CN202145612U - 一种无刷直流电动机 - Google Patents

Abstract

一种无刷直流电动机，包括共轴的一定子和一转子，该项定子包括一定子铁心，该定子铁心的内表面形成一内腔，多个定子齿等间距地沿该内腔圆周方向设置在该定子铁心内表面上，每该定子齿末端设有一定子爪，每该定子爪形成一多级台阶形底面，所有台阶形底面形成一容纳腔，该转子在该容纳腔中转动。定子爪上的多级台阶形底面能减少漏磁通，给转子的转动提供高效的电磁转矩和电磁功率。

Description

一种无刷直流电动机

技术领域

本实用新型涉及一种电动机，特别涉及一种无刷直流电动机。

背景技术

无刷直流电动机是以电子换相代替机械换相的直流电动机，它保持了直流电动机的优良特性，具有较好的起动和调速性能，而且它无需机械换相器，使电机的结构简单，并且可以从根本上克服一般有刷直流电动机易于产生换相火花的弊病。

近几年来，无刷直流电机的发展亦使得电机理论与大功率开关器件、模拟和数字专用集成电路、微处理技术、现代控制理论以及高性能材料的结合更加紧密。如今无刷直流电动机集特种电机、变速机构、检测元件、控制软件与硬件于一体，形成为新一代伺服系统，且体现着当今应用科学的许多最新成果，显示出广泛的应用前景和强大的生命力。目前无刷直流电动机已广泛应用在计算机外围设备(如软驱、硬盘、光驱等)、办公自动化设备(如打印机、复印机、扫描仪、绘图仪、复印机等)、家电(如洗衣机、空调、风扇等)、音像设备(如VCD、摄影机、录像机等)、汽车、电动自行车、数控机床、机器人、医疗设备等方面和领域。

为了进一步提高无刷直流电动机伺服系统的驱动效率，有研究采用新的控制策略与先进的控制系统来改善驱动性能，例如PwM斩波法、重叠换相法及电流反馈法等补偿电流幅值的变化，抑制换相转矩脉动。也有通过改进逆变器性能，发展高精度的速度及位置检测器件等从而在整体上提高系统的控制性能。

另外，也有从电机本体设计上入手，如采用斜槽，无槽电机等削弱齿槽引起的转矩脉动；采用高性能的稀土永磁材料、转子采用瓦片形表面贴装型式等以削弱气隙主磁场的气隙磁感应强度分布；选择合理的电机磁极和极弧的设计方案，改变磁极形状，或增加极弧宽度等。但现有的研究少有对定子爪形状的优化设计进行深入探讨。

一个典型的无刷直流电动机，其电动机主体包括一定子和一转子。该定子包括一定子铁心，定子铁心内部形成一内腔。在定子铁心的内表面上，沿着内腔的圆周方向，互相间隔地设置有多个定子齿，多组励磁线圈分别缠绕在该多个定子齿上，形成连续的线圈串联或并联以提供电动机足够的感应电动势，励磁线圈中通有励磁电流时以产生所需的电磁转矩和电磁功率，多个定子齿中，相邻两个定子齿之间的间隔空隙形成沿着内腔的圆周方向分布的多个定子槽。每定子齿末端形成一定子爪，相邻定子爪之间设有爪间狭缝。多个定子爪沿圆周排列形成一圆柱形容纳腔，转子安装于该圆柱形容纳腔内，并在励磁转矩的作用下适于在该容纳腔中转动，如图1所示。

理想的气隙磁通密度波形应为梯形波，由于磁体的磁阻较大，部分磁通会从边缘进入定子，另有部分磁通与相邻的磁极构成漏磁通，因此，现有的无刷直流电动机主体往往设置有多个定子齿和多个励磁线圈，以抵消漏磁通对磁性转矩的影响。也就是说，要在定子铁心中设置有许多个定子齿和励磁线圈，即多个励磁绕组才能提供所需的磁性转矩，这显然增加了电动机定子的制造工艺的复杂度。因此，需要提供一种新型无刷直流电动机，以减少定子齿数目，并同时减少整个系统的漏磁通，以提高电动机的转动效率。

发明内容

本实用新型的主要目的在于，提供一种无刷直流电动机，该无刷直流电动机主体的定子上的每定子爪上具有多个底面以形成定子的台阶形内表面，，从而改善磁通密度分布，减少电动机的漏磁通，从而给该电动机的转子转动提供高效的电磁转矩和电磁功率。

