CN112421924A - 电机和家用电器 - Google Patents

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CN112421924A CN202011238455.9A CN202011238455A CN112421924A CN 112421924 A CN112421924 A CN 112421924A CN 202011238455 A CN202011238455 A CN 202011238455A CN 112421924 A CN112421924 A CN 112421924A
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Abstract

本发明提出了一种电机和家用电器，其中，电机包括：定子，定子上具有通孔，定子上设置有多个定子齿；绕组，设于两个相邻的定子齿之间；转子，设于通孔内，与定子之间形成气隙，转子包括多个扇形部，定子齿与扇形部相对设置，其中，以垂直于定子的轴线的方向对定子进行截面，在截面上，一个定子齿朝向转子的一侧的轮廓线，依次包括第一直线段、第一圆弧段和第二直线段。本发明提出的电机，在转子转动时，气隙磁场中主要产生径向电磁力的谐波磁密通过自耦合及相互耦合起到削弱作用，进而避免了产生径向电磁力的主要谐波磁密在同方向上进行叠加作用，降低电机定子和转子所受的径向电磁力，进而降低电机的径向电磁噪音。

Description

电机和家用电器
技术领域
本发明涉及电机领域，具体而言涉及一种电机和一种家用电器。
背景技术
相关技术中，相较单元电机为2极3槽的表贴式永磁无刷直流电机，内置式具有功率密度高、结构简单、可制造性好及成本低等优点，但高功率密度容易产生显著的2倍频和4倍频径向振动噪音。
发明内容
本发明旨在至少解决现有或改善技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明第一方面提出了一种电机。
本发明第二方面提出了一种家用电器。
有鉴于此，根据本发明的第一方面，本发明提出了一种电机，包括：定子，定子上具有通孔，定子上设置有多个定子齿；绕组，设于两个相邻的定子齿之间；转子，设于通孔内，与定子之间形成气隙，转子包括多个扇形部，定子齿与扇形部相对设置，其中，以垂直于定子的轴线的方向对定子进行截面，在截面上，一个定子齿朝向转子的一侧的轮廓线，依次包括第一直线段、第一圆弧段和第二直线段。
本发明提出的电机，在定子相邻的两个定子齿之间设置绕组，在转子相邻的两个扇形部之间设置磁性件，磁性件在气隙中生成磁密，进而和绕组通电时生成的磁密相互作用驱动转子转动。而转子和定子之间一定要有空隙，即气隙，以保证转子的正常转动。
并且，定子齿轮廓和正对着的转子扇形部的轮廓会在气隙中引起的基波磁密和其它高次谐波磁密(统称谐波磁密)，通过自耦合及相互耦合作用，进而产生对定子和转子的径向电磁力。
进而本发明以垂直于定子的轴线的方向对定子进行截面，在截面上，将定子齿朝向转子一侧的轮廓设置为依次连接的第一直线段、第一圆弧段和第二直线段，即改变了气隙的宽度，整个气隙的宽度是变化的，进而改变了气隙磁密。在转子转动时，气隙磁场中主要产生径向电磁力的谐波磁密，通过自耦合及相互耦合起到削弱作用，进而避免了产生径向电磁力的主要谐波磁密在同方向上进行叠加作用，降低电机定子和转子所受的径向电磁力，进而降低电机的径向电磁噪音。
另外，根据本发明提出的上述技术方案中的电机，还可以具有如下附加技术特征：
在上述技术方案中，进一步地，以垂直于转子的轴线的方向对转子进行截面，在截面上，扇形部朝向定子的一侧的轮廓线，依次包括：第二圆弧段、第三圆弧段和第四圆弧段，第三圆弧段和第四圆弧段不同心，第三圆弧段和第四圆弧段不同心。
在该技术方案中，以垂直于定子的轴线的方向对转子进行截面，在截面上，将转子的扇形部朝向定子一侧的轮廓设置为依次连接的第二圆弧段、第三圆弧段和第四圆弧段，进一步改变气隙的宽度。进而在转子转动时，由于定子齿上包括第一直线段和第二直线段，而扇形部上具有三个不同心的圆弧段，因此，整气隙的变化更加的大，对主要产生径向电磁力的谐波磁密削弱更加明显，进而避免了产生径向电磁力的主要谐波磁密在同方向上进行叠加作用，降低定子和转子所受的径向电磁力，进而降低电机的径向电磁噪音。
在上述任一技术方案中，进一步地，同一定子齿上的第一直线段和第二直线段以第一圆弧段的中心线为对称轴对称设置；第一直线段和第一圆弧段的中心线之间的机械角度的取值范围为，86.5°至92°。
在该技术方案中，将同一定子齿上的第一直线段和第二直线段以第一圆弧段的中心线为对称轴对称设置，并且，第一直线段和第一圆弧段的中心线之间的机械角度的取值范围设置在86.5°至92°，即第二直线段和第一圆弧段的中心线之间的机械角度的取值范围设置在86.5°至92°。而限定第一直线段以及第二直线段和第一圆弧段中心线的机械角度，可以限定出气隙的形状，使得气隙的变化在一个较平缓的范围内，避免出现断崖似的变化，进而使得整个气隙磁密的变化更加平滑，正弦性更好，避免出现断崖式变化而增大径向电磁力，保证降低电机定子和转子振动的效果。
在上述任一技术方案中，进一步地，转子还包括轴套，扇形部设于轴套；第三圆弧段与轴套同心；第三圆弧段的半径大于第二圆弧段的半径；第三圆弧段的半径大于第四圆弧段的半径；同一扇形部上的第二圆弧段和第四圆弧段以第三圆弧段的中心线为对称轴对称设置。
