本發(fā)明涉及電機領域，尤其是涉及一種單相無刷電機及應用該單相無刷電機的電動工具。

背景技術：

單相電機具有低成本的優(yōu)點。但是單相無刷電機由于起動能力差，一直在一些需要大起動力矩的應用場合受到限制，如電動工具等，因此亟需一種起動能力強的單相無刷電機。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述技術的不足，提供一種單相無刷電機。

本發(fā)明提供的一種單相無刷電機，包括定子和可相對定子轉動的轉子，所述定子包括定子磁芯和繞設于所述定子磁芯的繞組，所述定子磁芯包括軛部和至少兩個從軛部向內延伸的齒，所述齒包括齒身和設于齒身末端的齒冠，所述齒冠包括分別向兩側延伸的第一極靴和第二極靴，所述轉子收容在所述至少兩個齒的第一極靴、第二極靴圍合的空間內；每個所述齒的第一極靴與第二極靴之間設有定位凹槽朝向所述轉子，所述定位凹槽偏向所述第一極靴，從而使所述第二極靴的朝向所述轉子的極面大于所述第一極靴的朝向所述轉子的極面。

進一步地，所述轉子包括沿轉子周向設置的若干永磁極，轉子的外周面不在一個圓周面上，使所述第一極靴、第二極靴的極面與轉子之間形成厚度不均勻的氣隙。

進一步地，所述轉子包括沿轉子周向設置的若干永磁極，所述轉子的外半 徑從永磁極周向中心向兩側逐漸減小。

進一步地，所述氣隙的最大厚度與其最小厚度的比值在2～4倍之間。

進一步地，所述電機還包括與定子繞組相連的控制器，通過控制器可改變通過定子繞組的電流的方向從而改變轉子的啟動方向，轉子朝一個方向的啟動能力大于朝另一相反方向的啟動能力。

進一步地，所述至少兩個齒中，其中一個齒的第一極靴與另一個齒的第二極靴相鄰且之間隔著槽口，所述第二極靴的長度大于或等于所述槽口的寬度與所述第一極靴的長度之和。

進一步地，所述定位凹槽的寬度是所述槽口寬度的1～2倍。

進一步地，所述定位凹槽的位置相對于所述轉子的轉動中心偏離所述齒的齒身的中心線10-15度。

進一步地，所述定位凹槽的寬度等于或大于所述齒的齒身的寬度。

進一步地，第一極靴與第二極靴的內周面到轉子中心的距離沿靠近齒身中心線的方向逐漸增加。

進一步地，所述槽口的寬度大于2毫米。

進一步地，所述轉子還包括轉子磁芯，所述若干永磁極由嵌裝到所述轉子磁芯內的多個永磁體形成。

進一步地，所述轉子磁芯的的外半徑從每個永磁體的周向中心向兩側逐漸減小。

進一步地，所述軛部為閉合的環(huán)形、閉合的框形或者開口的框形。

進一步地，所述轉子包括轉子磁芯和永磁體，所述永磁體安裝到所述轉子磁芯的表面或嵌入到所述轉子磁芯內以形成所述永磁極。

本發(fā)明還提供一種應用上述電機的電動工具,所述電動工具應用前述單相 無刷電機，所述單相無刷電機的定子齒采用非對稱結構，從而使得轉子朝一個方向的啟動能力大于朝另一相反方向的啟動能力。

本發(fā)明上述實施例的單相電機具有以下有益效果：通過增加定子齒及氣隙的非對稱程度從而增加電機的定位轉矩，減小電機處于自由狀態(tài)下停留的位置；通過使定位轉矩的零點避開電磁轉矩的過零點并盡量使其靠近電磁轉矩的最大值附近，從而增加電機的起動能力；由于非對稱性，電機轉子朝一方向的啟動能力比朝另一方向的啟動能力強，尤其適用于電動工具等場合。

【附圖說明】

圖1、圖2為本發(fā)明一種單相無刷電機的簡化示意圖；

圖3是圖1中轉子的簡化示意圖；

圖4是圖1中的電機的定位轉矩與電磁轉矩的關系曲線變化圖；

圖5是圖1中的電機轉子在自由停留位置的磁路分布圖；

圖6是圖1中的電機轉子在不穩(wěn)定點附近的磁路分布圖。

【具體實施方式】

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述。

參照圖1所示，本發(fā)明提供的一種單相無刷電機10，包括定子20和可相對定子20轉動的轉子30。定子20包括由具有導磁性能的軟磁性材料如硅剛片等制成的定子磁芯和繞設于定子磁芯的繞組28(圖中只顯示3個繞組)，定子磁芯包括軛部21和至少兩個從軛部21向內延伸的齒22，齒22包括齒身26和設于齒身26末端的齒冠23，齒冠23包括分別向兩側延伸的第一極靴24和第二極靴25，第一極靴24的朝向轉子30的極面長度小于第二極靴25的朝向轉子30的 極面長度。本說明書和權利要求書中，極靴的極面是指極靴的朝向轉子30的內側表面。優(yōu)選地，第一極靴24和第二極靴25的內周面不在同一圓周上。

