CN106169852A - 单相无刷电机及电动工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单相无刷电机及电动工具，电机包括定子和可相对定子转动的转子，定子包括定子磁芯和绕组，所述定子磁芯包括轭部和至少两个从轭部向内延伸的齿，所述齿包括齿身和设于齿身末端的齿冠，所述齿冠包括分别向两侧延伸的第一极靴和第二极靴，所述转子收容在所述至少两个齿的第一极靴、第二极靴围合的空间内；每个所述齿的第一极靴与第二极靴之间设有朝向所述转子的定位凹槽，所述定位凹槽偏向所述第一极靴，从而使所述第二极靴的朝向所述转子的极面大于所述第一极靴的朝向所述转子的极面。本发明的单相电机具有较大的起动转矩，起动能力强，且其朝一方向的启动能力比朝另一方向的启动能力强，尤其适用于电动工具等应用场合。

Description

单相无刷电机及电动工具
【技术领域】
本发明涉及电机领域，尤其是涉及一种单相无刷电机及应用该单相无刷电机的电动工具。
【背景技术】
单相电机具有低成本的优点。但是单相无刷电机由于起动能力差，一直在一些需要大起动力矩的应用场合受到限制，如电动工具等，因此亟需一种起动能力强的单相无刷电机。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种单相无刷电机。
本发明提供的一种单相无刷电机，包括定子和可相对定子转动的转子，所述定子包括定子磁芯和绕设于所述定子磁芯的绕组，所述定子磁芯包括轭部和至少两个从轭部向内延伸的齿，所述齿包括齿身和设于齿身末端的齿冠，所述齿冠包括分别向两侧延伸的第一极靴和第二极靴，所述转子收容在所述至少两个齿的第一极靴、第二极靴围合的空间内；每个所述齿的第一极靴与第二极靴之间设有定位凹槽朝向所述转子，所述定位凹槽偏向所述第一极靴，从而使所述第二极靴的朝向所述转子的极面大于所述第一极靴的朝向所述转子的极面。
进一步地，所述转子包括沿转子周向设置的若干永磁极，转子的外周面不在一个圆周面上，使所述第一极靴、第二极靴的极面与转子之间形成厚度不均匀的气隙。
进一步地，所述转子包括沿转子周向设置的若干永磁极，所述转子的外半径从永磁极周向中心向两侧逐渐减小。
进一步地，所述气隙的最大厚度与其最小厚度的比值在2～4倍之间。
进一步地，所述电机还包括与定子绕组相连的控制器，通过控制器可改变通过定子绕组的电流的方向从而改变转子的启动方向，转子朝一个方向的启动能力大于朝另一相反方向的启动能力。
进一步地，所述至少两个齿中，其中一个齿的第一极靴与另一个齿的第二极靴相邻且之间隔着槽口，所述第二极靴的长度大于或等于所述槽口的宽度与所述第一极靴的长度之和。
进一步地，所述定位凹槽的宽度是所述槽口宽度的1～2倍。
进一步地，所述定位凹槽的位置相对于所述转子的转动中心偏离所述齿的齿身的中心线10-15度。
进一步地，所述定位凹槽的宽度等于或大于所述齿的齿身的宽度。
进一步地，第一极靴与第二极靴的内周面到转子中心的距离沿靠近齿身中心线的方向逐渐增加。
进一步地，所述槽口的宽度大于2毫米。
进一步地，所述转子还包括转子磁芯，所述若干永磁极由嵌装到所述转子磁芯内的多个永磁体形成。
进一步地，所述转子磁芯的的外半径从每个永磁体的周向中心向两侧逐渐减小。
进一步地，所述轭部为闭合的环形、闭合的框形或者开口的框形。
进一步地，所述转子包括转子磁芯和永磁体，所述永磁体安装到所述转子磁芯的表面或嵌入到所述转子磁芯内以形成所述永磁极。
本发明还提供一种应用上述电机的电动工具,所述电动工具应用前述单相无刷电机，所述单相无刷电机的定子齿采用非对称结构，从而使得转子朝一个方向的启动能力大于朝另一相反方向的启动能力。
本发明上述实施例的单相电机具有以下有益效果：通过增加定子齿及气隙的非对称程度从而增加电机的定位转矩，减小电机处于自由状态下停留的位置；通过使定位转矩的零点避开电磁转矩的过零点并尽量使其靠近电磁转矩的最大值附近，从而增加电机的起动能力；由于非对称性，电机转子朝一方向的启动能力比朝另一方向的启动能力强，尤其适用于电动工具等场合。
