CN110875654A - 同步电机及使用该同步电机的压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同步电机和压缩机，凸齿的数量为9个，且9个凸齿在轭部的内侧沿轭部的周向间隔设置，凸齿的内端设有齿靴；绕组绕设在凸齿上，绕组中三个相邻凸齿的线圈构成绕组的一相，凸齿被划分为3相，且每个线圈仅跨过一个凸齿，组成一相的三个凸齿包括位于中间的中间凸齿、分别位于中间凸齿两侧的第一凸齿和第二凸齿，且按转子的旋转方向第二凸齿、中间凸齿和第一凸齿依次设置；其中，齿靴靴尖远离定子内径的最远点到齿靴连接到齿靴根部远离定子内径的最远点之间的距离为Ws，齿靴靴尖的长度为TGD，中间凸齿的齿靴的最大径向厚度尺寸为W1，则：

本发明提供的同步电机，可以有效减小同步电机的不平衡电磁拉力，减小电机振动噪音。

Description

同步电机及使用该同步电机的压缩机

技术领域

本发明涉及压缩机领域，更具体而言，涉及一种同步电机和包括该同步电机的压缩机。

背景技术

现有采用永磁电机的旋转式直流变频压缩机中，三相电机普遍采用内置式永磁电动机，通常在将定子绕组缠绕在电动机的凸齿上。转子铁芯中使用的磁铁的磁极数量与定子槽的数量一般情况下为2：3，且定子齿(凸齿)、转子磁极在圆周上等间距分布，但由于其绕组系数低，电机能效提升存在瓶颈。若电机采用结构单元为1的近极槽配合，可以具有较高的绕组系数，降低电机铜耗，可有效提升电机效率。但这种类型的电机通常存在固有的不平衡电磁力，进而产生振动噪音，使得电机的听感较差。磁通通常会沿着所通过磁路长度最短的方向行走，若电机定转子气隙中有磁通通过，定转子间会产生沿气隙圆周方向分布的径向力，使其经过的有效气隙长度缩短。当气隙磁场分布不均匀时，合成径向力不为0，此时会产生不平衡磁拉力。该力的存在将会对电机的运行带来许多负面影响，引起电机振动及噪声、降低效率和缩短使用寿命等。不平衡磁拉力的产生，究其原因通常认为是由特定槽极配合的电机本体的固有缺陷和电机加工时的安装操作两方面所导致。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的第一个方面的目的在于提供一种同步电机。

本发明的第二个方面的目的在于提供一种包括上述同步电机的压缩机。

为实现上述目的，本发明的第一个方面的技术方案提供了一种定同步电机，包括：定子、定子绕组、转子；所述转子包括转子铁芯，所述转子铁芯包括转子冲片和多个磁铁插槽，全部所述磁铁插槽沿所述转子铁芯的周向间隔分布，数个所述永磁体对应地插入多个所述磁铁插槽中，转子的磁极数与槽数之差的绝对值为1；所述定子包括：环形的轭部和凸齿，所述凸齿的数量为9个，且9个所述凸齿在所述轭部的内侧沿所述轭部的周向间隔设置，所述凸齿的内端设有齿靴；所述定子绕组绕设在所述凸齿上，所述凸齿被划分为3相，且每个所述线圈仅跨过一个所述凸齿，组成一相的三个所述凸齿包括位于中间的中间凸齿、分别位于所述中间凸齿两侧的第一凸齿和第二凸齿；其中，齿靴靴尖远离定子内径的最远点到齿靴根部远离定子内径的最远点之间的距离为Ws，所述齿靴靴尖的长度为TGD，所述中间凸齿的齿靴的最大径向厚度尺寸为W1，则：

本发明上述技术方案提供的定子，通过对Ws、W1、TGD的限定，在保证制造性不用变更的前提下，可以有效减小同步电机的不平衡电磁拉力，进而减小电机振动噪音，改善听感，提供品质较好的同步电机。

另外，本发明上述技术方案提供的定子还具有如下附加技术特征：

上述技术方案中，优选地，按所述转子的旋转方向所述第二凸齿、所述中间凸齿和所述第一凸齿依次设置；所述第一凸齿的齿靴的最大径向厚度尺寸为W2，所述第二凸齿的齿靴的最大径向厚度尺寸为W3，则：0.45≤W1/W2≤1.85，0.45≤W1/W3≤1.75。

W1/W2可以为但不限于0.45、0.75、1.00、1.35、1.65或1.85；W1/W3可以为但不限于0.45、0.75、1.00、1.35、1.65或1.75。

