CN212486356U - 转子、内置式永磁电机以及压缩机 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种内置式永磁电机的转子、内置式永磁电机以及压缩机。所述转子包括转子铁芯、多个U形永磁体容纳槽、多个第一空气槽和多个第一凹部。多个U形永磁体容纳槽被间隔地设置在转子铁芯的内部；多个第一空气槽设置在U形永磁体容纳槽的端部的外面，每个第一空气槽位于对应的U形永磁体容纳槽的端部的延长线上且靠近转子的外轮廓以形成多个第一隔磁桥。每一所述第一凹部从转子的外轮廓向转子中心下凹，起始于所述转子的最外侧的对应的第一隔磁桥的末端，至多延伸至U形永磁体容纳槽的底部中心和转子中心的连线与转子的外轮廓的第一交点处，使得在所述转子的外轮廓与内置式永磁电机的定子的内轮廓之间产生的气隙磁密接近正弦曲线。

Description

转子、内置式永磁电机以及压缩机
技术领域
本实用新型涉及永磁电机领域，尤其涉及内置式永磁电机的转子、使用该转子的内置式永磁电机以及相关的压缩机。
背景技术
通常，诸如无刷DC电机的永磁电机具有安装在转子芯部上的永磁体以产生旋转驱动力。基于永磁体如何安装到转子芯部上，永磁电机分为表面安装式永磁电机和内置式永磁电机。
典型地，内置式永磁电机具有安装在转子芯部中的多个永磁体。内置式永磁电机包括定子，缠绕在定子上的线圈和转子。其中转子可旋转地设置在定子中。
目前，电机反动势谐波畸变率是亟需解决的问题之一。改善电机反动势谐波畸变率可以降低电机的噪音，改善了转子的机械强度。通常，使用不均匀气隙或转子分段斜极来改善电机反动势谐波畸变率。
对于采用转子分段斜极来说，增加了转子制造的复杂性，且分段斜极会使转子产生轴向的极间漏磁，从而降低电机的输出转矩或需要更大的电流。
发明内容
本实用新型的目的旨在解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面。
相应地，本实用新型的目的之一是提供一种能够实现不均匀气隙的内置式永磁电机转子。
本实用新型的又一目的是提供使用上述的转子的内置式永磁电机。
本实用新型的又一目的是提供使用上述的内置式永磁电机的压缩机。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种内置式永磁电机的转子，包括：
转子铁芯；
多个U形永磁体容纳槽，间隔地设置在所述转子铁芯的内部；
多个第一空气槽，设置在所述U形永磁体容纳槽的端部的外面，每个第一空气槽位于对应的U形永磁体容纳槽的端部的延长线上且靠近所述转子的外轮廓以形成多个第一隔磁桥；
多个第一凹部，每个所述第一凹部从转子的外轮廓向转子中心下凹，起始于所述转子的最外侧的对应的第一隔磁桥的末端，至多延伸至所述U形永磁体容纳槽的底部中心和转子中心的连线与转子的外轮廓的第一交点处，使得在所述转子的外轮廓与所述内置式永磁电机的定子的内轮廓之间产生的气隙磁密接近正弦曲线。
根据本实用新型的另一方面，提供了一种内置式永磁电机，该内置式永磁电机包括：
定子，所述定子包括圆筒形的定子铁芯、多个沿所述定子的径向方向向内延伸的定子齿、在所述多个定子齿之间分布的定子槽以及缠绕所述定子齿以产生旋转磁场的线圈；
上述的转子，所述转子可旋转地设置在所述定子中，且与所述定子间隔开。
根据本实用新型的还一方面，提供了一种压缩机，该压缩机使用上文所述的内置式永磁电机，其中所述压缩机的工作电压为小于或等于 600V的电压。
附图说明
现在参照随附的示意性附图，仅以举例的方式，描述本实用新型的实施例，其中，在附图中相应的附图标记表示相应的部件。
图1是现有技术中的具有圆形转子的内置式永磁电机的横截面示意图；
