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CN108292865A - 无刷直流电机 - Google Patents

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CN108292865A CN201780003996.3A CN201780003996A CN108292865A CN 108292865 A CN108292865 A CN 108292865A CN 201780003996 A CN201780003996 A CN 201780003996A CN 108292865 A CN108292865 A CN 108292865A
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Abstract

本发明涉及一种BLDC电机，该BLDC电机包括：定子，该定子具有朝向芯的内部延伸的多个齿，并且在每个齿的径向方向上的内端处具有延伸的极靴；以及转子，该转子在由所述极靴包围的定子内部中以分隔距离布置，并且具有附接到芯的多个永磁体，其中，所述转子的外周表面是圆形的，但是，相对于所述转子的旋转中心(C)，所述外周表面的与特定角度范围对应的一部分是线性直线部，并且所述极靴的所述径向方向上的内周表面的中心部分中的设置区域是圆形的，并且由于所述极靴的周界方向上的两侧端部中的每一个的内周表面被形成为使得到所述转子的外周表面的距离随着沿周界方向与所述极靴的中线(CL)的距离增大而增大，所以定子和转子之间的磁阻减小，由此使齿槽转矩和转矩波动减小。

Description

无刷直流电机
技术领域
本发明涉及BLDC电机，并且更具体地，涉及一种能够减小内转子型BLDC电机中的齿槽转矩和转矩波动的BLDC电机。
背景技术
无刷直流(BLDC)电机可以防止作为现有直流电机的缺点的摩擦和磨损，并且具有相对高的效率。因此，近来，混合动力车往往会采用BLDC电机作为用于使冷却风扇旋转的电机。
BLDC电机是不具有直流电机所必需的电刷和换向器而是在其中安装有电子换向机构的电机。在BLDC电机当中，内转子型BLDC电机包括转子和定子，其中，其中心设置有永磁体的转子旋转，而其周界缠绕有驱动线圈的定子被固定。也就是说，其外侧缠绕有驱动线圈的定子被固定，而其内侧设置有永磁体的转子旋转。
在这种常规内转子型BLDC电机1中，如图1中例示的，转子5在与定子2以预定间隔彼此间隔开的同时设置在定子2的内侧。定子2呈环状并且设置有向定子2的内侧突出并且被径向设置的多个齿3，其中，齿3缠绕有驱动线圈并且齿3的与转子5相邻的内端部分设置有极靴4。另外，转子5与沿着周界方向彼此间隔开的多个永磁体6联接。
另外，当转子旋转时，BLDC电机根据转子的旋转位置而具有不同的磁阻幅值(足以阻碍磁通量流动的幅值)，并且磁阻的差异造成电机转矩的波动。在永磁体型电机中，在向电机的线圈施加电力之前转子旋转时出现的转矩波动现象被称为齿槽转矩。由于转矩的波动，导致电机具有引发振动和噪音的激励源。结果，在作为由电机驱动的系统的冷却风扇或类似装置中出现电机的噪声的问题。
因此，需要通过减小作为电机的齿槽转矩的波动宽度的转矩波动来改进电机的噪声和振动特性。
[现有技术文献]
[专利文献]
KR 10-1603667 B1(2016.03.09)
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种能够通过减小定子和转子之间的磁阻来减小电机的齿槽转矩和转矩波动的BLDC电机。
技术方案
在一个总体方面，一种BLDC电机包括：定子100，该定子100设置有朝向芯110的内侧延伸的多个齿120和各自延伸以形成在所述齿120的径向内端部分处的极靴130；以及转子200，该转子200在与所述定子100间隔开的同时被设置在所述定子100的由所述极靴130包围的内侧处，并且具有与其芯210联接的多个永磁体220，其中，所述转子200的外周表面可以具有圆形形状，与相对于所述转子200的旋转中心C的特定角度范围对应的区域的一部分的外周表面可以被形成为平直直线部230，所述极靴130的径向内周表面的中心部分的预定区域可以具有弧形形状，并且所述极靴130的周界上两侧端部131的内周表面可以被形成为使得所述极靴130的所述周界上两侧端部131的所述内周表面与所述转子200的所述外周表面的距离随着所述极靴130的所述周界上两侧端部131的所述内周表面在周向上远离所述极靴的中线CL而增大。
