CN106487186A - 单相永磁电机 - Google Patents

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柴捷
周垂有
张涛
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DECHANG ELECTRIC MACHINE (SHENZHEN) Co Ltd
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Abstract

一种单相永磁电机，包括定子和可相对定子旋转的转子；所述定子包括定子磁芯和绕设于定子磁芯上的绕组，所述定子磁芯包括外环部、从所述外环部向内伸出的若干齿身、从每个齿身末端向周向两侧伸出来的极靴，所述绕组绕设于相应的齿身上；所述转子收容于所述极靴围成的空间内，所述转子包括沿所述转子周向设置的若干个永磁极，每一极靴设有一定位槽，每一定位槽的中心偏离相邻的一齿身的对称中心以使得所述单相永磁电机工作时，输出的转矩波动小于50％，电机振动小，噪音低。

Description

单相永磁电机
技术领域
本发明涉及一种单相永磁电机，尤其涉及一种具有开槽的单相永磁电机。
背景技术
如图13和14所示，现有技术中的单相电机在工作时，图13上部的图表表示现有的单相永磁电机10在一个电周期内的电磁转矩(其与反电动势，也就是Back-EMF成正比)图，其中，横坐标表示时间，纵坐标表示电磁转矩的大小。图13下部的图表表示现有的单相永磁电机10在一个电周期内的定位转矩(cogging torque)的变化曲线，其中，横坐标表示时间，纵坐标表示定位转矩。图14所示的电机输出转矩波动图是由图13的电磁转矩图和定位转矩图合成。由于转矩波动率＝(转矩最大值-转矩最小值)/转矩平均值，由图14可知，该单相电机的输出转矩的波动率＝(47-0)/20＝235％。在其他现有技术中，单相电机的输出转矩的波动率至少均大于100％。因此，现有单相电机驱动时会产生大的转矩波动，导致电机振动明显，噪音较大。
发明内容
鉴于上述状况，有必要提供一种减振降噪的单相永磁电机。
一种单相永磁电机，包括定子和可相对定子旋转的转子；所述定子包括定子磁芯和绕设于定子磁芯上的绕组，所述定子磁芯包括外环部、从所述外环部向内伸出的若干齿身、从每个齿身末端向周向两侧伸出来的极靴，所述绕组绕设于相应的齿身上；所述转子收容于所述极靴围成的空间内，所述转子包括沿所述转子周向设置的若干个永磁极，每一极靴设有一定位槽，每一定位槽的中心偏离相邻的一齿身的对称中心以使得所述单相永磁电机工作时，输出的转矩波动小于50％。
作为一种改进方案，每一定位槽的中心偏离相邻的一齿身的对称中心40-50度电角度。
作为一种改进方案，每一定位槽的中心偏离相邻的一齿身的对称中心45度电角度，所述单相永磁电机输出转矩的波动率小于35％。
作为一种改进方案，每个永磁极的外侧表面至转子轴心的距离从其周向中心往周向两侧逐渐减小，从而使得所述永磁极的外侧表面与所述极靴的内周表面之间形成关于所述永磁极的中线对称的非均匀气隙。
作为一种改进方案，每个所述永磁极由一块或多块永磁体形成或所有永磁极由一块环形磁体形成。
作为一种改进方案，所述转子包括转子磁芯，所述永磁体安装到所述转子磁芯的外周表面；所述转子磁芯的外周表面设有若干轴向延伸的凹槽，每个凹槽位于两个永磁极的分界处。
作为一种改进方案，所述永磁体的厚度是均匀的；所述转子磁芯的外周表面与所述永磁体的形状匹配。
作为一种改进方案，所述转子磁芯的外周表面与所述永磁体的内周表面位于同一圆柱面上；所述永磁体的厚度从周向中心向两端逐渐减小。
作为一种改进方案，所述对称非均匀气隙最大厚度是其最小厚度的1.5倍以上。
作为一种改进方案，相邻的所述极靴之间形成开槽，所述开槽的宽度大于0小于或等于所述对称非均匀气隙的最小厚度的4倍。
作为一种改进方案，所述开槽的宽度小于等于所述对称非均匀气隙的最小厚度的2倍。
作为一种改进方案，所述极靴的径向厚度沿从所述齿身至远离所述齿身的方向逐渐减小。
作为一种改进方案，所述定位槽为隐形定位槽。
