CN108696018B - 交替极电机及具有其的压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交替极电机及具有其的压缩机。交替极电机包括：转子，所述转子由软磁材料薄片叠压而成，转子上开有两组以上的永磁体安装槽，安装槽内安装有永磁体，所有的永磁体面向转子外周缘的极性为同一极性；永磁体面对的转子外周缘为永磁极，永磁极之间的软磁材料为交替磁极；所述永磁极外周边缘上开有一对弧形凹口，所述弧形凹口之间关于磁极中心线对称。本发明电机通过设置合适的磁束整理槽，减少了电机转轴上的漏磁通，缩短了磁路长度，提高相邻磁极磁密分布的对称性，相比现有技术可降低电机的反电势谐波含量，降低转矩波动，进一步提高电磁转矩。

Description

交替极电机及具有其的压缩机

技术领域

本发明属于电机技术领域，特别涉及一种交替极电机及具有其的压缩机。

背景技术

交替极永磁同步电机使用的永磁体数量仅为传统永磁同步电机永磁体数量的一半，因此，其对永磁体的利用更加充分，可以显著降低永磁体使用量，从而降低电机成本。

例如中国专利CN201310042049.9公开了一种永磁体电机，其具有转子，所述转子包括具有至少两个收容槽的转子铁芯及分别收容于所述收容槽内的永磁体，所述收容槽的两端分别具有凹槽，所述永磁体的磁场不穿过其它的永磁体，位于同一所述收容槽两侧的凹槽末端与转子中心之间形成一个角度，角度的大小定义为α，两个不同所述收容槽的相邻所述凹槽末端与转子中心之间形成一个角度，角度的大小定义为β，α/β的值为0.8～1.2。

中国专利CN201710475878.4公开了一种转子组件和永磁电机，该转子组件包括转子铁芯，转子铁芯上沿周向间隔设置有多个安装槽、安装槽内设置有永磁体，各永磁体面向转子外周缘的极性为同一性，相邻的安装槽被软磁材料间隔开，安装槽的两端与其周向方向上相邻的软磁材料之间均具有第一空气槽，安装槽靠近转子铁芯外周缘的一侧设置有两个第二空气槽，一个第二空气槽设置在安装槽的第一端，另一个第二空气槽设置在安装槽的第二端，且两个空气槽相向延伸。

但是其特殊的磁路结构也带来了很多问题，包括永磁体使用量减少导致输出转矩下降与抗退磁能力减弱、相邻磁极磁力线分布不对称导致转矩波动增加、转轴漏磁以及磁路长度增加导致转矩能力下降，这些问题限制了交替极电机的进一步推广应用，是本领域人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种交替极电机及具有其的压缩机。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种交替极电机，包括：转子，所述转子由软磁材料薄片叠压而成，转子上开有两组以上的永磁体安装槽，安装槽内安装有永磁体，所有的永磁体面向转子外周缘的极性为同一极性；永磁体面对的转子外周缘为永磁极，永磁极之间的软磁材料为交替磁极；所述永磁极外周边缘上开有一对弧形凹口，所述弧形凹口之间关于磁极中心线对称。

进一步的，永磁体安装槽的数量为N，所述弧形凹口的中心线与所在永磁极的中心线之间的夹角为a1，a1/(90°/N)＝0.7～0.9。

进一步的，转子中心设置有转子轴孔，所述永磁体安装槽和转子轴孔之间设置有两个以上的第一空气槽，所述第一空气槽沿电机周向延伸，并在两个第一空气槽之间设置有桥接部。

进一步的，第一空气槽为外凸弧形、两段相连内凹弧形或两段相连直线形。

进一步的，桥接部和第一空气槽之间呈倾斜角。

进一步的，桥接部的数量为1个。

进一步的，第一空气槽的厚度为ts1，所述永磁体的厚度为t1，其中t1/ts1＝0.7～1.2。

进一步的，桥接部的厚度为tb1，第一空气槽的厚度为ts1，其中0.3＜tb1/ts1＜1。

进一步的，第一空气槽内填充不导磁材料。

进一步的，不导磁材料为树脂材料。

进一步的，述第一空气槽和永磁体安装槽之间设置有两个以上的距离是从永磁极向交替极延伸的第二空气槽。

进一步的，第二空气槽距离永磁体安装槽的最近距离为t2，第一空气槽距离第二空气槽的距离为t3，第二空气槽距离转子轴孔的距离是t4，其中2(t2+t3)≥t4≥2ts1。

