發(fā)生改變。與此相反，在比較實(shí)例的電動(dòng)機(jī)81中，在分別用當(dāng)前處于換向過程中的電樞線圈89a、89b纏繞的頭端齒12e、12f的整個(gè)換向角度范圍內(nèi)，不存在磁體。因此，在電動(dòng)機(jī)81的每個(gè)換向角度范圍內(nèi)，磁通量為零。結(jié)果，在相應(yīng)的換向角度范圍內(nèi)的本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)1中所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的斜率大于在相應(yīng)的換向角度范圍內(nèi)的作為比較實(shí)例的電動(dòng)機(jī)81中所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的斜率。因此，在換向過程開始處的本發(fā)明的感應(yīng)電壓值變得大于比較實(shí)例的感應(yīng)電壓值。如上所述，按照這種方式，根據(jù)本實(shí)施例，在換向過程的開始，確保了足夠的感應(yīng)電壓量。因此，電樞線圈9a、9b的換向有效地進(jìn)行。
圖4示出了換向過程期間換向電流的變化和感應(yīng)電壓的變化。圖4還示出了在增加提供給電樞線圈9a、9b的電能時(shí)換向電流的變化和感應(yīng)電壓的變化。出于比較的目的，圖4還示出了電動(dòng)機(jī)81(圖5)的換向過程期間的換向電流的變化和感應(yīng)電壓的變化，并且還示出了在增加提供給電樞線圈89a、89b的電能時(shí)換向電流的變化和感應(yīng)電壓的變化。
如圖4所示，當(dāng)增加所提供的電能時(shí)，電動(dòng)機(jī)1的感應(yīng)電壓和電動(dòng)機(jī)81的感應(yīng)電壓發(fā)生改變。在換向角度范圍內(nèi)，在增加所提供的電能時(shí)，用于指示在本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)1中所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的曲線向下移動(dòng)。此外，在換向角度范圍(換向范圍)內(nèi)，在增加所提供的電能時(shí)，用于指示作為比較實(shí)例的電動(dòng)機(jī)81中所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的曲線也向下移動(dòng)。這可能是由于以下原因造成的。即，當(dāng)增加提供給電樞線圈9a、9b或提供給電樞線圈89a、89b的電能時(shí)，由于電樞反應(yīng)而產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢(shì)，從而影響了磁通量。這引起了在電動(dòng)機(jī)殼7的中性軸的偏差，從而使感應(yīng)電壓發(fā)生改變。
如圖4所示，在電動(dòng)機(jī)1中，即使當(dāng)增加了提供給電樞線圈9a、9b的電能，并因而由于電樞反應(yīng)使感應(yīng)電壓發(fā)生偏差時(shí)，感應(yīng)電壓的斜率仍然大于比較實(shí)例中的斜率。因此，在本實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)1中，在換向過程的開始，提供了足夠的感應(yīng)電壓量。
結(jié)果，在本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)1中，在換向過程的開始，可以獲得足夠的感應(yīng)電壓量，而與通過電樞線圈9a、9b的電流量無關(guān)，并且在有利于換向過程的有利方向上產(chǎn)生了感應(yīng)電壓。因此，能夠限制在換向過程結(jié)束時(shí)電流的突然切換。
因此，本實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)1(直流電機(jī))提供了以下的優(yōu)點(diǎn)。
(1)在本實(shí)施例中，使每個(gè)電樞線圈9a、9b纏繞齒12的相應(yīng)組，并且將出現(xiàn)在齒12的組中的齒12的數(shù)量設(shè)置為具有與每個(gè)磁體2、3的角度范圍相同的預(yù)定總角度范圍。此外，在換向過程的開始，用處于換向過程中的電樞線圈9a、9b纏繞的尾端齒12b、12d的中心線位于與磁體2、3之間的相應(yīng)邊界徑向相對(duì)。在換向過程結(jié)束時(shí)，用處于換向過程中的電樞線圈9a、9b纏繞的頭端齒12a、12c的中心線處于與磁體2、3之間的相應(yīng)邊界徑向相對(duì)。
因此，在換向過程的前一半中，將用處于換向過程中的電樞線圈9a、9b纏繞的頭端齒12a、12c定位在磁體2、3之一中。然后，在換向過程的后一半中，將用處于換向過程中的電樞線圈9a、9b纏繞的頭端線圈12a、12c定位在磁體2、3中的另一個(gè)中。因此，在對(duì)通過電樞線圈9a、9b的電流方向進(jìn)行切換的切換點(diǎn)中，由磁體2、3所產(chǎn)生的、并穿過電樞線圈9a、9b的磁通量的量發(fā)生改變。與在換向角度范圍內(nèi)未設(shè)置磁體的情況相比，在本實(shí)施例中，感應(yīng)電壓的斜率較大。按照這種方式，在換向過程的開始，獲得了足夠的感應(yīng)電壓量，從而有利于換向過程，以便改善換向。此外，可以減少由于電樞線圈9a、9b中的電流流動(dòng)而感應(yīng)出的電樞反應(yīng)的效果。更具體地，即使當(dāng)磁場(chǎng)受到電樞反應(yīng)的干擾時(shí)，在換向過程的開始，也可以獲得足夠的感應(yīng)電壓量，以利用換向。因此，能夠限制由于在換向過程的結(jié)束、在電流切換中的延遲另外造成的電流的突然切換(電流的突然停止)。
