CN106451831A - 制冷设备 - Google Patents

Abstract

一种制冷设备，包括风扇及用以驱动所述风扇的电机，所述电机为单相同步交流电机，其体积相对于传统电机减小，且成本降低的同时也能保证性能稳定。

Description

制冷设备

技术领域

本发明涉及一种制冷设备，特别涉及一种具有单相同步交流电机的制冷设备。

背景技术

制冷设备，如冰柜或冰箱等的冷却风扇要用到电机，而电机的结构、体积及成本影响着整个冰柜的结构及成本，而如何兼顾成本及电机的性能则成为了电机设计的主要课题。

发明内容

鉴于上述状况，有必要提供一种制冷设备，其内部的电机设备成本低且性能稳定。

一种制冷设备，包括风扇及用以驱动所述风扇的电机，所述电机为单相同步交流电机。

作为一种优选方案，所述单相同步交流电机包括定子和可相对定子旋转的转子；所述定子包括定子磁芯和绕设于定子磁芯上的绕组，所述定子磁芯包括外环部、从所述外环部向内伸出的若干齿身、从每个齿身末端向周向两侧伸出来的极靴，所述绕组绕设于相应的齿身上；所述转子收容于所述极靴围成的空间内，所述转子包括沿所述转子周向设置的若干个永磁极，每个永磁极的外侧表面至转子轴心的距离从其周向中心往周向两侧逐渐减小，从而使得所述永磁极的外侧表面与所述极靴的内周表面之间形成关于所述永磁极的中线对称的非均匀气隙。

作为一种优选方案，每个所述永磁极由一块或多块永磁体形成或所有永磁极由一块环形磁体形成。

作为一种优选方案，所述转子包括转子磁芯，所述永磁体安装到所述转子磁芯的外周表面；所述转子磁芯的外周表面设有若干轴向延伸的凹槽，每个凹槽位于两个永磁极的分界处。

作为一种优选方案，所述永磁体的厚度是均匀的；所述转子磁芯的外周表面与所述永磁体的形状匹配。

作为一种优选方案，所述转子磁芯的外周表面与所述永磁体的内周表面位于同一圆柱面上；所述永磁体的厚度从周向中心向两端逐渐减小。

作为一种优选方案，所述永磁体的厚度是均匀的；所述对称非均匀气隙最大厚度是其最小厚度的1.5倍以上。

作为一种优选方案，相邻的所述极靴之间形成开槽，所述开槽的宽度大于0小于或等于所述对称非均匀气隙的最小厚度的4倍。

作为一种优选方案，所述开槽的宽度小于等于所述对称非均匀气隙的最小厚度的2倍。

作为一种优选方案，所述极靴的径向厚度沿从所述齿身至远离所述齿身的方向逐渐减小。

作为一种优选方案，所述单相同步交流电机由一交流电源供电，所述单相同步交流电机包括定子、可相对定子旋转的转子及驱动电路，所述定子包括定子磁芯和绕设于定子磁芯上的绕组，所述驱动电路包括一集成电路及与所述集成电路连接的可控双向交流开关，所述可控双向交流开关与所述绕组串联于被配置为连接所述交流电源的两个端子之间，所述集成电路中集成有整流器、检测电路及开关控制电路至少其中两个，所述整流器用于产生至少提供给所述检测电路的直流电压，所述检测电路用于检测所述转子的磁场极性，所述开关控制电路被配置为依据所述交流电源的极性和所述检测电路检测的转子磁场的极性，控制所述可控双向交流开关以预定方式在导通与截止状态之间切换。

作为一种优选方案，所述开关控制电路被配置为仅在所述交流电源为正半周期且检测电路检测到转子磁场为第一极性、以及所述交流电源为负半周期且检测电路检测的转子磁场为与第一极性相反的第二极性时使所述可控双向交流开关导通。