进一步的，相邻的第二空气槽在永磁极上的距离为w3，永磁体的宽度为w2，其中w3/w2＝0.2～0.5。

进一步的，转子上还设置有两个以上的第三空气槽，所述第三空气槽设置在交替极上相邻的第二空气槽之间沿转子径向延伸。

进一步的，第二空气槽和第三空气槽位于转子外周缘的尾端之间的距离为w4，第二空气槽和永磁体安装槽位于转子外周缘的尾端之间的距离为w5，其中w4/w5＝0.8～1.3。

进一步的，一对弧形凹口之间的距离为w1，第二空气槽和第三空气槽位于转子外周缘的尾端之间的距离为w4，第二空气槽和永磁体安装槽位于转子外周缘的尾端之间的距离为w5，第二空气槽和第三空气槽的厚度为ts2，w1/(w4+w5+2ts2)＝0.9～1.1，其中ts2/(w4+w5)＝0.05～0.09。

进一步的，第一空气槽靠近第三空气槽的最短距离为h1，第二空气槽和第三空气槽位于转子外周缘的尾端之间的距离为w4，其中h1/w4＝0.8～1.3。

一种压缩机，包括上述任一所述的交替极电机。

本发明电机通过设置合适的磁束整理槽，减少了电机转轴上的漏磁通，缩短了磁路长度，提高相邻磁极磁密分布的对称性，相比现有技术可降低电机的反电势谐波含量，降低转矩波动，进一步提高电磁转矩。

附图说明

图1是现有技术交替极电机磁路示意图。

附图标记：1、永磁极；2、磁路1；3、磁路2；4、磁路3；5、转轴；6、交替极。

图2是现有技术电机转轴上的漏磁路径示意图。

附图标记：7、转子；8、永磁体。

图3是实施例1交替极电机的结构示意图。

图4是实施例1交替极电机的局部放大图。

图5是实施例1交替极电机的磁矢量分布图。

图6是实施例1漏磁率与安全系数随t1/ts1变化示意图。

图7是实施例1电磁转矩与转矩波动随w2/w3变化示意图。

图8是实施例1第一空气槽的形状示意图。

图9是实施例1第一空气槽和桥接部的结构示意图。

图10是实施例1和现有技术U相反电势波形对比示意图。

图11是实施例1和现有技术电磁转矩波形对比示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明人在研究中发现，从永磁体8发出的磁力线可以分为三部分，它们的磁路分别为图1中的磁路1、2、3(附图标记2、3、4)，磁路1是正常的磁力线，可以进入气隙和定子，由于在交替极上缺少永磁体的约束(对磁力线的引导)，会存在较多的磁力线从磁路2与磁路3通过，磁路2中的磁力线虽然能进入气隙和定子，但是从永磁体发出到达气隙会通过很长的磁路，磁阻比磁路1大，还未进入气隙之前已经产生了较多磁压降，这些磁力线产生电磁转矩的效率比较低，并且导致交替极电机上的磁力线分布不规则，转矩波动较大。磁路3是完全不产生电磁转矩的磁力线，是电机转轴上的漏磁，更好的阐述磁路3如图2所示。

磁路2与磁路3的存在导致电机的转矩能力受到限制。同时交替极上的磁力线分布不规则引起相邻磁极磁力线分布的不对称，导致较大的转矩波动与反电势谐波含量。

实施例1

为了解决上述问题，提供一种交替极永磁电机转子，如图3所示，转子由软磁材料薄片叠压而成。转子上开有3组永磁体安装槽9，安装槽内安装有永磁体8，所有的永磁体面向转子外周缘的极性为同一极性，为N极或者S极，称为永磁极10，永磁极之间的软磁材料被磁化成具有相反极性的交替极11。永磁体面向气隙的一侧的永磁极极靴外周缘上关于磁极中心线对称开有弧形凹口12。弧形凹口调整了永磁极面向气隙的宽度，并且限制了永磁体两端的漏磁，研究表明由于交替极电机相邻的磁极上一个安装永磁体一个没有安装永磁体，由于永磁体对于磁力线有约束的作用所以相邻磁极磁密分布不对称，通过弧形凹口调整永磁极磁密的分布，并且凹口设置为弧形，让磁力线更平滑的过渡，不会产生局部磁密饱和，让相邻的磁极磁密更加对称，降低反电势谐波含量，降低转矩波动，同时弧形凹口在靠近永磁体端部的位置设置，限制了永磁体的端部的漏磁，提升的输出转矩。

