CN111953166B - 永磁式旋转电机以及使用该旋转电机的压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明提供在高速区域内也容易控制的永磁式旋转电机及使用该旋转电机的压缩机。永磁式旋转电机具备具有卷绕电枢绕组的齿的定子和与上述定子隔开间隙地配置并形成有多个磁铁插入孔的转子以及分别配置在上述磁铁插入孔内的永久磁铁，其中，在将连接上述转子的旋转中心与上述永久磁铁的周向中央部的线设为d轴、将以电角与上述d轴正交的轴设为q轴时，上述转子在上述q轴上形成有第一狭缝，并且在上述第一狭缝的径向外侧具有沿周向延伸的桥接部，在将上述转子的最外周面的圆弧角度设为θ1并将上述桥接部的外周面的圆弧角度设为θ2的情况下，θ2/θ1≤0.5。

Description

永磁式旋转电机以及使用该旋转电机的压缩机

技术领域

本发明涉及转子具备永久磁铁的永磁式旋转电机以及使用该旋转电机的压缩机。

背景技术

永磁式旋转电机应用于空调器、冰箱、或者食品展示柜等中的压缩机等各种技术领域。现今，在永磁式旋转电机中，在成为电枢绕组的定子绕组中采用集中绕组，并且，在磁场中采用钕磁铁等高磁通密度的永久磁铁，实现了小型、高效率化。然而，伴随着由小型、高效率化得到的输出密度的增加，铁芯的非线形磁特性(磁饱和)的影响变得显著，再结合采用集中绕组，伴随空间高次谐波磁通成分的增加而产生的铁损、脉动扭矩以及电磁激振力等增大。

为了解决上述课题，例如如专利文献1所记载地提出了在转子的极间部(q轴)具有凹部的永磁式旋转电机。根据该专利文献1所记载的技术，极间部成为空隙，因而可抑制定子所形成的旋转磁场的磁通的影响(电枢反作用的影响)。即，同永久磁铁的磁动势与定子所形成的旋转磁场的磁通的积大致成正比例的扭矩稳定，能够减少由高次谐波磁通引起的铁损、脉动扭矩以及电磁激振力。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2017/042886号

发明内容

发明所要解决的课题

在上述专利文献1所记载的技术中，在1000min^-1至3000min^-1的中、低速区域内，能够高效地控制永磁式旋转电机。然而，在7000min^-1至8000min^-1的高速区域内，永久磁铁的磁动势分布容易因q轴磁通而变形。尤其，若如上述专利文献1所述在转子的外周面具有较大的凹部，则在永久磁铁的磁动势分布变形了的情况下，由高次谐波磁通引起的脉动扭矩及电磁激振力增加，有振动、噪声增大的可能性。另外，在高速区域内，由于对通过在转子设置凹部而产生的薄壁部施加较大的离心力，所以有该薄壁部的机械式强度不足的可能性。也就是说，在上述专利文献1的永磁式旋转电机中，在高速区域内，噪声增大、可靠性降低。

因此，本发明的目的在于，提供在高速区域内也容易控制的永磁式旋转电机以及使用该旋转电机的压缩机。

用于解决课题的方案

为了实现上述目的，本发明的永磁式旋转电机，具备：定子，其具有卷绕电枢绕组的齿；转子，其与上述定子隔开间隙地配置，并形成有多个磁铁插入孔；以及永久磁铁，其分别配置在上述磁铁插入孔内，上述永磁式旋转电机的特征在于，在将连接上述转子的旋转中心与上述永久磁铁的周向中央部的线设为d轴、将以电角与上述d轴正交的轴设为q轴时，上述转子在上述q轴上形成有第一狭缝，并且在上述第一狭缝的径向外侧具有沿周向延伸的桥接部，在将上述转子的最外周面的圆弧角度设为θ1、并将上述桥接部的外周面的圆弧角度设为θ2的情况下，θ2/θ1≤0.5。

