层叠式直流无刷电机的制作方法

本发明涉及层叠式直流无刷电机。

背景技术：

无刷直流电机的应用十分广泛，如无人机、汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。总的来说，无刷直流电机可以分为三种主要应用用途：一时持续负载应用，二是可变负载应用，三是定位应用。持续负载主要是应用于需要一定转速但是对转速精度要求不高的领域，比如风扇、吹风机等，成本较低且多为开环控制。可变负载主要是应用于转速需要在某个范围内变化的应用，对电机转速特性和动态响应时间特性有更高的需求。如甩干机和压缩机等，汽车工业领域中的油泵控制、电控制器、发动机控制等，成本相对更高。大多数工业控制和自动控制方面的应用属于定位应用，往往会完成能量的输送，所以对转速的动态响应和转矩有特别的要求，对控制器的要求也较高。测速时可能会用上光电和一些同步设备。过程控制、机械控制和运输控制等很多都属于这类应用。但是，现有技术中的直流无刷电机还存在一些问题，例如：功率重量比偏低。无法实现小电流大扭矩。用于发电的效率不高。大功率的电机发热量过大，能量浪费多，散热构成很大问题等等。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种层叠式直流无刷电机，包括由前、后盖以及侧壳组成的外壳、两端分别通过轴承安装在外壳内的转轴，所述转轴上间隔均匀地固定着至少一块磁石板，所述磁石板垂直于转轴的两个平面均具有2n个磁极区，同一平面上相邻的两个磁极区的极性相反，两个平面相对位置的两个磁极区极性相反，所述n为大于等于2的自然数；所述侧壳上固定着与所述磁石板均匀穿插设置的至少一块线圈板，所述线圈板上的线圈为围绕转轴排布的至少一圈齿轮状或花瓣状的平面线圈，其具有n个凸齿形状或花瓣形状以及一个入线头和一个出线头，所述线圈相邻两组沿径向方向的导线分别位于相邻的磁极区内。

本发明采用磁石板作为转子的一部分，利用线圈作为定子的一部分，通过线圈通电切割磁力线，产生沿切线方向的力从而推动转子转动，加工方法简单，非常适合量产。由于线圈板和磁石板由多个分布式的小线圈和小磁石均匀分布构成，因此电机外壳内的空间得到了充分利用，对于相同功率和扭矩的现有技术中的电机来说，本发明可以实现电机体积的大幅缩小。与其他现有技术中的电机相比，本发明的电机不使用铁芯，重量大幅减轻，同时，采用了最有效率的方式利用了永磁体的磁场，永磁体的总使用量并不高，因此电机总重量进一步轻量化。也正是因为利用了永磁铁所产生的最强磁场，配合相应的线圈板，两者结合的特殊的结构使得通电线圈永远工作于磁场最强的区域，可以获得最大机电转换效率。因此，本发明由于有效工作磁场强度高，线圈多，线圈有效长度很长，因此通电后会产生非常大的旋转力矩，而线圈中的通电电流只需要小电流即可，发热量小，而且可实现小电流大扭矩，更进一步因为线圈分布得比较均匀，因此发热量显著下降，而且多层的均匀分布结构也十分有利于散热。

附图说明

图1为本发明一实施例的装配图；

图2为本发明一实施例的爆炸图；

图3为本发明转轴的结构示意图；

图4为本发明霍尔元件装配后与磁石对应的位置俯视示意图；

图5为本发明电机工作时的气流走向图；

图6是本发明线圈板一实施例的结构示意图；

图7为本发明图6的局部细节放大图；

图8为本发明一层线圈与磁石板的位置关系示意图；

图9为本发明两层线圈与磁石板的位置关系示意图。

标号说明：1、前盖，2、后盖，3、侧壳，4、轴承、5、转轴，6、磁石板，7、线圈板，8、防尘盖，9、隔套，10、键，11、霍尔元件板，12、霍尔元件，13、隔杆，14、焊点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理及方法进行详细说明。

图1、图2给出了本发明层叠式直流无刷电机的一个具体的组成实施例，该实施例中前盖1、后盖2和侧壳3组成电机的外壳，前盖1和后盖2的内侧分别设有两个十字形的支架 8，两个轴承4分别安装在支架8的中心，转轴5的两端通过轴承4固定在外壳内的支架上，且转轴5的一端穿过前盖1伸出至外壳外，另一端的端部设有限位圆盘51，限位圆盘51位于支架的外侧，轴承4的内圈与转轴5固定，外圈与轴承安装部固定，内圈与外圈之间设有滚珠，使内外圈可以相对转动。

