CN102025251A - 一种非全圆周驱动的无刷直流电动机 - Google Patents

Abstract

一种无刷直流电动机，包括：转子，该转子上设置有沿圆周方向均匀排列的磁极；和定子，该定子上设置有多个线圈；其特征在于所述多个线圈沿所述定子的圆周非均匀地分布。

Description

一种非全圆周驱动的无刷直流电动机

技术领域

本发明涉及一种电机。更具体而言，本发明涉及一种非全圆周驱动的电机，特别是一种非全圆周驱动的无刷直流电动机。

背景技术

无刷直流电动机因其效率高、调速范围广、体积小、寿命长、易控制等优点而在电子设备(特别是小型电子设备)中广泛用作驱动装置。由于小型电子设备种类繁多，不同电子设备所要求的驱动转矩大小不同，所以要求作为驱动装置的无刷直流电动机的输出转矩能与电子设备的负载相匹配。

现有技术中，通常通过以下方式来调节无刷直流电动机的输出转矩，以达到与所驱动的负载相匹配：一、按照比例同时增加或减少定子线圈个数和转子磁体个数，且增加/减少后线圈个数与磁体个数的比例要保持3∶2或3∶4；二、改变电动机磁芯硅钢片的厚度。这样做，给生产过程中的装配带来不便，同时必然会增加生产成本。

发明内容

鉴于以上原因，需要提供一种无刷直流电动机，该种无刷直流电动机可以不按照比例同时增加或减少定子线圈个数和转子磁体个数，也不必改变磁芯硅钢片的厚度，且装配容易，生产成本低。

因此，本发明的一方面提出一种无刷直流电动机，包括：

转子，该转子上设置有沿圆周方向均匀排列的磁极；和

定子，该定子上设置有多个线圈；

其特征在于所述多个线圈沿所述定子的圆周非均匀地分布。

在本发明的一个实施例中，其中所述多个线圈的个数是3n，所述磁极的个数是2m，其中n是大于或等于1的自然数，且m是大于或等于1的自然数。

在本发明的一个实施例中，n＝1，m大于2，且其中3n个线圈在所述定子的圆周上所占的圆周角对应于连续的4个磁极在所述转子的圆周上所占的圆周角。

在本发明的一个实施例中，n＝1，m大于1，且其中3个线圈在所述定子的圆周上所占的圆周角对应于连续的2个磁极在所述转子的圆周上所占的圆周角。

在本发明的一个实施例中，n大于1，m大于4n，且其中3n个线圈中在所述定子的圆周上所占的圆周角对应于连续的4n个磁极在所述转子的圆周上所占的圆周角。

在本发明的一个实施例中，n大于1，m大于2n，且其中3n个线圈中在所述定子的圆周上所占的圆周角对应于连续的2n个磁极在所述转子的圆周上所占的圆周角。

在本发明的一个实施例中，n大于1，m大于4n，且其中3n个线圈中第一组3个线圈在所述定子的圆周上所占的圆周角对应于连续的第一组4个磁极在所述转子的圆周上所占的圆周角，第二组3个线圈在所述定子的圆周上所占的圆周角对应于连续的第二组4个磁极在所述转子的圆周上所占的圆周角，且所述第一组4个磁极与第二组4个磁极的位置不相邻。

在本发明的一个实施例中，n大于1，m大于2n，且其中3n个线圈中第一组3个线圈在所述定子的圆周上所占的圆周角对应于连续的第一组2个磁极在所述转子的圆周上所占的圆周角，第二组3个线圈在所述定子的圆周上所占的圆周角对应于连续的第二组2个磁极在所述转子的圆周上所占的圆周角，且所述第一组2个磁极与第二组2个磁极的位置不相邻。

