一种三相无刷直流电机及正弦定子的制作方法
【专利摘要】一种三相无刷直流电机及正弦定子技术方案，有若干个齿5、齿4按圆周状间隔排列且齿5齿身宽度是齿4齿身宽度的二倍或二倍以上。铁芯磁极分别由齿5为主、左右齿4为辅三齿排列组成，且三齿极弧面气隙呈正弦规律分布状。利用齿4是相与相磁极共有的特点，具有相与相极磁场融合交接的作用，产生相似于圆形旋转磁场的效果，从而进一步降低了电机的脉动现象，使得电机启动平稳，制造成本降低，噪声降低，能耗降低，效率、转矩进一步提高。
【专利说明】一种三相无刷直流电机及正弦定子
【技术领域】
[0001] 本技术涉及电机领域，尤其是一种电子换相的三相无刷直流电机。
【背景技术】
[0002] 现有的三相无刷直流电机是永磁同步电机的一个分支，其电机定子铁芯圆内设有 凸形齿，单个凸齿用漆包铜线绕成一个极，凸极在圆上均等分布。一相磁极为径向一对。一 般是转子是4个凸极、定子是6个凸极或转子是6个凸极、定子是8个凸极或以上的双凸极 三相无刷直流电机，转子上设有永久磁极。通电时通过位置传感器、电子换向器对定子上的 每一相线圈按顺序逐一通电，定子铁芯上产生三相对称的磁场，分别带动转子旋转。
[0003] 无刷直流电机由于其宽广的调速范围及节能效果，被广泛应用于工业、国防等各 个领域。其缺点是电机运行时有脉动现象。其原因有多种，主要的是双凸极结构原因，使电 机换相时所产生的电磁转矩存在突变现象，以及转子上永磁磁体与定子上齿槽产生的自然 定位力矩等。因此，限制了在高精设备上的运用。
[0004] 而永磁同步电机的定子铁芯为多槽形的，里边的绕组为分布绕组，而配套使用的 换相电子装置，即：伺服控制器，使永磁同步电机有优良的正弦磁势波形和调速性能。因此， 被广泛运用于高精设备上。虽然有很好调速运行性能，但相比无刷直流电机来讲，其缺点是 制作成本较高，力能、效率逊色了一点。
[0005] 目前对于三相无刷直流电机转矩脉动减少的方法在本体上主要有以下几种类型： 定子斜槽或转子斜极、分数槽、磁性槽泥、闭口槽、无齿槽绕组以及增加定转子极数或优化 控制策略等方法，但还是不太理想，在某种程度上还增加了成本。
【发明内容】
[0006] 针对现有三相无刷直流电机或永磁同步电机存在不足，本技术方案是通过改变电 机定子形状，使极距变短、三齿极弧面气隙相似于呈正弦规律变化形状分布。改变了目前永 磁同步电机定子一极需要较多齿槽而能达到磁势正弦波形。利用齿4是相与相磁极之间共 有的特点，具有相与相极磁场融合交接的作用，产生相似于圆形旋转磁场的效果，使得三相 双凸极电机在换相时电磁转矩不至于突变，电机运行平稳，噪声降低，效率、转矩有进一步 提1?。
[0007] -种三相无刷直流电机及正弦定子技术方案，包括定子铁芯9和转子永久磁极 10。其中，有霍尔位置传感器安装于定子9机壳一侧旁支架13上与转子位置永久磁极12 组成三相电子换相电路装置中的信号采样部分。
[0008] 请参考图1，一种三相无刷直流电机及正弦定子技术方案，有若干个齿5与齿4按 圆周状交替间隔排列且齿5齿身与齿4齿身轴中性线之间的圆弧距离相等，若干条A相槽 6、B相槽7伴生于若干个齿5、齿4之间且槽面积相等，齿5齿身宽度是齿4齿身宽度的二 倍以上。
[0009] 因为电机的功率大小不同，齿5齿身宽度与齿4齿身宽度就根据电机功率大小形 状确定。
[0010] 本技术方案中的定子9绕组铁芯磁极与转子永久磁极10之间的极弧面气隙14为 非均匀气隙，是相似于按正弦规律变化的气隙。其中，定子中的齿5弧面是按正弦规律变化 的机械形状弧面，齿5弧面气隙为中间气隙小、两端气隙大的正弦渐变气隙，S卩：以齿5齿 身轴中性线为分界线沿齿5弧面向左右两端按正弦规律逐渐将气隙变大，齿4弧面气隙为 均匀气隙且稍大于齿5弧面两端气隙。
