CN105790458B - 永磁电机及具有其的压缩机、空调器 - Google Patents

永磁电机及具有其的压缩机、空调器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁电机及具有其的压缩机、空调器，所述永磁电机包括：定子和转子，定子包括形成为环形形状的定子轭部和沿定子轭部的内周壁的周向间隔设置的多个定子齿，相邻两个定子齿之间限定出定子槽，多个定子齿共同限定出中空内孔；转子设在中空内孔内，转子上形成有多个安装槽，每个安装槽内设有永磁体，定子和转子间的最小间隙为gmin，每个定子齿的齿宽为Bt，中空内孔的直径为D，gmin、Bt、D满足：12≤Bt/gmin≤14，68≤D/gmin≤79。根据本发明的永磁电机，通过使gmin、Bt、D满足：12≤Bt/gmin≤14，68≤D/gmin≤79，可以调节铜损和铁损的平衡，提高永磁电机的效率。同时降低永磁铁用量，降低永磁电机成本。

Description

永磁电机及具有其的压缩机、空调器
技术领域
本发明涉及电机制造技术领域，尤其是涉及一种永磁电机及具有其的压缩机、空调器。
背景技术
相关技术中，对于空调压缩机等家电领域用永磁同步电机，电机外径尺寸被空调压缩机壳体内径限定，电机在限定外径的条件下，提高电机的效率主要是调节电机的线负荷和磁负荷的平衡，即铜损和铁损的平衡。在定子轭部厚度一定的前提下，定子齿宽和定子内周的直径尺寸影响电机槽面积大小，也就是影响电机的线负荷，从而影响电机铜损，而定子齿宽的大小影响电机磁负荷，从而影响电机铁损。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种永磁电机，所述永磁电机的效率高。
本发明的另一个目的在于提出一种具有上述永磁电机的压缩机。
本发明的再一个目的在于提出一种具有上述压缩机的空调器。
根据本发明第一方面的永磁电机，包括：定子，所述定子包括定子轭部和多个定子齿，所述定子轭部形成为环形形状，所述多个定子齿沿所述定子轭部的内周壁的周向彼此间隔开设置，相邻两个所述定子齿之间限定出定子槽，所述多个定子齿共同限定出中空内孔；转子，所述转子设在所述中空内孔内，所述转子上形成有多个安装槽，每个所述安装槽内设有永磁体，其中，所述定子和所述转子之间的最小间隙为gmin，每个所述定子齿的齿宽为Bt，所述中空内孔的直径为D，其中，所述gmin、Bt、D满足：12≤Bt/gmin≤14，68≤D/gmin≤79。
根据本发明的永磁电机，通过使gmin、Bt、D满足：12≤Bt/gmin≤14，68≤D/gmin≤79，可以调节铜损和铁损的平衡，从而提高永磁电机的效率。
根据本发明的一些实施例，所述定子和所述转子之间的最大间隙为gmax，其中，所述gmax、gmin满足：1.8≤gmax/gmin≤2.5。
根据本发明的一些实施例，每个所述永磁体的厚度为Md，其中，所述Md、gmin满足：2.5≤Md/gmin≤3.5。
根据本发明的一些实施例，每个所述永磁体的宽度为Mw，其中，所述Mw、gmin满足：26≤Mw/gmin≤31。
根据本发明的一些实施例，所述定子轭部的厚度为Bj，其中，所述Bj、gmin满足：11.5≤Bj/gmin≤13.5。
根据本发明的一些实施例，所述定子槽的槽口宽度为b0，其中，所述b0、gmin满足：b0/gmin＝4.27。
根据本发明的一些实施例，所述定子和所述转子分别由多个电磁钢板叠置而成。
可选地，每个所述电磁钢板的厚度小于等于0.5mm。
根据本发明的一些实施例，每个所述永磁体为磁能积大于40MGOe的稀土铷铁硼永磁体。
根据本发明的一些实施例，所述永磁电机为集中卷9槽6极电机。
根据本发明第二方面的压缩机，包括根据本发明上述第一方面的永磁电机。
根据本发明第三方面的空调器，包括根据本发明上述第二方面的压缩机。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的永磁电机的示意图；
图2是图1中所示的永磁电机的铁损密度分布仿真结果示意图；
图3是传统的永磁电机的铁损密度分布仿真结果示意图；
图4是图1中所示的永磁电机与传统的永磁电机输出转矩变化曲线图，其中，曲线A为图1所示永磁电机的转矩变化曲线，曲线B为传统的永磁电机的转矩变化曲线；
图5是图1中所示的永磁电机与传统的永磁电机的铜损、铁损和效率对比图，其中，A为图1所示永磁电机的铜损、铁损和效率值，B为传统的永磁电机的铜损、铁损和效率值。
附图标记：
100：永磁电机；
1：定子；11：定子轭部；12：定子齿；13：定子齿；14：中空内孔；