在该技术方案中，第三圆弧段和转子的轴套同心，也就是说，在转子转动时，第三圆弧段绕其圆心转动，即第三圆弧段自身并不会引起气隙的变化。而第二圆弧段和第四圆弧段由于并不与轴套同心，进而在转动时，会引起气隙的变化，在结合定子齿的轮廓变化，在第二圆弧段和第四圆弧段处会出现较大的改变，进而形成了一种间歇性的连续性的改变，对主要产生径向电磁力的谐波磁密削弱更加明显，进而避免了产生径向电磁力的主要谐波磁密在同方向上进行叠加作用，降低了径向电磁力。
在上述任一技术方案中，进一步地，第三圆弧段的圆心和第四圆弧段的圆心之间的距离为第一距离，第一距离的数值的取值范围为，3倍的第二圆弧段的电角度的数值除以极槽最小公倍数，再加10.5至3倍的第二圆弧段的电角度的数值除以极槽最小公倍数，再加12.5，其中，第一距离的单位为毫米，第三圆弧段的电角度的单位为度。
在该技术方案中，由于第二圆弧段和第四圆弧段是以第三圆弧段的中心线对称的，因此，第三圆弧段的圆心和第四圆弧段的圆心之间的距离与第三圆弧段的圆心和第二圆弧段的圆心之间的距离相等，均为第一距离。将第一距离的数值设置在3倍的第二圆弧段的电角度的数值除以极槽最小公倍数，再加10.5至3倍的第二圆弧段的电角度的数值除以极槽最小公倍数，再加12.5之间，进而使得第一距离符合本电机的情况，即限定出第二圆弧段、第四圆弧段和定子之间的气隙变化情况，使得气隙等有利于本电机。并且，这样的气隙限定，还能够降低电机的反电势畸变率，减小电机切向转矩脉动，降低电机切向电磁噪音，并且，提升电机反电势的幅值，从而提升电机的性能。
在上述任一技术方案中，进一步地，第一圆弧段与第三圆弧段之间的气隙的最小宽度值为第一气隙宽度，第一直线段或第二直线段和第二圆弧段或第四圆弧段之间的气隙的最大宽度值为第二气隙宽度；第二气隙宽度大于等于1.9倍的第一气隙宽度，小于等于3.2倍的第一气隙宽度。
在该技术方案中，第一圆弧段与第三圆弧段相对时，具有气隙的最小宽度，记作第一气隙宽度。第一直线段与第二圆弧段相对时，而由于第一直线段与第二直线对相对低于第一圆弧段的中心线对称，第二圆弧段与第四圆弧段相对于第三圆弧段的中心向对称。因此，第一直线段与第二圆弧段之间的气隙分布情况、第一直线段与第四圆弧段之间的气隙分布情况、第二直线段与第二圆弧段之间的气隙分布情况、第二直线段与第四圆弧段之间的气隙分布情况均相同，并且，其中，具有气隙的最大宽度，记作第二气隙宽度。进而将第二气隙宽度设置为大于等于1.9倍的第一气隙宽度，且小于等于3.2倍的第一气隙宽度，即定子和转子之间的气隙宽度最大值是最小值的1.9倍至3.2倍之间。进而限定气隙磁密的变化范围，降低谐波磁密相互作用的强度，进而削弱径向电磁力。
在上述任一技术方案中，进一步地，第二圆弧段的电角度的数值大于0，小于极槽最小公倍数乘以基波绕组系数乘以极对数的数值，其中，第二圆弧段的电角度的单位为度。
在该技术方案中，电角度等于机械角度乘以极对数。也就是说，电角度可以直接反映出机械角度，即将第二圆弧段的电角度与本电机的极槽最小公倍数、基波绕组系数和极对数的数值相关联，进而得到的第二圆弧段与定子之间的气隙，符合本电机的基波绕组状态，并且，这样的气隙的变化情况，可以降低反电势畸变率，减小电机切向转矩脉动，从而降低电机径向电磁噪音，并且，提升电机反电势的幅值，从而提升电机的性能。
在上述任一技术方案中，进一步地，两个相邻的扇形部之间的开口距离为bro，bro满足：0.9×Dro×sin[π÷(2×LCM)]≤bro≤1.1×Dro×sin[π÷(2×LCM)]，其中，Dro为转子的半径，LCM为极槽最小公倍数。
在该技术方案中，两个相邻的扇形部之间的开口距离为bro满足：0.9×Dro×sin[π÷(2×LCM)]≤bro≤1.1×Dro×sin[π÷(2×LCM)]，进而将两个相邻的扇形部之间的开口距离与本电机的转子半径相关联，进而得到符合于本电机的两个相邻的扇形部之间的开口距离，即将齿槽转矩限定在一个较低的范围，减小电机切向转矩脉动，从而降低电机径向电磁噪音。
在上述任一技术方案中，进一步地，两个相邻的定子齿之间的开口距离为第二距离；两个相邻的扇形部之间的开口距离为第三距离；其中，第二距离大于等于0.48倍的第三距离，且小于等于0.79倍的第三距离。
在该技术方案中，即通过限定定子齿之间的开口距离和扇形部之间的开口距离，进而使得定子齿之间的开口距离和扇形部之间的开口距离在一定的范围内，从而将齿槽转矩限定在一个较低的范围内，减小电机切向转矩脉动，从而降低电机切向电磁噪音。
在上述任一技术方案中，进一步地，扇形部和轴套之间具有连接部，连接部的宽度与转子直径的比值大于0.006倍的转子的直径，小于0.019倍的转子的直径。
在该实施例中，结合转子的直径，设置扇形部和轴套之间连接部的宽度，进而提高扇形部和轴套之间的连接强度，提高转子结构强度，减小永磁体的自交链漏磁，提高电机反电势幅值，进而，提高电机性能。
根据本发明的第二方面，本发明提出了一种家用电器，包括：如上述技术方案中任一项提出的电机。
本发明提出的家用电器，因包括如上述技术方案中任一项提出的电机，因此，具有如上述技术方案中任一项提出的电机的全部有益效果，在此不再一一陈述。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1示出本发明一个实施例提供的电机的结构示意图；
图2示出本发明一个实施例提供的电机的结构示意图；
