專利名稱：無刷直流電動機的制作方法
技術領域：
本發明涉及電氣控制技術，尤其涉及一種無刷直流電動機。
背景技術：
無刷直流電動機是電動機的一種主要類型，其基本結構是包括具有成對定子齒的定子、具有成對磁極的轉子、以及固定在轉子中心處的轉軸，每個定子齒繞制有繞組。無刷直流電動機的工作原理是通過向繞組施加按照設定周期換相的驅動電流，在定子齒和轉子磁極之間產生變化磁場，從而在轉子上產生電磁力矩，驅動轉子轉動。無刷直流電動機的類型，按照轉子磁極上磁性的產生方式又可分為永磁型或勵磁型，按照繞組的相數和繞制方式及驅動電流的換相周期又可分為單相、兩相或四相無刷直流電動機，其基本工作原理類似。但是，在現有的無刷直流電動機中，普遍存在一缺陷。即無刷直流電動機在半個換相周期內，當定子磁動勢與轉子磁通之間的相位夾角在0°和180°時的電磁轉矩分別為零。因此，這兩個位置被稱為“死點”，當轉子處于“死點”附近時作用在轉子上的電動機啟動轉矩很小，導致啟動不順利。
發明內容
本發明提供一種無刷直流電動機，以改善電動機在啟動“死點”附近的啟動性能。本發明提供一種無刷直流電動機，包括具有成對定子齒的定子、具有成對磁極的轉子、以及固定在所述轉子中心處的轉軸，每個所述定子齒繞制繞組，在定子的每個橫截面中，每個定子齒的齒頂圓弧線與齒軸線的交點和該定子齒的齒頂圓弧線的圓心的連線，與該定子齒的齒軸線之間具有大于0度且小于90度的偏心角。如上所述的無刷直流電動機，優選地在轉子的每個橫截面中，每個磁極的邊緣圓弧線相對于磁極軸線呈軸對稱設置；在定子設置在轉子的內側時，各磁極的邊緣圓弧線內凹，且半徑大于或等于轉子旋轉半徑，或，在定子設置在轉子的外側時，各磁極的邊緣圓弧線外凸，且半徑小于或等于轉子旋轉半徑。如上所述的無刷直流電動機，優選地在轉子的每個橫截面中，各磁極的邊緣圓弧線的圓心，依次連續排列，形成圍繞在轉子旋轉中心外側的轉子圓。如上所述的無刷直流電動機，優選地每個磁極的邊緣表面為各邊緣圓弧線組成的邊緣圓柱面，各磁極的邊緣圓柱面的圓心軸線相互平行。如上所述的無刷直流電動機，優選 地在定子的每個橫截面中，每個定子齒的兩側端點相對于齒軸線呈軸對稱設置，且定子齒的兩側邊緣線與齒頂圓弧線之間形成有過渡弧線。如上所述的無刷直流電動機，優選地在每個定子齒上，背離齒頂圓弧線圓心一側的過渡弧線為第一過渡圓弧線，鄰近齒頂圓弧線圓心一側的過渡弧線為第二過渡圓弧線，且第一過渡圓弧線的半徑大于第二過渡圓弧線的半徑。
如上所述的無刷直流電動機，優選地所述第一過渡圓弧線的半徑為0. I I. Omm,第二過渡圓弧線的半徑為0. I 0. 6mm。如上所述的無刷直流電動機，優選地各定子齒的偏心角大小相等；和/或各定子齒的齒頂圓弧線的半徑相等。如上所述的無刷直流電動機，優選地在定子的每個橫截面中，各定子齒的齒頂圓弧線的圓心，依次連續排列，形成圍繞在轉子旋轉中心外側的定子圓。如上所述的無刷直流電動機,優選地每個定子齒的齒頂圓表面為各齒頂圓弧線組成的齒頂圓柱面，各定子齒的齒頂圓柱面的圓心軸線相互平行。如上所述的無刷直流電動機，優選地所述轉子圓的半徑大于所述定子圓的半徑。
