CN106169853A - 单相无刷电机及应用其的电器设备 - Google Patents

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周垂友
王勇
陈明
易红亮
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Abstract

本发明涉及一种单相无刷电机及应用所述单相无刷电机的电动工具和车窗升降机构。电机包括定子和可相对定子转动的转子，定子包括定子磁芯和绕组，定子磁芯包括轭部和从轭部向内延伸的齿，所述齿的末端具有齿冠，所述绕组绕设于所述定子磁芯，所述齿冠包括分别向两侧延伸的第一极靴和第二极靴，所述齿冠在其第一极靴与第二极靴之间形成一个朝向所述转子的定位凹槽，所述转子收容在所述齿的第一极靴、第二极靴围合的空间内，转子包括沿转子周向设置的若干永磁极；所述第一极靴与第二极靴关于齿身的中心线非对称，以使得所述转子朝一个方向的启动能力大于朝另一相反方向的启动能力。本发明的单相电机运行平稳，起动可靠性高，运行效率高。

Description

单相无刷电机及应用其的电器设备
【技术领域】
本发明涉及一种电机，尤其是涉及一种单相永磁无刷电机及应用其的电器设备如电动工具、车窗升降机构等。
【背景技术】
单相电机具有低成本的优点。但是，因为单相电机无法形成旋转的磁场，因此，如果转子的停止位置导致转子的磁极方向与定子极方向之间的夹角过小，就会导致启动瞬间转子受到的转动转矩较小，如转动转矩等于或小于摩擦转矩，电机就无法启动。该种情况，我们称转子启动失败。如何避免单相电机启动失败是亟需解决的问题。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种单相无刷电机。
本发明提供一种单相无刷电机，包括定子和可相对定子转动的转子，所述定子包括定子磁芯和绕设于所述定子磁芯上的绕组，所述定子磁芯包括轭部和从轭部向内延伸的若干定子齿，所述定子齿包括从轭部向内延伸的齿身和设于齿身末端的端部，所述端部包括位于齿身的中心线周向两侧的第一部分和第二部分，所述转子收容在所述定子齿的端部围合的空间内，所述端部设定位结构，所述定位结构的磁阻大于端部其他部位的磁阻，所述定子齿的第一部分与第二部分关于所述定子齿的齿身的中心线非对称，以使得所述转子朝一个方向的启动能力大于朝另一相反方向的启动能力。
优选地，所述定子齿的第一部分的周向长度与第二部分的周向长度不相等。
优选地，所述第二部分朝向所述转子的内周面大于所述第一部分朝向所述转子的内周面。
优选地，所述第一部分和第二部分的内周面位于同一圆柱面上。
所述至少两个齿中，其中一个齿的第二部分与另一个齿的第一部分相邻且它们之间存在槽口或存在磁阻较大的磁桥。
优选地，所述定位结构为定位凹槽。
优选地，所述第一部分、第二部分的内周面与所述转子之间具有气隙；所述槽口的宽度大于所述气隙的厚度但小于定位凹槽的宽度。
优选地，在启动阶段，转子朝一个方向转动的平均输出力矩与朝另一个相反方向转动的平均输出力矩之比大于11：9。
优选地，所述定位凹槽的中心线与所述齿身的中心线重合。
优选地，所述定位凹槽的宽度等于或大于所述齿的齿身宽度。
优选地，所述第二部分的长度大于所述第一部分的长度且小于所述第一部分长度的2倍。
优选地，所述第一部分和第二部分的径向厚度沿远离所述齿身中心线的方向逐渐减小。
优选地，所述轭部为具有开口的半框形轭部、闭合的框形轭部或者环形轭部。
优选地，所述转子包括转子磁芯和安装到所述转子磁芯表面的永磁体或嵌装到所述转子磁芯内的永磁体。
优选地，所述转子的启动角大于40度电角度。
本发明还提供一种应用前述单相无刷电机的电器设备如电动工具、车窗升降机构等。
与现有技术相比，本发明上述实施例具有以下有益效果：定子齿末端设定位结构以使得转子能停在偏离死点位置；定子齿末端形成非对称结构，使得转子具有不同的双向启动能力，尤其适用于对双方向启动能力要求不同的应用场合如电动工具和车窗升降机构等。
【附图说明】
图1为本发明一个实施例提供的单相无刷电机的简化示意图；
图2为图1所示单相无刷电机的平面示意图；
图3为图1所示单相无刷电机使用的定子磁芯的俯视图；
图4是图1所示单相无刷电机的磁路分布图；
图5为图1所示单相无刷电机在运行过程中的反电动势值与定位凹槽角度的曲线变化图；
图6为本发明单相无刷电机的转子的一个实施例提供的平面示意图；
