CN103973004B - 永磁电机转子组件及相应的永磁电机 - Google Patents

Abstract

永磁电机转子组件及相应的永磁电机。一种永磁电机转子组件，其包括：多个磁体容置槽，多个磁体容置槽沿着转子组件的周向方向间隔开地设置；以及多个永磁体，多个永磁体中的每一个设置在多个磁体容置槽中的每一个内，并且具有对称中心线。其中，多个永磁体中的每一个所对应的转子组件的外缘包括第一外缘和第二外缘，第一外缘和第二外缘中的每一个均包括远离对称中心线的第一曲线形外缘和靠近对称中心线的第二曲线形外缘，第一曲线形外缘与转子组件的中心的距离小于第二曲线形外缘与转子组件的中心的距离。采用根据本发明的转子组件的永磁电机提高了永磁体的抗退磁能力，减小了输出转矩的脉动。还涉及永磁电机定子组件以及相应的永磁电机。

Description

永磁电机转子组件及相应的永磁电机

技术领域

本发明涉及一种永磁电机的转子组件，更具体地，涉及一种能够减小永磁电机的输出转矩的脉动以及提高永磁电机的抗退磁能力的转子组件。还涉及一种永磁电机定子组件以及相应的永磁电机。

背景技术

在现有的变频制冷压缩机的应用中通常采用稀土永磁电机作为压缩机的驱动部件。稀土永磁体的磁能积是铁氧体永磁体的6倍至10倍，因此稀土永磁体被广泛地用于大功率、高效率的变频制冷压缩机中。但稀土永磁体价格昂贵，加工工艺复杂，因此大大地增加了稀土永磁电机的制造成本，从而使得采用这种电机的压缩机的成本相应地增加。此外，稀土元素不仅储量小，而且稀土元素的提炼对环境造成较大破坏、污染严重。因此，随着对环境保护要求的日趋严格，稀土元素的开采与提炼将需要付出更大的成本，因此其应用也将具有较大的局限性。

由于稀土磁铁具有以上所述的局限性，而铁氧体磁体的原材料来源广泛、成本低廉，逐渐成为取代稀土永磁体的一种经济的选择。但是，现有的铁氧体永磁电机存在输出功率和转矩相对较小、效率较低以及输出转矩脉动大的缺点，因此其仅能够应用于功率需求较小、精度要求不高的环境下。因此，现有技术中需要一种能够提高输出功率和转矩、效率增大而且转矩脉动小的铁氧体永磁电机。

发明内容

本发明提供一种永磁电机的转子组件，其包括：多个磁体容置槽，多个磁体容置槽沿着转子组件的周向方向间隔开地设置；以及多个永磁体，多个永磁体中的每一个设置在多个磁体容置槽中的每一个内，多个永磁体中的每一个均具有对称中心线。其中，多个永磁体中的每一个所对应的转子组件的外缘包括第一外缘和第二外缘，第一外缘和第二外缘中的每一个均包括远离对称中心线的第一曲线形外缘和靠近 对称中心线的第二曲线形外缘，第一曲线形外缘与转子组件的中心的距离小于第二曲线形外缘与转子组件的中心的距离。

本发明还涉及一种永磁电机定子组件，其包括：定子基部和多个定子齿，多个定子齿中的每一个均包括从定子基部朝向定子组件的中心延伸的颈部和从颈部的端部向两侧延伸的翼部。其中，定子组件的翼部的端部具有切口。

本发明进一步提供一种永磁电机，其包括定子组件和转子组件，转子组件旋转地容置在定子组件的内腔中。其中，转子组件为如上所述的永磁电机转子组件。

本发明还涉及一种永磁电机，其包括转子组件和定子组件，转子组件旋转地容置在定子组件的内腔中。其中，定子组件为如上所述的永磁电机定子组件。

附图说明

通过以下参照附图提供的对根据本发明的具体实施例的详细说明，将能够更加清楚地理解本发明的特征和优点，在附图中：

图1是示出根据本发明的永磁电机的示意图；

图2是示出根据本发明的永磁电机转子组件的示意图；

图3是示出根据本发明的永磁电机定子组件的示意图；

图4是图3所示定子组件的局部放大图；以及

图5是示出现有技术中的铁氧体永磁电机和根据本发明的铁氧体永磁电机的输出转矩的脉动的对比曲线图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。

