CN208461563U - 交替极电机及具有其的压缩机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种交替极电机及具有其的压缩机，交替极电机包括：转子；所述转子由软磁材料制成，转子上设置有一组以上的狭槽组，所述狭槽组在径向设置有三层狭槽，狭槽从转子周缘至转子轴孔分为第一层狭槽、第二层狭槽和第三层狭槽，其中两层安装有永磁体，所有永磁体面向转子外周缘的极性为相同极性。本实用新型设计的电机采用多层槽结构，但是并不是所有的槽中都安装有永磁体，可以显著提高电机的q轴电感Lq，增大Lq‑Ld的值，提高电机的电磁转矩，显著提高了转子的抗退磁能力，削弱转矩波动。

Description

交替极电机及具有其的压缩机

技术领域

本发明属于电机技术领域，特别涉及一种交替极电机及具有其的压缩机。

背景技术

传统永磁电机，例如8极永磁电机，其具有8个永磁体，围绕转子中心沿旋转方向布置，并且相邻的永磁体具有不同的磁化方向。而交替极永磁同步电机仅有4个永磁体，同样是沿圆周均匀分布，并且相邻的永磁体具有相同的磁化方向长度，有永磁体安装槽的称为永磁极，两个永磁体安装槽之间的软磁材料被永磁极磁化成与具有与永磁极相反的极性，因此称为交替极永磁电机，采用这种电机可以显著降低永磁体使用量。

例如中国专利CN201310042049.9公开了一种永磁体电机，其具有转子，所述转子包括具有至少两个收容槽的转子铁芯及分别收容于所述收容槽内的永磁体，所述收容槽的两端分别具有凹槽，所述永磁体的磁场不穿过其它的永磁体，位于同一所述收容槽两侧的凹槽末端与转子中心之间形成一个角度，角度的大小定义为α，两个不同所述收容槽的相邻所述凹槽末端与转子中心之间形成一个角度，角度的大小定义为β，α/β的值为0.8～1.2。

中国专利CN201710906334.9公开了一种磁阻式交替极永磁电机，包括转子，转子上具有以转子的轴线为中心，并沿转子周向均匀排布的至少两个永磁极，永磁极包括：沿转子的径向依次排布并相互分隔的内层磁槽和外层磁槽；在内层磁槽内设置有与内层磁槽相匹配的内层永磁体，在外层磁槽内设置有与外层磁槽相匹配的外层永磁体。

但是，交替极电机一对极下的磁力线仅穿过一块永磁体，尽管其单块永磁体厚度较常规电机厚，但是常规电机磁力线回路中存在两块永磁体，所以交替极电机d轴磁路上永磁体厚度明显小于常规电机d轴磁路上等效永磁体厚度。因此，一方面交替极电机d轴磁路磁阻较小，d轴电感较大导致q轴与d轴的电感差值较小，从而引起磁阻转矩较小，限制了电磁转矩的提升。另一方面，由于永磁体等效厚度较薄，抗退磁能力下降较为明显。

此外，由于交替极电机的相邻磁极不对称，在运行过程中形成较大的转矩波动。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种交替极电机及具有其的压缩机。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种交替极电机，包括：转子；所述转子由软磁材料制成，转子上设置有一组以上的狭槽组，所述狭槽组在径向设置有三层狭槽，狭槽从转子周缘至转子轴孔分为第一层狭槽、第二层狭槽和第三层狭槽，其中两层安装有永磁体，所有永磁体面向转子外周缘的极性为相同极性。