所述极靴130的所述两侧端部131的所述内周表面可以被形成为平直直线部132。
所述极靴130的所述两侧端部131的所述内周表面可以相对于所述极靴130的所述中线CL对称地形成。
此外，所述极靴130的所述周界上两侧端部131的所述内周表面的起点A和A'相对于所述转子200的所述旋转中心C之间的角度范围θt大于彼此相邻的所述永磁体220的外侧端Mo和Mo’相对于所述转子200的所述旋转中心C之间的角度范围θm(θm<θt)，所述极靴130的所述周界上两侧端部131的所述内周表面被形成为使得所述极靴130的所述周界上两侧端部131的所述内周表面与所述转子200的所述外周表面的距离随着所述极靴130的所述周界上两侧端部131的所述内周表面在周向上远离所述极靴的中线CL而增大。
所述转子200的所述外周表面的所述直线部230可以被设置在彼此相邻的所述永磁体220之间的位置处。
所述直线部230的起点S和终点E相对于所述转子200的旋转中心C之间的角度范围θc可以大于彼此相邻的所述永磁体220的外侧端Mo和Mo’相对于所述转子200的旋转中心C之间的角度范围θm(θm<θc)。
所述极靴130的所述周界上两侧端部131的所述内周表面的起点A和A’之间的角度范围θt可以大于所述直线部230的起点S和终点E之间的角度范围θc(θt>θc)，所述极靴130的所述周界上两侧端部131的所述内周表面被形成为使得所述极靴130的所述周界上两侧端部131的所述内周表面与所述转子200的所述外周表面的距离随着所述极靴130的所述周界上两侧端部131的所述内周表面在周向上远离所述极靴的中线CL而增大。
有益效果
本发明的BLDC电机的优点在于，可以通过减小定子和转子之间的磁阻来减小齿槽转矩和转矩波动。
另外，因为电机的齿槽转矩可以减小并且转矩波动可以减小，所以反电动势波形变为正弦波，由此减小电机的噪声和振动。
附图说明
图1是例示常规BLDC电机的局部示意图。
图2是例示根据本发明的一种示例性实施方式的BLDC电机的示意图。
图3是根据本发明的示例性实施方式的BLDC电机的局部放大图。
图4是例示常规BLDC电机的反电动势波形的曲线图。
图5是例示根据本发明的示例性实施方式的BLDC电机的反电动势波形的曲线图。
图6是例示对常规BLDC电机和本发明的BLDC电机的反电动势波形进行转换和分析的结果的比较图。
图7是例示常规BLDC电机和本发明的BLDC电机的齿槽转矩根据转子的旋转角度而变化的比较图。
具体实施方式
下文中，将参照附图来详细描述具有上述配置的根据本发明的一种示例性实施方式的BLDC电机。
图2是例示根据本发明的一种示例性实施方式的BLDC电机的示意图，并且图3是例示根据本发明的示例性实施方式的BLDC电机的局部放大图。
如图所示，根据本发明的一种示例性实施方式的BLDC电机1000包括：定子100，该定子100设置有朝向芯110的内侧延伸的多个齿120以及各自延伸以形成在齿120的径向内端部分处的极靴130；以及转子200，该转子200在与定子100间隔开的同时设置在定子100的由极靴130包围的内侧，并且具有与其芯210联接的多个永磁体220，其中，转子200的外周表面可以具有圆形形状，与相对于转子200的旋转中心C的特定角度范围对应的区域的一部分的外周表面可以被形成为平直直线部230，极靴130的径向内周表面的中心部分的预定区域可以具有弧形形状，并且极靴130的周界上两侧端部131的内周表面可以被形成为使得极靴130的周界上两侧端部131的内周表面与转子200的外周表面的距离随着极靴130的周界上两侧端部131的内周表面在周向上远离极靴的中线CL而增大。
首先，定子100是固定到电机等的外壳的部分，并且芯110可以具有圆柱形状，使得芯110的内部中心部分是空的。多个齿120从芯110的内周表面朝向中心径向延伸，并且齿120可以沿着周界方向彼此间隔开。另外，极靴130各自延伸以形成在齿120的径向内端部分处，极靴130的周界上两端从齿120突出，使得齿120和极靴130可以按照如所例示的倒置“T”字形的方式形成。另外，形成在彼此相邻的齿120上并且彼此相对的极靴130可以被形成为以预定间隔彼此间隔开。另外，线圈可以缠绕齿120，并且缠绕的线圈可以设置在芯110的内周表面与极靴130的径向外周表面之间。
