本發(fā)明是一種直流馬達的內(nèi)外圈定子結(jié)構(gòu)，尤指在一圓柱狀的殼體內(nèi)壁環(huán)設(shè)一外定子，再于軸心位置設(shè)置一內(nèi)定子，令該外定子與內(nèi)定子之間能形成一轉(zhuǎn)動空間，供容納一中空型轉(zhuǎn)子的定子結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

馬達(electricmotor)，又稱電動機，是一種能將所接收到的電力轉(zhuǎn)化成機械能，之后，再利用該機械能產(chǎn)生動能，進而驅(qū)動其他裝置的電器設(shè)備。由于，動能是人們?nèi)粘Ｉ钪兄饕\用的能量型態(tài)，而電能又具有易儲存、傳輸及潔凈等特性，所以，能夠被電能驅(qū)動，輸出動能的馬達，即成為人們生活中不可或缺的重要器具。

一般言，依照驅(qū)動電能的不同，馬達又可分為直流馬達、交流馬達與脈沖馬達等類型，其中，直流馬達的“轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩”與“電流-轉(zhuǎn)矩”等特性曲線，均為線性關(guān)系，具有易于控制輸出速度、啟動轉(zhuǎn)矩較大等特點，易于進行變速控制，因而成為工業(yè)自動化上的關(guān)鍵技術(shù)，而本發(fā)明的目的，即是針對直流馬達進行改良。

請參閱圖1a所示，直流馬達1的基本架構(gòu)包括一殼體10、一樞軸11、一轉(zhuǎn)子12(rotor)、一定子13(stator)及一換向器14(commutator)，其中，該殼體10內(nèi)設(shè)有一容納空間101，該樞軸11樞設(shè)在該殼體10內(nèi)，且其一端的輸出軸111凸露在該殼體10之外，該轉(zhuǎn)子12由多個硅鋼片組合而成，且組裝固定至該樞軸11上，該轉(zhuǎn)子12上纏繞有多匝線圈。該定子13為永久磁鐵所組成，且固設(shè)在該殼體10的內(nèi)壁對應于該轉(zhuǎn)子12的外側(cè)周緣，并與該轉(zhuǎn)子12保持一間距，該換向器14設(shè)在該容納空間101內(nèi)，能接收外部電力，并將電力輸送至該轉(zhuǎn)子12，且該換向器14還能隨著該換向器14的轉(zhuǎn)動，改變輸送的電流方向。

根據(jù)佛來明左手定則或右手開掌定則，當一導線被放置于一磁場內(nèi)，若該導線通上電流后，該導線所產(chǎn)生的磁場會切割原有磁場的磁場線，進而使該導線產(chǎn)生移動，所以，當轉(zhuǎn)子12上的線圈通電后，其所產(chǎn)生的磁場，會切割定子13所產(chǎn)生的磁力線，而生成旋轉(zhuǎn)扭矩造成轉(zhuǎn)子12的轉(zhuǎn)動，并將電能轉(zhuǎn)換成動能，舉例而言，請參閱圖1b所示，當定子13的磁力線為由左至右時，若轉(zhuǎn)子12的線圈的電流方向為由右方流入左方流出，此時，該轉(zhuǎn)子12所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩會迫使該轉(zhuǎn)子12順時針旋轉(zhuǎn)。

如前所述，直流馬達1的優(yōu)勢，是在于易于控制轉(zhuǎn)子12的轉(zhuǎn)速，所以適合應用于工業(yè)自動化技術(shù)上。在控制直流馬達1時，本領(lǐng)域技術(shù)人員可透過改變線圈上的電流大小，以增強或減弱該定子13在線圈上產(chǎn)生的動能，然而，線圈纏繞的密度有其限制，電流的改變幅度也不能非無限制，所以，發(fā)明人考慮到，是否能對直流馬達1的結(jié)構(gòu)進行改良，以在不大幅增加整體體積的前提下，提升轉(zhuǎn)子12速度的可控制性與轉(zhuǎn)速范圍？

