CN107171522B - 永磁电机、压缩机和制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种永磁电机、压缩机和制冷系统，所述永磁电机中，定子最小内周的轮廓圆直径D（m）、转子最大外周的轮廓圆的直径d（m）、转子平均间隙处的气隙磁密的基波幅值Bm1（T）、转子的轴向长度L（m）、每相绕组的串联总匝数Ns和向永磁电机供电的变频器的逆变前的母线直流电压Udc（V）设置为：0.003Udc≤(D+d)×L×Bm1×Ns≤0.008Udc，其中，D、d、Bml、L、Udc均为不带单位的值。根据本发明实施例的永磁电机，具有较高的能效。

Description

永磁电机、压缩机和制冷系统
技术领域
本发明设计制冷技术领域，特别涉及一种永磁电机、压缩机和制冷系统。
背景技术
相关技术中压缩机领域，永磁电机的定子一直采用星形连接的绕组。传统技术，在一些高功率或低电压的场合，绕组导体粗，制造性差且性能会下降。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种永磁电机，能效高。
本发明还提出了一种压缩机和制冷系统。
根据本发明实施例的永磁电机，具有定子与转子，所述定子具有定子铁芯与定子绕组，所述转子具有转子铁芯和设置在转子铁芯上的永磁体，所述定子绕组包括A相绕组、B相绕组和C相绕组，所述A相绕组的第二组接头与所述B相绕组的第一组接头接同一根引出线，所述B相绕组的第二组接头与所述C相绕组的第一组接头接同一根引出线，所述C相绕组的第二组接头与所述A相绕组的第一组接头接同一根引出线，所述定子最小内周的轮廓圆直径D（m）、所述转子最大外周的轮廓圆的直径d（m）、所述转子平均间隙处的气隙磁密的基波幅值Bm1（T）、所述转子的轴向长度L（m）、每相绕组的串联总匝数Ns和向永磁电机供电的变频器的逆变前的母线直流电压Udc（V）设置为：0.003Udc≤(D+d)×L×Bm1×Ns≤0.008Udc，其中，D、d、Bml、L、Udc均为不带单位的值。
根据本发明实施例的永磁电机，提供的永磁电机的关键参数范围设计区别于传统压缩机电机的参数范围，改善了传统参数范围应用于三角形绕组结构时造成的压缩机能效下降，从而使得压缩机永磁电机采用三角形绕组结构具有良好的应用前景。
另外，根据本发明上述实施例的永磁电机，还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一个实施例中，所述Udc满足：250≤Udc≤540。
进一步地，1.2≤(D+d)×L×Bm1×Ns≤4.0。
在本发明的一个实施例中，所述Udc满足：Udc≤72。
进一步地，0.03≤(D+d)×L×Bm1×Ns≤0.5。
在本发明的一个实施例中，每相绕组具有一个或2个及以上线圈组。
在本发明的一个实施例中，所述A相绕组的第二组接头与所述B相绕组的第一组接头在同一时刻电流具有相同的相位，所述B相绕组的第二组接头与所述C相绕组的第一组接头同一时刻电流具有相同的相位，所述C相绕组的第二组接头与所述A相绕组的第一组接头在同一时刻电流具有相同的相位。
本发明还提出了一种压缩机，包括根据前述的永磁电机。
本发明还提出了一种制冷系统，所述制冷系统包括：压缩机和变频器。所述压缩机为根据前述的压缩机；所述变频器与所述压缩机相连，所述变频器具有逆变器。
在本发明的一个实施例中，所述变频器还具有整流器。
附图说明
图1是本发明连接有变频器的永磁电机投影示意图。
图2是图1中的永磁电机在轴垂直面上的剖视图。
图3和图4是图2的永磁电机定子绕组不同实施例的连接示意图。
图5是应用本发明的永磁电机的气隙磁密波形图。
图6是图5的气隙磁密经傅里叶分解后的基波与谐波占比图。
图7是搭载本发明的永磁电机对比搭载现有技术的永磁电机1的压缩机100能效示意图。
图8是本发明涉及的压缩机示意图。
附图标记：压缩机100，气缸2，主轴承3，副轴承4，活塞5，曲轴6，永磁电机1，定子11，转子12，定子铁芯111，定子绕组112，转子铁芯121，永磁体122，逆变器7，整流器8。
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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
压缩机100中，如果永磁电机1采用三角形连接，可在一定程度上改善制造性。而三角形绕组若按传统的范围设置磁性能、尺寸及绕组等参数，会造成电机性能低下、压缩机100能效低下等问题。为此，本发明提供了一种新结构的永磁电机1。
下面参照附图描述本发明实施例的永磁电机1。
根据本发明实施例的永磁电机1，具有定子11与转子12，
所述定子11具有定子铁芯111与定子绕组112，所述转子12具有转子铁芯121和设置在转子铁芯121上的永磁体122，所述定子绕组112包括A相绕组、B相绕组和C相绕组，所述A相绕组的第二组接头与所述B相绕组的第一组接头接同一根引出线，所述B相绕组的第二组接头与所述C相绕组的第一组接头接同一根引出线，所述C相绕组的第二组接头与所述A相绕组的第一组接头接同一根引出线。