2：转子；21：安装槽；211：凹槽；212：连通槽。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面参考图1-图5描述根据本发明实施例的永磁电机100。永磁电机100可以为永磁同步电机，但不限于此。进一步地，永磁电机100为永磁同步磁阻电机。在本申请下面的描述中，以永磁电机100为永磁同步电机为例进行说明。
如图1所示，根据本发明第一方面实施例的永磁电机100例如永磁同步电机，包括定子1和转子2。
参照图1，定子1包括定子轭部11和多个定子齿12，定子轭部11形成为环形形状，多个定子齿12沿定子轭部11的内周壁的周向彼此间隔开设置，多个定子齿12优选沿定子轭部11的周向均匀间隔设置，相邻两个定子齿12之间限定出定子槽13，定子1线圈可以穿过定子槽13缠绕在定子齿12上，多个定子齿12共同限定出中空内孔14，中空内孔14位于多个定子齿12的自由端(即内端)的内侧。这里，需要说明的是，方向“内”可以理解为朝向定子1中心的方向，其相反方向被定义为“外”，即远离定子1中心的方向。
转子2设在中空内孔14内，此时永磁电机100为内转子电机，当永磁电机100工作时，转子2相对于定子1可转动。具体而言，转子2可以通过中空内孔14与转轴相连，以带动转子2同步转动。例如，当永磁电机100应用于压缩机(图未示出)时，该转轴为曲轴。可选地，转子2与转轴过盈配合。转子2上形成有多个安装槽21，每个安装槽21内设有永磁体。
发明人发现：永磁电机在限定的外径条件下，提高永磁电机的效率主要是调节永磁电机的线负荷和磁负荷的平衡。对定子轭部11厚度一定的前提下，定子齿宽和定子1的中空内孔14的直径影响永磁电机定子槽13的槽面积大小，也就是影响永磁电机的线负荷，从而影响永磁电机铜损，定子齿宽的大小影响永磁电机磁负荷，从而影响永磁电机铁损。永磁体产生能量是通过转子2、定子1和转子2间的间隙、定子1进行传递，所以定子1和转子2间的间隙大小决定了永磁体产生的能量的损失程度，因此需要对对定子1的中空内孔14的直径、定子1和转子2间的间隙、以及定子齿宽三个尺寸进行优化选择。
为此，发明人对不同永磁电机进行了仿真、试验，并对获得的试验结果进行了分析研究，其具体分析过程如下文列举的传统的永磁电机和本发明的永磁电机100的对比分析过程所示。
经研究发现，当定子齿12的齿宽Bt与定子1和转子2间的最小间隙的gmin比值满足：12≤Bt/gmin≤14，同时定子1的中空内孔14的直径D与定子1和转子2间的最小间隙的gmin的比值满足：68≤D/gmin≤79，使铜损和铁损能够达到接近永磁电机100理论效率最高的比例，从而实现了永磁电机100效率的提高，同时降低了稀土磁铁用量，极大地降低了永磁电机100的成本，使其具备较强的竞争力。另外，搭载了该永磁电机100的压缩机具有较高的APF(Annual Performance Factor，全年能源消耗率)的能效。可以理解的是，Bt/gmin、D/gmin的具体数值可以根据实际要求而具体设置，本发明对此不作具体限定。
根据本发明实施例的永磁电机100例如永磁同步电机，通过使gmin、Bt、D满足：12≤Bt/gmin≤14，68≤D/gmin≤79，可以调节铜损和铁损的平衡，从而提高永磁电机100的效率。同时降低永磁体例如永磁铁用量，降低永磁电机100成本。
对于用于空调器(图未示出)的压缩机中的永磁电机100，由于定子1与压缩机的壳体的固定方式是过盈配合，定子轭部11厚度直接影响定子1的中空内孔14的变形量。而在传统的永磁电机的定子轭部11过小，这是导致压缩机振动噪音恶化的直接原因。对此，可以使定子1和转子2之间的最大间隙gmax与定子1和转子2间的最小间隙gmin的比值满足如下关系：1.8≤gmax/gmin≤2.5。由此，可以改善反电势波形，降低谐波含量，同时改善永磁电机100的振动噪音。
根据本发明的一些实施例，每个永磁体的厚度为Md，其中，Md、gmin满足：2.5≤Md/gmin≤3.5。由此，可以提高永磁电机100运行时的可靠性。
根据本发明的一些实施例，每个永磁体的宽度为Mw，其中，Mw、gmin满足：26≤Mw/gmin≤31。由此，可以进一步降低永磁电机100运行时的铁损。
根据本发明的一些实施例，定子轭部11的厚度为Bj，其中，Bj、gmin满足：11.5≤Bj/gmin≤13.5。由此，同样可以降低永磁电机100的振动噪音。
优选地，定子槽13的槽口宽度为b0，其中，b0、gmin满足：b0/gmin＝4.27。
根据本发明的一些实施例，定子1由多个电磁钢板叠置而成。可选地，每个电磁钢板的厚度小于等于0.5mm，例如，每个电磁钢板的厚度可以为0.3mm。
