专利名称：一种单相自起动永磁同步电机的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种单相自起动永磁同步电机，属微电机领域，可用作洗衣机、洗碗 机等水泵的驱动电机、也可用作机动车发动机冷却系统和暖风系统循环泵的驱动电机、计 算机等电子设备液冷系统循环泵的驱动电机，也可用于其它方面。
背景技术：
这种电机是1970年代提出的特殊结构电机，采用永磁转子和U形铁心，并依靠特 殊的不均勻气隙实现起动。这种电机的转子为永磁转子，通常采用铁氧体永磁材料制作。由于铁氧体永磁材 料具有良好的抗锈蚀性能，可在水等液体中长期稳定工作，所以当用作微型泵(离心泵、轴 流泵或混流泵)的驱动电机时，通常是永磁转子也设置在泵壳内，通过共轴结构直接驱动 泵的叶轮，省去了泵轴的动密封，泵和电机也因此可制成一体，外形紧凑、结构极大简化、性 能显著提高。显然这种电机的典型应用是作为微型泵的驱动电机等。这种电机按电源的不同可分为(外同步)单相自起动永磁同步电机(singl印hase self-starting permanent magnet synchronous motor)禾口 单相无刷直流电机 (singlephase brushless DC motor或BLDC motor)两类,在不同的应用领域和不同的文献 中这两类电机也使用不同的名称。直接使用交流电或使用逆变电源供电时，属单相自起动 永磁同步电机，在此应用领域内，不同的文献还使用如U形铁心单相自起动永磁同步电机 (U-shaped core single phase self-startingpermanent magnet synchronous motor)、 单才百线起动i石兹同步电丰几(single phase linestart permanent magnet synchronous motor)、单相永磁电机(singl e phase permanentmagnet motor)等不同的名禾尔，如上述，这 类电机通常用于微型泵的驱动电机。随着转子位置检测技术和电子换向技术的成熟，这种 电机也可以使用直流电，实质上属自同步单相自起动永磁同步电机，但通常称为单相无刷 直流电机，但也有文献使用与上述(外同步)单相自起动永磁同步电机相同的名称，这类电 机可用作机动车发动机冷却系统和暖风系统循环泵的驱动电机、计算机等设备液冷系统循 环水泵的驱动电机等(计算机冷却风扇电机也属于这类，但不同的是计算机冷却风扇电机 采用外转子结构)。(外同步)单相自起动永磁同步电机结构简单，单相无刷直流电机起动 和调速等性能较好。本发明把这两类电机统称为单相自起动永磁同步电机。除上述的电源或同步方式(外同步、自同步)的差别外，单相自起动永磁同步电机 本身的结构基本是相同的，并具有结构简单、成本低廉、效率较高、性能可靠及使用寿命长 的优点。随着电子逆变技术和电子换向技术的进步、及新型(集成)驱动芯片(器件)的 不断出现，这种电机的性能得到不断改善，应用领域也更广泛，在微电机范围，有逐渐取代 传统电容式或罩极式单相异步感应电机及各种有刷直流电机的前景。这种电机由永磁转子、定子铁心和定子绕组构成，其公知结构是，采用内转子结 构，永磁转子是径向两极充磁的圆柱形永磁转子，沿径向，在永磁转子外侧是由U形定子铁 心和定子绕组构成的定子，U形定子铁心的端部有两个相对的定子磁极(极靴)，定子磁极内侧是两个相对的极弧，极弧与永磁转子间构成气隙，每侧极弧不是严格的圆弧形，以在定 子磁极中心线两侧形成气隙长度不等的所谓不均勻气隙(非对称气隙)，一般这种不均勻 气隙或由两段半径不同的圆弧形或弧形极弧构成，称为阶梯形不均勻气隙，但两侧定子磁 极的极弧形状及其所形成的不均勻气隙一般是关于永磁转子轴线对称的，这样的不均勻气 隙在静态时(加电前)可使永磁转子的定子磁极相对于定子磁极中心线向气隙长度小、磁 阻小的方向偏转一定的角度，即形成称为起动角的偏转角，起动角越大起动转矩就越大，这 样的设计使这种电机能够自起动。