CN105703495A - 单相无刷电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及单相无刷电机，包括定子和转子，子包括定子磁芯及绕设于定子磁芯上的定子绕组，定子磁芯包括轭部、从所述轭部朝内相向延伸的第一极部和第二极部；第一极部的端面包括第一弧面，第一弧面具有第一凹槽，第二极部的端面包括第二弧面，第二弧面具有第二凹槽，第一弧面与第二弧面相对并于两者之间形成收容腔，转子包括转轴和固定到所述转轴的永磁极，永磁极收容于定子的收容腔内。第一弧面和第二弧面基本位于同一圆柱面上，永磁极的外表面位于另一圆柱面上，两圆柱面之间形成均匀气隙。第一弧面的周向两端与第二弧面的周向两端之间分别设切槽，切槽的宽度小于上述均匀气隙宽度的3倍。实施本发明能够降低电机的齿槽效应和电机的噪音。

Description

单相无刷电机
【技术领域】
本发明涉及电机领域，更具体地，涉及一种可高速旋转的单相无刷电机。
【背景技术】
现有的单相无刷电机，为避开启动死点，定转子之间的气隙通常采用非均匀气隙，如通过定子极面朝一个方向倾斜从而使得定转子之间的气隙朝一个方向逐渐增大或减小。然而，采用非均匀气隙的电机通常具有较大的齿槽效应(cogging)从而具有较大的噪音。
本发明旨在提供一种可解决上述问题的单相无刷电机。
【发明内容】
本发明的目的是降低单相无刷电机的齿槽效应。
本发明提供一种单相无刷电机，包括定子和转子，所述定子包括定子磁芯及绕设于定子磁芯上的定子绕组，所述定子磁芯包括轭部、从所述轭部朝内相向延伸的第一极部和第二极部；所述第一极部的端面包括第一弧面，所述第一弧面具有第一凹槽，所述第二极部的端面包括第二弧面，所述第二弧面具有第二凹槽，所述第一弧面与第二弧面相对并于两者之间形成收容腔，所述转子包括转轴和固定到所述转轴的永磁极，所述永磁极收容于所述第一弧面与第二弧面形成的收容腔内，所述第一弧面和第二弧面与所述永磁极之间形成基本均匀的气隙。
作为一种优选方案，所述定子磁芯包括环形轭部，所述第一极部和第二极部从所述环形轭部朝内相向延伸，所述转子形成两个永磁极，所述定子绕组通电时产生两个磁路。
作为一种优选方案，所述第一弧面和第二弧面除第一凹槽和第二凹槽外的其它部分位于同一圆柱面上，所述永磁极的外表面位于另一圆柱面上，所述两圆柱面之间形成均匀气隙。
作为一种优选方案，第一弧面的周向两端与第二弧面的周向两端之间分别设第一切槽和第二切槽，所述第一切槽中心与第二切槽中心之间的连线与所述第一极部的中心线之间的夹角小于或等于90度。
作为一种优选方案，第一弧面的周向两端与第二弧面的周向两端之间分别设第一切槽和第二切槽，所述第一切槽与第二切槽的宽度小于上述均匀气隙宽度的3倍。
作为一种优选方案，所述第一极部的端面还包括分别位于所述第一弧面周向两端的第一平面和第二平面；所述第二极部的端面还包括分别位于所述第二弧面周向两端的第三平面和第四平面；所述第一平面与第三平面基本平行并在两者之间形成宽度均匀的第一切槽，所述第二平面与第四平面基本平行并在两者之间形成宽度均匀的第二切槽，所述第一切槽中心与第二切槽中心之间的连线通过转子转轴的中心。
作为一种优选方案，所述第一切槽与第二切槽的宽度相等。
作为一种优选方案，第一凹槽中心与第二凹槽中心的连线经过转子转轴的中心。
作为一种优选方案，所述定子磁芯由形状相同的两个“F”形组件构成，其中一个组件用于形成一半的轭部以及第一极部，另一个组件用于形成另一半的轭部以及第二极部。
作为一种优选方案，所述电机还包括外壳，位于所述外壳一端的端盖，安装到所述外壳内的支撑架，所述支撑架具有环部以及从所述环部向外伸出的若干连接件，所述若干连接件安装到所述外壳的内壁从而使所述支撑架与所述端盖隔开预设距离；安装到所述端盖和所述支撑架的滚动支撑结构，所述滚动支撑结构用于支撑所述转子。
作为一种优选方案，所述定子磁芯为方形，每个顶角具有外凸的连接部；所述外壳内壁设有相应的收纳位用于收纳所述连接部。
作为一种优选方案，所述外壳的两端各设若干通风孔，所述定子磁芯与外壳内壁之间形成风道，所述通风孔与风道相通。
作为一种优选方案，所述电机还包括一电路板，所述电路板的靠近转子永磁极的轴向端部处安装有传感器，所述转子永磁极的轴向端部沿轴向超出定子磁芯，用于与传感器配合作用以感测转子位置。