转子200可以设置在定子100内侧的中心的中空部分处，并且可以在与定子100间隔开的同时设置在定子100的由极靴130包围的内侧。此时，转子200可以通过轴承、衬套等联接到其两端与电机外壳联接的旋转轴，使得转子200可旋转地形成。另外，转子200可以设置有多个永磁体220，所述多个永磁体220联接到具有圆柱形状或圆筒形状的芯210。此时，永磁体220可以沿着周界方向从芯210的外周表面211朝向径向内侧彼此稍微间隔开，并且每个永磁体220都具有直线形状并且被设置为彼此相对，使得相邻的永磁体220的端部彼此靠近，从而使连接多个永磁体220的径向外侧之间的线被形成为圆形。芯210可以按照其中多个凹槽沿着周界方向布置使得永磁体可以被插入到凹槽中并且与凹槽联接的方式形成。另外，永磁体220具有N极和S极，其中，一个永磁体被设置成使得N极位于径向外侧，而相邻的永磁体被设置成使得S极位于径向外侧，从而使多个永磁体可以按照N极和S极的位置改变的方式沿着周界方向交替地布置。
例如，定子100可以具有十二个齿120，并且转子200可以包括用于形成十个极的十个永磁体220。
在该配置中，当在旋转中轴的方向上观察定子100和转子200或者观察沿着旋转中轴的垂直方向截取的定子100和转子200的横截面时，如图2和图3中例示的，转子200的芯210的外周表面具有圆形形状，并且芯210的与相对于转子200的旋转中心C的特定角度范围θc对应的外周表面可以被形成为平直直线部230。
另外，作为极靴130的径向内周表面的中心部分的预定区域，极靴130的与特定角度范围θt对应的部分的内周表面被形成为弧形的弧形部133，并且极靴130的周界上两侧端部131的内周表面可以被形成为例如直线部132，使得极靴130的周界上两侧端部131的内周表面与转子200的芯210的外周表面的距离随着极靴130的周界上两侧端部131的内周表面在周向上远离位于弧形部133的两端处的极靴的中线CL而增大。
因此，芯210的在径向方向上与极靴130的内周表面(定子100的最内侧表面)的弧形部133靠近并面对的圆形外周表面211(转子200的最外侧表面)被形成为使得定子100的弧形部133与转子200的外周表面211之间在径向方向上的距离恒定地形成，但是定子100的极靴130的弧形部133和转子200的芯210的直线部230在径向方向上没有恒定距离，并且作为定子100的极靴130的径向两侧端部131的内周表面的直线部132和转子200的芯210的圆形外周表面211在径向方向上彼此没有恒定距离。
也就是说，随着转子200在定子100内部旋转，定子100的极靴130的内周表面与转子200的芯210的外周表面之间的距离改变，使得由于转子200的永磁体220所产生的磁通量而导致的根据转子200的旋转位置的磁阻的变化减小，从而减小齿槽转矩并且减小作为齿槽转矩的波动宽度的转矩波动。
可以看出，如在下式1中，如果在磁通链Φ没有改变的状态下磁阻R减小，则齿槽转矩Tcogging减小并且磁阻的变化dR与转子的旋转角度的变化dθ之比减小，并且转矩波动相应地减小。
[式1]
如上所述，本发明的BLDC电机可以通过减小定子和转子之间的磁阻来减小齿槽转矩和转矩波动，使得反电动势波形变成正弦波，从而减少电机的噪声和振动。
另外，极靴130的两侧端部131的内周表面可以被形成为平直直线部132。
也就是说，如所示出的，极靴130的两侧端部131的内周表面可以被形成为平直直线部132。此时，直线部132可以被形成为相对于极靴130的中线CL朝向其远离周界方向的方向并且朝向径向外侧的直线。虽然未例示，但是极靴130的两侧端部131的内周表面可以具有除了直线形状之外的弯曲形状。
因此，如果在转子旋转时永磁体的极性因穿过定子的极靴部而改变，则磁阻减小并且磁阻的变化相应地减小，使得齿槽转矩和转矩波动可以减小。
另外，极靴130的两侧端部131的内周表面可以相对于极靴130的中线CL对称地形成。
也就是说，如所例示的，极靴130的两侧端部131的内周表面被形成为直线部132，以便相对于极靴的中线CL对称，使得可以在一个极靴130上形成一对直线部132。
