CN110875678B - 永磁同步电机和压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种永磁同步电机和压缩机，其中，永磁同步电机包括：电机定子，包括定子铁芯与定子绕组，定子铁芯沿周向设置有多个定子齿，任一相邻的两个定子齿之间限定出定子槽，定子槽用于容置绕设在定子齿上的定子绕组；电机转子，与电机定子相互套设配合，电机转子包括转子铁芯与多个永磁体，转子铁芯的端面上沿转子铁芯的周向开设多组插槽，多个永磁体对应嵌设于多组插槽内，以使多个永磁体沿周向均布，定子齿沿指向电机转子的轴心的方向依次包括定子轭部、绕齿部以及极靴部，插槽的最大宽度为W1，极靴部的最大周向长度为W2，W1与W2之间满足0.62≤W2/W1≤1.18。通过本发明的技术方案，有利于提升内置式永磁电机的绕组反电势，以减小绕组铜耗，提升电机性能。

Description

永磁同步电机和压缩机
技术领域
本发明涉及压缩机领域，具体而言，涉及一种永磁同步电机和一种压缩机。
背景技术
相关技术中，旋转式直流变频压缩机中的三相电机通常采用内置式的永磁电机，永磁电机包括相互配合的电机定子与电机转子，电机定子包括定子铁芯以及绕设在定子铁芯的定子齿上的定子绕组，电机转子包括转子铁芯与周向均布的永磁体，永磁体的磁极数量与定子槽的数量之间的比值通常设置为一般为2：3，采用该设置结构的永磁电机，在运行中仍存在以下缺陷：
由于永磁体产生的磁通与定子绕组之间存在较多的无效磁链交链，造成绕组系数较低，从而导致对电机能效的提升造成限制。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，本发明的一个目的在于提供一种永磁同步电机。
本发明的另一个目的在于提供一种永磁同步电机。
为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种永磁同步电机，包括：电机定子，包括定子铁芯与定子绕组，定子铁芯沿周向设置有多个定子齿，任一相邻的两个定子齿之间限定出定子槽，定子槽用于容置绕设在定子齿上的定子绕组；电机转子，与电机定子相互套设配合，电机转子包括转子铁芯与多个永磁体，转子铁芯的端面上沿转子铁芯的周向开设多组插槽，多个永磁体对应嵌设于多组插槽内，以使多个永磁体沿周向均布，其中，多个定子齿的数量为9个，相邻的3个定子齿绕设有同相绕组，以将永磁同步电机构设形成三相同步电机，同相绕组中的每个线圈对应跨过一个定子齿绕设，定子齿沿指向电机转子的轴心的方向依次包括定子轭部、绕齿部以及极靴部，插槽的最大宽度为W1，极靴部的最大周向长度为W2，W1与W2之间满足0.62≤W2/W1≤1.18。
在该技术方案中，通过限定电机定子上定子齿的数量、每一相中定子齿的数量以及每一相中绕组线圈的绕设方式，即每个线圈跨过一个定子齿绕设结合电机转子，以构设出三相同步电机，从而实现在旋转式直流变压压缩机中的应用，进一步地，通过限定定子铁芯上插槽的最大宽度W1与电机定子上的定子齿的极靴部的最大周向长度之间的比值范围，实现对插槽中的永磁体产生的磁通与绕设在定子齿上的定子绕组之间的磁链交链的优化，进而有利于提升内置式永磁电机的绕组反电势，以减小绕组铜耗，提升电机性能。
具体地，转子铁芯可以由转子冲片沿轴向堆叠构造形成转子铁芯上开设有插槽，插槽的数量至少为一个，在具有多个插槽时，多个插槽沿转子铁芯的周向间隔分布，永磁体对应设置在插槽内，其中永磁体呈片状或圆弧形，电机定子包含以轴心为中心且沿周向均匀上分布的凸齿(定子齿)，凸齿的数量为9个，定子绕组中三个相邻齿的线圈构成绕组的一相，且每个线圈仅跨过一个齿，其中，插槽轮廓距离最远的两点之间的距离为W1，三个相邻齿的中间齿的极靴部离气隙最近一侧齿面的宽度为W2，满足：0.62≤W2/W1≤1.18。
本发明提供的上述实施例中的永磁同步电机还可以具有如下附加技术特征：
在上述技术方案中，优选地，绕设有同相绕组的3个定子齿中，处于中间位置的定子齿上的极靴部相对于绕齿部呈不对称结构构设。
在该技术方案中，在绕设有同相绕组的三个定子齿中，处于中间的定子齿上极靴部设置为相对于径向的绕齿部为不对称结构，有利于进一步提升反电势效果，进而减小铜耗，提升三相永磁电机的效率。