其中，所述定子11最小内周的轮廓圆直径D（m）、所述转子12最大外周的轮廓圆的直径d（m）、所述转子12平均间隙处的气隙磁密的基波幅值Bm1（T）、所述转子12的轴向长度L（m）、每相绕组的串联总匝数Ns和向永磁电机1供电的变频器的逆变前的母线直流电压Udc（V）设置为：0.003Udc≤(D+d)×L×Bm1×Ns≤0.008Udc，其中，D、d、Bml、L、Udc均为不带单位的值。另外，转子12平均间隙处的气隙磁密的基波幅值Bm1优选地为25℃下的检测值。
根据本发明实施例的永磁电机1，提供的永磁电机1的关键参数范围设计区别于传统压缩机100电机的参数范围，改善了传统参数范围应用于三角形绕组结构时造成的压缩机100能效下降，从而使得压缩机100永磁电机1采用三角形绕组结构具有良好的应用前景。
另外，根据本发明上述实施例的永磁电机1，还可以具有如下附加的技术特征：
本发明的永磁电机1可采用直流电供电，也可以采用交流供电，为了进一步的提高能效，在采用交流电供电时，所述Udc满足：250≤Udc≤540。进一步地，1.2≤(D+d)×L×Bm1×Ns≤4.0。
在采用直流电供电时，所述Udc满足：Udc≤72。进一步地，0.03≤(D+d)×L×Bm1×Ns≤0.5。
当然，事实上，本发明中的永磁电机1对电源类型并没有太大的要求，例如，也可以采用满足上述“250≤Udc≤540”和“1.2≤(D+d)×L×Bm1×Ns≤4.0”的直流电供电，也可以采用满足“Udc≤72”和“0.03≤(D+d)×L×Bm1×Ns≤0.5”的交流电供电。
在本发明的一个实施例中，每相绕组具有一个或2个及以上线圈组。从而可以进一步地提高能耗。
在本发明的一个实施例中，所述A相绕组的第二组接头与所述B相绕组的第一组接头在同一时刻电流具有相同的相位，所述B相绕组的第二组接头与所述C相绕组的第一组接头同一时刻电流具有相同的相位，所述C相绕组的第二组接头与所述A相绕组的第一组接头在同一时刻电流具有相同的相位。
本发明还提出了一种压缩机100，包括根据前述的永磁电机1。
根据本发明实施例的压缩机100，由于采用了前述的永磁电机1，提高了压缩机100的能效，具有很好的应用前景。
本发明还提出了一种制冷系统，所述制冷系统包括：压缩机100和变频器。所述压缩机100为根据前述的压缩机100；所述变频器与所述压缩机100相连，所述变频器具有逆变器7。
在本发明的一个实施例中，所述变频器还具有整流器8。
图1是连接有变频器的本发明第一实施例的永磁电机1轴向投影示意图。压缩机100用三相永磁电机1，具有定子11与转子12。所述定子11具有定子铁芯111与定子绕组112。转子12具有转子铁芯121和设置在转子铁芯121上的永磁体122。所述定子绕组112的A相绕组的第二组接头与B相绕组的第一组接头接同一根引出线，并且这两组接头在同一时刻电流具有相同的相位；所述定子绕组112的B相绕组的第二组接头与C相绕组的第一组接头接同一根引出线，并且这两组接头在同一时刻电流具有相同的相位；所述定子绕组112的C相绕组的第二组接头与A相绕组的第一组接头接同一根引出线，并且这两组接头在同一时刻电流具有相同的相位。
所述定子11最小内周的轮廓圆的直径D（m）、所述转子12最大外周的轮廓圆的直径d（m）、所述转子12平均间隙处的气隙磁密的基波幅值（25℃）Bm1（T）、所述转子12的轴向长度L（m）、每相绕组的串联总匝数Ns和向永磁电机1供电的变频器的逆变前的母线直流电压Udc（v）设置为：0.003Udc≤(D+d)×L×Bm1×Ns≤0.008Udc。其中D、d、Bml、L、Udc均为不带单位的数值。
与永磁电机1连接的变频器，至少包含一个逆变器7，逆变器7的前端是直流电，直流母线电压是Udc，经过逆变器7逆变，转换成可控频率的交流电。当供电电源是直流电时，直流电源直接连接到逆变器7，实现直流→交流的过程；当供电电源是交流电时，还需要一个整流器8，交流电源连接整流器8的输入侧，整流器8的输出侧连接逆变器7的输入侧，实现交流→直流→交流的过程。
在压缩机100领域，本发明区别于传统技术，设置永磁电机1的关键参数的优选范围，同时应用三角形绕组结构，实现定子11的优良制造性，同时满足压缩机100的高效性。
图2是图1中的永磁电机1在轴垂直面上的剖视图。第一实施例中，永磁电机1为9槽6极结构。每相绕组有3组线圈，每组线圈绕制在一个定子11齿上。每相绕组具有1个进线接头和一个出线接头，同一相绕组的不同组线圈之间通过过渡线连接。绕组接头与引出线之间的其中一种连接方式举例：A相出线接头+B相进线接头→引出线一；B相出线接头+C相进线接头→引出线二；C相出线接头+A相进线接头→引出线三。需要说明的是，本发明提及的绕组连接，有多种具体方式。
图3是图2的永磁电机1的绕组连接示意图。第一实施例中，同一相绕组之间采用串联方式。一相绕组的三组线圈的匝数分别为N1、N2、N3，则该相绕组的串联总匝数为Ns= N1+N2+ N3。