[0011] 单个线圈的嵌法是极距一跨四包绕着以齿4、齿5、齿4三齿为一极，一相中若干单 个线圈连接成一相绕组，每相绕组分别连接成若干同性磁极，每相中的每极铁芯分别由齿 4、齿5、齿4三齿排列组成且极弧面气隙呈正弦规律分布状。
[0012] A相绕组1嵌在A相槽6里包绕着齿4、齿5、齿4三齿组成A相铁芯磁极11与相 邻的B相绕组2嵌在B相槽7里包绕着齿4、齿5、齿4三齿组成B相铁芯磁极22与相邻的 C相绕组3嵌在C相槽8里包绕着齿4、齿5、齿4三齿组成C相铁芯磁极33在空间位置上 互为120°电角度。
[0013] 在齿4、齿5、齿4三齿排列组成的一极中，齿5为主齿，齿4为辅齿并为相与相磁 极共有，齿5齿身宽度是齿4齿身宽度的二倍或二倍以上。增大齿5齿身、缩小齿4齿身宽 度，一方面使极距变小，但一极总的铁芯磁密不变，极距变短，线圈就越小，定子线圈端部长 度变短，线圈电阻小、损耗就减少；由于组成一极的齿数仅仅三齿，从电机整体来看，定子槽 齿数越少，齿槽谐波量越少，损耗将进一步降低；由于采用齿5为主、左右齿4为辅三齿排列 组成一极，极弧面气隙呈正弦规律分布状，使得在线圈通电中所产生的磁势更接近于正弦 波形。
[0014] 一种三相无刷直流电机及正弦定子，还配置三相Η桥驱动器等电子换相电路控制 装置，根据需要不同，可以采用闭环的、也可以采用开环的来控制。
[0015] 所述的定子中每相为庶极式绕组，分别连接成若干Ν/Ν或S/S等极性一致的同性 磁极。
[0016] 所述的一种三相无刷直流电机的构成可以有不同的定子槽数和转子极数。
[0017] 下表列出了几种定子槽数与转子极数的对应关系。
[0018] 歪字齿槽数 |6 |12 |18 |24 |30 |36 |42 |i 极数 |2 |4 |6 |8 |l0 |l2 |l4 |--~
[0019] 不仅仅只有上述这些对应关系，还可以按照定子槽数是转子极数三倍的比例继续 延伸定子与转子的对应关系。
[0020] 所述的定子9铁芯槽口宽度为2mm至3mm。
[0021] 所述的转子永久磁极10 -极极距为（1?0. 8) X π D/P，D为转子直径，P为极数。
[0022] 若干对N/S永久磁极10间隔均匀布满在转子铁芯上。
[0023] 所述的凸极转子永久磁极10为圆形弧面，磁极为径向充磁或平行充磁，形状为瓦 形，粘在转子铁芯上。
[0024] 为了减少定位力矩，定子9齿槽或转子永久磁极10采用斜形设计。
[0025] 为了减少定子9斜槽度，在转子上采用斜形永久磁极10。其定子9齿槽与转子永 久磁体10为斜形，呈交叉形状且斜槽度相等。设当转子永久磁极10 -端的一极极弧面转至 与定子9 一极极弧面两锐角点相交时，另一端两极弧面之间的最大间距15为二倍以上的槽 口宽度。这个作为定转子斜槽度的参考。另外亦要权衡定转子铁芯长度对斜槽度的影响， 长度越长，其斜槽度越小，反之越大。
[0026] 为了确定转子位置，采用在三相互为120°电角度的极轴中性线处设一位置传感 器来确定转子的位置。
[0027] 三个位置传感器分别依次设在A相铁芯磁极11、B相铁芯磁极22、C相铁芯磁极 33的极轴中性线处。
[0028] 所述的转子位置永久磁极12与转子永久磁极10同轴且极对数相等，其一极极距 等于或小于转子永久磁极10 -极极距且在空间位置上互为90°电角度。
[0029] 不仅仅磁敏位置传感器能够确定转子位置，光敏位置传感器、或利用定子每相线 圈上的电感量大小同样可以确定转子的位置。
[0030] A相磁敏位置传感器控制A相绕组1，B相磁敏位置传感器控制B相绕组2, C相磁 敏位置传感器控制C相绕组3。
[0031] 当电机转子旋转时，永久磁极N极和S极轮流通过霍尔位置传感器HI、H2、H3,因 而产生对应转子位置的三个正的和三个负的霍尔电势，经放大后控制场效应管导通，使三 相定子绕组轮流切换电流。