作为一种改进方案，所述定位槽设在所述极靴的内周表面。
一种单相永磁电机，包括定子和可相对定子旋转的转子；所述定子包括定子磁芯和绕设于定子磁芯上的绕组，所述定子磁芯包括外环部、从所述外环部向内伸出的若干齿身、从每个齿身末端向两周侧伸出来的极靴，所述绕组绕设于相应的齿身上；所述转子收容于所述极靴围成的空间内，所述转子包括沿所述转子周向设置的若干个永磁极，每一极靴设有一定位槽，每一定位槽的中心偏离相邻的一齿身的对称中心40-45度电角度。
本发明的单相永磁电机，每一极靴设有一定位槽，每一定位槽的中心偏离相邻的一齿身的对称中心，使所述单相永磁电机工作时，输出的转矩波动小于50％，电机振动小，噪音低。
为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1是本发明第一实施例的单相永磁电机的示意图；
图2是图1所示单相永磁电机去掉外壳后的示意图；
图3是图2所示单相永磁电机的沿电机轴向的端面示意图。
图4是图2所示的单相永磁电机的定子磁芯的示意图。
图5是图2所示的单相永磁电机的转子磁芯及其永磁体的示意图。
图6是图1的单相永磁电机在转动过程中的齿槽转矩变化曲线图。
图7是本发明第二实施例的单相永磁电机的定子磁芯的示意图。
图8是本发明第三实施例的单相永磁电机的定子磁芯的示意图。
图9是本发明第四实施例的单相永磁电机的定子磁芯与转子沿电机轴向的端面示意图。
图10是本发明第五实施例的单相永磁电机的定子磁芯与转子沿电机轴向的端面示意图。
图11是本发明单相永磁电机的定位转矩与电磁转矩的关系曲线变化图。
图12是本发明单相永磁电机的输出转矩的曲线变化图。
图13是现有技术的单相无刷电机的定位转矩与电磁转矩的关系曲线变化图。
图14是现有技术的单相无刷电机的输出转矩的曲线变化图。
具体实施方式
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的尺寸仅仅是为了便于清晰描述，而并不限定比例关系。
第一实施例
请参阅图1至图5，本发明一较佳实施方式的单相永磁电机10包括定子20和相对定子旋转的转子50。该定子20包括一端开口的筒状外壳21、安装到外壳21开口端的端盖23、安装到外壳21内的定子磁芯30、安装到定子磁芯30的绝缘线架40和绕设于定子磁芯30上并被绝缘线架40支撑的绕组39。其中，该定子磁芯30包括外环部31、从外环部31向内伸出的若干齿身33、从每个齿身33径向末端向两周侧伸出来的极靴35，绕组39绕设于相应的齿身33上，绕组39与定子磁芯30之间被绝缘线架40隔离。
转子50收容于若干齿身的极靴35围成的空间内，转子50包括沿该转子周向设置的若干个永磁极55，每个永磁极的外侧表面为弧面，每个永磁极55的外侧表面至转子轴心的距离从其周向中心往周向两侧逐渐减小，该永磁极55的外侧表面与极靴的内周表面之间形成关于该永磁极55的中线对称的非均匀气隙41。优选地，对称非均匀气隙最大厚度是其最小厚度的1.5倍以上。
在本实施例中，如图5所示，每个永磁极55由一块永磁体56形成，转子50还包括转子磁芯53，该永磁体56安装到转子磁芯53的外周表面；转子磁芯的外周表面设有若干轴向延伸的凹槽54，每个凹槽54位于两个永磁极55的分界处，以减少磁泄漏。为使该永磁极55与极靴的内周表面形成对称非均匀气隙41，具体地，转子磁芯53的外周表面与极靴35的内周表面是同心圆；而永磁体56的厚度从周向中心向两端逐渐减小。
转子50还包括转轴51，转轴51穿过转子磁芯53并与其固定在一起。转轴51的一端通过轴承24安装到定子的端盖，另一端通过另一个轴承安装到定子的筒状外壳21的底部，从而实现转子可相对于定子转动。本发明所称的环部是指沿周向连续延伸而成的封闭结构。
该定子磁芯30由具有导磁性能的软磁性材料制成，例如由导磁芯片(业界常用硅钢片)沿电机轴向层叠而成。在定子磁芯30中，相邻的极靴35之间形成开槽37，优选地，每个开槽37位于相邻的两个齿身33的中间位置。可以理解地，开槽37也可以位于朝远离定位槽38的方向偏离两相邻齿身的中间位置处，如此设计可以降低电机的电感电势，从而提高电机的输出转矩。该开槽37的宽度大于0，且小于或等于该对称非均匀气隙41最小厚度的4倍，优选地，该开槽37的宽度大于0，且小于或等于该对称非均匀气隙41最小厚度的2倍。该配置下，电机的启动与转动更为平顺，能增强电机的启动可靠性，减少可能的启动死点。本发明所称的环部是指沿周向连续延伸而成的封闭结构，包括圆环形、方形、多边形等；对称非均匀气隙41的厚度是指气隙的径向厚度。