并且，永磁式旋转电机，具备：定子，其具有卷绕电枢绕组的齿；转子，其与上述定子隔开间隙地配置，并形成有多个磁铁插入孔；以及永久磁铁，其分别配置在上述磁铁插入孔内，上述永磁式旋转电机的特征在于，上述转子在相邻的上述永久磁铁插入孔彼此之间形成有第一狭缝，并且在上述第一狭缝的径向外侧具有沿周向延伸的桥接部，连接上述转子的最外周面与上述桥接部的外周面的中间外周面比上述第一狭缝的周向端面平缓地形成。

发明的效果

根据本发明，能够提供在高速区域内也容易控制的永磁式旋转电机以及使用该旋转电机的压缩机。

通过以下的实施方式的说明，上述以外的课题、结构以及效果会变得清楚。

附图说明

图1是本发明的实施例1的永磁式旋转电机的剖视图。

图2是示出本发明的实施例1的永磁式旋转电机的转子铁芯形状的剖视图。

图3是示出各种旋转电机构造的特性结果的表。

图4是本发明的实施例2的压缩机的剖视图。

图5是示出各种旋转电机构造的压缩机的性能、噪声试验结果的表。

图6是示出本发明的实施例3的永磁式旋转电机的转子铁芯形状的剖视图。

符号的说明

1—永磁式旋转电机，2—定子，3—转子，4—齿，5—铁芯背部，6—定子铁芯，7—槽，8—电枢绕组，10a、10b—第二狭缝，11—第一狭缝，12—转子铁芯，13—永久磁铁插入孔，14—永久磁铁，15—轴孔，16—桥接部，17—转子磁极部，60—固定涡旋部件，61、64—端板，62、65—涡旋状卷板，63—回转涡旋部件，66a、66b—压缩室，67—吐出口，68—框架，69—压缩容器，70—吐出管，72—曲柄轴，73—贮油部，74—油孔，75—滑动轴承。

具体实施方式

以下，使用图1～图6对本发明的实施例进行说明。各图中，符号相同的部件示出同一构成要件或者具备类似的功能的构成要件。并且，各实施例的永磁式旋转电机由六极转子和九槽定子构成。即，转子的极数与定子的槽数之比为2：3。转子的极数、定子的槽数、以及它们的比不限定于各实施例中的值，即使是其它值也能够获得与各实施例相同的效果。例如，转子的极数也可以是四极或者八极、十极等。另外，各实施例中的永磁式旋转电机是永久磁铁埋设在转子铁芯中的所谓的埋入磁铁型旋转电机。

以下的说明中，“轴向”示出转子的旋转轴方向，“径向”示出转子的径向，“周向”示出转子的周向。

＜实施例1＞

图1是本实施例中的永磁式旋转电机1的剖视图。如图1所示，永磁式旋转电机1由定子2和经由预定间隙且能够旋转地配置在定子2的内侧的转子3构成。在该转子3设有具备轴的固定部的转子支撑部件(未图示)。定子2通过在轴向上层叠定子铁芯6而构成，具备铁芯背部5和从铁芯背部5朝向径向内侧突出的多个齿4。多个齿4在周向上等间隔地排列。在沿周向相邻的齿4之间形成有槽7，并以包围齿4的方式在该槽7卷装有集中绕组的电枢绕组8。即，电枢绕组8绕从定子2的中心朝向径向内侧配置的多个齿4的轴心卷装，并在周向上，彼此经由空隙配置三相绕组的U相绕组8a、V相绕组8b、W相绕组8c。

此处，本实施例的永磁式旋转电机1是六极九槽，槽距θs的电角为120度(机械角为40度)。并且，在定子2的中心部形成有圆柱状的轴(未图示)贯通的轴孔15。在本实施例的永磁式旋转电机1中，若向由三相绕组8a～8c构成的电枢绕组8流动三相交流电流，则产生旋转磁场。利用由该旋转磁场作用于永久磁铁14及转子铁芯12的电磁力，转子3旋转。