【附图说明】
图1、图2为本发明一种单相无刷电机的简化示意图；
图3是图1中转子的简化示意图；
图4是图1中的电机的定位转矩与电磁转矩的关系曲线变化图；
图5是图1中的电机转子在自由停留位置的磁路分布图；
图6是图1中的电机转子在不稳定点附近的磁路分布图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
参照图1所示，本发明提供的一种单相无刷电机10，包括定子20和可相对定子20转动的转子30。定子20包括由具有导磁性能的软磁性材料如硅刚片等制成的定子磁芯和绕设于定子磁芯的绕组28(图中只显示3个绕组)，定子磁芯包括轭部21和至少两个从轭部21向内延伸的齿22，齿22包括齿身26和设于齿身26末端的齿冠23，齿冠23包括分别向两侧延伸的第一极靴24和第二极靴25，第一极靴24的朝向转子30的极面长度小于第二极靴25的朝向转子30的极面长度。本说明书和权利要求书中，极靴的极面是指极靴的朝向转子30的内侧表面。优选地，第一极靴24和第二极靴25的内周面不在同一圆周上。
此外，每个齿22在第一极靴24与第二极靴25之间还形成有定位凹槽50朝向转子30，定位凹槽50偏向第一极靴24，使第二极靴25的极面大于第一极靴24的极面。
相对于相邻的两个齿22，其中一个齿的第一极靴24与另一个齿的第二极靴25相邻，且该第一极靴24与该第二极靴25之间隔有槽口60，即相邻的两个齿22通过槽口60断开。
如图2所示，第一极靴24和第二极靴25的长度分别用L1和L2来表示，第一极靴24和第二极靴25的径向厚度分别用W1和W2来表示，定位凹槽50的宽度用a表示，槽口60的宽度用b表示，本实施例中，L2>L1，优选地，L2>＝L1+b，即，槽口60整体落于其两侧的两个齿22的中分线的靠近第一极靴的一侧。
本实施例中，定位凹槽50偏向于齿22的第一极靴24，具体的，定位凹槽50的中心位置偏离齿22的齿身26的中心线角度θ(以转子30的中心O作为圆心角的顶点测量，该角度θ的一条边为齿22的齿身26的中心线l1，另一条边是穿过转子中心O以及定位凹槽50中心点的线l2)，以进一步提高齿22的不对称程度，优选地，角度θ为10-15度。
本实施例中，定位凹槽50的宽度a基本上等于齿22的齿身26的宽度。在替换的方案中，定位凹槽50的宽度a可以小于或大于齿22的齿身26的宽度。
本实施例中，定位凹槽50的宽度a大于槽口60的宽度b，且小于槽口60的宽度b的2倍，即b<a<2b。优选地，槽口60的宽度b大于2毫米(mm)，进一步地，大于2.5mm，采用开口较大的槽口60，有利于定子绕组的绕设，同时可增加电机的定位转矩(cogging torque)，减小电机处于自由状态下停留的位置即定位转矩小于摩擦转矩的位置。
本实施例中，优选地，第一极靴24径向厚度W1沿远离齿22的方向逐渐减小，第二极靴25的径向厚度W2沿远离齿22的方向逐渐减小。也就是说，第一极靴24、第二极靴25在越靠近槽口60的位置具有更大的磁阻。
参考图1至图3，转子30收容在至少两个齿22的第一极靴24、第二极靴25围合的空间内，转子30包括沿转子30周向设置的若干永磁极32，转子30的外周面不在同一个圆柱面上，因此，第一极靴24、第二极靴25的内周面与转子30的外周面之间形成厚度不均匀的气隙40。优选地，该气隙40的最大厚度与其最小厚度的比值在2～4倍之间。该设计有助于增加电机10的定位转矩，减小电机处于自由状态下停留的位置。
本实施例中，转子30还包括转子磁芯31，转子磁芯31的中心具有安装孔33以固定安装到转轴(图上未画出)。若干永磁极32由嵌装到转子磁芯31内的多个永磁体32形成，永磁极32的数量与定子齿22的数量相等。本实施例中，永磁极32和定子齿22的数量均为4个。