此外，發(fā)明人在研究過程中還發(fā)現(xiàn)，在已知的直流馬達中，本領(lǐng)域技術(shù)人員必須在該輸出軸111上額外組裝其它的傳動機構(gòu)(如：齒輪組)，才能將該轉(zhuǎn)子12產(chǎn)生的動能傳遞出去，但傳動機構(gòu)的配置卻會造成結(jié)構(gòu)復雜化，以及動能的必然耗損。此外，由于該輸出軸111凸露在該殼體10外的一端是自由端，所以，該輸出軸111的長度必須被設(shè)計的較短，以避免發(fā)生“軸線偏移”的問題。據(jù)此，當該樞軸11欲以高轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)動扭力帶動該傳動機構(gòu)時，該樞軸11與傳動機構(gòu)間其實承受了極大的負荷，很容易產(chǎn)生磨損，進而因受力不均勻，而導致該輸出軸111的軸線仍逐漸發(fā)生偏移的問題。

綜上所述，現(xiàn)有的直流馬達的整體架構(gòu)于實施使用上，仍存有部分缺失，因此，如何對直流馬達的結(jié)構(gòu)進行改良，以提升其轉(zhuǎn)速的可控制性，并解決“軸線偏移”的問題，即成為目前各制造、設(shè)計直流馬達的廠商，亟欲解決的一重要課題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于已知直流馬達在轉(zhuǎn)速的可控制性上應仍有改良的空間，且長久使用后容易產(chǎn)生“軸線偏移”的問題，發(fā)明人經(jīng)過多年來不斷地鉆研，經(jīng)過反復的測試、改良并實作分析后，終于設(shè)計出本發(fā)明的一種直流馬達的內(nèi)外圈定子結(jié)構(gòu)，以期能改善馬達的效能與耐用性。

本發(fā)明的一目的，是提供一種直流馬達的內(nèi)外圈定子結(jié)構(gòu)，該內(nèi)外圈定子結(jié)構(gòu)應用至一直流馬達，該直流馬達包括一殼體，該殼體呈一圓柱體，其內(nèi)設(shè)有一容納空間，該內(nèi)外圈定子結(jié)構(gòu)包括一外定子及一內(nèi)定子，該外定子安裝在該容納空間內(nèi)，包括多個外磁鐵，各該外磁鐵是沿該殼體的圓周向固定至該殼體的內(nèi)壁，彼此相互間隔，且任二相鄰的外磁鐵彼此極性相反；該內(nèi)定子組裝至該外定子內(nèi)，其前后端分別固定至該殼體的前后端，該內(nèi)定子與該外定子間保持有一轉(zhuǎn)動空間，該轉(zhuǎn)動空間足以容納一中空型轉(zhuǎn)子，該中空型轉(zhuǎn)子分別與該外定子及該內(nèi)定子保持一第一間隙及一第二間隙，以使該中空型轉(zhuǎn)子能在該外定子及該內(nèi)定子間轉(zhuǎn)動，該內(nèi)定子包括多個內(nèi)磁鐵，各該內(nèi)磁鐵是沿該殼體的圓周向固定在該內(nèi)定子的外緣，彼此相互間隔，任二相鄰的內(nèi)磁鐵彼此極性相反，各該內(nèi)磁鐵對應于各該外磁鐵。如此，當該中空型轉(zhuǎn)子的線圈接收到一換相器傳來的電流，并產(chǎn)生對應的電磁場后，將因該電磁場能分別與該內(nèi)定子上的各該內(nèi)磁鐵及該外定子上的各該外磁鐵產(chǎn)生互斥作用，而使該中空型轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，且同步帶動一輸出件，將該中空型轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的低轉(zhuǎn)速及高扭矩的一轉(zhuǎn)動扭力，輸出至一負載(如：變速箱)。

附圖說明

圖1a是已知直流馬達的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1b是已知直流馬達的作動原理示意圖；