可以理解的是，gmax/gmin、Md/gmin、Mw/gmin、Bj/gmin、b0/gmin、以及电磁钢板的厚度的具体数值可以根据实际要求而具体设置，本发明对此不作具体限定。
可选地，永磁电机100为集中卷9槽6极电机。
根据本发明的一些优选实施例，每个永磁体为磁能积大于40MGOe的稀土铷铁硼永磁体。由此，可使永磁体性价比高，且具有良好的机械特性，而且，由于铷铁硼磁性材料具有高能量密度的优点，从而便于永磁体的小型化、轻量化及薄型化设计。
如图1所示，多个安装槽21的宽度均相等，每个安装槽21的横截面大体形成为矩形形状。由此，安装槽21的形状简单，加工容易，降低了转子2的加工成本。这里，需要说明的是，“大体形成为矩形形状”可以理解为每个安装槽21的横截面形成为数学意义上的矩形，即该矩形包括依次首尾相连的四条直边，每相邻的两条直边之间的夹角为90°；或者，每个安装槽21的横截面形状大致为矩形，即安装槽21的实际横截面形状与数学意义上的矩形相比略有偏差，例如，如图1所示，此时安装槽21包括用于安装永磁体的凹槽211和连接在凹槽211的两端并与凹槽211连通的连通槽212，每个连通槽212均从凹槽211的对应端朝向转子2中心的方向倾斜延伸。
下面参考图1-图5详细描述根据本发明一个具体实施例的永磁电机100例如永磁同步磁阻电机。
具体而言，在根据本发明实施例的永磁电机100中，定子1具有9个定子齿12，定子槽13的个数为9个，相应地，定子1线圈也为9个。转子2具有6个安装槽21，每个安装槽21内均设有永磁体。
其中，定子齿12的齿宽Bt为9.7mm，定子1和转子2之间的最小间隙gmin为0.75mm，定子1的中空内孔14的直径D为55mm，定子齿12的齿宽Bt与定子1和转子2之间的最小间隙gmin的比值Bt/gmin为12.93，定子1的中空内孔14的直径D与定子1和转子2之间的最小间隙gmin的比值D/gmin为73.33。定子轭部11的厚度Bj为9.36mm，定子1和转子2之间的最大间隙为gmax为1.5mm，定子1和转子2之间的最小间隙gmin与定子1和转子2之间的最大间隙为gmax的比值为2，满足1.8≤gmax/gmin≤3.2限制范围。永磁体的厚度Md为2.0mm，永磁体的宽度Mw为21.4mm，永磁厚度Md与定子1和转子2之间的最小间隙gmin的比值为2.67，永磁体宽度Mw与定子1和转子2之间的最小间隙gmin比值为28.53，这两个比值分别满足2.5≤Md/gmin≤3.5以及26≤Mw/gmin≤31限制范围。
为了便于比较，设置传统的永磁电机的结构与根据本发明实施例的上述永磁电机100的相应结构基本相同，这里不再赘述。由于传统的永磁电机与根据本发明实施例的上述永磁电机100的定子槽13及极数完全相同，传统的永磁电机的永磁体的总用量与根据本发明实施例的上述永磁电机100的永磁体的总用量也相同。
与根据本发明实施例的上述永磁电机100不同的是，在传统的永磁电机中，定子1和转子2之间的最小间隙为0.5mm，定子齿12的齿宽与定子1和转子2之间的最小间隙的比值为19.4，定子1的中空内孔14的直径与定子1和转子2之间的最小间隙的比值为110，不符合上述12≤Bt/gmin≤14以及68≤D/gmin≤79的要求。
为了更好地了解12≤Bt/gmin≤14以及68≤D/gmin≤79这两个参数对永磁电机100的铜损和铁损的影响，发明人对上述根据本发明实施例的永磁电机100与上述传统的永磁电机的在相同负荷点下的铜损和铁损进行了仿真对比。
图2和图3分别是上述根据本发明实施例的永磁电机100与上述传统的永磁电机的空载铁损密度分布的有限元仿真结果。从图2和图3中可以看出，根据本发明实施例的永磁电机100的铁损主要分布在定子齿12的齿顶处，其铁损的总值为9.4W(瓦)。传统的永磁电机的铁损主要分布在整个定子齿12，其铁损总值为11.9W(瓦)，此时根据本发明实施例的永磁电机100的铁损明显低于传统的永磁电机的铁损，两者之间的差值为2.5W。根据本发明实施例的永磁电机100比传统的永磁电机的铁损低约21％。
图4是根据本发明实施例的永磁电机100与传统的永磁电机在定子1采用同样大小电流时的电机输出转矩的有限元仿真结果对比。60rps(转/秒)下，根据本发明实施例的永磁电机100的输出转矩大于传统的永磁电机的输出转矩，根据本发明实施例的永磁电机100的输出平均转矩大小为3.19N·m(牛·米)，传统的永磁电机的输出平均转矩大小为2.89N·m。根据上述结果推算，根据本发明实施例的永磁电机100和传统的永磁电机输出相同转矩下所需电流大小，即根据本发明实施例的永磁电机100的电流为1.54A(安)，传统的永磁电机的电流为1.72A，根据本发明实施例的永磁电机100相比传统的永磁电机的电流低10.5％。