目前这种电机均采用这样的不均勻气隙实现起动。由于对永磁电机的分析比感应电机复杂，而且与其它永磁电机相比这种电机的定 子磁极结构较特殊，使对这种电机的分析研究变得困难，对其起动原理、运行原理和性能等 缺乏细致的研究和深入的认识，例如起动角是如何影响起动的？如何牵入同步的？起动和 牵入同步及同步时的振动是如何产生的？现有技术对这些问题的认识存在偏见，如认为阶 梯形不均勻气隙可形成较大的起动角；如认为起动角的存在可获得足够的电磁转矩使电机 迅速牵入同步，而忽视了永磁转子磁滞特性对牵入同步的作用；又如认为振动是由磁阻转 矩的不均勻性引起的，而忽视了起主要影响作用的电磁转矩的不均勻性的影响。显然，这种电机的性能主要受其定子结构、定子磁极结构和极弧形状的影响较大， 而现有技术对这些也缺乏细致的研究和深入的认识，在一些方面也存在偏见。现有技术在原理和结构研究和认识上的偏见，使现有技术在定子铁心结构、定子 磁极结构和极弧形状及其所形成的气隙长度等设计上有不合理之处，使现有技术在起动性 能和运行性能方面还存在以下缺陷1、每侧定子磁极上的极弧形状及其对应的气隙长度相对定子磁极中心线具有较 大的不对称性，虽然表面上观察这样的设计会加大静态时的起动角，但加电起动时，由于不 对称气隙长度的影响，定子绕组在气隙处产生的励磁场的方向并不在通常认为的定子磁极 中心线方向上，同样也会相对于定子磁极中心线向气隙长度小、磁阻小的方向偏转一定的 角度，使实际的起动角减小，起动转矩减小、起动性能较差。2、定子磁极间(与定子磁极中心线垂直方向)是两个较大的没有铁心的缺口，受 此特殊结构的限制，磁阻转矩显然是不均勻的。加电运行时，定子绕组产生的励磁场是作 用在定子磁极间的脉振磁场，简单地按双旋转理论将这个脉振磁场分解为两个相向的、在 360°范围内均勻的旋转磁场是偏见，因为在缺口处没有铁心，具有极大的磁阻，所以分解 后的旋转磁场在360°范围内是严重不均勻的，使电磁转矩也是不均勻的，磁阻转矩和电磁 转矩的不均勻使这种电机本身就有运行不平稳、振动和噪声较大的缺陷，现有技术对定子 磁极形状和极弧形状的设计加大了这种缺陷。3、同时，由于铁氧体等永磁材料的回复磁导率很小(磁阻很大)，而且作为微型泵 的驱动电机时，由于永磁转子和定子磁极之间要有隔离用的密封套(构成水泵壳体的一部 分，永磁转子在泵壳内，定子在泵壳外)，使这种电机的气隙(永磁转子和定子磁极间的距 离)较大，所以这种电机的漏磁较大。现有技术没有充分认识到这一点，因而在定子铁心的 结构设计上有缺陷，主要是定子磁极没有凸出来，使除定子磁极部分以外的定子铁心的两 个U形臂间的距离和磁阻相对偏小，使定子铁心的漏磁较大，电机损耗特别是杂散损耗等 较大，电机效率等综合性能降低。4、定子铁心也没必要一定是U形的，有些情况适合使用环形铁心，而且环形铁心在工艺等方面更合理。
发明内容
