CN110022044A - 车载空调压缩机用低转矩波动永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种车载空调压缩机用低转矩波动永磁同步电机，包括定子和转子，所述定子的定子铁芯采用定子冲片制成，所述定子冲片包括定子冲片本体，所述定子冲片本体上环形均布设有定子齿，所述定子齿靴部的齿尖部进行了切削处理，且切削厚度满足：0<L2/L1<0.5其中，L1为切削前定子齿靴部端头处的宽度，L2为端头处的切削宽度。本发明通过对定子齿部和转子外圆的优化设计，改变定子齿靴部弧线形状，同时对转子外圆进行优化设计，达到了降低转矩波动，进而降低压缩机振动噪音的目的。

Description

车载空调压缩机用低转矩波动永磁同步电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种车载空调压缩机用永磁同步电机。

背景技术

近年来，车用电动空调处于快速发展阶段，作为制冷系统的核心，电动空调用压缩机也迅速发展。

新能源汽车、房车以及卡车的驻车空调压缩机是采用蓄电池直接供电，同时，车辆内部环境要求有很高的舒适度，要求压缩机运转平稳、安静，这就对压缩机电机的振动噪声性能提出了更高的要求。

现有的车用电动空调压缩机驱动电机，多采用定子组件用三相整距绕组，转子组件采用表面式转子磁路结构，磁钢凸出转子铁芯外，用不锈钢隔磁套紧固在转子表面。也有部分采用分数槽集中绕阻电机和转子磁钢内置式电机，但通常借用家用空调电机设计，定、转子气隙多为等气隙，未针对汽车空调的工作环境进行特殊设计，无法满足电动汽车高效、平稳、静音等要求。

现有车载空调压缩机驱动电机，存在如下技术缺点：

1)受汽车上空间限制，将体积都尽量做小，这也制约着电机的外径尺寸和定子槽数。但是，q较小时，电机齿谐波电动势次数较低，数值较大，这些都会使绕组产生的感应电动势得不到很好的正弦波形，增加电机的附加损耗。

2)永磁体和有槽电枢铁心相互作用，不可避免的产生电机齿槽转矩，导致转矩波动，引起振动和噪声影响系统的控制精度。

发明内容

本发明的目的在于通过合理的电磁结构设计，对电机定子和转子进行优化设计，从而降低转矩波动，进而降低车载空调压缩机振动噪声。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种车载空调压缩机用低转矩波动永磁同步电机，包括定子和转子，所述定子的定子铁芯采用定子冲片制成，所述定子冲片包括定子冲片本体，所述定子冲片本体上环形均布设有定子齿，所述定子齿靴部的齿尖部进行了切削处理，且切削厚度满足：

0<L2/L1<0.5

其中，L1为切削前定子齿靴部端头处的宽度，L2为端头处的切削宽度。

优选的，L2/L1＝1/3。

进一步的，所述转子采用转子冲片制成，所述转子冲片包括转子冲片本体，所述转子冲片本体上均布设有磁钢孔，所述转子冲片本体的外圆周于相邻两个磁钢孔的连接处向内凹陷，且凹陷部尺寸满足：

0<L3/R1<0.02

其中，L3为转子冲片本体外圆周向内凹陷的最大深度，R1为转子冲片本体外圆周的半径。

优选的，L3/R1＝0.017。

进一步的，所述凹陷部的宽度L5满足：0.02<L5/(2πR1)<0.03。

优选的，所述凹陷部的宽度L5满足：L5/(2πR1)＝0.025。

进一步的，所述凹陷部的最大深度L3满足：0.6＜L3/L4＜0.8，其中L4为转子磁桥宽度。

优选的，所述凹陷部的最大深度L3满足：L3/L4＝0.75。

进一步的，所述转子磁桥宽度L4与两磁钢孔间的磁路宽度L6之比为：0.4＜L4/L6＜0.6。

优选的，所述转子磁桥宽度L4与两磁钢孔间的磁路宽度L6之比为：L4/L6＝0.5。

本发明的有益效果：通过调整电机定、转子冲片尺寸外形，从电磁原理上降低电了机转矩波动，同时降低了电机运行时的振动噪声，从而使电动空调压缩机应用于车上时更静音、舒适。

附图说明

图1为现有永磁同步电机中定子冲片和转子冲片的结构示意图。

图2为本发明实施例的永磁同步电机中定子冲片和转子冲片的结构示意图。

图3为本发明实施例的定子冲片结构优化放大示意图。

图4为现有定子冲片和本发明实施例的定子冲片齿槽转矩仿真分析对比图。

图5为本发明实施例的转子冲片结构优化放大示意图。

图6为现有转子冲片和本发明实施例的转子冲片齿槽转矩仿真分析对比图。

图7为现有永磁同步电机和本发明实施例的永磁同步电机齿槽转矩仿真分析对比图。

图8为现有永磁同步电机和本发明实施例的永磁同步电机一个磁极下的气隙磁密分布仿真分析对比图。

图9为现有永磁同步电机和本发明实施例的永磁同步电机反电动势波形仿真分析对比图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