图2是现有技术中的具有非圆形转子的内置式永磁电机的横截面示意图；
图3A是根据本实用新型的一个实施例的内置式永磁电机的转子的横截面示意图；
图3B是图3A所示出的转子的部分横截面示意图；
图3C是图3B中的矩形框的放大示意图；
图4A是图3A所示的转子安装了永磁体之后的横截面示意图；
图4B是图4A所示出的转子的部分横截面示意图；
图4C是图4B所示的部分放大示意图；
图5A是根据本实用新型的一个实施例的定子的横截面示意图；
图5B是图5A中的单个工形齿的结构示意图；
图5C是图5A中的方框所示的定子槽的放大结构示意图；
图5D是图5A中的单个工形齿的另一变形例的结构示意图；
图5E是图5A中的单个工形齿的又一变形例的结构示意图；
图5F是图5A中的单个工形齿的又一变形例的结构示意图；
图6A和图6B分别是没有设置第一凹部的情况下的定子磁场线穿过转子时的示意图和设置有第一凹部的情况下的定子磁场线穿过转子时的示意图；
图7A和图7B分别是设置有转子盖板的转子铁芯的侧视图和横截面视图；
图7C是图7B中显示的虚线框的放大视图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图1-7C，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本实用新型实施方式的说明旨在对本实用新型的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本实用新型的一种限制。
下面参考附图对根据本实用新型的实施例的内置式永磁电机进行说明。
图1显示了传统的内置式永磁电机10的横截面视图。该内置式永磁电机10包括：定子1、缠绕在定子1上的线圈(未在图1中示出)以及转子4，该转子4可旋转地设置在定子1中。
定子1包括通过叠置多个硅钢片所形成的圆筒形定子铁芯2；形成在定子铁芯2中且沿其径向方向向内延伸的定子齿9、在多个定子齿之间分布的定子槽3；以及缠绕定子齿9的线圈(未显示)。
转子4包括通过叠置多个硅钢片所形成的转子铁芯5，该转子铁芯5 设置在定子1的圆柱形腔体中，同时以预定的距离与定子1的圆柱形腔体分开；形成在转子铁芯5中的多个永磁体槽6；以及多个永磁体7，该永磁体7分别插入到永磁体槽6中。通常，在永磁体7被插入到永磁体槽6中之后，在永磁体7的端部上形成永磁体槽间隙61。旋转轴8被插入到形成在转子4的中心的圆柱形腔体中，并由此与转子铁芯5一起旋转。
当电流被供给到缠绕在具有上述结构的传统永磁电机10的定子齿9 上的线圈时，线圈的极性被顺序改变，在定子1与转子4之间产生旋转磁场，转子4的磁场跟随该旋转磁场旋转，并产生旋转驱动力。因此，使转子铁芯5与旋转轴8一起旋转。
在内置式永磁电机10中，由于定子1的内轮廓和转子4的外轮廓之间的间隙的长度是均匀的，因此内置到转子4中的永磁体7通常会在间隙上产生非正弦的气隙磁密，对于正弦波电流供电的永磁电机而言会增大转矩波动。结果，在转子4旋转时会产生振动，使噪音增加。结果，内置式永磁电机10的性能降低。
在现有技术中，为了产生正弦气隙磁场，如图2所示，转子4’通常采用非规则圆形，以在定子的内轮廓与转子的外轮廓之间获得不均匀的气隙。在图2中，除了转子的外轮廓为非规则圆形之外，永磁体槽6’的形状也被相应地修改。这样，会在永磁电机装配过程中，很难保证定子和转子是同心的。
图1中的转子为圆形，图2的转子为非规则圆形。在图1或2显示的转子中，两极(即相邻的两个永磁体)之间的空间对应最大气隙。然而，如本领域技术人员已知的，由于两极之间的空间70对应最大气隙，使得转子24中心处的垂直于转子磁场方向的Q轴80的电感变小，降低了最大转矩。