实施本发明，能够降低电机的齿槽效应、从而降低电机的启动电流和电机的噪音。
【附图说明】
下面将结合说明书附图及实施例对本发明作进一步说明。说明书附图中，同一个结构、元件或部件通常使用相同的数字标记。各个组件之间尺寸关系通常是为了更好地显示，不一定要求各个组件按照该种大小比例关系。
图1是本发明一个实施例提供的单相无刷电机的示意图；
图2是图1所示单相无刷电机移除了外壳后的示意图；
图3是图1所示单相无刷电机使用的外壳的示意图；
图4是图1所示单相无刷电机移除了电路板的示意图；
图5是图1所示单相无刷电机移除了电路板后的剖视示意图；
图6是图1所示单相无刷电机使用的定子磁芯及其定子绕组的剖视示意图；
图7是图6所示定子磁芯的示意图；
图8是图7所示定子磁芯的结构示意图；以及
图9所示为另一实施方式的单相无刷电机使用的定子磁芯及其定子绕组的剖视示意图。
【具体实施方式】
参考图1和图2，本发明一个实施例提供的单相无刷电机包括定子和转子，所述定子外壳31、安装到外壳31一端的前端盖33、安装到外壳31另一端的电路板35以及安装到外壳31内的由具导磁性能的软磁性材料如铁等制成的定子磁芯51及绕组53。转子包括转轴61、固定安装到转轴61的由永久磁铁形成的永磁极(见图5的永磁极63)，转子可转动地安装到定子内，并可相对于定子转动，转轴61的输出端可以连接叶轮等被驱动件。
本实施例中，外壳31的环状侧壁的两端各设有若干开孔37，以方便散热；相邻的两个开孔37之间形成连接部39，在靠近前端盖33处，外壳31还包括一固定前端盖33于其内的环状端壁，环状端壁与环状侧壁之间通过若干连接部39相连，相邻连接部39之间形成开孔37，外壳31两端的开孔37与形成于定子磁芯51与外壳31内壁之间的流道相通。电路板35位于外壳31的远离前端盖33的一端，并受相应连接部39支撑固定。
参考图2和图3，外壳31内安装有支撑架41。支撑架41具有环部41a以及从环部41a向外伸出的若干连接件41b，若干连接件41b安装到外壳31的内壁。具体地，外壳31的内壁设有若干收纳位32a用于收纳支撑架41的连接件41b，从而使支撑架41与端盖33隔开预设距离；
参考图2和图5，该单相无刷电机还具有安装到端盖33和支撑架41的滚动支撑结构，滚动支撑结构用于滚动支撑转子。本实施例中，滚动支撑结构包括固定到端盖33和支撑架41的筒状件45、安装到筒状件45内的滚动轴承47，滚动轴承47对转子的转轴61进行滚动支撑。
参考图4和图5，转子永磁极63固定于转轴61，永磁极63两端设平衡块65。优选地，永磁极63和平衡块65可固定于一套筒67内，以防止转子高速转动过程中永磁极63破碎时碎片往外飞溅。电路板35上靠近转子永磁极63轴向端部处安装有传感器如霍尔传感器48，所述转子永磁极63的轴向端部超出定子磁芯51的轴向端部，优选地超出2毫米，这样，所述转子永磁极63的超出定子磁芯的轴向端部可充当感应磁环，配合霍尔传感器48以便电机的控制器判断转子的位置。
参考图6和图7，定子磁芯51包括环形(本发明的环形包括方形、圆形等封闭形状)的轭部55、从轭部55朝内伸出的第一极部56和第二极部57。优选地，第一极部56与第二极部57宽度相等，两者的中心位于同一条直线上，且端面相对。本实施例中，定子包括2个绕组53，分别绕设于位于第一极部56、第二极部57两侧的轭部55上，每一绕组53通电时可产生一个通过转子的磁回路从而共形成2个路径不同的磁回路。绕组53与定子磁芯51之间可设绝缘线架58。
本实施例中，定子磁芯51垂直轴向的横截面大致呈“日”字形，每个顶角具有外凸的连接部52；外壳31内壁设有相应的收纳位(见图3的收纳位32b)用于收纳连接部52，在本实施例中，所述收纳位32b为沿轴向延伸的收容槽，装配时所述定子磁芯51的连接部52可沿轴向滑入所述收容槽32b内。
本实施例中，第一极部56的端面包括第一弧面56a、分别位于第一弧面56a两侧的第一平面56b和第二平面56c。
第二极部57的端面包括第二弧面57a、分别位于第二弧面57a两侧的第三平面57b和第四平面57c。