永磁同步电机的转矩波动有多方面原因，可以分为以下几个方面：电磁转矩产生原理引起的转矩波动、电流换向引起的转矩波动、齿槽转矩引起的转矩波动、电枢反应引起的转矩波动、电机工艺缺陷引起的转矩波动。

从电机的定、转子电磁结构进行分析，可以显著降低电磁转矩产生原理引起的转矩波动及齿槽转矩引起的转矩波动。而从工作原理看，正弦波驱动是一种高性能的控制方式，电流是连续的，三相正弦波交流电流与三相绕阻中的正弦反电动势共同作用，产生光滑平稳的电磁转矩，理论上可获得与转角位置无关的均匀输出转矩。因此，可从反电动势波形着手，尽量使其接近正弦波。

齿槽转矩是永磁电机特有的现象，是电枢铁心的齿槽与转子永磁体相互作用而产生的磁阻转矩。由于永磁同步电机定子齿槽的存在，当永磁转子磁极与定子齿槽相对在不同位置时，主磁路的磁导发生变化，电机转子有停在圆周上若干个稳定位置的倾向。当电动机旋转时，齿槽转矩表现为一种附加的脉动转矩，虽然它不会使电动机平均转矩增加或减少，但它引起速度波动，电机振动和噪声，特别是在轻负荷和低速时显得更加明显。在变速驱动时，如果齿槽转矩频率接近系统固有频率，可能产生谐振和强烈噪声。另外在启动时，由于齿槽转矩的存在需要增大了最初的启动转矩，这对于无传感器控制方式就比较敏感。

基于上述分析，本发明从降低齿槽转矩和改善反电动势波形这两个方面着手，优化电机冲片以达到降低转矩波动的目的。

如图1所示，现有的永磁同步电机，其设于定子冲片本体1’上的定子齿2’靴部的内圆各弧线分布在一个圆上，由定子槽口分割为均布的弧线；同时，其转子冲片本体3’的外圆为一个整圆。

本发明的下述实施例中，对上述结构分别作了相应优化，优化后的定子冲片和转子冲片的结构示意图如图2所示。下面进行详细说明：

如图3所示，本发明的一个实施例中，对定子冲片结构进行了优化。常规定子内径为一整圆，均布相应的定子槽口，以便于嵌线。常规设计中各个定子齿2的靴部21为同心的圆弧，见图3中虚线；本发明实施例中，将定子冲片本体1上的定子齿2的靴部21的两个齿尖部位削去，以削去后的两个齿尖点和靴部圆弧中点三点确定一个圆弧或者近似线段，如图3中粗实线所示。为了便于电机绕阻直接绕制在定子齿上，齿靴部位需要具备一定的机械强度。综合考虑，本实施例中，定子齿靴部21切削处理的厚度满足：

0<L2/L1<0.5

其中，L1为切削前定子齿靴部端头处的宽度，L2为端头处的切削宽度。

作为更优选的实施方案，上述的尺寸比例满足L2/L1＝1/3。

对优化前后定子冲片进行有限元仿真分析，观察其齿槽转矩对比情况，分析结果如图4所示。图中：虚线为定子冲片优化前即现有定子冲片的齿槽转矩，绿色实线为优化后即本实施例的定子冲片的齿槽转矩。可以看出，齿槽转矩最大值由404.3mN*m降低为231.6N*m，降幅为43.7％，具有良好的优化效果。

如图5所示，本发明的一个实施例中，对转子冲片结构进行了优化。现有的转子冲片，其转子冲片本体的外圆为一个整圆，如图5中虚线所示。本实施例中，转子冲片本体3的外圆周于相邻两个磁钢孔4a、4b的连接处向内凹陷，如图5中实线所示，且凹陷部31的尺寸满足：