磁体安装槽共有N组，弧形凹口的中心线与所在永磁极的中心线夹角为a1，a1/(90deg/N)＝0.7～0.9。本实施例中共有3组永磁体，因此a1角的范围在21～27deg，研究表明，a1<21度时，弧形凹口过于靠近磁极中心线，无法调整永磁体两端的磁密分布，端部漏磁增加，磁密谐波含量增加。a1>27度时，弧形凹口靠近永磁体两端，无法在磁极中心线形成较强的气隙磁密，即磁密基波的幅值较小，相对而言，谐波含量就会上升，21～27deg这个范围内的弧形凹口会使反电势的波形更接近正弦波，谐波含量更低。

在转子轴孔13与永磁体安装槽之间开有两个以上第一空气槽14，第一空气槽具有沿转子周向延伸的形状特征并且在其上设置有桥接部15。由于磁力线会沿着磁阻较小的路径通过，空气的磁阻远大于软磁材料的磁阻，因此第一空气槽的存在缩短了如图1所示的磁路2的磁路长度，提高了磁力线的利用率，并且限制了如图1所示的磁路3的漏磁，第一空气槽大致为弧形的形状特征让磁力线更加平滑的通过，不存在明显阻挡磁力线的拐角，第一空气槽的存在极大提升了电机的输出转矩，设置桥接部保证转子冲片所有结构为一个整体。

第一空气槽的形状可以为外凸弧形或者内凹弧形或者直线状。因此本发明对可能用到的空气槽形状均进行了研究，如图7所示，发现空气槽形状为外凸弧形、两段相连内凹弧形或两段相连直线形的时候能够缩短磁路长度，平滑引导磁力线，使交替极上的磁力线分布均匀，降低转矩波动。

如图9所示，桥接部与第一空气槽倾斜设置。第一空气槽倾斜设置可以增加桥接部的长度，进一步减少漏磁，并且不会影响转子的结构强度。

优选桥接部为1个。1个桥接部可以使第一空气槽更好限制转轴上的漏磁。

第一空气槽中可以充满其他不导磁材料。例如树脂，会极大提升转子的结构强度。

第一空气槽与永磁体安装槽之间设置由永磁极向交替极延伸的第二空气槽16。类似如图1所示的磁路2会导致交替极上的磁力线分布不均匀，引起相邻磁极磁密分布的不对称，通过设置磁路2引导磁力线均匀分布，限制由永磁体发出的磁力线自由流动，通过人为干预磁力线的分布让相邻磁极的磁密分布更加对称，降低反电势谐波含量与转矩波动。

交替极上相邻的第二空气槽之间设置沿转子径向延伸的第三空气槽17。第三空气槽将由第二空气槽引导而来的磁力线进一步引导，控制磁力线在靠近转子外周缘的分布会对气隙中的磁密分布，进一步降低转矩波动与反电势谐波含量。

永磁体厚度为t1，第一空气槽的厚度为ts1，t1/ts1＝0.7～1.2。研究表明，t1/ts3的比值直接影响了电机在轴上的漏磁量，比值越大，漏磁越多，反之亦然。但是t1过大会引起永磁体用量上升，电机成本增加，ts1过大会导致电机机械强度下降。固定t1不变，逐步减小ts1，两者的关系如图6所示。可以看出，t1/ts1大于0.7时，此时的安全系数大于2，满足使用要求。因为桥接部是转子冲片上安全系数最低的地方，此处安全系数满足使用要求则冲片满足使用要求。t1/ts1＝0.7～1.2，取值在此范围内可保证冲片强度的前提下尽可能地减少漏磁。

第一空气槽上的桥接部具有宽度tb1，1>tb1/ts1>0.3。研究表明，当tb1/ts1<0.3时，桥接部具有细长的形状特征，通过较少的磁力线即饱和，可以有效限制漏磁，但是机械强度较低，由于转子旋转时离心力的作用，桥接部可能会发生断裂。tb1/ts1>1时，桥接部具有短粗的形状特征，较多的磁力线才能使其饱和，无法有效减少漏磁，但是机械强度会有明显的提升。当满足1>tb1/ts1>0.3，可以在满足安全系数的条件下尽可能减少漏磁。

