CN106487190A - 单相无刷电机及电动工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单相无刷电机及电动工具。单相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组，所述定子磁芯包括轭部和至少两个从轭部向内延伸的齿，所述齿包括齿身和形成于所述齿身的末端的齿冠，所述齿冠包括分别向两侧延伸的两个极靴，所述转子收容在所述至少两个齿的两个极靴围合的空间内；所述每个齿的两个极靴相对于该齿的齿身的中心线对称，两个极靴之间具有朝向所述转子的定位凹槽，所述至少两个齿中相邻的两个齿的极靴之间形成槽口，所述定位凹槽的宽度大于所述槽口的宽度。本发明增大了电机的定位转矩的峰值，并使电机具有较大的起动转矩。

Description

单相无刷电机及电动工具
【技术领域】
本发明涉及电机领域，尤其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。
【背景技术】
单相电机具有低成本的优点。但是单相电机由于起动能力差，一直在一些需要大起动力矩的应用场合受到限制，如电动工具等，因此亟需一种起动能力强的单相无刷电机。
【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。
本发明提供的一种单相无刷电机，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定子磁芯的绕组，所述定子磁芯包括轭部和至少两个从轭部向内延伸的齿，所述齿包括齿身和形成于所述齿身的末端的齿冠，所述齿冠包括分别向两侧延伸的两个极靴，所述转子收容在所述至少两个齿的两个极靴围合的空间内；所述每个齿的两个极靴相对于该齿的齿身的中心线对称，两个极靴之间具有朝向所述转子的定位凹槽，所述至少两个齿中相邻的两个齿的极靴之间形成槽口，所述定位凹槽的宽度大于所述槽口的宽度。
进一步地，所述定位凹槽的侧壁中，靠近槽底的部位比远离槽底的部位更陡峭。
进一步地，所述槽口的横截面形状为漏斗形，槽口的径向内侧的宽度小于槽口的径向外侧的宽度，所述定位凹槽的宽度大于槽口的径向外侧的宽度。
进一步地，所述定位凹槽的宽度大于所述槽口的径向外侧的宽度的2倍。
进一步地，所述槽口的横截面形状为矩形。
进一步地，所述定位凹槽的宽度大于或等于所述齿的齿身的宽度。
进一步地，所述定位凹槽的横截面形状为V型或弧形。
进一步地，所述转子包括沿转子周向设置的若干永磁极，转子的外周面在同一个圆周面上，所述每个齿的两个极靴与转子之间形成厚度均匀的气隙。
进一步地，所述转子包括沿转子周向设置的若干永磁极，转子的外周面不在同一个圆周面上，所述每个齿的两个极靴与转子之间形成厚度非均匀的气隙。
进一步地，所述转子还包括转子磁芯，所述若干永磁极由安装到所述转子磁芯的外周面或者嵌入到所述转子磁芯内的永磁体形成。
进一步地，转子磁芯的外半径从每个所述永磁体的周向中心向两侧逐渐减小。
进一步地，所述转子还包括转子磁芯，所述若干永磁极由安装到所述转子磁芯的外周面的若干永磁体形成，转子磁芯为圆柱体，所述每个永磁体的厚度从其周向中心向两侧逐渐减小。
进一步地，所述转子还包括转子磁芯，所述若干永磁极由安装到所述转子磁芯的外周面的若干永磁体形成，所述每个永磁体的厚度是均匀的，转子磁芯的外半径从每个永磁体的周向中心向两侧逐渐减小。
进一步地，所述每个齿的两个极靴的径向厚度沿远离所述定位凹槽的方向逐渐减小。
进一步地，所述轭部为闭合的环形、闭合的框形或者开口的框形。
进一步地，所述两极靴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，所述转子包括转子磁芯和嵌入到所述转子磁芯内的若干永磁极，转子磁芯的外半径从每个所述永磁极的周向中心向两侧逐渐减小。
本发明还提供一种电动工具，所述电动工具应用上述单相无刷电机，所述单相无刷电机具有相同的双方向启动能力(即具有相等的电磁转矩加速区域，如都具有90°电角度加速区域)。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能产生较大的定位转矩峰值，避免转子停在死点位置，增大电机的启动力矩。
【附图说明】
图1、图2为本发明的第一实施例的单相无刷电机的简化示意图；
图3是图1所示电机采用的定子磁芯的示意图；