其中，第一弧面56a与第二弧面57a相对并形成收容腔用于收容转子，具体地，收容转子的永磁极63。第一平面56b与第三平面57b基本平行并于两者之间形成厚度均匀的第一切槽59a，第二平面56c与第四平面57c基本平行并于两者之间形成厚度均匀的第二切槽59b，第一切槽59a和第二切槽59b的设置可避免第一极部56和第二极部57之间形成磁短路。
优选地，所述第一切槽(59a)与第二切槽(59b)的宽度相等，所述第一切槽(59a)与第二切槽(59b)的中心线共线并通过转子转轴的中心，所述第一切槽(59a)与第二切槽(59b)的中心线P1相对极部56、57的中心线P2(中心线P2亦通过转子中心O)倾斜，中心线P1与中心线P2的夹角小于或等于90度。当中心线P1与P2的夹角小于90度时，第一极部56关于其中心线P2为非对称结构，第二极部57关于其中心线P2亦为非对称结构，如此设计可降低电机的电感电势，从而提高电机的输出转矩。
第一弧面56a设有圆弧状的第一凹槽56d，第二弧面57a具有圆弧状的第二凹槽57d，第一凹槽56d和第二凹槽57d的大小、形状和位置可根据实际需要调整，第一凹槽56d和第二凹槽57d的设置可用于确定转子的初始位置。本实施例中，转子磁极为2个。请参阅图6，在转子处于初始位置时，一转子磁极(南极或北极)的中心线OA将偏离定子极部的中心线OB，本实施例中，转子磁极的中心线OA更靠近第一凹槽56d，这样，转子沿逆时针方向启动相对沿顺时针方向启动容易。当然，也可以设计成转子磁极的中心线OA更靠近第二切槽59b，这样，转子沿顺时针方向启动相对沿逆时针方向启动容易。
优选地，第一弧面56a除凹槽56d和57d外的其它部分基本位于同一圆柱面上，转子磁极63的外表面基本位于同一圆柱面上并与第一弧面56a径向相对，从而在定子和转子之间形成基本均匀的气隙。本申请所称基本均匀的气隙，是指定子的绝大部分与转子的绝大部分之间形成均匀气隙，只有较少部分如对应凹槽56d和57d、空隙59a和59b及转子磁极63末端倒角处等为非均匀气隙。
优选地，第一切槽59a的宽度(即第一切槽59a沿垂直于第一平面56b的方向上的大小)小于定转子间均匀气隙部分宽度的3倍，更进一步优化，第一切槽59a的宽度小于定转子间均匀气隙部分宽度的2倍。
参考图8，定子磁芯可以由形状相同的两个F形组件构成，其中一个组件用于形成一半的轭部以及第一极部，另一个组件用于形成另一半的轭部以及第二极部。每个组件的一端具有燕尾状的连接槽51a，另一端具有燕尾状的连接部51b；在装配时，其中一个组件的连接槽、连接部分别与另一个组件的连接部、连接槽卡接在一起。
参考图9，定子绕组53还可以绕设于定子磁芯51的第一极部56和第二极部57上。
本发明中，所述2个绕组53可电连接至单相供电电流，从而使得本发明的单相无刷电机可用作单相无刷直流电机，尤其适用于干手器、吸尘器等高转速(如100krpm以上)应用场合，本发明的电机最高转速可达120krpm。当然，本发明的设计还可以用在单向同步电机中。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，如切槽59a和59b在径向上可以不贯通极部56和57而只设在极部56和57的内表面或外表面以在两极部之间形成较大磁阻的磁桥即可，切槽59a和59b的形状可以有各种变化，可以是均匀宽度也可以是非均匀宽度，当采用非均匀宽度时，切槽59a和59b的宽度是指极部56和57的内表面的相邻端部之间的宽度；第一凹槽56d和第二凹槽57d的形状也可以有各种变化；定子磁芯51的横截面除了方形还可以是圆形等其它各种环形形状，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种单相无刷电机，包括定子和转子，其特征在于，所述定子包括定子磁芯及绕设于定子磁芯上的定子绕组，所述定子磁芯包括轭部(55)、从所述轭部朝内相向延伸的第一极部(56)和第二极部(57)；所述第一极部(56)的端面包括第一弧面(56a)，所述第一弧面(56a)具有第一凹槽(56d)，所述第二极部(57)的端面包括第二弧面(57a)，所述第二弧面(57a)具有第二凹槽(57d)，所述第一弧面(56a)与第二弧面(57a)相对并于两者之间形成收容腔，所述转子包括转轴(61)和固定到所述转轴(61)的永磁极(63)，所述永磁极(63)收容于所述第一弧面(56a)与第二弧面(57a)形成的收容腔内，所述第一弧面(56a)和第二弧面(57a)与所述永磁极(63)之间形成基本均匀的气隙。