(2)在本實(shí)施例中，磁體2、3之一的磁通量有助于產(chǎn)生用于旋轉(zhuǎn)電樞4的旋轉(zhuǎn)力，直到切換了通過電樞線圈9a、9b的電流為止。當(dāng)切換了通過電樞線圈9a、9b的電流時(shí)，磁體2、3中的另一個(gè)的磁通量有助于用于旋轉(zhuǎn)電樞4的旋轉(zhuǎn)力的產(chǎn)生。即，引起對(duì)電樞4的旋轉(zhuǎn)造成相反的作用的力的產(chǎn)生的磁通量沒有通過齒12。因此，可以有效地使用磁體2、3的磁通量來旋轉(zhuǎn)電樞4。
(第二實(shí)施例)將參考圖6到9來描述本發(fā)明的第二實(shí)施例。不再描述或敘述與第一實(shí)施例類似的組件。
圖6是根據(jù)第二實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)21的示意結(jié)構(gòu)的部分橫截面圖。如圖6所示，本實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)21包括磁體22、23，替代第一實(shí)施例的磁體2、3。
將每個(gè)磁體22、23形成為半圓柱的形狀，具有180度的弧度角。將按照電樞4的旋轉(zhuǎn)方向位于磁體22、23的前端的每個(gè)磁體22、23的前圓周端部進(jìn)行徑向開口或徑向凹進(jìn)，以形成減少磁通量部分22a、23a。在電樞4的圓周方向上測(cè)量到的、每一個(gè)減少磁通量部分22a、23a的角度范圍大約為相鄰齒12之間的角度的一半(＝θ/2)。
由于凹槽(或凹口)的設(shè)置，每個(gè)減少磁通量部分22a、23a的徑向厚度變得小于每個(gè)磁體22、23的剩余部分的徑向厚度。更具體地，與位于減少磁通量部分22a、23a相鄰處的磁體22、23的相鄰部分相比，減少了每一個(gè)減少磁通量部分22a、23a的徑向厚度。通過減小減少磁通量部分22a、23a的徑向厚度，減少磁通量部分22a、23a的磁通量小于磁體22、23的剩余部分的磁通量，即，與磁體22、23的相鄰部分相比，減小了減少磁通量部分22a、23a的磁通量。此外，按照以下方式來形成每一個(gè)減少磁通量部分22a、23a，所述方式為減少磁通量部分22a、23a的徑向厚度從減少磁通量部分22a、23a的相對(duì)圓周端的每一個(gè)向減少磁通量部分22a、23a的圓周中心逐漸減小。即，減少磁通量部分22a、23a的徑向厚度在從按照電樞4的旋轉(zhuǎn)方向位于前端的磁體22、23的前圓周端開始的θ/4的角度范圍內(nèi)逐漸減小。然后，減少磁通量部分22a、23a的徑向厚度在另一個(gè)θ/4的角度范圍內(nèi)逐漸增加。因此，穿過用處于換向過程中的電樞線圈9a、9b纏繞的頭端齒12a、12c的磁通量，在換向過程開始之后的換向初始周期中減小(在本實(shí)施例中，在換向過程開始之后的對(duì)應(yīng)于θ/4的范圍內(nèi))。此后，該磁通量增加，直到換向過程的中點(diǎn)。
接下來，將描述電動(dòng)機(jī)21的操作。
在圖6中，與第一實(shí)施例相似，當(dāng)通過第一和第二電刷5a、5b提供直流電流時(shí)，電樞4按照?qǐng)D6中的X方向旋轉(zhuǎn)。然后，通過第一和第二電刷5a、5b來執(zhí)行換向。
圖7是示出了本實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)21中的磁通量(磁通密度)分布的波形圖。如圖7所示，在按照上述方式構(gòu)造的本實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)21中，在其上頭端齒12a在電樞線圈9a的換向過程期間所通過的范圍的相對(duì)側(cè)上，即在換向角度范圍的相對(duì)側(cè)上，對(duì)通過電樞4的磁通量的方向進(jìn)行反轉(zhuǎn)。更具體地，通過電樞4的旋轉(zhuǎn)，由于形成在每個(gè)磁體22、23中的減少磁通量部分22a、23a的影響，通過頭端齒12a的磁通量在換向角度范圍的前一半(即，換向過程的初始周期)中快速減少并在此后再次增加。此后，該磁通量再次減少，并在換向角度范圍的中間處(即，在0度和在180度處)變?yōu)榱?。然后，在換向角度范圍的后一半中(在換向過程的后期)，具有與在換向過程的開始處觀察到的磁通量的極性相反的極性的磁通量增加。
更具體地，在換向過程開始和換向角度范圍的1/4之間的范圍中(即，在換向過程的開始點(diǎn)和θ/4的角度點(diǎn)之間的范圍)，通過用由第一電刷5a換向的電樞線圈9a纏繞的頭端齒12a的磁通量，由于在減少磁通量部分22a中的徑向厚度的減小而減少。此外，通過用由第二電刷5b換向的電樞線圈9b纏繞的頭端齒12c的磁通量，由于在減少磁通量部分23a中的徑向厚度的減小而減少。
在換向角度范圍的1/4處(θ/4的角度點(diǎn))和換向角度范圍的中點(diǎn)(θ/2的角度點(diǎn))之間的范圍中，通過用由第一電刷5a換向的電樞線圈9a纏繞的頭端齒12a的磁通量，由于在減少磁通量部分22a中的徑向厚度的增加而增加。此外，通過用由第二電刷5b換向的電樞線圈9纏繞的頭端齒12c的磁通量，由于在減少磁通量部分23a中的徑向厚度的增加而增加。
此后，在換向過程的中點(diǎn)(距換向過程的開始點(diǎn)θ/2的點(diǎn))和換向過程的結(jié)束點(diǎn)(距換向過程的開始點(diǎn)θ的點(diǎn))之間的范圍中，用由第一電刷5a換向的電樞線圈9a纏繞的頭端齒12a通過與具有和磁體22(N極)的極性相反的極性的磁體23(S極)徑向相對(duì)的點(diǎn)。因此，具有與在換向過程的開始處所存在的磁通量的極性相反的極性的磁通量增加。此外，用由第二電刷5b換向的電樞線圈9b纏繞的頭端齒12c通過與具有和磁體23(S極)的極性相反的極性的磁體22(N極)徑向相對(duì)的點(diǎn)。因此，具有與在換向過程開始處所存在的磁通量的極性相反的極性的磁通量增加。
