单向旋转电机及用于单向旋转电机的定子

摘要

本发明公开了一种单向旋转电机及用于单向旋转电机的定子。所述单向旋转电机包括定子和转子，所述定子具有沿其周向间隔设置的多个定子齿；所述转子可旋转地设在所述定子内，多个所述定子齿的数量与所述转子的极对数的最大公约数为1，所述定子齿的朝向所述转子的表面上设有辅助槽，在所述定子的横截面内，所述辅助槽在所述定子齿的横向上沿与所述转子的旋转方向相反的方向偏离所述定子齿的纵向中心轴线。根据本发明的单向旋转电机具有性能好、振动和噪音小、稳定性高的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及电机制造技术领域，尤其是涉及一种单向旋转电机及用于单向旋转电机的定子。

背景技术

诸如风扇和泵类负载的驱动电机一般采用单向旋转电机，性能较差，振动和噪声较大，高速工作时的机械不稳定性高。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种单向旋转电机，所述单向旋转电机具有性能好、振动和噪音小、稳定性高的优点。

本发明还提出一种用于单向旋转电机的定子。

根据本发明第一方面实施例的单向旋转电机，包括：定子，所述定子具有沿其周向间隔设置的多个定子齿；转子，所述转子可旋转地设在所述定子内，多个所述定子齿的数量与所述转子的极对数的最大公约数为1，所述定子齿的朝向所述转子的表面上设有辅助槽，在所述定子的横截面内，所述辅助槽在所述定子齿的横向上沿与所述转子的旋转方向相反的方向偏离所述定子齿的纵向中心轴线。

根据本发明实施例的单向旋转电机，满足定子齿的数量与转子的极对数的最大公约数为1，并且，结合单向运行的特点引入辅助槽的设计，从而能够在具备高效率、高平稳运行特性的同时，减小不平衡磁拉力，降低高速运行时的振动和噪声，且不增加成本。

另外，根据本发明实施例的单向旋转电机还具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一些实施例，在所述定子的横截面内，所述辅助槽的边沿由直线段和/或弧形段构成。

可选地，在所述定子的横截面内，所述辅助槽的底边由与所述转子的外周面形状适配的弧形段构成，所述辅助槽的两侧边沿分别由直线段构成。

进一步地，在所述定子的横截面内，所述辅助槽的两侧边沿的内端在所述定子的周向上的距离小于所述辅助槽的两侧边沿的外端在所述定子的周向上的距离。

可选地，在所述定子的横截面内，所述辅助槽的边沿由依次连接的多个直线段构成。

可选地，在所述定子的横截面内，所述辅助槽的边沿由弧形段构成。

进一步地，所述弧形段为优弧形或劣弧形。

根据本发明的一些实施例，所述定子齿为三个且所述转子的极对数为1。

根据本发明第二方面实施例的用于单向旋转电机的定子，所述定子具有沿其周向间隔设置的多个定子齿，多个所述定子齿的数量与所述单向旋转电机的转子的极对数的最大公约数为1，所述定子齿的朝向所述转子的表面上设有辅助槽，在所述定子的横截面内，所述辅助槽在所述定子齿的横向上沿与所述转子的旋转方向相反的方向偏离所述定子齿的纵向中心轴线。

根据本发明实施例的用于单向旋转电机的定子，可以满足定子齿的数量与转子的极对数的最大公约数为1，并且，结合单向运行的特点引入辅助槽的设计，从而能够使单向旋转电机具备高效率、高平稳运行特性，同时减小单向旋转电机的不平衡磁拉力，降低单向旋转电机在高速运行时的振动和噪声，并且不增加单向旋转电机的成本。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明实施例的单向旋转电机的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的单向旋转电机的定子齿的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的单向旋转电机的不平衡磁拉力的示意图；