在本发明的一个实施例中，3n个线圈中每3个线圈为一组，各组的位置关于所述无刷直流电动机的轴心旋转对称。

所述电动机可以采用外驱动式结构，也可采用内驱动式结构。

其中所述磁极优选是永磁体。

另一方面，本发明提出一种调节上述无刷直流电动机输出转矩的方法，该方法包括以下步骤中的任意一个、两个或三个：

改变所述磁极的个数；

改变所述线圈的个数；

改变所述电动机的直径。

通过采用本发明的上述技术方案，通过简单改变永磁体个数，同时改变转子半径大小，即可轻松调节无刷直流电机的输出转矩和转速，以匹配负载需求。当然，通过同时改变定子线圈个数和转子磁体个数，配合转子半径调节，可以实现更精准的负载匹配。

附图说明

从下面详细描述的示于附图中的典型实施例，将更好地理解本发明的上述和其它特征及目的，附图中：

图1为两种典型的无刷直流电动机的结构示意图；

图2示意性地示出现有技术中要改变无刷直流电动机的输出转矩时所采取的措施；

图3是本发明第一实施例的示意图；

图4是本发明第二实施例的示意图；

图5是本发明第三实施例的示意图；

图6是本发明第四实施例的示意图；

图7是本发明第五实施例的示意图；

图8是本发明第六实施例的示意图。

具体实施方式

图1示出两种典型的无刷直流电动机的结构示意图。其中电动机a的转子包括由2个永磁体构成的磁极，定子包括沿圆周方向上均匀分布的3个线圈。电动机b的转子包括由4个永磁体构成的磁极，定子包括沿圆周方向上均匀分布的3个线圈。

通过设定电动机a和b的机械和电气参数(例如，设定转子半径为7mm)，可以将其参数设置为：额定转矩为0.05N.m(牛顿.米)，额定转速为5000rpm(转每分钟)。

如上所述，由于采用无刷直流电动机驱动的电子设备的种类繁多，其负载大小千变万化，所以要求作为驱动装置的无刷直流电动机的输出转矩、转速等也要与之匹配。现有技术中，要改变无刷直流电动机的输出转矩，通常是在图1所示的两种基本结构的基础上同时改变转子磁极个数和定子线圈个数，并且保持改变后的转子磁极个数与定子线圈个数的比例为3∶2或3∶4。

图2示出一种改变无刷直流电动机输出转矩的方式，其中将转子磁极数由4个变为8个，而定子线圈个数由3个变为6个，而转子半径不变，保持为7mm。在其它参数不变的情况下，该电机的输出转矩为0.05*(6/3)＝0.1N.m，而转速变为2500rpm。

在上述结构中，同时调整转子磁极和定子线圈的个数，生产装配成本很高。

根据本发明，无刷直流电动机的定子线圈不是在整个圆周上均匀布置，而是非对称地布置。这样，在匹配负载所要求的输出转矩时，在其它参数不变的情况下，只要增加或减少转子磁极的个数，同时增加或减小转子半径，即可调节输出转矩的大小和转速。

图3示出本发明的第一实施例。在这一实施例中，定子线圈个数不变，而转子磁极个数由4变为16，转子半径由7mm变为28mm，其它参数与图1所示电机相同。

如图3所示，在设置电机的定子线圈的位置时，不是把3个线圈沿定子圆周均匀地设置，而是将3个线圈在定子圆周上的位置设置成使得该3个线圈一起所占据的圆周角度与转子上连续的4个磁极所占据的圆周角度相对应。

根据无刷直流电动机的转速公式：

r＝120f/p，

其中f表示定子电流的频率，p表示转子磁极数，r表示转速。则在其它参数不变，仅仅改变磁极个数的情况下，本实施例中电机的转速将为5000*4/16＝1250rpm。同时，根据转矩公式可知，在其它参数都相同，从而定子与转子之间的电磁感应特性相同的情况下，电机的输出转矩与转子半径成正比。因此，本实施例中，其它参数不变，只是转子半径由7mm变成了28mm，因此，输出转矩为0.05*28/7＝0.2N.m。

