CN109921593A - 一种涡旋电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡旋电机，包括定子和转子两部分，定子和转子均采用环形涡旋形结构，所述的定子包括定子涡旋槽和定子模块，所述的定子模块嵌入定子涡旋槽中，所述的定子模块包括铁芯、径向电磁力环形绕组线圈和转矩环形绕组线圈，所述的铁芯采用环形涡旋结构，所述的径向电磁力环形绕组线圈和转矩环形绕组线圈间隔分布在铁芯上；所述的转子包括转子涡旋槽和转子永磁体，所述的转子永磁体嵌入转子涡旋槽中，采用无齿槽涡旋定子铁芯、环形绕组及涡旋形永磁体，同时定转子之间实现偏心无气隙啮合运动。本发明具有较高的转矩密度、运行效率、较低的转矩脉动以及良好的运行平稳性，直接应用于电机与压缩机的集成一体化设计。

Description

一种涡旋电机

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机，尤其涉及一种涡旋电机。

背景技术

电动车及混动车的空调系统一般采用电动压缩机，它由电机直接驱动，不受发动机转速影响，可独立进行制冷量的调节。由于不需要发动机皮带轮驱动，电动压缩机在车内的空间布置上较为灵活，易于汽车部件集成。由于车用压缩机要求更大的单位体积制冷量、更小的尺寸和重量、更高的能效比以及更低的噪声与振动，因此它将朝着压缩机、电机以及驱动控制器集成一体化方向发展。

目前，电动压缩机的电机与用于压缩气体的机械部件使用分体式设计，电机的转矩由传动轴传递机械驱动部件实现旋转或直线运动，实现气体压缩。但这些传统的传动方式存在着额外的传动部件、效率低、体积重量大等诸多缺点。随着科学技术的进一步发展，Y.Li在“A novel flux-switching permanent magnet motor-compressor withintegrated airfoil-shaped rotor design”文中对电机与压缩机的集成一体化的研究上提出了一些创新的设计。H.Ding在“Electromagnetic and thermodynamic design of anovel integrated flux-switching motor-compressor with airfoil-shaped rotor”文中提出了一种变磁通永磁电机和基于叶片的轴向压缩机的一体化设计，以求电机同时满足电磁和流体方面的要求。该电机定子和转子都需要特定的曲面设计来满足流体方面的要求，在设计上需要平衡电磁与流体特性，由此其转矩输出是传统变磁通永磁电机的75.8％。尽管如此，一体化的设计还是使整体的压升提高了9.55％。在散热特性设计上，低温进气在压缩的同时也流过电机的转子和定子，从而达到电机散热的目的。这样的设计不需要额外的散热风扇，可以有效增加电机的效率和可靠性。上述轴向空压机的电机压缩机一体化是基于径向磁通电机的设计。A.W.Bandarkar在“Design of an axial-flux switchreluctance motor for a novel integrated motor-compressor system”论文中把轴向磁通电机集成到传统的离心压缩机设计中。该电机使用了磁阻电机的设计，在设计中糅合了叶轮的形状，实现了电机转子和叶轮的一体化。该设计不需要额外的齿轮组和独立的电机来驱动离心压缩机的叶轮，从而减少了整体系统的尺寸，使得整套离心压缩机系统更紧凑。叶轮形状的转子轴向安装在定子上，既实现了电机转子的功能，又实现了叶轮压缩空气的作用。与之前轴向压缩机一体化设计类似，该设计也需要同时优化电磁和流体特性，使得电机性能和普通电机相比有所下降，同时也增加了生产加工难度。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种能够提高电动压缩机的功率密度及减少整体系统尺寸的涡旋电机。

技术方案：本发明包括定子和转子两部分，定子和转子均采用环形涡旋形结构，所述的定子包括定子涡旋槽和定子模块，所述的定子模块嵌入定子涡旋槽中，所述的定子模块包括铁芯、径向电磁力环形绕组线圈和转矩环形绕组线圈，所述的铁芯采用环形涡旋结构，所述的径向电磁力环形绕组线圈和转矩环形绕组线圈间隔分布在铁芯上；所述的转子包括转子涡旋槽和转子永磁体，所述的转子永磁体嵌入转子涡旋槽中。

