CN116707181A - 永久磁铁式旋转电机及使用永久磁铁式旋转电机的压缩机 - Google Patents

Abstract

永久磁铁式旋转电机具备定子和转子，该定子具有具备多个齿和插槽的定子铁芯、电机线圈，该转子具有转子铁芯和埋设在该转子铁芯的多个永久磁铁。转子铁芯的外轮廓包括d轴圆弧段、q轴圆弧段/q轴直线段和若干连接段，d轴圆弧段的圆心与转子铁芯的旋转中心O重合；q轴圆弧段/q轴直线段，q轴圆弧段的圆心与转子铁芯的旋转中心O重合，q轴直线段与q轴正交;若干连接段连接在相邻d轴圆弧段和q轴圆弧段之间，若干所述连接段中的至少一个为圆心不与转子铁芯的旋转中心O重合且位于转子铁芯内侧，且与d轴圆弧段相切的圆弧形连接段，其邻近d轴设置。

Description

永久磁铁式旋转电机及使用永久磁铁式旋转电机的压缩机

技术领域

本发明涉及转子具备磁场用的永久磁铁式旋转电机，尤其涉及适用于在空调、冰箱、冷冻库或食品阵列柜等的压缩机使用的永久磁铁式旋转电机及使用永久磁铁式旋转电机的压缩机。

背景技术

以往，在这种永久磁铁式旋转电机中，在作为电机线圈的定子线圈采用集中卷，在磁场中采用稀土类的钕的永久磁铁，实现小型、高效率化；但是，在伴随由小型、高效率化的输出密度的增加，铁芯的非线性磁性特性（磁滞）的影响显著，与集中卷的采用相应，空间谐波磁通增大;

通过在定子线圈采用集中卷且在磁场上采用高磁通密度的永久磁铁，飞跃性地提高了永久磁铁式旋转电机的效率。相反，在相对于使定子线圈为集中卷的结构中，除了理论上谐波磁通增加，成为高磁通密度永久磁铁助长该谐波磁通的结果。即，伴随由小型、高效率化导致的输出密度的增加，铁芯的非线性磁性特性增加，且高磁通密度的永久磁铁磁力变大，因此永久磁铁式旋转电机其本身的振动、噪音也容易增加，尤其在组装在压缩机的情况下，存在成为最刺耳的中区域的频率带；

为了压缩机的低噪音化，需要减少从电动机自身产生的振动或电动机的振动不会传递到压缩机，为减少电动机的振动，减少在永久磁铁式旋转电机（电动机）内产生的磁通的谐波成分而减小脉动转矩、径向电磁加振力等是有效的。为此，提出永久磁铁式旋转电机及使用永久磁铁式旋转电机的压缩机。

发明内容

本发明的目的是为了解决在伴随由小型、高效率化的输出密度的增加，铁芯的非线性磁性特性（磁滞）的影响显著，与集中卷的采用相应，空间谐波磁通增大的问题而提出永久磁铁式旋转电机及使用永久磁铁式旋转电机的压缩机。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：永久磁铁式旋转电机，包括定子以及转子；所述定子具有圆环形状的轭部、从该轭部向径向内侧突出并在圆周方向上排列的多个齿部以及形成于该齿部间的多个插槽的定子铁芯；以及配设在所述插槽内且卷绕在所述齿部的电机线圈；所述转子具有转子铁芯和埋设在该转子铁芯且在圆周方向上配设的多个永久磁铁，与所述定子隔着空隙旋转自如地配置，该永久磁铁式旋转电机的特征在于，所述转子铁芯上设有沿所述转子铁芯的周向间隔设置的多个永久磁铁槽，在垂直于所述转子铁芯的旋转中心O轴线的平面内，所述转子铁芯的外轮廓包括：d轴圆弧段，所述d轴圆弧段的圆心与所述转子铁芯的旋转中心O重合；q轴圆弧段/q轴直线段；所述q轴圆弧段的圆心与所述转子铁芯的旋转中心O重合；所述q轴直线段与q轴正交；若干连接段，所述连接段在相邻所述d轴圆弧段和所述q轴圆弧段/q轴直线段之间，若干所述连接段中的至少一个为圆心不与所述转子铁芯的旋转中心O重合且位于所述转子铁芯内侧，且与所述d轴圆弧段相切的圆弧形连接段；所述圆弧形连接段邻近d轴设置；所述d轴圆弧段的半径为Rd，定义所述q轴圆弧段/q轴直线段与q轴的交点和所述转子铁芯的旋转中心O的直线距离为Lq；所述定子铁芯的齿部圆弧段和所述d轴圆弧段之间的最小间隙为g，0.1≤(Rd-Lq)/g≤1；所述d轴圆弧段的夹角为α；所述定子铁芯的齿部前端部与所述转子铁芯的旋转中心O的假想连线之间的夹角为β，0.5≤α/β≤1。