图4示出本发明的第二实施例。在这一实施例中，定子线圈个数为6，而转子磁极个数为16，转子半径为28mm，其它参数与图1所示电机相同。根据无刷直流电动机的转速公式：

r＝120f/p，

本实施例中电机的转速将为5000*4/16＝1250rpm。同时，根据转矩公式可知，输出转矩为0.05*(28/7)*(6/3)＝0.4N.m。

如图4所示，6个线圈沿定子圆周不是均匀地设置，而是将该6个线圈在定子圆周上的位置设置成使得该6个线圈一起所占据的圆周角度与转子上连续的8个磁极所占据的圆周角度相对应。

图5示出本发明的第三实施例。在这一实施例中，定子线圈个数为3，而转子磁极个数为18，转子半径为32mm，其它参数与图1所示电机相同。根据无刷直流电动机的转速公式：

r＝120f/p，

本实施例中电机的转速将为5000*4/18＝1111rpm。同时，根据转矩公式可知，输出转矩为0.05*(32/7)＝0.23N.m。

图6示出本发明的第四实施例。在这一实施例中，定子线圈个数为6，而转子磁极个数为32，转子半径为56mm，其它参数与图1所示电机相同。根据无刷直流电动机的转速公式：

r＝120f/p，

本实施例中电机的转速将为5000*4/32＝625rpm。同时，根据转矩公式可知，输出转矩为0.05*(56/7)*(6/3)＝0.8N.m。

图7示出本发明的第五实施例。该实施例的电机结构与图4所示第二实施例类似，其输出转速与转矩也与第二实施例类似分别为1250rpm和0.4N.m。与第二实施例不同的是，6个定子线圈中的第一组3个线圈与第二组另外3个线圈大体对称布置，这样可以使转子受力对称，改善电机工作状态。

图8示出本发明的第六实施例。在该实施例中，定子线圈个数为9，而转子磁极个数为16，转子半径为28mm，其它参数与图1所示电机相同。根据无刷直流电动机的转速公式：

r＝120f/p，

本实施例中电机的转速将为5000*4/16＝1250rpm。同时，根据转矩公式可知，输出转矩为0.05*(28/7)*(9/3)＝0.6N.m。

在该实施例中，9个定子线圈中的每3个一组大体对称布置在圆周上，从而可以使转子受力对称，改善电机工作状态。

当然，在图7和图8所示的实施例中，一组线圈与其它组线圈的位置可以不对称，同样也可以实现本发明的目的。

在以上所有的实施例中，磁极优选采用永磁体。

采用以上技术方案后，可以很容易地调节电动机的输出转矩。具体而言，调节上述电动机输出转矩的方法可以包括单独改变电动机的直径，或单独改变电动机的磁极数，或单独改变电动机的线圈个数，或者任意结合该三个步骤。

以上通过具体实施例描述了本发明的基本原理。在以上的实施例中，以典型外驱动型无刷直流电动机为例进行了描述，其中的线圈设置在内部，静止不动，永磁体设置在外部，在电机工作时旋转。当然，本领域的技术人员容易理解，本发明的原理同样适用于内驱动型无刷直流电动机。

此外，在以上各个实施例中，定子的每组3个线圈在定子圆周上的位置设置成使得该3个线圈一起所占据的圆周角度与转子上连续的4个磁极所占据的圆周角度相对应。本领域的技术人员容易理解，也可以设置转子磁极与定子线圈的关系，使得定子的每组3个线圈一起所占据的圆周角度与转子上连续的2个磁极所占据的圆周角度相对应。

因此，本发明的范围不是通过这里所描述的实施例来确定，而是由所附权利要求来确定。

Claims (16)