[0032] 所述的一种三相无刷直流电机及正弦定子可以为内定子或外定子。
[0033] 所述的一种三相无刷直流电机及正弦定子外形可以为方形或圆形。
[0034] 所述的一种三相无刷直流电机及正弦定子可以为电动机或发电机。
[0035] 所述的一种三相无刷直流电机及正弦定子可以为直线电机。
[0036] 所述的直线电机定子结构可以看成是一台旋转的一种三相无刷直流电机及正弦 定子按径向剖开并展成平面而成。
[0037] 在所述的一种三相无刷直流电机及正弦定子中，齿4、齿5、齿4三齿组成一极，三 齿机械极弧面呈正弦规律分布状，极弧面气隙亦呈正弦规律分布状，线圈通电时所产生的 气隙磁势波形亦接近于正弦波形。增大齿5齿身、缩小齿4齿身宽度，使极距变短，但一极 总的铁芯磁密不变，极距变短，线圈就越小，定子线圈端部长度变短，线圈电阻小、损耗就减 少；由于组成一极的齿数仅仅三齿，从电机整体来看，定子槽齿数越少，齿槽谐波量越少，损 耗将进一步降低。
[0038] 在所述的一种三相无刷直流电机及正弦定子中，齿5为主齿，齿4为辅齿并为相与 相磁极共有。利用齿4是相与相磁极之间共有的特点，具有相与相极磁场融合交接的作用。 由于采用齿5为主、左右齿4为辅三齿排列组成一极，极弧面气隙呈正弦规律分布状，使得 在线圈通电中所产生的磁势波形更接近于正弦，产生相似于圆形旋转磁场的效果。
[0039] 采用本技术方案优点在于：①每相每极以齿5为主、左右齿4为辅三齿排列组成且 极弧面气隙呈正弦规律分布状，具有良好的正弦波磁势波形，利用齿4是相与相磁极之间 共有的特点，产生相似于圆形磁场的效果，具有相与相磁场融合交接的作用。克服了无刷直 流电机或永磁同步电机两种不足，是集两种优点的于一体的一种三相无刷直流电机。②线 圈嵌线简单，可以用嵌线机整体嵌入，减少人工操作强度。
【专利附图】
【附图说明】
[0040] 图1是一种三相无刷直流电机及正弦定子的定子、转子展开结构示意图。
[0041] 图1A是一种三相无刷直流电机及正弦定子四极实施例示意图。
[0042] 图1Β是一种三相无刷直流电机及正弦定子、转子四极实施例示意图。
[0043] 图2是一种三相无刷直流电机及正弦定子三相Η桥驱动器电子换相主电路。
[0044] 图3是一种三相无刷直流电机及正弦定子的电机总装结构示意图。
[0045] 图4是一种三相无刷直流电机及正弦定子的定转子交叉斜槽展开结构示意图。
[0046] 图中：1是Α相绕组、2是Β相绕组、3是C相绕组、4是齿、5是齿、6是Α相槽、7是 B相槽、8是C相槽、9是定子、10是转子永久磁极、11是A相铁芯磁极、12是转子位置永久 磁极、13是支架、14是气隙、15是间距、22是B相铁芯磁极、33是C相铁芯磁极。 具体实施例
[0047] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细说明。
[0048] 请参考图3,一种三相无刷直流电机电机及正弦定子，包括定子9、转子永久磁极 10等。其中，有霍尔位置传感器安装于定子9机壳的一侧旁与转子位置永久磁极12组成三 相电子换相电路中的信号采样部分。
[0049] 请参考图1A，一种三相开关磁阻电机及正弦定子四极模型，有二十四齿二十四槽， 材料是高导磁矽钢片或硅钢片。
[0050] 二十四槽分为八条A相槽6、八条B相槽7、八条C相槽8且槽面积相等，槽中分别 嵌有A相绕组1、B相绕组2、C相绕组3。
[0051] 二十四齿均分为十二个齿5、十二个齿4按圆周状交替间隔排列，齿5齿身与齿4 齿身轴中性线之间的圆弧距离相等，齿5齿身宽度是齿4齿身宽度的二倍或二倍以上。
[0052] 本例中，以齿5齿身宽度为7mm、齿4齿身宽度为2. 6mm设计。
