CN103618427A - 一种低成本的微型单相永磁无刷直流电动机 - Google Patents

Abstract

一种低成本的微型单相永磁无刷直流电动机，包括：永磁转子，为径向两极充磁的圆柱形；定子，包括“U”字形的定子铁芯和该铁芯所穿越的直流定子绕组；位置传感器，用于检测所述永磁转子的磁极位置以控制对定子绕组的供电；所述定子铁芯包括纯“U”字形的极身和磁轭部分及该“U”字形二臂上部成形的极面靠往所述永磁转子圆柱面左侧的左极靴和极面靠往所述永磁转子圆柱面右侧的右极靴，其特征在于，至少一个极靴的二极尖所在平面与所述“U”字形的对称轴相交。该电动机即使不采用非均匀气隙，也能启动，可消除非均匀气隙导致的磁阻和转矩波动问题。

Description

一种低成本的微型单相永磁无刷直流电动机

技术领域

本发明涉及一种低成本的微型单相永磁无刷直流电动机，尤其涉及该电动机的磁路结构，在国际专利分类表中，分类可属于H02K29/03。

背景技术

为降低成本，微型永磁无刷直流电动机可使用“U”字形铁芯，公开号为CN101854105A的专利申请披露了该设计。其问题是，该结构的电动机只能单相绕组励磁，其定、转子间不能采用电机常用的均匀气隙，以免一旦永磁转子的磁极轴线与定子励磁磁场轴线重合，定子通电即无启动力矩。该电动机定、转子间为阶梯气隙等非均匀气隙，在非通电和无显著阻滞时，永磁转子的磁极轴线即向气隙小即磁阻小的方向自然偏转而离开定子励磁磁场轴线一角度，称为启动角。通电后，定子的励磁磁场对转子磁场该启动角的校直作用，对转子产生启动转矩。然而，非均匀气隙提供启动转矩的同时，也降低了运行效果，主要是气隙的增大段磁阻增加，且非均匀气隙必然伴生运行转矩波动，因此增加振动和噪声。

有关术语可见中国标准出版社1992年版《电工电子标准术语词典》等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出一种低成本的微型单相永磁无刷直流电动机，其磁路气隙结构可以使电动机相比现有技术有较佳的启动性能和运行效果，。

本发明解决技术问题的技术方案是，一种低成本的微型单相永磁无刷直流电动机，包括：

——永磁转子，为径向两极充磁的圆柱形；

——定子，包括“U”字形的定子铁芯和该铁芯所穿越的直流定子绕组；

——位置传感器，用于检测所述永磁转子的磁极位置以控制对定子绕组的供电；

——所述定子铁芯包括纯“U”字形的极身和磁轭部分及该“U”字形二臂上部成形的极面靠往所述永磁转子圆柱面左侧的左极靴和极面靠往所述永磁转子圆柱面右侧的右极靴，其特征在于，至少一个极靴的二极尖所在平面与所述“U”字形的对称轴相交。

该电动机的磁路中，定子励磁磁密通常大于转子的永磁磁密且在极靴往极尖处容易发生磁饱和，极靴的形状对转子的静止位置影响大而对定子励磁磁场轴线影响小，在均匀气隙、非通电和无显著转动阻滞的情况下，转子永磁极将自然地对正极靴的极面，即其磁极轴线与极靴二极尖所在平面垂直。因此，设计极靴二极尖所在平面与所述“U”字形的对称轴相交，即使得转子永磁极的轴线与定子磁场轴线相交，形成启动角。本设计巧妙利用上述特点，即使不使用非均匀气隙，也能实现自启动，但消除了非均匀气隙的磁阻增大和转矩波动问题。

其进一步设计为，所述左极靴的上极尖位于所述对称轴的右侧，下极尖位于所述对称轴的左侧；所述右极靴的上极尖位于所述对称轴的右侧，下极尖位于所述对称轴的左侧。

以传统的“U”字形定子铁芯为基础所实施的上述设计是：所述“U”字形的定子铁芯左臂上部的内侧面内凹形成靠往所述永磁转子圆柱面左侧的弧面，该弧面的下沿为所述左极靴的下极尖，该弧面的上沿导磁连接伸向右极靴的上极尖；所述“U”字形的定子铁芯右臂上部的内侧面内凹形成靠往所述永磁转子圆柱面右侧的弧面，该弧面的上沿为所述右极靴的上极尖，该弧面的下沿导磁连接伸向右极靴的下极尖。极尖的延长大幅度增加极面的极弧宽度bs，将按比例降低转子永磁穿越空气隙的磁密和按正弦关系增大定子绕组的基波绕组因数kwl，因而显著提高电动机的性价比，弥补了传统的“U”字形铁芯极面极弧宽度受叠片开料形状限制的不足。

