CN102931799A - 一种单相无刷直流电动机 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电机技术领域，尤其涉及一种单相无刷直流电动机，包括2n个定子齿的定子、与定子数对应磁极分布的转子以及控制器装置，定子齿呈轴对称方式排布，在定子的任意一个横截面中，定子齿根部的齿轴线与定子的外圆存在交点，该交点处的定子外圆法线与定子齿轴线存在大于0度且小于25度的偏心角，定子的每个定子齿的偏心方向一致；其中相对定子轴心相互对称的两个定子齿为一对定子齿，定子包括n对定子齿，一对定子齿中的两个定子齿的偏心角相同，且不同对定子齿的偏心角各不相同。借此，本发明能实现有效消除单相无刷电机的启动死区问题，同时采用对称结构及偶数定子齿，实现了力矩的平衡，从而降低了噪音、减少了力矩在电机转子一个机械周期内的不平衡。

Description

一种单相无刷直流电动机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种单相无刷直流电动机。

背景技术

单相无刷直流电动机是一种无电刷和换向器的直流电动机，采用永磁材料产生励磁磁场，通过电子方式进行直流电的换向。

在现有技术中存在启动转矩为0的特殊定子与转子相对位置区，称为启动死区，使得在转子处于死区位置时启动困难，驱动方法复杂。根据磁场的特性得知，将定子通入电流后，由于异极相吸，定子所产生的磁极会吸引转子磁极，直至转子的某一个磁极中线和定子的一个磁极中线重合。当转子的某一个磁极中线和定子的一个磁极中线相差一定角度时，电机启动时的启动转矩会提高，启动也更容易 ，而当两者中线重合时转矩为零。传统的直流无刷电机，尤其是单相和两相直流无刷电机中，由于齿槽定位转矩的影响，在断电后转子会受自然阻力停在任意位置，当转子停在转子某一磁极中线非常靠近定子磁极的一个磁极中线位置时，由于电机转子处在该位置时启动转矩很小，就出现电机启动过程中，出现启动困难的情况。

为此发明CN 102195435A提出了一个新型定子结构，其定子齿顶部的圆弧体采用不同的圆弧半径，所产生的定子磁场不对称，由于绕组的生产产生的偏差，定子磁场轴线偏离轴中心，实现无死点启动。该方案一方面完全依赖生产产生的偏差，产品的一致性不好，同时由于定子磁场的不对称，产生驱动力矩的不对称，容易产生噪音与旋转一周因力矩不平衡导致的其他问题。

综上可知，现有单相无刷直流电动机在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

发明内容

针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种单相无刷直流电动机，其能实现有效消除单相无刷电机的启动死区问题，同时采用对称结构及偶数定子齿，实现了力矩的平衡，从而降低了噪音、减少了力矩在电机转子一个机械周期内的不平衡。

为了实现上述目的，本发明提供一种单相无刷直流电动机，包括2n个定子齿的定子、与定子数对应磁极分布的转子以及控制器装置，所述定子齿呈轴对称方式排布，在所述定子的任意一个横截面中，所述定子齿根部的齿轴线与所述定子的外圆存在交点，该交点处的定子外圆法线与定子齿轴线存在大于0度且小于25度的偏心角，所述定子的每个定子齿的偏心方向一致；其中相对定子轴心相互对称的两个定子齿为一对定子齿，所述定子包括n对定子齿，所述一对定子齿中的两个定子齿的偏心角相同，且不同对定子齿的偏心角各不相同。