圖2是本發(fā)明的定子結(jié)構(gòu)所應用的直流馬達示意圖；

圖3是本發(fā)明的定子結(jié)構(gòu)所應用的直流馬達的剖面圖；

圖4是本發(fā)明的定子結(jié)構(gòu)平面示意圖；

圖5是直流馬達的中空型轉(zhuǎn)子的局部立體示意圖；

圖6是直流馬達的中空型轉(zhuǎn)子的繞線示意圖。

【符號說明】

直流馬達1

殼體10

容納空間101

樞軸11

輸出軸111

轉(zhuǎn)子12

定子13

換向器14

直流馬達2

殼體20

容納空間200

前蓋20a

后蓋20b

外殼20c

輸出孔201

前連接部202a

后連接部202b

連接桿203

電刷204

嵌卡部205

外定子21

外磁鐵211

換向器22

盤體220

換向片221

輸出件23

中空型轉(zhuǎn)子24

第一間隙24a

第二間隙24b

軸孔240

外鐵芯241

內(nèi)鐵芯242

外線槽243

固定孔244

內(nèi)線槽245

固定棒246

限位管247

內(nèi)定子25

內(nèi)定子本體250

內(nèi)磁鐵251

定位桿252

軸承26a、26b

線圈27

線圈段271、272

內(nèi)側(cè)間距d1、d3

外側(cè)間距d2、d4

具體實施方式

本發(fā)明是一種直流馬達的內(nèi)外圈定子結(jié)構(gòu)，請參閱圖2和3所示，是本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例，該內(nèi)外圈定子結(jié)構(gòu)應用于一直流馬達2上，包括一外定子21及一內(nèi)定子25，且該直流馬達2除了具備該內(nèi)外圈定子結(jié)構(gòu)外，還包括一殼體20(如圖3所示)、一換向器22、一輸出件23及一中空型轉(zhuǎn)子24等組件，在本實施例中，該殼體20是由一前蓋20a、一后蓋20b及一外殼20c組裝而成，使其整體呈一中空圓柱狀，其內(nèi)形成有一容納空間200，該換向器22與該輸出件23分別定位于該前蓋20a及后蓋20b中。

請參閱圖2和3所示，為便于描述組件之間的相對關(guān)系，以圖2和3的右方為“前方”、其左方為“后方”。該外定子21安裝在該容納空間200內(nèi)，包括多個外磁鐵211，各該外磁鐵211沿該外殼20c的圓周向固定至該殼體20的內(nèi)壁，彼此相互間隔，且任二相鄰的外磁鐵211的極性彼此相反。在本實施例中，該等外磁鐵211嵌卡固定于該外殼20c的內(nèi)壁面，而在本發(fā)明的其他實施例中，該外定子21也可包括一口徑略小于該外殼20c的筒狀固定座，且該等外磁鐵211固設(shè)于該筒狀固定座的內(nèi)壁，以透過該筒狀固定座，間接地定位于該殼體20的內(nèi)壁上。

該內(nèi)定子25組裝至該外定子21內(nèi)，其前后端分別固定至該前蓋20a及后蓋20b，該內(nèi)定子25與該外定子21間保持有一轉(zhuǎn)動空間，該轉(zhuǎn)動空間足以容納該中空型轉(zhuǎn)子24，且能使該中空型轉(zhuǎn)子24分別與該外定子21及該內(nèi)定子25保持一第一間隙24a及一第二間隙24b，而能于該轉(zhuǎn)動空間中轉(zhuǎn)動；該內(nèi)定子25包括一內(nèi)定子本體250與多個內(nèi)磁鐵251，各該內(nèi)磁鐵251沿該外殼20c的圓周向固定在該內(nèi)定子本體250的外緣，彼此相互間隔，任二相鄰的內(nèi)磁鐵251彼此極性相反，各該內(nèi)磁鐵251的位置對應于各該外磁鐵211，在本實施例中，為維持內(nèi)磁鐵251及外磁鐵211的數(shù)量相對應，該內(nèi)磁鐵251的面積小于該外磁鐵211的面積。

在本實施例中，該內(nèi)定子本體250的前后兩端凸設(shè)有二定位桿252(該等定位桿252可為同一支桿體的兩端，如圖3所示)，各該定位桿252分別連接至該殼體20的前端與后端，以使該內(nèi)定子25的軸心能對應于該殼體20的軸心。在本發(fā)明的其它實施例中，本領(lǐng)域技術(shù)人員能依設(shè)計需求自行調(diào)整該內(nèi)定子本體250的構(gòu)型。

