CN102629811B - 无刷直流电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无刷直流电动机。包括具有成对定子齿的定子、成对磁极的转子、以及固定在所述转子中心孔处的转轴，每个所述定子齿绕制绕组，在定子的每个横截面中，每个定子齿的齿顶圆弧线与定子齿的齿轴半径的交点和该定子齿的齿顶圆弧线的圆心的连线，与该定子齿的齿轴半径之间的具有大于0度且小于90度的机械偏心角。通过将定子齿的齿顶圆形状设计为相对于转子旋转中心偏心的圆弧线，使得无刷直流电动机能够消除启动“死点”，顺利启动；还可配合正弦规律变化的电流驱动，而使气隙磁场按正弦规律均匀变化，减少转矩波动，降低振动噪音。

Description

无刷直流电动机

技术领域

本发明涉及电气控制技术，尤其涉及一种无刷直流电动机。

背景技术

无刷直流电动机是电动机的一种主要类型，其基本结构是包括具有成对定子齿的定子、具有成对磁极的转子、以及固定在转子中心处的转轴，每个定子齿绕制有绕组。无刷直流电动机的工作原理是通过向绕组施加按照设定周期换相的驱动电流，在定子齿和转子磁极之间产生变化磁场，从而在转子上产生电磁力矩，驱动转子转动。

无刷直流电动机的类型，按照转子磁极上磁性的产生方式又可分为永磁型或励磁型，按照绕组的相数和绕制方式及驱动电流的换相周期又可分为单相、两相或四相无刷直流电动机，其基本工作原理类似。

但是，在现有的无刷直流电动机中，普遍存在一缺陷。即无刷直流电动机在半个换相周期内，当定子磁动势与转子磁通之间的相位夹角在0°和180°时的电磁转矩分别为零。因此，这两个位置被称为“死点”，当转子处于“死点”附近时作用在转子上的电动机启动转矩很小，导致启动不顺利。

发明内容

本发明提供一种无刷直流电动机，以改善电动机在启动“死点”附近的启动性能。

本发明提供一种无刷直流电动机，包括具有成对定子齿的定子、具有成对磁极的转子、以及固定在所述转子中心处的转轴，每个所述定子齿绕制绕组，在定子的每个横截面中，每个定子齿的齿顶圆弧线与齿轴线的交点和该定子齿的齿顶圆弧线的圆心的连线，与该定子齿的齿轴线之间具有大于0度且小于90度的偏心角。

如上所述的无刷直流电动机，优选地：在转子的每个横截面中，每个磁极的边缘圆弧线相对于磁极轴线呈轴对称设置；在定子设置在转子的内侧时，各磁极的边缘圆弧线内凹，且半径大于或等于转子旋转半径，或，在定子设置在转子的外侧时，各磁极的边缘圆弧线外凸，且半径小于或等于转子旋转半径。

如上所述的无刷直流电动机，优选地：在转子的每个横截面中，各磁极的边缘圆弧线的圆心，依次连续排列，形成围绕在转子旋转中心外侧的转子圆。

如上所述的无刷直流电动机，优选地：每个磁极的边缘表面为各边缘圆弧线组成的边缘圆柱面，各磁极的边缘圆柱面的圆心轴线相互平行。

如上所述的无刷直流电动机，优选地：在定子的每个横截面中，每个定子齿的两侧端点相对于齿轴线呈轴对称设置，且定子齿的两侧边缘线与齿顶圆弧线之间形成有过渡弧线。

如上所述的无刷直流电动机，优选地：在每个定子齿上，背离齿顶圆弧线圆心一侧的过渡弧线为第一过渡圆弧线，邻近齿顶圆弧线圆心一侧的过渡弧线为第二过渡圆弧线，且第一过渡圆弧线的半径大于第二过渡圆弧线的半径。