[0053] 所述的定子9绕组铁芯磁极与转子永久磁极10之间极弧面气隙14为非均匀气 隙，是相似于按正弦规律变化的气隙。其中，定子9中的齿5弧面是按正弦规律变化的机械 形状弧面，齿5弧面气隙为中间气隙小、两端气隙大的正弦渐变气隙，S卩：以齿5齿身轴中性 线为分界线沿齿5弧面向左右两端按正弦规律逐渐将气隙变大，齿4弧面气隙为均匀气隙 且稍大于齿5弧面两端气隙。
[0054] 单个线圈的嵌法是极距一跨四包绕着齿4、齿5、齿4三齿为一极。
[0055] A相绕组1嵌在八个A相槽6里包绕着齿4、齿5、齿4三齿组成四个A相铁芯磁极 11与相邻的B相绕组2嵌在八个B相槽7里包绕着齿4、齿5、齿4三齿组成四个B相铁芯 磁极22与相邻的C相绕组3嵌在八个C相槽8里包绕着齿4、齿5、齿4三齿组成四个C相 铁芯磁极33在空间位置上互为120°电角度。
[0056] 四个A相铁芯磁极11、四个B相铁芯磁极22、四个C相铁芯磁极33极弧面分别由 齿5为主、左右齿4为辅三齿排列组成且极弧面气隙呈正弦规律分布状。
[0057] 所述的一种三相无刷直流电机的构成可以有若干不同的定子槽数和转子极数。
[0058] 下表列出了几种定子槽数与转子极数的对应关系。
[0059] 歪字齿槽数 |6 |12 |18 |24 |30 |36 |42 |4T 极数 |2 |4 |6 |8 |l0 |l2 |l4 |ii~
[0060] 不仅仅只有上述这些对应关系，还可以按照定子槽数是转子极数三倍的比例继续 延伸定子与转子的对应关系。
[0061] 所述的定子9铁芯槽口宽度为2mm至3mm。
[0062] 所述的定子其中每一相采用庶极式绕组，分别采用并联或串联的方法连接成N/N/ N/N或S/S/S/S四个同性磁极。比如，四个A相铁芯磁极11的极性都是N/N/N/N或S/S/S/ S极性一致的同性磁极，其余二相依次类推。
[0063] 请参考图3,所述的定子9机壳上按有支架13,支架13上设三个霍尔元件H1、H2、 H3,与三相霍尔元件径向所对应的是转子位置永久磁极12。
[0064] 所述的霍尔元件HI、H2、H3三者的轴中性线相隔机械角互为30°，与相隔机械角 互为30°的A相铁芯磁极11、B相铁芯磁极22、C相铁芯磁极33轴中性线方位一致。
[0065] 所述的转子位置永久磁极12与转子永久磁极10同轴且极对数相等，其一极极距 等于或小于转子永久磁极10 -极极距且在空间位置上互为90°电角度。请参考图1B。
[0066] 所述的转子永久磁极10 -极极距为（1?0. 8) X π D/P。D为转子圆直径，P为转 子极数。
[0067] 所述的转子永久磁极10为圆形弧面，磁极为平行充磁或径向充磁，形状为瓦形， 粘在转子铁芯上。
[0068] 为了降低齿槽力矩，常用两种方法，定子9齿槽斜形或转子永久磁极10斜极。
[0069] 请参考图4,另一种方法是，所述的定子9齿槽与转子10永久磁体为斜形，呈交叉 形状且斜槽度相等。设当转子永久磁极10 -端的一极极弧面旋转至与定子9 一极极弧面 两锐角点相交时，另一端两极弧面之间的最大间距15为二倍以上的槽口宽度。这个作为定 转子斜槽度的参考。另外亦要权衡定转子铁芯长度对斜槽度的影响，长度越长，其斜槽度越 小，反之越大。
[0070] 请参考图2,所述的一种三相无刷直流电机及正弦定子采用三相Η桥驱动器闭环 或开环电子换相电路装置控制。
[0071] Α相磁敏位置传感器控制Α相绕组1，Β相磁敏位置传感器控制Β相绕组2, C相磁 敏位置传感器控制C相绕组3。
[0072] 这里所述的以齿5为主、左右齿4为辅三齿排列组成一极与以齿4、齿5、齿4三齿 排列组成一极是指同一概念。