上述技术方案中，优选地，所述中间凸齿的齿靴的最小径向厚度为W1min，1.4≤W1/W1min≤3.2。

随着中间凸齿的齿靴的最大径向厚度尺寸的变化，中间凸齿的齿靴的最小径向厚度尺寸也必须作出相同趋势的变化，才能保证磁通顺利通过，可以使反电势、气隙磁密波形的畸变率在较优的范围内。

上述技术方案中，优选地，W1满足2.4mm≤W1≤4.7mm。

W1可以为但不限于2.4mm、2.9mm、3.4mm、3.7mm、4.2mm或4.7mm。

上述技术方案中，优选地，所述凸齿的宽度为Wt，0.25≤W1/Wt≤0.85。

W1/Wt可以为但不限于0.25、0.45、0.65或0.85。

上述技术方案中，优选地，所述中间凸齿的齿靴沿所述中间凸齿的轴线不对称，不对称形状的齿靴可以同样达到较好的反电势提升效果，进而减小铜耗，提升效率，具体的不对称可以为中间凸齿的齿靴被中间凸齿的轴线分成的两部分的长度(两部分所对应的圆心角)不同和/或厚度不同；和/或，所述第一凸齿的齿靴沿所述第一凸齿的轴线不对称，不对称形状的齿靴可以同样达到较好的反电势提升效果，进而减小铜耗，提升效率，具体的不对称可以为中间凸齿的齿靴被中间凸齿的轴线分成的两部分的长度(两部分所对应的圆心角)不同和/或厚度不同；和/或，所述第二凸齿的齿靴沿所述第二凸齿的轴线不对称，不对称形状的齿靴可以同样达到较好的反电势提升效果，进而减小铜耗，提升效率，具体的不对称可以为中间凸齿的齿靴被中间凸齿的轴线分成的两部分的长度(两部分所对应的圆心角)不同和/或厚度不同。

上述技术方案中，优选地，所述同步电机的极数等于10，即转子的磁极数为10。当然，同步电机的极数还可以是8、12等。

上述技术方案中，优选地，一相中相邻所述凸齿上的所述线圈的绕线方向相反。

具有9个凸齿的同步电动机，该9个凸齿以每3个相邻的凸齿为1相而被划分为3相，即构成U相、V相、W相各相的具有3个凸齿，均包括位于中间的中间凸齿、分别位于中间凸齿两侧的第一凸齿和第二凸齿，卷绕于设置在中间凸齿上线圈的的方向，与卷绕于设置在第一凸齿和第二凸齿上的线圈的方向相反。在构成U相的3个凸齿中，集中地配置有构成U相的绕组。同样，在构成V相的3个凸齿，集中地配置有构成V相的绕组，在构成W相的3个凸齿，集中地配置有构成W相的绕组。

上述技术方案中，优选地，所述转子的极数为10极，形成具有9个凸齿的10极9槽的同步电机。通过有限元数值计算可以得出，对于10极转子的同步电机，采用本发明可以具有更小的不平衡磁拉力，可显著降低低频噪音。

上述技术方案中，优选地，每磁极下的所述永磁体的宽度之和为bm，所述定子的内径为Di，所述转子的极对数为P，则0.75≤bm×2P/(π×Di)≤0.9。

以永磁体的宽度与极对数满足0.75≤bm×2P/(π×Di)≤0.9，可以实现永磁体利用率最高，性价比最优。

上述技术方案中，优选地，所述转子为切向式转子，相邻所述永磁体所包围出的铁芯区域为磁极。

上述技术方案中，优选地，所述同步电机的额定转矩T、所述定子的内径Di和所述转子的单位体积转矩TPV满足5.18×10^-7≤T×Di^-3×TPV^-1≤1.17×10^-6，其中，所述额定转矩T的单位为N·m，所述定子的内径Di的单位为mm，所述单位体积转矩TPV的单位为kN·m·m^-3，所述单位体积转矩TPV的取值范围为5kN·m·m^-3≤TPV≤45kN·m·m^-3。

限定了永磁电机的额定转矩T、定子的内径Di和转子的单位体积转矩TPV的组合变量的取值范围，还限定了单位体积转矩TPV的取值范围，使得该永磁电机可以满足压缩机领域的动力需求，相应地，对于采用该定子和转子的永磁电机及压缩机，可有效降低转子漏磁，增加永磁体利用率，提升电机效率。

上述技术方案中，优选地，磁极d轴两侧圆弧组成以旋转中心为圆心的整段圆弧，该圆弧对应的圆心角为α1，极距角为α2，其中α1/α2≥0.5，其中过磁铁插槽对称中心线与转子中心的直线设定为d轴。