还可以设计为：“U”字形的定子铁芯由装配前分体的上、下二部分组成，上部是以软磁材料粉末冶金或注塑成形的左极靴和右极靴，下部是作为极身和磁轭部分的纯“U”字形的叠片铁芯。装配时，所述叠片铁芯穿越定子绕组后，其二臂的顶端与所述左极靴和右极靴的底部连接为一体。该连接最好为榫接，可达到更牢靠的固定和面积更大的导磁接触。若定子绕组绝缘固定于塑料件，例如缠绕于塑料线圈架或进一步塑封二者为一体，这些塑料件最好成形有紧贴所述极靴的侧面的立面，所述立面和侧面成形有凹凸互配的扣位，供安装时实施卡扣连接，将所述极靴的底部紧压于所述叠片铁芯左、右臂的顶端。粉末冶金或注塑成形的铁粉芯比叠片铁芯有更高的材料利用率和加工效率，纯“U”字形铁芯比传统的“U”字形铁芯进一步提高叠片开料利用率，因而降低成本。

所述左、右极靴可以各自成形分别装配于所述叠片铁芯左、右臂的顶端，也可以二者上极尖与上极尖连接和下极尖与下极尖连接而成形为一体装配于所述叠片铁芯左、右臂的顶端，以提高装配效率且结构更稳定。极尖连接的位置宜设计位于离转子轴心较远处,未连接的部分构成凹形口，以减少对启动角的影响。为减少漏磁，该连接的厚度应不超过2mm，最好为1mm。

所述永磁转子最好为矩形或梯形波充磁，以提高材料利用率和有更稳定的启动角。

所述左、右极靴上极尖与上极尖和下极尖与下极尖之间的距离或连接长度以及往极尖水平伸出段的形状，尤其是沿对称轴方向的厚度，可以通过电磁计算（包括有限元法的磁路计算）或实验调整到最有利的数值，以兼顾启动和其它性能要求。

附图说明

图1是现有技术使用“U”字形铁芯的微型单相永磁无刷直流电动机基本结构示意图；

图2是本发明第1实施例电动机基本结构示意图；

图3是本发明第2实施例电动机基本结构示意图；

图4是本发明第3实施例电动机基本结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例电动机是在背景技术所述现有技术使用“U”字形铁芯的微型单相永磁无刷直流电动机的基础上改进而成。现有技术该电动机的基本结构如图1所示，包括：

——径向两极充磁的圆柱形永磁转子1；

——定子2，包括“U”字形的叠片铁芯3和定子绕组4；电动机使用时，定子绕组4的输入端接往直流电源，包括调速所需可调制（如PWM）直流电源；

——于定子磁场轴线20靠近永磁转子1圆周位置安装的霍尔元件9，其感应永磁转子1磁极位置的信号控制对定子绕组4的直流供电。也可安装如电感式或光电式位置传感器。此外，现有技术通过检测永磁转子1旋转的磁场在定子绕组4所感应的电动势，也可以确定永磁转子1的位置，即定子绕组4本身兼为位置传感器而无需安装霍尔元件等；

——定子绕组4缠绕于左、右二个塑料线圈架41后被表层塑料42塑封为一整体；

——铁芯3的左臂31和右臂32分别穿越塑料线圈架41左、右二个内孔后露出的上部各形成极面靠往转子1圆柱面左侧和右侧的左极靴311和右极靴316；极面形状为内凹而成阶梯连接的二段与转子1同轴的圆弧面：沿顺时针方向，先是半径较大的圆弧面，然后是半径较小的圆弧面；左极靴311的上极尖312和下极尖313所在平面314和右极靴316的上极尖317和下极尖318所在平面319均与所述“U”字形的对称轴30平行，定子磁场轴线20则与对称轴30垂直。