作为优选，所述圆弧形连接段的半径小于所述d轴圆弧段的半径Rd。

作为优选，所述转子铁芯的外轮廓围成的区域的面积为S1；所述d轴圆弧段所在的圆的面积为S2(S2=πRd^2)；所述定子铁芯的齿部圆弧段所在的圆的面积为S3(S3=π(Rd+g)^2)，0.1≤(S2-S1)/(S3-S2)≤0.6；所述转子铁芯的极数为8极，所述定子铁芯的插槽数为12个。

作为优选，相邻所述永久磁铁槽之间的径向磁通饱和部的最小宽度不大于0.8mm。

作为优选，所述永久磁铁槽与所述转子铁芯的外轮廓之间的周向磁通饱和部的最小宽度不大于0.6mm。

作为优选，埋设在所述转子铁芯中的永久磁铁的每一极磁极由两片永久磁铁构成；所述两片永久磁铁将所述d轴作为对称轴，朝向所述转子铁芯的旋转中心O配置为凸的V字型。

作为优选，所述转子的极数与所述定子插槽数的比为2：3。

作为优选，所述定子铁芯和所述转子铁芯均由多片厚度不大于0.35mm的硅钢板层叠而形成。

作为优选，所述若干连接段中的至少一个为直线形连接段。

一种压缩机，其特征在于：所述压缩机搭载权利要求1～9中任一项所述的永久磁铁式旋转电机。

本发明的有益效果：具有能得到小型、高效率且低噪音的永久磁铁式旋转电机及使用了该永久磁铁式旋转电机的压缩机的效果。

附图说明

图1是本发明的永久磁铁式旋转电机的剖视图。

图2是本发明图1永久磁铁式旋转电机的转子的形状的剖视图。

图3是本发明永久磁铁式旋转电机的感应电动势分布波形示意图。

图4是本发明永久磁铁式旋转电机的感应电动势谐波含量示意图。

图5是本发明永久磁铁式旋转电机的气隙磁通密度分布波形示意图。

图6是本发明永久磁铁式旋转电机的气隙磁通密度谐波含量示意图。

图例说明

1—永久磁铁式旋转电机；2—定子；3—转子；4—齿部；4a—齿部圆弧段；4b、4c—齿部前端部；5—轭部；6—定子铁芯；7—插槽；8—电机线圈；8a—U相线圈；8b—V相线圈；8c—W相线圈；9—铆钉孔；10—转子铁芯外轮廓；10a—d轴圆弧段；10b—q轴圆弧段/q轴直线段；10c—圆弧形连接段；10d—直线形连接段；11—永久磁铁槽；11a、11b—永久磁铁槽突出部；12—转子铁芯；13—永久磁铁；14—轴孔；15—周向磁通饱和部；16—径向磁通饱和部。

具体实施方式

下面我们结合附图对本发明所述的永久磁铁式旋转电机及使用永久磁铁式旋转电机的压缩机做进一步的说明。

在本实施例的说明中，关于将本发明应用于由8极的转子和12插槽的定子（8极12插槽）构成的永久磁铁式旋转电机的情况进行说明。另外，转子的极数与定子的插槽数的比为2:3，但即使相对于其它极数、插槽数、其它转子的极数和定子的插槽数的比也能同样地应用，能得到大致相同的效果。例如转子的极数可以为4极、6极等。另外，本实施例的永久磁铁式旋转电机是永久磁铁设于转子铁芯的所谓的埋入磁铁型的旋转电机。

在以下的说明中，“轴向”表示转子的旋转轴方向，“径向”表示转子的径向，“周向”表示转子的圆周方向。

图1所示的本实施例的永久磁铁式旋转电机的剖视图表示与旋转轴垂直的方向的剖面（后述的图2也相同）;另外，本实施例作为永久磁铁式同步电动机进行动作。

如图1所示，永久磁铁式旋转电机1由定子2、隔着预定的间隙（空隙）配置于该定子2的内侧且与轴（未图示）一起旋转的转子3构成。

所述定子2包括由圆环形状的轭部5、从该轭部5向径向内侧突出并沿圆周方向大致等间隔地排列的12个齿部构成的定子铁芯6以及在沿圆周方向邻接的所述齿部4间的插槽7内以包围所述齿部4的方式集中卷的电机线圈8等构成。

