直流电动机 【技术领域】
本发明涉及一种直流电动机，特别涉及这种类型的、紧凑型的、高输出电动机。
背景技术
四磁极、四电刷的直流电动机已经应用于需要高输出和小尺寸的场合、诸如摩托车用的启动电动机。在四磁极、四电刷直流电动机中，构成转子的电枢通过轴颈安装在一圆筒形轭里，而圆筒形轭构成定子壳体。一换向器安装在电枢的一端。四块弧形磁铁按照90度的有规律间隔利用粘结剂固定在定子壳体的内侧壁上。这些磁铁通常是用铁素体基磁性材料(具有约0.4T磁通密度)制造的。一转子轴通过轴颈安装在定子里。线圈卷绕在一芯子上，而芯子安装在转子轴上，以便形成电枢。芯子包括许多辐射状的芯片，绕组以给定的方式卷绕在芯片上，以便形成线圈。换向器包括许多与线圈的芯片对应的接触片，并安装在转子轴的一端。四个电刷与换向器接触，换向器的转动允许电刷依次接触接触片。
在摩托车里，空间约束大，启动电动机的尺寸减少是必需的。构成传统启动电动机的定子的铁素体基磁铁的厚度从制造的技术角度看被限制在约5-6mm。
此外，为了提高启动摩托车发动机地方便性，对启动电动机输出的改进也是必需的。对启动电动机输出的改进需要增加磁铁的磁场密度(磁通密度)，以便产生较高的能量。为此，必须允许大电流流过线圈侧，以便对应于磁铁的较高磁通密度产生的较高能量。大电流需要粗的线圈的绕组。通常，导电体的直径是0.9mm或更小。由于结构上的、诸如芯子形状的需要、以及便于卷绕操作的需要，这个尺寸是限定的。
使用包含钕(Nd)或它的化合物的磁性材料制造的钕基磁铁作为高能磁铁可增加输出。钕基磁铁的磁通密度约是1.2T。
然而，如果单纯地增加磁铁的体积以提高磁力、从而增加电动机输出，磁铁将变厚，而设备的直径将增加。这显然与减少电动机尺寸的要求有矛盾。此外，如果使用钕基高能磁铁，而线圈导电体的直径限于0.9mm，对应于这种磁铁材料的显著的输出增加将不可能出现。
如果在摩托车的启动电动机中使用高能磁铁，将要求这种电动机具有有限的尺寸范围。这意味着，由于有限的外径，磁铁厚度的增加必须有较小的电枢，因此不会产生大的输出。这样，即使输出特性仅由作为参数的磁铁的厚度或体积、或电枢的外径代表，峰值输出特性也不可能实现，因为轭的形状和尺寸不可能任意选择。因此，磁铁的形状和尺寸根据制造的便利性或成本已被确定，从而不能获得优选的输出特性。
因此，本发明的一个主要目的是提供一种直流电动机，它在尺寸上是小的，但能实现较大的输出。
这个目的是通过一参数确定磁铁尺寸而获得的，利用该参数，对应于轭形状和尺寸的峰值输出特性可以适当地确认。
本发明的另一目的是提供一种直流电动机，其中，输出特性基于一新的参数，从而可实现尺寸减少和高输出。
【发明内容】
本发明适用于一种直流电动机，该电动机包括一定子，该定子包括沿圆周间隔的、有规律地固定在一圆筒形轭的内侧壁上的许多弧形磁铁。一转子轴通过轴颈可转动地安装在定子里。一电枢芯子形成于转子轴上，并包括许多辐射状的芯片和卷绕在所述芯片上、形成线圈的绕组。磁铁由选自包含钕(Nd)的磁性材料和铁素体基材料组成的材料集合的磁性材料形成。所述磁铁的厚度用t表示，而所述电枢的外径用d表示，d/t的值在约4-25范围内。
按照本发明的另一特征，磁铁材料是包含钕(Nd)的磁性材料，绕组的直径在1.0-2.5mm范围内，而d/t的值在约8-25范围内。