图7为本发明另一实施例的单相无刷电机的示意图。
图8为本发明又一实施例的单相无刷电机的示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
参照图1和图2所示，本发明提供的一种单相无刷电机10，包括定子20和可相对定子20转动的转子30。
定子20包括定子磁芯和绕组28(图6)，定子磁芯由导磁材料如硅钢片制成。定子磁芯包括轭部21和至少两个从轭部21向内延伸的定子齿22，定子齿22沿着轭部21周向间隔分布，定子齿22的数量可根据实际情况设定。所述定子齿22包括从轭部向内延伸的齿身23和设于齿身末端的端部24，所述端部24包括位于齿身23的中心线周向两侧的第一部分25和第二部分26。在本实施例中，定子齿22的末端形成超出齿身23周向两侧的齿冠24，齿冠24包括沿转子周向延伸的第一极靴25和第二极靴26，优选地，如图3所示，第一极靴25的长度用L1表示，第二极靴26的长度用L2表示，第二极靴26的长度L2大于第一极靴25的长度L1，因此，第二极靴26的朝向转子30的内周面大于第一极靴25的朝向转子30的内周面。优选地，L2小于L1的两倍。绕组28可绕设于定子齿22的齿身23上
转子30收容在第一极靴25、第二极靴26围合的空间内，转子30包括沿转子30周向设置的若干永磁极31。优选地，第一极靴25和第二极靴26的内周面位于同一圆柱面上，且该圆柱面与转子30的旋转中心同心。本实施例中，第一极靴25和第二极靴26的内周面均与永磁极31的外周面同心，具体地，第一极靴25和第二极靴26的内周面位于以转子中心为圆心的同一圆柱面上，永磁极31位于以转子中心为圆心的另一圆柱面上，即第一极靴25和第二极靴26的内周面与永磁极31的外周面同心，从而第一极靴25、第二极靴26的内周面与转子30之间形成均匀厚度的气隙40，减少了振动和噪声，可以使得电机10运转更加平稳，增强了起动稳定性。
在本实施例中，至少两个定子齿22中，其中一个定子齿22的第二极靴26与另一个定子齿22的第一极靴25相邻且之间存在槽口50，槽口50具有较大的磁阻以防止槽口50两侧的第二极靴26、第一极靴25之间漏磁且可增加电机的定位转矩。可以理解地，可以使用磁阻较大的磁桥代替槽口50。因为第一极靴25与第二极靴26的长度不同，因此，槽口50/磁桥的位置将偏离其中一个齿，而不是位于两个齿22的中间位置。
优选地，如图3所示，第一极靴25径向厚度W1沿远离齿身中心线的方向逐渐减小，第二极靴26的径向厚度W2沿远离齿身中心线的方向逐渐减小。也就是说，第一极靴25、第二极靴26在越靠近槽口50的位置具有更大的磁阻，使第一极靴25和第二极靴26的磁阻从齿身向槽口50的方向逐渐增加，改善气隙磁场波形，使得波形更加平滑。
在本实施例中，定子齿22在其第一极靴25和第二极靴26之间形成一个朝向转子30的定位结构，所述定位结构可以为定位凹槽60，或定位凹槽60内填充导磁能力较差的材料，从而使得定位结构的磁阻大于定子齿22其他部位的磁阻。在本实施例中，定位结构为定位凹槽60，其截面形状优选为弧形，定位凹槽60的中心线与齿身的中心线重合，即，定位凹槽60的位置偏离该齿22的齿冠24的中心位置，可以理解地，定位凹槽60的中心线也可以偏离齿身的中心线。定位凹槽60及非对称极靴的设置用于控制转子30的停止位置也即初始位置偏离死点位置，具体地，转子30停止时，转子永磁极的周向中心尽可能地靠近第二极靴26，避免转子30停止在死点位置。较佳地，本实施例中，转子30的停止位置偏离死点位置40度以上的电角度，死点位置是指转子磁极中心正对定子极中心也即定子齿的末端的内周面的中心的位置。转子30的停止位置偏离死点位置40度以上的电角度的情况下，启动瞬间转子30受到的电磁转矩较大，提高了电机10的起动可靠性。当定子20的绕组通电前，参考图4，由于第一、二极靴25、26的电感差异性，第二极靴26的磁饱和程度大于第一极靴25的磁饱和程度，因此，在定子20绕组的通电瞬间，转子30朝一个方向转动将平衡第一、二极靴25、26的磁饱和程度的差异(即朝该方向启动能力较强)，而朝另一个方向转动将加剧第一、二极靴25、26的磁饱和程度的差异(即朝该另一个方向启动能力较弱)，也就是说，转子朝一个方向的启动能力会大于朝另一个方向的启动能力，通过与绕组相连的控制器可控制通过定子20绕组的电流方向从而控制转子30的起动方向。优选地，在启动阶段，转子30朝一个方向起动的平均输出力矩与朝另一个方向转动的平均输出力矩之比大于11：9。