所述的铁芯采用无齿槽环形涡旋结构。

所述的定子模块采用三相或多相设计，极对数匹配转子极对数，实现同步运行。

所述的转子永磁体采用多极设计，并与定子极对数一致，实现同步运行。

所述的转子永磁体采用环形涡旋形结构。

所述的转子永磁体由高性能磁材料制成。

所述的铁芯由高性能导磁材料叠压而成。

所述的定子涡旋槽和转子涡旋槽均采用非导磁材料制成。

所述的径向电磁力环形绕组线圈和转矩环形绕组线圈采用铜材料，转矩环形绕组线圈用以产生切向电磁力，实现旋转运动；径向电磁力环形绕组线圈产生不平衡电磁力，用以压缩气体实现与转子之间的偏心无气隙运动，径向电磁力环形绕组线圈在转子的一侧增加永磁体电磁密度，而在另一侧削弱永磁体电磁密度，从而产生气隙上的不平衡径向电磁力，实现定转子之间偏心无气隙运动。

有益效果：本发明的电机为涡旋形结构，并且采用无齿槽涡旋定子铁芯、环形绕组及涡旋形永磁体，同时定转子之间实现偏心无气隙啮合运动，因此，本发明具有如下优点：电机采用涡旋形结构，实现电机定转子和涡旋压缩机动静涡旋盘的一体化，降低整体压缩机系统的尺寸，使得整套系统更加紧凑；无齿槽涡旋定子铁芯、环形绕组及涡旋形永磁铁的综合设计最大程度上降低电机的转矩波动，提高电机运行的平稳性；在此基础上，定子由两套环形绕组组成：转矩电枢线圈绕组和径向电磁力电枢线圈绕组，通过径向电磁力绕组产生不平衡电磁力，实现电机无气隙运动，提高电机的转矩密度及功率密度；转子上采用多层涡旋形永磁体排布，配合多层涡旋定子绕组及铁芯，实现定转子之间的多层电磁耦合，增加了气隙面积，进而提升电机的转矩密度。因此，该无气隙涡旋永磁同步电机具有较高的转矩密度、运行效率、较低的转矩脉动以及良好的运行平稳性，直接应用于电机与压缩机的集成一体化设计。

附图说明

图1为本发明的电机分解示意图；

图2为本发明的定子分解示意图；

图3为本发明的转子分解示意图；

图4为本发明的定转子总成平面示意图；

图5为本发明的定子平面示意图；

图6为本发明的转子平面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图6所示，本发明包括定子和转子两部分，定子和转子均采用环形涡旋形结构，定子包括定子涡旋槽I和定子模块II，定子模块II能够均匀嵌入多层定子涡旋槽I中，定子模块II包括铁芯1、径向电磁力环形绕组线圈2和转矩环形绕组线圈3，铁芯1采用无齿槽环形涡旋结构，径向电磁力环形绕组线圈2和转矩环形绕组线圈3间隔均匀地分布在铁芯1上，如图2所示。转矩环形绕组线圈3可以使用三相或多相设计，提供切向电磁力实现定转子的旋转运动；径向电磁力环形绕组线圈2在转子的一侧增加永磁体电磁密度，而在另一侧削弱永磁体电磁密度，从而实现不平衡的电磁力。径向电磁力环形绕组线圈2通电可以产生磁场，磁场方向由通电电流方向决定。转子永磁体III的N极和S极之间形成磁场回路，在没有给径向电磁力环形绕组线圈2通电的情况下，转子永磁体III的N极和S极之间形成的磁场回路和转矩环形绕组线圈3通电产生的磁场叠加起来在气隙上产生的径向电磁力是平衡的。通过径向电磁力环形绕组线圈2通电电流方向的变化，可以改变N极和S极对应的气隙上的径向磁场强度。通过该径向电磁力环形绕组线圈2产生的额外磁场叠加，增强一边气隙的磁场强度，消弱另一边的磁场强度，从而产生不平衡的径向电磁力，用以压缩气体完成偏心无气隙运动。转子包括转子涡旋槽IV和转子永磁体III，如图3所示，转子永磁体III能够嵌入转子涡旋槽IV中。定转子之间有多层电磁场耦合，所需电磁力可以由每层涡旋定子绕组线圈分担产生，从而减少每层绕组的厚度，同时增加电机的转矩密度。