此外，为了减少在永磁式旋转电机1动作时定子铁芯6及转子铁芯12所产生的涡流损耗等铁损，定子铁芯6及转子铁芯12优选由层叠多个由硅钢板等磁性钢板构成的薄板而成的层叠体构成。

图2是本发明的实施例1的永磁式旋转电机1的转子铁芯的剖视图。图2中，转子3通过层叠在其中心形成有轴孔15的转子铁芯12来构成，并在外周侧表面的附近形成多个大致呈直线形状的永久磁铁插入孔13。在多个永久磁铁插入孔13内分别插入例如由稀土类钕构成的永久磁铁14。此处，将连接永久磁铁14的磁极所形成的磁通的方向、即永久磁铁14的长度方向中心(周向中央部)与转子3的旋转中心(旋转轴中心)的线定义为d轴(磁通轴)，并将与其电正交的轴(永久磁铁之间的轴)定义为q轴。

在图2的截面中，在转子铁芯12的每个磁极中设置一枚永久磁铁14。永久磁铁14的截面形状是与永久磁铁插入孔13相同的细长的长方形，其长度方向沿在几何上与d轴垂直的方向延伸。在转子3的转子铁芯12，并在邻接的永久磁铁14的极间的q轴上，设有作为沿轴向贯通的孔的第一狭缝11。

此处，对第一狭缝11的形状进行说明。第一狭缝11具有：与永久磁铁14(永久磁铁插入孔13)的周向端面大致平行地对置的两个直线部11b、11c；连接上述两个直线部的内周侧端部的内周侧曲线部11a；以及连接上述两个直线部的外周侧端部的外周侧曲线部11d。通过设置该第一狭缝11，来抑制q轴磁通，减少磁铁的涡流损耗。

并且，内周侧曲线部11a位于沿连接相邻的永久磁铁孔的最接近部之间的(连接位于q轴的两侧并对置的两个永久磁铁14的内周侧磁极面中的接近q轴一侧的端部之间)假想线(图2的虚线X)的位置。另外，若内周侧曲线部11a位于比假想线靠外周侧的位置，则即使在转子3高速旋转而离心力变高的情况下，也能够缓和应力的影响。

另外，两个直线部11b、11c形成为与永久磁铁插入孔13的周向端部对置并沿其端面。而且，由于各直线部彼此的间隔从转子3的内周侧朝向外周侧扩大，所以也实现了漏磁通的减少。并且，在本实施例的第一狭缝11中，内周侧曲线部11a与各直线部11b、11c以不会形成锐角的方式平缓地连接。由此，也缓和第一狭缝11内的伴随转子离心力产生的应力的集中，因而进一步提高转子3相对于离心力的强度。

在第一狭缝11(的外周侧曲线部11d)的径向外侧形成有沿周向延伸的圆弧状的桥接部16。另外，第一狭缝11的外周侧曲线部11d的圆弧和桥接部16的外周面T2的圆弧为大致同心的圆，桥接部16的宽度沿周向大致恒定。通过设置这样的圆弧状的桥接部16，能够防止向永久磁铁插入孔13与第一狭缝11之间的薄壁部的应力集中，即使在高速区域内离心力变大，也能够确保机械式强度。

接下来，对转子3的外周面的形状进行说明。本实施例中，转子3的最外周面T1和上述的桥接部16的外周面T2由中间外周面T3平缓地连接。该中间外周面T3至少比第一狭缝11的周向端面更接近转子3的圆弧面倾斜。因此，即使在相邻的永久磁铁插入孔彼此之间形成有第一狭缝11，从转子3的最外周面T1经由中间外周面T3至桥接部16的外周面T2，转子3的外周大致呈圆筒状。因此，即使使本实施例的永磁式旋转电机1在高速区域内运转，也抑制槽高次谐波的影响，减少磁通的高次谐波成分。其结果，能够减少脉动扭矩及电磁激振力，能够实现永磁式旋转电机1的低噪声化。