按照本发明的又一特征，磁性材料是铁素体基磁性材料，d/t的值在约4-15范围内。这些关系与现有技术中的结构对照可以发现，在传统的、使用铁素体基磁铁的直流电动机里，用于摩托车的传统的铁素体基磁铁直流电动机的d/t的实测量在2-3范围内。
附图的简要说明
图1是按照本发明的、用作摩托车的启动电动机的直流电动机剖视的侧视图；
图2是沿着图1中的2-2线的剖视图；
图3是在用A、B、C和D表示的各种情况下的电动机的最大输出的计算值的表；
图4A、B、C和D是图3中的计算值的图表，用d/t作为参数；
图5是部分类似于图3的表，是在其它各种情况下的电动机的最大输出的计算值；
图6A、B、C和D是图5中的计算值的图表，用d/t作为参数。
【发明内容】
首先参看图1和2，摩托车的启动电动机用标号11总的表示。启动电动机11包括一定子12，它具有用适当材料制造的圆筒形轭13。四块弧形永久磁铁14沿圆周相等间隔粘结在轭13的内侧表面上。
一电枢或转子15以下述方式通过轴颈可转动地安装在定子12里。电枢15包括一面向磁铁14并安装在转子轴17上的芯子16。换向器18安装在转子轴17的一端，并靠近芯子16。如图2所示，芯子16包括许多辐射状的芯片19，而导电体21卷绕在芯片19上并形成线圈22。换向器18包括与芯片19数量对应的接触片23，按照卷绕的方式，四个或两个电刷(未画出)在外侧与换向器18接触。电刷通过螺旋弹簧24被压在换向器18的接触片23上。
电动机11的外壳是由一对封闭圆筒形轭13两端部的端盖25和26形成的。端盖25(前盖)覆盖在发动机(未画出)附近的轭13的一侧。另一端盖26形成后盖，覆盖轭13的右侧，从而分别形成用标号27表示的电动机外壳。转子轴17分别通过轴承28和29可转动地安装在前后盖25和26里。
在后盖26里提供正极接线端31，以便提供来自车辆的电池的电力。正极接线端31与在正极侧电刷(未画出)连接。在负极侧(接地侧)的电刷(未画出)通过安装支架32(或负极接线端)接地，而安装支架32可与后盖26一体形成。
前盖25里安装一油密封件33，以防止油从发动机侧进入电动机壳体27，以及一O型环34，以便密封发动机安装部分。在发动机侧一端的转子轴17上安装一齿轮35，以便在与发动机飞轮的一个齿轮(未画出)啮合时使一曲轴转动。
在组装上述启动电动机11时，首先将绕组21卷绕在芯子16上，形成线圈22，然后组装换向器18，以形成电枢15。在转子轴17的一端配合安装后盖26，以覆盖电枢15的换向器18一侧。电刷(未画出)固定在后盖26上，如上所述，电刷在螺旋弹簧24的作用下被向内偏压。因此，当后盖26安装在转子轴17的端部时，它与转子轴17配合，而电刷被换向器18向外推动，以便反抗螺旋弹簧24的作用。在用这种方式将后盖26组装在电枢15上之后，圆筒形轭13与电枢15的芯子16配合，最后组装前盖25。
在上述的启动电动机11里，磁铁14是铁素体基磁铁，或包含钕(Nd)或它的化合物的高能磁铁。钕磁铁的磁通密度约是1.2T。由于这种高能磁铁，它的厚度可以减少，用约1.5mm厚度的磁铁可获得700W的输出。结果，电动机的外径可以减少，而60mm直径的电动机可以获得上述700W的输出。
在传统的铁素体基磁铁(具有0.4T的磁通密度)的情况下，700W的输出需要约5mm的磁铁厚度，这样，电动机11的外径将增加至约70mm。
