CN104578493A - 永磁铁旋转电机和使用其的压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够提高输出的埋入型的永磁铁旋转电机和使用其的压缩机。永磁铁旋转电机包括具有永磁铁(4)的转子(1)和隔着间隙与转子(1)相对地配置的定子(9)，定子(9)具有2∶3集中绕组，转子(1)具有埋设永磁铁(4)的转子铁心(2)，在转子铁心(2)的外周面，在转子(1)的相邻的极之间设有凹部(5)，凹部(5)的开度以电角计为约60°以上。

Description

永磁铁旋转电机和使用其的压缩机

技术领域

本发明涉及永磁铁旋转电机和使用其的压缩机。

背景技术

作为压缩机等中使用的旋转电机，广泛采用在转子中埋设永磁铁的埋入永磁铁(Interior Permanent Magnet，以下简称为IPM)结构。

作为具有IPM结构的旋转电机，专利文献1中记载了如下那样的永磁铁旋转电机：该永磁铁旋转电机包括定子和转子，其中定子具有凸极集中绕组，转子隔着旋转间隙相对于该定子配置，在内部在周向上配置固定有多个永磁铁，并且在其间具有辅助凸极。在该永磁铁旋转电机中，转子的极数与定子的槽数之比为2∶3，并且，当令定子的槽距(slot pitch)为τs(电角)时，永磁铁的定子侧的面的周向宽度相对于定子的轴所成的角度θ(电角)为(n＝1或2，m＝1、2或3)。由此，降低脉动转矩、齿槽转矩(cogging torque)或无负载感应电压的波形失真(波形变形)。

此外，专利文献2中记载了如下那样的永磁铁旋转电机：该永磁铁旋转电机包括定子和转子，其中定子被实施集中卷绕的电枢绕组而形成，转子在形成于转子铁心的多个永磁铁插入孔中收纳有永磁铁。在该永磁铁旋转电机中，在永磁铁的外周侧的转子铁心，形成有从转子的内周侧向外周侧延伸的多个狭缝，使狭缝的周向宽度在定子铁心的外周侧比在内周侧更窄，且将相邻的狭缝间的距离配置成转子铁心的外周侧的距离比内周侧的距离更窄，并且，以转子铁心的磁极角度以电角计在90度到120度范围的方式在转子铁心的外周面的极间形成有凹部。由此，感应电压波形接近正弦波，能降低谐波。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2001-251827号公报

专利文献2：日本特开2005-27422号公报

发明内容

发明想要解决的技术问题

在专利文献1中记载的永磁铁旋转电机中，使永磁铁的外周面的宽度相对于轴所成的角度在一定值以下时能够减少漏磁通。但由于永磁铁的外周面的宽度减小，因此存在磁铁磁通降低、输出降低的可能性。

另一方面，在专利文献2中记载的永磁铁旋转电机中，通过在转子铁心设置以电角计在90度到120度范围的凹部，能够降低漏磁通。但专利文献2中记载的转子形状在旋转电机高速运转时存在q轴电感Lq、铁损和磁铁涡电流损耗增大、输出降低的可能性。

于是，本发明提供能够提高输出的埋入型的永磁铁旋转电机和使用其的压缩机。

用于解决问题的技术方案

为了解决上述问题，本发明的永磁铁旋转电机包括：具有永磁铁的转子；和隔着间隙与转子相对地配置的定子，定子具有2∶3集中绕组，转子具有埋设永磁铁的转子铁心，在转子铁心的外周面，在转子的相邻的极之间设有凹部，凹部的开度(开口程度)以电角计为约60°以上。