进一步的，第一层狭槽空置，所述第二层狭槽和第三层狭槽安装有永磁体。

进一步的，电机还包括定子，所述定子设置有齿部，齿部的数量为z，狭槽组的数量为N组，其中第一层狭槽所面对的范围内至少有z/6N个定子齿部。

进一步的，狭槽组的数量为N组，相邻狭槽组之间形成夹角a1，其中a1×N/180°＝0.6～1。

进一步的，相邻的狭槽组之间的软磁材料上设置有两个半圆形凹槽，凹槽分别靠近两侧的狭槽组。

进一步的，两个半圆形凹槽圆形之间形成的夹角为a2，狭槽组的数量为N组，其中(360°/N-a1)/a2＝1～1.5。

进一步的，第一层狭槽的厚度为t1,第二层狭槽距离转子外周缘的距离为t2，其中t1/t2＝0.4～0.7。

进一步的，第二层狭槽厚度为t3，第三层狭槽厚度为t4，其中t3/t4＝0.8～1.7。

进一步的，第一层狭槽在转子外周缘形成宽度为w1，第二层狭槽在转子外周缘形成宽度为w2，其中w1/w2＝0.5～0.7。

进一步的，第二层狭槽在转子外周缘形成宽度为w2，第三层狭槽在转子外周缘形成宽度为w3，其中w2/w3＝0.6～0.8。

进一步的，第二层狭槽厚度为t3，第三层狭槽厚度为t4，第三层狭槽在转子外周缘形成宽度为w3，其中4<w3/(t3+t4)<8。

进一步的，第一层狭槽与转子外周缘之间形成宽度为wb1的磁桥，第二层狭槽与转子外周缘形成宽度为wb2的磁桥，第三层狭槽与转子外周缘形成宽度为wb3的磁桥，其中wb1≥wb2≥wb3。

进一步的，第二层狭槽内的永磁体采用高剩磁、高矫顽力的永磁材料制成，第三层狭槽内的永磁体采用低剩磁、低矫顽力的永磁材料制成。

进一步的，第一层狭槽呈一字形或V型；所述第二层狭槽和第三层狭槽呈V型或U型。

进一步的，狭槽内安装的永磁体数量为一块以上。

进一步的，第二层狭槽空置，所述第一层狭槽和第三层狭槽安装有永磁体。

一种压缩机，包括上述任一所述的交替极电机。

本发明设计的电机采用多层槽结构，但是并不是所有的槽中都安装有永磁体，可以显著提高电机的q轴电感Lq，增大Lq-Ld的值，提高电机的电磁转矩，显著提高了转子的抗退磁能力，削弱转矩波动。

实验表明，在与对比样机保持一致的永磁体使用量时，相同电枢电流下本发明方案的最大电磁转矩可以提高5％，转矩波动降低4％，抗退磁能力提升10％。

附图说明

图1是实施例1交替极电机转子的结构示意图。

图2是实施例1交替极电机转子的局部放大示意图。

图3是实施例1交替极电机转子和定子的局部放大示意图。

图4是实施例1交替极电机转子dq轴磁路示意图。

图5是实施例1交替极电机的结构示意图。

图6是实施例1第一层狭槽1包含的定子齿部对电磁转矩、退磁率的影响示意图。

图7是实施例1转矩波动随(360deg/N-a1)/a2变化示意图。

图8是实施例1电机与常规电机的q轴电感对比图。

图9是实施例1电机与常规电机电磁转矩随电流角变化曲线图。

图10是实施例1电机与常规电机退磁率随退磁电流变化曲线图。

图11是实施例1电机与常规电机转矩曲线对比图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

一种交替极永磁电机，其包括转子、定子。图1所示为转子的结构示意图。转子上开有四组狭槽组，每一组狭槽组径向上由3层构成，第一层狭槽1中不安装永磁体，第二层、第三层狭槽(2、3)中安装有永磁体4，所有的永磁体面向转子外周缘的极性为相同极性，永磁体所在的扇区一般称为永磁极5。不同的狭槽组之间的软磁材料被磁化成与永磁体相反的极性，称为交替极6。

狭槽分三层设置，可以理解为在两层永磁体的外面增加了一层空气槽，增加了如图4所示的d轴磁路上的磁阻，d轴磁路磁阻增加会减少电机运行过程中反向磁场对永磁体的直接作用，提升电机的抗退磁能力。尽管这也会让电机的永磁转矩降低，但是如电机的电磁转矩公式(1)所示，电机的电磁转矩公式：

T_e＝p(ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q) (1)