优选地，极靴35的径向厚度从齿身33到开槽37的方向逐渐减小，使极靴35的磁阻从齿身向开槽37的方向逐渐增加，形成磁阻逐渐增大的磁桥。该设计能使电机的运行更加平稳、启动可靠。
在本实施例中，相邻所述齿身之间的极靴35设有定位槽38，定位槽38的个数与定子的极数、环形永磁极的极数相等，在本实施例中为4个。本实施例中，定子绕组采用集中式绕组，因此，齿身数量等于定子的极数。在替换方案中，齿身数量可以是定子极数的整数倍，例如2倍、3倍等。
本实施例中，定位槽38沿电机轴向间隔设置，且位于极靴的内周表面上。在一替换方案中，所述定位槽38沿电机轴向连续设置。优选地，每个定位槽38到相邻两个齿身的距离不相同，定位槽38偏向其中一个相邻的齿身，定位槽38的中心线L1(即通过定位槽38的中心与转子中心的直线)偏离相邻的齿身33的中心线L2角度θ。当L1与L2之间的角度θ等于45度电角度时，电机的输出转矩的波动理想，电机振动小，噪音小。本申请发明人经多次实验发现，当L1与L2之间的角度θ处于40度电角度至50度电角度范围时，电机的输出转矩的波动均较理想，电机振动较小，噪音较小。
当电机处于未通电状态即初始状态时，转子磁极的中心线L3偏离相应定子齿身的中心线L2一定角度，上述L3和L2所形成的角度Q称为启动角。在本实施例中，该启动角大于45度电角度且小于135度电角度，当电机定子绕组通以一方向的电流时，转子50可以从一方向启动；当电机定子绕组通以相反方向的电流时，转子50可以从相反方向进行启动。可以理解地，在启动角等于90度电角度(也即转子磁极的中心与相邻齿身33的对称中心重合)时，转子50朝两个方向启动都比较容易，也即最容易实现双方向启动。当启动角偏离90度电角度时，转子朝其中一方向启动会比朝另一方向启动较容易。本申请发明人经多次实验发现，当启动角处于45度电角度至135度电角度范围时，转子朝两个方向启动的可靠性都比较好。
图6是上述实施例的单相永磁电机在转动过程中的转矩变化曲线图，横坐标表示转动角度，单位是度；纵坐标表示转矩，单位是牛顿米。可以看到，电机在转动过程中，电机转矩的变化曲线是比较平滑的，减少或避免了启动死点，电机启动的可靠性高。
第二实施例
请参照图7，与上一实施例不同的是，为了提高绕组39的绕设效率，定子磁芯30由若干磁芯组件300沿定子周向拼接而成，每个磁芯组件300包括一段弧形轭部300b、从弧形轭部300b伸出齿身33、从齿身33的径向末端向周向两侧伸出极靴35。在本实施例中，每个磁芯组件300具有一个齿身33以及相应的极靴35。可以理解地，每个磁芯组件也可以具有多于1个的齿身33以及相应的极靴35。每个磁芯组件的绕组完成之后，将该若干磁芯组件300拼接起来，从而得到具有定子绕组的定子铁芯30。
相邻磁芯组件的弧形轭部的接合处设有凹凸结构。具体来说，当设置凹凸卡扣结构时，可以每个磁芯组件用于拼接成外环部的弧形轭部的两端分别设置凹槽卡位34，以及与该凹槽卡位34相配合的凸起卡扣32；该凹槽卡位34与该凸起卡扣32即为凹凸卡口结构；在组装时，每个磁芯组件的凸起卡扣32与相邻的磁芯组件的凹槽卡位34相配合，每个磁芯组件的凹槽卡位34与相邻的磁芯组件的凸起卡扣32相配合。
因为定子磁芯30由若干磁芯组件300拼接而成，因此，相邻极靴35之间的开槽37的宽度可以非常小。本发明中，开槽37的宽度是指相邻两个极靴35之间的距离。
第三实施例
请参照图8，与第二实施例不同的是，在本实施例中，相邻磁芯组件的弧形轭部的接合处为平面，此时可以通过焊接的方式将弧形轭部的接合处焊接在一起。
第四实施例
请参照图9，本实施例中，相邻所述齿身之间的极靴35同样设有定位槽38，不同的是，本实施例中的定位槽38位于极靴35的外周表面与内周表面之间，优选地，靠近极靴的内周表面。