圖8是示出了電動(dòng)機(jī)21的電樞4的旋轉(zhuǎn)位置和電樞線圈9a中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓之間的關(guān)系的波形圖。在圖8中，波形A表示在未向電樞線圈9a提供電能時(shí)所觀察到的感應(yīng)電壓；而波形B表示由電樞電流所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。波形C表示在向電樞線圈9a提供電能時(shí)的感應(yīng)電壓。
如圖8所示，在本實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)21中，由于磁通量的變化，根據(jù)圖7所示的磁通量分布，在電樞線圈9a的換向角度范圍中，對(duì)在未向電樞線圈9a提供電能時(shí)由電樞線圈9a產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的方向進(jìn)行反轉(zhuǎn)。更具體地，在未向電樞線圈9a提供電能時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓在換向過程的開始處曾經(jīng)快速地減小。之后，該感應(yīng)電壓快速地增加，然后再次減小。然后，在換向角度范圍的中間(180度)處，感應(yīng)電壓變?yōu)榱?。在換向過程的后期，對(duì)感應(yīng)電壓的方向進(jìn)行反轉(zhuǎn)。
在向電樞4提供電能時(shí)，由通過電樞線圈9a的電樞電流在電樞線圈9a中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。因此，在提供電能時(shí)在電樞線圈9a中所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的波形C是通過將感應(yīng)電壓的波形B與感應(yīng)電壓的波形A進(jìn)行組合而形成的合成波形。這里，通過電樞電流(更具體地，由電樞電流所感應(yīng)的磁通量)來產(chǎn)生感應(yīng)電壓的波形B，并且在未提供電能時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電壓的波形A，如上所述。
當(dāng)提供給電樞4的電能增加時(shí)，由電樞電流所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓相應(yīng)地得到增加(即，增加了感應(yīng)電壓的幅度)。感應(yīng)電壓的波形B變?yōu)榫哂形挥趽Q向角度范圍的中間(180度)處的峰值的正弦波形。將波形B的相位從未提供電能時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的波形A處開始移位90度。因此，在圖8所示的范圍中(90-220度)，當(dāng)提供給電樞4的電能的量增加時(shí)，在提供電能時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的波形C變?yōu)橥ㄟ^將在未提供電能時(shí)所產(chǎn)生的圖8所示的感應(yīng)電壓的波形A向上移位而形成的波形。
接下來，將描述在增加提供給電樞線圈9a、9b的電能的量時(shí)電動(dòng)機(jī)21中的感應(yīng)電壓的變化和換向電流的變化。
圖9A和9B中的每一個(gè)均示出了相對(duì)于電樞4的旋轉(zhuǎn)角度，在換向時(shí)的感應(yīng)電壓的變化和換向電流的變化。更具體地，圖9A示出了在第一實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)1中的變化，而圖9B示出了在本實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)21中的變化。圖9A或9B所示的每一個(gè)波形圖還示出了在增加提供給電樞線圈9a、9b的電能時(shí)的感應(yīng)電壓的變化和換向電流的變化。
如圖9A所示，在電動(dòng)機(jī)1的換向角度范圍內(nèi)的感應(yīng)電壓的斜率大于如第一實(shí)施例中所討論的比較實(shí)例中的斜率。因此，在換向過程的開始處，獲得了相對(duì)較大的感應(yīng)電壓。結(jié)果，有利于換向過程。然而，當(dāng)提供給電樞線圈9a、9b的電能的量增加時(shí)，在整個(gè)換向角度范圍內(nèi)增加感應(yīng)電壓，以便增加換向電流。因此，在換向過程結(jié)束處，對(duì)換向電流的切換定時(shí)進(jìn)行延遲，從而可以在換向過程結(jié)束時(shí)突然切換該電流。
與此相反，如圖9B所示，在第二實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)21中，在換向過程的初期，從磁體中所產(chǎn)生的、并在換向過程中穿過電樞線圈9a、9b的磁通量的量減少。這是由于在磁體22、23的減少磁通量部分22a、23a中的磁通量的變化。結(jié)果，在換向過程的初期，在用于阻礙換向過程的阻礙方向上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。因此，即使當(dāng)通過增加提供給電樞線圈9a、9b的電能的量在整個(gè)換向角度范圍內(nèi)增加感應(yīng)電壓時(shí)，可以將電流的突然切換限制在換向過程的后期。
除了在第一實(shí)施例中所討論的優(yōu)點(diǎn)之外，第二實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)21(直流電機(jī))還提供了以下的優(yōu)點(diǎn)。