根据本发明的无刷直流电动机，所述定子包括8个定子齿，分为4对，每对定子齿的偏心角分别为2度、2.5度、3度、3.5度。

根据本发明的无刷直流电动机，所述电动机为内转子结构电机或外转子结构电机。

根据本发明的无刷直流电动机，所述转子任意横截面相对磁极轴线呈轴对称设置，且永磁磁场强度也呈轴对称分布。

根据本发明的无刷直流电动机，所述定子齿的齿顶部的两侧端点相对于定子齿外缘法线对称分布。

根据本发明的无刷直流电动机，所述定子齿的齿顶部的两侧端点相对于定子齿轴线对称分布。

根据本发明的无刷直流电动机，所述控制器装置内置于所述电动机或者放置在所述电动机的外部。

根据本发明的无刷直流电动机，所述电动机设有至少一个用于检测所述转子位置的位置检测传感器。

根据本发明的无刷直流电动机，所述无刷直流电动机的控制器装置的控制方法为：

所述控制器装置发出驱动信号，使得所述电动机的绕组流过电流，产生旋转力矩推动转子旋转；

判断位置检测传感器是否检测到转子相位的位置信号，若是则驱动电路正常，否则所述控制器装置发出反向驱动信号；

再次判断位置检测传感器是否检测到转子相位的位置信号，若是则所述驱动电路正常，否则所述驱动电路异常。

根据本发明的无刷直流电动机，转子中心处的上具有转轴，且转子上均匀分布了8（2n）个对应的永磁磁极，永磁磁极被表面贴装在转子上。

本发明通过将定子齿跟部轴线方向设置为偏离其与定子外圆交点处的定子外圆法线一定的角度，即定子外圆法线与定子齿轴线存在偏心角，同时所述定子的每个定子齿的偏心方向一致，且每对定子齿的偏心角与其他对定子齿的偏心角不同，每对定子齿产生的偏心角使得启动死点位置发生偏移，不同对定子齿的偏心角不同，从而使得启动死点不可能存在转子的任意位置上，实现了转子与定子在任意相对位置上都不存在启动转矩为0情况，并通过将每对定子齿的偏心角设置为同一方向，同一角度，并使用对称的偶数个定子齿，使得电机的转子在一个对称力矩的作用下，保证了电机在一个机械周期内始终处于力矩平衡状态。借此，本发明能实现有效消除单相无刷电机的启动死区问题，同时采用对称结构及偶数定子齿，实现了力矩的平衡，从而降低了噪音、减少了电机转子的力矩在一个机械周期内的不平衡。

附图说明

图1是本发明无刷直流电动机实施例一的定子与转子相配合的横截面结构示意图；

图2是本发明无刷直流电动机实施例一的定子的一种横截面结构示意图；

图3是图2中部分结构的局部放大图；

图4是本发明无刷直流电动机实施例一的定子的另一种横截面结构示意图；

图5是本发明无刷直流电动机的控制器装置的控制方法一种实施例的流程图；

图6是本发明无刷直流电动机实施例二的定子的横截面结构示意图；

图7是图6中部分结构的局部放大图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

图1是实施例中无刷直流电动机的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偶数（2n）个定子齿11的定子10（在本实施例中定子齿11为8个）、与定子数对应磁极分布的转子20以及控制器装置。转子20中心处的上具有转轴，且转子20上均匀分布了8个对应的永磁磁极21，永磁磁极21被表面贴装在转子20上，定子齿11上绕制线圈绕组，且定子10呈轴对称方式排布。控制器装置被放置在电动机内部或放置在电动机的外部。

如图2和图3所示，定子10包括定子齿11以及位于相邻定子齿11之间的齿槽12，定子齿11包括齿根部111以及与齿根部111连接齿顶部112。在定子10的任意一个横截面中，定子10的齿根部11的齿轴线X与定子10的外圆存在交点M，该交点M处的定子外圆法线Y与定子10的齿轴线X存在角度为3度的偏心角θ。定子齿11的齿顶部112的两侧端点相对于定子外圆法线Y对称分布。其中，定子外圆法线Y与定子齿轴线X的偏心角θ大于0度且小于25度，具体角度根据电机大小等进行选定，并不受本实施例中偏心角θ为3度的限定。实际上，在如图1所示的内转子电动机中，构成偏心角θ的定子齿轴线X不超出转子20的外圆切线即可，也即偏心角θ小于定子外圆法线Y与通过交点M的转子外圆切线之间形成的角度。

其中，定子外圆的法线Y均通过定子10的轴心13。并且定子10的每个定子齿11的偏心方向一致，在本实施例中定子齿11的偏心方向为顺时针，实际上，定子齿11的偏心方向也可以为逆时针，如图4所示。相对定子轴心13相互对称的两个定子齿11为一对定子齿11，定子10包括n对定子齿11，一对定子齿11中的两个定子齿11的偏心角θ相同，且不同对定子齿11的偏心角θ各不相同。如图1中定子10包括8个定子齿11，可分为4对，其中相对定子轴心13相互对称的两个定子齿11为1对定子齿，这4对定子齿11的偏心角θ分别设为2度、2.5度、3度、3.5度，当然这4对定子齿11的偏心角θ不受限制，只要位于0度~25度区间内即可，不同对定子齿11的偏心角不同，使得每对定子齿产生的死点不可能在电机转子任意位置同时存在，偏心角θ按照电机的实际尺寸，由客户自己在0度~25度区间内设计调整，不做硬性规定。优选的，每对定子齿11的偏心角θ按照每对定子齿11顺时针或逆时针排布方向逐渐增大，并呈等差数列形式。例如每对定制齿11按照顺时针方向，第1对为2度，第2对为2.5度，第3对为3度，第4对为3.5度，这样设置可以使电机更加稳定，降低噪音。