α1/α2≥0.5，可以提供足够的主磁通，同时可以满足制造性要求。

本发明第二个方面的技术方案提供一种压缩机，包括如第一个方面的技术方案中任一项所述的同步电机。

本发明第二个方面的技术方案提供的压缩机，因包括第一个方面的技术方案中任一项所述的同步电机，因而具有第一个方面的技术方案中任一项所述的同步电机的全部有益效果，在此不再赘述。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明的一个实施例所述的定子的结构示意图；

图2是本发明的一个实施例所述的10极转子的结构示意图；

图3是本发明的一个实施例所述的转子的结构示意图；

图4是本发明的另一个实施例所述的转子的结构示意图；

图5是本发明的一个实施例所述的切向式转子的结构示意图；

图6是本发明的一个实施例所述的定子局部的结构示意图，其中中间凸齿的齿靴不对称；

图7是本发明的一个实施例所述的定子局部的结构示意图，其中第一凸齿的齿靴、第二凸齿的齿靴不对称；

图8是本发明中数值计算的优化结果的表格；

图9是本发明中数值计算的优化结果的表格；

图10是本发明的一个实施例所述的压缩机的剖视结构示意图。

其中，图1至图10中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1定子，11轭部，12凸齿，13中间凸齿，14第一凸齿，15第二凸齿，16线圈，17齿靴，171齿靴根部，172齿靴靴尖，2转子，3永磁体，100压缩机，10同步电机。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照附图描述根据本发明一些实施例的同步电机和压缩机。

如图1所示，根据本发明一些实施例提供的一种同步电机，包括：定子1、定子绕组、转子2。转子2包括转子铁芯，转子铁芯包括转子冲片和磁铁插槽，全部磁铁插槽沿转子铁芯的周向间隔分布，数个永磁体3对应地插入多个磁铁插槽中，转子的磁极数与槽数之差的绝对值为1；定子1包括：轭部11和凸齿12，轭部11呈环形，凸齿12的数量为9个，且9个凸齿12在轭部11的内侧沿轭部11的周向间隔设置，凸齿12的内端设有齿靴17；定子绕组绕设在凸齿12上，凸齿12被划分为3相，且每个线圈16仅跨过一个凸齿，组成一相的三个凸齿12包括位于中间的中间凸齿13、分别位于中间凸齿13两侧的第一凸齿14和第二凸齿15；其中，齿靴靴尖172远离定子内径的最远点到齿靴根部172远离定子内径的最远点之间的距离为Ws，齿靴靴尖172远离定子内径的最远点指的是齿靴靴尖上距离转子的旋转中心最远的点，齿靴根部172远离定子内径的最远点指的是齿靴根部上距离转子的旋转中心最远的点，齿靴靴尖172的长度为TGD，中间凸齿13的齿靴的最大径向厚度尺寸为W1，则：

定子1包括环形的轭部11，以旋转中心为中心且在轭部11的圆周方向上分布的凸齿12，且凸齿12位于轭部11的内侧，凸齿12数量为9个。定子1还包含绕组，绕组中三个相邻凸齿12的线圈16构成绕组的一相，且每个线圈16仅跨过一个凸齿12。组成一相的三个凸齿12中，中间凸齿13、两侧的第一凸齿14和第二凸齿15上的齿靴17的最大径向厚度满足关系：中间凸齿13的齿靴17的最大径向厚度尺寸W1，第一凸齿14的齿靴17的最大径向厚度尺寸W2，第二凸齿15的齿靴17的最大径向厚度尺寸W3，定子1齿宽为Wt，满足：0.45≤W1/W2≤1.85，0.45≤W1/W3≤1.75，0.25≤W1/Wt≤0.85，如图8和图9中，中间凸齿13的齿靴17的最大径向厚度尺寸W1、第一凸齿14的齿靴17的最大径向厚度尺寸W2、第二凸齿15的齿靴17的最大径向厚度尺寸W3与不平衡磁拉力之间的关系，根据有限元数值计算进行优化，从众多的优化方案中，找到最优的设计尺寸范围。其中，沿转子的转动方向，第二凸齿15、中间凸齿13和第一凸齿14依次设置。如图1中，转子的转动方向为逆时针。

可以为但不限于0.4、0.6、0.8、1.0、1.2或1.4。

采用本发明提供的转子结构可以有效减小电机的不平衡电磁拉力，进而减小电机振动噪音，改善听感。

转子转动地设置在凸齿12的内侧。转子包括转子铁芯，转子铁芯包括转子冲片、磁铁插槽，磁铁插槽的数量为至少一个，全部磁铁插槽沿转子铁芯的周向间隔分布，永磁体设置在磁铁插槽内。永磁体呈片状或圆弧形，数个永磁体一一对应的设置在多个的磁铁插槽中。