作为一种优选方案，所述制冷设备为冰柜。

作为一种优选方案，所述单相同步交流电机的转子在稳态阶段以1800转/分分或1500转/分的转速恒速运行。

作为一种优选方案，所述单相同步交流电机的输入电压为120V或220～230V，输入功率为6～20W，效率50～80％。

本发明的制冷设备，其内部用以驱动风扇的电机采用单相同步交流电机，其体积相对于传统电机减小，且成本降低的同时也能保证性能稳定。

为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1是本发明制冷设备的示意图，该制冷设备包括一单相同步交流电机。

图2是图1中的单相同步交流电机的第一实施例的立体图。

图3是图2所示的单相同步交流电机去掉外壳后的示意图。

图4是图3所示的单相同步交流电机的端面示意图。

图5是图3所示的单相同步交流电机的定子磁芯的示意图。

图6是图3所示的单相同步交流电机的转子磁芯及其永磁体的示意图。

图7是图2的单相同步交流电机在转动过程中的齿槽转矩变化曲线图。

图8是图1中的单相同步交流电机的第二实施例的定子磁芯的示意图。

图9是图1中的单相同步交流电机的第三实施例的定子磁芯的示意图。

图10是图1中的单相同步交流电机的第四实施例的定子磁芯与转子的端面示意图。

图11是图1中的单相同步交流电机的一实施例的电路原理图。

图12是图11中的集成电路的一种实现方式的电路框图。

图13是图11中的集成电路的另一种实现方式的电路框图。

图14是图1中的单相同步交流电机的另一实施例的电路原理图。

图15是图14中的集成电路的一种实现方式的电路框图。

图16是图1中的单相同步交流电机的另一实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的尺寸仅仅是为了便于清晰描述，而并不限定比例关系。

请参阅图1，本发明的制冷设备1包括风扇90及用以驱动该风扇90的单相同步交流电机10。该制冷设备1可以是冰箱或冰柜。

第一实施例

请参阅图2至图6，该单相同步交流电机10的一较佳实施方式包括定子20和相对定子旋转的转子50。该定子20包括一端开口的筒状外壳21、安装到外壳21开口端的端盖23、安装到外壳21内的定子磁芯30、安装到定子磁芯30的绝缘线架40和绕设于定子磁芯30上并被绝缘线架40支撑的绕组39。其中，该定子磁芯30包括外环部31、从外环部31向内伸出的若干齿身33、从每个齿身33径向末端向两周侧伸出来的极靴35，绕组39绕设于相应的齿身33上，绕组39与定子磁芯30之间被绝缘线架40隔离。

转子50收容于若干齿身的极靴35围成的空间内，转子50包括沿该转子周向设置的若干个永磁极55，每个永磁极的外侧表面为弧面，每个永磁极55的外侧表面至转子轴心的距离从其周向中心往周向两侧逐渐减小，该永磁极55的外侧表面与极靴的内周表面之间形成关于该永磁极55的中线对称的非均匀气隙41。优选地，对称非均匀气隙最大厚度是其最小厚度的1.5倍以上。

在本实施例中，如图5所示，每个永磁极55由一块永磁体56形成，转子50还包括转子磁芯53，该永磁体56安装到转子磁芯53的外周表面；转子磁芯的外周表面设有若干轴向延伸的凹槽54，每个凹槽54位于两个永磁极55的分界处，以减少磁泄漏。为使该永磁极55与极靴的内周表面形成对称非均匀气隙41，具体地，转子磁芯53的外周表面与极靴35的内周表面是同心圆；而永磁体56的厚度从周向中心向两端逐渐减小。

转子50还包括转轴51，转轴51穿过转子磁芯53并与其固定在一起。转轴51的一端通过轴承24安装到定子的端盖，另一端通过另一个轴承安装到定子的筒状外壳21的底部，从而实现转子可相对于定子转动。本发明所称的环部是指沿周向连续延伸而成的封闭结构。