本实施例中，转子60包括沿该转子周向设置的若干个永磁极65，每个永磁极的外侧表面为弧面，使该永磁极65与极靴的内周表面形成对称非均匀气隙41。优选地，对称非均匀气隙最大厚度是其最小厚度的1.5倍以上。其中每个永磁极65由一块永磁体形成，该永磁体安装到转子磁芯63的外周表面。转子磁芯63的外周表面设有若干轴向延伸的凹槽64，每个凹槽64位于两个永磁极65的分界处，以减少磁泄漏。与第一实施例不同的是，本实施例中的永磁体的厚度是均匀的，而转子磁芯63的外周表面与该永磁体的形状匹配，即转子磁芯63的外周表面与极靴35的内周表面不再是同心圆，如此，由于该永磁极55的外侧表面还是弧面，因此其与极靴的内周表面还是可以形成对称非均匀气隙41。在一替换方案中，永磁极65也可以由一整块永磁体形成。
上述实施例中，开槽37具有均匀的周向宽度。可以理解的，作为替代，每个开槽37的宽度也可不均匀，如可以为内小外大的喇叭形等，此时，前述所称开槽37的宽度指其最小宽度。上述实施例中，开槽37沿电机径向设置，作为替代，开槽37也可以沿偏离电机径向的方向设置，如此设置可降低电机的电感电势。
本发明提供的单相永磁电机在相邻的极靴间形成开槽，并使该开槽的宽度大于0，且小于或等于该气隙最小厚度的4倍，可减少槽口导致的磁阻突变，从而降低电机的定位转矩；本发明还通过将永磁极的外侧表面设为弧面，从而使气隙的厚度从永磁极的中间向永磁极两周侧的方向逐渐增大，形成对称非均匀气隙，减少了现有技术中由于大槽口的存在而产生震动和噪声，同时减少或避免了可能的启动死点，提高了电机启动的可靠性。本发明实施例所举的单相永磁电机启动时所需启动角度和定位力矩可按设计需要方便调整，从而启动可靠，如通过调整极靴定位槽的位置可方便调整电机启动角度，当启动角大于45度电角度且小于135度电角度时，该电机转子可实现双方向启动，通过调整极靴定位槽的形状、大小、深度可调整电机启动前的定位力矩的大小。定子磁芯采用分体式结构，从而使得在齿身与外环部组装之前可以采用双飞叉绕线机进行绕线，绕线生产效率高。
第五实施例
请参照图10，本实施例中的单相永磁电机10的定子磁芯70包括外环部71、从外环部71向内伸出的六个齿身73、从每个齿身73径向末端向两周侧伸出来的极靴75。绕组79绕设于相应的齿身73。相邻的极靴75之间形成开槽77或磁桥。该单相永磁电机的转子80收容于齿身73的极靴75围成的空间内。
转子80包括转轴81、绕设并固定于转轴81的转子磁芯83及沿该磁芯83周向设置的永磁极85。若干永磁极85由安装到转子磁芯83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83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83的外周面，转子磁芯83的外周面位于以转子中心为圆心的一个圆上，转子磁芯83外周面与环形永磁体外周面同心。永磁极85为环状，与极靴75的内周表面之间形成关于该永磁极85的中线对称的均匀气隙，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。
可以理解地，在其他实施方式中还可以使用若干块安装到转子磁芯83的外周面的永磁体来形成转子80的永磁极85。在其他实施方式中，永磁极85的外侧表面还可以为弧面，每个永磁极85的外侧表面至转子80的轴心的距离从其周向中心往周向两侧逐渐减小，该永磁极85的外侧表面与极靴75的内周表面之间形成关于该永磁极85的中线对称的非均匀气隙。
在本实施方式中，每一极靴75的内周表面朝向转子80设有一定位槽78，每一定位槽78到相邻两个齿身73的距离不相同，定位槽78偏向其中一个相邻的齿身73，定位槽78的中心线L1(即通过定位槽78的中心与转子中心的直线)偏离相邻的齿身73的中心线L2角度θ。当L1与L2之间的角度θ等于45度电角度时，电机的输出转矩的波动理想，电机振动小，噪音小。本申请发明人经多次实验发现，当L1与L2之间的角度θ处于40度电角度至50度电角度范围时，电机的输出转矩的波动均较理想，电机振动较小，噪音较小。