电机转子的极数为10极，当然还可以是8极、12极等。

在磁极数与槽数组合为10极9槽的同步电机中，构成一相的绕组被集中设置。因此，电流流到定子绕组时，产生的旋转磁场相对于转子的转轴产生不均匀的电磁力。相对于转轴在径向上产生很大的径向激振力。在10极9槽同步电动机中，转子旋转一周时，呈正弦波变化的激振力共周期10次。径向激振力的大小呈现出，随着同步电动机的负载转矩增大而增大的趋势。

本发明对于改善10极电机的不平衡磁拉力效果显著。

根据图8，相较于初始方案W1min＝1mm，W2min＝1mm，W3min＝1mm的方案，最终方案的不平衡电磁拉力减小了71％，效果显著，其中，W2min为第一凸齿的最小径向厚度尺寸，W3min为第二凸齿的最小径向厚度尺寸。

中间凸齿13的齿靴17的最小径向厚度尺寸为W1min，1.4≤W1/W1min≤3.2。

随着中间凸齿13的齿靴17的最大径向厚度尺寸的变化，中间凸齿13的齿靴17的最小径向厚度尺寸也必须作出相同趋势的变化，才能保证磁通顺利通过，可以使反电势、气隙磁密波形的畸变率在较优的范围内。

W1的尺寸范围为2.4mm-4.7mm，对压缩机100电机的定子齿(凸齿12)齿靴17的最大厚度范围进行限定。

如图6所示，一相中的中间凸齿13的齿靴17左右两部分为不对称形状。

不对称形状的齿靴17可以同样达到较好的反电势提升效果，进而减小铜耗，提升效率，左右两部分指的是中间凸齿13的齿靴17被中间凸齿13的轴线分成的两部分。

如图7所示，一相中的位于两侧的两凸齿12(第一凸齿14和第二凸齿15)的齿靴17左右两部分为不对称形状，第一凸齿14的齿靴17的左右两部分指的是第一凸齿14的齿靴17被第一凸齿14的轴线分成的两部分，第二凸齿15的齿靴17的左右两部分指的是第二凸齿15的齿靴17被第二凸齿15的轴线分成的两部分。

不对称形状的齿靴17可以同样达到较好的反电势提升效果，进而减小铜耗，提升效率。

一相中的相邻线圈16的绕线方向相反，这是这种9槽电机结构的特有的绕线方法。

电机的转子极数为10极。通过有限元数值计算可以得出，对于10极转子的电机，采用本发明可以具有更小的不平衡磁拉力，可显著降低低频噪音。

定子1铁芯的内径Di与外径Do的比值，满足0.51≤Di/Do≤0.57。

Di/Do的比值限定在这个范围内，可以在满足转动惯量的同时获得最优性价比。

如图5所示，转子为切向式转子，相邻所述永磁体所包围出的铁芯区域为磁极。

如图3和图4所示，每磁极下的永磁体的宽度之和为bm，定子1的内径为Di，转子的极对数为P，0.75≤bm×2P/(π×Di)≤0.9。

当一磁极中包括多个永磁体时，bm为多个永磁体的宽度之和。以一磁极中包括两个永磁体为例，两个永磁体的宽度分别为bm1、bm2，bm为两个永磁体的宽度之和，即bm＝bm1+bm2，永磁体的宽度之和与极对数满足这个范围，可以实现永磁体利用率最高，性价比最优。

每一磁极包括两个所述永磁体，且每一所述磁极呈V形，所述V形的开口角度的范围为90°～130°。V形永磁体的角度满足该范围，可以实现反电势基波最大，绕组铜耗低，效率高。

如图2所示，磁极d轴两侧圆弧组成以旋转中心为圆心的整段圆弧，该圆弧对应的圆心角为α1，极距角为α2，其中α1/α2≥0.5。

α1/α2≥0.5满足该范围，可以提供足够的主磁通，同时可以满足制造性要求。

同步电机10的额定转矩T、定子1的内径Di和转子的单位体积转矩TPV满足5.18×10^-7≤T×Di^-3×TPV^-1≤1.17×10^-6，其中，额定转矩T的单位为N·m，内径Di的单位为mm，单位体积转矩TPV的单位为kN·m·m^-3，单位体积转矩TPV的取值范围为5kN·m·m^-3≤TPV≤45kN·m·m^-3。