由于定子外圆法线Y与定子10的齿轴线X存在偏心角θ，即定子齿11偏离定子齿根部与定子轴心13连线一定的角度，并且每对定子齿11的偏心角θ与其他对定子齿11的偏心角θ不同，实现了转子20与定子10在任意相对位置上都不存在启动转矩为0情况，每对定子齿11产生的偏心角θ使得死点位置发生偏移，每对定子齿11的偏心角θ不同，从而使得启动死点不可能存在转子20的任意位置上，并通过将每对定子齿11的偏心角θ设置为同一方向、统一角度，同时使用对称的偶数个定子齿11，使得电机的转子20在一个对称力矩的作用下，保证了电机在一个机械周期内始终处于力矩平衡状态。

在本实施例中，电动机为内转子结构电机，当然在其他实施例中，电动机也可以是外转子结构形式的电机。两种结构的转子都是轴对称结构，转子上的永磁磁极均匀分布且每个永磁磁极的结构一致，这样才能达到力矩平衡的目的。

优选的是，电动机的转子20的任意横截面相对磁极轴线呈轴对称设置，且永磁磁场强度也呈轴对称分布，这样的分布可以实现电机运行的平稳。

电动机的控制器装置可以内置在电动机，成为控制器内置的无刷直流电动机，是电机成为机电一体化的产品，方便用户使用；也可以根据用户的需要将控制器装置放置在电动机的外部，成为不含控制装置的无刷直流电动机，方便用户进行个性化控制。

优选的是，电动机设有检测转子位置信号的位置检测传感器，控制器使用位置传感器驱动方式进行控制，有利于降低成本，降低电机加工的复杂度。其中，位置检测传感器可以设置1个或多个，方便进行精确控制，当电机转子发生转动时，该位置检测传感器则向控制器装置发送相应信息。该位置检测传感器优选为霍尔传感器。此外也可以使用无位置传感器的方法，如反电动势法或高频信号注入法检测转子的位置信号。

无刷直流电动机的控制器装置的控制方法为：所述控制器装置发出驱动信号，使得所述电动机的绕组流过电流，产生旋转力矩推动转子旋转；判断位置检测传感器是否检测到转子相位的位置信号，若是则驱动电路正常，否则所述控制器装置发出反向驱动信号；再次判断位置检测传感器是否检测到转子相位的位置信号，若是则所述驱动电路正常，否则所述驱动电路异常。

无刷直流电动机的控制器装置的控制方法一种实施例的流程图如5所示，该方法具体包括:

步骤S501，控制器装置发出驱动信号，使得电动机的绕组流过电流，产生旋转力矩推动转子旋转；

步骤S502，判断位置检测传感器是否检测到转子相位的位置信号，若是则进入步骤S503，否则进入步骤S504。

步骤S503，驱动电路正常。

步骤S504，制器装置发出反向驱动信号，将驱动电机旋转的上桥臂、下桥臂的驱动信号互换，并进入步骤S505。

步骤S505，再次判断位置检测传感器是否检测到转子相位的位置信号，若是则进入步骤S503，否则进入步骤S506。

步骤S506，驱动电路异常。表示驱动电路可能损坏。

实施例二

本实施例的单相无刷直流电动机定子结构示意图如图6所示。定子10包括定子齿11以及位于相邻定子齿11之间的齿槽12，定子齿11包括齿根部111以及与齿根部111连接齿顶部112。在定子10的任意一个横截面中，定子10的齿根部11的齿轴线X与定子10的外圆存在交点M，该交点M处的定子外圆法线Y与定子10的齿轴线X存在角度为3度的偏心角θ，详细如图7所示。其中，定子外圆法线Y与定子齿轴线X的偏心角θ大于0度且小于25度，具体角度根据电机大小等进行选定，并不受本实施例中偏心角θ为3度的限定。

其中，定子外圆的法线Y均通过定子10的轴心13。并且定子10的每个定子齿11的偏心方向一致，在本实施例中定子齿11的偏心方向为顺时针，实际上，定子齿11的偏心方向也可以为逆时针，如图4所示。相对定子轴心13相互对称的两个定子齿11为一对定子齿11，定子10包括n对定子齿11，一对定子齿11中的两个定子齿11的偏心角θ相同，且不同对定子齿11的偏心角θ各不相同。如图1中定子10包括8个定子齿11，可分为4对，其中相对定子轴心13相互对称的两个定子齿11为1对定子齿，这4对定子齿11的偏心角θ分别设为2度、2.5度、3度、3.5度，当然这4对定子齿11的偏心角θ不受限制，只要位于0度~25度区间内即可，不同对定子齿11的偏心角不同，使得每对定子齿产生的死点不可能在电机转子任意位置同时存在，偏心角θ按照电机的实际尺寸，由客户自己在0度~25度区间内设计调整，不做硬性规定。优选的，每对定子齿11的偏心角θ按照每对定子齿11顺时针或逆时针排布方向逐渐增大，并呈等差数列形式。例如每对定制齿11按照顺时针方向，第1对为2度，第2对为2.5度，第3对为3度，第4对为3.5度，这样设置可以使电机更加稳定，降低噪音。