图4是根据本发明第一可选实施例的单向旋转电机的定子齿的结构示意图；

图5是根据本发明第二可选实施例的单向旋转电机的定子齿的结构示意图；

图6是根据本发明第三可选实施例的单向旋转电机的定子齿的结构示意图；

图7是根据本发明第四可选实施例的单向旋转电机的定子齿的结构示意图；

图8是根据本发明第五可选实施例的单向旋转电机的定子齿的结构示意图；

图9是根据本发明实施例的单向旋转电机的辅助槽的优化设计流程图。

附图标记：

单向旋转电机1，

定子100，辅助槽101，定子铁芯110，定子齿111，定子绕组120，

转子200，转轴210，永磁体220。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“径向”、“周向”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元件必须具有特定的方位、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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本申请基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：

诸如风扇和泵类负载的驱动电机一般采用单向旋转电机，为了减小高速旋转带来的损耗和驱动控制问题，此类电机的设计广泛采用单元电机的概念，即，电机的定子齿的数量(N)和转子的极对数(p)的最大公约数(GCD，Greatest Common Divisor)为1(GCD(N，p)＝1)，而为了获得更高的工作转速或者更小的转矩脉动，以获得高效率、高平稳的驱动特性，电机的定子齿的数量和转子的极对数的选取需要满足：GCD(N，2p)＝1，但是，在获得电机高性能的同时，此种设计会使得定子齿的数量(N)为奇数，而由于电机磁路的特殊性，会引入不平衡磁拉力(UMF，Unbalanced Magnetic Force)，因此，会增加电机的振动、噪声以及高速工作时的机械不稳定性。

现有技术中，要么忽略了不平衡磁拉力造成的影响，例如，直接采用未考虑减小UMF设计的3槽2极(N＝3，p＝1)电机；要么采用不能满足公式“GCD(N，2p)＝1”的电机结构，例如，采用绕组系数和运行效率均较低的6槽2极(N＝6，p＝1)结构。

为此，本发明提出一种单向旋转电机1，该单向旋转电机1具有性能好、振动和噪音小、稳定性高的优点。

下面参考图1-图9描述根据本发明第一方面实施例的单向旋转电机1。

如图1-图9所示，根据本发明实施例的单向旋转电机1，包括定子100和转子200。

具体而言，定子100具有多个定子齿111，多个定子齿111沿定子100的周向间隔设置。转子200可旋转地设在定子100内，多个定子齿111的数量与转子200的极对数的最大公约数为1，定子齿111的朝向转子200的表面上设有辅助槽101，在定子100的横截面内，辅助槽101在定子齿111的横向上沿与转子200的旋转方向相反的方向偏离定子齿111的纵向中心轴线。例如，转子200在定子100的横截面内沿逆时针方向旋转，辅助槽101在定子100的同一横截面内沿顺时针方向偏离定子齿111的纵向中心轴线。

本领域的技术人员可以理解地是，定子齿111的纵向为平行于定子100的径向的方向，定子齿111的横向为在垂直于定子100的纵向的平面内垂直于定子齿111的纵向的方向。

例如，定子齿111为三个且转子200的极对数为1，在定子100的横截面内，辅助槽101的两侧边沿的外端和定子100的圆心之间的假想连线相对定子齿111的纵向中心轴线偏离的角度分别为α和β，0＜α＜β，这里，辅助槽101的两侧边沿的外端指的是辅助槽101的两侧边沿的邻近转子200的一端。由此，在保证单向旋转电机1的高效率、低转矩脉动、高平稳运行特性的同时，减小甚至消除了单向旋转电机1的不平衡磁拉力，并且无需改变转子200的结构，不增加单向旋转电机1的成本。图3示出了根据本发明实施例的单向旋转电机1的不平衡磁拉力与现有技术中的单向旋转电机的不平衡磁拉力对比图，根据本发明实施例的单向旋转电机1的不平衡磁拉力可以减小为0。

此外，如图9所示，根据本发明实施例的单向旋转电机1，可以根据不同的负载运行工况，利用诸如有限元软件等优化方法对辅助槽101的偏离角度α和β以及辅助槽101的深度d进行优化分析，得出最佳的优化设计方案，实现本发明的辅助槽101的最佳应用效果。