如上所述的無刷直流電動機，優選地所述無刷直流電動機為單相永磁無刷直流電動機，所述定子齒和轉子磁極的數量均為偶數個。如上所述的無刷直流電動機，還包括轉子位置傳感器，用于檢測所述轉子的當前相位位置并輸出轉子相位位置信號；控制器，與所述轉子位置傳感器相連，用于根據接收到的所述轉子相位位置信號生成一按正弦波規律變化的驅動電流信號給繞組以實行換相。本發明提供的無刷直流電動機，通過將定子齒的齒頂圓形狀設計為相對于轉子旋轉中心偏心的圓弧線，使得無刷直流電動機能夠消除啟動“死點”，順利啟動。
圖I為現有技術中采用漸變氣隙結構示意圖；圖2為現有技術中采用階梯氣隙結構示意圖；圖3為現有技術中采用不對稱齒結構示意圖；圖4為現有技術中采用附加凹槽結構示意圖；圖5為本發明無刷直流電動機實施例中定子的橫截面結構示意圖；圖6為圖5中A處的放大圖；圖7為本發明無刷直流電動機實施例中定子與轉子相配合的橫截面結構示意圖；圖8為本發明外轉子式無刷直流電動機實施例中定子的橫截面結構示意圖；圖9為本發明外轉子式無刷直流電動機實施例中轉子與定子相配合的橫截面結構示意圖。
具體實施例方式實施例一圖7為本發明無刷直流電動機實施例中定子與轉子相配合的橫截面結構示意圖，本實施例的無刷直流電動機包括具有成對定子齒的定子、具有成對磁極的轉子、以及固定在轉子中心處的轉軸，每個定子齒繞制繞組，且對定子齒的形狀進行了優化改進。為清楚介紹本發明實施例的技術方案，先簡單介紹無刷直流電動機的基本結構。本發明既可適用于轉子設置在定子內側的內轉子式電動機，也可適用于轉子設置在定子外側的外轉子式電動機，本實施例以內轉子式電動機為例進行說明。如圖7所示，轉子7設置在定子5的內側，轉軸固定在轉子7的中心處，例如可穿過轉子7的中心孔，以通過轉子7的轉動來輸出電磁轉矩。當轉子7旋轉時，轉子最外端的邊緣必然形成一圓形，該轉子旋轉形成的圓形的半徑記為轉子旋轉半徑，其圓心記為轉子旋轉中心。如圖7所示，定子5包括定子外圓和定子齒51，每個定子齒51均由齒根部和齒頂部構成，齒根部從定子外圓中朝向轉子旋轉中心延伸而出，齒根部為軸對稱的板狀，齒頂部的兩側分別由齒根部的兩側伸出，以構成齒槽52的槽口 ；從定子5任意橫截面的角度來看，齒根部的對稱軸線與轉子旋轉半徑共線，記作該定子齒的齒軸線(該齒軸線也為齒根部的中心與轉子旋轉中心之間的連線)。
本實施例提供的內轉子式無刷直流電動機，如圖5-7所示，包括具有成對定子齒51的定子5、具有成對磁極71的轉子7、以及固定在轉子7中心處的轉軸,每個定子齒51繞制有繞組(圖中未示)，定子5設置在轉子7的外側。在定子5的每個橫截面中，每個定子齒51的齒頂圓弧線511與定子齒51的齒軸線20的交點和該定子齒51的齒頂圓弧線511的圓心512的連線，與該定子齒51的齒軸線20之間具有大于0度且小于90度的偏心角9 O具體地，定子5的內側面上可固定設置偶數個向中心伸出的定子齒51，且定子齒51均布在定子5的內側面上，定子齒51與轉子7上的磁極71數目相等，位置也一一對應；其中，轉子7上的磁極71可以為永磁體，也可以因通電而具有磁性。相鄰的定子齒51之間的空隙為齒槽52，定子5固定不動，通過位于轉子7中心孔的轉軸帶動轉子7旋轉。不同對的定子齒51對應的偏心角0可以相同也可以不同，即齒頂圓弧線511的圓心512的排列方式可以為多種，例如，可以使處于間隔位置的定子齒51的偏心角0相等，或是按所有定子齒51對應的偏心角0依次遞增的方式設置。