另外，为了解决上述问题，本发明的压缩机包括：吸入制冷剂来将其压缩并排出的压缩机构部；和驱动压缩机构部的永磁铁同步电动机，永磁铁同步电动机为上述永磁铁旋转电机。

发明效果

根据本发明，能够提高永磁铁旋转电机的输出并且提高压缩机的效率。

上述之外的问题、结构和效果通过以下实施方式的说明可明确。

附图说明

图1表示作为本发明的第一实施例的埋入型的永磁铁同步电动机。

图2是关于集中绕组2∶3系列的磁铁磁通利用状态的研究结果。

图3表示转子的截面形状。

图4表示本实施例的永磁铁同步电动机的同步运转时的矢量图。

图5表示凹部的开度与磁铁中产生的涡电流损耗的关系。

图6表示转子的径向的尺寸与作用于转子的离心力的关系。

图7表示作为本发明的第二实施例的埋设型的永磁铁式同步电动机。

图8表示作为本发明的第三实施例的压缩机的截面结构图。

附图标记说明

1……转子

2……转子铁心

3……永磁铁

4……永磁铁收纳孔

5……凹部

6……曲柄轴(crank shaft)

7……肋(rib)

9……定子

11……齿(teeth)

13……固定涡盘(scroll)部件

14……端板

15……涡旋状涡齿(wrap)

16……旋转涡盘部件

17……端板

18……涡旋状涡齿

19a、19b……压缩室

20……排出口

21……架(frame)

22……压力容器

23……排出管

24……平衡配重(balance weight)

25……储油部

26……油孔

27……轴承

30……端子箱

40……极部

103……永磁铁同步电动机

具体实施方式

以下利用附图等，对本发明的实施例进行说明。此外，图中具有相同功能的部分有时附以相同附图标记并省略其重复说明。

【实施例1】

图1表示作为本发明的第一实施例的埋入型的永磁铁同步电动机。本图为转子和定子的轴向截面图。

本实施例在定子9的内周侧具有转子1。转子1和定子9以转子1的外周面与定子9的内周面隔着间隙相对的方式配置。此外，转子1被未图示的轴承以旋转自如的方式保持。转子铁心2中埋入有平板状的永磁铁3。在本实施例中，转子1的每个极埋入有一个平板状的永磁铁3。由此提高高速旋转时转子1对离心力的强度。对于转子1更详细的结构在后面说明。

定子9由定子铁心10和卷绕在定子铁心10的定子齿11的未图示的定子绕组(图8的12)构成。定子绕组在周向上依次配置有三相绕组U、V、W。各绕组跨多个齿卷绕。

如图1所示，在本实施例中，相对于齿数6个，转子的极数为4个，具有2∶3集中卷绕(集中绕组)方式的绕组结构。

图2是本发明者所进行的关于集中绕组2∶3系列的磁铁磁通利用状态的研究结果，利用该图对本发明者获得的新知识进行说明。图2的上图示意性地表示3槽的集中绕组定子和2极的转子磁极。在2∶3系列中，U+和U-、V+和V-、W+和W-各由一组绕组构成，U、V、W各相依次配置在周向上。图2的下图表示在U、V、W各相的绕组中未流通电流、只有永磁铁3产生磁通的情况下的间隙磁通密度分布。将磁通密度的最大值定义为[Bp，max]。如图2所示，在2∶3系列的集中绕组中，因固有的齿配置的影响，在相邻的磁极之间磁铁磁通的一部分在齿前端部形成短路回路(loop)，成为漏磁通。根据本发明者的研究结果，该角度以电角计为60度。

接着，利用图3、图4对q轴电感Lq与最大输出的关系进行说明。

图3表示转子1的截面形状。永磁铁同步电动机中将转子磁极的中心定义为d轴，将与d轴相比超前电角90度的轴定义为q轴。在IPM结构中，由于磁铁被埋入到转子内，因此d轴方向上磁铁厚度tm的量的部分，磁通难以通过，因此d轴电感Ld一般比q轴电感小(Ld＜Lq)。