如上所述的无刷直流电动机，优选地：所述第一过渡圆弧线的半径为0.1～1.0mm，第二过渡圆弧线的半径为0.1～0.6mm。

如上所述的无刷直流电动机，优选地：各定子齿的偏心角大小相等；和/或各定子齿的齿顶圆弧线的半径相等。

如上所述的无刷直流电动机，优选地：在定子的每个横截面中，各定子齿的齿顶圆弧线的圆心，依次连续排列，形成围绕在转子旋转中心外侧的定子圆。

如上所述的无刷直流电动机，优选地：每个定子齿的齿顶圆表面为各齿顶圆弧线组成的齿顶圆柱面，各定子齿的齿顶圆柱面的圆心轴线相互平行。

如上所述的无刷直流电动机，优选地：所述转子圆的半径大于所述定子圆的半径。

如上所述的无刷直流电动机，优选地：所述无刷直流电动机为单相永磁无刷直流电动机，所述定子齿和转子磁极的数量均为偶数个。

如上所述的无刷直流电动机，还包括：

转子位置传感器，用于检测所述转子的当前相位位置并输出转子相位位置信号；

控制器，与所述转子位置传感器相连，用于根据接收到的所述转子相位位置信号生成一按正弦波规律变化的驱动电流信号给绕组以实行换相。

本发明提供的无刷直流电动机，通过将定子齿的齿顶圆形状设计为相对于转子旋转中心偏心的圆弧线，使得无刷直流电动机能够消除启动“死点”，顺利启动。

附图说明

图1为现有技术中采用渐变气隙结构示意图；

图2为现有技术中采用阶梯气隙结构示意图；

图3为现有技术中采用不对称齿结构示意图；

图4为现有技术中采用附加凹槽结构示意图；

图5为本发明无刷直流电动机实施例中定子的横截面结构示意图；

图6为图5中A处的放大图；

图7为本发明无刷直流电动机实施例中定子与转子相配合的横截面结构示意图；

图8为本发明外转子式无刷直流电动机实施例中定子的横截面结构示意图；

图9为本发明外转子式无刷直流电动机实施例中转子与定子相配合的横截面结构示意图。

具体实施方式

实施例一

图7为本发明无刷直流电动机实施例中定子与转子相配合的横截面结构示意图，本实施例的无刷直流电动机包括具有成对定子齿的定子、具有成对磁极的转子、以及固定在转子中心处的转轴，每个定子齿绕制绕组，且对定子齿的形状进行了优化改进。为清楚介绍本发明实施例的技术方案，先简单介绍无刷直流电动机的基本结构。

本发明既可适用于转子设置在定子内侧的内转子式电动机，也可适用于转子设置在定子外侧的外转子式电动机，本实施例以内转子式电动机为例进行说明。如图7所示，转子7设置在定子5的内侧，转轴固定在转子7的中心处，例如可穿过转子7的中心孔，以通过转子7的转动来输出电磁转矩。当转子7旋转时，转子最外端的边缘必然形成一圆形，该转子旋转形成的圆形的半径记为转子旋转半径，其圆心记为转子旋转中心。

如图7所示，定子5包括定子外圆和定子齿51，每个定子齿51均由齿根部和齿顶部构成，齿根部从定子外圆中朝向转子旋转中心延伸而出，齿根部为轴对称的板状，齿顶部的两侧分别由齿根部的两侧伸出，以构成齿槽52的槽口；从定子5任意横截面的角度来看，齿根部的对称轴线与转子旋转半径共线，记作该定子齿的齿轴线(该齿轴线也为齿根部的中心与转子旋转中心之间的连线)。

本实施例提供的内转子式无刷直流电动机，如图5-7所示，包括具有成对定子齿51的定子5、具有成对磁极71的转子7、以及固定在转子7中心处的转轴，每个定子齿51绕制有绕组(图中未示)，定子5设置在转子7的外侧。在定子5的每个横截面中，每个定子齿51的齿顶圆弧线511与定子齿51的齿轴线20的交点和该定子齿51的齿顶圆弧线511的圆心512的连线，与该定子齿51的齿轴线20之间具有大于0度且小于90度的偏心角θ。

具体地，定子5的内侧面上可固定设置偶数个向中心伸出的定子齿51，且定子齿51均布在定子5的内侧面上，定子齿51与转子7上的磁极71数目相等，位置也一一对应；其中，转子7上的磁极71可以为永磁体，也可以因通电而具有磁性。相邻的定子齿51之间的空隙为齿槽52，定子5固定不动，通过位于转子7中心孔的转轴带动转子7旋转。

不同对的定子齿51对应的偏心角θ可以相同也可以不同，即齿顶圆弧线511的圆心512的排列方式可以为多种，例如，可以使处于间隔位置的定子齿51的偏心角θ相等，或是按所有定子齿51对应的偏心角θ依次递增的方式设置。

本实施例无刷直流电动机中，由于偏心角θ的存在，齿顶圆弧线511的圆心512与转子旋转中心不重合、且不会落在齿轴线所在直线上；当定子齿与磁极的相位为0°和180°时，启动输入驱动电流，则由于偏心角θ的存在，可形成磁动势压差，使得在“死点”位置时合成的电磁转矩不为零，消除了启动“死点”，具有良好的启动性能。