参照图3A，示出了根据本实用新型的一个实施例的用于替换图1或2所示的转子4或4’的转子20。在此详细说明转子20的结构，其他部件的说明可以参见上文的论述。
如图3A所见，转子20包括转子铁芯21、多个U形永磁体容纳槽 22、多个第一空气槽23和多个第一凹部24。多个U形永磁体容纳槽22 间隔地设置在所述转子铁芯21的内部，例如它们被等间隔地围绕转子20 的外轮廓28或外圆周28分布。
在本实用新型实施例中，转子20为规则圆柱形，故转子20具有圆形的外轮廓28。转子20的外轮廓28与定子的内轮廓之间间隔开恒定的一距离或一间隙。另外，转子24还包括在其中心处设置的转轴。或者说，转轴设置在圆筒形转子铁芯21的圆柱形腔体内。转子铁芯21的内轮廓29与转轴紧密贴合在一起，且通过转轴上的轴键(未示出)配合在转子铁芯21的轴键孔(未示出)中。通常，由多个层叠放置的硅钢片制造呈现圆筒形的转子铁芯21。可以理解，圆筒形的转子铁芯21和圆柱形的转轴通过轴键和轴键孔(未显示)配合在一起，且构成了圆柱形的转子20。
如图3A所示，在本实用新型中可以通过六个铆钉或螺栓27将转子叠片固定形成转子20的转子铁芯21，从而形成转子20。应当注意，本领域技术人员可以明白转子20与转轴的连接除了用轴键的方式之外，也可以用热套，热压和冷压的方式进行连接，当采用热套，热压和冷压的方式转子内孔形状可相应改动，如使用非圆形转子内孔等。
每个第一空气槽23设置在U形永磁体容纳槽22的端部的外面。具体地，每个第一空气槽23位于对应的U形永磁体容纳槽22的端部的延长线上，且较靠近转子20的外轮廓，由此形成多个第一隔磁桥25，参见图3B。需要说明的是，此处所述的每个第一空气槽23位于对应的U形永磁体容纳槽22的端部的延长线上是指该每个第一空气槽23位于对应的U形永磁体容纳槽22的端部的两侧延长线所限定的区域内或与该区域部分重合。
该第一空气槽23具体设置为不规则或规则的多边形形状的永磁体槽空隙。当然，可以理解，第一空气槽23也可以根据需要设置成规则的三角形或矩形。
参见图3B，每个所述第一凹部24从转子20的外轮廓向转子中心下凹，起始于所述转子20的最外侧的对应的第一隔磁桥25的末端，至多延伸至所述U形永磁体容纳槽22的底部中心P和转子中心O的连线D (或称为中心轴线)与转子20的外轮廓28的第一交点G1处，使得在所述转子20的外轮廓28与所述内置式永磁电机的定子的内轮廓之间产生的气隙磁密接近正弦曲线。
结合图3B和3C所示，每个第一空气槽23与每个U形永磁体容纳槽22的对应的端部之间形成第二隔磁桥26，所述第二隔磁桥26的两侧的延长线L1’和L1”与转子20的外轮廓分别相交形成两个交点(未示出)，与所述第二隔磁桥26对应的第一凹部24的最低点G2位于所述两个交点之间或与两个交点中的一个重合。在图3C中示出了该最低点G2 与延长线L1’与所述外轮廓的交点重合。
参见图3C，对应的第二隔磁桥26中心线的延长线L1与转子20的外轮廓的交点G3与对应的所述第一凹部的最低点G2相比更靠近穿过所述第一交点G1的中心轴线D。其中，线L2是圆心在转子中心O点且与所述第一凹部24相切于最低点G2的圆。
参见图4A和3B，所述转子20内部还包括多组永磁体30，每组永磁体30容纳在对应的一个所述U形永磁体容纳槽22中，每个所述U形永磁体容纳槽22包括一个横向的延伸槽221和与其连通的两个竖向的延伸槽222。
所述多组永磁体可以为6组，每个U形永磁体容纳槽22内设置有至少一组永磁体或多组永磁体。每组由3n块永磁体组成，其中n为轴向上所分的块数，n为大于等于1，小于等于8的整数。