本實施例無刷直流電動機中，由于偏心角0的存在，齒頂圓弧線511的圓心512與轉子旋轉中心不重合、且不會落在齒軸線所在直線上；當定子齒與磁極的相位為0°和180°時，啟動輸入驅動電流，則由于偏心角0的存在，可形成磁動勢壓差，使得在“死點”位置時合成的電磁轉矩不為零，消除了啟動“死點”，具有良好的啟動性能。優選地，上述各定子齒51的偏心角0大小相等；和/或各定子齒51的齒頂圓弧線511的半徑相等。從定子齒任意橫截面的角度來看，當各定子齒51的偏心角0相等，且各定子齒51所對應的齒頂圓弧線511的半徑也相等時，在定子5的每個橫截面中，各定子齒51的齒頂圓弧線511的圓心512，依次連續排列，形成圍繞在轉子旋轉中心外側的定子圓。當轉子7轉動時，該偏心角0的大小不變，但是該定子齒51與該轉子磁極71之間的磁場矢量變化；也就是說，當電動機啟動后恒定的轉速旋轉過程中，偏心角9位置不變，磁場矢量隨轉子轉動呈均勻變化，得到的磁阻轉矩逐漸為平滑的正弦波形狀，從而減少了電動機輸出的電磁轉矩的波動。本實施例中，每個定子齒51的齒頂圓表面可以為各齒頂圓弧線511組成的齒頂圓柱面，各定子齒51的齒頂圓柱面的圓心軸線相互平行。但具體應用中并不限于此，例如各定子齒51的橫截面可以相互偏差一定角度，螺旋狀排列。這并不影響本實施例中偏心角的工作原理，只要滿足定子齒橫截面的形狀要求即可。在本實施例中，通過將定子5的齒頂圓弧線511對應的圓心512偏離轉子旋轉中心10、以形成偏心角0的方式來提供啟動時所需的不對稱轉矩，而在現有技術中常用的四種不對稱氣隙的定子結構(漸變氣隙結構、階梯氣隙結構、不對稱齒結構和附加凹槽結構)中，都是僅通過改變定子齒51的齒頂圓柱面511的形狀來提供不對稱氣隙的；具體請參照圖I、圖2、圖3和圖4,漸變氣隙結構中，不同的定子齒的齒頂圓柱面的圓心相同但半徑R11、R12、R13、R14和R15不同；階梯氣隙結構中，在同一定子齒的齒頂圓表面形成突變的階梯t ;不對稱齒結構中，每個定子齒的齒頂圓柱面的對稱軸k2偏離該定子齒的對稱軸kl ；附加凹槽結構則是指在位于定子齒的對稱軸的一側的齒頂圓柱面上開設凹槽h。由于現有技術中這四種形式的定子結構中定子齒的齒頂圓柱面的中心軸都位于轉子旋轉中心軸上，從而使不同定子齒與轉子形成的氣隙間存在突變，導致在一個極距內，磁阻轉矩存在一個正峰值和一個負峰值，即表現出很高的轉矩波動。 因此，與上述現有技術中的四種定子結構相比，本實施例提供的無刷直流電動機不但克服啟動“死點”問題，而且，還能解決現有技術中電動機正常運行轉矩波動過大、噪聲過大的問題，有效減少工作中的振動和噪音。實施例二本實施例可以以實施例一為基礎，進一步優化轉子的結構形狀。本實施例中，在轉子7的每個橫截面中，每個磁極71的邊緣圓弧線712可相對于磁極軸線呈軸對稱設置；本實施例對于定子5設置在轉子7外側的情況，轉子7上的各磁極71的邊緣圓弧線712外凸，且邊緣圓弧線712的半徑小于轉子旋轉半徑，即邊緣圓弧線712的圓心713位于邊緣圓弧線712與轉子旋轉中心之間。或邊緣圓弧線712的半徑也可以等于轉子旋轉半徑。