CN111725926A - 单相永磁自起动电机及具有其的电动设备 - Google Patents

单相永磁自起动电机及具有其的电动设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种单相永磁自起动电机及具有其的电动设备。单相永磁自起动电机包括定子部；转子部，转子部设置于定子部内，转子部的每一个磁极上均设置有第一永磁体和第二永磁体，第一永磁体和第二永磁体的剩余磁化强度不同，以使转子部的磁极的几何中心线与定子部的径向方向的几何中心线具有夹角地设置；其中，第一永磁体和第二永磁体中的至少一个为非对称结构。采用该结构的电机结构，有效地解决了电机存在起动死点的问题。采用该结构的单相电机具有体积小、重量轻，结构简单、便于大规模制造、制造成本低的特点。

Description

单相永磁自起动电机及具有其的电动设备
技术领域
本发明涉及电机设备技术领域，具体而言，涉及一种单相永磁自起动电机及具有其的电动设备。
背景技术
随着永磁电动机开始迅猛发展，单相电动机在家用电器领域需求量也不断增加，人们开始考虑把永磁材料应用到单相异步电动机中来提高家用电器产品的综合性能。
单相电机为单相绕组，驱动主电路所需的开关器件较少，控制系统硬件成本低。但是单相电机内磁场为脉振磁场，电机的电磁转矩存在0点位置。如果不采用特定的结构，电机停靠位置(齿槽转矩为0的点)与电磁转矩为0的点是重合的，此时无论通入任何电流，电机都无法启动，因此存在起动死点的问题。如果电机已经起动运转，依靠电机的惯性转矩，死点将被克服，电机仍可连续运行。通常解决单相电机启动问题多将定子做成左右不对称结构，使磁路中心线偏离死点位置，采用该结构的电机稳定性低。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种单相永磁自起动电机及具有其的电动设备，以解决现有技术中电机存在死点的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种单相永磁自起动电机，包括：定子部；转子部，转子部设置于定子部内，转子部的每一个磁极上均设置有第一永磁体和第二永磁体，第一永磁体和第二永磁体的剩余磁化强度不同，以使转子部的磁极的几何中心线与定子部的径向方向的几何中心线具有夹角地设置；其中，第一永磁体和第二永磁体中的至少一个为非对称结构。
进一步地，第一永磁体和第二永磁体由不同的材料制成。
进一步地，第一永磁体和第二永磁体的材料相同，第一永磁体和第二永磁体的充磁工艺不同。
进一步地，第一永磁体的横截面的面积大于第二永磁体的横截面的面积，第一永磁体上开设有安装部，第二永磁体通过安装部与第一永磁体连接。
进一步地，各磁极上的第二永磁体的横截面的面积沿顺时针或逆时针方向逐渐减小地设置。
进一步地，各磁极上的第二永磁体的横截面的外沿型线为非对称的多边形结构。
进一步地，转子部呈环形结构，各磁极上的第一永磁体的外圆型线的连线与转子部的外圆型线重合，各第一永磁体的内圆型线的连线与转子部的内圆型线重合，转子部的内圆与转子部的外圆的圆心重合地设置。
进一步地，第一永磁体与第二永磁体之间为间隙配合，第一永磁体与第二永磁体的间隙内设置有胶体结构。
进一步地，第一永磁体的总个数与第二永磁体的总个数相同。
进一步地，定子部的径向方向的几何中心线过两个相对设置的定子齿。
进一步地，转子部的磁极的几何中心线为两个相对设置的磁极的几何中心线。
进一步地，各磁极上的第一永磁体的沿转子部的轴向方向的高度与第二永磁体沿转子部的轴向方向的高度相同地设置。
进一步地，转子部为具有多个磁极，各磁极上均设置有一个第一永磁体和第二永磁体，各第二永磁体沿转子部的周向均匀地设置，各第二永磁体的几何中心至第一永磁体的外圆的圆心处的距离均相等。