如图1所示，示出根据本发明的永磁电机200。永磁电机200包括定子组件220和旋转地容置在定子组件220的内腔中的转子组件240。根据构造旋转电机的现有技术，通过使用转子轴、转子轴承和端盖将转子组件240定位在定子组件220的内腔内。

定子组件220包括定子基部221和从定子基部221沿着定子组件220的径向方向朝向定子组件220的内腔延伸的多个定子齿222。每个定子齿222包括从定子组件220的定子基部221延伸出的颈部224和从颈部224的端部分别向两侧延伸的翼部226。分别从相邻的两个颈部224的端部延伸的相对的两个翼部226的端部通过槽口相互分离。定子组件220的绕组228绕制在每个定子齿222的颈部224上，并在被供给电流时提供用于使转子组件240旋转的磁场。转子组件240包括沿其周向方向间隔开地设置的多个磁体容置槽242和容置在多个磁体容置槽242中的每一个内的永磁体244。在如图1所示的根据本发明的永磁电机200中，多个磁体容置槽242以及相应的永磁体244沿转子组件240的周向方向均匀间隔开地设置。

如图2所示，在根据本发明的永磁电机转子组件240中，每个永磁体244均具有通过转子组件240的中心O的对称中心线，比如，图2中示出的一个永磁体244具有对称中心线OA。每个永磁体244所对应的转子组件240的外缘包括第一外缘246和第二外缘248，有利地，第一外缘246和第二外缘248关于对称中心线OA对称。当然，第一外缘246和第二外缘248也可以不关于对称中心线OA对称，比如只要满足多个永磁体244关于转子组件240的中心O中心对称地布置即可。第一外缘246包括远离对称中心线OA的第一曲线形外缘246-1和第二曲线形外缘246-2，并且，第一曲线形外缘246-1上的点与转子组件的中心O之间的距离小于第二曲线形外缘246-2上的点与转子组件的中心O之间的距离。由于永磁体244的端部设置成对应于第一曲线外缘246-1，并且在第一曲线外缘246-1处形成与定子组件220的内缘的较大的间隙，由此能够减小定子绕组228所产生的磁场对永磁体244的端部的影响，从而提高了永磁体244的抗退磁能力。

有利地，第一曲线形外缘246-1为以转子组件240的中心O为圆心的同心圆弧外缘。进一步地，结合如上所述的特征来看，第二曲线形外缘246-2与转子组件240的中心O的距离大于同心圆弧外缘的半径Rmin。另外，第一曲线形外缘246-1也可以为其他曲线形状，比如多段直线或圆心相对于转子组件240的中心O偏移的弧形。在此，第二曲线形外缘246-2可以为以转子组件240的中心O为圆心的 圆弧形，并且此时，第二曲线形外缘246-2的半径大于作为同心圆弧外缘的第一曲线形外缘246-1的半径Rmin；或者第二曲线形外缘246-2可以为与作为同心圆弧外缘的第一曲线形外缘246-1不同心的圆弧形，或者为其他曲线形状。有利地，第二曲线形外缘246-2为圆弧形，其圆心O1相对于转子组件240的中心O偏移一定距离，其中所述偏移的距离称为偏心距e。进一步地，第一曲线形外缘246-1与第二曲线形外缘246-2相比更靠近转子组件240的中心O，并且第一曲线形外缘246-1形成在永磁体244的端部处，第二曲线形外缘246-2形成在永磁体244的中部位置处。比如在如图2所示的实施例中，对于图中所示的U形永磁体244来说，作为同心圆弧外缘的第一曲线形外缘246-1形成在U形永磁体244的端部所对应的外缘处，作为偏心圆弧外缘的第二曲线形外缘246-2从U形永磁体244的端部的附近朝向永磁体244的对称中心线OA延伸。与第一边缘246关于对称中心线OA对称的第二外缘248也包括第一曲线形外缘248-1和第二曲线形外缘248-2，其结构与第一外缘246的第一曲线形外缘246-1和第二曲线形外缘246-2的结构相同，在此省略对其的详细说明。第一外缘246的第二曲线形外缘246-2与第二外缘248的第二曲线形外缘248-2在对称中心线OA处接合。