在该实施例里，为了给线圈22提供与高能磁铁对应的大电流、以获得有效的较高输出，绕组21的直径与传统的0.9mm或更小的导电体相比约增加1.0-2.5mm。由于具有这种厚度范围内的导电体，可获得对应于这种高能磁铁的有效输出，如图2所示，导电体可通过芯片19之间的间隔而平稳地卷绕在芯子上。
由于使用高能磁铁和用一定厚度的绕组形成线圈，电动机的尺寸减少和较高输出可通过使用高能磁铁的减少的厚度和高的磁通密度实现。
在这些实施例里，当磁铁14的厚度用t表示、而电枢15的外径用d表示时，磁铁14和电枢15的尺寸被确定，d/t对于钕基磁铁在8-25范围内，对于铁素体基磁铁在4-15范围内。通过使用d/t作为参数这种方式确定形状和尺寸，意味着，首先通过试验或计算发现对应于d/t的输出特性，然后，从输出特性确定对于峰值输出的d/t的范围，如下所述。
图3是一张表，它显示了在空间系数是常数时，对于钕基和铁素体基的、60mm和68mm轭直径的电动机来说，最大输出Pmax(W)及t和d/t的计算值。图4A、B、C和D是图表，分别显示了对于上述同一电动机用d/t作为参数时的输出特性(Pmax)。空间系数是导电体占据的截面积与在芯子截面里的芯片之间的空白区之比。
在这些图中可看到，在使用铁素体基磁铁的(B)和(D)、以及使用钕基磁铁的(A)和(C)情况下，对于较高的输出，有一个d/t范围。此外，从图4A、B、C和D中可看到，从用d/t作为参数、特别是当使用钕基磁铁时的图表中可容易地发现峰值。
在钕基磁铁情况下，厚度t从制造角度看需要2mm或更大。如果从选择最大输出范围这个观点出发，d/t在约8-25的范围内。
在铁素体基磁铁情况下，从制造该磁铁的观点出发，该厚度对于60mm的轭来说通常需要6mm或更大，而对于68mm的轭来说需要5mm或更大。因此，d/t在2-3范围内，它对于最大输出来说超出范围。然而，在该实施例里，即使磁铁的厚度(例如)是5mm或更小，4-15的d/t范围也可选择，从而提供一小尺寸和大功率的电动机。
图5显示了一类似于图3、当空间系数改变时的计算值的表，而图6A、B、C和D显示了用d/t作为参数时最大输出特性的图表。
从这些图中可看到，即使空间系数改变，计算结果也类似于图3和图4A、B、C和D，而在使用铁素体基磁铁的(B)和(D)、以及使用钕基磁铁的(A)和(C)的情况下，最大输出有一个范围。如图3和图4A、B、C和D所示，d/t的范围对于钕基磁铁来说约是8-25、对于铁素体基磁铁来说约是4-15。
在上面所述的本发明里，由于将电枢直径d对磁铁厚度t的比值d/t作为参数，因此通过试验或模拟计算可发现输出特性，而对于所需的大输出可通过输出特性确定d/t的范围，因此，在使用这种形状或用途的电动机的情况下，可获得大功率的电动机。
特别是，如果对于钕基磁铁来说d/t的范围确定约是8-25，通过使用高能磁铁、以及具有能令人满意地使用这种能量的直径的导电体、可有效地获得大输出。这样，如果导电体的直径在1.0-2.5mm范围内，可产生特别显著的效果。
在铁素体基磁铁情况下，如果d/t的范围确定是4-15，可获得一种小尺寸和大功率的电动机。这样，如果磁铁的厚度是6mm或更小，可实现高输出及足够的尺寸减少。
如果该电动机特别作为摩托车的启动电动机使用，可获得一种能安装在有限空间里的、小尺寸大功率的启动电动机。当然，上面所述的是较佳的实施例，在不脱离由附后的权利要求书限定的本发明构思和范围的情况下还可以作出许多改变或改进。