图3示出本发明一个实施例提供的电机中转子的结构示意图；
图4示出本发明一个实施例提供的电机中转子的结构示意图；
图5示出本发明一个实施例提供的电机中定子齿的结构示意图；
图6示出本发明一个实施例提供的电机中扇形部的结构示意图；
图7示出本发明一个实施例提供的电机中第二气隙宽度和第一气隙宽度的比值与4倍频径向电磁力的MAP图；
图8示出本发明一个实施例提供的电机中第二气隙宽度和第一气隙宽度的比值与4倍频磁密矢量和的MAP图；
图9示出本发明一个实施例提供的电机中第二气隙宽度和第一气隙宽度的比值与2倍频径向电磁力的MAP图；
图10示出本发明一个实施例提供的电机中第二气隙宽度和第一气隙宽度的比值与2倍频磁密矢量和的MAP图；
图11示出相关技术中优化电磁力方法及对应反电势基波幅值的示意图；
图12示出本发明一个实施例提供的电机中第三圆弧段的电角度和反电势畸变率的示意图；
图13示出本发明一个实施例提供的电机中第二圆弧段的圆心和第三圆弧段之间的距离和反电势畸变率的示意图；
图14示出本发明一个实施例提供的电机中第三圆弧段的电角度和反电势基波赋值的示意图；
图15示出本发明一个实施例提供的电机中第二圆弧段的圆心和第三圆弧段之间的距离和反电势基波赋值的示意图。
其中，图1至图6中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
100电机，110定子，112定子齿，114第一直线段，116第一圆弧段，118第二直线段，120转子，122扇形部，124第二圆弧段，126第三圆弧段，128第四圆弧段，130轴套，132连接部，140绕组，150磁性件。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其它不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
下面参照图1至图15来描述根据本发明一些实施例提供的电机。
实施例1
如图1、图2和图5所示，本发明提供了一种电机100，包括：定子110、转子120和绕组140。
其中，定子110上设置有通孔，转子120设置在通孔内，定子110设置有朝向转子120的多个定子齿112，在相邻的两个定子齿112之间设置有绕组140，转子120设置有朝向定子110的多个扇形部122，并且，在定子110和转子120之间具有气隙，以保证转子120的自由转动。
以垂直于定子110的轴线的方向对定子110进行截面，在截面上，多个定子齿112的轮廓相同，定子齿112朝向转子120的一侧包括依次连接的第一直线段114、第一圆弧段116和第二直线段118。
本发明提供的电机100，在定子110相邻的两个定子齿112之间设置绕组140，在转子120相邻的两个扇形部122之间设置磁性件150，磁性件150在气隙中生成磁密，进而和绕组140通电时，生成的磁密进行相互作用驱动转子120转动。而转子120和定子110之间一定要有空隙，即气隙，以保证转子120的正常转动。
并且，定子齿112轮廓和正对着的转子扇形部122的轮廓会在气隙中引起的基波磁密和其它高次谐波磁密(统称谐波磁密)，通过自耦合及相互耦合作用，进而产生对定子110和转子120的径向电磁力。
进而本发明以垂直于定子110的轴线的方向对定子110进行截面，在截面上，将定子110定子齿112朝向转子120一侧的轮廓设置为依次连接的第一直线段114、第一圆弧段和第二直线段118，即改变了气隙的宽度，整个气隙的宽度是变化的，进而改变了气隙磁密。在转子120转动时，各个位置的气隙磁密是动态的，在转子转动时，主要产生径向电磁力的谐波磁密通过自耦合及相互耦合起到削弱作用，进而避免了产生径向电磁力的主要谐波磁密在同方向上进行叠加作用，降低定子110和转子120所受的径向电磁力，进而降低电机100的噪音。
具体地，在两个相邻的扇形部122之间设置有磁性件150。
并且，扇形部122为扇形部。
实施例2：
如图1、图2、图3、图4和图6所示，在实施例1的基础上，进一步地，以垂直于转子120的轴线的方向对转子120进行截面，在截面上，扇形部122朝向定子110一侧轮廓依次包括第二圆弧段124、第三圆弧段126和第四圆弧段128。
并且，第三圆弧段126和第二圆弧段124的圆心不在同一点上，第三圆弧段126和第四圆弧段128的圆心不在同一点上，即第三圆弧段126的圆心O1和第四圆弧段128的圆心O2不同。
在该实施例中，以垂直于定子110的轴线的方向对转子120进行截面，在截面上，将转子120的扇形部122朝向定子110一侧的轮廓设置为依次连接的第二圆弧段、第三圆弧段和第四圆弧段，进一步改变气隙的宽度。进而在转子120转动时，由于定子齿112上包括第一直线段114和第二直线段118，而扇形部122上具有三个不同心的圆弧段。因此，整气隙的变化更加的大，对主要产生径向电磁力的谐波磁密削弱更加明显，进而避免了产生径向电磁力的主要谐波磁密在同方向上进行叠加作用，降低定子110和转子120所受的径向电磁力，进而降低电机100的径向电磁噪音。
实施例3：
如图1、图2和图5所示，在实施例2的基础上，进一步地，以垂直于定子110的轴线的方向对定子110进行截面，在截面上，位于同一个定子齿112上的第一直线段114和第二直线段118以第一圆弧段116的中心线为对称轴呈轴对称状态。