并且，本实施例中，从桥接部16的外周面T2至中间外周面T3为止，相对于转子3的最外周面凹入的部分的截面积S1比第一狭缝11的截面积S2小。这样，通过缩小转子3的外周面的凹部，能够使之接近圆筒状，结果能够实现低噪声化。

另外，在上述的最外周面T1，转子3即转子铁芯12与定子2的齿4的缝隙为最短的g1，在桥接部16的外周面T2，缝隙为比g1长的g2。因此，漏磁通变小，也能够抑制铁损。

此处，本实施例中，如上所述，具有集中绕组的绕组的定子中的槽距的电角为120°。并且，由于每一个磁极相当于1.5槽(＝九槽/六极)，所以q轴间的角度的电角为180°。因此，最外周面T1的圆弧角度θ1的电角为120°≤θ1，桥接部16的外周面的圆弧角度θ2的电角为θ2≤60°。因此，本实施例中，通过以满足θ2/θ1≤0.5(＝60°/120°)的关系的方式缩小θ2来减小第一狭缝11及桥接部16的区域，抑制机械式强度的降低。另外，θ1的电角优选为90°以上。

另外，在本实施例的转子3中，在永久磁铁插入孔13的外周侧且在比该永久磁铁插入孔13的周向中央部更接近周向两端部的位置，形成有比上述的第一狭缝小的狭缝(第二狭缝)10a、10b。即，在转子铁芯12的最外周面T1与永久磁铁14的外周侧磁极面之间，在d轴上及d轴附近不设置狭缝，而在从d轴离开预定距离的左右两侧，以夹持d轴的方式设置各第二狭缝10a、10b。利用这样的第二狭缝，能够使感应电动势和电枢电流成为正弦波，因而能够减少因感应电动势和电枢电流的相互作用而产生的高次谐波磁通。

此处，本实施例中，在沿平板状的永久磁铁14的磁极平面的方向(在几何上与d轴垂直的方向)上的各狭缝10a、10b的端部之间的距离大致设定为齿4的最小宽度。但是，第二狭缝10a与第二狭缝10b的距离不限定于本实施例，若设定为比齿4的最小宽度尺寸大，则进一步抑制电枢反作用，进一步提高高次谐波成分的磁通减少效果。

另外，由于分别配置于各极的第二狭缝10a和第二狭缝10b形成为相对于d轴相互对称，所以在使永磁式旋转电机1向左旋转时和向右旋转时，能够获得相同的特性。并且，第二狭缝的个数在各极中左右各设有一个，除此以外，也可以在左右分别设有多个，并且第二狭缝的配置也可以以使永久磁铁14的磁通集中于齿4的方式倾斜。

图3示出本实施例的永磁式旋转电机1的特性(计算结果)。作为项目，有高速区域内的空载感应电动势、电动机效率、(作为电动机的电磁振动、噪声要因的)脉动扭矩和电磁激振力、以及转子强度。其中，将类似于专利文献1的现有构造中的值设为1P.U.并作为基准。

如图3所示，可知：在本实施例的永磁式旋转电机1中，相对于与专利文献1类似的现有构造，在高速区域内，能够使空载感应电动势及电动机效率大致相等，并且能够大幅度地减少脉动扭矩及电磁激振力，进一步地转子强度较高。

综上所述，根据本实施例，能够减少机内磁通的高次谐波成分来确保效率，并且能够减少脉动扭矩及电磁激振力，而且也能够缓和伴随转子离心力产生的应力的影响。即，能够提供一种永磁式旋转电机，其即使在高速区域内噪声也不会增大、可靠性也不会降低，容易控制。

＜实施例2＞

图4是本实施例的压缩机的剖视图。在圆筒状的压缩容器69内，通过使直立于固定涡旋部件60的端板61的涡旋状卷板62和直立于回转涡旋部件63的端板64的涡旋状卷板65啮合来形成压缩室。而且，通过由永磁式旋转电机1经由曲柄轴72使回转涡旋部件63进行回转运动，来进行压缩动作。