该定子磁芯30由具有导磁性能的软磁性材料制成，例如由导磁芯片(业界常用硅钢片)沿电机轴向层叠而成。在定子磁芯30中，相邻的极靴35之间形成开槽37，优选地，每个开槽37位于相邻的两个齿身33的中间位置。可以理解地，开槽37也可以位于朝远离定位槽38的方向偏离两相邻齿身的中间位置处，如此设计可以降低电机的电感电势，从而提高电机的输出转矩。该开槽37的宽度大于0，且小于或等于该对称非均匀气隙41最小厚度的4倍，优选地，该开槽37的宽度大于0，且小于或等于该对称非均匀气隙41最小厚度的2倍。该配置下，电机的启动与转动更为平顺，能增强电机的启动可靠性，减少可能的启动死点。本发明所称的环部是指沿周向连续延伸而成的封闭结构，包括圆环形、方形、多边形等；对称非均匀气隙41的厚度是指气隙的径向厚度。

优选地，极靴35的径向厚度从齿身33到开槽37的方向逐渐减小，使极靴35的磁阻从齿身向开槽37的方向逐渐增加，形成磁阻逐渐增大的磁桥。该设计能使电机的运行更加平稳、启动可靠。

在本实施例中，相邻所述齿身之间的极靴35设有定位槽38，定位槽38的个数与定子的极数、环形永磁极的极数相等，在本实施例中为4个。本实施例中，定子绕组采用集中式绕组，因此，齿身数量等于定子的极数。在替换方案中，齿身数量可以是定子极数的整数倍，例如2倍、3倍等。

本实施例中，定位槽38沿电机轴向间隔设置，且位于极靴的内周表面上。在一替换方案中，所述定位槽38沿电机轴向连续设置。优选地，每个定位槽38到相邻两个齿身33的距离不相同，定位槽38偏向其中一个相邻的齿身33，定位槽38的中心偏离其中一相邻齿身33的对称中心。

当电机处于未通电状态即初始状态时，转子磁极的中心线L1偏离相应定子齿身的中心线L2一定角度，上述L1和L2所形成的角度Q称为启动角。在本实施例中，该启动角大于45度电角度且小于135度电角度，当电机定子绕组通以一方向的电流时，转子50可以从一方向启动；当电机定子绕组通以相反方向的电流时，转子50可以从相反方向进行启动。可以理解地，在启动角等于90度电角度(也即转子磁极的中心与相邻齿身33的对称中心重合)时，转子50朝两个方向启动都比较容易，也即最容易实现双方向启动。当启动角偏离90度电角度时，转子朝其中一方向启动会比朝另一方向启动较容易。本申请发明人经多次实验发现，当启动角处于45度电角度至135度电角度范围时，转子朝两个方向启动的可靠性都比较好。

图7是上述实施例的单相同步交流电机在转动过程中的转矩变化曲线图，横坐标表示转动角度，单位是度；纵坐标表示转矩，单位是牛顿米。可以看到，电机在转动过程中，电机转矩的变化曲线是比较平滑的，减少或避免了启动死点，电机启动的可靠性高。

第二实施例

请参照图8，与上一实施例不同的是，为了提高绕组39的绕设效率，该单相同步交流电机的定子磁芯由若干磁芯组件300沿定子周向拼接而成，每个磁芯组件300包括一段弧形轭部300b、从弧形轭部300b伸出齿身33、从齿身33的径向末端向周向两侧伸出极靴35。在本实施例中，每个磁芯组件300具有一个齿身33以及相应的极靴35。可以理解地，每个磁芯组件也可以具有多于1个的齿身33以及相应的极靴35。每个磁芯组件的绕组完成之后，将该若干磁芯组件300拼接起来，从而得到具有定子绕组的定子铁芯30。

相邻磁芯组件的弧形轭部的接合处设有凹凸结构。具体来说，当设置凹凸卡扣结构时，可以每个磁芯组件用于拼接成外环部的弧形轭部的两端分别设置凹槽卡位34，以及与该凹槽卡位34相配合的凸起卡扣32；该凹槽卡位34与该凸起卡扣32即为凹凸卡口结构；在组装时，每个磁芯组件的凸起卡扣32与相邻的磁芯组件的凹槽卡位34相配合，每个磁芯组件的凹槽卡位34与相邻的磁芯组件的凸起卡扣32相配合。