在上述任一技术方案中，优选地，绕设有同相绕组的3个定子齿中，处于两侧的定子齿上的极靴部相对于连接的绕齿部呈不对称结构构设。
在该技术方案中，在绕设有同相绕组的三个定子齿中，处于两侧的定子齿上极靴部设置为相对于自身连接的径向的绕齿部为不对称结构，同样能够实现进一步提升反电势的效果，进而减小铜耗，提升三相永磁电机的效率。
在上述任一技术方案中，优选地，在每个同相绕组中，相邻的两个定子齿上的线圈的绕设方向相反。
在该技术方案中，在绕设有同相绕组的三个定子齿中，通过将将相邻的两个定子齿上的线圈设置为反向绕设，不同定子齿上的线圈中产生的感应电压的相位差为相近值，以实现同相绕设，进而满足设置有9个定子齿(9个定子槽)的电机结构的绕线需求。
在上述任一技术方案中，优选地，绕设有同相绕组的3个定子齿中，处于两侧的定子齿上的极靴部的周向宽度不相等。
在该技术方案中，在绕设有同相绕组的三个定子齿中，通过有限元数值计算可以得出，处于两侧的定子齿相对于中间的定子齿非对称设置，即两侧的极靴部形状不相同，同样会有较好的反电势提升效果，进而减小铜耗，提升效率。
另外，通过设置处于两侧的定子齿上的绕齿部的周向宽度不相等，同样会有较好的反电势提升效果。
在上述任一技术方案中，优选地，永磁体为稀土件、铁氧体件、稀土与铁氧体混合件中的任意一种，其中，永磁体被构造为直线的片状结构或圆弧形的片状结构。
在该技术方案中，永磁体为稀土件、铁氧体件、稀土与铁氧体混合件中的任意一种，永磁体采用稀土与铁氧体混合件时可以减少稀土用量，以降低永磁体的制备成本。
在上述任一技术方案中，优选地，电机转子的磁极由径向式一字形永磁体、切向式一字形永磁体以及径向式V字形永磁体中的任意一种构造形成。
在该技术方案中，永磁体可以才用径向的一字形永磁体、切向的一字形永磁体或V字形永磁体，其中，采用V字形磁极或切向式永磁体可以实现聚磁效果，从而能够提高主磁通，进而提升反电势高，以达到提升电机运行效率的目的。
在上述任一技术方案中，优选地，定子铁芯的内径为Di，定子铁芯的外径为Do，其中，0.52≤Di/Do≤0.57。
在该技术方案中，将定子铁芯的内径Di与外径Do之间的比值定义为裂比，通过限定Di/Do(裂比)的比值范围，以限定出定子铁芯的外形结构，在Di/Do的比值满足上述范围时，可以在满足转动惯量的同时获得最优的电机性价比。
在上述任一技术方案中，优选地，永磁同步电机的额定转矩为T、电机转子的单位体积转矩为TPV，其中，5.18×10-7≤T×Di -3×TPV -1≤1.17×10-6，T的单位为N·m，Di的单位为mm，TPV的单位为kN·m·m-3，TPV的取值范围为5kN·m·m-3≤TPV≤45kN·m·m-3。
在该技术方案中，通过限定永磁同步电机的额定转矩为T、定子铁芯的内径Di和转子的单位体积转矩TPV的组合变量的取值范围，结合对单位体积转矩TPV的取值范围的限定，一方面，能够使该永磁同步电机满足压缩机应用领域的动力需求，另一方面，对于采用该电机转子、电机定子的永磁电机及其压缩机，也可以有效地降低转子漏磁，增加转子铁芯上的永磁体的利用率，进而提升电机效率。
本发明第二方面的实施例提出了一种压缩机，包括本发明第一方面的任一实施例提出的一种永磁同步电机。
本申请技术方案中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
(1)通过限定电机定子上定子齿的数量、每一相中定子齿的数量以及每一相中绕组线圈的绕设方式，即每个线圈跨过一个定子齿绕设结合电机转子，以构设出三相同步电机，从而实现在旋转式直流变压压缩机中的应用，进一步地，通过限定定子铁芯上插槽的最大宽度W1与电机定子上的定子齿的极靴部的最大周向长度之间的比值范围，实现对插槽中的永磁体产生的磁通与绕设在定子齿上的定子绕组之间的磁链交链的优化，进而有利于提升内置式永磁电机的绕组反电势，以减小绕组铜耗，提升电机性能。
(2)在绕设有同相绕组的三个定子齿中，通过将其中至少一个定子齿上的极靴部设置为非对称结构，能够实现进一步提升反电势的效果，进而减小铜耗，提升三相永磁电机的效率。
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示出了根据本发明的一个实施例的定子铁芯的平面结构示意图；