与实施例一不同的是，在本实施例中，每个定子齿11的顶点两侧端点相对于定子的齿轴线X对称；其局部放大图见附图7所示。

由于定子外圆法线Y与定子10的齿轴线X存在偏心角θ，即定子齿11偏离定子齿根部与定子轴心13连线一定的角度，并且每对定子齿11的偏心角θ与其他对定子齿11的偏心角θ不同，实现了转子20与定子10在任意相对位置上都不存在启动转矩为0情况，每对定子齿11产生的偏心角θ使得死点位置发生偏移，每对定子齿11的偏心角θ不同，从而使得启动死点不可能存在转子20的任意位置上，并通过将每对定子齿11的偏心角θ设置为同一方向、统一角度，同时使用对称的偶数个定子齿11，使得电机的转子20在一个对称力矩的作用下，保证了电机在一个机械周期内始终处于力矩平衡状态。

无刷直流电动机的控制器装置的控制方法同实施例一，这里不再复述。

综上所述，本发明通过将定子齿跟部轴线方向设置为偏离其与定子外圆交点处的定子外圆法线一定的角度，即定子外圆法线与定子齿轴线存在偏心角，同时所述定子的每个定子齿的偏心方向一致，且每对定子齿的偏心角与其他对定子齿的偏心角不同，每对定子齿产生的偏心角使得启动死点位置发生偏移，每对定子齿的偏心角不同，从而使得启动死点不可能存在转子的任意位置上，实现了转子与定子在任意相对位置上都不存在启动转矩为0情况，并通过将每个定子齿的偏心角设置为同一方向，同时使用对称的偶数个定子齿，使得电机转子的力矩在一个机械周期内始终处于平衡状态。借此，本发明能实现有效消除单相无刷电机的启动死区问题，同时采用对称结构及偶数定子齿，实现了力矩的平衡，从而降低了噪音、减少了电机转子的力矩在一个机械周期内的不平衡。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种单相无刷直流电动机，包括2n个定子齿的定子、与定子数对应磁极分布的转子以及控制器装置，所述定子齿呈轴对称方式排布，其特征在于：

在所述定子的任意一个横截面中，所述定子齿根部的齿轴线与所述定子的外圆存在交点，该交点处的定子外圆法线与定子齿轴线存在大于0度且小于25度的偏心角，所述定子的每个定子齿的偏心方向一致；

其中相对定子轴心相互对称的两个定子齿为一对定子齿，所述定子包括n对定子齿，所述一对定子齿中的两个定子齿的偏心角相同，且不同对定子齿的偏心角各不相同。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电动机，其特征在于，所述定子包括8个定子齿，分为4对，每对定子齿的偏心角分别为2度、2.5度、3度、3.5度。

3.根据权利要求1所述的无刷直流电动机，其特征在于，所述定子齿的偏心方向为顺时针方向或逆时针方向。

4.根据权利要求1所述的无刷直流电动机，其特征在于：所述电动机为内转子结构电机或外转子结构电机。

5.根据权利要求1所述的无刷直流电动机，其特征在于：所述转子任意横截面相对磁极轴线呈轴对称设置，且永磁磁场强度也呈轴对称分布。

6.根据权利要求1所述的无刷直流电动机，其特征在于：所述定子齿的齿顶部的两侧端点相对于定子齿外缘法线对称分布。

7.根据权利要求1所述的无刷直流电动机，其特征在于：所述定子齿的齿顶部的两侧端点相对于定子齿轴线对称分布。

8.根据权利要求1所述的无刷直流电动机，其特征在于：所述控制器装置内置于所述电动机或者放置在所述电动机的外部。

9.根据权利要求1至权利要求8任一项所述的无刷直流电动机，其特征在于：所述电动机设有至少一个用于检测所述转子位置的位置检测传感器或使用无位置传感器的方法检测转子的位置信号。

10.根据权利要求9所述的无刷直流电动机，其特征在于：所述无刷直流电动机的控制器装置的控制方法为：

所述控制器装置发出驱动信号，使得所述电动机的绕组流过电流，产生旋转力矩推动转子旋转；

判断位置检测传感器是否检测到转子相位的位置信号，若是则驱动电路正常，否则所述控制器装置发出反向驱动信号；

再次判断位置检测传感器是否检测到转子相位的位置信号，若是则所述驱动电路正常，否则所述驱动电路异常。

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