因为定子磁芯30由若干磁芯组件300拼接而成，因此，相邻极靴35之间的开槽37的宽度可以非常小。本发明中，开槽37的宽度是指相邻两个极靴35之间的距离。

第三实施例

请参照图9，与第二实施例不同的是，在本实施例中，该单相同步交流电机的相邻磁芯组件的弧形轭部的接合处为平面，此时可以通过焊接的方式将弧形轭部的接合处焊接在一起。

第四实施例

请参照图10，本实施例中，该单相同步交流电机的相邻所述齿身之间的极靴35同样设有定位槽38，不同的是，本实施例中的定位槽38位于极靴35的外周表面与内周表面之间，优选地，靠近极靴的内周表面。

本实施例中，转子60包括沿该转子周向设置的若干个永磁极65，每个永磁极的外侧表面为弧面，使该永磁极65与极靴的内周表面形成对称非均匀气隙41。优选地，对称非均匀气隙最大厚度是其最小厚度的1.5倍以上。其中每个永磁极65由一块永磁体形成，该永磁体安装到转子磁芯63的外周表面。转子磁芯63的外周表面设有若干轴向延伸的凹槽64，每个凹槽64位于两个永磁极65的分界处，以减少磁泄漏。与第一实施例不同的是，本实施例中的永磁体的厚度是均匀的，而转子磁芯63的外周表面与该永磁体的形状匹配，即转子磁芯63的外周表面与极靴35的内周表面不再是同心圆，如此，由于该永磁极55的外侧表面还是弧面，因此其与极靴的内周表面还是可以形成对称非均匀气隙41。在一替换方案中，永磁极65也可以由一整块永磁体形成。

上述实施例中，开槽37具有均匀的周向宽度。可以理解的，作为替代，每个开槽37的宽度也可不均匀，如可以为内小外大的喇叭形等，此时，前述所称开槽37的宽度指其最小宽度。上述实施例中，开槽37沿电机径向设置，作为替代，开槽37也可以沿偏离电机径向的方向设置，如此设置可降低电机的电感电势。

本发明提供的单相同步交流电机在相邻的极靴间形成开槽，并使该开槽的宽度大于0，且小于或等于该气隙最小厚度的4倍，可减少槽口导致的磁阻突变，从而降低电机的定位转矩；本发明还通过将永磁极的外侧表面设为弧面，从而使气隙的厚度从永磁极的中间向永磁极两周侧的方向逐渐增大，形成对称非均匀气隙，减少了现有技术中由于大槽口的存在而产生震动和噪声，同时减少或避免了可能的启动死点，提高了电机启动的可靠性。本发明实施例所举的单相同步交流电机启动时所需启动角度和定位力矩可按设计需要方便调整，从而启动可靠，如通过调整极靴定位槽的位置可方便调整电机启动角度，当启动角大于45度电角度且小于135度电角度时，该电机转子可实现双方向启动，通过调整极靴定位槽的形状、大小、深度可调整电机启动前的定位力矩的大小。定子磁芯采用分体式结构，从而使得在齿身与外环部组装之前可以采用双飞叉绕线机进行绕线，绕线生产效率高。

请参照图11，为本发明制冷设备的单相同步交流电机10的驱动电路的一实施例的电路原理图。其中，电机的定子的绕组39和一集成电路70串联于交流电源80两端。集成电路70中集成有电机的驱动电路，该驱动电路可使电机在每次通电时均沿着一固定方向起动。

图12示出集成电路70的一种实现方式。该集成电路70包括壳体71、自壳体71伸出的两个引脚73、以及封装于壳体71内的驱动电路，所述驱动电路设于半导体基片上，包括用于检测电机的转子磁场极性的检测电路75、连接于两个引脚73之间的可控双向交流开关77、以及开关控制电路79，开关控制电路79被配置为依据检测电路75检测的转子磁场极性，控制可控双向交流开关77以预定方式在导通与截止状态之间切换。