第二空气槽距离永磁体安装槽的最近距离为t2，第一空气槽距离第二空气槽的距离为t3，转子轴孔表面距离第一空气槽的最近距离为t4，应满足2(t2+t3)≥t4≥2ts1。t2增加，第二空气槽远离永磁体安装槽，从永磁体发出的磁力线直接进入交替极而不能被第二空气槽有效引导，t2减小，第二空气槽靠近永磁体安装槽，靠近的地方分布较多的磁力线，会导致局部磁饱和，引起电机异常发热以及电磁转矩的下降。t3增加，第一空气槽距离第二空气槽越远，对永磁体发出的磁力线的引导作用减弱，防漏磁效果减弱；t3减小，第一空气槽靠近第二空气槽，转子的机械强度减弱。ts1增加，第一空气槽的隔磁效果较好，限制转轴上的漏磁，并且可以有效引导永磁体发出的磁力线进入交替极；ts1减小，第一空气槽的隔磁效果不明显，不能限制磁力线的流向。t4增加，第一空气槽距离转轴较远，转子的结构强度增加；t4减小，第一空气槽距离转轴较近，转子的机械强度减小。从图1可以看出，四个尺寸相互依赖，研究表明，2(t2+t3)≥t4≥2ts1时，获得较好的机械强度，同时第一空气槽、第二空气槽可以有效引导磁力线的流向，提升电磁转矩，降低转矩波动。

一对弧形凹口之间的距离为w1，如图4所示，二空气槽和第三空气槽位于转子外周缘的尾端之间的距离为w4，第二空气槽和永磁体安装槽位于转子外周缘的尾端之间的距离为w5，第二空气槽与第三空气槽具有厚度ts2,w1/(w4+w5+2ts2)＝0.9～1.1。该值表征了相邻磁极宽度的比例，w1过大会导致永磁极与定子磁链耦合产生的转矩偏大，(w4+w5+2ts2)过大会导致交替极与定子磁连匝链产生的转矩偏大，两者中任何一个偏大或偏小都会引起转矩波动的增加，因此将他们进行关联，研究表明，二者的比值在0.9～1.1范围内转矩波动较小。

永磁极上的相邻的第二空气槽距离为w3，永磁体宽度为w2，满足w3/w2＝0.2～0.5。w3表征了被第二空气槽引导的磁力线占永磁体发出的所有磁力线比例。磁矢量分布示意如图5所示，研究表明，w3/w2>0.5时，能够被第二空气槽引导的磁力线较少，交替极上两侧部位的磁力线分布越少，中心部位由于磁力线分布较多易发生磁饱和，增加转子铁损，同时由于磁力线分布不均匀转矩波动增加；w3/w2<0.2时，大部分磁力线被引导至交替极的两侧，而能被第一空气槽引导的磁力线越少，交替极中心部位分布的磁力线减少，无法形成较强的磁密，电机转矩降低，同时磁密分布不规则引起转矩波动增加。满足w3/w2＝0.2～0.5时，交替极上磁密分布均匀，能够形成较强的磁密，电磁转矩增加，转矩波动下降，如图7所示。

第二空气槽和第三空气槽位于转子外周缘的尾端之间的距离为w4，第二空气槽和永磁体安装槽位于转子外周缘的尾端之间的距离为w5，w4/w5＝0.8～1.3。第二空气槽引导而来的磁力线达到转子外周缘附近进一步由第三空气槽引导，一般情况下，我们都希望气隙磁密波形为正弦波，波形越接近正弦波谐波含量越少。第三空气槽的作用就是调整交替极中心部位磁密的分布使其更接近正弦波中心部分的形状，研究表明，w4/w5＝0.8～1.3时交替极中心部位的磁密波形更接近正弦波，可以有效降低转矩波动和谐波引起的异常铁损。

第二空气槽与第三空气槽具有厚度ts2，满足ts2/(w4+w5)＝0.05～0.09。第二空气槽与第三空气槽的作用都是引导磁力线，毫无疑问，由于设置了第二空气槽与第三空气槽会让交替极上留给磁力线通过的面积变小，如果小到一定程度那么就会发生磁饱和，磁饱和会引起电磁转矩下将与电机的异常发热，因此ts2不能太大，研究表明，ts2/(w4+w5)>0.09时就会发生上述情况。另一方面，当ts2/(w4+w5)<0.05时，ts2的值过小，磁力线直接穿过第二空气槽或者3而不会随着他们流动，所以此时第二空气槽与第三空气槽已经没有引导磁力线的作用。满足ts2/(w4+w5)＝0.05～0.09时，第二和第三空气槽可以有效引导磁力线流动并且不会引起交替极上的磁饱和。