并且，在由固定涡旋部件60及回转涡旋部件63形成的压缩室66(66a、66b、…)中的位于最外径侧的压缩室伴随回转运动而朝向两涡旋部件63、60的中心移动，容积渐渐缩小。若压缩室66a、66b到达两涡旋部件60、63的中心附近，则两压缩室66内的制冷剂(压缩气体)从与压缩室66连通的吐出口67吐出。吐出来的压缩气体通过设于固定涡旋部件60及框架68的气体通路(未图示)到达框架68下部的压缩容器69内，从设于压缩容器69的侧壁的吐出管70排出至电动压缩机外。并且，驱动电动压缩机的永磁式旋转电机1由另外设置的逆变器(未图示)控制，并以适于压缩动作的转速旋转。

此处，永磁式旋转电机由定子2和转子3构成，设于转子3的曲柄轴72的上侧成为曲柄轴。在曲柄轴72的内部形成油孔74，通过曲柄轴72的旋转将位于压缩容器69的下部的贮油部73的润滑油经由油孔74向滑动轴承75供给。在这样的结构的压缩机中装入具有各种转子形状、定子形状的永磁式旋转电机，并进行了性能和噪声试验。图5示出其实测结果。

图5中，作为评价性能的转速，大致分为低速(中间50％负载)、中速(额定100％负载)、高速(过载)这三个，可知尤其在高速区域内的性能显现差异。可知：在利用了实施例1的永磁式旋转电机1的压缩机的情况下，与利用类似于专利文献1的永磁式旋转电机的压缩机不同，高速区域内的效率也良好，噪声也较低。作为噪声降低的理由是因为，在利用了实施例1的永磁式旋转电机1的压缩机的情况下，减少了由机内磁通的高次谐波成分引起的铁损，并且抑制了传递至压缩机的框架的机内的脉动扭矩及电磁激振力。并且，与类似于专利文献1的构造相比，在实施例1的永磁式旋转电机1中，由于转子的外周形状大致呈圆弧状，所以在用于压缩机时，能够抑制油的搅拌的影响，也提高压缩机的效率。

然而，在当前的家庭用及业务用的空调器中，大多在压缩容器69内封入有R410A制冷剂，并且在大多情况下永磁式旋转电机的周围温度为80℃以上。将来，若推进全球变暖潜能值较小的R32制冷剂的采用，则周围温度进一步上升。在采用永久磁铁14尤其钕磁铁的情况下，若变成高温，则残留磁通密度降低，为了确保同一输出，电枢电流增加，因而通过应用上述的实施例1的永磁式旋转电机，能够抑制效率降低。另外，在压缩机中应用实施例1的永磁式旋转电机时，制冷剂的种类没有限制。并且，压缩机可以是图4所示的涡旋压缩机，也可以是回转式压缩机等具有其它压缩机构的压缩机。

另外，在He、R32等制冷剂中，与R22、R407C、R410A等制冷剂相比，从压缩机中的间隙泄漏的泄漏量较大，尤其在低速运转时，泄漏量与循环量的比率变大，因而效率降低。为了提高低循环量(低速运转)时的效率而使压缩机构部变得小型，并且为了获得相同的循环量而提高转速，从而有效地减少泄漏损耗。另外，为了确保最大循环量，优选也提高最大转速。相对于此，通过将上述的实施例1的永磁式旋转电机1应用于压缩机，能够加大最大扭矩及最大转速，并且能够减少高速区域内的损失，因而在使用He、R32等制冷剂时，能够提高效率。