图4表示本实施例的永磁铁同步电动机的同步运行时的矢量图。在本图中，将作为交流量的电流、电压和磁通转换成dq轴坐标系(旋转坐标系)，表示为直流量。在dq轴坐标系中，以永磁铁产生的定子绕组一相的交链磁通Ψp的相位为基准，令其为d轴，将相对于d轴在逆时针方向超前电角90度的轴、即极性相异的永磁铁之间的中心轴作为q轴。作为Ψq的时间微分的感应电动势E0在相位超前90度的q轴中产生。在产生转矩时，使电动机流过相电流I。I相对于E0的相位差为β时，I能够分解成d轴分量Id和q轴分量Iq。在不产生磁阻转矩(reluctance torque)的情况下，为了产生转矩，作为I，可以仅流过Iq。此时β＝0。

如果忽略定子绕组的电阻导致的电压下降(压降)量，令交流的角频率为ω时，驱动时的电动机电压V可表示为d轴电流Id产生的反作用磁通带来的压降ωLdId、q轴电流Iq产生的反作用磁通带来的压降ωLqIq和E0的矢量和。此外，电动机能够输出的最大电压Vmax由逆变器的直流输入电压和调制方式决定。

在此，在V＜Vmax时，为了在转速增加的情况下也产生转矩，只流过Iq即可，因此V表示为E0与ωLqIq的矢量和。此外，在V＝Vmax时，如果转速增加，则为了使电动机的端子电压固定在Vmax，因此Id开始流过。此时电压V由ωLdId、ωLqIq、E0的矢量和求出。当β达到90度时，由于q轴电流Iq无法流过，因此，输出转矩大致为0。因此，如果减少Lq，则减低相位差β，增加产生输出转矩的Iq，就能够增加最大输出。

如图3所示，在本实施例中，作为Lq增加的原因的q轴磁通(A，B)例如通过U相齿(未图示)-转子极部40-V相齿(未图示)的路径。因此，通过在转子1的q轴部分设置凹部5，增加上述q轴磁通的路径的磁阻，由此使q轴磁通难以通过，减低Lq。

以下针对本实施例中的转子的结构进一步详细地进行说明。

如图3所示，在本实施例中，在转子1的转子铁心2，具有细长的长方形的磁铁收纳孔4。通过在磁铁收纳孔4中插入平板状的永磁铁3，永磁铁3被埋设在转子铁心2。通过沿着周向设置多个永磁铁3和磁铁收纳孔4，在转子1的内部沿着周向构成4个极。4个磁极中，周向上相邻的两个磁极的极性互异，如果一方是S极，则另一方为N极。

另外，如图3所示，在转子铁心2的外周面，转子1的相邻两极之间设有凹部5。凹部5的最内径dc设定为比永磁铁4的位置的最内径dm小的值。即，在凹部5内的与转子1的极部的侧面S平行的方向(图中箭头D的方向)上，凹部5的底部bc比永磁铁4的底部bm更深，位于靠近转子的旋转中心侧的位置。因此，虽然转子铁心部位于比永磁铁4靠转子外周侧和转子内周侧的位置，但由于凹部5，通过比永磁铁4靠外周侧的部分的磁通A和通过靠内周侧的部分的磁通B都降低。由此，上述q轴电感Lq降低。

如上所述，通过降低Lp能够增加最大输出。另外，为使永磁铁式电动机高速旋转而流过d轴电流的所谓弱励磁控制因Lp降低而变得更有效。即，根据本实施例，能够使永磁铁式电动机高速化。此外，由于Lp降低，与定子铁心交链的磁通也得到降低，因此能够缓和定子铁心的磁饱和。因此能够提高转矩和输出。

在极间设置有凹部5，基于利用图2本发明者获得的如上所述的新知识，即磁铁磁通的漏磁通可能发生的区域为电角60度的范围这一点，使凹部5的开度θm为60°以上。由此，能够降低漏磁通，提高电动机输出。另外，如上所述，由于通过凹部5，q轴磁通得到降低，因此Lq降低。由此，能够增大电动机的最大输出。另外，通过设置凹部5，由于形成转子铁心的磁性体材料的量减少，因此降低了电动机的铁损，因此能够使电动机高效率化。此外，通过使凹部5的开度为60度以上，对漏磁通起作用的磁铁部分减少，因此能够减少对电动机输出没有贡献的无用的磁铁量。