根据本发明实施例的单向旋转电机1，满足定子齿111的数量与转子200的极对数的最大公约数为1，并且，结合单向运行的特点引入辅助槽101的设计，从而能够在具备高效率、高平稳运行特性的同时，减小不平衡磁拉力，降低高速运行时的振动和噪声，且不增加成本。

这里申请人需要强调地是：

相关技术中，对于定子齿的数量与转子的极对数的最大公约数不为1的电机，一些也在定子齿上设有辅助槽，这些辅助槽有些设置在定子齿的中心处，有些偏移设置，但这些辅助槽均无法达到在高速运行时减小不平衡磁拉力的作用，例如，对于定子齿的数量与转子的极对数的最大公约数不为1且设置偏移辅助槽的电机，其辅助槽的作用是产生斜槽效应。

对于定子齿的数量与转子的极对数的最大公约数为1的电机，有些也在定子齿上设有偏移的辅助槽，但这些辅助槽的偏移方向为沿着转子的旋转方向，且作用为提升电机最小转矩点的幅值，并非在高速运行下减小不平衡磁拉力。

而根据本发明实施例的单向旋转电机1，针对的是定子齿111的数量与转子200的极对数的最大公约数为1且为单向旋转的电机，并且，辅助槽101的偏移方向与转子200的旋转方向相反，从而能够在高速运行下减小不平衡磁拉力，相关技术中的辅助槽与本申请中的辅助槽101看似相似，但实际上，无论在所针对的电机类型，设置结构，还是作用上均不同。

根据本发明的一些实施例，如图1、图2和图4-图8所示，在定子100的横截面内，辅助槽101的边沿可以由直线段或弧形段构成，或者，辅助槽101的边沿可以由直线段和弧形段共同构成，可以根据实际负载工况选择最优的辅助槽101的形状。

例如，如图1和图2所示，在定子100的横截面内，辅助槽101的底边由弧形段构成，该弧形段与转子200的外周面形状适配，辅助槽101的两侧边沿分别由直线段构成。进一步地，在定子100的横截面内，辅助槽101的两侧边沿的内端在定子100的周向上的距离小于辅助槽101的两侧边沿的外端在定子100的周向上的距离，即，辅助槽101的两侧边沿分别沿定子100的径向由内向外且朝向彼此倾斜延伸。可以理解，辅助槽101的两侧边沿的内端相对辅助槽101的两侧边沿的外端更加邻近辅助槽101的底边，即，在定子100的径向上辅助槽101的两侧边沿的内端相对辅助槽101的两侧边沿的外端更加向外。

可选地，如图4和图5所示，在定子100的横截面内，辅助槽101的边沿可以由依次连接的多个直线段构成。其中，多个直线段中的部分个可以由弧形段替代，该弧形段与转子200的外周面形状适配，具体地，辅助槽101的两侧边沿分别由直线段构成，辅助槽101的底边由多个弧形段和至少一个直线段共同构成。例如，在图4所示的第一可选实施例中，辅助槽101的底边由两个弧形段和一个直线段共同构成，该直线段大体沿定子100的径向延伸；又如，在图5所示的第二可选实施例中，辅助槽101的底边由三个弧形段和两个直线段共同构成，所述三个弧形段中的距离转子200较近的两个位于同一圆周上，所述两个直线段分别沿定子100的径向延伸。

可选地，如图6和图7所示，在定子100的横截面内，辅助槽101的边沿可以由弧形段构成。例如，在图6所示的第三可选实施例中，弧形段可以为劣弧形；又如，在图7所示的第四可选实施例中，弧形段可以为优弧形。可以理解，优弧指的是所对圆心角大于180°的圆弧，劣弧指的是所对圆心角小于180°的圆弧。