并且，第一直线段114和第一圆弧段116的中心线之间的机械角度β的取值范围为，86.5°至92°，该角度为开口朝向转子120的角度。并且，该角度第二直线段118和第一圆弧段116的中心线之间的机械角度相同，为简化这里将第二直线段118和第一圆弧段116的中心线之间的机械角度也以β表示。
在该实施例中，将同一个定子齿112上的第一直线段114和第二直线段118以第一圆弧段116的中心线为对称轴对称设置，并且，第一直线段114和第一圆弧段116的中心线之间的机械角度β的取值范围设置在86.5°至92°，即第二直线段118和第一圆弧段116的中心线之间的机械角度β的取值范围设置在86.5°至92°。而限定第一直线段114以及第二直线段118和第一圆弧段116中心线的机械角度β，可以限定出气隙的形状，使得气隙的变化在一个较平缓的范围内，避免出现断崖似的变化，进而使得整个气隙磁密的变化更加平滑，对主要产生径向电磁力的谐波磁密削弱更加明显，进而避免了产生径向电磁力的主要谐波磁密在同方向上进行叠加作用，避免出现断崖式变化而增大径向电磁力，保证降低电机定子110和转子120径向振动的效果
实施例4：
如图1、图2、图3和图4所示，在实施例2或实施例3的基础上，进一步地，转子120还包括轴套130，扇形部122设置在轴套130上。
并且，第三圆弧段126与轴套130同心，第三圆弧段126的半径大于第二圆弧段124的半径，第三圆弧段126的半径大于第四圆弧段128的半径，同一扇形部122上的第二圆弧段124和第四圆弧段128以第三圆弧段126的中心线为对称轴呈轴对称状态。
在该实施例中，第三圆弧段126和转子120的轴套130同心，也就是说，在转子120转动时，第三圆弧段126绕其圆心转动，即第三圆弧段126自身并不会引起气隙的变化。而第二圆弧段124和第四圆弧段128由于并不与轴套130同心，进而在转动时，会引起气隙的变化，在结合定子110定子齿112的轮廓变化，在第二圆弧段124和第四圆弧段128处会出现较大的改变，进而形成了一种间歇性的连续性的改变，对主要产生径向电磁力的谐波磁密削弱更加明显，进而避免了产生径向电磁力的主要谐波磁密在同方向上进行叠加作用，降低了径向电磁力。
实施例5：
如图3和图4所示，在实施例2至实施例4中任一者的基础上，进一步地，第三圆弧段126的圆心O1和第四圆弧段128的圆心O2之间的距离为第一距离Ra。
第一距离Ra的数值的取值范围为，3倍的第二圆弧段124的电角度α的数值除以极槽最小公倍数LCM，再加10.5至3倍的第二圆弧段124的电角度α的数值除以极槽最小公倍数LCM，再加12.5(具体为电机100系数中极数和槽数最小公倍数，例如：8极12槽极槽最小公倍数就是24)。即10.5+3×α/LCM<Ra<12.5+3×α/LCM。其中，第一距离Ra的单位为毫米，第三圆弧段的电角度α的单位为度。
在该实施例中，由于第二圆弧段124和第四圆弧段128是以第三圆弧段126的中心线对称的，因此，第三圆弧段126的圆心和第四圆弧段128的圆心之间的距离与第三圆弧段126的圆心和第二圆弧段124的圆心之间的距离相等，均为第一距离Ra。将第一距离Ra的数值设置在3倍的第二圆弧段124的电角度α的数值除以极槽最小公倍数LCM，再加10.5至3倍的第二圆弧段124的电角度α的数值除以极槽最小公倍数LCM，再加12.5之间，进而使得第一距离Ra符合本电机100的情况，即限定出第二圆弧段124、第四圆弧段128和定子110之间的气隙变化情况，使得气隙等有利于本电机100。并且，这样的气隙限定，还能够降低电机100的反电势畸变率，减小电机切向转矩脉动，并且，提升电机100反电势的幅值，从而提升电机100的性能，降低电机成本。
具体地，如图14和图15所示，在第二圆弧段124的电角度α和第三圆弧段126的圆心O1和第四圆弧段128的圆心O2之间的距离为第一距离Ra满足10.5+3×α/LCM<Ra<12.5+3×α/LCM关系时，即如图14和图15中，虚线连接的实心圆的部分，其在综合2倍频和4倍频电磁力的情况下，反电势幅值和畸变率均处于较优的状态，其整体表现优于其它比值范围。
实施例6：
如图2所示，在实施例2至实施例5中任一者的基础上，进一步地，第一圆弧段116与第三圆弧段126之间的气隙的最小宽度值为第一气隙宽度δmin，第一直线段114或第二直线段118和第二圆弧段124或第四圆弧段128之间的气隙的最大宽度值为第二气隙宽度δmax。
第二气隙宽度δmax大于等于1.9倍的第一气隙宽度δmin，小于等于3.2倍的第一气隙宽度δmin。即1.9≤δmax/δmin≤3.2。
在该实施例中，第一圆弧段116与第三圆弧段126相对时，具有气隙的最小宽度，记作第一气隙宽度δmin。第一直线段114与第二圆弧段124相对时，而由于第一直线段114与第二直线段相对于于第一圆弧段116的中心线对称，第二圆弧段124与第四圆弧段128相对于第三圆弧段126的中心向对称。因此，第一直线段114与第二圆弧段124之间的气隙分布情况、第一直线段114与第四圆弧段128之间的气隙分布情况、第二直线段118与第二圆弧段124之间的气隙分布情况、第二直线段118与第四圆弧段128之间的气隙分布情况均相同，并且，其中，具有气隙的最大宽度，记作第二气隙宽度。进而将第二气隙宽度δmax设置为大于等于1.9倍的第一气隙宽度δmin，且小于等于3.2倍的第一气隙宽度δmin，即定子110和转子120之间的气隙宽度最大值是最小值的1.9倍至3.2倍之间。进而限定气隙磁密的变化范围，降低谐波磁密的强度，进而削弱径向电磁力。