对于每个永磁体244的磁极区域来说，转子组件240的外缘包括位于每个永磁体244的端部的两段第一曲线形外缘246-1和248-1以及位于每个永磁体244的中部位置处的两段第二曲线形外缘246-2和248-2。有利地，两段第一曲线形外缘246-1和248-1均为以转子组件240的中心O为圆心的同心圆弧外缘，两段第二曲线形外缘246-2和248-2均为圆心O1相对于转子组件240的中心O偏移偏心距e的偏心圆弧外缘。第一外缘246的第二曲线形外缘246-2和第二外缘248的第二曲线形外缘248-2在每个永磁体244的对称中心线OA上相交，并且转子组件240在第二曲线形外缘246-2和248-2的交点处具有最大半径Rmax。第一外缘246的第一曲线形外缘246-1和第二外缘248的第一曲线形外缘248-1关于永磁体244的对称中心线OA对称，第一外缘246的第二曲线形外缘246-2和第二外缘248的第二曲线形外缘248-2也关于永磁体244的对称中心线OA对称。相邻的两个永磁体244所对应的第一曲线形外缘具 有相同的半径并且彼此接合。

当将根据本发明的以上实施例所述的转子组件240旋转地安装在定子组件220的内腔中，形成如图1所示的永磁电机200时，在由作为同心圆弧外缘的第一曲线形外缘246-1形成的转子组件240的外缘与定子组件220的内缘之间形成气隙，称为同心气隙；在由作为偏心圆弧外缘的第二曲线形外缘246-2形成的转子组件240的外缘与定子组件220的内缘之间形成气隙，称为偏心气隙。由于第一曲线形外缘246-1相对于第二曲线形外缘246-2沿转子组件240的径向方向更靠近转子组件240的中心O，也就是说，第一曲线形外缘246相对于第二曲线形外缘246-2与定子组件220的内缘之间具有更大的气隙，因此，上述同心气隙沿转子组件240的径向方向的宽度大于上述偏心气隙沿转子组件240的径向方向的宽度。由于转子组件240具有由作为偏心圆弧外缘的第二曲线形外缘246-2形成的外缘，可以减小永磁电机200的输出转矩的脉动，并且能够增强转子组件240的聚磁效应。另外，在转子组件240的永磁体244的磁极部位采用由同心圆弧外缘形成的外缘，由于在同心圆弧外缘与定子组件220的内缘之间形成相对更大的同心气隙，因此，这种设计能够提高永磁体244的抗退磁能力。

以下对根据本发明的永磁电机200的转子组件240的相关尺寸进行详细地说明。形成根据本发明的转子组件240的外缘的第一曲线形外缘246-1的半径为Rmin，即为转子组件240的最小半径，此时，第一曲线形外缘246-1为同心圆弧外缘。相邻地接合的第二曲线形外缘246-2和248-2之间的交点与转子组件240的中心O之间的距离为转子组件240的最大半径Rmax。在此，Rmin和Rmax之间满足以下关系：1.0≤Rmax/Rmin≤1.15，有利地，两者的比值为1.0142，即，Rmax/Rmin=1.01。另外，转子组件240的沿圆周方向的最外侧顶点所形成的节圆的半径为Rm，则Rm=Rmax。进一步地，对于每个永磁体244而言，关于转子组件240的对称中心线OA对称的两段第二曲线形外缘246-2和248-2的两侧端部在转子组件240中所对应的圆心角称为第一圆心角θ1，每极永磁体244在转子组件240的整个圆周上所占据的圆心角称为磁极角θ，则第一圆心角θ1与磁极角θ之间满足以下关系：0.40≤θ1/θ≤0.85，有利地，θ1 与θ的比值为0.52，即，θ1/θ=0.52。在此需要说明的是，每极永磁体244的磁极角θ为每极永磁体244在转子组件中所平均占据的圆心角的大小，比如在图2所示的实施例中，共有6极永磁体244，则每极永磁体244的磁极角θ为360°/6，即60°。