根据本发明的另一方面，提供了一种电动设备，包括单相永磁自起动电机，单相永磁自起动电机为上述的单相永磁自起动电机。
应用本发明的技术方案，通过将转子铁芯部分的永磁体设置成由两种不同剩余磁化强度的永磁体组成，且将第一永磁体和第二永磁体中的至少一个为非对称结构。这样设置使得电机绕组在无电状态时，转子部上的磁极的几何中心线与定子部的几何中心线存在一个偏角，使得转子部偏移了电机的死点位置，使得电机绕组通电时，由于转子偏移死点位置的设置，电机将产生电磁起动转矩并成为主力矩，转子部在电磁力矩的作用下，将连续旋转。采用该结构的电机结构，有效地解决了电机存在起动死点的问题。采用该结构的单相电机具有体积小、重量轻，结构简单、便于大规模制造、制造成本低的特点。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的单相永磁自起动电机的第一实施例的结构示意图；
图2示出了根据本发明的单相永磁自起动电机的第二实施例的结构示意图；
图3示出了根据本发明的转子部的实施例的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、定子部；11、定子齿；
20、转子部；21、第一永磁体；22、第二永磁体。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。
结合图1至图3所示，根据本申请的具体实施例，提供了一种单相永磁自起动电机。
具体地，如图1所示，该单相永磁自起动电机包括定子部10和转子部20。转子部20设置于定子部10内，转子部20的每一个磁极上均设置有第一永磁体21和第二永磁体22，第一永磁体21和第二永磁体22的剩余磁化强度不同，以使转子部20的磁极的几何中心线(如图1中的B所示)与定子部10的径向方向的几何中心线(如图1中的A所示)具有夹角(如图1中的a所示)地设置。其中，第一永磁体21和第二永磁体22中的至少一个为非对称结构。
在本实施例中，通过将转子铁芯部分的永磁体设置成由两种不同剩余磁化强度的永磁体组成，且将第一永磁体和第二永磁体中的至少一个为非对称结构。这样设置使得电机绕组在无电状态时，转子部上的磁极的几何中心线与定子部的几何中心线存在一个偏角，使得转子部偏移了电机的死点位置，使得电机绕组通电时，由于转子偏移死点位置的设置，电机将产生电磁起动转矩并成为主力矩，转子部在电磁力矩的作用下，将连续旋转。采用该结构的电机结构，有效地解决了电机存在起动死点的问题。采用该结构的单相电机具有体积小、重量轻，结构简单、便于大规模制造、制造成本低的特点。
其中，第一永磁体21和第二永磁体22由不同的材料制成。或者，可以将第一永磁体21和第二永磁体22的设置成材料相同，第一永磁体21和第二永磁体22的充磁工艺不同。即只要能够保证第一永磁体21和第二永磁体22的剩余磁化强度不同即可。
进一步地，第一永磁体21的横截面的面积大于第二永磁体22的横截面的面积，第一永磁体21上开设有安装部，第二永磁体22通过安装部与第一永磁体21连接。该安装部可以是开设在第一永磁体21上的通孔，这样设置能够提高第二永磁体22的稳定性。
各磁极上的第二永磁体22的横截面的面积沿顺时针或逆时针方向逐渐减小地设置。这样设置能够保证第二永磁体22产生的磁场是逐渐变化的，从而使得第二永磁体22与第一永磁体21相互作用时重新形成的磁极的中心线与定子部的几何中心线形成偏角，进一步地提高了该电机的可靠性。
各磁极上的第二永磁体22的横截面的外沿型线为非对称的多边形结构。如图3所示，第二永磁体22的横截面为三边形结构，且该三边形中至少有两个边为弧形边。当然，也可以将该第二永磁体22的横截面的形状设置为四边形、五边形及其他异形等结构。