图4是本发明的第二实施例的绕组连接示意图。第二实施例中，同一相绕组之间采用并联方式，并联支路数是3。一般而言，为了保证电机的平衡性，并联方式下，设置同一相的各组线圈匝数接近，优选相等。并联的三组线圈的匝数均为N1，则该绕组的串联总匝数为Ns= N1。
图5是应用本发明的永磁电机1的气隙磁密波形图。在转子12间隙中间位置，即图2中的(D+d)/2的圆周上，提取永磁电机1的气隙磁密，其中一个电周期的气隙磁密波形如图5所示。内嵌式转子12结构、转子12齿槽效应等因素的影响下，气隙磁密的波形不是理想的正弦波，波形中除了基波以外，还具有谐波。
图6是图5的气隙磁密经傅里叶分解后的基波与谐波占比图。图6仅列举了基波和除基波外的前9次谐波。气隙磁密，是反应永磁电机1性能和噪音的核心指标。能量转化时，气隙磁密的基波对驱动转子12旋转出力起主要作用，因此，气隙磁密基波的设计尤其重要。
图7是搭载本发明的永磁电机1对比搭载现有技术的永磁电机1的压缩机100能效示意图。一般而言，压缩机100在低速下，随着综合参数(D+d)×L×Bm1×Ns的升高，压缩机100能效呈上升趋势；在高速下，随着(D+d)×L×Bm1×Ns的升高呈下降趋势，甚至当(D+d)×L×Bm1×Ns高于某个临界点时，压缩机100在高速下无法运转。以某母线电压Udc=310V的压缩机100为例，搭载传统星形绕组的永磁电机1时，在(D+d)×L×Bm1×Ns≤1.0（单位：Wb）的范围内，压缩机100的高速能效保持在一个较高的水平，同时兼顾低速能效，可以在拐点之前选择一个较大的值，保证压缩机100的全频段均有优良的性能；搭载本发明的绕组结构的永磁电机1时，若设置相关参数在传统较优的范围内，则低速下的压缩机100能效很低，而设置1.2≤(D+d)×L×Bm1×Ns≤4.0（单位：Wb），压缩机100全频段均具有优良的性能。
图8是本发明涉及的压缩机100示意图。除上述永磁电机1以外，本发明的压缩机100还包括：气缸2、主轴承3、副轴承4、活塞5以及曲轴6等压缩部件。
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”、“顺时针”、“逆时针”、“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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种永磁电机，具有定子与转子，所述定子具有定子铁芯与定子绕组，所述转子具有转子铁芯和设置在转子铁芯上的永磁体，其特征在于：所述定子绕组包括A相绕组、B相绕组和C相绕组，所述A相绕组的第二组接头与所述B相绕组的第一组接头接同一根引出线，所述B相绕组的第二组接头与所述C相绕组的第一组接头接同一根引出线，所述C相绕组的第二组接头与所述A相绕组的第一组接头接同一根引出线，
所述定子最小内周的轮廓圆直径D（m）、所述转子最大外周的轮廓圆的直径d（m）、所述转子平均间隙处的气隙磁密的基波幅值Bm1（T）、所述转子的轴向长度L（m）、每相绕组的串联总匝数Ns和向永磁电机供电的变频器的逆变前的母线直流电压Udc（V）设置为：0.003Udc≤(D+d)×L×Bm1×Ns≤0.008Udc，其中，D、d、Bml、L、Udc均为不带单位的值。
2.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于：所述Udc满足：250≤Udc≤540。
3.根据权利要求2所述的永磁电机，其特征在于：1.2≤(D+d)×L×Bm1×Ns≤4.0。
4.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于：所述Udc满足：Udc≤72。
5.根据权利要求4所述的永磁电机，其特征在于：0.03≤(D+d)×L×Bm1×Ns≤0.5。
6.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于：每相绕组具有一个或2个及以上线圈组。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的永磁电机，其特征在于，所述A相绕组的第二组接头与所述B相绕组的第一组接头在同一时刻电流具有相同的相位，所述B相绕组的第二组接头与所述C相绕组的第一组接头同一时刻电流具有相同的相位，所述C相绕组的第二组接头与所述A相绕组的第一组接头在同一时刻电流具有相同的相位。
8.一种压缩机，其特在于，包括根据权利要求1-7中任一项所述的永磁电机。
9.一种制冷系统，其特征在于,所述制冷系统包括：
压缩机，所述压缩机为根据权利要求8所述的压缩机；
变频器，所述变频器与所述压缩机相连，所述变频器具有逆变器。
10.根据权利要求9所述的制冷系统，其特征在于，所述变频器还具有整流器。
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