0<L3/R1<0.02

其中，L3为转子冲片本体外圆周向内凹陷的最大深度，R1为转子冲片本体外圆周的半径。

作为更优选的实施方案，上述的尺寸比例满足L3/R1＝0.017。

作为进一步的优选实施方案，凹陷部31的宽度L5满足：0.02<L5/(2πR1)<0.03。

作为更优选的实施方案，凹陷部31的宽度L5满足：L5/(2πR1)＝0.025。

作为进一步的优选实施方案，凹陷部的最大深度L3满足：0.6＜L3/L4＜0.8，其中L4为转子磁桥宽度。

作为更优选的实施方案，凹陷部31的最大深度L3满足：L3/L4＝0.75。

作为进一步的优选实施方案，转子磁桥宽度L4与两磁钢孔间的磁路宽度L6之比为：0.4＜L4/L6＜0.6。

作为更优选的实施方案，转子磁桥宽度L4与两磁钢孔间的磁路宽度L6之比为：L4/L6＝0.5。

对优化前后转子冲片进行有限元仿真分析，观察其齿槽转矩对比情况，分析结果如图6所示。图中：虚线为转子冲片优化前即现有转子冲片的齿槽转矩，绿色实线为优化后即本实施例的转子冲片的齿槽转矩。可以看出，齿槽转矩最大值由404.3mN*m降低为222.8.6N*m，降幅44.9％；具有良好的优化效果。

本发明一个实施例的永磁同步电机中，同时采用了上述的优化后的定子冲片和转子冲片，从而综合获得了更好的优化效果，其仿真分析结果如下：

如图7所示为现有的和本发明实施例中电机冲片优化后的齿槽转矩有限元分析仿真分析对比图。图中，虚线为优化前的齿槽转矩，实线为优化后的齿槽转矩。齿槽转矩最大值由404.3mN*m降低为148.5N*m,降幅63.3％。

如图8所示为现有的和本发明实施例中电机冲片优化后一个转子磁极下的气隙磁密分布仿真分析对比图。图中，虚线为优化前一个磁极下空载气隙磁密分布，实线为优化后一个磁极下空载气隙磁密分布。从图中，明显可以看出空载气隙磁密从接近梯形波优化为近似正弦波，这有助于产生正弦波形的反电动势，搭配正弦波电流驱动模式，有利于降低因反电动势谐波引起的转矩波动。

如图9所示为现有的和本发明实施例中电机冲片优化后反电动势波形仿真分析对比图。图中，虚线为优化前的反电动势波形，实线为优化后的反电动势波形。与优化前相比，有效削弱了两个尖峰，傅里叶分解后的谐波含量也由10.76％降低为8.8％。

综上所述，本发明中对电机冲片的优化取得了良好的优化效果，达到了降低转矩波动的目的。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种车载空调压缩机用低转矩波动永磁同步电机，包括定子和转子，所述定子的定子铁芯采用定子冲片制成，所述定子冲片包括定子冲片本体(1)，所述定子冲片本体(1)上环形均布设有定子齿(2)，其特征在于，所述定子齿靴部(21)的齿尖部进行了切削处理，且切削厚度满足：

0<L2/L1<0.5

其中，L1为切削前定子齿靴部端头处的宽度，L2为端头处的切削宽度。

2.如权利要求1所述的车载空调压缩机用低转矩波动永磁同步电机，其特征在于：L2/L1＝1/3。

3.如权利要求1或2所述的车载空调压缩机用低转矩波动永磁同步电机，其特征在于，所述转子采用转子冲片制成，所述转子冲片包括转子冲片本体(3)，所述转子冲片本体(3)上均布设有磁钢孔(4)，所述转子冲片本体(3)的外圆周于相邻两个磁钢孔(4)的连接处向内凹陷，且凹陷部(31)尺寸满足：

0<L3/R1<0.02

其中，L3为转子冲片本体外圆周向内凹陷的最大深度，R1为转子冲片本体外圆周的半径。

4.如权利要求3所述的车载空调压缩机用低转矩波动永磁同步电机，其特征在于：L3/R1＝0.017。

5.如权利要求3所述的车载空调压缩机用低转矩波动永磁同步电机，其特征在于，所述凹陷部的宽度L5满足：0.02<L5/(2πR1)<0.03。

6.如权利要求5所述的车载空调压缩机用低转矩波动永磁同步电机，其特征在于，所述凹陷部的宽度L5满足：L5/(2πR1)＝0.025。

7.如权利要求3所述的车载空调压缩机用低转矩波动永磁同步电机，其特征在于，所述凹陷部的最大深度L3满足：0.6＜L3/L4＜0.8，其中L4为转子磁桥宽度。

8.如权利要求7所述的车载空调压缩机用低转矩波动永磁同步电机，其特征在于，所述凹陷部的最大深度L3满足：L3/L4＝0.75。

9.如权利要求7所述的车载空调压缩机用低转矩波动永磁同步电机，其特征在于，所述转子磁桥宽度L4与两磁钢孔间的磁路宽度L6之比为：0.4＜L4/L6＜0.6。

10.如权利要求9所述的车载空调压缩机用低转矩波动永磁同步电机，其特征在于，所述转子磁桥宽度L4与两磁钢孔间的磁路宽度L6之比为：L4/L6＝0.5。