进一步地，转子部20呈环形结构，各磁极上的第一永磁体21的外圆型线的连线与转子部20的外圆型线重合，各第一永磁体21的内圆型线的连线与转子部20的内圆型线重合，转子部20的内圆与转子部20的外圆的圆心重合地设置。这样设置能够提高电机的性能。
第一永磁体21与第二永磁体22之间为间隙配合，第一永磁体21与第二永磁体22的间隙内设置有胶体结构。这样设置能够进一步地提高第二永磁体22的安装稳定性。
如图1至图3中，第一永磁体21的总个数与第二永磁体22的总个数相同。且定子部10的径向方向的几何中心线过两个相对设置的定子齿11。转子部20的磁极的几何中心线为两个相对设置的磁极的几何中心线。各磁极上的第一永磁体21的沿转子部20的轴向方向的高度与第二永磁体22沿转子部20的轴向方向的高度相同地设置。转子部20为具有多个磁极，各磁极上均设置有一个第一永磁体21和第二永磁体22，各第二永磁体22沿转子部20的周向均匀地设置，各第二永磁体22的几何中心至第一永磁体21的外圆的圆心处的距离均相等。这样设置能够有效地提高该电机的效率。
上述实施例中的单相永磁自起动电机还可以用于电动设备技术领域，即根据本发明的另一方面，提供了一种电动设备，包括单相永磁自起动电机，单相永磁自起动电机为上述实施例中的单相永磁自起动电机。通过采用上述新的永磁体结构，可以在不改变定子铁芯极靴形状的前提下，使得齿槽转矩为0的点与电磁转矩为0的点产生偏移，通电后可以实现自起动。
具体地，单相电机内磁场为脉振磁场，电机的电磁转矩存在0点位置。如果不采用特定的结构，电机停靠位置(齿槽转矩为0的点)与电磁转矩为0的点是重合的，此时无论通入任何电流，电机都无法起动，因此存在起动死点的问题。本申请的电动设备中，包括一种新的转子永磁体结构，该结构由两种磁性能即剩余磁化强度不同的永磁体组成，以一种永磁体作为基底，另一种永磁体嵌入该永磁体，嵌入的永磁体为非对称结构。
单相永磁电机根据转子位置给绕组顺序通电，永磁转子会在电磁力矩作用下，连续旋转。若改变通电顺序，永磁转子将反向电磁力矩作用下，反方向连续旋转。如图1所示，α为定子部的几何中心线及转子部的磁极中心线的偏角，当α＝0、α＝π/2，α＝3π/2，α＝π时，不管绕组如何通电，电磁转矩均为0，即形成运行中的死点。如果电机已经起动运转，依靠电机的惯性转矩，死点将被克服，电机仍可连续运行。现有技术中的电机，当定子绕组处于无电状态时，由于凸极磁阻转矩的存在，转子磁极中心线将被定位在α＝0、α＝π/2，α＝3π/2，α＝π的位置。此时无论如何通电，电机将因无电磁转矩而无法起动。
本申请解决了单相无刷直流电机的死点问题，使电机定子绕组在无电状态下，永磁转子磁极中心线偏离α＝0、α＝π/2，α＝3π/2，α＝π的死点位置，即在本申请中，定子部的几何中心线与转子部的磁极中心线的偏角不会落在以上的死点位置上。
由于第一永磁体及第二永磁体的磁性能不同，且第一永磁体为左右不对称结构，且第一永磁体位于第二永磁体内部，使得定转子气隙磁密度发生不均等分布。使无电状态下，磁路对称中心线偏离了α＝0、α＝π/2，α＝3π/2，α＝π的位置，在磁阻力矩作用下，并向磁阻小的一侧偏离一个角度α。在无电状态下，永磁转子的磁极中心线将停在α附近，一旦绕组通电，由于转子偏移死点位置，将产生电磁起动转矩，并成为主力矩，转子在电磁力矩的作用下将连续旋转。
其中，如图2所示，该实施例为绕组带电时转子部的磁极中心线与定子部的几何中心线重合的实施例的示意图。