图2示出了根据本发明的一个实施例的定子铁芯的平面结构示意图；
图3示出了图2中A处的局部结构示意图；
图4示出了采用本申请中的技术方案中的永磁同步电机与现有技术中的永磁同步电机的能效对比示意图；
图5示出了根据本发明的一个实施例的压缩机的结构示意图；
其中，图1至图3以及图5中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
1永磁同步电机，10电机定子，102定子齿，1022定子轭部，1024绕齿部，1026极靴部，20电机转子，202转子铁芯，204永磁体，2022插槽，2压缩机构，3密闭壳体。
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其他方式来实施，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。
下面参照图1至图4描述根据本发明一些实施例的永磁同步电机。
如图1与图2所示，根据本发明的实施例的永磁同步电机1，包括：电机定子10，包括定子铁芯与定子绕组，定子铁芯沿周向设置有多个定子齿102，任一相邻的两个定子齿102之间限定出定子槽，定子槽用于容置绕设在定子齿102上的定子绕组；电机转子20，与电机定子10相互套设配合，电机转子20包括转子铁芯202与多个永磁体204，转子铁芯202的端面上沿转子铁芯202的周向开设多组插槽2022，多个永磁体204对应嵌设于多组插槽2022内，以使多个永磁体204沿周向均布。
如图2所示，多个定子齿102的数量为9个，相邻的3个定子齿102绕设有同相绕组，以将永磁同步电机1构设形成三相同步电机，同相绕组中的每个线圈对应跨过一个定子齿102绕设，定子齿102沿指向电机转子20的轴心的方向依次包括定子轭部1022、绕齿部1024以及极靴部1026。
如图1所示，插槽2022的最大宽度为W1，极靴部1026的最大周向长度为W2，W1与W2之间满足0.62≤W2/W1≤1.18。
在该实施例中，通过限定电机定子10上定子齿102的数量、每一相中定子齿102的数量以及每一相中绕组线圈的绕设方式，即每个线圈跨过一个定子齿102绕设结合电机转子20，以构设出三相同步电机，从而实现在旋转式直流变压压缩机中的应用，进一步地，通过限定定子铁芯上插槽2022的最大宽度W1与电机定子10上的定子齿102的极靴部1026的最大周向长度之间的比值范围，实现对插槽2022中的永磁体204产生的磁通与绕设在定子齿102上的定子绕组之间的磁链交链的优化，进而有利于提升内置式永磁电机的绕组反电势，以减小绕组铜耗，提升电机性能。
具体地，转子铁芯202可以由转子冲片沿轴向堆叠构造形成转子铁芯202上开设有插槽2022，插槽2022的数量至少为一个，在具有多个插槽2022时，多个插槽2022沿转子铁芯202的周向间隔分布，永磁体204对应设置在插槽2022内，其中永磁体204呈片状或圆弧形，电机定子10包含以轴心为中心且沿周向均匀上分布的凸齿(定子齿102)，凸齿的数量为9个，定子绕组中三个相邻齿的线圈构成绕组的一相，且每个线圈仅跨过一个齿，其中，插槽2022轮廓距离最远的两点之间的距离为W1，三个相邻齿的中间齿的极靴部1026离气隙最近一侧齿面的宽度为W2，满足：0.62≤W2/W1≤1.18。
如图1与图2所示，根据本申请的实施例的永磁同步电机1，电机定子10上的定子齿102(定子槽)的数量为9，永磁体204形成的磁极的数量为10，则永磁体204的磁极数量与定子槽的数量之间的比值为10：9。
本发明提供的上述实施例中的永磁同步电机1还可以具有如下附加技术特征：
如图3所示，在上述实施例中，优选地，绕设有同相绕组的3个定子齿102中，处于中间位置的定子齿102上的极靴部1026相对于绕齿部1024呈不对称结构构设。
在该实施例中，在绕设有同相绕组的三个定子齿102中，处于中间的定子齿102上极靴部1026设置为相对于径向的绕齿部1024为不对称结构，有利于进一步提升反电势效果，进而减小铜耗，提升三相永磁电机的效率。