(1)在本實(shí)施例中，在按照電樞4的旋轉(zhuǎn)方向位于磁體22、23的前端的每個(gè)磁體22、23的前圓周端部具有減少磁通量部分22a、23a。減少磁通量部分22a、23a的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于換向的前半部分。因此，在換向的前一半中，從磁體22、23之一中產(chǎn)生的、并且處于換向中的電樞線圈9a、9b的頭端齒12a、12c通過其的磁通量的量減少。因此，在用于阻礙換向過程的阻礙方向上產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，從而可以改善換向。
(2)在本實(shí)施例中，按照使磁通量的量向減少磁通量部分22a、23a的圓周中心減少的方式，在相應(yīng)的磁體22、23中形成每個(gè)減少磁通量部分22a、23a。因此，在換向過程開始時(shí)，在換向角度范圍的1/4內(nèi)，在用于阻礙換向的阻礙方向上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。之后，在有利于換向的有利方向上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，直到達(dá)到了換向角度范圍的中間點(diǎn)(half point)為止。結(jié)果，有效地改善了換向。
(3)在本實(shí)施例中，通過對(duì)相應(yīng)的磁體22、23的部分進(jìn)行開口或凹進(jìn)，形成了每一個(gè)減少磁通量部分22a、23a。因此，通過調(diào)節(jié)磁體22、23的形狀，可以實(shí)現(xiàn)所需的磁通量分布。
(第三實(shí)施例)將參考附圖來描述在三電刷直流電動(dòng)機(jī)中具體實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的第三實(shí)施例。將不再描述或敘述與第二實(shí)施例相似的組件，并且將主要描述與第二實(shí)施例不同的不同點(diǎn)。
如圖10所示，本實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)30包括第一到第三電刷31-33。第一電刷31和第二電刷32彼此相對(duì)設(shè)置，也就是說，關(guān)于電樞4的中心軸即旋轉(zhuǎn)軸6以180度間隔設(shè)置。第三電刷33與第二電刷32間隔預(yù)定的角度θ0。通過開關(guān)(未示出)的操作，將操作從第一電刷31和第二電刷32的組切換到第一電刷31和第三電刷33的組，反之亦然。也就是說，通過在第二電刷和第三電刷之間進(jìn)行切換，可以選擇正常模式(低速旋轉(zhuǎn))和高速模式(高速旋轉(zhuǎn))之一。
在本實(shí)施例中，將第一電刷31和第二電刷32設(shè)置在低速旋轉(zhuǎn)位置，即正常位置。此外，將第一電刷31和第三電刷33設(shè)置在高速旋轉(zhuǎn)位置。當(dāng)通過第一電刷31和第二電刷32提供電流時(shí)，實(shí)現(xiàn)了正常模式。此外，當(dāng)通過第一電刷31和第三電刷33提供電流時(shí)，實(shí)現(xiàn)了高速模式。
本實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)30包括一對(duì)磁體36、37。每一個(gè)磁體36、37另外包括第二減少磁通量部分35，形成所述減少磁通量部分35以與電樞線圈34a相對(duì)應(yīng)，在正常模式下旋轉(zhuǎn)電樞4時(shí)，即在通過第一電刷31和第二電刷32來旋轉(zhuǎn)電樞4的狀態(tài)下，由第三電刷33對(duì)電樞線圈34a進(jìn)行短路。
更具體地，將每個(gè)磁體36、37形成為半圓柱的形狀，具有類似于第二實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)21的每個(gè)磁體22、23(圖6)的180度的弧度角。按照電樞4的旋轉(zhuǎn)方向位于磁體36、37的前端的每個(gè)磁體36、37的前圓周端部包括第一減少磁通量部分36a、37a。形成第一減少磁通量部分36a、37a以與在正常模式下處于換向過程中的電樞線圈34b、34c相對(duì)應(yīng)。除了第一減少磁通量部分36a、37a，在每個(gè)磁體36、37中形成第二減少磁通量部分35。
更具體地，在與其上纏繞了由第三電刷33短路的電樞線圈34a的六個(gè)齒39的組的頭端齒39a相對(duì)應(yīng)的磁體36的預(yù)定點(diǎn)上，形成第二減少磁通量部分35a。更具體地，在當(dāng)?shù)谌娝?3在通過電樞線圈34a彼此相連的兩個(gè)相鄰換向器片38a、38b之間進(jìn)行短路時(shí)，頭端齒39a的前端即頭端齒39a的齒條40的頭端40a通過其的預(yù)定點(diǎn)上，形成第二減少磁通量部分35a。
類似地，在與其上纏繞了由第三電刷33短路的電樞線圈34a的六個(gè)齒39的組的尾端齒39b相對(duì)應(yīng)的磁體37的預(yù)定點(diǎn)上，形成第二減少磁通量部分35b。更具體地，在當(dāng)?shù)谌娝?3在通過電樞線圈34a彼此相連的兩個(gè)相鄰換向器片38a、38b之間進(jìn)行短路時(shí)，尾端齒39b的后端即尾端齒39b的齒條40的尾端40b通過其的預(yù)定點(diǎn)上，形成第二減少磁通量部分35b。