采用本申请的电机结构，可以在不改变定子铁芯极靴形状的前提下实现单相永磁电机自起动。在上述最优实施方式中，定子铁芯极靴形状也可以同时采用不均匀气隙、齿偏移等常用单相无刷直流电机自起动问题的解决方案，来进一步提升电机的自起动能力。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种单相永磁自起动电机，其特征在于，包括：
定子部(10)；
转子部(20)，所述转子部(20)设置于所述定子部(10)内，所述转子部(20)的每一个磁极上均设置有第一永磁体(21)和第二永磁体(22)，所述第一永磁体(21)和所述第二永磁体(22)的剩余磁化强度不同，以使所述转子部(20)的磁极的几何中心线与所述定子部(10)的径向方向的几何中心线具有夹角地设置；
其中，所述第一永磁体(21)和所述第二永磁体(22)中的至少一个为非对称结构。
2.根据权利要求1所述的单相永磁自起动电机，其特征在于，所述第一永磁体(21)和所述第二永磁体(22)由不同的材料制成。
3.根据权利要求1所述的单相永磁自起动电机，其特征在于，所述第一永磁体(21)和所述第二永磁体(22)的材料相同，所述第一永磁体(21)和所述第二永磁体(22)的充磁工艺不同。
4.根据权利要求1所述的单相永磁自起动电机，其特征在于，所述第一永磁体(21)的横截面的面积大于所述第二永磁体(22)的横截面的面积，所述第一永磁体(21)上开设有安装部，所述第二永磁体(22)通过所述安装部与所述第一永磁体(21)连接。
5.根据权利要求4所述的单相永磁自起动电机，其特征在于，各磁极上的所述第二永磁体(22)的横截面的面积沿顺时针或逆时针方向逐渐减小地设置。
6.根据权利要求4或5所述的单相永磁自起动电机，其特征在于，各磁极上的所述第二永磁体(22)的横截面的外沿型线为非对称的多边形结构。
7.根据权利要求1所述的单相永磁自起动电机，其特征在于，所述转子部(20)呈环形结构，各磁极上的所述第一永磁体(21)的外圆型线的连线与所述转子部(20)的外圆型线重合，各所述第一永磁体(21)的内圆型线的连线与所述转子部(20)的内圆型线重合，所述转子部(20)的内圆与所述转子部(20)的外圆的圆心重合地设置。
8.根据权利要求1所述的单相永磁自起动电机，其特征在于，所述第一永磁体(21)与所述第二永磁体(22)之间为间隙配合，所述第一永磁体(21)与所述第二永磁体(22)的间隙内设置有胶体结构。
9.根据权利要求1所述的单相永磁自起动电机，其特征在于，所述第一永磁体(21)的总个数与所述第二永磁体(22)的总个数相同。
10.根据权利要求1所述的单相永磁自起动电机，其特征在于，所述定子部(10)的径向方向的几何中心线过两个相对设置的定子齿(11)。
11.根据权利要求1所述的单相永磁自起动电机，其特征在于，所述转子部(20)的磁极的几何中心线为两个相对设置的磁极的几何中心线。
12.根据权利要求1所述的单相永磁自起动电机，其特征在于，各所述磁极上的所述第一永磁体(21)的沿所述转子部(20)的轴向方向的高度与所述第二永磁体(22)沿所述转子部(20)的轴向方向的高度相同地设置。
13.根据权利要求1所述的单相永磁自起动电机，其特征在于，所述转子部(20)为具有多个磁极，各所述磁极上均设置有一个所述第一永磁体(21)和所述第二永磁体(22)，各所述第二永磁体(22)沿所述转子部(20)的周向均匀地设置，各所述第二永磁体(22)的几何中心至所述第一永磁体(21)的外圆的圆心处的距离均相等。
14.一种电动设备，包括单相永磁自起动电机，其特征在于，所述单相永磁自起动电机为权利要求1至13中任一项所述的单相永磁自起动电机。
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