每個轉子的磁極71邊緣圓弧線712的形狀不必完全相同，但優選地，在轉子7的每個橫截面中，各磁極71的邊緣圓弧線712的圓心713，依次連續排列，形成圍繞在轉子旋轉中心10外側的轉子圓。每個磁極71的邊緣表面優選為各邊緣圓弧線組成的邊緣圓柱面，各磁極71的邊緣圓柱面的圓心軸線相互平行。但并不限制于此，例如，磁極71在垂直于橫截面的方向上沿螺旋曲線延伸，或者，磁極71表面呈錐形表面等。其中，當分別形成轉子圓和定子圓的情況時，轉子圓的半徑優選大于定子圓的半徑，或大致滿足此規律；即從一個橫截面的角度看，所有齒頂圓弧線511的圓心512排列成一以轉子旋轉中心10為圓心的圓，所有磁極71的邊緣圓弧線712的圓心713也排列成以轉子旋轉中心10為圓心的圓，且磁極71的邊緣圓弧線712的圓心713圍繞在齒頂圓弧線511的圓心512的外側。磁極表面和定子的齒頂圓表面采用圓柱面可以便于加工制造，有利于節約成本。本實施例采用將轉子上磁極的邊緣表面形狀設計為以磁極軸線對稱的、圓心不在轉子旋轉中心上的邊緣圓弧線，可以使本實施例中的轉子與定子形成的氣隙磁場的變化更為平滑，從而更有效地減少輸出電磁轉矩的波動，進一步減小電動機工作過程中的振動。實施例三圖5為本發明無刷直流電動機實施例中定子的橫截面結構示意圖，本實施例可以上述任意實施例為基礎，更進一步地，在定子5的每個橫截面中，每個定子齒51的兩側端點相對于齒軸線20呈軸對稱設置，且定子齒51的兩側邊緣線與齒頂圓弧線511之間形成有過渡弧線。在這里，定子齒51的兩側端點即為齒頂部兩側距離齒軸線20距離最遠的點；齒頂圓表面向兩側的齒側面分別通過圓弧面平滑過渡，從定子的橫截面角度看，這兩個圓弧面則為上述齒頂圓弧線511。在轉子7旋轉時，圓弧面的設計可使氣隙磁場的變化更為均勻。優選地，在每個定子齒51上，背離齒頂圓弧線511的圓心512 —側的過渡弧線為第一過渡圓弧線513，鄰近齒頂圓弧線圓心一側的過渡弧線為第二過渡圓弧線514，且第一過渡圓弧線513的半徑大于第二過渡圓弧線514的半徑。這樣設置的好處在于，能夠配合定子圓弧線的偏心設計，進一步降低轉子在轉動過程中氣隙磁場的突變。進一步地，第一過渡圓弧線513的半徑取值范圍優選是0. I I. Omm,第二過渡圓弧線514的半徑取值范圍優選是0. I 0. 6mm。本實施例中的過渡圓弧面的設計可以配合轉子的轉動，使定子與轉子之間的氣隙磁場變化更加平滑均勻，從而使氣隙磁場的變化規律更趨近于正弦波形，達到進一步減小轉矩波動和振動噪音的目的。實施例四圖8為本發明外轉子式無刷直流電動機實施例中定子的橫截面結構示意圖；圖9為本發明外轉子式無刷直流電動機實施例中轉子與定子相配合的橫截面結構示意圖。請參照圖8和圖9，本實施例提供一種外轉子式的無刷直流電動機，與實施例一不同之處在于，轉子7設置于定子5的外側，這樣，轉子7可以呈環狀，定子5位于轉子7的中心，定子5的外側面上固定設置偶數個沿徑向向外延伸的定子齒51，轉子7的磁極71設置在轉子7的內環側面上，且位置也可與定子齒51 —一對應，固定于轉子7中心孔處的轉軸可帶動轉子7旋轉；此時，從轉子7的橫截面角度來看，各磁極71的邊緣圓弧線712內凹，且半徑大于或等于轉子旋轉半徑；且同實施例一類似，在定子5的每個橫截面中，每個定子齒51的齒頂圓弧線511與定子齒51的齒軸線20的交點和該定子齒51的齒頂圓弧線511的圓心512的連線，與該定子齒51的齒軸線20之間具有大于0度且小于90度的偏心角0。