图4为图1所示电机的定位转矩与电磁转矩的关系曲线变化图；
图5为图1所示单相无刷电机的磁路分布图；
图6、图7为本发明的第二实施例的单相无刷电机的简化示意图；
图8为图6所示单相无刷电机的磁路分布图；
图9为本发明的第三实施例中的单相无刷电机使用的转子的简化示意图；
图10为图9所示单相无刷电机的磁路分布图。
【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。
第一实施例
参照图1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包括由具有导磁性能的软磁材料如硅钢片制成的定子磁芯和绕设于定子磁芯的绕组28(见图5)，定子磁芯包括轭部21和至少两个从轭部21向内延伸的齿22，齿22包括齿身23和形成于齿身23的末端的齿冠24，绕组可绕设于齿身23。齿冠24包括分别向两侧延伸的两个极靴25、26，转子30收容在至少两个齿22的两个极靴25、26围合的空间内。每个齿22的两个极靴25、26相对于该齿22的齿身23的径向中心线对称，即两个极靴25、26的朝向转子30的极面长度相同。本说明书与权利要求书中，极面是指极靴的朝向转子30的表面。
两个极靴25、26之间具有朝向转子30的定位凹槽40，优选地，定位凹槽40的横截面形状为平滑的V型，齿身23的径向中心线通过定位凹槽40的中心。定位凹槽40的每个侧壁中，靠近槽底的部位比远离槽底的部位更陡峭，例如，如图3所示，L1表示齿身23或定位凹槽40的中分线，部位a是定位凹槽40的侧部中靠近槽底的部分，部位b是定位凹槽40的侧部中比部位a远离槽底的部分，部位a的切线ka与定位凹槽40的中分线L1的夹角小于部位b的切线kb与定位凹槽40的中分线L1的夹角。该设计能够提高定位转矩的峰值。
本实施中，定位凹槽40的宽度大于齿22的齿身23的宽度。在替换方案中，定位凹槽40的宽度可以小于或等于齿22的齿身23的宽度。
上述至少两个齿22在其相邻的极靴之间形成槽口50。本实施例中，槽口50的横截面形状为漏斗形，槽口50的径向内侧的宽度小于槽口50的径向外侧的宽度。该设计能够进一步提高定位转矩的峰值。
如图2所示，槽口50的径向内侧的宽度用d1来表示，槽口50的径向外侧的宽度用d2来表示，定位凹槽40的宽度用d3来表示，两个极靴25、26的径向厚度分别用w1和w2来表示。相应的大小关系满足：d1<d2，d3>2d2，即，槽口50的径向内侧的宽度小于槽口50的径向外侧的宽度，定位凹槽40的宽度大于槽口50的径向外侧的宽度(也就是槽口50的最大宽度)，优选地，大于槽口50的最大宽度的2倍。该种尺寸关系也是为了增加电机10的定位转矩的峰值。
本实施例中，优选地，每个齿22的两个极靴25、26的径向厚度w1、w2沿远离定位凹槽40的方向逐渐减小。也就是说，每个齿22的两个极靴25、26在越靠近槽口50的位置具有更大的磁阻。
优选地，转子30的外周面位于同一个圆柱面上。具体的，转子30包括转轴(图中未画出)、固定套设到转轴的转子磁芯31、固定套设到转子磁芯31外侧的永磁体32。转子磁芯31的中心具有安装孔33以固定安装到转轴(图上未画出)。该永磁体32在转子30周向形成若干永磁极。本实施例中，每个齿22的两个极靴25、26的极面除定位凹槽40外位于同一圆柱面上且该圆柱面与转子中心同心，从而在极靴25、26的极面与转子30外周面之间形成厚度均匀的气隙60。上述设计有助于增大转子30不稳定点处的定位转矩上升的斜率，增加电机10的定位转矩。
图4为本实施例的电机的定位转矩与电磁转矩的关系曲线变化图。图4上部的图表表示的是一个电周期内电机10的定位转矩变化曲线，横坐标表示时间，纵坐标表示定位转矩值，定位转矩具有较大的峰值，而且曲线为平滑有规则的正弦波。可以理解地，在电机10从运行到停止的过程中，转子30很可能停止在定位转矩小于摩擦转矩的位置。因此，定位转矩具有较大的峰值及增大不稳定点位置处定位转矩上升的斜率，将减小电机处于自由状态下停留的位置，因此减少或避免了转子30停止在死点位置。