较佳的，开关控制电路79被配置为仅在交流电源80为正半周期且检测电路75检测到转子磁场为第一极性、以及交流电源80为负半周期且检测电路75检测的转子磁场为与第一极性相反的第二极性时使可控双向交流开关77导通。该配置可使定子的绕组39在电机起动阶段仅沿着一固定方向拖动转子。

图13示出集成电路70的另一种实现方式，与图12的区别主要在于，图13的集成电路还设有整流器74，与可控双向交流开关77并联于两个引脚73之间，可以产生直流电提供给检测电路75。本例中，检测电路75较佳的为磁传感器(也称为位置传感器)，集成电路靠近转子安装以使磁传感器能感知转子的磁场变化。可以理解，在更多实现方式中，检测电路75也可以不设磁传感器，而通过其他方式实现对转子的磁场变化的检测。本发明实施例中，通过将电机的驱动电路全部封装在集成电路中，可降低电路成本，并提高电路的可靠性。此外，电机可不使用印刷电路板，只需要将集成电路固定在适合的位置后通过导线与电机的线组及电源连接。

本发明实施例中，定子绕组39与交流电源80串联于两节点A、B之间。交流电源80较佳的可以是市电交流电源，具有例如50赫兹或60赫兹的固定频率，电流电压例如可以是110伏、220伏、230伏等，输入功率为6～20瓦。可控双向交流开关77与串联的定子的绕组39和交流电源80并联于两节点A、B之间。可控双向交流开关77较佳的为三端双向晶闸管(TRIAC)，其两个阳极分别连接两个引脚73。可以理解，可控双向交流开关77也可例如由反向并联的两个单向晶闸管实现，并设置对应的控制电路以按照预定方式控制这两个单向晶闸管。整流器74与可控双向交流开关77并联于两个引脚73之间。整流器74将两个引脚73之间的交流电转换为低压直流电。检测电路75可由整流器74输出的低压直流电供电，用于检测单相同步交流电机10的转子50的磁极位置，并输出相应信号。开关控制电路79与整流器74、检测电路75和可控双向交流开关77连接，被配置为依据检测电路75检测的转子磁极位置信息和从整流器74获取的交流电源80的极性信息，控制可控双向交流开关77以预定方式在导通与截止状态之间切换，使定子的绕组39在电机起动阶段仅沿着前述的固定起动方向拖动转子50旋转。本发明中，当可控双向交流开关77导通时，两个引脚73被短路，整流器74因无电流流过而不再耗电，因此能够较大幅度地提高电能利用效率。

一实施例中，该交流电源80给电机的输入电压为120伏，60赫兹，输入功率为14.2瓦，电机的转子在稳态阶段以1800转/分的转速恒速运行，效率为70％。在其他实施方式中，电机的效率在50～80％。

图14为本发明制冷设备的单相同步交流电机10的驱动电路的另一实施例的电路原理图。其中，电机的定子的绕组39和一集成电路70串联于交流电源80两端。集成电路70中集成有电机的驱动电路，该驱动电路可使电机在每次通电时均沿着一固定方向起动。本发明中，将电机的驱动电路封装在集成电路中，可降低电路成本，并提高电路的可靠性。

本发明中，可视实际情况，将整流器、检测电路、开关控制电路、可控双向交流开关全部或部分集成在集成电路中，例如，可以如图12所示，在集成电路中仅集成检测电路、开关控制电路和可控双向交流开关，而将整流器设于集成电路外部。

再例如，还可以如图14和图15的实施例所示，将降压电路76与可控双向交流开关77设于集成电路70之外，而在集成电路70中集成整流器74(可仅包括整流桥而不包括降压电阻或其他降压元件)、检测电路75和开关控制电路79。本实施例中，将低功率部分集成在集成电路中，而将作为高功率部分的降压电路76和可控双向交流开关77设在集成电路70之外。在图16所示的另一实施例中，也可将降压电路76也集成在集成电路79中，而将可控双向交流开关77设于集成电路70之外。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种制冷设备，包括风扇及用以驱动所述风扇的电机，其特征在于：所述电机为单相同步交流电机。