此外，根据本发明的永磁电机200的转子组件240的同心圆弧外缘的圆心即为转子组件240的中心O，即第一曲线形外缘246-1为以转子组件240的中心O为圆心的同心圆弧外缘。在通过中心O并且与该同心圆弧外缘所相对应的永磁体244的对称中心线OA垂直的直线上沿着从该同心圆弧外缘指向偏心圆弧外缘的方向偏移偏心距e，即为偏心圆弧外缘的圆心O1。也就是说，偏心圆弧外缘的圆形O1从转子组件240的中心O向对称中心线OA的与偏心圆弧外缘相反的一侧偏移偏心距e。在根据本发明的实施例中，永磁体244的厚度为W1，即永磁体244的两个侧缘之间的最小距离为W1，则偏心距e与永磁体244的厚度W1之间满足以下关系：0.02≤e/W1≤0.8，有利地，偏心距e与永磁体244的厚度W1之间的比值为0.2811，即，e/W1=0.2811。由于作为偏心圆弧外缘的第二曲线形外缘246-2和248-2关于永磁体244的对称中心线OA对称，因此，第二曲线形外缘246-2的圆心O1与第二曲线形外缘248-2的圆心关于永磁体244的对称中心线OA对称。

在根据本发明的永磁电机200的定子组件220中，在定子齿222的翼部226的端部的面向定子中心O’的一侧上设置有切口227，如图3和图4所示。在理想状态下，当转子组件240安装在定子组件220的内腔中时，转子组件240的中心O与定子组件220的定子中心O’重合。切口227从翼部226的最外侧端部沿着定子齿222的面向定子中心O’的内缘向定子齿222的中部延伸，从而在切口227的位置处，在由定子齿222形成的定子组件220的内缘与安装在定子组件220的内腔中的转子组件240的外缘之间形成更大的间隙。切口227从定子齿222的翼部226的最外侧端部向中部延伸的跨距角度θ2的范围为1.5°至6°，有利地，切口227的跨距角度θ2为2.56°。在此需要说明的是，切口227的跨距角度θ2即为切口227沿定子组件220的周向方向的两侧的端部所对应的圆心角。另外，切口227沿定子组件220的径向方向的宽度W2的取值范围为 0.1mm至1.0mm，有利地，切口227的宽度W2为0.25mm。构成定子组件220的内缘的定子齿222的其他部分由半径相同的圆弧内缘构成。也就是说，定子组件220的内缘的除切口227之外的部分位于以O’为圆心的同一个圆上。切口227能够增大定子组件220的内缘的位于定子齿222的翼部226的端部的部分与转子组件240的外缘之间的间隙，从而能够调整由绕组228产生的磁场分布在靠近转子组件240的外缘处的强度。从而可以在转子组件240中的永磁体244的易于退磁的部位旋转经过翼部226的端部时，减小绕组228产生的磁场对永磁体244的易退磁部位的影响，从而能够改善永磁体244的抗退磁能力。另外，由于构成定子组件220的内缘的定子齿222的翼部226采用了阶梯式形式，由此还能够减少永磁电机的输出转矩的脉动以及减少定子绕组228的励磁漏磁，从而能够提高永磁电机的效率。

根据本发明的永磁电机200能够减少转子组件240所产生的谐波，由此减小永磁电机200的输出转矩的脉动，使得永磁电机200的运转更加平稳，从而能够提高永磁电机200的效率。另外，由于转子组件240在永磁体244的端部附近采用了半径相对更小的同心圆弧外缘，以及定子齿222的翼部226的端部具有切口227，由此能够提高永磁体244的抗退磁能力，从而能够延长永磁电机200的使用寿命。发明人经过试验验证得出以下数据，当采用铁氧体永磁体时，根据本发明的永磁电机200与现有技术中的均采用完整的圆周形式的定子组件和转子组件的永磁电机相比，其效率提升0.2％至0.8％，其效率与现有技术中的采用稀土永磁体的电机的效率大致相当。进一步地，根据本发明的采用铁氧体永磁体的永磁电机200与现有技术的铁氧体永磁电机相比，使得输出转矩的脉动减少30％至50％，从图5中的实验数据对比中可以看到这一点。如图5所示，示出根据现有技术的铁氧体永磁电机和根据本发明的铁氧体永磁体电机的输出转矩随时间而变化的对比曲线图。其中，根据现有技术的铁氧体永磁电机的输出转矩的峰值之间的差值为1.0898N·m，而根据本发明的铁氧体永磁电机200的输出转矩的峰值之间的差值为0.4923N·m。其中，进行对比实验的两种铁氧体永磁电机为相同型号和尺寸。由此可见，根据本发明的铁氧体永磁电机200大大地减小了其输 出转矩的脉动，由此能够相应地提高电机的效率。