接着，对本实施例中的永磁铁产生的涡电流损耗进行说明。

图5表示凹部5的开度θm与磁铁产生的涡电流损耗的关系。并且本关系根据本发明者的研究结果显而易见。θm以电角表示。本实施例中的涡电流损耗的大小与图5中θm为60度以上的情况对应。

如图5所示，通过使θm为60度以上，能够大幅度地降低涡电流损耗。磁铁涡电流损耗例如因为在U相绕组产生的磁通通过转子极部40进入V相和W相时该路径中存在永磁铁3而产生。对此，本实施例中通过使θm在60度以上，磁通路径的磁阻增大，磁通难以通过，因此降低了磁铁涡电流。此外，本实施例中为了增加永磁铁3的磁通、使电动机小型化而使用了钕磁铁，而在钕磁铁的情况下，由于与铁氧体(ferrite)磁铁相比导电率更高，因此有较大的涡电流流过，所以本实施例的涡电流损耗降低效果更为显著。

如上所述，通过使θm在60度以上，能够降低漏磁通，提高电动机输出和转矩，并且能够降低涡电流损耗，而根据本发明者的研究，即使是在转子铁心的制作精度例如电角±3度或者机械角±1度的范围内比60度小的角度，也可达到实质上相同的效果。在此，制造精度例如为在构成转子铁心的硅钢板上形成磁铁收纳孔4时的冲裁加工精度或插入到磁铁收纳孔4的永磁铁的位置精度等。此外，θm在制造精度的范围内比60度小的情况下，与θm为60度以上的情况相比，输出和转矩的提高的程度较低，但具有脉动转矩降低的优点。

图6表示本实施例的转子的径向的尺寸与作用于转子的离心力的关系。本图为本发明者的研究结果。在图8中，纵轴表示作用于图3所示的磁铁收纳孔4的端部的转子铁心2的薄壁部分a的离心力，横轴表示图3中的永磁铁3的位置d2与转子铁心2的外径d1之比即d2/d1。在本实施例中，永磁铁3的位置d2对应于永磁铁4的转子外周侧的面与旋转中心的距离。此外，纵轴所示的离心力利用峰值进行归一化。

根据图6，在d2/d1＝0.5时离心力最大。因此为了提高转子的机械强度的可靠性，优选为d2/d1＜0.5或d2/d1＞0.5，避开d2/d1＝0.5。为了降低上述的q轴电感，优选使比永磁铁3靠外侧的铁心部分与比永磁铁3靠内侧的铁心部分相比较少。因此，优选为d2/d1＞0.5。此外由于本实施例具有IPM结构，d2/d1的上限为1。另外，根据本发明者的研究，为了提高转子的机械强度的可靠性，更优选为1＞d2/d1＞0.65。

此外，根据本发明者的研究，为了使定子绕组产生的磁通难以通过磁铁4来抑制涡电流损耗，优选为d2/d1≤0.8，如上所述，尤其在钕磁铁的情况下该效果显著。因此，为了兼顾机械强度的可靠性的提高和涡电流损耗的抑制，优选为0.65＜d2/d1≤0.8。

根据本发明者的研究，对于上述的d2/d1，只要在除了d2/d1＝0.5之外的范围且在转子的制造精度的范围内，即使低于上述下限或者超过上述上限也能够产生相同的效果。

【实施例2】

图7表示作为本发明第二实施例的埋入型的永磁铁式同步电动机。本图为转子的轴向截面图。并且定子与图1所示的第一实施例相同。

与第一实施例不同，在本实施例中，转子铁心2的四个位置的各凹部5内，设有一个圆弧状的肋7。肋的宽度w1例如为1mm。肋7的内周以及外周的接点C1和C2位于比永磁铁3的外周侧表面靠转子1的外周侧的位置。由此，由于转子形状的外周部呈大致圆形，因此能够降低一般按转速的三次方增加的风损耗(风损)。此外，由于在用于压缩机等时能够防止油的搅拌，因此提高了压缩机的效率。此外，通过设置肋7，能够防止应力集中到磁铁收纳孔4的端部的转子铁心2的薄壁部a，提高转子的机械强度的可靠性，使能够进行高速旋转。