另外，极靴130的周界上两侧端部131的内周表面的起点A与A'相对于转子200的旋转中心C之间的角度范围θt大于彼此相邻的永磁体220的外侧端Mo与Mo’相对于转子200的旋转中心C之间的角度范围θm(θm<θt)，极靴130的周界上两侧端部131的内周表面被形成为使得极靴130的周界上两侧端部131的内周表面与转子200的外周表面的距离随着极靴130的周界上两侧端部131的内周表面在周向上远离极靴的中线CL而增大。
也就是说，在转子200旋转以使得沿着周界方向彼此相邻的两个永磁体220之间的中心位于极靴130的中线CL的位置处，极靴130的直线部132的起点A和A’(定子100的极靴130的弧形部133和直线部132彼此相交的点)相对于转子的旋转中心C之间的角度范围θt可以大于作为两个永磁体220彼此接近的部分的径向外拐角的外侧端Mo与Mo’相对于转子的旋转中心C之间的角度范围θm(θm<θt)。定子的中心和转子的旋转中心可以彼此重合。
因此，永磁体220所产生的磁通量可以具有更自然的弯曲形状，使得可以在转子旋转期间高效地减小磁阻以及磁阻的变化。
另外，转子200的外周表面的直线部230可以设置在彼此相邻的永磁体220之间的位置处。
也就是说，如所例示的，转子200的芯210的直线部230可以沿着周界方向形成在芯的与彼此相邻的两个永磁体220之间的位置对应的外周表面上。因此，当在转子旋转的同时永磁体的极性因穿过极靴而改变时，磁阻减小，并且磁阻的变化相应地减小，使得齿槽转矩和转矩波动可以减小。
另外，直线部230的起点S与终点E相对于转子200的旋转中心C之间的角度范围θc可以大于彼此相邻的永磁体220的外侧端Mo与Mo’相对于转子200的旋转中心C之间的角度范围θm(θm<θc)。
也就是说，在转子200旋转以使得沿着周界方向彼此相邻的两个永磁体220之间的中心位于极靴130的中线CL的位置处，转子200的芯210的直线部230的起点S和终点E相对于转子的旋转中心C之间的角度范围θc可以大于作为两个永磁体220彼此接近的部分的径向外拐角的外侧端Mo和Mo’相对于转子的旋转中心C之间的角度范围θm(θm<θc)。因此，从永磁体220所产生的磁通量可以具有更自然的弯曲形状，使得可以在转子旋转期间高效地减小磁阻以及磁阻的变化。
另外，极靴130的周界上两侧端部131的内周表面的起点A和A'之间的角度范围θt可以大于直线部230的起点S和终点E之间的角度范围θc(θt>θc)，极靴130的周界上两侧端部131的内周表面被形成为使得极靴130的周界上两侧端部131的内周表面与转子200的外周表面的距离随着极靴130的周界上两侧端部131的内周表面在周向上远离极靴的中线CL而增大。
也就是说，在转子200旋转以使得沿着周界方向彼此相邻的两个永磁体220之间的中心位于极靴130的中线CL的位置处，极靴130的直线部132的起点A和A’(定子100的极靴130的弧形部133和直线部132彼此相交的点)相对于转子的旋转中心C之间的角度范围θt可以大于转子200的芯210的直线部230的起点S和终点E相对于转子的旋转中心C之间的角度范围θc(θt>θc)。因此，从永磁体220所产生的磁通量可以具有更自然的弯曲形状，使得可以在转子旋转期间高效地减小磁阻以及磁阻的变化。
如上所述，当定子100的极靴130的周界上两侧端部131的内周表面被形成为直线部132，平直直线部230形成在转子200的芯210的外周表面上，并且θt>θc时，反电动势波形是正弦波，使得齿槽转矩和转矩波动可以减小。可以看出，如图5中例示的本发明的电机的反电动势波形比其中常规定子的极靴的整个内周表面具有弧形形状并且转子的芯的整个外侧表面被形成为周界表面的电机的反电动势波形(如图4中例示)更正弦，并且可以看出，当如图6例示地分析反电动势波形时，与现有技术相比，在本发明的反电动势波形的快速傅里叶变换(FFT)中，与水平轴上的第一个对应的基波分量增加4V，并且与第五个和第十三个对应的谐波分量减少。因此，能够通过减小齿槽转矩和转矩波动来减少电机的噪音和振动。结果，如图7中例示的，与常规电机相比，本发明的电机显示齿槽转矩减少大约48％。这里，可以通过转子的永磁体的形状、定子的极靴的形状和转子的形状来确定反电动势的幅值和反电动势波形的形状，并且像反电动势的形状一样，还可以通过永磁体的形状、定子的极靴的形状和转子的形状来确定齿槽转矩。另外，在驱动电机时流动的电流量取决于逆变器所供应的电压。随着反电动势的形状更接近逆变器可以供应的电压，电机驱动时的转矩波动或振动可以减小。另外，如果反电动势的基波分量增加，则性能不会无条件地提高，并且可以根据反电动势的基波幅值来确定驱动速度的范围。然而，随着包含在反电动势波形中的谐波分量增加，振动或噪声可变差。