形成每一個(gè)第二減少磁通量部分35(35a、35b)，以具有對(duì)應(yīng)于與由第三電刷33短路電樞線圈34a的周期，即由第三電刷33短路換向器片38a、38b的周期相一致的旋轉(zhuǎn)角度的角度范圍。對(duì)每個(gè)第二減少磁通量部分35(35a、35b)的磁通密度進(jìn)行設(shè)置，從而使磁通密度從按照電樞4的旋轉(zhuǎn)方向位于第二減少磁通量部分35(35a、35b)的后端的第二減少磁通量部分35(35a、35b)的后圓周端、向按照電樞4的旋轉(zhuǎn)方向位于第二減少磁通量部分35(35a、35b)的前端的第二減少磁通量部分35(35a、35b)的前圓周端逐漸增加。
在本實(shí)施例中，通過對(duì)相應(yīng)磁體36、37的部分(即，與電樞相對(duì)的表面)進(jìn)行開口或凹進(jìn)，減少了每一個(gè)第二減少磁通量部分35的徑向厚度，以便與位于第二減少磁通量部分35的相鄰處的磁體36、37的相鄰部分相比，具有減少的磁通密度。此外，每一個(gè)第二減少磁通量部分35的徑向厚度從第二減少磁通量部分35的后圓周端向前圓周端逐漸增加。因此，磁通密度從第二減少磁通量部分35的后圓周端向前圓周端逐漸增加。
接下來，將描述電動(dòng)機(jī)30的操作。
參考圖11，除了與磁體36、37的第一減少磁通量部分36a、37a相對(duì)應(yīng)的減少磁通量范圍Rb1、Rb2之外，本實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)30的磁通量的分布還包括與磁體36、37的第二減少磁通量部分35a、35b相對(duì)應(yīng)的減少磁通量范圍Rb3、Rb4。在每一個(gè)減少磁通量范圍Rb3、Rb4中，根據(jù)相應(yīng)的第二減少磁通量部分35的形狀，磁通量沿電樞4的旋轉(zhuǎn)方向逐漸增加。
參考圖12，在本實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)30中，在未提供電能時(shí)在電樞線圈34a中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的波形α1具有電壓下降范圍Rv，對(duì)應(yīng)于在由第三電刷33對(duì)電樞線圈34a進(jìn)行短路的電路范圍Rs中的減少磁通量范圍Rb3(圖11)。在電壓降低范圍Rv中，在未提供電能時(shí)在電樞線圈34a中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓在短路開始處具有下降峰值，并且逐漸增加，直到短路結(jié)束為止。
根據(jù)本實(shí)施例，在短路范圍Rs中，對(duì)第二減少磁通量部分35的形狀進(jìn)行設(shè)置，從而使感應(yīng)電壓的波形α1關(guān)于表示零感應(yīng)電壓的線，與感應(yīng)電壓的波形β1對(duì)稱。這里，在未提供電能時(shí)產(chǎn)生了感應(yīng)電壓的波形α1，而在增加所提供的電能時(shí)，由電樞電流產(chǎn)生了感應(yīng)電壓的波形β1。因此，在提供電能時(shí)所產(chǎn)生的、并由合成波形γ1表示的感應(yīng)電壓在短路范圍Rs中實(shí)質(zhì)上變?yōu)榱?。這里，通過將波形α1與波形β1進(jìn)行組合來形成合成波形γ1。因此，如圖13所示，即使在短路范圍Rs中，也未干擾通過電樞線圈34a的電流波形(換向波形)δ1。結(jié)果，即使當(dāng)由于負(fù)載的增加和操作條件的變化而使所提供的電流增加時(shí)，也可以保持有效的換向。
此外，在如圖12和圖13所示增加所提供的電能時(shí)，相對(duì)于在正常周期(即，未增加所提供的電流的周期)中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，增加由電樞電流產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。因此，與在正常周期時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓β2相比，將在增加所提供的電能時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的波形β1向上移動(dòng)，如圖14所示。因此，在圖14所示的正常周期時(shí)，相對(duì)于圖12所示的感應(yīng)電壓的波形γ1，將感應(yīng)電壓的波形γ2向下移動(dòng)。這里，在提供電能時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電壓的波形γ2。此外，波形γ2是合成波形，通過組合感應(yīng)電壓的波形β2和感應(yīng)電壓的波形α2來產(chǎn)生該合成波形。由電樞電流來產(chǎn)生感應(yīng)電壓的波形β2。在未提供電能時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電壓的波形α2。然而，與第二減少磁通量部分35相對(duì)應(yīng)的電壓降低范圍Rv的效果，消除了由電樞電流所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。因此，如圖15所示，在短路范圍Rs中實(shí)質(zhì)上未干擾通過電樞線圈34a的電流波形(換向波形)δ2。
與此相反，在圖16所示的比較實(shí)例的電動(dòng)機(jī)90的情況下，在對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)30的第二減少磁通量部分35的位置的位置上(圖10)，在每一個(gè)磁體92、93中設(shè)置了零磁通量部分91，作為減少磁通量部分35的替代。在這種情況下，如圖17所示，由波形α3所指示的、并且在未提供電能時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓在短路范圍Rs內(nèi)實(shí)質(zhì)上變?yōu)榱恪Ｒ虼?，在短路范圍Rs內(nèi)，在提供電能時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的波形γ3實(shí)質(zhì)上與由電樞電流所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的波形β3相一致。因此，如圖18所示，在增加所提供的電能時(shí)，在短路范圍Rs中實(shí)質(zhì)上干擾了通過電樞線圈94a的電流波形δ3。