优选地，上述各定子齿51的偏心角θ大小相等；和/或各定子齿51的齿顶圆弧线511的半径相等。从定子齿任意横截面的角度来看，当各定子齿51的偏心角θ相等，且各定子齿51所对应的齿顶圆弧线511的半径也相等时，在定子5的每个横截面中，各定子齿51的齿顶圆弧线511的圆心512，依次连续排列，形成围绕在转子旋转中心外侧的定子圆。当转子7转动时，该偏心角θ的大小不变，但是该定子齿51与该转子磁极71之间的磁场矢量变化；也就是说，当电动机启动后恒定的转速旋转过程中，偏心角θ位置不变，磁场矢量随转子转动呈均匀变化，得到的磁阻转矩逐渐为平滑的正弦波形状，从而减少了电动机输出的电磁转矩的波动。

本实施例中，每个定子齿51的齿顶圆表面可以为各齿顶圆弧线511组成的齿顶圆柱面，各定子齿51的齿顶圆柱面的圆心轴线相互平行。但具体应用中并不限于此，例如各定子齿51的横截面可以相互偏差一定角度，螺旋状排列。这并不影响本实施例中偏心角的工作原理，只要满足定子齿横截面的形状要求即可。

在本实施例中，通过将定子5的齿顶圆弧线511对应的圆心512偏离转子旋转中心10、以形成偏心角θ的方式来提供启动时所需的不对称转矩，而在现有技术中常用的四种不对称气隙的定子结构(渐变气隙结构、阶梯气隙结构、不对称齿结构和附加凹槽结构)中，都是仅通过改变定子齿51的齿顶圆柱面511的形状来提供不对称气隙的；具体请参照图1、图2、图3和图4，渐变气隙结构中，不同的定子齿的齿顶圆柱面的圆心相同但半径R11、R12、R13、R14和R15不同；阶梯气隙结构中，在同一定子齿的齿顶圆表面形成突变的阶梯t；不对称齿结构中，每个定子齿的齿顶圆柱面的对称轴k2偏离该定子齿的对称轴k1；附加凹槽结构则是指在位于定子齿的对称轴的一侧的齿顶圆柱面上开设凹槽h。

由于现有技术中这四种形式的定子结构中定子齿的齿顶圆柱面的中心轴都位于转子旋转中心轴上，从而使不同定子齿与转子形成的气隙间存在突变，导致在一个极距内，磁阻转矩存在一个正峰值和一个负峰值，即表现出很高的转矩波动。

因此，与上述现有技术中的四种定子结构相比，本实施例提供的无刷直流电动机不但克服启动“死点”问题，而且，还能解决现有技术中电动机正常运行转矩波动过大、噪声过大的问题，有效减少工作中的振动和噪音。

实施例二

本实施例可以以实施例一为基础，进一步优化转子的结构形状。本实施例中，在转子7的每个横截面中，每个磁极71的边缘圆弧线712可相对于磁极轴线呈轴对称设置；本实施例对于定子5设置在转子7外侧的情况，转子7上的各磁极71的边缘圆弧线712外凸，且边缘圆弧线712的半径小于转子旋转半径，即边缘圆弧线712的圆心713位于边缘圆弧线712与转子旋转中心之间。或边缘圆弧线712的半径也可以等于转子旋转半径。

每个转子的磁极71边缘圆弧线712的形状不必完全相同，但优选地，在转子7的每个横截面中，各磁极71的边缘圆弧线712的圆心713，依次连续排列，形成围绕在转子旋转中心10外侧的转子圆。

每个磁极71的边缘表面优选为各边缘圆弧线组成的边缘圆柱面，各磁极71的边缘圆柱面的圆心轴线相互平行。但并不限制于此，例如，磁极71在垂直于横截面的方向上沿螺旋曲线延伸，或者，磁极71表面呈锥形表面等。

其中，当分别形成转子圆和定子圆的情况时，转子圆的半径优选大于定子圆的半径，或大致满足此规律；即从一个横截面的角度看，所有齿顶圆弧线511的圆心512排列成一以转子旋转中心10为圆心的圆，所有磁极71的边缘圆弧线712的圆心713也排列成以转子旋转中心10为圆心的圆，且磁极71的边缘圆弧线712的圆心713围绕在齿顶圆弧线511的圆心512的外侧。磁极表面和定子的齿顶圆表面采用圆柱面可以便于加工制造，有利于节约成本。