图4下部的图表表示的是一个电周期内电机10的电磁转矩的变化曲线，横坐标表示时间，纵坐标表示电磁转矩值。例如，当转子30停止在如虚线L5所表示的位置时，此时，定位转矩等于0，而电磁转矩具有最大值，该位置下，电机10具有最大的启动转矩。可以理解地，通过与绕组28相连的电机控制器(图未示)可以调换起动时通过定子20绕组28的电流方向，定子绕组28在启动时的电流方向不同将导致转子30向不同的方向启动，因此，转子30具有双向启动能力。如当给定子绕组28通以逆时针方向的电流时，电磁转矩加速区域90°-180°电角度，当给定子绕组通以顺时针方向的电流时，电磁转矩加速区域90°-0°电角度，电机10正反转在90°电角度区域能产生足够的电磁转矩，使得电机10具有较大的起动转矩，大大提高了电机10的起动能力，非常利于电机10在重载下起动，非常适用在大起动转矩的应用场合。本实施例中，所述电机10为单相无刷直流电机。
图5所示为电机自然状态下转子停止的位置。请参照图5，在该位置下，永磁极的中心尽可能地靠近极靴，永磁极的中心偏离定子极中心90度电角度(也就是说电机的启动角为90度电角度)，相邻两个永磁极通过一个齿22的两个极靴25、26形成较短的磁回路。因为每个齿22的两个极靴25、26是对称关系，因此，两个极靴25、26的磁路数量一样，即定位凹槽40两侧的磁路数量一样。如图4所示，该位置下，定位转矩等于零，但电磁转矩具有最大值，从而提高了电机10的起动能力，非常适合对电机10正反转双向起动有同样要求的应用场合，如电动工具等。
第二实施例
参照图6所示，与第一实施例的一个不同的是，定位凹槽40的横截面形状为弧形。
本实施例中，定位凹槽40的宽度等于齿22的齿身23的宽度。在替换方案中，定位凹槽40的宽度大于或小于齿22的齿身23的宽度。
上述至少两个齿22在其相邻的极靴之间形成槽口50。本实施例中，槽口50的横截面形状为矩形。定位凹槽40的宽度大于槽口50的宽度。优选地，槽口50的宽度大于2毫米，进一步，大于2.5毫米。
如图7所示，槽口40的宽度用d4来表示，定位凹槽的开口宽度用d3来表示。即d3>d4。
本实施例与第一实施例的另一个不同的是转子30的外周面为凹凸弧面结构，因而转子30的外周面不在同一个圆周面上。具体的，转子30包括转子磁芯31以及嵌装到转子磁芯31内的若干永磁体32，转子磁芯31的中心具有安装孔33以固定安装到转轴(图上未画出)。该若干永磁体32在转子30的周向形成若干永磁极。本实施例中，每块永磁体32在转子30外周形成一个永磁极，永磁极的数量与齿22的数量相等，均为4个。转子磁芯31的外半径R(如图7所示，本实施例中也是转子30的外半径)从每个永磁体32的周向中心向两侧逐渐减小。两极靴25、26的内周面到转子中心的距离沿靠近齿身23中心线的方向逐渐增加。转子30停止时，转子磁芯31外半径R最大的位置(也就是永磁体32周向中心的位置)更可能靠近两个极靴25、26的末端，避免转子30停止在靠近死点的位置。如此设计，可增大转子30不稳定点处的定位转矩上升的斜率，且增加了电机10的定位转矩。
参照图8所示，转子30停止时，永磁极的中心尽可能地靠近极靴，并且，相邻两个永磁极通过一个齿22的两个极靴25、26形成磁回路。因为每个齿22的两个极靴25、26是对称关系，因此两个极靴25、26的磁路数量一样，即定位凹槽40两侧的磁路数量一样。如上所述，该位置下定位转矩等于零，且电磁转矩具有最大值，从而提高了电机10的起动能力，非常适合对电机10正反转双向起动有同样要求的应用场合。
第三实施例
参照图9所示，本实施例中，转子30包括转轴(图中未显示)、固定套设到转轴的转子磁芯31、安装到转子磁芯31外周的若干永磁体32，每个永磁体32在转子30周向形成一个永磁极，转子磁芯31的中心具有安装孔33以固定安装到转轴(图上未画出)。本实施例中，永磁极32的数量与齿22的数量相同，均为6个。转子磁芯31为圆柱体，每个永磁极32的厚度b(如图9所示)从其周向中心向两侧逐渐减小。因此，转子30的外半径R从每个永磁极的中心向两侧逐渐减小。
参考图10，本实施例中，每个齿22的两个极靴25、26的极面除定位凹槽40外位于同一圆柱面上。转子30停止时，永磁体32厚度b最厚的位置(也就是永磁体32周向中心的位置)靠近两个极靴25、26的末端，且相邻两个永磁极通过一个齿22的两个极靴25、26形成磁回路，从而避免转子30停止在死点位置。并且，该位置下定位转矩等于零，且电磁转矩具有最大值，增加了电机10的定位转矩。
本发明上述实施例中的定子磁芯的轭部21为闭合的环形，此时，定子绕组可安装到齿22的齿身23。可以理解地，定子磁芯的轭部21可以是闭合的框形，例如长方形，此时，定子绕组可安装到齿22的齿身23。定子磁芯的轭部21还可以是开口的框形，例如U形或C形，此时，定子绕组可安装到齿22的齿身23或者轭部21。