具体地，在图4A所示的示例中，每个U形永磁体容纳槽22内设置有1组永磁体，每组永磁由3块永磁体组成，每块永磁体对应地安置在一个横向的延伸槽221和竖向的延伸槽222内。然而，如本领域技术人员已知的，可以根据需要在转子20内设置所需数量的永磁体或永磁体容纳槽以及每组永磁体所包含的永磁体的数量。
参见图4B和4C，每个竖向的延伸槽222在靠近所述第二隔磁桥26 的一端设置有第一突起41，所述第一突起41用于限制所述U形永磁体容纳槽22内的永磁体30的位置，从而在第二隔磁桥26与所述永磁体30 之间形成第二空气槽33，所述第二空气槽33在第一突起41的突起方向上的尺寸h1小于所述永磁体30的尺寸hm，且大于等于1/2所述永磁体的尺寸hm。也就是，第二空气槽33的宽度h1小于永磁体30的宽度 hm，使得其可以在永磁体30的端部处形成第一突起41起到限制永磁体 30的位置的作用，而保证第二空气槽33的宽度h1大于等于1/2所述永磁体宽度hm则避免由于第二空气槽33太窄而使永磁体漏磁通变大。如图所示，第二空气槽33的横截面大致呈矩形，而永磁体30的横截面也大致呈矩形。当然，可以理解，第二空气槽33也可以根据需要设置成规则的三角形或矩形。
也就是，在将永磁体30放置到转子20的U形永磁体容纳槽22内之后，在竖向的延伸槽222的末端处形成第二空气槽33，永磁体30依靠第一突起41来实现限制位置，而第二隔磁桥26并不直接用于对永磁体30 进行限位。
参见图4B和4C，每个竖向的延伸槽222与横向的延伸槽221的接合处设置有横截面为锥形的空腔部50，所述空腔部50的底部上设置两个相连的朝向锥形的顶点突起的第二突起42，所述空腔部50的顶部为圆弧形的第二凹部34。由于空腔部50的顶点形成为第二凹部34，故没有在图4C中示出锥形的顶点，可以理解，该锥形的顶点是指该锥形的两侧边的延长线的交点。
在实施例中，第二凹部34形成为圆弧形，故其虚拟的圆所对应的半径即为第二凹部34的半径。所述第二凹部34的半径小于或等于第二突起朝向所述第二凹部突起d2的高度；或者
所述第二凹部34的半径与永磁体30与对应的U形永磁体容纳槽22 之间的间隙d1之和等于第二突起42朝向第二凹部34突起的高度d2。
由此，关于第二凹部34的半径的设置可以保证足够空气隙阻碍磁场通过，而又不影响永磁体局部的工作点。
如上文所述，定子的内轮廓和转子20的外轮廓28之间的气隙整体上为环形的气隙。
参见图5A，在本实用新型的一个示例中，定子的定子铁芯11由多个工形齿12沿圆周方向拼接而成，图中的箭头示出了转子的旋转方向。
图5B示出了其中的单个工形齿12的结构。所述工形齿12的内边 121为圆心在定子中心的圆弧段，且拼接后形成的定子槽13为槽口131 大于等于3.5mm的半闭口槽，如图5C所示。
在另一个示例中，如图5D所示，所述工形齿12背离旋转方向的齿尖122为削角结构。通过齿尖削角，可以减小工形齿12所受到的电磁径向力，防止由于齿尖122局部振动引起整体工形齿振动，从而防止工形齿之间产生振动位移。图中的箭头示出了转子的旋转方向。
参见图5E，所述工形齿12在转子旋转方向的前进侧的齿尖123为削角结构。另外，可见齿尖122可以选择为采用削角结构。图中的箭头示出了转子的旋转方向。此处的前进侧的齿尖是指与转子的旋转方向同向，但是相对于工形齿12的两个齿尖中的另一个122位于转子的旋转方向的前进方向上的齿尖123。该前进侧的齿尖采用削角结构可以用于平衡齿顶部的磁阻分布，使得齿顶部两侧的齿尖处磁阻大致相同。
参见图5F，所述工形齿12在转子旋转方向的前进侧的齿尖123为开孔结构。另外，可见齿尖122可以选择为采用削角结构。图中的箭头示出了转子的旋转方向。该前进侧的齿尖采用开孔结构也可以用于平衡齿顶部的磁阻分布，使得齿顶部两侧的齿尖处磁阻大致相同。
