CN107046354B - 无刷电机和电动工具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无刷电机，包括，转子，能在磁场的作用下绕中心轴线转动；定子，用于产生驱动所述转子的磁场；所述定子包括：定子铁芯，包括环轭部和多个向所述环轭部内侧凸出形成的齿部；绕组，设置于所述环轭部的内侧且缠绕所述齿部；相邻的两个所述齿部之间形成线槽；在垂直于所述中心轴线的投影内，所述环轭部包括一个位于最外侧外圆柱面；所述齿部包括一个与所述外圆柱面同心的内圆弧面；在所述中心轴线垂直的平面内，所述外圆柱面的投影定义为外圆，所述内圆弧面投影所在的圆定义内圆；所述内圆与所述外圆的直径比的取值范围为0.5至0.53。该无刷电机效率高，适用于重载工况的电动工具。

Description

无刷电机和电动工具
技术领域
本发明涉及无刷电机领域，具体涉及一种包含定子的无刷电机和电动工具。
背景技术
无刷电机一般由电机本身和相应驱动电路组成，可以通过改变电枢电压来方便地调速，具有效率高、噪声低、易于控制等优点，在便携式电子设备、汽车、船舶等诸多领域得到越来越广泛的应用。
目前，由于电机本身结构的限制，现有的无刷电机用在持续变负载尤其是重载的电动工具上时，输出的转速相对较小，并且电机效率较低。
发明内容
为了解决现有的无刷电机用在持续变负载尤其是重载的电动工具上输出转速小，电机效率低的缺陷，本发明采用如下的技术方案：
一种无刷电机，包括，转子，能在磁场的作用下绕中心轴线转动；定子，用于产生驱动转子的磁场；定子包括：定子铁芯，包括环轭部和多个向环轭部内侧凸出形成的齿部；绕组，设置于环轭部的内侧且缠绕齿部；相邻的两个齿部之间形成线槽；在垂直于中心轴线的投影内，环轭部包括一个位于最外侧外圆柱面；齿部包括一个与外圆柱面同心的内圆弧面；在中心轴线垂直的平面内，外圆柱面的投影定义为外圆，内圆弧面投影所在的圆定义内圆；内圆与外圆的直径比的取值范围为0.5至0.53。
前述的无刷电机，其特征在于，线槽投影的面积之和与外圆和内圆面积之差的比的取值范围为0.38至0.4。
前述的无刷电机，其特征在于，线槽数量为偶数或3的倍数。
前述的无刷电机，其特征在于，无刷电机为内转子无刷电机。
前述的无刷电机，其特征在于，转子包括：转子铁芯，设有多个永磁体槽；永磁体，设置在永磁体槽内；在垂直于中心轴线的投影内，转子铁芯包括一个位于外侧的转子圆柱面；转子圆柱面的投影定义为转子的外圆；转子的外圆直径与定子的外圆直径之比的取值范围为0.48至0.6。
另一种电动工具，包括工作头和用于驱动工作头的无刷电机，其特征在于：无刷电机包括：转子，能在磁场的作用下绕中心轴线转动；定子，用于产生驱动转子的磁场；定子包括：定子铁芯，包括环轭部和多个向环轭部内侧凸出形成的齿部；绕组，设置于环轭部的内侧且缠绕齿部；相邻的两个齿部之间形成线槽；在垂直于中心轴线的投影内，环轭部包括一个位于最外侧外圆柱面；齿部包括一个与外圆柱面同心的内圆弧面；在中心轴线垂直的平面内，外圆柱面的投影定义为外圆，内圆弧面投影所在的圆定义内圆；内圆与外圆的直径比的取值范围为0.5至0.53。
前述的电动工具，其特征在于，线槽投影的面积之和与外圆和内面面积之差的比的取值范围为0.38至0.4。
前述的电动工具，其特征在于，线槽数量为偶数或3的倍数。
前述的电动工具，其特征在于，无刷电机为内转子无刷电机。
前述的电动工具，其特征在于，电动工具为手持式电动工具。
本发明的有益之处在于有效提高电机的输出转速和效率，尤其适用于重载工况的电动工具。
附图说明
图1是本发明实施例的定子结构示意图；
图2是本发明实施例的转子结构示意图；
图3a是第一无刷电机和第二无刷电机的转矩—效率曲线图，图3b时第一无刷电机和第二无刷电机的转矩—转速曲线图，图中实线表示第一无刷电机，虚线表示第二无刷电机；
图4a是第一无刷电机和第三无刷电机的转矩—效率曲线图，图4b时第一无刷电机和第三无刷电机的转矩—转速曲线图，图中实线表示第一无刷电机，虚线表示第三无刷电机；
图5a是第一无刷电机和第四无刷电机的转矩—效率曲线图，图5b时第一无刷电机和第四无刷电机的转矩—转速曲线图，图中实线表示第一无刷电机，虚线表示第四无刷电机。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参考图1和图2所示，一种无刷电机(未示出)，该无刷电机包括转子20和环绕转子的定子10，转子20能在磁场的作用下绕中心轴线转动，定子10用于产生驱动转子20的磁场。优选的，无刷电机可为内转子无刷电机。