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，可以理解地，定子齿也可以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。
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 (15)

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定子磁芯的绕组，所述定子磁芯包括轭部和至少两个从轭部向内延伸的齿，所述齿包括齿身和形成于所述齿身的末端的齿冠，其特征在于：所述齿冠包括分别向两侧延伸的两个极靴，所述转子收容在所述至少两个齿的两个极靴围合的空间内；所述每个齿的两个极靴相对于该齿的齿身的中心线对称，两个极靴之间具有朝向所述转子的定位凹槽，所述至少两个齿中相邻的两个齿的相邻极靴之间通过槽口分开，所述定位凹槽的宽度大于所述槽口的宽度。
2.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述定位凹槽的侧壁中，靠近槽底的部位比远离槽底的部位更陡峭。
3.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述槽口的横截面形状为漏斗形，槽口的径向内侧的宽度小于槽口的径向外侧的宽度，所述定位凹槽的宽度大于槽口的径向外侧的宽度。
4.根据权利要求3所述的单相无刷电机，其特征在于：所述定位凹槽的宽度大于所述槽口的径向外侧的宽度的2倍。
5.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述槽口的横截面形状为矩形。
6.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大于或等于所述齿的齿身的宽度。
7.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述定位凹槽的横截面形状为V型或弧形。
8.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述转子包括沿转子周向设置的若干永磁极，转子的外周面位于同一个圆柱面上，所述每个齿的两个极靴与转子之间形成厚度均匀的气隙。
9.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述转子包括沿转子周向设置的若干永磁极，转子的外半径从每个所述永磁极的周向中心向永磁极的周向两侧逐渐减小且关于永磁极的周向中心对称。
10.根据权利要求9所述的单相无刷电机，其特征在于：所述转子还包括转子磁芯，所述若干永磁极由嵌入到所述转子磁芯内的永磁体形成，转子磁芯的外半径从每个所述永磁极的周向中心向两侧逐渐减小。
11.根据权利要求9所述的单相无刷电机，其特征在于：所述转子还包括转子磁芯，所述若干永磁极由安装到所述转子磁芯的外周面的若干永磁体形成，转子磁芯为圆柱体，所述每个永磁极的厚度从其周向中心向两侧逐渐减小。
12.根据权利要求9所述的单相无刷电机，其特征在于：所述转子还包括转子磁芯，所述若干永磁极由安装到所述转子磁芯的外周面的若干永磁体形成，所述每个永磁极的厚度是均匀的，转子磁芯的外半径从每个永磁极的周向中心向两侧逐渐减小。
13.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述每个齿的两个极靴的径向厚度沿远离所述定位凹槽的方向逐渐减小。
14.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述两极靴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，所述转子包括转子磁芯和嵌入到所述转子磁芯内的若干永磁极，转子磁芯的外半径从每个所述永磁极的周向中心向两侧逐渐减小。
15.一种电动工具，其特征在于：所述电动工具包括如权利要求1至14任一项所述的单相无刷电机，所述单相无刷电机具有相同的双方向启动能力。
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