因此，永磁转子1的磁极轴线10即相对于定子磁场轴线20向气隙短即磁阻小的方向即顺时针方向自然偏转一角度β0，构成启动角。

上述定子结构以“U”字形垂直的二臂31、32为极身和底部的水平段33为磁轭，但也有以“U”字形底部的水平段为极身和垂直的二臂为磁轭的结构，此时的定子绕组缠绕于水平段极身通常仅1个线圈架上。

本发明第1实施例电动机电磁基本结构如图2所示，其对如图1所示现有技术电动机基本结构的改进主要是改变极面形状，包括：

——二段圆弧面改同为较小的半径，与转子1圆柱面间构成均匀气隙；

——左极靴1311的上极尖1312是于原上极尖312前方顺着极面的内圆弧面熔焊接驳一具有同轴同半径内圆弧面的软铁块1314而成，其越过所述“U”字形的对称轴30伸向右极靴1316的上极尖317而位于对称轴30的右侧，下极尖313仍位于对称轴30的左侧；

——右极靴1316的下极尖1318是于原下极尖318前方顺着极面的内圆弧面熔焊接驳一具有同轴同半径内圆弧面的软铁块1319而成，其越过所述“U”字形的对称轴30伸向左极靴1311的下极尖313并位于对称轴30的左侧，上极尖317仍位于对称轴30的右侧；

因此，左极靴1311的上极尖1312与下极尖313所在平面1313和右极靴1316的下极尖1318与上极尖317所在平面1317平行，且均对所述“U”字形的对称轴30倾斜相交。因而，在非通电和无显著阻滞的情况下，转子永磁极自然地对正极靴的极面，即其磁极轴线10与极靴二极尖所在平面1313及1317垂直并进而与处于水平方向的定子磁场轴线20相交，形成启动角β1，且比现有技术的启动角β0明显增大和二极靴的极面宽度明显延长。

软铁块1314、1319最薄处即与对称轴30相交处，该厚度宜适当控制（例如不超过3mm），以达到该处对定子励磁适当的磁饱和，以维持定子磁场轴线20尽可能水平。

上述软铁块于原极尖的接驳还可以设计为二者紧密接触的如榫接和自扣等连接。

也可设计仅其中一个极靴的上、下极尖所在平面与所述“U”字形的对称轴相交而形成启动角，但效果降低。

本发明第2实施例电动机电磁基本结构如图3所示，其与实施例1的区别主要是：

——“U”字形的定子铁芯由装配前分离的上、下二部分组成，上部为铁硅比为17.7的铁粉和硅铁粉混合粉末冶金成形的左极靴2311和右极靴2316，下部为纯“U”字形的叠片铁芯300。装配时，铁芯300的二臂穿越定子绕组的线圈架后，其顶端分别与左极靴2311和右极靴2316的底部以榫接方式对接为一体。为此，铁芯300左臂301和右臂302的顶端和极靴的底部相迎处2318和2319各成形相应的凹、凸外形作为榫接所需的榫头和榫眼；

——左极靴2311的上、下极尖所在平面2313和右极靴2316的上、下极尖所在平面2317平行且均对“U”字形的对称轴30倾斜相交。因而在非通电和无显著阻滞的情况下，转子永磁极轴线10与定子磁场轴线20相交，形成启动角β2。该启动角比实施例1的启动角β1略有减小，但二极靴的极面宽度有所增加。

本发明第3实施例电动机电磁基本结构如图4所示，其与实施例2的区别主要是：

——将实施例2中分设二件的左极靴和右极靴成形为一体物3310装配于叠片铁芯300左臂301和右臂302的顶端，该一体物左极靴的上极尖3312和右极靴的上极尖3317具有连接段37，左极靴的下极尖3313和右极靴的下极尖3318具有连接段38，连接段37、38分别与上极尖的上水平面、下极尖的下水平面取平。为减少漏磁，该连接的厚度应尽可能薄（例如不超过2mm，最好为1mm），能满足机械强度需要即可。一体物3310以电工纯铁粉混合工程塑料原料粒以类似粘结永磁体的制造工艺注塑或挤压成形。此外，铁芯二臂顶端和极靴底部榫接形状改为前者向后者凸入的燕尾槽。装配时，可沿旋转轴方向将前者的榫头压入后者的榫眼中。