即，电机线圈8卷绕在沿径向以放射状配置的所述齿部4的轴心周围，在圆周方向上相互隔着空隙地配置三相线圈的U相线圈8a、V相线圈8b、W相线圈8c构成。

另外，所述定子2在轴向上层叠所述定子铁芯6（电磁钢板）而构成，并且，所述插槽7在邻接的所述齿部4形成12个（12插槽）。

所述转子3由转子铁芯12和埋设在该转子铁芯12的外周部侧且在圆周方向上大致等间隔地配设的16个永久磁铁13等构成，极数为8极的转子。在该转子3的旋转中心部形成有轴孔14，在该轴孔14中一体地固定有圆柱状的轴（未图示），转子3隔着空隙旋转自如地配置于所述定子2的内周面侧。

本实施例的永久磁铁式旋转电机1是所述转子3的极数为8极、所述定子2的插槽数为12插槽（八极十二插槽）。

在本实施例的永久磁铁式旋转电机1中，若使三相交流电流经由三相的所述线圈8a～8c构成的电机线圈8，则产生旋转磁场。通过利用该旋转磁场作用于埋设在所述转子3的所述永久磁铁13以及所述转子铁芯12，转子3旋转。

另外，为了减少永久磁铁式旋转电机1进行动作时在定子铁芯6以及转子铁芯12上产生的涡电流损失等的铁损，所述定子铁芯6以及所述转子铁芯12优选通过层叠多层由硅钢板等磁性钢板构成的薄板的层叠体构成。

在图2中，转子3具有在其旋转中心部形成有轴孔14的所述转子铁芯12。在该转子铁芯12内的外周侧表面的附近形成有多个（在本实施例中，为极数量的8个）以朝向转子铁芯12的旋转中心O凸的V字形配置的永久磁铁槽11，每一磁极具备两片永久磁铁13，所述两片永久磁铁13相对于轴孔14以凸V字状配置。在这些多个永久磁铁槽11中分别插入有磁铁材料、例如稀土类的钕构成、平板状且一字状的所述永久磁铁13。

在此，在图2的转子剖面中，连结永久磁铁槽11的对称中心和转子铁芯12的旋转中心O的假想轴定义为d轴（磁通轴）、与d轴电性、即电气角度正交的轴（永久磁铁间的轴）定义为q轴，可以理解的是，q轴也穿过转子铁芯12 的旋转中心O。

下面对转子铁芯12的外轮廓10进行更为详尽的描述。具体而言，d轴圆弧段10a的圆心与转子铁芯12的旋转中心O重合。q轴圆弧段/q轴直线段10b，q轴圆弧段10b的圆心与转子铁芯12的旋转中心O重合。q轴直线段10b与q轴正交。

若干连接段连接在相邻q轴圆弧段/q轴直线段10b和d轴圆弧段10a之间，若干连接段中的至少一个为圆心位于转子铁芯12内侧且与转子铁芯12的d轴圆弧段10a相切的圆弧形连接段10c，且圆弧形连接段10c邻近d轴设置，圆弧形连接段10c的圆心不与转子铁芯12的旋转中心O重合，圆弧形连接段10c的半径r小于d轴圆弧段的半径Rd。其中，定义q轴圆弧段/q轴直线段10b与转子铁芯12的q轴的交点和转子铁芯12的旋转中心O的直线距离为Lq，定义定子铁芯6的齿部圆弧段4a和d轴圆弧段10a之间的最小间隙为g，0.1≤(Rd-Lq)/g≤1。

需要说明的是，在转子铁芯12的周向上，d轴圆弧段10a、若干连接段和q轴圆弧段/q轴直线段10b依次循环连接以构成转子铁芯12 的外轮廓10，若干连接段中的至少一个为圆心位于转子铁芯12内侧的圆弧形连接段10c，如此转子铁芯12的外轮廓具有凹陷特性。

根据本发明的实施例的转子铁芯12，通过将(Rd-Lq)/g设计在0.1～1范围内且将转子铁芯12的外轮廓设计成具有凹陷特性的形状，且连接转子铁芯12的d轴圆弧段10a的圆弧形连接段10c与d轴圆弧段10a相切，使得转子铁芯12的外轮廓从d轴圆弧10a至q轴圆弧段/q轴直线段10b之间大部分实现平滑连接。通过这种连接结构，能够使感应电动势波形正弦化，因此电机电流也能随此正弦波化，能减少通过感应电动势与电机电流的相互作用产生的谐波磁通。即，通过所述结构，抑制电机反作用，减少旋转电机内的磁通的谐波成分。

其中，图3是本发明实施例的永久磁铁旋转式电机1的感应电动势波形，该感应电动势波形正弦度较好。图5是本发明实施例永久磁铁旋转式电机1的气隙磁通密度分布波形，该气隙磁通密度波形分布较优。