如图1所示，定子10包括定子铁芯110和绕组，定子铁芯110包括环轭部111和多个向环轭部111内侧凸出形成的齿部112，相邻的两个齿部112之间形成线槽113；绕组(未示出)设置于环轭部111的内侧且齿部112缠绕。具体而言，在垂直于转子中心轴线的投影内，环轭部111包括一个位于最外侧的圆柱面，齿部112包括一个与外圆柱面同心的内圆弧面，在垂直于中心轴线的投影平面内，定义外圆柱面投影所在的圆为外圆，内圆弧面投影所在的圆为内圆，其中，外圆直径D1与内圆直径D2之比的取值范围为0.5至0.53，该范围为优选范围；进一步，线槽投影的面积之和与外圆和内圆面积之差的比值的取值范围为0.38至0.4。
作为可能的实施方式，定子10的线槽数量为偶数或3的倍数。
如图2所示，转子20包括转子铁芯120，转子铁芯120设有永磁体121，用于产生磁场，永磁体槽沿转子铁芯的周向间隔排列，用于放置永磁体121。转子20套设在定子10内，并与定子10之间形成径向间隙。具体地，在垂直于中心轴线的投影内，转子铁芯120包括一个位于外侧的转子圆柱面，将这个转子圆柱面的投影定义为转子的外圆，该转子的外圆直径为D3，其中，所述转子的外圆直径与所述定子的外圆直径之比的取值范围为0.48至0.6，优选为0.5至0.58。
具体的，定子10周向可设置霍尔元件以探测转子20旋转磁场的位置，进而通过驱动电路激励相应的绕组，当电能作用在绕组上时，通过转子20的永磁体形成的磁通与由定子的绕组形成的磁通之间相互作用产生转矩，从而驱动无刷电机工作。
需要说明的是，在实际加工中，定子10通常由多个定子冲片沿其中心轴线方向叠加形成，定子冲片具有与本实施例定子相同的结构。
本实施例的无刷电机，通过设置定子铁芯的外圆直径D1和内圆直径D2之比和/或线槽投影的面积之和与外圆和内圆面积之差的最佳比值，使无刷电机具有较高的反电动势，从而在负载下尤其是重载条件下具有较高的转速和电机效率。
参考图3a和图3b，分别为冲片叠数和绕组数都相同的第一电机和第二电机的转速和电机效率对比曲线，实线表示第一无刷电机特性曲线，虚线表示第二无刷电机特性曲线。其中，第一无刷电机的外圆直径D1与内圆直径D2之比0.521，且线槽投影的面积之和与外圆和内圆面积之差的比值为0.398；第二无刷电机的外圆直径D1与内圆直径D2之比0.562，且线槽投影的面积之和与外圆和内圆面积之差的比值为0.398，经过实验，如图3a所示，采用外圆直径D1与内圆直径D2之比和线槽投影的面积之和与外圆和内圆面积之差的比值均在本发明实施例的最佳比值范围内的第一无刷电机的效率优于外圆直径D1与内圆直径D2之比和线槽投影的面积之和与外圆和内圆面积之差的比值均不在本发明实施例的最佳比值范围内的第二无刷电机；如图3b所示，采用外圆直径D1与内圆直径D2之比和线槽投影的面积之和与外圆和内圆面积之差的比值均在本发明实施例的最佳比值范围内的第一无刷电机的转速优于外圆直径D1与内圆直径D2之比和线槽投影的面积之和与外圆和内圆面积之差的比值均不在本发明实施例的最佳比值范围内的第二无刷电机，当电机负载越重时，显然同时满足本发明实施例的取值范围的无刷电机效率更高，尤其适用于有过载工况的电动工具。
参考图4a和图4b，图4a为第一无刷电机和第三无刷电机的效率对比曲线，图4b为第一无刷电机和第三无刷电机的转速对比曲线，其中实线表示第一无刷电机特性曲线，虚线表示第二无刷电机特性曲线。其中，第一无刷电机的外圆直径D1与内圆直径D2之比0.521，且线槽投影的面积之和与外圆和内圆面积之差的比值为0.398，均在本发明实施例的最佳比值范围内；第三无刷电机的外圆直径D1与内圆直径D2之比0.521，在本实施例的最佳比值范围内，线槽投影的面积之和与外圆和内圆面积之差的比值为0.378，不在本实施例的最佳比值范围内，如图4a所示，第一无刷电机的效率优于第三无刷电机的效率，如图4b所示，第一无刷电机的转速优于第三无刷电机的转速，经验证，当电机的外圆直径D1与内圆直径D2之比相同时，改变线槽投影的面积之和与外圆和内圆面积之差的比值使其满足本实施例的范围内，能有效提高电机的转速和效率。