在上述详细描述中，主要描述了内置式永磁电机的定子和转子20等主要部件的设计，可以理解内置式永磁电机还可以包括包含定子和转子 20的壳体(未示出)和机座以及其它通常具有的附件。在此，为了不混淆本实用新型的主要发明方面，不再对壳体或壳体与定子等的连接结构进行详细描述。
参见图6A，其示出了转子20的外轮廓28上假设没有设置第一凹部 24的情况下，即图中的虚线与外轮廓28之间的部分也设置有转子铁芯，则定子的磁场将会按照图中箭头所示流过转子铁芯。
相比，参见图6B，其示出了在转子20的外轮廓28上设置有第一凹部24的情况下，由于该第一凹部24不导磁和第二空气槽33的存在，避免了定子磁场流经永磁体30。
通过在没有设置第二隔磁桥的情况下的转子机械强度的仿真图和设置有第二隔磁桥的情况下的转子机械强度的仿真图比较可知，在相同的条件下，分别对它们的转子单冲片进行机械强度计算，观察离心力对转子强度的影响(假设材料的应力应变曲线线性变化)。可以看出，在没有设置第二隔磁桥的情况下的等效应力为837Mpa，而在设置有第二隔磁桥的情况下的等效应力为235Mpa，故采用第二磁桥设计转子的局部应力大幅降低，尤其是第一凹部附近。
另外，参见图7A至图7C，示出了根据另一实施例的转子的变形。其中，该转子除了包括上述的转子铁芯21、多个U形永磁体容纳槽22、多个第一空气槽23和多个第一凹部24以外，还包括设置在转子铁芯21 两侧(参见图7B中的左右两侧)的转子盖板17。所述转子盖板17由非导磁材料制成，所述转子盖板的轮廓为圆形且直径与转子20的最大外径相同。
将转子盖板17的直径设置成与转子20的最大外径相同，可以防止转子20的带磁性后再安装到定子内侧时磕伤转子铁芯21，此时转子盖板 17由于直径与转子20的最大外径相同可起到保护作用。
参见图7C所示，所述转子盖板17中的至少一个在面对所述转子铁芯21的表面的外轮廓包括至少一个倒角18。所述倒角18可以用于防止在检测定子和转子气隙尺寸后抽出检具时转子盖板17靠近转子铁芯21 的侧边缘刮伤检具。因此，在涡旋压缩机应用时由于只从一侧进行气隙尺寸检测，因此就可以只对转子铁芯21的两侧转子盖板17中的一侧盖板设置所述导角18。
本领域技术人员已知，压缩机中通常需要电机来提供动力。本实用新型的内置式永磁电机可以应用于任何现有技术中已知的或未来的压缩机。通常，压缩机的工作电压为小于或等于600V的中低电压。
虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本实用新型的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (19)

1.一种内置式永磁电机的转子，其特征在于，所述转子包括：
转子铁芯；
多个U形永磁体容纳槽，间隔地设置在所述转子铁芯的内部；
多个第一空气槽，设置在所述U形永磁体容纳槽的端部的外面，每个第一空气槽位于对应的U形永磁体容纳槽的端部的延长线上且靠近所述转子的外轮廓以形成多个第一隔磁桥；
多个第一凹部，每个所述第一凹部从转子的外轮廓向转子中心下凹，起始于所述转子的最外侧的对应的第一隔磁桥的末端，至多延伸至所述U形永磁体容纳槽的底部中心和转子中心的连线与转子的外轮廓的第一交点处，使得在所述转子的外轮廓与所述内置式永磁电机的定子的内轮廓之间产生的气隙磁密接近正弦曲线。
2.根据权利要求1所述的内置式永磁电机的转子，其中，
每个所述第一空气槽与每个U形永磁体容纳槽的对应的端部之间形成第二隔磁桥，所述第二隔磁桥的两侧的延长线与转子的外轮廓分别相交形成两个交点，与所述第二隔磁桥对应的第一凹部的最低点位于所述两个交点之间或与两个交点中的一个重合。