转轴5上固定至少一个圆形的磁石板，在该实施例中，转轴上间隔均匀地固定了六块磁石板6，磁石板6之间通过隔套9均匀隔开，保证间距相同的相对间隙，参考图3，转轴沿其轴向方向在其外壁上设有键10，磁石板6和隔套9上分别设有对应的卡槽，通过键10和卡槽进行限位防止磁石板6相对转轴运动。

如图4所示，磁石板6垂直于转轴的两个平面均具有2n个等分排列的磁极区，本发明中n为大于等于2的自然数，即有4个或者更多偶数个等分排列的磁极区，且相邻磁极区的磁性相反，磁石板6两个平面相对位置的极性相反。在本实施例中，磁石板6的一个平面上具有16个磁极区，8个S极和8个N极依次间隔排布，该磁石板6可以由8个形状大小相同的独立的扇形磁铁拼接而成，也可以采用平面两极注磁的工艺在磁石板的两面上分别形成16个磁极区。

如图5所示，在转子转动时，将会产生一定的离心力，导致空气往四周跑。本实施例中，在前、后盖上靠近转轴的地方设置了进风孔，转子在转动时，产生的离心力使气流向四周散开，并在靠近转轴的区域形成相对真空。该真空又将外部的气体从靠近转轴的进风孔吸入，进入到电机外壳内，高速旋转的磁石板继续将气流打向四周，从侧壳上设置的出风孔流出，完成气流循环。这样，电机线圈板产生的热量可以借助该流动的气流迅速散到电机外，保证电机的工作环境温度。因此，电机可以以很大的功率工作，实现很大的能量密度。

如图6至图7所示，侧壳3的内壁上固定至少一块线圈板7，支架之间靠近侧壳的位置固定了四根隔杆13，四根隔杆13上相同的位置都设置了间隔均匀的卡槽，四根隔杆位于同一平面内的四个卡槽可以对一块线圈板的边缘进行限位，保障线圈板的间隔均匀。线圈板7也具有垂直于转轴的两个平面，这两个平面当中至少有一个平面设有线圈来与一磁石板的一个平面上的磁极相互作用，线圈板7的中间开设了可供转轴转动的转动孔，转动孔的内径只需要略大于转轴的外径即可，因此，让线圈板和磁石板有较大的相对面积，可以来设置相互作用的磁石和线圈。线圈板上的线圈为围绕转轴排布的至少一圈齿轮状或花瓣状的平面线圈，其具有n个凸齿形状或花瓣形状，也就是具有2n个沿径向方向的导线可以分别位于2n个磁极区内，且相邻两组导线的电流方向必然相反，例如位于N极内的导线的电流自沿着径向方向由内至外时，位于S极内的导线的电流则沿着径向方向由外至内，因此其产生的作用力将一致。在本发明中，线圈可以由一根螺线进行绕线形成多圈齿轮状或花瓣状的平面线圈。或者还可以采用毫米或亚毫米量级整块薄铜板通过垂直刻蚀或者激光切割或者其他方法形成多圈齿轮状或花瓣状的平面线圈，可以使线圈的圈数倍增，达到相应的阻抗要求，且每一个线圈仅具有一个入线头和一个出线头（参考图6），焊点非常少，非常易于量产，其中入线头与侧壳上的焊点连接，该焊点将电连接至电机的电源，出线头与线圈板上的焊点连接，各线圈板上的焊点之间可以通过平行于转轴的一根或多根导线进行并联或者串联。

如图8所示，线圈板7和磁石板6同圆心设置，即磁石板6、线圈板7的中心均在转轴的中心轴线上，线圈板7与磁石板6均匀穿插设置，即线圈板7可以与磁石板为一一对应关系，或者是多块线圈板穿插在多块磁石板之间，也可以是多块磁石板穿插在多块线圈板之间。在该实施例中，侧壳内壁上固定着五块线圈板7，每块线圈板7都间隔均匀地伸入到两块磁石板6之间。图中为了显示清晰，仅示出了一层线圈与磁石板俯视时的效果图，线圈板7上的线圈具有8个花瓣形状，一共有16组沿着径向方向的导线，分别位于16个磁极区内。