定子5和轉子7的結構以及兩者之間的結構關系也與實施例一類似，在此不再贅述。優選地,各定子齒51所對應的偏心角0以及齒頂圓弧線511的半徑大小可以相等，且各定子齒51所對應的齒頂圓弧線的圓心512可依次連續排列，形成圍繞在轉子旋轉中心外側的定子圓。更進一步地，可以采用實施例二的方式進一步優化轉子的結構。即，在轉子7的每個橫截面中，每個磁極71的邊緣圓弧線712可相對于磁極軸線呈軸對稱設置，且針對轉子7設置在定子5的外側的情況，轉子7上各磁極71的邊緣圓弧線712內凹，且邊緣圓弧線712的半徑小于轉子旋轉半徑；每個轉子磁極71的邊緣圓弧線712形狀可以相同或不同，且各磁極71的邊緣圓弧線712的圓心713可以依次排列形成圍繞在轉子旋轉中心10外側的轉子圓；最優地，當分別形成轉子圓和定子圓的情況時，轉子圓半徑可大于定子圓半徑(如圖9所示)。本實施例提供的外轉子式的無刷直流電動機，同樣可在改善電動機在啟動“死點”附近的啟動性能的同時，減少電動機正常運轉時的轉矩波動，達到降低振動和噪聲的目的。本發明實施例提供的無刷直流電動機可以適用于單相、兩相或四相無刷直流電動機，其工作原理類似，都可以改善啟動性能。但本發明實施例優選適用于單相永磁無刷直流電動機，因為，采用單相繞組可以有效降低生產成本，且同樣能獲得較高的效率。無刷直流電動機的定子齒51的數量可以為偶數個，例如，四個、六個或八個，對應地，轉子上磁極的數量也可以為偶數個，例如，同樣為四個、六個或八個；可以采用內轉子式或外轉子式，其中定子的結構、轉子的結構以及轉子與定子之間的結構關系可以采用實施例一或實施例二的具體方案，在此不再贅述。本實施例提供的單相永磁無刷直流電動機能夠克服現有技術中的單相永磁無刷直流電動機的啟動“死點”、順利啟動，同時，還可得到呈正弦規律變化的氣隙磁場，從而得到均勻變化的轉矩，有效減小轉矩波動。更進一步地，上述任一實施例中的單相無刷直流電動機，還可以包括轉子位置傳感器，用于檢測轉子的當前相位位置并輸出轉子相位位置信號；控制器，與轉子位置傳感器相連，用于根據接收到的轉子相位位置信號生成一按正弦波規律變化的驅動電流信號給繞組以實行換向。具體地，控制器和繞組可分別與驅動電路相連，以將驅動電流信號輸入至定子上的繞組，并通過控制器改變驅動電流的方向來實行換向。S卩，本無刷直流電動機可采用正弦變化的電流信號驅動，通過控制器的相位補償作用使繞組的反電動勢按正弦規律變化，從而使氣隙磁場的變化規律為更純正的正弦波，進一步降低了轉矩波動，降噪效果更好 。最后應說明的是以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。
權利要求
1.一種無刷直流電動機，包括具有成對定子齒的定子、具有成對磁極的轉子、以及固定在所述轉子中心處的轉軸，每個所述定子齒繞制繞組，其特征在于 在定子的每個橫截面中，每個定子齒的齒頂圓弧線與齒軸線的交點和該定子齒的齒頂圓弧線的圓心的連線，與該定子齒的齒軸線之間具有大于O度且小于90度的偏心角。