在该技术方案中，限定了永磁电机的额定转矩T、定子1的内径Di和转子的单位体积转矩TPV的组合变量的取值范围，还限定了单位体积转矩TPV的取值范围，使得该永磁电机可以满足压缩机100领域的动力需求，相应地，对于采用该转子的永磁电机及压缩机100，可有效降低转子漏磁，增加永磁体利用率，提升电机效率。

如图10所示，本发明的第二个方面的实施例提供了一种压缩机100，包括如上述任一实施例的同步电机10。因此具有该同步电机10的全部有益效果，在此不再赘述。

综上所述，本发明实施例提供的定子1，具有反电势高、绕组损耗低，搭载同步电机上可提高电机效率，适用于永磁同步电机10，通过优化电机定子1结构，在保证制造性不用变更的前提下，有效地降低电机不平衡电磁力，进而抑制电机的振动噪音，由此提供品质较好的永磁电机。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“多个”是指两个或两个以上；除非另有规定或说明，术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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。

本说明书的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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单元必须具有特定的方向、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。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”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一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以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 (13)

1.一种同步电机，其特征在于，包括：定子、定子绕组、转子；

所述转子包括转子铁芯，所述转子铁芯包括转子冲片和多个磁铁插槽，全部所述磁铁插槽沿所述转子铁芯的周向间隔分布，数个永磁体对应地插入多个所述磁铁插槽中，转子的磁极数与槽数之差的绝对值为1；

所述定子包括：环形的轭部和凸齿，所述凸齿的数量为9个，且9个所述凸齿在所述轭部的内侧沿所述轭部的周向间隔设置，所述凸齿的内端设有齿靴；

所述定子绕组绕设在所述凸齿上，所述凸齿被划分为3相，且每个线圈仅跨过一个所述凸齿，组成一相的三个所述凸齿包括位于中间的中间凸齿、分别位于所述中间凸齿两侧的第一凸齿和第二凸齿；

其中，齿靴靴尖远离定子内径的最远点到齿靴根部远离定子内径的最远点之间的距离为Ws，齿靴靴尖的长度为TGD，所述中间凸齿的齿靴的最大径向厚度尺寸为W1，则：

2.根据权利要求1所述的同步电机，其特征在于，

按所述转子的旋转方向所述第二凸齿、所述中间凸齿和所述第一凸齿依次设置；所述第一凸齿的齿靴的最大径向厚度尺寸为W2，所述第二凸齿的齿靴的最大径向厚度尺寸为W3，则：

0.45≤W1/W2≤1.85，0.45≤W1/W3≤1.75。

3.根据权利要求1所述的同步电机，其特征在于，

所述中间凸齿的齿靴的最小径向厚度为W1min，1.4≤W1/W1min≤3.2。

4.根据权利要求1所述的同步电机，其特征在于，

W1满足2.4mm≤W1≤4.7mm。

5.根据权利要求1所述的同步电机，其特征在于，

所述凸齿的宽度为Wt，0.25≤W1/Wt≤0.85。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的同步电机，其特征在于，

所述中间凸齿的齿靴沿所述中间凸齿的轴线不对称；和/或，

所述第一凸齿的齿靴沿所述第一凸齿的轴线不对称；和/或，

所述第二凸齿的齿靴沿所述第二凸齿的轴线不对称。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的同步电机，其特征在于，

所述同步电机的极数等于10。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的同步电机，其特征在于，

一相中相邻所述凸齿上的所述线圈的绕线方向相反。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的同步电机，其特征在于，

每磁极下的所述永磁体的宽度之和为bm，所述定子的内径为Di，所述转子的极对数为P，则0.75≤bm×2P/(π×Di)≤0.9。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的同步电机，其特征在于，

所述转子为切向式转子，相邻所述永磁体所包围出的铁芯区域为磁极。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的同步电机，其特征在于，

所述同步电机的额定转矩T、所述定子的内径Di和所述转子的单位体积转矩TPV满足5.18×10^-7≤T×Di^-3×TPV^-1≤1.17×10^-6，其中，所述额定转矩T的单位为N·m，所述定子的内径Di的单位为mm，所述单位体积转矩TPV的单位为kN·m·m^-3，所述单位体积转矩TPV的取值范围为5kN·m·m^-3≤TPV≤45kN·m·m^-3。

12.根据权利要求1至5中任一项所述的同步电机，其特征在于，

磁极d轴两侧圆弧组成以旋转中心为圆心的整段圆弧，该圆弧对应的圆心角为α1，极距角为α2，其中α1/α2≥0.5。

13.一种压缩机，其特征在于，包括如权利要求1至12中任一项所述的同步电机。

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