因此，在由于操作條件的變化而增加了所提供的電能的情況下，與類似于在比較實(shí)例的電動(dòng)機(jī)90中在每一個(gè)磁體92、93中形成零磁通量部分91的情況相比，通過類似于在本實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)30中那樣在每個(gè)磁體36、37中形成第二減少磁通量部分35，實(shí)現(xiàn)了更好的換向。
除了在第二實(shí)施例中所討論的優(yōu)點(diǎn)之外，本實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)30(直流電機(jī))還提供了以下的優(yōu)點(diǎn)。
(1)電動(dòng)機(jī)30包括第一到第三電刷31-33和成對(duì)的半圓柱磁體36、37，每一個(gè)均具有180度的弧度角。第一電刷31和第二電刷32關(guān)于電樞4的中心軸，即關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸6彼此相對(duì)。第三電刷33與第二電刷32相隔預(yù)定的角度θ0。
磁體36包括第二減少磁通量部分35a，所述第二減少磁通量部分35a在第三電刷33對(duì)電樞線圈34a進(jìn)行短路時(shí)，由電樞線圈34a纏繞的頭端齒39a的末端通過其的預(yù)定點(diǎn)處形成。磁體37包括第二減少磁通量部分35b，所述第二減少磁通量部分35b在尾端齒39b的后端通過其的預(yù)定點(diǎn)處形成。
按照這種結(jié)構(gòu)，在短路范圍Rs中可以消除通過向電樞線圈34a提供電能而產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。因此，即使當(dāng)由于負(fù)載的增加或者操作的條件的變化而增加了所提供的電能的量時(shí)，在進(jìn)行短路時(shí)可以限制通過電樞線圈34a的電流的干擾，以保持有效的換向。
(2)對(duì)每一個(gè)第二減少磁通量部分35(35a、35b)進(jìn)行成形，以使其按照電樞4的旋轉(zhuǎn)方向，從第二減少磁通量部分35的后圓周端向第二減少磁通量部分35的前圓周端逐漸增加徑向厚度。因此，磁通密度按照電樞4的旋轉(zhuǎn)方向，從第二減少磁通量部分35的后圓周端向第二減少磁通量部分35的前圓周端逐漸增加。按照這種結(jié)構(gòu)，在短路范圍Rs中，使在增加所提供的電能時(shí)在電樞線圈34a中所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓實(shí)質(zhì)上為零。因此，可以限制在進(jìn)行短路時(shí)通過電樞線圈34a的電流的干擾，以保持有效的換向。
可以按照以下方式對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修改。
在第一實(shí)施例中，電動(dòng)機(jī)1包括兩個(gè)磁體2、3，即單個(gè)的N極磁體和單個(gè)的S極磁體。然而，如圖19所示，可以圍繞電樞4設(shè)置四個(gè)磁體52-55以形成具有4個(gè)磁極的電動(dòng)機(jī)51。在電動(dòng)機(jī)51中，N極磁體52和N極磁體54關(guān)于電樞4彼此相對(duì)，而S極磁體53和S極磁體55關(guān)于電樞4彼此相對(duì)。每一個(gè)電樞線圈59a-59d連接在由相應(yīng)的電刷56a-56d進(jìn)行短路的相應(yīng)的兩個(gè)相鄰換向器片11之間。此外，使每一個(gè)電樞線圈59a-59b纏繞三個(gè)齒12的相應(yīng)組。在換向過程開始時(shí)，三個(gè)齒12的每個(gè)組的每個(gè)尾端齒12g、12h、12i、12j的中心線位于相應(yīng)的兩個(gè)相鄰磁體52-55之間的邊界處。即使在電動(dòng)機(jī)51中，與第一實(shí)施例類似，可以改善換向。
在第二實(shí)施例中，構(gòu)造每一個(gè)減少磁通量部分22a、23a，以使其從減少磁通量部分22a、23a的圓周端向減少磁通量部分22a、23a的圓周中心，逐漸減少磁通量。然而，可以按照任何適當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)每個(gè)磁體中的磁通量分布進(jìn)行改變，只要對(duì)磁通量進(jìn)行改變，以便在換向過程的前一半中阻礙換向，并且在換向過程的后期，防止可能由于切換換向電流的阻礙而感應(yīng)出的電流停止的發(fā)生?？梢詫?duì)其進(jìn)行構(gòu)造，以便與提供給相應(yīng)電樞線圈的電能的量相對(duì)應(yīng)。