优选地，转子铁芯12的外轮廓围成的区域的面积为S1，d轴圆弧段10a所在的圆的面积为S2(S2=πRd^2)，定子铁芯6的齿部圆弧段4a所在的圆的面积为S3(S3=π(Rd+g)^2)，0.1≤(S2-S1)/(S3-S2)≤0.6，通过调整(S2-S1)与(S3-S2)的比值关系，可优化转子铁芯12的结构。

根据本发明的一些实施例，如图1和图2所示，d轴圆弧段10d的夹角为α，定子铁芯6的齿部前端部4b、4c与转子铁芯12的旋转中心O的假想连线之间的夹角为β，0.5≤α/β≤1。通过调节夹角α与夹角β的比值关系，由此，进一步优化感应电动势波形正弦度，进一步优化气隙磁通分布，进一步减小气隙磁通谐波含量。同时，使得永久磁铁11产生的磁通能够更为顺畅地通过d轴圆弧段10a和齿部圆弧段4a之间的间隙，从而可提高永久磁铁式旋转电机1的输出转矩。

根据本发明的一些实施例，相邻所述永久磁铁槽11之间的径向磁通饱和部16的最小宽度w1不大于0.8mm。换言之，永久磁铁槽11为闭口槽，在转子铁芯12的周向上，转子铁芯12的位于相邻永久磁铁槽11之间的部分的宽度设计的足够小以形成磁通饱和部。如此，可以有效减少永久磁铁13的漏磁，提高主磁通，从而增大气隙磁通值。

根据本发明的一些实施例，永久磁铁槽11与转子铁芯12的外轮廓10之间的周向磁通饱和部15的最小宽度w2不大于0.6mm。例如，呈V字形的永久磁铁槽11的永久磁铁槽突出部11a、11b以突出状分别沿转子铁芯12的周向延伸。如此，保证较优的感应电动势波形正弦度和较小的气隙磁通谐波含量。

优选地，定子铁芯6和转子铁芯12均由多片厚度不大于0.35mm的硅钢板层叠而形成，可有效降低涡电流损失等的铁损，提高电机效率。

根据本发明的一些实施例，如图1和图2所示，若干连接段中的至少一个为直线。换句话说，d轴圆弧段10a、至少一个圆心位于转子铁芯12内侧的圆弧形连接段10c、至少一个直线形连接段10d与q轴圆弧段/q轴直线段10b循环连接以构成转子铁芯12的外轮廓10。可选地，圆心位于转子铁芯12内侧的圆弧形连接段10c和直线形连接段10d可以直接相连，也可以通过圆形倒角连接，如此简化转子铁芯12的外轮廓形状，方便生产加工。

具体而言，转子铁芯12的外轮廓10由循环顺次相连的q轴圆弧段/q轴直线段10b、直线形连接段10d、圆心位于转子铁芯12内侧的圆弧形连接段10c和d轴圆弧段10a构成，转子铁芯12的外轮廓10位于相邻q轴之间的部分关于对应的d轴对称。其中，Rd=28.95mm，Lq=28.75mm，g=0.55mm，α=16°，β=25°，位于转子铁芯12内侧的圆弧形连接段10c的半径r=10.95mm，其圆心与转子铁芯12的旋转中心O的距离L=18mm，满足r+L=Rd，也即，圆弧形连接段10c与d轴圆弧段10a相切，且圆弧形连接段10c的半径r小于d轴圆弧段10a的半径Rd, 使得转子铁芯12的外轮廓设计成具有凹陷特性的形状。

根据本发明实施例的转子铁芯12，(Rd-Lq)/g=0.36，α/β=0.64.采用这种结构的转子铁芯12，不仅可以优化感应电动势波形正弦度，优化电机的气隙磁通分布，其结果，能减小脉动转矩、径向电磁加振力。而且结构简单，便于大批量制造和生产。其中，图3是本发明实施例的感应电动势波形，其接近正弦形状；图4为运用傅里叶分解的方法对感应电动势波形进行分解得到的每个阶次的谐波含量及总含量。其中，图5是本发明实施例的气隙磁通密度分布波形，气隙磁通密度径向分量的波形接近正弦形状；图6为运用傅里叶分解的方法对气隙磁通密度径向分量的波形进行分解得到的每个阶次的谐波含量及畸变率。

转子铁芯12的外轮廓10围成的区域的面积为S1=2611mm2，d轴圆弧段10a所在的圆的面积为S2=πRd^2=2633mm2，定子铁芯6的齿部圆弧4a所在的圆的面积为S3=π(Rd+g)^2=2734mm2，(S2-S1)/(S3-S2)=(2633-2611)/(2734-2633)=0.22，通过调整(S2-S1)与(S3-S2)的比值关系，可优化转子铁芯12的结构。