此外，每個齒22在第一極靴24與第二極靴25之間還形成有定位凹槽50朝向轉子30，定位凹槽50偏向第一極靴24，使第二極靴25的極面大于第一極靴24的極面。

相對于相鄰的兩個齒22，其中一個齒的第一極靴24與另一個齒的第二極靴25相鄰，且該第一極靴24與該第二極靴25之間隔有槽口60，即相鄰的兩個齒22通過槽口60斷開。

如圖2所示，第一極靴24和第二極靴25的長度分別用L1和L2來表示，第一極靴24和第二極靴25的徑向厚度分別用W1和W2來表示，定位凹槽50的寬度用a表示，槽口60的寬度用b表示，本實施例中，L2>L1，優(yōu)選地，L2>＝L1+b，即，槽口60整體落于其兩側的兩個齒22的中分線的靠近第一極靴的一側。

本實施例中，定位凹槽50偏向于齒22的第一極靴24，具體的，定位凹槽50的中心位置偏離齒22的齒身26的中心線角度θ(以轉子30的中心O作為圓心角的頂點測量，該角度θ的一條邊為齒22的齒身26的中心線l1，另一條邊是穿過轉子中心O以及定位凹槽50中心點的線l2)，以進一步提高齒22的不對稱程度，優(yōu)選地，角度θ為10-15度。

本實施例中，定位凹槽50的寬度a基本上等于齒22的齒身26的寬度。在替換的方案中，定位凹槽50的寬度a可以小于或大于齒22的齒身26的寬度。

本實施例中，定位凹槽50的寬度a大于槽口60的寬度b，且小于槽口60的寬度b的2倍，即b<a<2b。優(yōu)選地，槽口60的寬度b大于2毫米(mm)，進一步地，大于2.5mm，采用開口較大的槽口60，有利于定子繞組的繞設，同時 可增加電機的定位轉矩(cogging torque)，減小電機處于自由狀態(tài)下停留的位置即定位轉矩小于摩擦轉矩的位置。

本實施例中，優(yōu)選地，第一極靴24徑向厚度W1沿遠離齒22的方向逐漸減小，第二極靴25的徑向厚度W2沿遠離齒22的方向逐漸減小。也就是說，第一極靴24、第二極靴25在越靠近槽口60的位置具有更大的磁阻。

參考圖1至圖3，轉子30收容在至少兩個齒22的第一極靴24、第二極靴25圍合的空間內，轉子30包括沿轉子30周向設置的若干永磁極32，轉子30的外周面不在同一個圓柱面上，因此，第一極靴24、第二極靴25的內周面與轉子30的外周面之間形成厚度不均勻的氣隙40。優(yōu)選地，該氣隙40的最大厚度與其最小厚度的比值在2～4倍之間。該設計有助于增加電機10的定位轉矩，減小電機處于自由狀態(tài)下停留的位置。

本實施例中，轉子30還包括轉子磁芯31，轉子磁芯31的中心具有安裝孔33以固定安裝到轉軸(圖上未畫出)。若干永磁極32由嵌裝到轉子磁芯31內的多個永磁體32形成，永磁極32的數量與定子齒22的數量相等。本實施例中，永磁極32和定子齒22的數量均為4個。

本實施例中，如圖3所示，轉子磁芯31的外周面為凹凸弧面結構，不在同一圓周上。具體地，轉子磁芯31的外半徑R(參考圖2)從對應于永磁極32周向中心的位置向永磁極32兩側逐漸減小，優(yōu)選地，轉子磁芯31的外周面關于通過永磁極32周向中心的轉子半徑對稱。第一極靴24與第二極靴25的內周面到轉子中心的距離沿靠近齒身中心線的方向逐漸增加，這樣，轉子磁芯31的外周面與第一極靴24、第二極靴25的內周面形成厚度不均勻的氣隙40。因此，轉子30停止時，轉子磁芯31外半徑最大的位置(也就是永磁體32周向中心的位置)更可能靠近第一極靴24或第二極靴25，避免轉子30停止在死點位置。