电磁转矩包括两部分，+号左边的电磁转矩以及+号右边的磁阻转矩。对于内置式永磁电机，q轴电感Lq一般大于d轴电感Ld，为了尽可能利用磁阻转矩，希望Lq-Ld(>0)的值越大越好，在交替极电机中Ld的增大很明显是不利于磁阻转矩的利用的。

但是如电机的电磁转矩公式(1)所示，d轴磁阻增加会让d轴电感减小，同时多层分布的狭槽1可以显著提高电机的q轴电感，电机的q轴磁路如图4所示，电机提供了3条明显的磁力线通道，更容易让q轴磁力线通过，因此具有更大的q轴电感，因此，Lq-Ld的差值增加，磁阻转矩增加，因此总的电磁转矩并不会降低，通过如此设置可以保证电磁转矩与不增加永磁体使用量的情况下提升电机的抗退磁能力。

第一层狭槽与转子外周缘之间形成宽度为wb1的磁桥，第二层狭槽与转子外周缘形成宽度为wb2的磁桥，第三层狭槽1与转子外周缘形成宽度为wb3的磁桥，如图2所示，wb1≥wb2≥wb3。wb1、wb2、wb3的大小分别与第一层、第二层、第三层狭槽1两端的漏磁正相关。一方面，wb1≥wb2保证了第一层狭槽与转子外周缘之间也形成一条导磁通道7，增加磁阻转矩。另一方面，如前所述，第二层永磁体退磁风险更大，设置wb2≥wb3增加了第二层永磁体两端的漏磁，会让更多的磁力线从两端经过而不穿过第二层永磁体，因此提升了第二层永磁体的抗退磁能力。尽管这样减小永磁转矩，但是由于电枢的磁力线会容易通过磁桥处增加了磁阻转矩，总电磁转矩不会减小。

电机的定子9共有z个齿部10，转子共有N组永磁体，第一层狭槽1所对的范围内包含至少z/6N个定子齿部。如图3所示为对应电机转子和定子的局部放大图，定子共有48个齿，转子有4组永磁体，z/6N＝2，即图中的2#、3#，退磁磁力线的方向如图中箭头所示。可以看到，2#3#上的退磁矢量11与第二层狭槽1的夹角明显大于1#4#上退磁矢量与第二层狭槽1的夹角，因此更接近90度，即更加正对第二层狭槽1中安装的永磁体，更容易使永磁体退磁。1#4#齿部的磁矢量由于第二层狭槽1的调整会沿着导磁通道前进而不会正对着第二层永磁体，因此使永磁体产生不可逆退磁的可能性较小，第一层狭槽1包含1#-4#定子齿部相比于仅包含2#3#齿部对转子的抗退磁能力提升很小，而且由于第一层狭槽1与第二层狭槽2之间的导磁通道减小，q轴磁路12上磁阻增加，反而会使电机的磁阻转矩下降，进而使电磁转矩下降。当狭槽1的范围内仅包含2#或者3#齿时，第一层狭槽1与第二层狭槽1之间的导磁通道增大，q轴电感略微增加，对磁阻转矩提升不明显，反而因为有较多的2#或者3#齿上的退磁矢量以垂直的角度作用到第二层永磁体上导致永磁体退磁。研究表明，当第一层狭槽1所对的范围内包含至少z/6N个定子齿部时能使导磁通道不饱和的前提下尽可能提升电机的抗退磁能力，如图6所示。图5是本发明的电机结构示意图。

狭槽组共有N组，相邻的狭槽组之间形成夹角a1，有a1×N/180°＝0.6～1。a1×N/180°表征了交替极所占扇区与整个转子扇区的比例，研究表明，交替极扇区占的比例越大的时候会使交替极上分布的磁力线稀疏，无法形成较大的气隙磁密，无法产生较大的电磁转矩。当交替极电机占得比例较小的时候会使较多的磁力线分布在交替极上，发生局部磁饱和，磁饱和会使电机发热严重，降低运行效率，把范围限制在0.6～1可以刚好使磁密分布均匀。