本实施例中，定位凹槽60的周向宽度基本上等于齿22的周向宽度。在替换的方案中，定位凹槽60的周向宽度可以小于或大于齿22的周向宽度。优选地，槽口50的宽度小于定位凹槽60的宽度，以避免相邻两齿22之间因设置槽口50而引起磁阻突变，改善气隙磁场波形，使得波形更加平滑。
在本实施例中，所述电机为单相无刷直流电机。
图5是上述该单相无刷直流电机10在运转过程中反电动势值与定位力矩的曲线变化图，a线为定位力矩的曲线变化示意线，横坐标为转子角度值，纵坐标为力矩值，b线为反电势值曲线变化示意线，横坐标为转子角度值，纵坐标为反电势值，由图上可以看出，定位力矩曲线变化示意线和反电势值曲线变化示意线都比较有规律性，可知电机10运行比较平稳。又由于定位凹槽60及非对称极靴的设置，反电势过零点与转子“死点”角度并不重合，可以避免当转子30停在“死点”位置时无法产生起动转矩，且反电势最大值与转子初始位置相接近，从而使得在启动瞬间转子可以获得较大的起动转矩，提高了电机的起动可靠性。
参考图1和图2，本发明的一个实施例中，转子30还包括转子磁芯32，转子磁芯32的中心具有安装孔33以固定安装到转轴(图上未画出)。若干永磁极31由安装到转子磁芯32表面的永磁体形成，优选地，该永磁体为环形永磁体，转子磁芯32的外周面与环形永磁体的形状相匹配，环形永磁体环绕设置在转子磁芯32的外周面，转子磁芯32的外周面位于以转子中心为圆心的一个圆上，转子磁芯32外周面与环形永磁体外周面同心。转轴安装在转子中心的安装孔33内，从而可实现转子30可相对定子20转动。可以理解地，本发明不局限使用环形的永磁体，例如，可以使用若干块安装到转子磁芯32的外周面的永磁体来形成转子30的永磁极31。
参考图6，本发明的另一个实施例中，与上述实施例不同的是，转子30的若干永磁极31由若干块嵌装到转子磁芯32内部的永磁体形成。此外，本实施例中，定子20的齿22的第一极靴25和第二极靴26的内周面到转子中心的距离沿靠近齿身中心线的方向逐渐增加，所述转子磁芯32的外半径从每个永磁极31的周向中心向两侧逐渐减小，优选地，所述转子磁芯32的外半径关于每个永磁极31的周向中心线对称，因此，转子30与定子20齿22的极靴之间的气隙40为非均匀厚度。
上面的实施例中，定子磁芯的轭部21为闭合的环形。可以理解地，定子磁芯的轭部21可以为闭合的框形，例如正方形或长方形。
上述实施例的定子齿皆采用凸极形式即极靴从齿身两侧沿周向伸出。
参考图7，本发明另一个实施例中，定子磁芯的轭部21为开口的框形，例如U形或C形，轭部21可供绕组绕设于其上。轭部21上延伸至少两个齿22，齿22的末端具有齿冠24，齿冠24包括分别位于两侧的第一极靴25和第二极靴26，转子30收容在至少两个齿22的第一极靴25、第二极靴26围合的空间内。定子磁芯可以一体成型，也可以是分离成型，然后再组装在一起，例如可以通过焊接或机械连接方式组装固定在一起。本实施例中，定子磁芯为3件式，可通过燕尾型卡扣的连接方式组装在一起，即在其中的一件上设置卡槽80，在另外两件的端部设有与卡槽80相应的卡块70，卡块70与卡槽80相卡合形成燕尾型卡扣连接。本实施例中，定子齿22采用隐极形式即极靴未从齿身两侧沿周向伸出而是隐藏于齿身末端。本实施例中，转子永磁极可直接固定于转轴，从而省略转子磁芯。
图8为本发明又一实施例的单相无刷电机的示意图。请参阅图8，定子磁芯的轭部21为封闭方形如正方形或长方形，一对定子齿22从方形轭部21的两相对边相向延伸，绕组28绕设于方形轭部21的另两相对边上。每一定子齿22包括齿身23和位于齿身23末端的端部24，端部24包括沿转子周向分布的第一部分25和第二部分26，所述第一部分25与第二部分26之间设定位凹槽60，所述第一部分25与第二部分26关于齿身23的中心线非对称，所述第一部分25和第二部分26朝向转子的面形成极面，优选地，所述极面位于以转子30旋转中心为中心的圆柱面上。
本发明结构简单，起动转矩大，定位起动角度大，可有效避免当转子30停在“死点”位置而无法产生起动转矩，降低了起动死点，振动和噪声都比较小，同时可实现双向起动，起动可靠性得到大大的提高。非对称结构的大小极靴设计，使得转子具有不同的双向启动能力，尤其适用于对双方向启动能力要求不同的应用场合如电动工具和车窗升降机构等。