1.一种无刷直流电动机，包括：

转子，该转子上设置有沿圆周方向均匀排列的磁极；和

定子，该定子上设置有多个线圈；

其特征在于所述多个线圈沿所述定子的圆周非均匀地分布。

2.如权利要求1所述的无刷直流电动机，其中所述多个线圈的个数是3n，所述磁极的个数是2m，其中n是大于或等于1的自然数，且m是大于或等于1的自然数。

3.如权利要求2所述的无刷直流电动机，其中n＝1，m大于2，且其中3n个线圈在所述定子的圆周上所占的圆周角对应于连续的4个磁极在所述转子的圆周上所占的圆周角。

4.如权利要求2所述的无刷直流电动机，其中n＝1，m大于1，且其中3个线圈在所述定子的圆周上所占的圆周角对应于连续的2个磁极在所述转子的圆周上所占的圆周角。

5.如权利要求2所述的无刷直流电动机，其中n大于1，m大于4n，且其中3n个线圈中在所述定子的圆周上所占的圆周角对应于连续的4n个磁极在所述转子的圆周上所占的圆周角。

6.如权利要求2所述的无刷直流电动机，其中n大于1，m大于2n，且其中3n个线圈中在所述定子的圆周上所占的圆周角对应于连续的2n个磁极在所述转子的圆周上所占的圆周角。

7.如权利要求2所述的无刷直流电动机，其中n大于1，m大于4n，且其中3n个线圈中第一组3个线圈在所述定子的圆周上所占的圆周角对应于连续的第一组4个磁极在所述转子的圆周上所占的圆周角，第二组3个线圈在所述定子的圆周上所占的圆周角对应于连续的第二组4个磁极在所述转子的圆周上所占的圆周角，且所述第一组4个磁极与第二组4个磁极的位置不相邻。

8.如权利要求2所述的无刷直流电动机，其中n大于1，m大于2n，且其中3n个线圈中第一组3个线圈在所述定子的圆周上所占的圆周角对应于连续的第一组2个磁极在所述转子的圆周上所占的圆周角，第二组3个线圈在所述定子的圆周上所占的圆周角对应于连续的第二组2个磁极在所述转子的圆周上所占的圆周角，且所述第一组2个磁极与第二组2个磁极的位置不相邻。

9.如权利要求7或8所述的无刷直流电动机，其中3n个线圈中每3个线圈为一组，各组的位置关于所述无刷直流电动机的轴心旋转对称。

10.如前述任一项权利要求所述的无刷直流电动机，其中所述电动机采用外驱动式结构。

11.如权利要求1-9中任一项所述的无刷直流电动机，其中所述电动机采用内驱动式结构。

12.如前述任一项权利要求所述的无刷直流电动机，其中所述磁极是永磁体。

13.一种调节无刷直流电动机输出转矩的方法，其中所述无刷直流电动机包括：

转子，该转子上设置有沿圆周方向均匀排列的磁极；和

定子，该定子上设置有多个线圈；

且所述多个线圈沿所述定子的圆周非均匀地分布；

该方法包括以下步骤：

改变所述磁极的个数。

14.一种调节无刷直流电动机输出转矩的方法，其中所述无刷直流电动机包括：

转子，该转子上设置有沿圆周方向均匀排列的磁极；和

定子，该定子上设置有多个线圈；

且所述多个线圈沿所述定子的圆周非均匀地分布；

该方法包括以下步骤：

改变所述线圈的个数。

15.一种调节无刷直流电动机输出转矩的方法，其中所述无刷直流电动机包括：

转子，该转子上设置有沿圆周方向均匀排列的磁极；和

定子，该定子上设置有多个线圈；

且所述多个线圈沿所述定子的圆周非均匀地分布；

该方法包括以下步骤：

改变所述电动机的直径。

16.一种调节无刷直流电动机输出转矩的方法，其中所述无刷直流电动机包括：

转子，该转子上设置有沿圆周方向均匀排列的磁极；和

定子，该定子上设置有多个线圈；

且所述多个线圈沿所述定子的圆周非均匀地分布；

该方法包括以下步骤：

改变所述线圈的个数；

改变所述磁极的个数；

改变所述电动机的直径。

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