电机在相邻的狭槽组之间的软磁材料上设置2个半圆形凹槽8，凹槽靠近第3层狭槽设置。磁力线进入转子的时候会在第三层狭槽与转子外周缘交叉部附近为产生畸变，因为交叉部聚集了较多的磁力线，包括气隙中、交替极上的磁力线以及永磁体上的漏磁，在交界部设置凹槽会引导磁力线离开交界部，减少了该处的磁密畸变，降低了转子上的铁芯损耗。同时两个凹槽调整了交替极面向气隙的宽度，即极弧，让交替极的磁密与永磁极磁密更加对称，减少转矩波动。

相邻的凹槽之间形成夹角a2，有(360°/N-a1)/a2＝1～1.5。(360°/N-a1)表征了永磁极面向气隙的宽度，即永磁极极弧，a2表征了交替极面向气隙的宽度，即交替极极弧。当两者的比例较大的时候，永磁极下产生的气隙磁密较多，表现为转矩曲线上一个较大的峰值，导致转矩波动较大，同理，当比值较小的时候，交替极下的气隙磁密较多，表现为转矩曲线上一个较大的峰值，同样会使转矩波动增加，研究表明，当两者的比值在1～1.5时，可以有效限制电机的转矩波动，如图7所示。

电机的第一层狭槽厚度为t1，第二层狭槽距离转子外周缘的距离为t2，t1/t2＝0.4～0.7。t1/t2表征了第一层狭槽占的第二层狭槽到转子外周缘之间厚度的范围，占比过小，第一层狭槽对d轴磁阻增加有限，无法提升抗退磁能力，占比超过一定范围后继续增加对抗退磁能力提升不明显，反而会让电机的永磁转矩继续下降，研究表明，该比值在0.4～0.7范围内最好，保证电磁转矩的情况下提升抗退磁能力。

第二层狭槽厚度为t3，第三层狭槽厚度为t4，有t3/t4＝0.8～1.7。t2表征了第二层永磁体轭厚度，t3表征了第三层永磁体的厚度，随着比值增加，第二层永磁体厚度增加，抗退磁能力提升，第三层永磁体厚度减小，抗退磁能力减弱，超出一定范围后，退磁风险比较大的永磁体由第二层变为第三层，而抗退磁能力是以两者的最差进行评估，因此，比值继续增大，会降低转子整体的抗退磁能力。比值在0.8～1.7范围内，转子整体的抗退磁能力表现最好。

电机的第一层狭槽在转子外周缘形成宽度w1，第2层狭槽在转子周向形成的宽度w2满足，w1/w2＝0.5～0.7。w1/w2表征了第一层狭槽与第二层狭槽宽度的比值，随着比值的增加，电机的抗退磁能力提升，并且通过形成导磁通道增加磁阻转矩弥补永磁转矩的降低保证电磁转矩降低，当比值超过一定范围之后，导磁通道的入口过小，q轴电感减小，磁阻转矩不再继续上升，而永磁转矩还在继续下降，电磁转矩下降。研究表明，将比值限制在0.5～0.7范围内最好。

第三层狭槽在转子外周缘形成宽度w3，满足w2/w3＝0.6～0.8。w2/w3表征了第二层狭槽与第三层狭槽宽度的比值，比值过小，永磁转矩减小，磁阻转矩提升不明显，比值过大，磁阻转矩急剧下降，磁阻转矩提升不明显，研究表明，比值控制在0.6～0.8有利于磁阻转矩的提升。

t3、t4、w3，有4<w3/(t3+t4)<8。将w3与t3、t4进行关联，w3表征了永磁极的宽度，也是永磁体磁通面的宽度，(t3+t4)表征了d轴磁路13上永磁体的厚度，保证了永磁体等效磁通面与等效厚度比合适，充分利用永磁体，降低成本。

第三层狭槽中安装的永磁体采用低剩磁、低矫顽力的永磁材料，第二层狭槽中安装的永磁体采用高剩磁、高矫顽力的永磁材料。在保证电机性能、抗退磁能力的前提下，最大程度降低成本。