以下对根据本发明的永磁电机转子组件、永磁电机定子组件以及相应的永磁电机做以概括性的说明。

在根据本发明的永磁电机转子组件的一个实施例中，第一外缘和第二外缘关于永磁体的对称中心线对称。

根据本发明的永磁电机转子组件的一个实施例，第一曲线形外缘为以转子组件的中心为圆心的同心圆弧外缘。

在根据本发明的永磁电机转子组件的另一个实施例中，第一曲线形外缘定位成对应于永磁体的端部。

根据本发明的永磁电机转子组件的再一个实施例，第二曲线形外缘对应于永磁体的中部。

在根据本发明的永磁电机转子组件的又一个实施例中，第一外缘的第二曲线形外缘为偏心圆弧外缘，偏心圆弧外缘的圆心相对于转子组件的中心偏移。

根据本发明的永磁电机转子组件的还一个实施例，偏心圆弧外缘的圆心位于垂直于永磁体的对称中心线并且通过转子组件的中心的直线上。

在根据本发明的永磁电机转子组件的另一个实施例中，偏心圆弧外缘的圆心从转子组件的中心向对称中心线的与第一外缘相反的一侧偏移偏心距，偏心距与永磁体的厚度的比值的范围为0.02至0.8。进一步地，偏心距与永磁体的厚度的比值为0.28。

根据本发明的永磁电机转子组件的再一个实施例，关于对称中心线对称并且邻接的两段第二曲线形外缘在转子组件中所对应的第一圆心角与相应的永磁体所对应的磁极角的比值的范围为0.40至0.85。有利地，第一圆心角与磁极角的比值为0.52。

在根据本发明的永磁电机转子组件的又一个实施例中，转子组件的位于第二曲线形外缘处的最大半径与转子组件的位于第一曲线形外缘处的最小半径之间的比值的范围为1.0至1.15。有利地，最大半径与最小半径的比值为1.01。

根据本发明的永磁电机定子组件的一个实施例，切口从翼部的端部沿着翼部的内缘朝向翼部的中部延伸。

在根据本发明的永磁电机定子组件的另一个实施例中，翼部上的切口沿着定子组件的径向方向的宽度为0.1至1.0mm。有利地，上述切口的宽度为0.25mm。

根据本发明的永磁电机定子组件的再一个实施例，其中，切口沿着定子组件的周向方向所对应的第二圆心角的范围为1.5°至6°。有利地，上述第二圆心角为2.56°。

在根据本发明的永磁电机的另一个实施例中，转子组件包括6个永磁体。

根据本发明的永磁电机的再一个实施例中，定子组件包括9个定子齿。

虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改进和变型。

Claims (20)

1.一种永磁电机转子组件(240)，包括：

多个磁体容置槽(242)，所述多个磁体容置槽(242)沿着所述转子组件(240)的周向方向间隔开地设置；以及

多个永磁体(244)，所述多个永磁体(244)中的每一个设置在所述多个磁体容置槽(242)中的每一个内，所述多个永磁体(244)中的每一个均具有对称中心线(OA)，

其中，所述多个永磁体(244)中的每一个所对应的转子组件(240)的外缘包括第一外缘(246)和第二外缘(248)，所述第一外缘(246)和所述第二外缘(248)中的每一个均包括远离所述对称中心线(OA)的第一曲线形外缘(246-1、248-1)和靠近所述对称中心线(OA)的第二曲线形外缘(246-2、248-2)，所述第一曲线形外缘(246-1、248-1)与所述转子组件(240)的中心(O)的距离小于所述第二曲线形外缘(246-2、248-2)与所述转子组件(240)的中心(O)的距离，