如图2所示，在上述任一实施例中，优选地，绕设有同相绕组的3个定子齿102中，处于两侧的定子齿102上的极靴部1026相对于连接的绕齿部1024呈不对称结构构设。
在该实施例中，在绕设有同相绕组的三个定子齿102中，处于两侧的定子齿102上极靴部1026设置为相对于自身连接的径向的绕齿部1024为不对称结构，同样能够实现进一步提升反电势的效果，进而减小铜耗，提升三相永磁电机的效率。
如图1与图2所示，在上述任一实施例中，优选地，在每个同相绕组中，相邻的两个定子齿102上的线圈的绕设方向相反。
在该实施例中，在绕设有同相绕组的三个定子齿102中，通过将将相邻的两个定子齿102上的线圈设置为反向绕设，不同定子齿102上的线圈中产生的感应电压的相位差为相近值，以实现同相绕设，进而满足设置有9个定子齿102(9个定子槽)的电机结构的绕线需求。
在上述任一实施例中，优选地，绕设有同相绕组的3个定子齿102中，处于两侧的定子齿102上的极靴部1026的周向宽度不相等。
在该实施例中，在绕设有同相绕组的三个定子齿102中，通过有限元数值计算可以得出，处于两侧的定子齿102相对于中间的定子齿102非对称设置，即两侧的极靴部1026形状不相同，同样会有较好的反电势提升效果，进而减小铜耗，提升效率。
另外，通过设置处于两侧的定子齿102上的绕齿部1024的周向宽度不相等，同样会有较好的反电势提升效果。
在上述任一实施例中，优选地，永磁体204为稀土件、铁氧体件、稀土与铁氧体混合件中的任意一种，其中，永磁体204被构造为直线的片状结构或圆弧形的片状结构。
在该实施例中，永磁体204为稀土件、铁氧体件、稀土与铁氧体混合件中的任意一种，永磁体204采用稀土与铁氧体混合件时可以减少稀土用量，以降低永磁体204的制备成本。
在上述任一实施例中，优选地，电机转子20的磁极由径向式一字形永磁体204、切向式一字形永磁体204以及径向式V字形永磁体204中的任意一种构造形成。
在该实施例中，永磁体204可以才用径向的一字形永磁体204、切向的一字形永磁体204或V字形永磁体204，其中，采用V字形磁极或切向式永磁体204可以实现聚磁效果，从而能够提高主磁通，进而提升反电势高，以达到提升电机运行效率的目的。
如图1所示，多个切向式一字形永磁体204沿周向均布在电机转子20的转子铁芯202内。
在上述任一实施例中，优选地，定子铁芯的内径为Di，定子铁芯的外径为Do，其中，0.52≤Di/Do≤0.57。
在该实施例中，将定子铁芯的内径Di与外径Do之间的比值定义为裂比，通过限定Di/Do(裂比)的比值范围，以限定出定子铁芯的外形结构，在Di/Do的比值满足上述范围时，可以在满足转动惯量的同时获得最优的电机性价比。
表1
Figure BDA0001784050810000081
如表1所示，W1、W2与偏移量的单位均为mm，以每一行为一个单元可知，在裂比为0.51，W1＝14.1756mm、W2＝12.964、偏移量为1.7mm时，W2/W1＝0.915，W1与W2之间的比值也不同，根据不同的裂比值以及极靴部不同的偏移量，得到W1与W2之间的比值范围，即0.62≤W2/W1≤1.18，其中，偏移量为向定子齿的中心线方向内缩的内缩量。
进一步地，如表2所示，以裂比为0.55为例，通过调整极靴部相对中心线的偏移量，对应得到偏移后电机的反电势与偏移前电机的反电势之间的比值，比如，在极靴部的左偏移量与右偏移量均为0时，反电势不变，因此比值为1，在极靴部的左偏移量为0.6mm、右偏移量为1.2mm时，比值为1.021，如图4所示，此时电机的能效为92.6％，高于现有技术中的92.4％。
其中，相关技术1中的电机为55积厚电机，相关技术2中的电机为35积厚的9槽10极电机，本申请技术方案为偏移后电机的反电势与偏移前电机的反电势之间的比值为1.021时的9槽10极电机。
表2
Figure BDA0001784050810000091
在上述任一实施例中，优选地，永磁同步电机1的额定转矩为T、电机转子20的单位体积转矩为TPV，其中，5.18×10-7≤T×Di -3×TPV -1≤1.17×10-6，T的单位为N·m，Di的单位为mm，TPV的单位为kN·m·m-3，TPV的取值范围为5kN·m·m-3≤TPV≤45kN·m·m-3。