图5是根据本发明实施例的永磁电机100与传统的永磁电机的损耗和效率对比图。从图5可以看出，根据本发明实施例的永磁电机100的铜损和铁损接近于平衡，且铜损比铁损高23％。而传统的永磁电机的铜损和铁损相差较大，此时铁损是铜损的2倍。由此，根据本发明实施例的永磁电机100的效率高于传统的永磁电机。
综上，我们明显能够得出：在永磁电机100中，当定子齿12的齿宽Bt与定子1和转子2之间的最小间隙的gmin比值为12≤Bt/gmin≤14，同时满足定子1的中空内孔14的直径D与定子1和转子2之间的最小间隙的gmin的比值为68≤D/gmin≤79，使铜损和铁损能够达到接近永磁电机100理论效率最高的比例，实现永磁电机100效率的提高。
需要说明的是，传统的压缩机用永磁电机与压缩机的壳体是以过盈配合的方式固定，定子1因受到壳体的挤压，定子轭部11应力会增加，从而导致铁损的增加。永磁电机100的铜损比铁损高约20％，在搭载了根据本发明实施例的永磁电机100后，能使压缩机具有较高的APF的能效。
根据本发明实施例的上述永磁电机100，可作为压缩机、鼓风机、混合动力车、泵等工业用机械的驱动用电机，但不限于此。
根据本发明实施例的永磁电机100例如永磁同步电机，在设计上通过调节铜损和铁损的平衡，使永磁电机100总损耗降低，从而实现了电机效率的进一步提升。
根据本发明第二方面实施例的压缩机，包括根据本发明上述第一方面实施例的永磁电机100。
根据本发明第三方面实施例的空调器，包括根据本发明上述第二方面实施例的压缩机。
根据本发明实施例的压缩机和空调器的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (12)

1.一种永磁电机，其特征在于，包括：
定子，所述定子包括定子轭部和多个定子齿，所述定子轭部形成为环形形状，所述多个定子齿沿所述定子轭部的内周壁的周向彼此间隔开设置，相邻两个所述定子齿之间限定出定子槽，所述多个定子齿共同限定出中空内孔；
转子，所述转子设在所述中空内孔内，所述转子上形成有多个安装槽，每个所述安装槽内设有永磁体，
其中，所述定子和所述转子之间的最小间隙为gmin，每个所述定子齿的齿宽为Bt，所述中空内孔的直径为D，其中，所述gmin、Bt、D满足：12≤Bt/gmin≤14，68≤D/gmin≤79。
2.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，所述定子和所述转子之间的最大间隙为gmax，其中，所述gmax、gmin满足：1.8≤gmax/gmin≤2.5。
3.根据权利要求1或2所述的永磁电机，其特征在于，每个所述永磁体的厚度为Md，其中，所述Md、gmin满足：2.5≤Md/gmin≤3.5。
4.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，每个所述永磁体的宽度为Mw，其中，所述Mw、gmin满足：26≤Mw/gmin≤31。
5.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，所述定子轭部的厚度为Bj，其中，所述Bj、gmin满足：11.5≤Bj/gmin≤13.5。
6.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，所述定子槽的槽口宽度为b0，其中，所述b0、gmin满足：b0/gmin＝4.27。
7.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，所述定子和所述转子分别由多个电磁钢板叠置而成。
8.根据权利要求7所述的永磁电机，其特征在于，每个所述电磁钢板的厚度小于等于0.5mm。
9.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，每个所述永磁体为磁能积大于40MGOe的稀土铷铁硼永磁体。
10.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，所述永磁电机为集中卷9槽6极电机。
11.一种压缩机，其特征在于，包括根据权利要求1-10中任一项所述的永磁电机。
12.一种空调器，其特征在于，包括根据权利要求11所述的压缩机。
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