3.根据权利要求2所述的内置式永磁电机的转子，其中，
对应的第二隔磁桥中心线的延长线与转子的外轮廓的交点与对应的所述第一凹部的最低点相比更靠近穿过所述第一交点的中心轴线。
4.根据权利要求2-3中任一项所述的内置式永磁电机的转子，其中，
所述转子内部还包括多组永磁体，每组永磁体容纳在对应的一个U形永磁体容纳槽中，每个U形永磁体容纳槽包括一个横向的延伸槽和与其连通的两个竖向的延伸槽。
5.根据权利要求4所述的内置式永磁电机的转子，其中，
每个竖向的延伸槽在靠近所述第二隔磁桥的一端设置有第一突起，所述第一突起用于限制所述U形永磁体容纳槽内的永磁体的位置，从而在第二隔磁桥与所述永磁体之间形成第二空气槽，所述第二空气槽在第一突起的突起方向上的尺寸h1小于所述永磁体的尺寸hm，大于等于1/2所述永磁体的尺寸hm。
6.根据权利要求5所述的内置式永磁电机的转子，其中，
每个竖向的延伸槽与横向的延伸槽的接合处设置有横截面为锥形的空腔部，所述空腔部的底部上设置两个相连的朝向锥形的顶点突起的第二突起，所述空腔部的顶部为圆弧形的第二凹部。
7.根据权利要求6所述的内置式永磁电机的转子，其中，
所述第二凹部的半径小于或等于第二突起朝向所述第二凹部突起的高度；或者
所述第二凹部的半径与永磁体与对应的U形永磁体容纳槽之间的间隙之和等于第二突起朝向第二凹部突起的高度。
8.根据权利要求1所述的内置式永磁电机的转子，其中，
所述定子的内轮廓和所述转子的外轮廓之间的气隙整体上为环形的气隙；
所述第一空气槽为在所述U形永磁体容纳槽的每一末端外面设置的多边形永磁体槽空隙。
9.根据权利要求4所述的内置式永磁电机的转子，其中，
所述多组永磁体为六组，每组由3n块永磁体组成，其中n为轴向上所分的块数，n为大于等于1，小于等于8的整数。
10.根据权利要求1所述的内置式永磁电机的转子，其中，
所述转子铁芯呈现圆筒形，由多个层叠放置的硅钢片构成,所述转子铁芯还包括设置在其中心处的转轴。
11.根据权利要求1所述的内置式永磁电机的转子，其中，
所述转子铁芯的两侧均设置有转子盖板，所述转子盖板由非导磁材料制成，所述转子盖板的轮廓为圆形且直径与转子的最大外径相同。
12.根据权利要求11所述的内置式永磁电机的转子，其中，
所述转子盖板中的至少一个在面对所述转子铁芯的表面的外轮廓包括至少一个倒角。
13.一种内置式永磁电机，其特征在于，所述内置式永磁电机包括：
定子，所述定子包括圆筒形的定子铁芯、多个沿所述定子的径向方向向内延伸的定子齿、在所述多个定子齿之间分布的定子槽以及缠绕所述定子齿以产生旋转磁场的线圈；
根据权利要求1-12中任一项所述的转子，所述转子可旋转地设置在所述定子中，且与所述定子间隔开。
14.根据权利要求13所述的内置式永磁电机，其中所述定子铁芯由多个工形齿沿圆周方向拼接而成。
15.根据权利要求14所述的内置式永磁电机，其中所述工形齿的内边为圆心在定子中心的圆弧段，且拼接后形成的定子槽为槽口大于等于3.5mm的半闭口槽。
16.根据权利要求14所述的内置式永磁电机，其中所述工形齿背离旋转方向的齿尖为削角结构。
17.根据权利要求14所述的内置式永磁电机，其中所述工形齿在转子旋转方向的前进侧的齿尖为削角结构。
18.根据权利要求14所述的内置式永磁电机，其中所述工形齿在转子旋转方向的前进侧的齿尖为开孔结构。
19.一种压缩机，其特征在于，所述压缩机使用根据权利要求13-18中任一项所述的内置式永磁电机，其中所述压缩机的工作电压为小于或等于600V的电压。
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