本实用新型的另一目的在于，提供一种无刷直流电动机，该无刷直流电动机主体的定子具有一内腔，沿该内腔的圆周方向设置多个定子爪，每定子爪上具有有多个接触面，各个接触面具有相对于该内腔的中心轴不同的内径，从面形成一台阶形底面，当转子设置于该内腔中时，该台阶形底面与转子互相作用，能够有效减少漏磁通，从而提高电动机的转动效率。

本实用新型的另一目的在于，提供一种无刷直流电动机，该无刷直流电动机主体的定子具有两组接触面沿圆周方向排列以形成一内腔，每组接触面相间隔排列并具有相对于该内腔的中心轴不同的内径，一组接触面中的一接触面与另一组接触面相连接形成一台阶形底面，电动机转子在该内腔中转动时，台阶形底面有效防止了漏磁通，从而提高电动机的转动效率。

本实用新型的另一目的在于，提供一种无刷直流电动机，该无刷直流电动机主体中沿定子铁心设置有相对较少数目的定子齿，并绕有相对较少数目的励磁线圈，即相对较少的线圈绕组便可产生转子转动所需的电磁转矩，从而使无刷直流电动机的制造工艺更简单，成本更低。

为达到以上目的，本实用新型提供的一种无刷直流电动机，包括共轴的一定子和一转子，所述定子包括一定子铁心，所述定子铁心的内表面形成一内腔，多个(至少两个)定子齿等间距地沿所述内腔圆周方向设置在所述定子铁心内表面上，每所述定子齿末端设有一定子爪，每所述定子爪具有一多级台阶形底面，所有所述多级台阶形底面形成一容纳腔，所述转子在所述容纳腔中转动。

优选地，每所述定子爪具有一两级台阶形底面。

特别地，每所述极爪上设置有第一接触面和第二接触面，所述第一接触面与所述第二接触面具有相对于容纳腔的中心轴具有的半径不同，从而使每所述定子爪形成所述两级台阶形底面。

或者每所述极爪上设置有第一接触面和第二接触面，所述转子的外表面与每所述定子爪上所述第一接触面相接触，所述转子的外表面与每所述定子爪上所述第二接触面之间形成一间隙空间。

或者相对于容纳腔的中心轴半径较小的一组第一接触面与相对于容纳腔的中心轴半径较大的一组第二接触面沿圆周方向交替地排列，以形成每所述极爪的所述两级台阶形底面。

优选地，所述定子铁心具有偶数个所述定子齿等间距地沿所述内腔圆周方向设置在所述定子铁心内表面上，每所述定子齿上绕有一组所述励磁线圈以组成偶数个所述励磁绕组，特别地，所述定子铁心具有4、6、8、10，12，14或16个所述定子齿，从而形成对应的4、6、8、10，12，14或16个所述定子槽。

特别地，每所述定子齿从所述定子铁心的内表面以第一宽度L1延伸至对应的每所述定子爪，所述定子铁心内表面与外表面最小距离为第二宽度为L2，所述第一宽度L1与所述第二宽度L2的比例优选2∶1。

所述转子包括一转轴，当所述转子安置于所述容纳腔中时，所述转轴沿着所述中心轴X延伸，沿着垂直于转轴方向，设置有一转盘，一永磁体磁环设置于所述转盘上，特别地，沿着所述转盘的外表面上设置有多个凹槽，磁环内表面具有多个凸出部，所述凸出部与所述凹槽相咬合，从而使所述磁环环绕在所述转盘上，所述磁环在所述电磁转矩的作用下驱动所述转子在所述容纳腔中转动。

本发明的有益效果在于，通过定子的台阶形内底面以提供均匀的磁通量分布，从而与转子作用时能有效地防止漏磁通，并且使得无刷直流电动机的铜损大辐度降低而减少发热损耗，达到提高输出效率。相对于现有技术的无刷直流电动机，本发明的无刷直流电动机能省电30％，省铜材60％，并且大大降低人工成本。