可以理解地，上述实施例中的定位结构60除了可以设在定子齿的端部24朝向转子的内周面上之外，也可以设在端部24的内部，即端部24的内周面与外周面之间。
以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，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，如对各个实施例中的不同特征进行组合等，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种单相无刷电机，包括定子和可相对定子转动的转子，所述定子包括定子磁芯和绕设于所述定子磁芯上的绕组，所述定子磁芯包括轭部和从轭部向内延伸的若干定子齿，其特征在于：所述定子齿包括从轭部向内延伸的齿身和设于齿身末端的端部，所述端部包括位于齿身的中心线周向两侧的第一部分和第二部分，所述转子收容在所述定子齿的端部围合的空间内，所述端部设定位结构，所述定位结构的磁阻大于端部其他部位的磁阻，所述定子齿的第一部分与第二部分关于所述定子齿的齿身的中心线非对称，以使得所述转子朝一个方向的启动能力大于朝另一相反方向的启动能力。
2.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：
所述定子齿的第二部分的周向长度大于第一部分的周向长度；和/或
所述定子齿的第二部分朝向所述转子的内周面大于所述第一部分朝向所述转子的内周面。
3.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述定子齿的第一部分和第二部分分别从所述定子齿的齿身末端两侧沿转子周向延伸而成。
4.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述第一部分与第二部分的内周面位于同一圆柱面上且该圆柱面与转子的旋转中心同心。
5.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：其中一个齿的第二部分与另一个齿的第一部分相邻且相互之间通过槽口断开，所述第一部分、第二部分的内周面与所述转子之间存在气隙以便转子可相对定子转动，所述槽口的宽度大于所述气隙的厚度但小于定位结构的宽度。
6.根据权利要求1至5任一项所述的单相无刷电机，其特征在于：在启动阶段，转子朝一个方向转动的平均输出力矩与朝另一个相反方向转动的平均输出力矩之比大于11：9。
7.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述定位凹槽的中心线与所述定子齿的齿身的中心线重合。
8.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述定位凹槽的宽度等于或大于所述定子齿的齿身宽度。
9.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述第二部分的长度大于所述第一部分的长度且小于所述第一部分长度的2倍。
10.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述第一部分和第二部分的径向厚度沿远离所述定子齿的齿身中心线的方向逐渐减小。
11.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述轭部为具有开口的半框形轭部、闭合的框形轭部或者环形轭部。
12.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述转子包括转子磁芯和安装到所述转子磁芯表面的永磁体或嵌装到所述转子磁芯内的永磁体。
13.根据权利要求1至5及7至12任一项所述的单相无刷电机，其特征在于：所述转子的启动角大于40度电角度。
14.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述定位结构为设于定子齿的端部的朝向转子的内周面的凹槽。
15.一种电器设备，其特征在于：所述电器设备具有权利要求1至14任一项所述的单相无刷电机。
16.根据权利要求15所述的电器设备，其特征在于：所述电器设备为车窗升降机构或电动工具。
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