如图9所示，还可以设置两层或三层上述平面线圈，每层线圈之间相互绝缘，通过涂覆绝缘漆的方式，既不增加线圈板的厚度又可以很好地实现绝缘，除了该绝缘方式以外，本领域技术人员还可以采用其他惯常的绝缘手段，均属于本发明的保护范围内。如果设置了两层线圈，即为两相控制电机，两层线圈各自的驱动电流相差90度相位，两层线圈的位置相差90/（每层齿轮数或花瓣数/2）。如果是三层线圈，即为三相控制电机，三层线圈各自驱动电流相差60度相位，三层线圈的位置各自错开60/（每层齿轮数或花瓣数/2）度。例如，图9的示例中，线圈板的两个面上可以分别设置一层线圈，一共两层线圈，90/16/2=11.25，因此两层线圈之间的位置应该错开11.25度。图中同样为了显示清晰，只显示了两层线圈与磁石板的对应关系，在初始状态时，即电机未工作时，有一层线圈满足线圈相邻两组沿径向方向的导线分别位于相邻的磁极区内即可。

通过上述结构，前盖1、后盖2、侧壳3以及线圈板7成为固定不动的定子，磁石板6、隔套9及转轴5作为可旋转的动子，该结构中，我们可以将磁石板做得尽量薄，例如可以采用毫米级厚度的磁石，通过设置多个间隔排列的薄磁石板，使相邻两个磁石板的狭窄间隙之中存在极强的轴向磁场，薄片状的线圈板插在上述强磁场间隙中，当线圈通电后，将产生非常大的转动力矩。通过多个磁石板和线圈板的交叠，可实现上述转动力矩的倍增。因此，本发明的电机结构具有极高的机电转换效率，极高的空间利用率，极高的功率重量比和功率体积比。

后盖的内侧还可以安装霍尔元件板11，霍尔元件板11上安装着两个霍尔元件来确认转轴的转动位置并计数。

参考图4，霍尔元件板上的两个霍尔元件12一个位于磁性较强的磁极区内（N极或S极内），另一霍尔元件12位于磁性较弱的区域内，即位于相邻的两个磁极区中间，当磁石板6转动时，两个霍尔元件12的输出的信号为相位差为90度的三角波或正弦波。可以精确反馈磁石的位置和角度。通过霍尔元件检测到的反馈信号可以对电机的转速进行控制，实现转速可调，并可以通过控制芯片进行刹车控制，控制线圈电流的通断，能够满足极高的精度要求。

除了图1、图2给出的线圈板7和磁石板6的组合方式，线圈板7和磁石板6之间还可以具有其他多种多样的组合方式，组合的具体数量为0.5*m组，m为大于等于2的自然数。例如线圈板7与磁石板6的具体数量可以为1组（一个线圈板与一个磁石板相互配合作用）；1.5组（两个线圈板分别位于一个磁石板两侧，或者两个磁石板之间设置一个线圈板）；2组（两个线圈板与两个磁石板）……等其他组。当磁石板6为2个以上时，两块磁石板相对的两个相对面上相对的磁极区的极性相反，所以磁石板之间为相互吸引的作用力。线圈板7之间可以串联，也可以并联。这样能够达到一个最佳的电阻值和控制电流值，并能满足扭矩大小的不同需求和功率，散热等的具体要求。而且本发明电机的尺寸非常灵活。

本发明的上述多种实施例均是由两种标准组件（磁石板和线圈板）简单交互堆叠而成，因此比其他电机的量产性高很多。另外，通过控制叠层的数目，可方便控制电机的外形尺寸，输出功率和转矩等各项性能参数，非常灵活。在其他实施例中，还可以在前盖和后盖的中心相向伸出两个轴承安装部，其内用来分别安装轴承。而导电金属薄板除了采用铜板以外，还可以采用其他导电的金属薄板，例如铝板，均属于本发明的保护范围之内。

以上具体实施例仅用以举例说明本发明的结构，本领域的普通技术人员在本发明的构思下可以做出多种变形和变化，这些变形和变化均包括在本发明的保护范围之内。