具体地，如图7所示，通过限定两段切边直线的角度以及切边后电机100的最大和最小气隙比值，可有效削弱气隙磁密中1至5次谐波磁密相互作用引起较大的4倍频径向电磁力产生的径向振动噪音。
图8为上述实施例的不同定子110参数时对应的产生4倍频的主要谐波磁密矢量和的MAP图(忽略其它占比较小的高次谐波相互作用)，其中主要谐波磁密矢量和为：
Figure BDA0002767560430000111
由图8可知：产生4倍频的主要谐波磁密矢量和的值，随着β角和δmax/δmin组合的变化而不断变化，从MAP图中等高线上可知，86.5°<β<92°且1.9≤δmax/δmin≤3.2时，4倍频谐波磁密矢量和的值处于较优的范围。进一步，为了方便显示图中数值，磁密矢量和均放大1000倍。
同理，气隙磁密中的谐波磁密自耦及相互耦合后产生时间次数之差为2的磁密是产生2倍频径向力的根本原因；为减小谐波磁密(包括基波磁密)自耦和及相互耦合引起的2倍频径向电磁力。
本发明通过限制定子110内边缘切边直线和气隙，从原理上削弱了产生2倍频的谐波磁密的矢量和，从而有效降低了2倍频的径向电磁力。
图9为本发明实施计算的不同定子110参数时对应的产生2倍频径向电磁力MAP图。由图9可知：通过限定两段切边直线的角度以及切边后电机100的第二气隙宽度和第一气隙宽度比值，可有效削弱气隙磁密中1次和3次谐波磁密相互作用引起较大的2倍频径向电磁力。
图10为上述实施例的定子齿112内边缘取不同参数时对应的产生2倍频的主要谐波磁密矢量和的MAP图(忽略其它占比较小的高次谐波相互作用)，其中主要谐波磁密矢量和为：
Figure BDA0002767560430000121
由图10可知：产生2倍频的主要谐波磁密矢量和的值，随着β和δmax/δmin组合的变化而不断变化，从MAP图中可知，84°<β<92°且1.4≤δmax/δmin≤3.2时，2倍频谐波磁密矢量和的值处于较优的范围。同样，为了方便显示图中数值，磁密矢量和均放大1000倍。
综合4倍频和2倍频径向电磁力，可以看出在β范围应满足：86.5°<β<92°，且δmax/δmin范围应满足，即1.9≤δmax/δmin≤3.2，2倍频径向电磁力和4倍频径向电磁力以及2倍频磁密适矢量和4倍频磁密适矢量可以处于较优的状态。
具体地，本实施例选择的方案β的值为可以是86°、87°、88°、89°等；δmax/δmin的比值为2、2.05、2.12、2.18、2.54、2.9、3.12等，并且，在β＝87°，δmax/δmin＝2.12时，对应的4倍频和2倍频径向力分别为1756N/m2和15852N/m2。
实施例7：
如图4所示，在实施例2至实施例6中任一者的基础上，进一步地，第二圆弧段124的电角度α的数值大于0，小于极槽最小公倍数LCM和基波绕组140系数Kw1和极对数p三者乘积的数值。
在该实施例中，电角度等于机械角度乘以极对数。也就是说，电角度可以直接反映出机械角度，即将第二圆弧段124的电角度α与本电机100的极槽最小公倍数LCM、基波绕组140系数Kw1和极对数p的数值相关联，进而得到的第二圆弧段124与定子110之间的气隙，符合本电机100的基波绕组140状态，并且，这样的气隙的变化情况，可以降低反电势畸变率，减小电机100切向转矩脉动，降低电机100切向电磁噪音，并且，提升电机100反电势的幅值，从而提升电机100的性能。
具体地，图12和图13为不同转子120扇形部扇形轮廓时对应的空载反电势和畸变率变化情况。
本发明转子120扇形部由与轴套130同心的第三圆弧段126和另外两段关于第三圆弧段126左右对称的不与轴套130同心的第二圆弧段124和第四圆弧段128；第三圆弧段126对应的电角度为α，第三圆弧段126的圆心O1和第二圆弧段124或第三圆弧段126的圆心O2的距离为Ra，图12和图13展示了，不同的α和Ra值下，反电势畸变率的情况。
在保证2倍频和4倍频较小时，在转子120扇形部第一圆弧对应的电角度α满足大于0°且小于极槽最小公倍数LCM、基波绕组140系数Kw1和极对数p的乘积时，即：0<α<Kw1×LCM(3p，2p)×p，反电势波形正弦性更好，畸变率通常较小。
并且，在第三圆弧段126O1和第二圆弧段124或第四圆弧段128的圆心O2的距离为Ra满足下式时：10.5+3×α/LCM<Ra<12.5+3×α/LCM。
图12和图13中，实心圆表示2倍频径向力范围为16000至17000N/m2，4倍频径向力1650至1850N/m2的点。α和Ra满足上式时，电机100的4倍频和2倍频径向力均处于实心圆表示的径向力范围，且基本相同，图12和图13中实心圆所拟合的一条虚线，即便是α和Ra满足上式时反电势畸变率的状态。进而可保证2倍频和4倍频径向径向力相同，且可保证畸变率更低，降低电机100切向转矩脉动，降低电机100切向电磁噪音，提高运算效率，缩短研发周期。
进一步，在保证电机100径向电磁力较低、畸变率较低时，还应保证电机100具有更低的齿槽转矩，以进一步降低电机100切向转矩脉动，减小电机100切向电磁噪音。
实施例8：
在实施例2至实施例7中任一者的基础上，进一步地，相邻的两个扇形部122之间的开口距离为bro。
bro满足：0.9×Dro×sin[π÷(2×LCM)]≤bro≤1.1×Dro×sin[π÷(2×LCM)]，其中，Dro为转子120的半径，LCM为极槽最小公倍数(极槽公因子)。