如图2和5所示，径向电磁力环形绕组线圈2和转矩环形绕组线圈3均采用环形绕组，配合无齿槽的涡旋定子铁芯1，最大程度降低电机的转矩波动，提高电机运行的平稳性。铁芯1由高性能导磁材料叠压而成，如十号钢或硅钢片等；径向电磁力环形绕组线圈2和转矩环形绕组线圈3均采用环形绕组，减少涡旋定子厚度，间接增加可压缩气体的容积效率，同时线圈采用铜材料，导电性好且导热系数大。

如图3和图6所示，转子永磁体III使用涡旋形结构，能够均匀嵌入采用非导磁材料制成的转子涡旋槽IV中。转子永磁体III可以采用两极或多极设计，但需和定子极对数保持一致，实现同步运行。转子永磁体III材质均为高性能永磁体，如钕铁硼等，永磁材料稳定性好，矫顽力大，剩磁高，易加工，且漏磁较小。

定子可采用三相或多相的绕组设计，转子可采用两极或多极永磁体设计，如图6所示，为两级转子永磁体，包括N极涡旋永磁体4和S极涡旋永磁体5，但需与定子极对数保持一致，实现同步运行。本发明中选取了三相两极定转子的组合。

本发明的定子与转子均采用涡旋形结构，实现电机定转子和涡旋压缩机动静涡旋盘的一体化，在满足电机输出转矩情况下，同时优化涡旋动静盘啮合压缩气体的流体特性。该设计降低了电动压缩机的整体尺寸，使得整体系统更加紧凑，不需要额外的传动轴和独立的电机来驱动涡旋盘，从而减少整体压缩机的尺寸。在此基础上，为了实现涡旋盘压缩空气的机理，定转子之间通过电磁耦合形成偏心无气隙运动，同时，无气隙的啮合运动直接增加了电机的功率及转矩密度。该电机定子上有两套电枢线圈绕组组成：径向电磁力环形绕组线圈和转矩环形绕组线圈。转矩环形绕组线圈实现电机的旋转运动，而径向电磁力环形绕组线圈产生不平衡的气隙电磁来压缩气体。定子上两套绕组使用环形绕组设计，配合无齿槽的涡旋定子铁芯，以最大程度降低电机的转矩波动，提高电机的平稳性。定转子之间多层接触运动，直接增加了气隙电磁耦合的面积，从而增大了转矩输出。转子采用涡旋形永磁体排布方式，极对数与定子极对数保持一致。可应用于汽车及商用电动涡旋压缩机、电驱辅助涡旋气动马达的电机与压缩机的集成一体化设计。

Claims (9)

1.一种涡旋电机，其特征在于，包括定子和转子两部分，定子和转子均采用环形涡旋形结构，所述的定子包括定子涡旋槽和定子模块，所述的定子模块嵌入定子涡旋槽中，所述的定子模块包括铁芯、径向电磁力环形绕组线圈和转矩环形绕组线圈，所述的铁芯采用环形涡旋结构，所述的径向电磁力环形绕组线圈和转矩环形绕组线圈间隔分布在铁芯上；所述的转子包括转子涡旋槽和转子永磁体，所述的转子永磁体嵌入转子涡旋槽中。

2.根据权利要求1所述的一种涡旋电机，其特征在于，所述的铁芯采用无齿槽环形涡旋结构。

3.根据权利要求1所述的一种涡旋电机，其特征在于，所述的定子模块采用三相或多相设计。

4.根据权利要求1所述的一种涡旋电机，其特征在于，所述的转子永磁体采用多极设计，并与定子极对数一致。

5.根据权利要求1所述的一种涡旋电机，其特征在于，所述的转子永磁体采用环形涡旋形结构。

6.根据权利要求1所述的一种涡旋电机，其特征在于，所述的转子永磁体由高性能磁材料制成。

7.根据权利要求1所述的一种涡旋电机，其特征在于，所述的铁芯由高性能导磁材料叠压而成。

8.根据权利要求1所述的一种涡旋电机，其特征在于，所述的定子涡旋槽和转子涡旋槽均采用非导磁材料制成。

9.根据权利要求1所述的一种涡旋电机，其特征在于，所述的径向电磁力环形绕组线圈和转矩环形绕组线圈采用铜材料。