該中空型轉(zhuǎn)子24是由多個鐵芯組合而成，其內(nèi)沿軸向形成有一軸孔240，其前端與該換向器22相連接，其后端則與該輸出件23相連接，該中空型轉(zhuǎn)子24上繞設(shè)有多匝線圈27。如此，當該中空型轉(zhuǎn)子24上的線圈27被外部(如：換向器22，其細部結(jié)構(gòu)將于后文詳述)傳來的電流導通，而產(chǎn)生對應的電磁場時，該電磁場能分別與該內(nèi)定子25上的各該內(nèi)磁鐵251及該外定子21上的各該外磁鐵211產(chǎn)生互斥作用，而使該中空型轉(zhuǎn)子24轉(zhuǎn)動，且同步帶動輸出件23(該換向器22也會被同步帶動)，進而將該中空型轉(zhuǎn)子24產(chǎn)生的低轉(zhuǎn)速及高扭矩的一轉(zhuǎn)動扭力，輸出至一負載(如：變速箱)。由于該中空型轉(zhuǎn)子24同時受到該內(nèi)定子25及外定子21的電磁場影響，而被推動旋轉(zhuǎn)，所以，相較于單一個定子的已知直流式馬達，本發(fā)明的設(shè)計能使本領(lǐng)域技術(shù)人員更容易控制該中空型轉(zhuǎn)子24的轉(zhuǎn)速變化，并使輸出件23輸出更高的扭矩。

為使該內(nèi)定子25及外定子21產(chǎn)生的電磁場能更精準地帶動該中空型轉(zhuǎn)子24，發(fā)明人還針對該等內(nèi)磁鐵251及外磁鐵211的配置方式做了詳細的研究：請參閱圖2至4所示，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，相鄰的二外磁鐵211間，鄰近該殼體20內(nèi)壁的一側(cè)間保持有一內(nèi)側(cè)間距d1，其另一側(cè)之間則保持有一外側(cè)間距d2，該外側(cè)間距d2大于該內(nèi)側(cè)間距d1(如圖4所示，各該外磁鐵211上設(shè)有一切角，使其間距較大)，如此，即能增加相鄰的外磁鐵211“磁極端部”間的距離，避免彼此的磁場相互干擾。同理，相鄰的二內(nèi)磁鐵251間，遠離該中空型轉(zhuǎn)子24(或該外定子21)的一側(cè)間保持有一內(nèi)側(cè)間距d3，其另一側(cè)之間則保持有一外側(cè)間距d4，該外側(cè)間距d4大于該內(nèi)側(cè)間距d3。

本發(fā)明的技術(shù)，除能利用內(nèi)定子25、外定子21的特殊結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定地帶動中空型轉(zhuǎn)子24與輸出件23，使其產(chǎn)生高轉(zhuǎn)矩的扭力外，該中空型轉(zhuǎn)子24的獨特結(jié)構(gòu)也能改善輸出效率，并減輕損耗。請參閱圖2和3所示，該輸出件23的位置對應于該殼體20后端的至少一輸出孔201，且呈一齒輪狀(也可為輪轂或其它組件)，如此，一傳動件(如：煉條、皮帶圈或其它組件)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2運轉(zhuǎn)時，使該直流馬達2所產(chǎn)生的動能能依序經(jīng)由該輸出件23與傳動件，輸出至一負載(如：變速箱)，以使該負載能通過該動能而運作。

如圖2至4所示，由于中空型轉(zhuǎn)子24的特殊構(gòu)型，該輸出件23連接于該中空型轉(zhuǎn)子24的環(huán)狀周緣(如：透過多支固定棒，其結(jié)構(gòu)于后續(xù)詳述)，與已知直流馬達是以輸出軸111(如圖1a所示)帶動負載的方式不同，因此，不會如同已知直流馬達一般容易發(fā)生軸線偏移的問題，據(jù)此，該直流馬達2在低轉(zhuǎn)速時，便能夠產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)動扭力，故能減少其上的各個組件的磨損率，大幅提高該直流馬達2的使用壽命。

為便于理解本發(fā)明的技術(shù)原理，進一步詳述“直流馬達2”的結(jié)構(gòu)細節(jié)如下：首先，在殼體20部份，該前蓋20a的周緣設(shè)有多個前連接部202a(如：鎖孔)，其內(nèi)安裝有多個電刷204(carbonbrush，亦稱碳刷)，該電刷204能夠接收外部電流；該后蓋20b則開設(shè)有三個輸出孔201，且其周緣設(shè)有多個后連接部202b(如：鎖孔)，該外殼20c則呈中空管體狀，且嵌卡在該前蓋20a與后蓋20b兩者之間。