在第二實(shí)施例中，電動(dòng)機(jī)21具有兩個(gè)磁體22、23，即，單個(gè)的N極磁體和單個(gè)的S極磁體。然而，如圖20所示，可以圍繞電樞4設(shè)置四個(gè)磁體62-65以形成具有四個(gè)磁極的電動(dòng)機(jī)61。在電動(dòng)機(jī)61中，N極磁體62和N極磁體64關(guān)于電樞4彼此相對(duì)，而S極磁體63和S極磁體65關(guān)于電樞4彼此相對(duì)。按照?qǐng)D20的箭頭X所示的單一方向?qū)﹄姌?進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在按照電樞4的旋轉(zhuǎn)方向位于磁體62-65的前端的每一個(gè)磁體62-65的前圓周端部，形成凹槽或凹口，以減少磁體62-65的徑向厚度，從而形成減少磁通量部分62a、63a、64a、65a。每一個(gè)電樞線圈69a-69b連接在由相應(yīng)的電刷66a-66d進(jìn)行短路的相應(yīng)的兩個(gè)相鄰換向器片11之間。此外，使每一個(gè)電樞線圈69a-69d纏繞三個(gè)齒12的相應(yīng)組。在換向過程的開始處，三個(gè)齒的每一個(gè)組的每個(gè)尾端齒12k、12l、12m、12n的中心線位于相應(yīng)的兩個(gè)相鄰磁體62-65的邊界處。即使在電動(dòng)機(jī)61中，與第二實(shí)施例類似，可以改善換向。
在第二(第三)實(shí)施例中，通過對(duì)磁體22、23(36、37)的部分進(jìn)行切口或凹進(jìn)，形成了減少磁通量部分22a、23a(35)。然而，可以按照其他任何適當(dāng)?shù)姆绞絹硇纬擅恳粋€(gè)減少磁通量部分，只要在每一個(gè)磁體22、23(36、37)中獲得了磁通量的所需分布。例如，可以使每個(gè)磁體22、23(36、37)的徑向厚度均勻，并且可以控制每一個(gè)磁體的磁化以改變?cè)趯?duì)應(yīng)于減少磁通量部分的位置上的磁通量分布。因此，可以在對(duì)每一個(gè)磁體22、23(36、37)進(jìn)行安裝時(shí)形成每一個(gè)減少磁通量部分22a、23a(35)。按照這種方式，可以簡(jiǎn)化制造步驟。
在上述實(shí)施例中，通過控制磁化，可以在單個(gè)的圓柱磁體中形成磁極。例如，作為第一實(shí)施例的磁體2、3的選擇，能夠提供單個(gè)的圓柱磁體，對(duì)其進(jìn)行磁化以使其具有在圓周方向上一個(gè)接著一個(gè)排列的單個(gè)的N極和單個(gè)的S極。此外，通過控制磁化，可以將第二實(shí)施例的磁體22、23整體形成為單個(gè)的圓柱磁體。此外，作為圖19所示的四個(gè)磁體52-55的替代，能夠提供兩個(gè)半圓柱磁體，每一個(gè)具有一個(gè)接著一個(gè)排列的單個(gè)N極和單個(gè)S極。
對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，另外的優(yōu)點(diǎn)和修改將是容易出現(xiàn)的。因此，本發(fā)明在其更廣泛的方面上并不局限于所示出和描述的特定細(xì)節(jié)、典型設(shè)備和說明性實(shí)例。
權(quán)利要求
1.一種直流電機(jī)，包括圓柱磁軛(7)；多個(gè)磁極(2、3、22、23、36、37、52-55、62-65)，沿著圓柱磁軛(7)的整個(gè)內(nèi)周表面一個(gè)接著一個(gè)地連續(xù)排列，以便沿著圓柱磁軛(7)的內(nèi)周表面提供交替的磁極；以及電樞(4)，容納在圓柱磁軛(7)的多個(gè)磁極(2、3、22、23、36、37、52-55、62-65)的徑向以內(nèi)，其中，電樞(4)包括電樞鐵芯(8)，包括多個(gè)齒(12、12a、12b-12d、12g、12h-12n、39、39a、39b)，所述多個(gè)齒以大體上相等的角度間隔進(jìn)行排列；以及多個(gè)電樞線圈(9、9a、9b、34a-34c、59a-59d、69a-69d)，使多個(gè)電樞線圈中的每一個(gè)纏繞從多個(gè)齒(12、12a、12b-12d、12g、12h-12n、39、39a、39b)中所選擇的齒(12、12a、12b-12d、12g、12h-12n、39、39a、39b)的相應(yīng)組，其中當(dāng)多個(gè)電樞線圈(9、9a、9b、34a-34c、59a-59d、69a-69d)之一處于換向過程的開始時(shí)，其上纏繞了多個(gè)電樞線圈(9、9a、9b、34a-34c、59a-59d、69a-69d)之一的齒(12、12a、12b-12d、12g、12h-12n、39、39a、39b)的相應(yīng)組的尾端齒(12b、12d、12g、12h-12n)的中心線大體上與多個(gè)邊界中相應(yīng)的邊界對(duì)齊，多個(gè)邊界中的每一個(gè)形成在多個(gè)磁極(2、3、22、23、36、37、52-55、62-65)的相應(yīng)的兩個(gè)相鄰圓周端之間；以及當(dāng)多個(gè)電樞線圈(9、9a、9b、34a-34c、59a-59d、69a-69d)之一處于換向過程的結(jié)束時(shí)，齒(12、39)的相應(yīng)組的頭端齒(12a、12c)的中心線大體上與多個(gè)邊界中相應(yīng)的邊界對(duì)齊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電機(jī)，其特征在于按照電樞(4)的旋轉(zhuǎn)方向位于磁極(22、23、36、37、62-65)的前端的每一個(gè)磁極(22、23、36、37、62-65)的前圓周端部形成了減少磁通量部分(22a、23a、36a、37a)，其中，與位于與減少磁通量部分(22a、23a、36a、37a)相鄰處的磁極(22、23、36、37、62-65)的相鄰部分相比，減少了磁通量的量，每一個(gè)減少磁通量部分(22a、23a、36a、37a)的角度范圍大體上等于多個(gè)電樞線圈(9、9a、9b、34a-34c、59a-59d、69a-69d)中的每一個(gè)的換向角度范圍的前一半。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直流電機(jī)，其特征在于每一個(gè)減少磁通量部分(22a、23a、36a、37a)的磁通量從減少磁通量部分(22a、23a、36a、37a)的圓周端向減少磁通量部分(22a、23a、36a、37a)的圓周中心逐漸減少。