在该实施例中，两个相邻的扇形部122之间的开口距离为bro满足：0.9×Dro×sin[π÷(2×LCM)]≤bro≤1.1×Dro×sin[π÷(2×LCM)]，进而将两个相邻的扇形部122之间的开口距离与本电机100的转子120半径相关联，进而得到符合于本电机100的两个相邻的扇形部122之间的开口距离，即将齿槽转矩限定在一个较低的范围，可有效减小电机100切向转矩脉动，降低电机100切向电磁噪音。
具体地，两个相邻定子齿112之间的宽度，即定子110槽口的宽度为2mm至3mm，可以是2.2mm、2.4mm、2.6mm，2.8mm；两个相邻的扇形部122宽度，即转子120槽口的宽度为3mm至4mm之间，可以是，3.5mm、3.6mm、3.7mm、3.8mm、3.9mm。具体地，定子110槽口宽度为2.6mm，转子120槽口宽度为3.8mm。
实施例9：
如图4所示，在实施例2至实施例8中任一者的基础上，进一步地，相邻的两个定子齿112之间的开口距离为第二距离bso；相邻的两个扇形部122之间的开口距离为第三距离bro。
第二距离bso大于等于0.48倍的第三距离bro，且小于等于0.79倍的第三距离bro。即0.48×bro≤bso≤0.79×bro。
在该实施例中，即通过限定定子齿112之间的开口距离和扇形部122之间的开口距离，进而使得定子齿112之间的开口距离和扇形部122之间的开口距离在一定的范围内，从而进一步将齿槽转矩限定在一个较低的范围内，减小电机100的转矩脉动，从而减小电机100的切向振动噪音。具体地，定子110、转子120的槽口宽度会影响电机100的齿槽转矩，齿槽转矩越大，电机100负载越小转矩脉动越大，噪音较大。以较小的齿槽转矩峰值为优化目标，通过遗传算法计算不同定子110槽口适配不同转子120槽口宽度下的方案，当转子120槽口bro和定子110槽口bso分别满足下式时，齿槽转矩较优，转矩脉动更低，通过限定连接桥(内磁桥)宽度与转子120外径的关系，可提高转子120侧的结构强度，并减小永磁体的自交链漏磁，提高电机100的反电势，进而提高电机100功率密度，降低电机100成本。
实施例10：
如图1、图2、图3和图4所示，在实施例2至实施例9中任一者的基础上，进一步地，扇形部122和轴套130通过连接部132相连接，连接部132的宽度bd与转子120直径Dro的比值大于0.006倍的转子120的直径Dro，小于0.019倍的转子120的直径Dro。即0.006×Dro<bd/Dro<0.019×Dro。
在该实施例中，结合转子120的直径，设置扇形部122和轴套130之间连接部132的宽度，进而提高扇形部122和轴套130之间的连接强度，提高转子120结构强度，减小永磁体的自交链漏磁，提高电机功率密度，降低电机100成本。
实施例11
如图1至图6所示，是本发明提供的电机100一实施例的截面示意图，转子120嵌套在定子110内。定子110包含定子110轭、3p个定子齿112及与定子齿112周向相邻间隔的3p个定子110槽，定子110槽中放置绕组140。转子120的扇形部与轴套130通过连接部132，具体为连接桥相连，扇形部间隔中放置磁性件150，具体为永磁体。
图2至图4是本发明的各参数示意图；分别为：相邻两个定子齿112间周向最小距离为定子110槽口bso，定子110内边缘切边第一直线或第二之间和定子齿112中线(即第一圆弧段116的中心线)所夹角度β，定子110第一圆弧段116的中点处与转子120扇形部第三圆弧段126中点处的径向最小距离形成最小气隙，即第一气隙宽度：δmin，定子110第一直线段114或第二直线段118与扇形部第三圆弧段126或第四圆弧段128最小距离形成最大气隙，即第二气隙宽度：δmax。转子120扇形部的第三圆弧段126对应的电角度α，第三圆弧段126的圆心O1和第二圆弧段124或第四圆弧段128的圆心O2的距离Ra。相邻转子120扇形部外边缘周向最小距离为转子120槽口bro，转子120的第三圆弧段126的直径为转子120外径：Dro，连接桥的周向宽度为bd。
根据电机100电磁场的原理，气隙磁场内时间上次数之差为4的气隙磁密相互作用是产生4倍频径向电磁力的根本原因。为减小气隙磁场内谐波磁密相互作用引起的4倍频径向电磁力，本发明针对定子齿112内边缘轮廓，进行改进，在改进后进行了大量的分析及测试，最终验证本发明提供的电机100具有较优的性能。
如图7所示，通过限定两段切边直线的角度以及切边后电机100的最大和最小气隙比值，可有效削弱气隙磁密中1至5次谐波磁密相互作用引起较大的4倍频径向电磁力产生的径向振动噪音。
图8为上述实施例的不同定子110参数时对应的产生4倍频的主要谐波磁密矢量和的MAP图(忽略其它占比较小的高次谐波相互作用)，其中主要谐波磁密矢量和为：
Figure BDA0002767560430000161
由图8可知：产生4倍频的主要谐波磁密矢量和的值，随着β角和δmax/δmin组合的变化而不断变化，从MAP图中等高线上可知，86.5°<β<92°且1.9≤δmax/δmin≤3.2时，4倍频谐波磁密矢量和的值处于较优的范围。进一步，为了方便显示图中数值，磁密矢量和均放大1000倍。
同理，气隙磁场内时间上次数之差为2的气隙磁密相互作用是产生2倍频径向电磁力的根本原因。为减小气隙磁场内谐波磁密相互作用引起的2倍频径向电磁力。