每一层狭槽中的永磁体可以多于1块，以简化永磁体制造与安装工艺。

第二、三层狭槽呈V型或U型放置，第一层狭槽呈一型或V型放置，U型与V型永磁体更容易提供较大的磁通面积。

附图标识14是转子的轴孔。

图8为本发明方案与现有技术方案q轴电感对比，采用本发明方案的电机，q轴电感值更大。

图9为本发明方案与现有技术方案相同电流下的电磁转矩随电机角变化的对比。本发明方案比现有技术方案相同电流下产生最大转矩的电流角更大，所以磁阻转矩占比更大，合成的电机转矩也更大。

图10为本发明方案与现有技术方案的在相同电流下的退磁率对比，随着退磁电流的增加，本发明方案的退磁率上升更慢。

图11为本发明与现有技术方案一个机械周期的转矩曲线对比，可以看出，本发明方案的电磁转矩显著提高，转矩波动显著下降。

实施例2

转子的第一层、第三层狭槽1中安装永磁体，第二层狭槽中不放置永磁体的形式。其他的设置与实施例1相同。

实施例3

一种压缩机，包括实施例1或2中的交替极电机。

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 (17)

1.一种交替极电机，其特征在于包括：转子；所述转子由软磁材料制成，转子上设置有一组以上的狭槽组，所述狭槽组在径向设置有三层狭槽，狭槽从转子周缘至转子轴孔分为第一层狭槽、第二层狭槽和第三层狭槽，其中两层安装有永磁体，所有永磁体面向转子外周缘的极性为相同极性。

2.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述第一层狭槽空置，所述第二层狭槽和第三层狭槽安装有永磁体。

3.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述电机还包括定子，所述定子设置有齿部，齿部的数量为z，狭槽组的数量为N组，其中第一层狭槽所面对的范围内至少有z/6N个定子齿部。

4.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述狭槽组的数量为N组，相邻狭槽组之间形成夹角a1，其中a1×N/180°＝0.6～1。

5.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述相邻的狭槽组之间的软磁材料上设置有两个半圆形凹槽，凹槽分别靠近两侧的狭槽组。

6.根据权利要求5所述的交替极电机，其特征在于：所述两个半圆形凹槽圆形之间形成的夹角为a2，狭槽组的数量为N组，其中(360°/N-a1)/a2＝1～1.5。

7.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述第一层狭槽的厚度为t1,第二层狭槽距离转子外周缘的距离为t2，其中t1/t2＝0.4～0.7。

8.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述第二层狭槽厚度为t3，第三层狭槽厚度为t4，其中t3/t4＝0.8～1.7。

9.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述第一层狭槽在转子外周缘形成宽度为w1，第二层狭槽在转子外周缘形成宽度为w2，其中w1/w2＝0.5～0.7。

10.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述第二层狭槽在转子外周缘形成宽度为w2，第三层狭槽在转子外周缘形成宽度为w3，其中w2/w3＝0.6～0.8。

11.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述第二层狭槽厚度为t3，第三层狭槽厚度为t4，第三层狭槽在转子外周缘形成宽度为w3，其中4<w3/(t3+t4)<8。

12.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述第一层狭槽与转子外周缘之间形成宽度为wb1的磁桥，第二层狭槽与转子外周缘形成宽度为wb2的磁桥，第三层狭槽与转子外周缘形成宽度为wb3的磁桥，其中wb1≥wb2≥wb3。

13.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述第二层狭槽内的永磁体采用高剩磁、高矫顽力的永磁材料制成，第三层狭槽内的永磁体采用低剩磁、低矫顽力的永磁材料制成。

14.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述第一层狭槽呈一字形或V型；所述第二层狭槽和第三层狭槽呈V型或U型。

15.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述狭槽内安装的永磁体数量为一块以上。

16.根据权利要求1所述的交替极电机，其特征在于：所述第二层狭槽空置，所述第一层狭槽和第三层狭槽安装有永磁体。

17.一种压缩机，其特征在于：包括权利要求1至16任一所述的交替极电机。