本实施例采用将转子上磁极的边缘表面形状设计为以磁极轴线对称的、圆心不在转子旋转中心上的边缘圆弧线，可以使本实施例中的转子与定子形成的气隙磁场的变化更为平滑，从而更有效地减少输出电磁转矩的波动，进一步减小电动机工作过程中的振动。

实施例三

图5为本发明无刷直流电动机实施例中定子的横截面结构示意图，本实施例可以上述任意实施例为基础，更进一步地，在定子5的每个横截面中，每个定子齿51的两侧端点相对于齿轴线20呈轴对称设置，且定子齿51的两侧边缘线与齿顶圆弧线511之间形成有过渡弧线。

在这里，定子齿51的两侧端点即为齿顶部两侧距离齿轴线20距离最远的点；齿顶圆表面向两侧的齿侧面分别通过圆弧面平滑过渡，从定子的横截面角度看，这两个圆弧面则为上述齿顶圆弧线511。在转子7旋转时，圆弧面的设计可使气隙磁场的变化更为均匀。

优选地，在每个定子齿51上，背离齿顶圆弧线511的圆心512一侧的过渡弧线为第一过渡圆弧线513，邻近齿顶圆弧线圆心一侧的过渡弧线为第二过渡圆弧线514，且第一过渡圆弧线513的半径大于第二过渡圆弧线514的半径。这样设置的好处在于，能够配合定子圆弧线的偏心设计，进一步降低转子在转动过程中气隙磁场的突变。

进一步地，第一过渡圆弧线513的半径取值范围优选是0.1～1.0mm，第二过渡圆弧线514的半径取值范围优选是0.1～0.6mm。

本实施例中的过渡圆弧面的设计可以配合转子的转动，使定子与转子之间的气隙磁场变化更加平滑均匀，从而使气隙磁场的变化规律更趋近于正弦波形，达到进一步减小转矩波动和振动噪音的目的。

实施例四

图8为本发明外转子式无刷直流电动机实施例中定子的横截面结构示意图；图9为本发明外转子式无刷直流电动机实施例中转子与定子相配合的横截面结构示意图。请参照图8和图9，本实施例提供一种外转子式的无刷直流电动机，与实施例一不同之处在于，转子7设置于定子5的外侧，这样，转子7可以呈环状，定子5位于转子7的中心，定子5的外侧面上固定设置偶数个沿径向向外延伸的定子齿51，转子7的磁极71设置在转子7的内环侧面上，且位置也可与定子齿51一一对应，固定于转子7中心孔处的转轴可带动转子7旋转；此时，从转子7的横截面角度来看，各磁极71的边缘圆弧线712内凹，且半径大于或等于转子旋转半径；且同实施例一类似，在定子5的每个横截面中，每个定子齿51的齿顶圆弧线511与定子齿51的齿轴线20的交点和该定子齿51的齿顶圆弧线511的圆心512的连线，与该定子齿51的齿轴线20之间具有大于0度且小于90度的偏心角θ。定子5和转子7的结构以及两者之间的结构关系也与实施例一类似，在此不再赘述。

优选地，各定子齿51所对应的偏心角θ以及齿顶圆弧线511的半径大小可以相等，且各定子齿51所对应的齿顶圆弧线的圆心512可依次连续排列，形成围绕在转子旋转中心外侧的定子圆。

更进一步地，可以采用实施例二的方式进一步优化转子的结构。即，在转子7的每个横截面中，每个磁极71的边缘圆弧线712可相对于磁极轴线呈轴对称设置，且针对转子7设置在定子5的外侧的情况，转子7上各磁极71的边缘圆弧线712内凹，且边缘圆弧线712的半径小于转子旋转半径；每个转子磁极71的边缘圆弧线712形状可以相同或不同，且各磁极71的边缘圆弧线712的圆心713可以依次排列形成围绕在转子旋转中心10外侧的转子圆；最优地，当分别形成转子圆和定子圆的情况时，转子圆半径可大于定子圆半径(如图9所示)。

本实施例提供的外转子式的无刷直流电动机，同样可在改善电动机在启动“死点”附近的启动性能的同时，减少电动机正常运转时的转矩波动，达到降低振动和噪声的目的。

本发明实施例提供的无刷直流电动机可以适用于单相、两相或四相无刷直流电动机，其工作原理类似，都可以改善启动性能。但本发明实施例优选适用于单相永磁无刷直流电动机，因为，采用单相绕组可以有效降低生产成本，且同样能获得较高的效率。无刷直流电动机的定子齿51的数量可以为偶数个，例如，四个、六个或八个，对应地，转子上磁极的数量也可以为偶数个，例如，同样为四个、六个或八个；可以采用内转子式或外转子式，其中定子的结构、转子的结构以及转子与定子之间的结构关系可以采用实施例一或实施例二的具体方案，在此不再赘述。