在本实施例中，肋7的宽度w1为1.0mm，作为磁特性，w1越薄则磁铁端部的漏磁通越少，电动机的输出和效率越高。为了降低磁铁端部的漏磁通，肋7的宽度w1优选在永磁铁4的厚度tm以下。此外，在本实施例中，在各个凹部5肋为一个，但也可为多个，从而提高转子的机械强度。这种情况下，如果设于同一凹部5的肋7的宽度的总和在永磁铁4的厚度tm以下，则能够降低漏磁通。

【实施例3】

图8表示作为本发明的第三实施例的压缩机的截面结构图。

在图8的实施例中，压缩机构部是通过使直立在固定涡盘部件13的端板14上的涡旋状涡齿15与直立在旋转涡盘部件16的端板17上的涡旋状涡齿18啮合而构成。并且，通过曲柄轴6使旋转涡盘部件16做旋转运动来进行压缩动作。由固定涡盘部件13和旋转涡盘部件16构成的压缩室中位于最外径侧的压缩室19a、19b伴随着旋转运动向固定涡盘部件13和旋转涡盘部件16的中心移动，容积逐渐缩小。

当压缩室19a、19b到达固定涡盘部件13和旋转涡盘部件16的中心附近时，两压缩室内的压缩气体从与压缩室连通的排出口20排出。排出的压缩气体通过设于固定涡盘部件13和架21的气体通路(未图示)到达架21下部的压力容器22内，从设于压力容器22侧壁的排出管23排出到压缩机外。压力容器22内，内封有由定子9和转子1构成的永磁铁同步电动机103，通过转子1旋转来进行压缩动作。在永磁铁同步电动机103的下部，设有储油部25。由于旋转运动产生的压力差，储油部25内的油通过设于曲柄轴6内的油孔26，用于旋转涡盘部件16与曲柄轴6的滑动部、轴承27等的润滑。在压力容器22的侧壁，设有用于将定子绕组12引出到压力容器22的外侧的端子箱30，其中收纳有U、V、W各绕组的端子共3个。永磁铁同步电动机103通过采用上述实施例1或实施例2所述的永磁铁同步电动机，能够提高压缩机的效率。

在本实施例中，作为制冷剂，在压力容器22内封入R32制冷剂，该R32制冷剂的全球变暖潜势(Global Warming Potential)比当前的家用、商用空调机中广泛使用的R410A制冷剂更小。在使用R410A制冷剂的情况下，永磁铁同步电动机103的周围温度在80℃以上，而在使用R32制冷剂的情况下，周围温度进一步上升。因此，在永磁铁3为钕磁铁的情况下，高温下磁铁中产生的涡电流损耗增加，但通过采用上述实施例1或实施例2的永磁铁同步电动机，能够抑制因涡电流损耗导致的压缩机的效率下降。

此外，与R22、R407C、R410A等制冷剂相比，R32和氦(He)等制冷剂从缝隙的泄漏较大，压缩机的效率因泄漏损失而下降。特别是在低速运转时，相对于循环量的泄漏的比例更大。为了提高低循环量(低速运转)时的效率，有效的是通过使压缩机构部小型化并提高转速来获得相同的循环量，由此降低泄漏损失。此外为了确保最大循环量，有效的是提高最大转速。因此，本实施例的压缩机中通过采用能够高输出化和高速化的实施例1或实施例2的永磁铁同步电动机，能够使用R32制冷剂并提高效率。

此外，本发明并不限定于上述的各实施例，包含各种变形例。例如，上述实施例是为了对本发明易懂地说明而进行的详细说明，而不一定限定于具备所有结构。此外，可将某实施例的结构的一部分置换成其它实施例的结构，而且，还可以在某实施例中添加其它实施例的结构。另外，针对各实施例的结构的一部分，能够进行其它结构的追加、删除、置换。