该实施例中，左极靴上、下极尖所在平面3319和右极靴上、下极尖所在平面3317平行且均对“U”字形的对称轴30倾斜相交，因而在非通电和无显著阻滞的情况下，转子永磁极轴线10与定子磁场轴线20相交，形成和实施例2电动机基本相同的启动角。

本发明第2、3实施例电动机的进一步设计是：

——塑料线圈架或者定子绕组联同线圈架或定子绕组联同线圈架和叠片铁芯一起塑封成形有紧贴极靴侧面的立面，所述极靴的侧面和线圈架的立面相迎处成形有相应凸出或凹入的扣位，在安装时构成卡扣连接，将极靴的底部紧压连接于叠片铁芯二臂的顶端；

——极靴在装配前与铁芯分离且位于线圈架外，因此可很方便地设计其磁路截面大于穿越线圈架的叠片铁芯的磁路截面，以适应粉末冶金或注塑铁粉芯磁性能通常低于电工钢叠片铁芯的情况。这是该二种磁性材料在“U”字形铁芯最恰到好处的使用。更进一步的的设计是，利用永磁转子轴向二端的边缘效，使永磁转子的长度约比极靴的轴向长度长10%～25%，使极靴的轴向长度得到更充分的利用，提高产品的性价比。

上述实施例定转子间均设计为均匀气隙，但也不排除适当增加非均匀气隙，可进一步增大启动角以加强启动性能。

Claims (10)

1.一种低成本的微型单相永磁无刷直流电动机，包括：

——永磁转子，为径向两极充磁的圆柱形；

——定子，包括“U”字形的定子铁芯和该铁芯所穿越的直流定子绕组；

——位置传感器，用于检测所述永磁转子的磁极位置以控制对定子绕组的供电；

——所述定子铁芯包括纯“U”字形的极身和磁轭部分及该“U”字形二臂上部成形的极面靠往所述永磁转子圆柱面左侧的左极靴和极面靠往所述永磁转子圆柱面右侧的右极靴，其特征在于，至少一个极靴的二极尖所在平面与所述“U”字形的对称轴相交。

2.按照权利要求1所述电动机，其特征在于：所述左极靴的上极尖位于所述对称轴的右侧，下极尖位于所述对称轴的左侧；所述右极靴的上极尖位于所述对称轴的右侧，下极尖位于所述对称轴的左侧。

3.按照权利要求1或权利要求2所述电动机，其特征在于：所述永磁转子为矩形或梯形波充磁。

4.按照权利要求2所述电动机，其特征在于：所述“U”字形的定子铁芯左臂上部的内侧面内凹成靠往所述永磁转子圆柱面左侧的弧面，该弧面的下沿为所述左极靴的下极尖，该弧面的上沿导磁连接伸向右极靴的上极尖；所述“U”字形的定子铁芯右臂上部的内侧面内凹成靠往所述永磁转子圆柱面右侧的弧面，该弧面的上沿为所述右极靴的上极尖，该弧面的下沿导磁连接伸向右极靴的下极尖。

5.按照权利要求1或权利要求2所述电动机，其特征在于：“U”字形的定子铁芯由装配前分体的上、下二部分组成，上部是以软磁材料粉末冶金或注塑成形的左极靴和右极靴，下部是作为极身和磁轭部分的纯“U”字形的叠片铁芯。装配时，所述叠片铁芯穿越所述定子绕组后，其二臂的顶端与所述左极靴和右极靴的底部连接。

6.按照权利要求5所述电动机，其特征在于：所述二臂的顶端与所述左极靴和右极靴的底部的连接为榫接。

7.按照权利要求5所述电动机，其特征在于：所述左、右极靴上极尖与上极尖连接和下极尖与下极尖连接而成形为一体，然后装配于所述叠片铁芯左、右臂的顶端。

8.按照权利要求7所述电动机，其特征在于：所述连接位于极尖离转子轴心较远的部分，未连接部分构成凹形口。

9.按照权利要求8所述电动机，其特征在于：所述连接的厚度不大于2mm。

10.按照权利要求2所述电动机，其特征在于：所述左极靴和右极靴于所述对称轴处的厚度不大于3mm。

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