[0073] 所述的一种三相无刷直流电机及正弦定子应用广泛，通用性较强，可用于工业、国 防等自动化控制领域，如伺服电机，电动车电机，各种风机等等。
[0074] 需要说明的是：各种极数不同的电机有其工作的最佳点。
[〇〇75] 需要说明的是：本所述实施例为本发明的优选项目，但发明并不仅限于实施例，任 何在实质内容下的改进、替换或变换均属于本发明保护的范围。
【权利要求】
1. 一种三相无刷直流电机及正弦定子，包括三相互为120°电角的定子铁芯绕组、永 磁转子及其位置传感器等电子换相装置，其特征在于：所述的转子上设有若干对平行充磁 或径向充磁的N/S转子永久磁极（10)和转子位置永久磁极12,所述的定子（9)有若干个 齿（5)与齿⑷按圆周状交替间隔排列且齿（5)齿身与齿（4)齿身轴中性线之间的圆弧距 离相等，若干条相等的槽伴生于齿（5)与齿（4)之间且在均等的槽里嵌有三相绕组，每相绕 组分别连接成若干N/N或S/S极同性磁极并在磁极铁芯上设有三相位置传感器，每相绕组 中的每极铁芯分别由齿（4)、齿（5)、齿（4)三齿排列组成且极弧面气隙呈正弦规律分布状， 其中，每相绕组极数是转子永久磁极（10)极数的二分之一或定子（9)槽数是转子永久磁极 (10)极数的f倍，即：定子槽齿数与转子极数有下列对应关系， 定子齿槽数~|6 |12 |18 |24 |30 |36 |42 |48~ 转子极数 2 4 6 8 10 12 14 16~
2. 根据权利要求1所述的一种三相无刷直流电机及正弦定子，其特征在于：所述的三 相绕组为A相绕组（1)嵌在A相槽（6)里包绕着齿（4)、齿（5)、齿（4)三齿组成A相铁芯 磁极（11)与相邻的B相绕组（2)嵌在B相槽（7)里包绕着齿（4)、齿（5)、齿（4)三齿组成 B相铁芯磁极（22)与相邻的C相绕组（3)嵌在C相槽（8)里包绕着齿（4)、齿（5)、齿（4) 三齿组成C相铁芯磁极（33)在空间上互为120°电角度。
3. 根据权利要求1或2所述的一种三相无刷直流电机及正弦定子，其特征在于：所述 的齿5弧面是按正弦规律变化的机械形状弧面，齿（5)弧面气隙为中间气隙小两端气隙大 的正弦渐变气隙，齿（4)弧面气隙为均匀气隙且稍大于齿（5)弧面两端气隙。
4. 根据权利要求1或2或3所述的一种三相无刷直流电机及正弦定子，其特征在于： 所述的齿（5)齿身宽度是齿（4)齿身宽度的二倍或二倍以上。
5. 根据权利要求1所述的一种三相无刷直流电机及正弦定子，其特征在于：所述的转 子永久磁极（10) -极极距为（1?0. 8) X π D/P。
6. 根据权利要求1所述的一种三相无刷直流电机及正弦定子，其特征在于：所述的转 子位置永久磁极12与转子永久磁极10同轴且极对数相等，其一极极距等于或小于转子永 久磁极10 -极极距且在空间位置上互为90°电角度。
7. 根据权利要求1所述的一种三相无刷直流电机及正弦定子，其特征在于：所述的定 子（9)齿槽与转子永久磁极（10)为斜形，呈交叉形状且斜槽度相等。
8. 根据权利要求1或2所述的一种三相无刷直流电机及正弦定子，其特征在于：所述 的三相绕组为庶极式绕组，每相绕组分别连接成极性一致的同性磁极，即：若干N/N极或若 干S/S极。
9. 根据权利要求1所述的一种三相无刷直流电机及正弦定子，其特征在于：所述的三 相位置传感器为霍尔位置传感器HI、H2、H3,在空间位置上互为120°电角度，其霍尔位置 传感器H1、H2、H3轴中性线与空间位置互为120°电角度的A相铁芯磁极（11)、B相铁芯磁 极（22)、C相铁芯磁极（33)的轴中性线方位一致。
【文档编号】H02K1/27GK104092345SQ201410326325
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】顾明 申请人:顾明