本实施例中，如图3所示，转子磁芯31的外周面为凹凸弧面结构，不在同一圆周上。具体地，转子磁芯31的外半径R(参考图2)从对应于永磁极32周向中心的位置向永磁极32两侧逐渐减小，优选地，转子磁芯31的外周面关于通过永磁极32周向中心的转子半径对称。第一极靴24与第二极靴25的内周面到转子中心的距离沿靠近齿身中心线的方向逐渐增加，这样，转子磁芯31的外周面与第一极靴24、第二极靴25的内周面形成厚度不均匀的气隙40。因此，转子30停止时，转子磁芯31外半径最大的位置(也就是永磁体32周向中心的位置)更可能靠近第一极靴24或第二极靴25，避免转子30停止在死点位置。
上述设计的优点是避免转子30停在死点位置，并且增加启动时的电磁转矩。具体地，如图4所示，图4上部的图表表示一个电周期内电机的定位转矩(coggingtorque)变化曲线，其中，横坐标表示时间，纵坐标表示定位转矩。可以理解地，电机10由运动到停止的过程中，当定位转矩小于摩擦转矩时，转子30就可能停止下来。本发明上述设计提高了定位转矩的峰值，转子30在绝大部分位置下的定位转矩大于摩擦转矩，这样，减小了电机处于自由状态下停留的位置，从而可有效地避免转子30停止在死点位置。
图4下部的图表表示电机10一个电周期内的电磁转矩(其于反电动势，也就是Back-EMF成正比)图，其中，横坐标表示时间，纵坐标表示电磁转矩的大小。可以理解地，当电磁转矩大于定位转矩与摩擦转矩之和时，转子30才能启动。
图4中用指示线L5表示转子30的定位转矩为零的位置，优选地，该停止位置与电磁转矩为零的位置(也就是电磁转矩曲线图的过零点)相距40度以上的电角度。优选地，在启动阶段，转子朝一个方向启动的平均输出力矩与朝另一个方向启动的平均输出力矩之比大于11：9。
转子30很可能停在定位转矩等于或接近零的位置，例如图4中指示线L5所在的位置。此时，由于电磁转矩远远大于零，因此，电机10定子绕组通电后即具有足够大的起动转矩。
可以理解地，本发明的转子30还具有双方向起动能力，即，可通过与绕组28相连的电机控制器(图未示)调换起动时通过定子20绕组28的电流方向使转子30朝着想要的方向起动，通过控制定子20的绕组28的电流反向来控制转子30的转动方向。因为齿的不对称性，当给定子绕组通以不同方向的电流时所产生的电磁转矩大小不一样，也即电机正反转的起动转矩不一样，一个方向大，一个方向小，此种设计尤其适用于电动工具等。
图5和图6分别显示了电机转子30的两种可能停止位置。其中，图5为自然状态(摩擦转矩很小的状态)下转子的停止位置，转子磁芯31外半径最大的位置靠近第二极靴25，该位置所对应的定位转矩、电磁转矩可参考图5左上部分的定位转矩曲线图、电磁曲线图，本图中，用指示线L5表示转子30的停止位置。
图6为转子的不稳定点，即转子如果受到较大摩擦力，可能停止的位置。转子磁芯31外半径最大的位置靠近第一极靴24，该位置所对应的定位转矩、电磁转矩可参考图6左上部分的定位转矩曲线图、电磁曲线图，本图中，用指示线L6表示转子30的停止位置。可以看到，图6所示的转子30位置对应电机反电势最大值附近，利于产生大的电磁转矩，比图5所示的转子30位置具有更大的电磁转矩。
本发明上述实施例中，定子磁芯的轭部21为闭合的环形，此时，定子绕组可安装到齿22的齿身26。可以理解地，定子磁芯的轭部21可以是闭合的框形，例如长方形，此时，定子绕组可安装到齿22的齿身26。定子磁芯的轭部21还可以是开口的框形，例如U形或C形，此时，定子绕组可安装到齿22的齿身26或者轭部21。可以理解地，定子磁芯可以采用整体式，也可以采用分体式；定子磁芯的轭部与齿可以做成一体式，也可以做成分体式。
本发明上述实施例中，永磁体32嵌入到转子磁芯31内。可以理解地，永磁体32也可以安装到转子磁芯31的外表面。
上述实施例的定子齿皆采用凸极形式即极靴从齿身两侧沿周向伸出，可以理解地，定子齿也可以采用隐极形式即极靴未从齿身两侧沿周向伸出而是隐藏于齿身末端。