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直流電機(jī)，其特征在于通過與磁極(22、23、36、37、62-65)的相鄰部分相比，減少磁極(22、23、36、37、62-65)的徑向厚度，來形成每一個(gè)磁極(22、23、36、37、62-65)的減少磁通量部分(22a、23a、36a、37a)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直流電機(jī)，其特征在于通過控制磁極(22、23、36、37、62-65)的磁化，來形成每一個(gè)磁極(22、23、36、37、62-65)的減少磁通量部分(22a、23a、36a、37a)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直流電機(jī)，其特征在于還包括用于向電樞(4)提供電能的第一到第三電刷(31-33)，其中第一電刷(31)和第二電刷(32)圍繞電樞(4)彼此相對(duì)設(shè)置；第三電刷(33)與第二電刷(32)相隔預(yù)定的角度；多個(gè)磁極(36、37)包括兩個(gè)磁極(36、37)，兩個(gè)磁極中的每一個(gè)具有180度的角度范圍；每個(gè)磁極(36、37)中的減少磁通量部分(36a、37a)是每個(gè)磁極(36、37)的第一減少磁通量部分(36a、37a)；以及兩個(gè)磁極(36、37)中的至少一個(gè)包括第二減少磁通量部分(35a、35b)，在所述第二減少磁通量部分中，與和第二減少磁通量部分(35a、35b)相鄰的磁極(36、37)的相鄰部分相比，減少了磁通量的量，形成第二減少磁通量部分(35a、35b)，以便與由第三電刷(33)短路的多個(gè)電樞線圈(34a-34c)中的相應(yīng)的每一個(gè)相對(duì)應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的直流電機(jī)，其特征在于當(dāng)通過第三電刷(33)對(duì)多個(gè)電樞線圈(34a-34c)之一進(jìn)行短路時(shí)，其上纏繞了多個(gè)電樞線圈(34a-34c)中短路的電樞線圈的齒(39、39a)的相應(yīng)組的頭端齒(39a)的頭端通過相應(yīng)第二減少磁通量部分(35a)的至少一部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的直流電機(jī)，其特征在于當(dāng)通過第三電刷(33)對(duì)多個(gè)電樞線圈(34a-34c)之一進(jìn)行短路時(shí)，其上纏繞了多個(gè)電樞線圈(34a-34c)中短路的電樞線圈的齒(39、39b)的相應(yīng)組的尾端齒(39b)的尾端通過相應(yīng)的第二減少磁通量部分(35b)的至少一部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的直流電機(jī)，其特征在于形成兩個(gè)磁極(36、37)中的至少一個(gè)的第二減少磁通量部分(35a、35b)，從而使第二減少磁通量部分(35a、35b)的磁通量按照電樞(4)的旋轉(zhuǎn)方向，從第二減少磁通量部分(35a、35b)的后圓周端向前圓周端逐漸增加。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的直流電機(jī)，其特征在于通過與位于與第二減少磁通量部分(35a、35b)相鄰處的磁極(36、37)的相鄰部分相比，減少磁極(36、37)的徑向厚度，來形成兩個(gè)磁極(36、37)中至少一個(gè)的第二減少磁通量部分(35a、35b)。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的直流電機(jī)，其特征在于通過控制磁極(36、37)的磁化，來形成兩個(gè)磁極(36、37)中的至少一個(gè)的第二減少磁通量部分(35a、35b)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電機(jī)，其特征在于還包括用于向電樞(4)提供電能的四個(gè)電刷(56a-56d)，其中，所述多個(gè)磁極(52-55、62-65)包括四個(gè)磁極(52-55、62-65)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電機(jī)，其特征在于齒(12、12a、12b-12d、12g、12h-12n、39、39a、39b)的每個(gè)組具有大體上與每一個(gè)磁極(2、3、22、23、36、37、52-55、62-65)的角度范圍相同的總角度范圍。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電機(jī)，其特征在于與多個(gè)磁極(2、3、22、23、36、37、52-55、62-65)中的其余磁極分離地形成多個(gè)磁極(2、3、22、23、36、37、52-55、62-65)中的每一個(gè)。
全文摘要
當(dāng)電樞線圈之一處于換向過程開始時(shí)，其上纏繞了電樞線圈之一的相應(yīng)齒組的尾端齒的中心線大體上與磁極之間的相應(yīng)邊界對(duì)齊。當(dāng)電樞線圈之一處于換向過程結(jié)束時(shí)，相應(yīng)齒組的頭端齒的中心線大體上與磁極之間的另一邊界對(duì)齊。
文檔編號(hào)H02K23/04GK1574567SQ20041004856
公開日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2004年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月10日
發(fā)明者田中猛, 原田博幸 申請(qǐng)人:阿斯莫株式會(huì)社