2.如权利要求1所述的制冷设备，其特征在于：所述单相同步交流电机包括定子和可相对定子旋转的转子；所述定子包括定子磁芯和绕设于定子磁芯上的绕组，所述定子磁芯包括外环部、从所述外环部向内伸出的若干齿身、从每个齿身末端向周向两侧伸出来的极靴，所述绕组绕设于相应的齿身上；所述转子收容于所述极靴围成的空间内，所述转子包括沿所述转子周向设置的若干个永磁极，每个永磁极的外侧表面至转子轴心的距离从其周向中心往周向两侧逐渐减小，从而使得所述永磁极的外侧表面与所述极靴的内周表面之间形成关于所述永磁极的中线对称的非均匀气隙。

3.如权利要求2所述的制冷设备，其特征在于：每个所述永磁极由一块或多块永磁体形成或所有永磁极由一块环形磁体形成。

4.如权利要求3所述的制冷设备，其特征在于：所述转子包括转子磁芯，所述永磁体安装到所述转子磁芯的外周表面；所述转子磁芯的外周表面设有若干轴向延伸的凹槽，每个凹槽位于两个永磁极的分界处。

5.如权利要求4所述的制冷设备，其特征在于：所述永磁体的厚度是均匀的；所述转子磁芯的外周表面与所述永磁体的形状匹配。

6.如权利要求4所述的制冷设备，其特征在于：所述转子磁芯的外周表面与所述永磁体的内周表面位于同一圆柱面上；所述永磁体的厚度从周向中心向两端逐渐减小。

7.如权利要求2所述的制冷设备，其特征在于：所述对称非均匀气隙最大厚度是其最小厚度的1.5倍以上。

8.如权利要求2所述的制冷设备，其特征在于：相邻的所述极靴之间形成开槽，所述开槽的宽度大于0小于或等于所述对称非均匀气隙的最小厚度的4倍。

9.如权利要求8所述的制冷设备，其特征在于：所述开槽的宽度小于等于所述对称非均匀气隙的最小厚度的2倍。

10.如权利要求2所述的制冷设备，其特征在于：所述极靴的径向厚度沿从所述齿身至远离所述齿身的方向逐渐减小。

11.如权利要求1-10项中任意一项所述的制冷设备，其特征在于：所述单相同步交流电机由一交流电源供电，所述单相同步交流电机包括定子、可相对定子旋转的转子及驱动电路，所述定子包括定子磁芯和绕设于定子磁芯上的绕组，所述驱动电路包括一集成电路及与所述集成电路连接的可控双向交流开关，所述可控双向交流开关与所述绕组串联于被配置为连接所述交流电源的两个端子之间，所述集成电路中集成有整流器、检测电路及开关控制电路至少其中两个，所述整流器用于产生至少提供给所述检测电路的直流电压，所述检测电路用于检测所述转子的磁场极性，所述开关控制电路被配置为依据所述交流电源的极性和所述检测电路检测的转子磁场的极性，控制所述可控双向交流开关以预定方式在导通与截止状态之间切换。

12.如权利要求11所述的制冷设备，其特征在于：所述开关控制电路被配置为仅在所述交流电源为正半周期且检测电路检测到转子磁场为第一极性、以及所述交流电源为负半周期且检测电路检测的转子磁场为与第一极性相反的第二极性时使所述可控双向交流开关导通。

13.如权利要求1所述的制冷设备，其特征在于：所述制冷设备为冰柜。

14.如权利要求13所述的制冷设备，其特征在于：所述单相同步交流电机的转子在稳态阶段以1800转/分或1500转/分的转速恒速运行。

15.如权利要求13所述的制冷设备，其特征在于：所述单相同步交流电机的输入电压为120V或220～230V，输入功率为6～20W，效率50～80％。