例如，永磁铁3并不限定于钕磁铁，可以为其它稀土类磁铁或铁氧体磁铁。此外，转子的各极部所配备的永磁铁3的形状并不限定于一块平板状，可以为具有多个弯曲点和直线部分的截面形状，也可以为由两块平板状磁铁构成的V字状的截面形状。此外，永磁铁3可以不按每个极在周向上被分割而是构成为一体，也可以可在周向上分割成多个来配置。此外，永磁铁3也可以在轴向上分割成多个来构成，还可以不分割地构成为一体。

转子铁心2和定子铁心10可以由在轴向上叠置的层叠钢板构成，也可以由压粉磁芯或非晶金属等构成。在上述实施例中，定子绕组的结构为4极6槽的2∶3集中绕组，但只要极数与齿数之比为2∶3，也可以为6极9槽，还可以为8极12槽。此外，为了降低Lq，可以在转子极部40设置狭缝。

压缩机结构可以为图6所示的涡旋压缩机，也可以为旋转压缩机等具有其它压缩机构的压缩机。

制冷剂并不限定于R32制冷剂，也可为氦(He)、R22、R407C、R410A等其它制冷剂。

Claims (15)

1.一种永磁铁旋转电机，其特征在于，包括：

具有永磁铁的转子；和

隔着间隙与所述转子相对地配置的定子，

所述定子具有2∶3集中绕组，

所述转子具有埋设所述永磁铁的转子铁心，

在所述转子铁心的外周面，在所述转子的相邻的极之间设有凹部，

所述凹部的开度以电角计为约60°以上。

2.如权利要求1所述的永磁铁旋转电机，其特征在于：

所述凹部的深度比所述永磁铁的底部深。

3.如权利要求2所述的永磁铁旋转电机，其特征在于：

所述转子的外径d1与从所述转子的旋转中心到所述永磁铁的外周面的位置的距离d2之间的关系为(d2/d1)＞0.5。

4.如权利要求3所述的永磁铁旋转电机，其特征在于：

满足(d2/d1)≤0.8。

5.如权利要求2所述的永磁铁旋转电机，其特征在于：

所述转子的外径d1与从所述转子的旋转中心到所述永磁铁的外周面的位置的距离d2之间的关系为1＞(d2/d1)＞0.65。

6.如权利要求2所述的永磁铁旋转电机，其特征在于：

所述转子的外径d1与从所述转子的旋转中心到所述永磁铁的外周面的位置的距离d2之间的关系为0.65＜(d2/d1)≤0.8。

7.如权利要求1所述的永磁铁旋转电机，其特征在于：

在所述凹部内设有一个以上的肋。

8.如权利要求7所述的永磁铁旋转电机，其特征在于：

所述肋的宽度的总和为所述永磁铁的厚度以下。

9.如权利要求7所述的永磁铁旋转电机，其特征在于：

所述肋为圆弧状。

10.如权利要求1所述的永磁铁旋转电机，其特征在于：

所述永磁铁为稀土类磁铁。

11.如权利要求10所述的永磁铁旋转电机，其特征在于：

所述永磁铁为钕磁铁。

12.一种压缩机，其包括：

吸入制冷剂来将其压缩并排出的压缩机构部；和

驱动所述压缩机构部的永磁铁同步电动机，所述压缩机的特征在于：

所述永磁铁同步电动机为权利要求1所述的永磁铁旋转电机。

13.如权利要求12所述的压缩机，其特征在于：

所述制冷剂为R32制冷剂。

14.一种压缩机，其包括：

吸入制冷剂来将其压缩并排出的压缩机构部；和

驱动所述压缩机构部的永磁铁同步电动机，所述压缩机的特征在于：

所述永磁铁同步电动机为权利要求7所述的永磁铁旋转电机。

15.如权利要求14所述的压缩机，其特征在于：

所述制冷剂为R32制冷剂。