本发明的目的是提出一种单相自起动永磁同步电机，可以较好地解决现有技术的 上述缺陷，使这种电机的起动性能改善，运行平稳性改善，损耗减小，电机效率等综合性能 提尚。本发明装置是通过这样的技术方案实现的这种电机由永磁转子、定子铁心和定子绕组构成，并采用内转子结构，永磁转子是 径向两极充磁的圆柱形永磁转子，沿径向，在永磁转子外侧是由定子铁心和定子绕组构成 的定子，其特征是，定子有两个相对的并凸出的定子磁极(极靴)，使两侧定子磁极间的距 离相对缩短，每侧极弧从一端至另一端由四段组成，第一段极弧是圆弧型，在四段极弧中其 弧长最大，构成气隙长度相等的均勻气隙，且其气隙长度是气隙最小值，位置从一端开始、 延至接近定子磁极中心线，第二段极弧是弧型或近似弧型，构成均勻或近似均勻的气隙，且 相对于其它三段极弧，其气隙长度达气隙最大值，位置为前与第一段极弧相接、并越过定子 磁极中心线后与第三段极弧相接，第三段极弧是半径逐渐减小的弧型或近似弧形，构成气 隙长度逐渐减小的气隙，且其气隙长度小于气隙最大值、大于气隙最小值，位置为前与第二 段极弧相接、后与第四段极弧相接，第四段极弧也是圆弧型，弧长小于等于第一段极弧的弧 长二分之一，也构成气隙长度相等的均勻气隙，且其气隙长度也与第一段极弧的气隙长度 相同、也是气隙最小值，位置为前与第三段极弧相接、后延至每侧极弧的另一端。本发明电机还具有下述技术特征。两侧定子磁极的极弧形状及其所形成的不均勻气隙是关于永磁转子轴线对称 的；永磁转子由整体永磁体制成、或由几件永磁体制成；而永磁体采用粘结、烧结、或将永磁材料混合到树脂或塑料中以注射、挤出或热固 工艺方式制造；定子铁心是U形的定子铁心或环形的定子铁心，对U形的定子铁心，定子绕组安装 在定子铁心的两臂上，长出定子绕组的定子铁心的两个端部是两个相对的定子磁极，对环 形的定子铁心，环形定子铁芯上有两个相对的凸出的定子磁极，定子绕组安装在定子磁极 上；定子铁心采用硅钢板或低碳钢板以叠片形式制造，或采用铁粉等粉性软磁材料制 造；定子绕组是集中式绕组，定子绕组由一个定子绕组构成，或由两个定子绕组构成。本发明装置的工作原理是首先说明(外同步)单相自起动永磁同步电机起动和加速牵入同步原理、及同步 运行原理。根据本发明，定子磁极(极靴)凸出于两臂的内侧面，相对地加大了除定子磁极外 部分的距离和漏磁磁阻，相对地，降低了由定子铁心、气隙、永磁转子构成的主磁路的磁阻， 从而减小了漏磁，提高了气隙处的磁场强度，本发明可使电机效率和扭矩等性能提高。根据 本发明，第四段极弧处气隙和磁阻的减小、及每侧的极弧形状和气隙形状相对于定子磁极
5中心线具有较好的对称性，使气隙处的总磁阻减小、磁场强度提高，也使电机效率和扭矩等 性能提高。采用径向充磁的圆柱型永磁转子的充磁结构为，其磁极中心线处(中心部分)磁 场最强、偏离定子磁极中心线磁场渐弱。根据磁学原理，静态时，永磁转子的磁极要转向磁 阻最小的(定子)极弧段，所以决定起动角大小的因素是永磁转子磁极相对处极弧段的长 度和气隙长度，使它们形成的磁阻最小。根据本发明，第一段极弧弧长最大、气隙长度最小， 使第一段极弧处的磁阻最小，第二段极弧气隙长度最大，磁阻较大，使第二段极弧对起动角 的影响较小，而第三段极弧处，尽管气隙长度渐小、磁阻渐小，但与其相对的已不是永磁转 子磁极的中心部分，使第三段磁弧对起动角的影响也较小，所以永磁转子的磁极会转向第 一段极弧而形成起动角、并起动角会较大。由于第四段极弧的弧长明显小于第一段极弧的 弧长，所以静态时，永磁转子的磁极不会转向第四段定子磁极。加电起动时，定子绕组在电机主磁路及气隙处产生的励磁场是脉振磁场，根据本 发明，每侧定子磁极(极靴)的极弧形状及其气隙形状相对定子磁极(极靴)中心线具有 较好的对称性，使励磁场的中心线与定子磁极(极靴)中心线基本重合，所以本发明可使实 际起动角较大、起动转矩较大、永磁转子因此可获得更大的初始速度。根据双旋转理论，定子绕组产生的脉振磁场可分解为两个相向的旋转磁场，又根 据磁滞特性和类似磁滞电机的启动原理，已获得初始速度的永磁转子会获得大于反方向旋 转磁场产生的磁滞转矩的、并随转速增大而增大的同方向旋转磁场产生的磁滞转矩的持续 加速作用而加速牵入同步。