其中，所述第一外缘(246)的所述第二曲线形外缘(246-2)为偏心圆弧外缘，所述偏心圆弧外缘的圆心(O1)相对于所述转子组件(240)的中心(O)偏移，所述偏心圆弧外缘的圆心(O1)位于垂直于所述永磁体(244)的对称中心线(OA)并且通过所述转子组件(240)的中心(O)的直线上。

2.如权利要求1所述的永磁电机转子组件(240)，其中，所述第一外缘(246)和所述第二外缘(248)关于所述对称中心线(OA)对称。

3.如权利要求1所述的永磁电机转子组件(240)，其中，所述第一曲线形外缘(246-1、248-1)为以所述转子组件(240)的中心(O)为圆心的同心圆弧外缘。

4.如权利要求1-3中的任一项所述的永磁电机转子组件(240)，其中，所述第一曲线形外缘(246-1、248-1)定位成对应于所述永磁体(244)的端部。

5.如权利要求4所述的永磁电机转子组件(240)，其中，所述第二曲线形外缘(246-2、248-2)定位成对应于所述永磁体(244)的中部。

6.如权利要求1所述的永磁电机转子组件(240)，其中，所述偏心圆弧外缘的圆心(O1)从所述中心(O)向所述对称中心线(OA)的与所述第一外缘(246)相反的一侧偏移偏心距(e)，所述偏心距(e)与所述永磁体(244)的厚度(W1)的比值的范围为0.02至0.8。

7.如权利要求6所述的永磁电机转子组件(240)，其中，所述偏心距(e)与所述永磁体(244)的厚度(W1)的比值为0.28。

8.如权利要求1所述的永磁电机转子组件(240)，其中，关于所述对称中心线(OA)对称并且邻接的两段第二曲线形外缘(246-2、248-2)在所述转子组件(240)中所对应的第一圆心角(θ1)与相应的所述永磁体(244)所对应的磁极角(θ)的比值的范围为0.40至0.85。

9.如权利要求8所述的永磁电机转子组件(240)，其中，所述第一圆心角(θ1)与所述磁极角(θ)的比值为0.52。

10.如权利要求1所述的永磁电机转子组件(240)，其中，所述转子组件(240)的位于所述第二曲线形外缘(246-2)处的最大半径(Rmax)与所述转子组件(240)的位于所述第一曲线形外缘(246-1)处的最小半径(Rmin)之间的比值的范围为1.0至1.15。

11.如权利要求10所述的永磁电机转子组件(240)，其中，所述最大半径(Rmax)与所述最小半径(Rmin)的比值为1.01。

12.一种永磁电机(200)，包括：

定子组件(220)；和

转子组件，所述转子组件旋转地容置在所述定子组件的内腔中，所述转子组件为权利要求1-11中任一项所述的永磁电机转子组件(240)。

13.如权利要求12所述的永磁电机(200)，其中，所述定子组件(220)包括：

定子基部(221)；和

多个定子齿(222)，所述多个定子齿(222)中的每一个均包括从所述定子基部(221)朝向所述定子组件(220)的中心延伸的颈部(224)和从所述颈部(224)的端部向两侧延伸的翼部(226)，

其中，所述定子组件(220)的翼部(226)的端部具有切口(227)。

14.如权利要求13所述的永磁电机(200)，其中，所述切口(227)从所述翼部(226)的端部沿着所述翼部(226)的内缘朝向所述翼部(226)的中部延伸。

15.如权利要求14所述的永磁电机(200)，其中，所述翼部(226)上的所述切口(227)沿着所述定子组件(220)的径向方向的宽度(W2)为0.1至1.0mm。

16.如权利要求15所述的永磁电机(200)，其中，所述切口(227)的所述宽度(W2)为0.25mm。

17.如权利要求13-16中的任一项所述的永磁电机(200)，其中，所述切口(227)沿着所述定子组件(220)的周向方向所对应的第二圆心角(θ2)的范围为1.5°至6°。

18.如权利要求17所述的永磁电机(200)，其中，所述第二圆心角(θ2)为2.56°。

19.如权利要求12所述的永磁电机(200)，其中，所述转子组件(240)包括6个永磁体(244)。

20.如权利要求12所述的永磁电机(200)，其中，所述定子组件(220)包括9个定子齿(222)。