具体地，如图11所示，图11上部的图表表示本发明单相永磁电机10在一个电周期内的电磁转矩图，其中，横坐标表示时间，纵坐标表示电磁转矩的大小。图11下部的图表表示本发明单相永磁电机10在一个电周期内的定位转矩的变化曲线，其中，横坐标表示时间，纵坐标表示定位转矩。由于本发明单相永磁电机10的定位槽38、78的中心线L1偏离相邻的齿身73的中心线L2角度θ在45度电角度左右，让定位转矩与电磁转矩的相对位置关系错开了45度电角度左右，从而由电磁转矩和定位转矩合成的输出转矩的波动大幅减小。由图12可知，转矩波动率＝(转矩最大值-转矩最小值)/转矩平均值＝(43-16)/20＝35％。本发明单相永磁电机10，在不同的实施例下，输出转矩的波动率可小于35％，最多不到50％。对比图12和图14，本发明的单相永磁电机的输出转矩波动较现有技术大幅下降，因此，本发明的单相永磁电机驱动时会产生的转矩波动小，从而电机振动小，噪音小。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种单相永磁电机，包括定子和可相对定子旋转的转子；所述定子包括定子磁芯和绕设于定子磁芯上的绕组，所述定子磁芯包括外环部、从所述外环部向内伸出的若干齿身、从每个齿身末端向周向两侧伸出来的极靴，所述绕组绕设于相应的齿身上；所述转子收容于所述极靴围成的空间内，所述转子包括沿所述转子周向设置的若干个永磁极，其特征在于：每一极靴设有一定位槽，每一定位槽的中心偏离相邻的一齿身的对称中心以使得所述单相永磁电机工作时，输出的转矩波动小于50％。
2.如权利要求1所述的单相永磁电机，其特征在于：每一定位槽的中心偏离相邻的一齿身的对称中心40-50度电角度。
3.如权利要求2所述的单相永磁电机，其特征在于：每一定位槽的中心偏离相邻的一齿身的对称中心45度电角度，所述单相永磁电机输出转矩的波动率小于35％。
4.如权利要求1-3项中任意一项所述的单相永磁电机，其特征在于：每个永磁极的外侧表面至转子轴心的距离从其周向中心往周向两侧逐渐减小，从而使得所述永磁极的外侧表面与所述极靴的内周表面之间形成关于所述永磁极的中线对称的非均匀气隙。
5.如权利要求4所述的单相永磁电机，其特征在于：每个所述永磁极由一块或多块永磁体形成或所有永磁极由一块环形磁体形成。
6.如权利要求5所述的单相永磁电机，其特征在于：所述转子包括转子磁芯，所述永磁体安装到所述转子磁芯的外周表面；所述转子磁芯的外周表面设有若干轴向延伸的凹槽，每个凹槽位于两个永磁极的分界处。
7.如权利要求6所述的单相永磁电机，其特征在于：所述永磁体的厚度是均匀的；所述转子磁芯的外周表面与所述永磁体的形状匹配。
8.如权利要求6所述的单相永磁电机，其特征在于：所述转子磁芯的外周表面与所述永磁体的内周表面位于同一圆柱面上；所述永磁体的厚度从周向中心向两端逐渐减小。
9.如权利要求4所述的单相永磁电机，其特征在于：所述对称非均匀气隙最大厚度是其最小厚度的1.5倍以上。
10.如权利要求4所述的单相永磁电机，其特征在于：相邻的所述极靴之间形成开槽，所述开槽的宽度大于0小于或等于所述对称非均匀气隙的最小厚度的4倍。
11.如权利要求10所述的单相永磁电机，其特征在于：所述开槽的宽度小于等于所述对称非均匀气隙的最小厚度的2倍。
12.如权利要求4所述的单相永磁电机，其特征在于：所述极靴的径向厚度沿从所述齿身至远离所述齿身的方向逐渐减小。
13.如权利要求1-3项中任意一项所述的单相永磁电机，其特征在于：所述定位槽为隐形定位槽。
14.如权利要求1-3项中任意一项所述的单相永磁电机，其特征在于：所述定位槽设在所述极靴的内周表面。
15.一种单相永磁电机，包括定子和可相对定子旋转的转子；所述定子包括定子磁芯和绕设于定子磁芯上的绕组，所述定子磁芯包括外环部、从所述外环部向内伸出的若干齿身、从每个齿身末端向两周侧伸出来的极靴，所述绕组绕设于相应的齿身上；所述转子收容于所述极靴围成的空间内，所述转子包括沿所述转子周向设置的若干个永磁极，其特征在于：每一极靴设有一定位槽，每一定位槽的中心偏离相邻的一齿身的对称中心40-45度电角度。
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