实际起动角较大、起动转矩较大、永磁转子因此就可获得更大的初始速度，这对 (外同步)单相自起动永磁同步电机的起动非常重要。综合上述分析，本发明可使实际起动 角较大、起动转矩较大、永磁转子因此可获得更大的初始速度，并由此获得更大的磁滞转矩 而更快地加速牵入同步，使电机的起动性能获得改善和提高。根据本发明，每侧定子磁极的极弧形状及其气隙相对定子磁极中心线本身具有较 好的对称性，电机同步运行时，可使定子绕组产生的脉振磁场所分解成的旋转磁场的均勻 性得到改善，所以本发明可使电磁转矩的均勻性改善。同样本发明也可使磁阻转矩的均勻 性改善性改善。综合两方面，本发明可使(外同步)单相自起动永磁同步电机的振动和噪 声明显降低、运行平稳性改善。下面说明单相无刷直流电机的起动和加速原理、及运行原理。由于结构基本相同，本发明也可使单相无刷直流电机的实际起动角较大、起动转 矩较大、永磁转子因此可获得更大的初始速度，这对单相无刷直流电机的起动同样重要。但 与(外同步)单相自起动永磁同步电机不同，由于具有转子位置检测技术和电子换向技术， 单相无刷直流电机在起动和获得初始速度后即可自同步加速，直至与负载转矩平衡而达到 其稳定运行转速，所以单相无刷直流电机具有更好的起动性能。基于同样的原理，本发明可使单相无刷直流电机的振动和噪声明显降低、运行平 稳性改善。无论是(外同步)单相自起动永磁同步电机、还是单相无刷直流电机，当使用直流 电源时，要采用电子逆变技术或电子换向技术产生脉振磁场，包括采用全控(全波)方式为 全部(一个或两个)定子绕组同时提供交流电流，以产生脉振磁场，或采用半控(半波)方式为两个定子绕组交替提供直流电流，以使两组定子绕组在铁心中交替产生方向相反的磁 场，从而在电机主磁路中(气隙处)合成脉振磁场。对(外同步)单相自起动永磁同步电机时，可采用变频(VF)方式控制其转速，对 单相无刷直流电机，可采用脉宽调制(PWM)方式控制其转速。本发明可产生的有益效果是1、使电机的起动性能改善。2、使电机振动和噪声减小、运行平稳性改善。3、使电机漏磁减小，损耗减小、特别是杂散损耗显著减小，电机效率和扭矩等性能提尚。5、在保证电机性能不降低的情况下，通过本发明可减小定子绕组的体积和电机的 体积，减小定子绕组电磁线和定子铁心的重量，降低制造成本。6、在用于水泵驱动电机等典型应用中，永磁转子和定子磁极(极靴)之间有一般 由塑料制成的筒形密封套，由于第四段极弧和第一段极弧半径相同，可使永磁转子和定子 磁极间的定位更准确，制造装配更简单，制造质量更容易保证。
图1是本发明实施例的主视图。图2是图1的A-A剖视图。图中各标号名称为1、定子磁极(极靴)中心线，2、定子磁极(极靴)，3、永磁转 子，4、转子轴，5、第一段极弧，6、第二段极弧，7、第三段极弧，8、第四段极弧，9、定子绕组， 10、定子铁心。本实施例是一种用于驱动微型水泵的、直接使用220V50HZ交流电源的、具有U形 铁心的(外同步)单相自起动永磁同步电机电机，附图中只画出了与本发明有关的结构、零 件及其位置关系，其它结构或零件未画出。
具体实施例方式下面结合附图来说明本发明的具体实施方式