第一空气槽靠近第三空气槽的一端与第三空气槽之间的距离为h1，h1/w4＝0.8～1.3。h1的大小决定了有多少磁力线能够从交替极中心线一侧进入到另一侧，空载时磁力线是关于磁极中心线对称的，所以不会有磁力线从一侧进入到另一侧，但是负载时候，由于定子上电枢磁动势的作用会让转子上的磁力线线往旋转方向聚集，即电枢反应。在常规的交替极电机上，由于缺少永磁体对磁力线的约束，交替极上的磁力线很容易就因为电枢反应聚集到旋转方向一侧，结果引起了旋转方向一侧的磁饱和，研究表明，当h1/w4>1.3的时候上述情况就会出现。另一方面，h1/w4<0.8时，由第一和第二空气槽引导的磁力线达到第三空气槽位置时会在第一空气槽与3之间发生磁饱和，同样会降低电磁转矩，研究表明，h1/w4＝0.8～1.3时，不会磁力线随意聚集到旋转方向一侧，同时能保证第一空气槽与3之间不发生磁饱和，降低了转子上的铁损，提升了电磁转矩。

采用本发明设计的电机与现有技术的反电动势对比如图10所示，转矩曲线对比如图11所示，很明显，本发明技术电机的反电动势更加对称，波形更接近正弦波，并且具有更大的电磁转矩以及更小的转矩波动。

实施例2

一种压缩机，包括实施例1中的交替极电机。

上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种交替极电机，其特征在于包括：转子，所述转子由软磁材料薄片叠压而成，转子上开有两组以上的永磁体安装槽，安装槽内安装有永磁体，所有的永磁体面向转子外周缘的极性为同一极性；永磁体面对的转子外周缘为永磁极，永磁极之间的软磁材料为交替磁极；所述永磁极外周边缘上开有一对弧形凹口，所述弧形凹口之间关于磁极中心线对称；

所述转子中心设置有转子轴孔，所述永磁体安装槽和转子轴孔之间设置有两个以上的第一空气槽，所述第一空气槽沿电机周向延伸，并在两个第一空气槽之间设置有桥接部；

所述第一空气槽和永磁体安装槽之间设置有两个以上的距离是从永磁极向交替极延伸的第二空气槽；

所述转子上还设置有两个以上的第三空气槽，所述第三空气槽设置在交替极上相邻的第二空气槽之间沿转子径向延伸；

所述第二空气槽和第三空气槽位于转子外周缘的尾端之间的距离为w4，第二空气槽和永磁体安装槽位于转子外周缘的尾端之间的距离为w5，其中w4/w5＝0.8～1.3。

2.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述永磁体安装槽的数量为N，所述弧形凹口的中心线与所在永磁极的中心线之间的夹角为a1，a1/(90°/N)＝0.7～0.9。

3.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述第一空气槽为外凸弧形、两段相连内凹弧形或两段相连直线形。

4.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述桥接部和第一空气槽之间呈倾斜角。

5.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述桥接部的数量为1个。

6.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述第一空气槽的厚度为ts1，所述永磁体的厚度为t1，其中t1/ts1＝0.7～1.2。

7.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述桥接部的厚度为tb1，第一空气槽的厚度为ts1，其中0.3＜tb1/ts1＜1。

8.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述第一空气槽内填充不导磁材料。

9.根据权利要求8所述的交替极电机，其特征在于：所述不导磁材料为树脂材料。

10.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述第二空气槽距离永磁体安装槽的最近距离为t2，第一空气槽距离第二空气槽的距离为t3，第二空气槽距离转子轴孔边缘的距离是t4，其中2(t2+t3)≥t4≥2ts1，ts1为第一空气槽的厚度。

11.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：相邻的所述第二空气槽在永磁极上的距离为w3，永磁体的宽度为w2，其中w3/w2＝0.2～0.5。

12.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述一对弧形凹口之间的距离为w1，第二空气槽和第三空气槽位于转子外周缘的尾端之间的距离为w4，第二空气槽和永磁体安装槽位于转子外周缘的尾端之间的距离为w5，第二空气槽和第三空气槽的厚度为ts2，w1/(w4+w5+2ts2)＝0.9～1.1，其中ts2/(w4+w5)＝0.05～0.09。

13.根据权利要求11所述的交替极电机，其特征在于：所述第一空气槽靠近第三空气槽的最短距离为h1，第二空气槽和第三空气槽位于转子外周缘的尾端之间的距离为w4，其中h1/w4＝0.8～1.3。

14.一种压缩机，其特征在于：包括权利要求1至13任一所述的交替极电机。