本实施例提供的单相永磁无刷直流电动机能够克服现有技术中的单相永磁无刷直流电动机的启动“死点”、顺利启动，同时，还可得到呈正弦规律变化的气隙磁场，从而得到均匀变化的转矩，有效减小转矩波动。

更进一步地，上述任一实施例中的单相无刷直流电动机，还可以包括：

转子位置传感器，用于检测转子的当前相位位置并输出转子相位位置信号；

控制器，与转子位置传感器相连，用于根据接收到的转子相位位置信号生成一按正弦波规律变化的驱动电流信号给绕组以实行换向。

具体地，控制器和绕组可分别与驱动电路相连，以将驱动电流信号输入至定子上的绕组，并通过控制器改变驱动电流的方向来实行换向。

即，本无刷直流电动机可采用正弦变化的电流信号驱动，通过控制器的相位补偿作用使绕组的反电动势按正弦规律变化，从而使气隙磁场的变化规律为更纯正的正弦波，进一步降低了转矩波动，降噪效果更好。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (13)

1.一种无刷直流电动机，包括具有成对定子齿的定子、具有成对磁极的转子、以及固定在所述转子中心处的转轴，每个所述定子齿绕制绕组，其特征在于：

在定子的每个横截面中，每个定子齿的齿顶圆弧线与齿轴线的交点和该定子齿的齿顶圆弧线的圆心的连线，与该定子齿的齿轴线之间具有相等的大于0度且小于90度的偏心角。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电动机，其特征在于：

在转子的每个横截面中，每个磁极的边缘圆弧线相对于磁极轴线呈轴对称设置；

在定子设置在转子的内侧时，各磁极的边缘圆弧线内凹，且半径大于转子旋转半径，或，在定子设置在转子的外侧时，各磁极的边缘圆弧线外凸，且半径小于转子旋转半径。

3.根据权利要求2所述的无刷直流电动机，其特征在于：

在转子的每个横截面中，各磁极的边缘圆弧线的圆心，依次连续排列，形成围绕在转子旋转中心外侧的转子圆。

4.根据权利要求3所述的无刷直流电动机，其特征在于：

每个磁极的边缘表面为各边缘圆弧线组成的边缘圆柱面，各磁极的边缘圆柱面的圆心轴线相互平行。

5.根据权利要求1所述的无刷直流电动机，其特征在于：

在定子的每个横截面中，每个定子齿的两侧端点相对于齿轴线呈轴对称设置，且定子齿的两侧边缘线与齿顶圆弧线之间形成有过渡弧线。

6.根据权利要求5所述的无刷直流电动机，其特征在于：

在每个定子齿上，背离齿顶圆弧线圆心一侧的过渡弧线为第一过渡圆弧线，邻近齿顶圆弧线圆心一侧的过渡弧线为第二过渡圆弧线，且第一过渡圆弧线的半径大于第二过渡圆弧线的半径。

7.根据权利要求6所述的无刷直流电动机，其特征在于：

所述第一过渡圆弧线的半径为0.1～1.0mm，第二过渡圆弧线的半径为0.1～0.6mm。

8.根据权利要求1-7任一所述的无刷直流电动机，其特征在于：

各定子齿的齿顶圆弧线的半径相等。

9.根据权利要求1-7任一所述的无刷直流电动机，其特征在于：

在定子的每个横截面中，各定子齿的齿顶圆弧线的圆心，依次连续排列，形成围绕在转子旋转中心外侧的定子圆。

10.根据权利要求9所述的无刷直流电动机，其特征在于：

每个定子齿的齿顶圆表面为各齿顶圆弧线组成的齿顶圆柱面，各定子齿的齿顶圆柱面的圆心轴线相互平行。

11.根据权利要求10所述的无刷直流电动机，其特征在于：所述转子圆的半径大于所述定子圆的半径。

12.根据权利要求1-7任一所述的无刷直流电动机，其特征在于：所述无刷直流电动机为单相永磁无刷直流电动机，所述定子齿和转子磁极的数量均为偶数个。

13.根据权利要求1-7任一所述的无刷直流电动机，其特征在于，还包括：

转子位置传感器，用于检测所述转子的当前相位位置并输出转子相位位置信号；

控制器，与所述转子位置传感器相连，用于根据接收到的所述转子相位位置信号生成一按正弦波规律变化的驱动电流信号给绕组以实行换相。

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