2.根據權利要求I所述的無刷直流電動機，其特征在于 在轉子的每個橫截面中，每個磁極的邊緣圓弧線相對于磁極軸線呈軸對稱設置； 在定子設置在轉子的內側時，各磁極的邊緣圓弧線內凹，且半徑大于轉子旋轉半徑，或，在定子設置在轉子的外側時，各磁極的邊緣圓弧線外凸，且半徑小于轉子旋轉半徑。
3.根據權利要求2所述的無刷直流電動機，其特征在于 在轉子的每個橫截面中，各磁極的邊緣圓弧線的圓心，依次連續排列，形成圍繞在轉子旋轉中心外側的轉子圓。
4.根據權利要求3所述的無刷直流電動機，其特征在于 每個磁極的邊緣表面為各邊緣圓弧線組成的邊緣圓柱面，各磁極的邊緣圓柱面的圓心軸線相互平行。
5.根據權利要求I所述的無刷直流電動機，其特征在于 在定子的每個橫截面中，每個定子齒的兩側端點相對于齒軸線呈軸對稱設置，且定子齒的兩側邊緣線與齒頂圓弧線之間形成有過渡弧線。
6.根據權利要求5所述的無刷直流電動機，其特征在于 在每個定子齒上，背離齒頂圓弧線圓心一側的過渡弧線為第一過渡圓弧線，鄰近齒頂圓弧線圓心一側的過渡弧線為第二過渡圓弧線，且第一過渡圓弧線的半徑大于第二過渡圓弧線的半徑。
7.根據權利要求6所述的無刷直流電動機，其特征在于 所述第一過渡圓弧線的半徑為0. I I. Omm,第二過渡圓弧線的半徑為0. I 0. 6mm。
8.根據權利要求1-7任一所述的無刷直流電動機，其特征在于 各定子齒的偏心角大小相等；和/或 各定子齒的齒頂圓弧線的半徑相等。
9.根據權利要求1-7任一所述的無刷直流電動機，其特征在于 在定子的每個橫截面中，各定子齒的齒頂圓弧線的圓心，依次連續排列，形成圍繞在轉子旋轉中心外側的定子圓。
10.根據權利要求9所述的無刷直流電動機，其特征在于 每個定子齒的齒頂圓表面為各齒頂圓弧線組成的齒頂圓柱面，各定子齒的齒頂圓柱面的圓心軸線相互平行。
11.根據權利要求10所述的無刷直流電動機，其特征在于所述轉子圓的半徑大于所述定子圓的半徑。
12.根據權利要求1-7任一所述的無刷直流電動機，其特征在于所述無刷直流電動機為單相永磁無刷直流電動機，所述定子齒和轉子磁極的數量均為偶數個。
13.根據權利要求1-7任一所述的無刷直流電動機，其特征在于，還包括 轉子位置傳感器，用于檢測所述轉子的當前相位位置并輸出轉子相位位置信號； 控制器，與所述轉子位置傳感器相連，用于根據接收到的所述轉子相位位置信號生成一按正弦波規律變化的驅動電流信號給繞組以實行換相 。
全文摘要
本發明提供一種無刷直流電動機。包括具有成對定子齒的定子、成對磁極的轉子、以及固定在所述轉子中心孔處的轉軸，每個所述定子齒繞制繞組，在定子的每個橫截面中，每個定子齒的齒頂圓弧線與定子齒的齒軸半徑的交點和該定子齒的齒頂圓弧線的圓心的連線，與該定子齒的齒軸半徑之間的具有大于0度且小于90度的機械偏心角。通過將定子齒的齒頂圓形狀設計為相對于轉子旋轉中心偏心的圓弧線，使得無刷直流電動機能夠消除啟動“死點”，順利啟動；還可配合正弦規律變化的電流驅動，而使氣隙磁場按正弦規律均勻變化，減少轉矩波動，降低振動噪音。
文檔編號H02K1/22GK102629811SQ20121005535
公開日2012年8月8日 申請日期2012年3月5日 優先權日2012年3月5日
發明者張唯, 章啟忠 申請人:浙江億利達風機股份有限公司