在该实施例中，通过限定永磁同步电机1的额定转矩为T、定子铁芯的内径Di和转子的单位体积转矩TPV的组合变量的取值范围，结合对单位体积转矩TPV的取值范围的限定，一方面，能够使该永磁同步电机1满足压缩机应用领域的动力需求，另一方面，对于采用该电机转子20、电机定子10的永磁电机及其压缩机，也可以有效地降低转子漏磁，增加转子铁芯202上的永磁体204的利用率，进而提升电机效率。
如图5所示，根据本发明的实施例的压缩机，包括上述实施例提出的一种永磁同步电机1，压缩机构2以及密闭壳体3。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，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；“相连”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。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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 (8)

1.一种永磁同步电机，其特征在于，包括：
电机定子，包括定子铁芯与定子绕组，所述定子铁芯沿周向设置有多个定子齿，任一相邻的两个所述定子齿之间限定出定子槽，所述定子槽用于容置绕设在所述定子齿上的所述定子绕组；
电机转子，与所述电机定子相互套设配合，所述电机转子包括转子铁芯与多个永磁体，所述转子铁芯的端面上沿所述转子铁芯的周向开设多组插槽，所述多个永磁体对应嵌设于所述多组插槽内，以使所述多个永磁体沿周向均布，
其中，所述多个定子齿的数量为9个，相邻的3个所述定子齿绕设有同相绕组，以将所述永磁同步电机构设形成三相同步电机，所述同相绕组中的每个线圈对应跨过一个所述定子齿绕设，所述定子齿沿指向所述电机转子的轴心的方向依次包括定子轭部、绕齿部以及极靴部，所述插槽的最大宽度为W1，对应的所述极靴部的最大周向长度为W2，W1与W2之间满足0.62≤W2/W1≤1.18；
绕设有同相绕组的3个所述定子齿中，处于两侧的所述定子齿上的所述极靴部相对于连接的所述绕齿部呈不对称结构构设；
绕设有同相绕组的3个所述定子齿中，处于中间位置的所述定子齿上的所述极靴部相对于所述绕齿部呈不对称结构构设。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，
在每个所述同相绕组中，相邻的两个所述定子齿上的所述线圈的绕设方向相反。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，
绕设有同相绕组的3个所述定子齿中，处于两侧的所述定子齿上的所述极靴部的周向宽度不相等。
4.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，
所述永磁体为稀土件、铁氧体件、稀土与铁氧体混合件中的任意一种，
其中，所述永磁体被构造为直线的片状结构或圆弧形的片状结构。
5.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，
所述电机转子的磁极由径向式一字形永磁体、切向式一字形永磁体以及径向式V字形永磁体中的任意一种构造形成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的永磁同步电机，其特征在于，
所述定子铁芯的内径为Di，所述定子铁芯的外径为Do，
其中，0.52≤Di/Do≤0.57。
7.根据权利要求6所述的永磁同步电机，其特征在于，
所述永磁同步电机的额定转矩为T、所述电机转子的单位体积转矩为TPV，
其中，5.18×10-7≤T×Di -3×TPV -1≤1.17×10-6，所述T的单位为N·m，所述Di的单位为mm，所述TPV的单位为kN·m·m-3，所述TPV的取值范围为5kN·m·m-3≤TPV≤45kN·m·m-3。
8.一种压缩机，其特征在于，包括：
如权利要求1至7中任一项所述的永磁同步电机。
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