根据本发明实施例的永久磁铁式旋转电机1，一方面能够使感应电动势波形正弦化且使电流正弦化，因此减小由感应电动势和电流的相互作用产生的谐波磁通，其结果，能减小脉动转矩、径向电磁加振力。另一方面可优化气隙磁通波形，减小气隙磁通谐波含量，从而电磁激励比较小，振动和噪音小，并且结构简单，易于大批量制造和生产。

通过搭载了这种小型、高效率的永久磁铁式旋转电机的压缩机，能实现压缩机的效率提高，也能节能。

上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.永久磁铁式旋转电机，包括定子以及转子；所述定子具有圆环形状的轭部、从该轭部向径向内侧突出并在圆周方向上排列的多个齿部以及形成于该齿部间的多个插槽的定子铁芯；以及配设在所述插槽内且卷绕在所述齿部的电机线圈；所述转子具有转子铁芯和埋设在该转子铁芯且在圆周方向上配设的多个永久磁铁，与所述定子隔着空隙旋转自如地配置，该永久磁铁式旋转电机的特征在于，所述转子铁芯上设有沿所述转子铁芯的周向间隔设置的多个永久磁铁槽，在垂直于所述转子铁芯的旋转中心O轴线的平面内，所述转子铁芯的外轮廓包括：d轴圆弧段，所述d轴圆弧段的圆心与所述转子铁芯的旋转中心O重合；q轴圆弧段/q轴直线段；所述q轴圆弧段的圆心与所述转子铁芯的旋转中心O重合；所述q轴直线段与q轴正交；若干连接段，所述连接段在相邻所述d轴圆弧段和所述q轴圆弧段/q轴直线段之间，若干所述连接段中的至少一个为圆心不与所述转子铁芯的旋转中心O重合且位于所述转子铁芯内侧，且与所述d轴圆弧段相切的圆弧形连接段；所述圆弧形连接段邻近d轴设置；所述d轴圆弧段的半径为Rd，定义所述q轴圆弧段/q轴直线段与q轴的交点和所述转子铁芯的旋转中心O的直线距离为Lq；所述定子铁芯的齿部圆弧段和所述d轴圆弧段之间的最小间隙为g，0.1≤(Rd-Lq)/g≤1；所述d轴圆弧段的夹角为α；所述定子铁芯的齿部前端部与所述转子铁芯的旋转中心O的假想连线之间的夹角为β，0.5≤α/β≤1。

2.根据权利要求1所述的一种永久磁铁式旋转电机，其特征在于：所述圆弧形连接段的半径小于所述d轴圆弧段的半径Rd。

3.根据权利要求1所述的一种永久磁铁式旋转电机，其特征在于：所述转子铁芯的外轮廓围成的区域的面积为S1；所述d轴圆弧段所在的圆的面积为S2(S2=πRd^2)；所述定子铁芯的齿部圆弧段所在的圆的面积为S3(S3=π(Rd+g)^2)，0.1≤(S2-S1)/(S3-S2)≤0.6；所述转子铁芯的极数为8极，所述定子铁芯的插槽数为12个。

4.根据权利要求1所述的一种永久磁铁式旋转电机，其特征在于：相邻所述永久磁铁槽之间的径向磁通饱和部的最小宽度不大于0.8mm。

5.根据权利要求1所述的一种永久磁铁式旋转电机，其特征在于：所述永久磁铁槽与所述转子铁芯的外轮廓之间的周向磁通饱和部的最小宽度不大于0.6mm。

6.根据权利要求1所述的一种永久磁铁式旋转电机，其特征在于：埋设在所述转子铁芯中的永久磁铁的每一极磁极由两片永久磁铁构成；所述两片永久磁铁将所述d轴作为对称轴，朝向所述转子铁芯的旋转中心O配置为凸的V字型。

7.根据权利要求1所述的一种永久磁铁式旋转电机，其特征在于：所述转子的极数与所述定子插槽数的比为2：3。

8.根据权利要求1所述的一种永久磁铁式旋转电机，其特征在于：所述定子铁芯和所述转子铁芯均由多片厚度不大于0.35mm的硅钢板层叠而形成。

9.根据权利要求1所述的一种永久磁铁式旋转电机，其特征在于：所述若干连接段中的至少一个为直线形连接段。

10.一种压缩机，其特征在于：所述压缩机搭载权利要求1～9中任一项所述的永久磁铁式旋转电机。