如上所述，該前連接部202a與后連接部202b能分別與一連接桿203的兩端相固定，以將該前蓋20a、后蓋20b及外殼20c結(jié)合成一體，形成本發(fā)明所述的殼體20，此外，為避免該外殼20c發(fā)生轉(zhuǎn)動的情況，該前蓋20a及后蓋20b兩者上分別設(shè)有多個嵌卡部205(如：凸片)，以分別與該外殼20c的兩端相嵌卡。

其次，扼要說明該換向器22的結(jié)構(gòu)細節(jié)及其與電刷204間的組裝關(guān)系如下：該換向器22是位于該前蓋20a中，能與該前蓋20a內(nèi)的電刷204相電氣連接，以接收該電刷204傳來的外部電流。該換向器22包括一盤體220及多個換向片221，其中，該等換向片221彼此相隔一間距地組裝至該盤體220的前側(cè)面，且相鄰的二換向片221能依一設(shè)定頻率，令其傳送至對應線圈27的電流方向逆轉(zhuǎn)，以使該線圈27所產(chǎn)生的電磁場也同時逆轉(zhuǎn)，此一換向過程依該設(shè)定頻率一再重復。

另外，請再次參閱圖2、3、5所示，在本實施例中，該中空型轉(zhuǎn)子24包括一外鐵芯241及一內(nèi)鐵芯242，該外鐵芯241與內(nèi)鐵芯242均是由多片硅鋼片組合而成，且其周緣沿軸向開設(shè)有多道外線槽243及內(nèi)線槽245，以及貫穿設(shè)有多個固定孔244，該等外線槽243及內(nèi)線槽245是供纏繞該線圈27，該固定孔244則供嵌插多支固定棒246，各該固定棒246的前端能固定至該換向器22的盤體220的后側(cè)面，各該固定棒246的后端則固定至該輸出件23，如此，該中空型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動。此外，該換向器22與輸出件23的中心分別設(shè)有一軸承26a、26b，使該內(nèi)定子25的定位桿252能穿過各該軸承26a、26b，固設(shè)至該殼體20，而不會隨著該換向器22或輸出件23轉(zhuǎn)動。

如上所述，為避免該換向器22與輸出件23碰觸到該中空型轉(zhuǎn)子24上的線圈27，各該固定棒246的前端與后端還能分別套設(shè)一限位管247，該限位管247的外徑大于該固定孔244的孔徑，而無法伸入至該固定孔244中，且其位于該換向器22與中空型轉(zhuǎn)子24兩者間，或位于該輸出件23與中空型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子24上的線圈。

發(fā)明人在多次實驗中發(fā)現(xiàn)，各該內(nèi)磁鐵251及外磁鐵211的極性的配置方式，也會影響到中空型轉(zhuǎn)子24的轉(zhuǎn)動速度，請參閱圖2、4、6所示，圖4中的n、s代表磁鐵極性，圖6是本發(fā)明纏繞線圈27的其中一種方式，由圖所示的纏繞方式，線圈27位于外線槽243的線圈段271，與對應的內(nèi)線槽245內(nèi)的線圈段272的電流方向?qū)橄喾础?/p>

如上所述，在這一纏繞方式時，若外磁鐵211與相對應的內(nèi)磁鐵251的極性均相同(如：均為n極)，則根據(jù)弗萊明左手定則(拇指為受力方向、食指為磁場方向，掌心或彎曲的中指為電流方向)，該線圈段271會受到外磁鐵211形成的磁場影響(若為n極，磁場方向為朝下)，使其受力方向為圖6的右下角方向，使該中空型轉(zhuǎn)子24以順時針方向轉(zhuǎn)動；同理，線圈段272會受到內(nèi)磁鐵251形成的磁場影響(若為n極，磁場方向為朝上)，使其受力方向也為圖6的右下角方向，如此，即能確保受力方向的一致與穩(wěn)定。另外，在實際實施時，本領(lǐng)域技術(shù)人員也能自行改變纏繞方式，而根據(jù)線圈27上不同段落的電流方向，選擇將相對應的內(nèi)磁鐵251與外磁鐵211的極性設(shè)計為相反。

以上所述，僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施例，另外，本發(fā)明所主張的權(quán)利范圍，并不局限于此，本領(lǐng)域技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明所公開的技術(shù)內(nèi)容，可輕易想到的等效變化，均應屬不脫離本發(fā)明的保護范疇。