附图说明

图1为根据现有技术的无刷直流电动机的结构示意图。

图2为根据本实用新型优选实施例的无刷直流电动机组装后的立体示意图。

图3为根据本实用新型上述优选实施例的无刷直流电动机的分解示意图。

图4为根据本实用新型上述优选实施例的无刷直流电动机的定子的结构示意图。

图5为根据本实用新型上述优选实施例的无刷直流电动机的转子的结构示意图。

具体实施方式

如图2至图5所示，本实用新型提供的一种无刷直流电动机，其电动机主体包括一定子10和一转子20，定子10和转子20具有共同的中心轴X，以形成两个同轴的磁性电枢：外部电枢，即固定的定子10；内部电枢，即可转动的转子20。定子10是无刷直流电动机的引导部分；转子20是无刷直流电动机的感应部分。

定子10包括一定子铁心11，定子铁心11的形状根据电动机的应用设计，如一个典型的本实用新型的一种无刷直流电动机的定子铁心11为方形，定子铁心11内表面111形成一内腔12。多个定子齿13互相间隔地沿内腔12圆周方向设置在定子铁心内表面111，如至少两个定子齿13互相间隔地沿内腔12圆周方向设置在定子铁心内表面111，每定子齿13上绕有预定数目的励磁线圈14以组成多个励磁绕组，励磁线圈14形成连续的线圈串联或并联以提供电动机足够的感应电动势。

特别地，定子铁心11具有偶数个定子齿13以等间距地沿内腔12圆周方向设置在定子铁心内表面111上，每所述定子齿13上绕有一组励磁线圈14以组成偶数个励磁绕组。励磁绕组是无刷直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。其产生足够的感应电动势，并允许通过一定量的励磁电流，从而产生所需的电磁转矩和电磁功率。

相邻两个定子齿之间的间隔空隙形成沿着内腔12的圆周方向分布的定子槽15。特别地，每定子槽15的截面为圆拱形。即每定子齿13呈弧形从定子铁心内表面111延伸出来。

每定子齿13末端具有一定子爪16，相邻两个定子爪16之间形成一爪间狭缝17，每爪间狭缝17与对应的定子槽15连通。多个定子爪16沿圆周布置以形成一容纳腔18，每定子爪16上设置有多个接触面以形成多级台阶形底面，例如，每定子爪具有两个接触面即第一接触面161和第二接触面162，从而使每定子爪16上形成两级台阶形底面。

相应地，容纳腔18为以轴X形成中心对称的柱形腔体，定子爪16从定子齿末端的两端沿容纳腔18的圆周方向延伸，这样，当励磁线圈14绕在定子齿13上时，不至于从定子齿13的末端滑出。即励磁线圈14环绕于每定子齿13的外表面上，并被锁合在定子铁心内表面111和定子爪16之间。

每定子爪16底面朝向容纳腔18，即多个定子爪16的底面形成了定子10的内表面，该内表面形成容纳腔18，每定子爪16内表面具有多个接触面，每接触面相对于中心轴X的半径不同，如两级台阶形底面中，第一接触面161和第二接触面162具有相对中心轴X的不同的半径。

具体地，如图3所示，根据本实用新型的一种无刷直流电动机的一个优选实施例，定子铁心内表面111形成一圆柱形内腔12。六个定子齿13互相间隔地沿内腔12圆周方向设置在定子铁心内表面111，每定子齿13上绕有一组励磁线圈14以组成六个励磁绕组，相邻两个定子齿13之间的间隔空隙形成沿着内腔12的圆周方向分布的六个定子槽15，也即六个励磁绕组沿着内腔12圆周方向互相间隔地布置，并且等分圆柱形内腔12。每相邻两个励磁绕组之间形成一定子槽15，这样，在内腔12的圆周方向，沿着定子铁心内表面111，定子齿13与定子槽15互相交替地排列。

特别地，如图4所示，每定子齿13从定子铁心的内表面111以宽度L1延伸至对应的每定子爪16，即定子齿13具有第一宽度L1，定子铁心11的内表面111与外表面112的最小距离为第二宽度L2，L1与L2的比例优选2∶1。

从每定子齿13末端的两端延伸出一定子爪16，这样六个定子爪16的底面沿圆周方向排列形成一相对于中心轴X对称的柱形容纳腔18。相邻两个定子爪16之间形成一爪间狭缝17。每定子爪16可以有多级台阶形底面，如两级台阶形底面，三级台阶形底面。以两级台阶底面为例，每定子爪16包括两个接触面161、162。即该两个接触面161、162互相连接形成定子爪16的内表面，两个接触面161、162都是相对于中心轴X沿圆周方向形成的内表面，并分别具有半径R1和R2，R1与R2各异，如R1略大于R2，从而使定子爪16的底面形成两级台阶形。