2.如权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于，所述定子磁芯包括环形轭部(55)，所述第一极部(56)和第二极部(57)从所述环形轭部(55)朝内相向延伸，所述转子形成两个永磁极，所述定子绕组通电时可产生两个通过转子的磁回路。
3.如权利要求1或2所述的单相无刷电机，其特征在于，所述第一极部(56)的位于第一弧面两侧的两周向端部与第二极部(57)的位于第二弧面两侧的两周向端部之间分别通过第一磁桥和第二磁桥连接，所述第一磁桥中心与第二磁桥中心之间的连线与所述第一极部的中心线之间的夹角小于90度。
4.如权利要求1或2所述的单相无刷电机，其特征在于，所述第一极部(56)的位于第一弧面两侧的两周向端部与第二极部(57)的位于第二弧面两侧的两周向端部之间分别设第一切槽(59a)和第二切槽(59b)，所述第一切槽(59a)与第二切槽的宽度(59b)大于零小于所述均匀气隙宽度的3倍。
5.如权利要求4所述的单相无刷电机，其特征在于，所述第一极部(56)的端面还包括分别位于所述第一弧面(56a)周向两端的第一平面(56b)和第二平面(56c)；
所述第二极部(57)的端面还包括分别位于所述第二弧面(57a)周向两端的第三平面(57b)和第四平面(57c)；
所述第一平面(56b)与第三平面(57b)基本平行并在两者之间形成宽度均匀的所述第一切槽(59a)，所述第二平面(56c)与第四平面(57c)基本平行并在两者之间形成宽度均匀的所述第二切槽(59b)，所述第一切槽(59a)中心与第二切槽(59b)中心之间的连线通过转子中心。
6.如权利要求5所述的单相无刷电机，其特征在于，所述第一切槽(59a)与第二切槽(59b)的宽度相等。
7.如权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于，第一凹槽(56d)中心与第二凹槽(57d)中心的连线经过转子转轴的中心。
8.如权利要求4所述的单相无刷电机，其特征在于，所述第一切槽(59a)与转子中心之间的连线与所述第一极部的中心线之间的夹角小于90度；和/或
所述第二切槽(59b)与转子中心之间的连线与所述第一极部的中心线之间的夹角小于90度。
9.如权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于，所述定子磁芯由形状相同的两个“F”形组件构成，其中一个组件用于形成一半的轭部以及第一极部，另一个组件用于形成另一半的轭部以及第二极部。
10.如权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于，还包括：
外壳(31)，
位于所述外壳(31)一端的端盖(33)；
安装到所述外壳(31)内的支撑架(41)，所述支撑架(41)具有环部(41a)以及从所述环部(41a)向外伸出的若干连接件(41b)，所述若干连接件(41b)安装到所述外壳(31)的内壁从而使所述支撑架(41)与所述端盖(33)隔开预设距离；
安装到所述端盖(33)和所述支撑架(41)的滚动支撑结构，所述滚动支撑结构用于支撑所述转子。
11.如权利要求10所述的单相无刷电机，其特征在于，所述定子磁芯(51)为方形，每个顶角具有外凸的连接部(52)；所述外壳(31)内壁设有相应的收纳位(32b)用于收纳所述连接部(52)。
12.如权利要求11所述的单相无刷电机，其特征在于，所述外壳的两端各设若干通风孔，所述定子磁芯与外壳内壁之间形成风道，所述通风孔与风道相通。
13.如权利要求1至12任一项所述的单相无刷电机，其特征在于，所述电机还包括一电路板，所述电路板的靠近转子永磁极的轴向端部处安装有传感器，所述转子永磁极的轴向端部沿轴向超出定子磁芯，用于与传感器配合作用以感测转子位置。
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