本发明通过限制定子110内边缘切边直线和气隙，从原理上削弱了主要产生2倍频的谐波磁密的矢量和，从而有效降低了2倍频的径向电磁力，降低电机径向电磁噪音。
图9为本发明实施计算的不同定子110参数时对应的产生2倍频径向电磁力MAP图。由图9可知：通过限定两段切边直线的角度以及切边后电机100的第二气隙宽度和第一气隙宽度比值，可有效削弱气隙磁密中1次和3次谐波磁密相互作用引起较大的2倍频径向电磁力。
图10为上述实施例的定子齿112内边缘取不同参数时对应的产生2倍频的主要谐波磁密矢量和的MAP图(忽略其它占比较小的高次谐波相互作用)，其中主要谐波磁密矢量和为：
Figure BDA0002767560430000162
由图10可知：产生2倍频的主要谐波磁密矢量和的值，随着β和δmax/δmin组合的变化而不断变化，从MAP图中可知，84°<β<92°且1.4≤δmax/δmin≤3.2时，2倍频谐波磁密矢量和的值处于较优的范围。同样，为了方便显示图中数值，磁密矢量和均放大1000倍。
综合4倍频和2倍频径向电磁力，可以看出在β范围应满足：86.5°<β<92°，且δmax/δmin范围应满足，即1.9≤δmax/δmin≤3.2，2倍频径向电磁力和4倍频径向电磁力以及2倍频磁密适矢量和4倍频磁密适矢量可以处于较优的状态。
具体地，本实施例选择的方案β的值为可以是86°、87°、88°、89°等；δmax/δmin的比值为2、2.05、2.12、2.18、2.54、2.9、3.12等，并且，在β＝87°，δmax/δmin＝2.12时，对应的4倍频和2倍频径向力分别为1756N/m2和15852N/m2。
根据电机100的电磁原理，气隙沿径向尺寸大小决定转子120与定子110间的磁密分布和磁通转换效率。气隙δ的径向尺寸越小，则气隙磁阻越小。气隙δ的径向尺寸越大，则对应的气隙磁阻越大。过大的气隙磁阻将导致气隙δ内的磁密减弱，进而导致参与机电能量转换的磁通降低，反电势下降，导致电机100铜线用量上升，从而增加电机100的成本。因此合理的气隙δ是平衡电机100成本和噪音的重要因素。
进一步地，图11为相关技术中的增大气隙削弱4倍频径向力的方法，图11中，4倍频径向力及反电势幅值随转子扇形部的气隙径向长度δ的示意图。图11中4倍频径向力密度为2311N/m2时的反电势基波幅值为427V，与采用本发明提供的电机100，4倍频径向力密度值相同时的反电势基波幅值为527V相比，本发明提供的电机100可在保证4倍频径向力密度相同时反电势比相关技术中的方法提高18％，电机100性能更强。
以上设计方法通过限定定子齿112内边缘轮廓以及气隙的径向长度δ，达到保证电机100反电势的条件下降低电机100气隙磁场中谐波磁密相互作用引起的4倍频和2倍频径向力的目的。
电机100空载反电势的正弦度影响电机100的切向转矩脉动，反电势正弦度越高，寄生谐波电流越少，切向转矩脉动越低。气隙磁密的分布决定了空载反电势的正弦度，定转子120相对外廓的样条曲线决定了气隙磁密。对转子120扇形外边缘进行参数化扫描优化，以提高电机100空载反电势的正弦度，减小其畸变率，减小电机100切向转矩脉动，降低电机100切向电磁噪音。
图12和图13为不同转子120扇形部扇形轮廓时对应的空载反电势畸变率变化情况。
本发明转子120扇形部由与轴套130同心的第三圆弧段126和另外两段关于第三圆弧段126左右对称的不与轴套130同心的第二圆弧段124和第四圆弧段128；第三圆弧段126对应的电角度为α，第三圆弧段126的圆心O1和第二圆弧段124或第三圆弧段126的圆心O2的距离为Ra，图12和图13展示了，不同的α和Ra值下，反电势畸变率的情况。
在保证2倍频和4倍频较小时，在转子120扇形部第一圆弧对应的电角度α满足大于0°且小于极槽最小公倍数LCM、基波绕组140系数Kw1和极对数p的乘积时，即：0<α<Kw1×LCM(3p，2p)×p，反电势畸变率通常较小。
并且，在第三圆弧段126O1和第二圆弧段124或第四圆弧段128的圆心O2的距离为Ra满足下式时：10.5+3×α/LCM<Ra<12.5+3×α/LCM。
图12和图13中，实心圆表示2倍频径向力范围为16000N/m2至17000N/m2，4倍频径向力1650N/m2至1850N/m2的点。α和Ra满足上式时，电机100的4倍频和2倍频径向力基本相同时，图12和图13中实心圆所拟合的一条虚线，即便是α和Ra满足上式时反电势畸变率的状态。进而可保证2倍频和4倍频径向力相同，且可保证畸变率更低，切向转矩脉动更低，并且，还可提高运算效率，缩短研发周期。
进一步，在保证电机100径向电磁力较低、畸变率较低时，还应保证电机100具有更低的齿槽转矩，以进一步降低电机100切向转矩脉动，减小电机100切向电磁噪音。
图14和图15分别为图12和图13对应的基波反电势幅值；图中实心圆表示2倍频径向力范围为16000N/m2至17000N/m2，4倍频径向力1650N/m2至1850N/m2的点，图中虚线连接的点即为满足本发明中的α和Ra的关系的点。
具体地，第二圆弧段124的电角度α可以为55°、56°、57°、60°，Ra为18.5mm、19mm、22mm；将畸变率为控制在1.0％左右，对应的4倍频和2倍频径向力分别为1756N/m2和15852N/m2左右。