也就是说，一组具有相对于中心轴X半径为R1的第一接触面161与另一组具有相对于中心轴X半径为R2的第二接触面162形成了该柱形容纳腔18。每定子爪16具有一第一接触面161和一第二接触面162，两接触面161、162相连接形成交缘。该组第一接触面161与第二接触面162交替沿圆周方向排列，具体地，六个第一接触面161与六个第二接触面162交替地沿圆周方向布置。

每爪间狭缝17与对应的定子槽15连通，也即，每定子槽15上设置有开口，该开口呈狭长形，以形成对应的定子爪13间的狭缝17，每定子槽15通过狭缝17与容纳腔18相连通。

转子20设置于该容纳腔18中，当励磁线圈14连接到电源并通有励磁电流时以产生电磁转矩时，转子20适于在电磁转矩的作用下在容纳腔18中转动。转子20可以具有无刷直流电动机领域的常见转子的结构。

特别地，如图5所示，本实用新型提供的一种无刷直流电动机的转子20，该转子20包括一转轴21，当转子20安置于容纳腔18中时，转轴21沿着中心轴X排列。沿着垂直于转轴21方向，设置有一转盘22，一磁环23设置于该转盘22上，该磁环22可以为稀土材料钕铁硼的永磁体。这样，转子20与定子10交互作用，在电磁转矩的作用下适于在容纳腔18中转动。

特别地，沿着转盘22的外表面上设置有多个凹槽221，磁环内表面231具有多个凸出部，凸出部与凹槽221相咬合，从而使磁环23环绕在转盘22上。

磁环外表面232与定子爪16的第一接触面161和第二接触面162相配合，以使磁环23在容纳腔18中适于转动，从而使转子20在该容纳腔18中转动。特别地，因为定子爪16具有台阶形底面，如上述的两台阶形底面。当接触面161的半径R1略大于接触面162的半径R2时，磁环外表面232与接触面162相适配，而磁环外表面232与接触面161之间形成间隙空间163。

特别地，作为优选的例子，根据本发明的无刷直流电动机，定子铁心11可包括4、6、8、10，12，14或16个定子齿13。相应地，定子铁心上具有4、6、8、10，12，14或16个定子槽15。相应地，本发明的直流无刷电动机的磁极数可以为4，6、8、10，12，14或16。因此，本发明的无刷直流电动机的槽极比可以为4～16∶4～16。具体地，本发明的无刷直流电动机可以是4槽4极，16槽4极，16槽16极等。在性能上，都高于无台阶形底面的现有无刷直流电动机，如图1所示的一个典型的现有技术的16槽4极的无刷直流电动机。

本实用新型的无刷直流电动机还可以包括位置传感器，外壳，导线等装置，这些装置与现有技术类似，因此在这里予以省略，本领域的技术人员在阅读完本说明书完全可以设计出本实用新型的无刷直流电动机的整套系统。

本实用新型的无刷直流电动机的定子爪16上的台阶形底面，有效改善磁通量密度分布，从而最大限定地通过减少磁极间漏磁和齿间漏磁，从而提高电磁效率，消除电磁转矩为零的点，启动运行方便。

例如对于具有六个励磁绕组的定子10，每定子爪16具有两个接触面161、162的无刷直流电动机，即可达到现有技术(如图1所示)的具有十六个励磁绕组的无刷直流电动机的功率。并且由于本实用新型的无刷直流电动机具有较少的励磁绕组，当电动机出现故障时，易于拆下励磁线圈14进行检查，更换励磁线圈14也相对容易，本实用新型的无刷直流电动机的这些优点是现有技术无法预料到的。

因此，本实用新型提供的无刷直流电动机使其制备工艺更简单，相应地，本实用新型提供一种制备无刷直流电动机，其制备方法包括如下步骤：

(1)在定子模具中冲压出一定子10，其中，一内腔12形成于定子铁心11中，多个定子齿13互相间隔地形成于内腔13圆周方向上，每定子齿13上绕有一组励磁线圈14以形成多个励磁绕组，相邻两个定子齿之间的间隔空隙形成沿着所述内腔的圆周方向分布的多个定子槽15，多个定子爪16分别形成于多个定子齿13末端，相邻两个所述定子爪之间形成爪间狭缝17，该多个定子爪16沿圆周布置以形成一容纳腔18，每定子爪16上形成有多个接触面161、162从而使每定子爪16形成台阶形底面；和