当然，在定子100的横截面内，辅助槽101的边沿还可以由曲线拟合形成，例如，在图8所示的第五可选实施例中，辅助槽101的边沿为形状不规则的曲线。

下面参考附图详细描述根据本发明的一个具体实施例的单向旋转电机1，值得理解的是，下述描述只是示例性说明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1-图3和图9所示，根据本发明实施例的单向旋转电机1，包括定子100和转子200。

具体而言，定子100包括定子铁芯110和定子绕组120，定子铁芯110具有三个定子齿111，三个定子齿111沿定子铁芯110的周向间隔设置，定子绕组120缠绕在定子齿111上。转子200可旋转地设在定子100内，转子200包括转轴210和设在转轴210上的两个永磁体220。其中，定子齿111的朝向转子200的表面上设有辅助槽101，在定子100的横截面内，辅助槽101在定子齿111的横向上沿顺时针方向偏离定子齿111的纵向中心轴线，辅助槽101的底边由弧形段构成，该弧形段与转子200的外周面形状适配，辅助槽101的两侧边沿分别由直线段构成，且辅助槽101的两侧边沿的内端在定子100的周向上的距离小于辅助槽101的两侧边沿的外端在定子100的周向上的距离。

由此，根据本发明实施例的单向旋转电机1，满足定子齿111的数量与转子200的极对数的最大公约数为1，即该单向旋转电机1为3槽2极电机，在保证高效率、低转矩脉动、高平稳运行特性的同时，减小甚至消除了不平衡磁拉力，并且没有改变转子200的结构，不增加单向旋转电机1的成本。图3示出了根据本发明实施例的单向旋转电机1与现有技术中的单向旋转电机在相同的额定工况下的不平衡磁拉力对比图，根据本发明实施例的单向旋转电机1的不平衡磁拉力可以从50N减小为0。

此外，如图9所示，根据本发明实施例的单向旋转电机1，可以根据不同的负载运行工况，利用诸如有限元软件等优化方法对辅助槽101的偏离角度α和β以及辅助槽101的深度d进行优化分析，得出最佳的优化设计方案，实现本发明的辅助槽101的最佳应用效果。具体优化设计步骤如下：

S1：输入初始设计数据并建立初始有限元分析模型。

S2：根据实际运行工况判断单向旋转电机1是否为定速工作。

S3：如果单向旋转电机1定速工作，则设置仿真所需的电流、转速条件为额定工作点对应的数值；如果单向旋转电机1非定速工作，则判断单向旋转电机1是否处于全速度域工作。

S4：如果单向旋转电机1在从零到额定点的全速度区域运行，则设置仿真所需的电流、转速条件为半载工作点对应的数值；如果单向旋转电机1的工作速度区间并没有覆盖从零到额定点的速度区间，则设置仿真所需的电流、转速条件为实际工作速度区域的中间值所对应的转速和电流。

S5：设置最小转子不平衡力为优化条件，采用遗传算法进行优化。

S6：判断优化结果的转子不平衡力是否满足需求。

S7：如果优化结果的转子不平衡力不满足需求，则重复S5；如果优化结果的转子不平衡力满足需求，则输出最优结果的CAD模型。

如图1-图9所示，根据本发明第二方面实施例的用于单向旋转电机的定子100，定子100具有沿定子100的周向间隔设置的多个定子齿111，多个定子齿111的数量与单向旋转电机的转子的极对数的最大公约数为1，定子齿111的朝向转子的表面上设有辅助槽101，在定子100的横截面内，辅助槽101在定子齿111的横向上沿与所述转子的旋转方向相反的方向偏离定子齿111的纵向中心轴线。

根据本发明实施例的用于单向旋转电机的定子100，可以满足定子齿111的数量与转子的极对数的最大公约数为1，并且，结合单向运行的特点引入辅助槽101的设计，从而能够使单向旋转电机具备高效率、高平稳运行特性，同时减小单向旋转电机的不平衡磁拉力，降低单向旋转电机在高速运行时的振动和噪声，并且不增加单向旋转电机的成本。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”、“可选实施例”、“示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者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示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。