上述設計的優(yōu)點是避免轉子30停在死點位置，并且增加啟動時的電磁轉矩。具體地，如圖4所示，圖4上部的圖表表示一個電周期內電機的定位轉矩(cogging torque)變化曲線，其中，橫坐標表示時間，縱坐標表示定位轉矩?？梢岳斫獾?，電機10由運動到停止的過程中，當定位轉矩小于摩擦轉矩時，轉子30就可能停止下來。本發(fā)明上述設計提高了定位轉矩的峰值，轉子30在絕大部分位置下的定位轉矩大于摩擦轉矩，這樣，減小了電機處于自由狀態(tài)下停留的位置，從而可有效地避免轉子30停止在死點位置。

圖4下部的圖表表示電機10一個電周期內的電磁轉矩(其于反電動勢，也就是Back-EMF成正比)圖，其中，橫坐標表示時間，縱坐標表示電磁轉矩的大小。可以理解地，當電磁轉矩大于定位轉矩與摩擦轉矩之和時，轉子30才能啟動。

圖4中用指示線L5表示轉子30的定位轉矩為零的位置，優(yōu)選地，該停止位置與電磁轉矩為零的位置(也就是電磁轉矩曲線圖的過零點)相距40度以上的電角度。優(yōu)選地，在啟動階段，轉子朝一個方向啟動的平均輸出力矩與朝另一個方向啟動的平均輸出力矩之比大于11：9。

轉子30很可能停在定位轉矩等于或接近零的位置，例如圖4中指示線L5所在的位置。此時，由于電磁轉矩遠遠大于零，因此，電機10定子繞組通電后即具有足夠大的起動轉矩。

可以理解地，本發(fā)明的轉子30還具有雙方向起動能力，即，可通過與繞組28相連的電機控制器(圖未示)調換起動時通過定子20繞組28的電流方向使轉子30朝著想要的方向起動，通過控制定子20的繞組28的電流反向來控制轉子30的轉動方向。因為齒的不對稱性，當給定子繞組通以不同方向的電流時所產生的電磁轉矩大小不一樣，也即電機正反轉的起動轉矩不一樣，一個方向大， 一個方向小，此種設計尤其適用于電動工具等。

圖5和圖6分別顯示了電機轉子30的兩種可能停止位置。其中，圖5為自然狀態(tài)(摩擦轉矩很小的狀態(tài))下轉子的停止位置，轉子磁芯31外半徑最大的位置靠近第二極靴25，該位置所對應的定位轉矩、電磁轉矩可參考圖5左上部分的定位轉矩曲線圖、電磁曲線圖，本圖中，用指示線L5表示轉子30的停止位置。

圖6為轉子的不穩(wěn)定點，即轉子如果受到較大摩擦力，可能停止的位置。轉子磁芯31外半徑最大的位置靠近第一極靴24，該位置所對應的定位轉矩、電磁轉矩可參考圖6左上部分的定位轉矩曲線圖、電磁曲線圖，本圖中，用指示線L6表示轉子30的停止位置?？梢钥吹?，圖6所示的轉子30位置對應電機反電勢最大值附近，利于產生大的電磁轉矩，比圖5所示的轉子30位置具有更大的電磁轉矩。

本發(fā)明上述實施例中，定子磁芯的軛部21為閉合的環(huán)形，此時，定子繞組可安裝到齒22的齒身26?？梢岳斫獾?，定子磁芯的軛部21可以是閉合的框形，例如長方形，此時，定子繞組可安裝到齒22的齒身26。定子磁芯的軛部21還可以是開口的框形，例如U形或C形，此時，定子繞組可安裝到齒22的齒身26或者軛部21?？梢岳斫獾?，定子磁芯可以采用整體式，也可以采用分體式；定子磁芯的軛部與齒可以做成一體式，也可以做成分體式。

本發(fā)明上述實施例中，永磁體32嵌入到轉子磁芯31內?？梢岳斫獾兀来朋w32也可以安裝到轉子磁芯31的外表面。

上述實施例的定子齒皆采用凸極形式即極靴從齒身兩側沿周向伸出，可以理解地，定子齒也可以采用隱極形式即極靴未從齒身兩側沿周向伸出而是隱藏于齒身末端。

以上實施例僅表達了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，如對各個實施例中的不同特征進行組合等，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。