进一步地，电机100齿槽转矩大小也会影响电机100的切向转矩脉动，齿槽转矩越小，切向转矩脉动越低。定子110、转子120的槽口宽度会影响电机100的齿槽转矩，齿槽转矩越大，电机100负载越小转矩脉动越大，噪音较大。以较小的齿槽转矩峰值为优化目标，通过遗传算法计算不同定子110槽口适配不同转子120槽口宽度下的方案，当转子120槽口bro和定子110槽口bso分别满足下式时，齿槽转矩较优，通过限定连接桥(内磁桥)宽度与转子120外径的关系，可提高转子120侧的结构强度，并减小永磁体的自交链漏磁，提高电机100的效率。
即0.9×Dro×sin[π÷(2×LCM)]≤bro≤1.1×Dro×sin[π÷(2×LCM)]；
0.48×bro≤bso≤0.79×bro；
具体地，定子110槽口宽度为2.6mm，转子120槽口宽度为3.8mm。
轴套130与转子120连接桥的宽度bd与转子120外径Dr的尺寸应满足0.006×Dro<bd/Dro<0.0118×Dro，通过限定连接桥(内磁桥)宽度与转子120外径的关系，可提高转子120侧的结构强度，并减小永磁体的自交链漏磁，提高电机100的效率。
本实施例选择的方案轴套130与连接桥的宽度bd为0.8mm。
实施例12
本发明提供了一种家用电器，包括：如上述任一实施例提供的电机100。
本发明提供的电机100，因包括如上述任一实施例提供的电机100，因此，具有如上述任一实施例提供的电机100的全部有益效果，在此不再一一陈述。
具体地，家用电器为洗衣机，电机100用于与洗衣机的洗衣桶或洗衣筒相连接。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
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 (11)

1.一种电机，其特征在于，包括：
定子，所述定子上具有通孔，所述定子上设置有多个定子齿；
绕组，设于两个相邻的所述定子齿之间；
转子，设于所述通孔内，与所述定子之间形成气隙，所述转子包括多个扇形部，所述定子齿与所述扇形部相对设置，
其中，以垂直于所述定子的轴线的方向对所述定子进行截面，在截面上，一个所述定子齿朝向所述转子的一侧的轮廓线，依次包括第一直线段、第一圆弧段和第二直线段。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，
以垂直于所述转子的轴线的方向对所述转子进行截面，在截面上，所述扇形部朝向所述定子的一侧的轮廓线，依次包括：第二圆弧段、第三圆弧段和第四圆弧段，所述第三圆弧段和所述第四圆弧段不同心。
3.根据权利要求2所述的电机，其特征在于，
同一所述定子齿上的所述第一直线段和所述第二直线段以所述第一圆弧段的中心线为对称轴对称设置；
所述第一直线段和所述第一圆弧段的中心线之间的机械角度的取值范围为，86.5°至92°。
4.根据权利要求3所述的电机，其特征在于，
所述转子还包括轴套，所述扇形部设于所述轴套；
所述第三圆弧段与所述轴套同心；
所述第三圆弧段的半径大于所述第二圆弧段的半径；
所述第三圆弧段的半径大于所述第四圆弧段的半径；
同一所述扇形部上的所述第二圆弧段和所述第四圆弧段以所述第三圆弧段的中心线为对称轴对称设置。
5.根据权利要求4所述的电机，其特征在于，
所述第三圆弧段的圆心和所述第四圆弧段的圆心之间的距离为第一距离，所述第一距离的数值的取值范围为，3倍的所述第三圆弧段的电角度的数值除以极槽最小公倍数，再加10.5，至3倍的所述第三圆弧段的电角度的数值除以极槽最小公倍数，再加12.5，其中，所述第一距离的单位为毫米，所述第三圆弧段的电角度的单位为度。
6.根据权利要求5所述的电机，其特征在于，
所述第一圆弧段与所述第三圆弧段之间的气隙的最小宽度值为第一气隙宽度，所述第一直线段或所述第二直线段和所述第二圆弧段或所述第四圆弧段之间的气隙的最大宽度值为第二气隙宽度；
所述第二气隙宽度大于等于1.9倍的所述第一气隙宽度，小于等于3.2倍的所述第一气隙宽度。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的电机，其特征在于，
所述第二圆弧段的电角度的数值大于0，小于极槽最小公倍数乘以基波绕组系数乘以极对数的数值，所述第二圆弧段的电角度的单位为度。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的电机，其特征在于，
两个相邻的所述扇形部之间的开口距离为bro，所述bro满足：
0.9×Dro×sin[π÷(2×LCM)]≤bro≤1.1×Dro×sin[π÷(2×LCM)]，
其中，所述Dro为所述转子的半径，所述LCM为极槽最小公倍数。
9.根据权利要求8所述的电机，其特征在于，
两个相邻的所述定子齿之间的开口距离为第二距离；
两个相邻的所述扇形部之间的开口距离为第三距离；
其中，所述第二距离大于等于0.48倍的所述第三距离，且小于等于0.79倍的所述第三距离。
10.根据权利要求4所述的电机，其特征在于，
所述扇形部和所述轴套之间具有连接部，
所述连接部的宽度与所述转子直径的比值大于等于0.006倍的所述转子的直径，小于0.019倍的所述转子的直径。
11.一种家用电器，其特征在于，包括：
如权利要求1至10中任一项所述的电机。
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