(2)提供一转子20，其中转子20外表面与多个励磁绕组作用，以适于在定子爪16台阶形底面形成的容纳腔18中转动。

该方法显然还包括如连接到电源等其它步骤，在此省略。当所述励磁线圈连接到电源并通有励磁电流时以产生电磁转矩时，转子20适于在电磁转矩的作用下在容纳腔18中转动。

该方法适于在冲压模具中进行，因为本实用新型的无刷直流电动机的定子具有较少数目的励磁绕组，因此，对于模具的蚀刻也相对要求降低，从而使制备工艺更简单，原料用得更少，从而减少成本。

本发明的无刷直流电动机在家电行业具有广泛的应用前景，例如风扇，油烟机等，采用本发明的无刷直流电动机可有效省电30％，省铜材60％，并且寿命长，功耗低、噪音小，运行可靠。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本实用新型的实施例只作为举例而并不限制本实用新型。

由此可见，本实用新型之目的已经完整并有效的予以实现。本实用新型的功能及结构原理已在实施例中予以展示和说明，在不背离所述原理下，实施方式可作任意修改。所以，本实用新型包括了基于权利要求精神及权利要求范围的所有变形实施方式。

Claims (10)

1.一种无刷直流电动机，包括共轴的一定子(10)和一转子(20)，所述定子(10)包括一定子铁心(11)，所述定子铁心的内表面(111)形成一内腔(12)，至少两个定子齿(13)等间距地沿所述内腔(12)圆周方向设置在所述定子铁心内表面(111)上，每所述定子齿(13)末端设有一定子爪(16)，其特征在于，所述每定子爪(16)具有一多级台阶形底面，所有所述多级台阶形底面形成一容纳腔(18)，所述转子(20)在所述容纳腔(18)中转动。

2.根据权利要求1所述的一种无刷直流电动机，其特征在于，每所述定子爪(16)具有一两级台阶形底面。

3.根据权利要求2所述的一种无刷直流电动机，其特征在于，每所述极爪(16)上设置有第一接触面(161)和第二接触面(162)，所述第一接触面(161)与所述第二接触面(162)具有相对于容纳腔(18)的中心轴的半径不同，从而使每所述定子爪(16)形成所述两级台阶形底面。

4.根据权利要求2所述的一种无刷直流电动机，其特征在于，每所述极爪(16)上设置有第一接触面(161)和第二接触面(162)，所述转子(20)的外表面与每所述定子爪(16)上所述第一接触面(161)相接触，并且所述转子(20)的外表面与每所述定子爪(16)上所述第二接触面(162)之间形成一间隙空间(163)。

5.根据权利要求2所述的一种无刷直流电动机，其特征在于，相对于容纳腔(18)的中心轴半径较小的一组第一接触面(161)与相对于容纳腔(18)的中心轴半径较大的一组第二接触面(162)沿圆周方向交替地排列，以形成每所述极爪(16)的所述两级台阶形底面。

6.根据权利要求2、3、4或5所述的一种无刷直流电动机，其特征在于，所述定子铁心(11)具有4、6、8、10，12，14或16个所述定子齿(13)，从而形成对应的4、6、8、10，12，14或16个所述定子槽(15)。

7.根据权利要求6所述的一种无刷直流电动机，其特征在于，每所述定子齿(13)从所述定子铁心(11)内表面(111)以第一宽度向对应的所述字子爪(16)延伸，所述定子铁心(11)的内表面(111)与外表面(112)之间的最小距离为第二宽度，所述第一宽度与所述第二宽度的比为2∶1。

8.根据权利要求2、3、4或5所述的一种无刷直流电动机，其特征在于，每所述定子齿(13)上绕有一组励磁线圈(14)以形成一励磁绕组。

9.根据权利要求7所述的一种无刷直流电动机，其特征在于，每所述定子齿(13)上绕有一组励磁线圈(14)以形成一励磁绕组。

10.根据权利要求9所述的一种无刷直流电动机，其特征在于，所述转子(20)包括一转轴(21)，当所述转子(20)安置于所述容纳腔(18)中时，所述转轴(21)沿着所述容纳腔(18)的中心轴延伸，沿着垂直于转轴(21)方向，设置有一转盘(22)，一永磁体磁环(23)设置于所述转盘(22)上，所述磁环(23)在所述电磁转矩的作用下驱动所述转子(2)在所述容纳腔(18)中转动。

Images