。由图1、图2可见，本发明由永磁转子(3)、定子铁心(10)和定子绕组(9)构成，永 磁转子(3)是径向两极充磁的圆柱形永磁转子，在永磁转子(3)外侧是由定子铁心(10)和 定子绕组(9)构成的定子，定子铁心(10)是U形的，定子绕组(9)安装在定子铁心(10)上， 长出定子绕组(9)的定子铁心(10)的两个端部是两个相对的定子磁极(2)，定子磁极(2) 内侧是两个相对的极弧，每侧极弧不是严格的圆弧形，以在定子磁极中心线(1)两侧形成 气隙长度不等的不均勻气隙，两侧定子磁极(2)的极弧形状及其所形成的不均勻气隙是关 于永磁转子轴线对称的，其特征是，定子磁极(2)凸出于U形定子铁心(10)两臂的内侧面， 使两侧定子磁极(2)间的距离相对缩短，每侧极弧从一端至另一端由四段组成，第一段极 弧(5)是圆弧型，在四段极弧中其弧长最大，构成气隙长度相等的均勻气隙，且其气隙长度 是气隙最小值，位置从一端开始、延至接近定子磁极(极靴)中心线(1)，第二段极弧(6)是 弧型或近似弧型，构成均勻或近似均勻的气隙，且相对于其它三段极弧，其气隙长度达气隙 最大值，位置为前与第一段极弧(5)相接、并越过定子磁极中心线(1)后与第三段极弧(7) 相接，第三段极弧(7)是半径逐渐减小的弧型或近似弧形，构成气隙长度逐渐减小的气隙，且其气隙长度小于气隙最大值、大于气隙最小值，位置为前与第二段极弧(6)相接、后与第 四段极弧(8)相接，第四段极弧(8)也是圆弧型，弧长小于等于第一段极弧(5)的弧长二分 之一(具体与电机尺寸及气隙大小有关，本实施例中为第一段极弧(5)弧长的1/3左右)， 也构成气隙长度相等的均勻气隙，且其气隙长度也与第一段极弧(5)的气隙长度相同、也 是气隙最小值，位置为前与第三段极弧(7)相接、后延至每侧极弧的另一端。本实施例采用 U形铁心，也可以采用环形铁心，环形铁心内侧有两个相对的定子磁极，定子磁极凸出于环 形形定子铁心的内侧面。单相永磁同步电机由于定子绕组小更适合采用环形铁心。永磁转子(3)由整体永磁体制成、或由几件永磁体制成，本实施例采用圆筒(环) 形整体永磁体，永磁转子(3)上制造或装配有转子轴(4)，或制造或装配有轴承，本实施例 采用以塑料挤出工艺固定的转子轴。永磁体可采用粘结、烧结、或将永磁材料混合到树脂 或塑料中以注射、挤出或热固工艺方式制造，本实施例采用烧结工艺制造；永磁材料有很多 种，由于铁氧体耐腐蚀性好，本实施例采用烧结工艺制造的整体铁氧体永磁体。定子铁心(10)采用硅钢板或低碳钢板以叠片形式制造，或采用铁粉等粉性软磁 材料制造，本实施例采用低碳钢板以叠片形式制造。定子绕组(9)是集中式绕组；定子绕组(9)由一个或由两个构成，本实施例采用 由两个定子绕组(9)构成。两个定子绕组(9)分别绕制完成后再安装在定子铁心(10)上。 两个定子绕组(9)是串联或并联连接的，磁场互相加强，本实施例采用串联连接。本实施例直接使用交流电源供电。但通过采用电子逆变技术或电子换流技术本发 明也可以使用直流电源供电。这里要特别说明的是第二段极弧(6)的形状及气隙长度，由于其作用只是加大此 段极弧的磁阻，导磁作用不重要，所以其形状不严格，为弧型或近似弧型，所以其具体形状 即可以是圆弧型的、形成均勻气隙，也可以是非圆弧型的，如直线形的、形成近似均勻的气 隙，或较好的半径逐渐减小的弧形的、形成气隙缓慢减小的近似均勻的气隙。但无论具体采 用何种弧形，与其它三段极弧相比，总体上第二段极弧(6)的气隙长度最大。由图1可见， 本实施例的第二段极弧(6)是直线型的。这里还要特别说明的是各段极弧间的连接(或过渡)。虽然从发明原理上考虑，第 一段极弧(5)与第二段极弧(6)之间的连接应采用阶梯形过渡，但从定子铁心(10)的冲压 (或粉压)制造工艺考虑，阶梯处的连接应采用圆滑过渡，所以，应象现有技术那样，采用近 似阶梯形或弧形的圆滑过渡。如图1所示，本实施例采用了这样的圆滑过渡。而第二段极 弧(6)与第三段极弧(7)之间的连接、及第三段极弧(7)与第四段极弧(8)之间的连接也 应采用圆滑过渡。本实施例的实验结果如下。测量本实施例的起动角为15°，优于原型。以本实施例电机与原型电机做驱动水 泵的试验。试验显示，实施例的起动时间比原型明显缩短。观测各种不同载荷(流量及扬 程)下的振动和噪声，本实施例的振动和噪音均明显减小。同时实施例的供电电流和功率 明显减小，证明本发明的各项性能明显改善。