本发明不限于以上提到的示例性实施方式，而是可进行各种应用，并且可在不脱离权利要求书中所请求保护的本发明主旨的情况下，由本发明所属领域的技术人员进行各种修改。
[主要元件的详细描述]
1000：BLDC电机
100：定子
110：芯
120：齿
130：极靴
131：端部
132：直线部
133：弧形部
200：转子
210：芯
211：外周表面
220：永磁体
230：直线部
A、A'：定子的极靴的直线部的起点
Mo、Mo'：永磁体的外侧端
S：转子的直线部的起点
E：转子的直线部的终点
C：转子的旋转中心
CL：极靴的中线

Claims (7)

1.一种BLDC电机，该BLDC电机包括：
定子(100)，该定子(100)设置有朝向芯(110)的内侧延伸的多个齿(120)和各自延伸以形成在所述齿(120)的径向内端部分处的极靴(130)；以及
转子(200)，该转子(200)在与所述定子(100)间隔开的同时被设置在所述定子(100)的由所述极靴(130)包围的内侧处，并且具有与其芯(210)联接的多个永磁体(220)，
其中，所述转子(200)的外周表面具有圆形形状，与相对于所述转子(200)的旋转中心C的特定角度范围对应的区域的一部分的外周表面被形成为平直直线部(230)，所述极靴(130)的径向内周表面的中心部分的预定区域具有弧形形状，并且
所述极靴(130)的周界上两侧端部(131)的内周表面被形成为使得所述极靴(130)的所述周界上两侧端部(131)的所述内周表面与所述转子(200)的所述外周表面的距离随着所述极靴(130)的所述周界上两侧端部(131)的所述内周表面在周向上远离所述极靴的中线CL而增大。
2.根据权利要求1所述的BLDC电机，其中，所述极靴(130)的所述两侧端部(131)的所述内周表面被形成为平直直线部(132)。
3.根据权利要求1所述的BLDC电机，其中，所述极靴(130)的所述两侧端部(131)的所述内周表面相对于所述极靴(130)的所述中线CL对称地形成。
4.根据权利要求1所述的BLDC电机，其中，所述极靴(130)的所述周界上两侧端部(131)的所述内周表面的起点A和A'相对于所述转子(200)的所述旋转中心C之间的角度范围θt大于彼此相邻的所述永磁体(220)的外侧端Mo和Mo’相对于所述转子(200)的所述旋转中心C之间的角度范围θm(θm<θt)，所述极靴(130)的所述周界上两侧端部(131)的所述内周表面被形成为使得所述极靴(130)的所述周界上两侧端部(131)的所述内周表面与所述转子(200)的所述外周表面的距离随着所述极靴(130)的所述周界上两侧端部(131)的所述内周表面在周向上远离所述极靴的中线CL而增大。
5.根据权利要求1所述的BLDC电机，其中，所述转子(200)的所述外周表面的所述直线部(230)被设置在彼此相邻的所述永磁体(220)之间的位置处。
6.根据权利要求5所述的BLDC电机，其中，所述直线部(230)的起点S和终点E相对于所述转子(200)的旋转中心C之间的角度范围θc大于彼此相邻的所述永磁体(220)的外侧端Mo和Mo’相对于所述转子(200)的旋转中心C之间的角度范围θm(θm<θc)。
7.根据权利要求5所述的BLDC电机，其中，所述极靴(130)的所述周界上两侧端部(131)的所述内周表面的起点A和A’之间的角度范围θt大于所述直线部(230)的起点S和终点E之间的角度范围θc(θt>θc)，所述极靴(130)的所述周界上两侧端部(131)的所述内周表面被形成为使得所述极靴(130)的所述周界上两侧端部(131)的所述内周表面与所述转子(200)的所述外周表面的距离随着所述极靴(130)的所述周界上两侧端部(131)的所述内周表面在周向上远离所述极靴的中线CL而增大。
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