＜实施例3＞

图6是示出本实施例的转子铁芯的形状的剖视图。图6中，对与图2相同的部件标注同一符号。本实施例中，在每个极中具备两枚永久磁铁14，并且相对于轴孔15配置为凸V字状(永久磁铁14彼此的间隔朝向外周侧扩大)，因而能够减小涡流损耗。另外，本实施例中，也与上述的其它实施例相同，能够减少由电枢反作用的影响产生的高次谐波成分，减少脉动扭矩及电磁激振力，也能够缓和伴随转子离心力产生的应力的影响。

Claims (9)

1.一种永磁式旋转电机，具备：

定子，其具有卷绕电枢绕组的齿；

转子，其与上述定子隔开间隙地配置，并形成有多个磁铁插入孔；以及

永久磁铁，其分别配置在上述磁铁插入孔内，

上述永磁式旋转电机的特征在于，

上述转子在相邻的上述永久磁铁插入孔彼此之间形成有第一狭缝，并且在上述第一狭缝的径向外侧具有沿周向延伸的桥接部，

连接上述转子的最外周面与上述桥接部的外周面的中间外周面比上述第一狭缝的周向端面平缓地形成，

在比连接相邻的上述永久磁铁孔的最接近部之间的假想线靠外周侧的位置仅形成有上述第一狭缝，

从上述桥接部的外周面至上述中间外周面，相对于上述转子的最外周面凹入的部分的截面积比上述第一狭缝的截面积小。

2.根据权利要求1所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

在将连接上述转子的旋转中心与上述永久磁铁的周向中央部的线设为d轴、将以电角与上述d轴正交的轴设为q轴时，上述转子在上述q轴上形成有第一狭缝，并且在上述第一狭缝的径向外侧具有沿周向延伸的桥接部，在将上述转子的最外周面的圆弧角度设为θ1、并将上述桥接部的外周面的圆弧角度设为θ2的情况下，θ2/θ1≤0.5。

3.根据权利要求1所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

在上述磁铁插入孔的外周侧且在比上述磁铁插入孔的周向中央部更接近周向两端部的位置形成有第二狭缝。

4.根据权利要求3所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

上述第二狭缝相对于d轴对称地形成有多个，上述第二狭缝间的距离比上述齿的最小宽度尺寸大。

5.根据权利要求1所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

上述转子的最外周面的圆弧角度θ1的电角为90°以上120°以下。

6.根据权利要求1所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

在每一个极中具有两片上述永久磁铁，上述永久磁铁彼此的间隔配置为朝向外周侧扩大。

7.一种压缩机，具有缩小制冷剂的容积的压缩机构和驱动上述压缩机构的永磁式旋转电机，

上述永磁式旋转电机具备：定子，其具有卷绕电枢绕组的齿；转子，其与上述定子隔开间隙地配置，并形成有多个磁铁插入孔；以及永久磁铁，其分别配置在上述磁铁插入孔内，

上述压缩机的特征在于，

上述转子在相邻的上述永久磁铁插入孔彼此之间形成有第一狭缝，并且在上述第一狭缝的径向外侧具有沿周向延伸的桥接部，

连接上述转子的最外周面与上述桥接部的外周面的中间外周面比上述第一狭缝的周向端面平缓地形成，

在比连接相邻的上述永久磁铁孔的最接近部之间的假想线靠外周侧的位置仅形成有上述第一狭缝，

从上述桥接部的外周面至上述中间外周面，相对于上述转子的最外周面凹入的部分的截面积比上述第一狭缝的截面积小。

8.根据权利要求7所述的压缩机，其特征在于，

在将连接上述转子的旋转中心与上述永久磁铁的周向中央部的线设为d轴、将以电角与上述d轴正交的轴设为q轴时，上述转子在上述q轴上形成有第一狭缝，并且在上述第一狭缝的径向外侧具有沿周向延伸的桥接部，在将上述转子的最外周面的圆弧角度设为θ1、并将上述桥接部的外周面的圆弧角度设为θ2的情况下，θ2/θ1≤0.5。

9.根据权利要求7或8所述的压缩机，其特征在于，

上述制冷剂是R32制冷剂。