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权利要求
一种单相自起动永磁同步电机，由永磁转子、定子铁心和定子绕组构成，并采用内转子结构，永磁转子是径向两极充磁的圆柱形永磁转子，沿径向，在永磁转子外侧是由定子铁心和定子绕组构成的定子，其特征是，定子有两个相对的并凸出的定子磁极(极靴)，使两侧定子磁极间的距离相对缩短，每侧极弧从一端至另一端由四段组成，第一段极弧是圆弧型，在四段极弧中其弧长最大，构成气隙长度相等的均匀气隙，且其气隙长度是气隙最小值，位置从一端开始、延至接近定子磁极中心线，第二段极弧是弧型或近似弧型，构成均匀或近似均匀的气隙，且相对于其它三段极弧，其气隙长度达气隙最大值，位置为前与第一段极弧相接、并越过定子磁极中心线后与第三段极弧相接，第三段极弧是半径逐渐减小的弧型或近似弧形，构成气隙长度逐渐减小的气隙，且其气隙长度小于气隙最大值、大于气隙最小值，位置为前与第二段极弧相接、后与第四段极弧相接，第四段极弧也是圆弧型，弧长小于等于第一段极弧的弧长二分之一，也构成气隙长度相等的均匀气隙，且其气隙长度也与第一段极弧的气隙长度相同、也是气隙最小值，位置为前与第三段极弧相接、后延至每侧极弧的另一端。
2.根据权利要求1所述的一种单相自起动永磁同步电机，其特征是，两侧定子磁极的 极弧形状及其所形成的不均勻气隙是关于永磁转子轴线对称的。
3.根据权利要求1所述的一种单相自起动永磁同步电机，其特征是，永磁转子由整体 永磁体制成、或由几件永磁体制成。
4.根据权利要求1或3所述的一种单相自起动永磁同步电机，其特征是，永磁转子上制 造或装配有转子轴，或制造或装配有轴承。
5.根据权利要求1、3或4所述的一种单相自起动永磁同步电机，其特征是，永磁体采用 粘结、烧结、或将永磁材料混合到树脂或塑料中以注射、挤出或热固工艺方式制造。
6.根据权利要求1所述的一种单相自起动永磁同步电机，其特征是，定子铁心是U形的 定子铁心或环形的定子铁心，对U形的定子铁心，定子绕组安装在定子铁心的两臂上，长出 定子绕组的定子铁心的两个端部是两个相对的定子磁极，对环形的定子铁心，环形定子铁 芯上有两个相对的凸出的定子磁极，定子绕组安装在定子磁极上。
7.根据权利要求1或6所述的一种单相自起动永磁同步电机，其特征是，定子铁心采用 硅钢板或低碳钢板以叠片形式制造，或采用铁粉等粉性软磁材料制造。
8.根据权利要求1或6所述的一种单相自起动永磁同步电机，其特征是，定子绕组是集 中式绕组，定子绕组由一个定子绕组构成，或由两个定子绕组构成。
全文摘要
一种单相自起动永磁同步电机，属微电机领域，用作微型水泵的驱动电机、及机动车发动机冷却系统和暖风系统循环泵的驱动电机、也可用于其它方面。发明的目的是改善其起动性能并提高运行性能。其特征是，具有两个凸出的定子磁极，每侧磁极的极弧由四段组成，第一段长度最长、气隙长度是最小值，第二段气隙长度是最大值、并在极靴中心线处，第三段气隙长度逐渐减小，第四段长度小于等于第一段的二分之一、气隙长度也是最小值。
文档编号H02K21/12GK101854105SQ20091024713
公开日2010年10月6日 申请日期2009年11月24日 优先权日2009年11月24日
发明者于佳衣, 于昊昱, 衣美凤 申请人:于佳衣