以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，如对各个实施例中的不同特征进行组合等，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种单相无刷电机，包括定子和可相对定子转动的转子，所述定子包括定子磁芯和绕设于所述定子磁芯的绕组，所述定子磁芯包括轭部和至少两个从轭部向内延伸的齿，所述齿包括齿身和设于齿身末端的齿冠，其特征在于：所述齿冠包括分别向两侧延伸的第一极靴和第二极靴，所述转子收容在所述至少两个齿的第一极靴、第二极靴围成的空间内；每个所述齿的第一极靴与第二极靴之间设有朝向所述转子的定位凹槽，所述第二极靴的朝向所述转子的极面大于所述第一极靴的朝向所述转子的极面。
2.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于，所述定位凹槽的中心朝所述第一极靴的方向偏离所述齿的齿身的中心线。
3.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于，所述转子包括沿转子周向设置的若干永磁极，转子的外周面不在同一个圆柱面上，从而使所述第一极靴、第二极靴的极面与转子的外周面之间形成厚度不均匀的气隙。
4.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述转子包括沿转子周向设置的若干永磁极，所述转子的外半径从永磁极周向中心向两侧逐渐减小。
5.根据权利要求3所述的单相无刷电机，其特征在于：所述气隙的最大厚度与其最小厚度的比值在2～4之间。
6.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述电机还包括与定子绕组相连的控制器，通过控制器可改变通过定子绕组的电流的方向从而改变转子的启动方向，转子朝一个方向的启动能力大于朝另一相反方向的启动能力。
7.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述至少两个齿中，第一齿的第一极靴与第二齿的第二极靴相邻且通过槽口分开，所述槽口整***于所述第一齿、第二齿的中分线的靠近所述第一齿的一侧。
8.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述至少两个齿中，第一齿的第一极靴与第二齿的第二极靴相邻且通过槽口分开，所述定位凹槽的宽度是所述槽口宽度的1～2倍。
9.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述定位凹槽的中心位置相对于所述转子的转动中心偏离所述齿的齿身的中心线10-15度。
10.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述定位凹槽的宽度等于或大于所述齿的齿身的宽度。
11.根据权利要求1至10任一项所述的单相无刷电机，其特征在于：第一极靴与第二极靴的内周面到转子中心的距离沿靠近齿身中心线的方向逐渐增加。
12.根据权利要求7或8所述的单相无刷电机，其特征在于：所述槽口的宽度大于2毫米。
13.根据权利要求3或4所述的单相无刷电机，其特征在于：所述转子还包括转子磁芯，所述若干永磁极由嵌装到所述转子磁芯内的多个永磁体形成，所述转子磁芯的的外半径从每个永磁极的周向中心向两侧逐渐减小。
14.根据权利要求1所述的单相无刷电机，其特征在于：所述定子磁芯的轭部为闭合的环形、闭合的框形或者开口的框形。
15.一种电动工具，其特征在于：所述电动工具包括如权利要求1至14任一项所述的单相无刷电机，所述单相无刷电机的转子朝一个方向的启动能力大于朝另一相反方向的启动能力。
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