参考5a和图5b所示，图5a为第一无刷电机和第四无刷电机的效率对比曲线，图5b为第一无刷电机和第四无刷电机的转速对比曲线，其中实线表示第一无刷电机特性曲线，虚线表示第四无刷电机特性曲线。其中，第一无刷电机的外圆直径D2与内圆直径D1之比0.521，且线槽投影的面积之和与外圆和内圆面积之差的比值为0.398，均在本发明实施例的最佳比值范围内；第四无刷电机的外圆直径D2与内圆直径D1之比0.5417，不在本实施例的最佳比值范围内，线槽投影的面积之和与外圆和内圆面积之差的比值为0.3836，在本实施例的最佳比值范围内，如图5a所示，第一无刷电机的效率优于第四无刷电机的效率，如图5b所示，第一无刷电机的转速优于第四无刷电机的转速，经验证，当电机的线槽投影的面积之和与外圆和内圆面积之差的比值在本实施例的范围内时，改变电机外圆直径D2与内圆直径D1之比使其也满足本实施例的范围内时，也能有效提高电机的转速和效率。
经以上验证，在无刷电机的冲片叠数和绕组数相同的情况下，通过设置定子铁芯的外圆直径D2和内圆直径D1之比和/或线槽投影的面积之和与外圆和内圆面积之差的最佳比值使之位于前述优选范围内时，电机效率提高，重载特性明显增强，特别适用于重载工况的电动工具使用。
一种电动工具(未示出)，包括工作头，用于驱动工作头的无刷电机，该无刷电机包括转子20和环绕转子的定子10，转子20能在磁场的作用下绕中心轴线转动，定子10用于产生驱动转子20的磁场。
其中，参照图1所示，定子10包括定子铁芯110和绕组，定子铁芯110包括环轭部111和多个向环轭部111内侧凸出形成的齿部112，相邻的两个齿部112之间形成线槽113；绕组设置于环轭部111的内侧且绕齿部112缠绕。具体而言，在垂直于转子中心轴线的投影内，环轭部111包括一个位于最外侧的圆柱面，齿部112包括一个与外圆柱面同心的内圆弧面，在垂直于中心轴线的投影平面内，定义外圆柱面投影所在的圆为外圆，内圆弧面投影所在的圆为内圆，其中，外圆直径D2与内圆直径D1之比的取值范围为0.5至0.53，进一步，线槽投影的面积之和与外圆和内圆面积之差的比值的取值范围为0.38至0.4。
作为可能的实施方式，电动工具可以为DC冲击螺丝批、DC冲击扳手、DC电钻、AC砂光机、AC角磨等手持式电动工具。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种应用于电动工具的无刷电机，其特征在于，包括，
转子，能在磁场的作用下绕中心轴线转动；
定子，用于产生驱动所述转子的磁场，所述转子套设于所述定子内并与所述定子之间形成径向间隙；
所述定子包括：
定子铁芯，包括环轭部和多个向所述环轭部内侧凸出形成的齿部；
绕组，设置于所述环轭部的内侧且缠绕所述齿部；
相邻的两个所述齿部之间形成线槽；
在垂直于所述中心轴线的投影内，
所述环轭部包括一个位于最外侧外圆柱面；
所述齿部包括一个与所述外圆柱面同心的内圆弧面；
在所述中心轴线垂直的平面内，
所述外圆柱面的投影定义为外圆，所述内圆弧面投影所在的圆定义内圆；
所述内圆与所述外圆的直径比的取值范围为0.5至0.53，所述线槽投影的面积之和与所述外圆和所述内圆面积之差的比的取值范围为0.38至0.4，以提高电机的转速和电机效率。
2.根据权利要求1所述的无刷电机，其特征在于，
所述线槽数量为偶数或3的倍数。
3.根据权利要求1所述的无刷电机，其特征在于，
所述转子包括：
转子铁芯，设有多个永磁体槽；
永磁体，设置在所述永磁体槽内；
在垂直于所述中心轴线的投影内，
所述转子铁芯包括一个位于外侧的转子圆柱面；
所述转子圆柱面的投影定义为转子的外圆；
所述转子的外圆直径与所述定子的外圆直径之比的取值范围为0.48至0.6。
4.一种电动工具，包括工作头和用于驱动工作头的无刷电机，其特征在于：
所述无刷电机包括：
转子，能在磁场的作用下绕中心轴线转动；
定子，用于产生驱动所述转子的磁场，所述转子套设于所述定子内并与所述定子之间形成径向间隙；
所述定子包括：
定子铁芯，包括环轭部和多个向所述环轭部内侧凸出形成的齿部；
绕组，设置于所述环轭部的内侧且缠绕所述齿部；
相邻的两个所述齿部之间形成线槽；
在垂直于所述中心轴线的投影内，
所述环轭部包括一个位于最外侧外圆柱面；
所述齿部包括一个与所述外圆柱面同心的内圆弧面；
在所述中心轴线垂直的平面内，
所述外圆柱面的投影定义为外圆，所述内圆弧面投影所在的圆定义内圆；
所述内圆与所述外圆的直径比的取值范围为0.5至0.53，所述线槽投影的面积之和与所述外圆和所述内圆面积之差的比的取值范围为0.38至0.4，以提高电机的转速和电机效率。
5.根据权利要求4所述的电动工具，其特征在于，
所述线槽数量为偶数或3的倍数。
6.根据权利要求4所述的电动工具，其特征在于，
所述电动工具为手持式电动工具。
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