CN106451850B - 一种转子结构、永磁同步电机及压缩机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种转子结构、永磁同步电机及压缩机。其中，转子结构包括转子铁芯、第一磁钢和第二磁钢，转子铁芯沿其轴向上具有内孔和至少两个且为偶数个磁钢槽，磁钢槽在转子铁芯上绕内孔的外周呈对称分，第一磁钢和第二磁钢间隔地安装在磁钢槽，第一磁钢的极性与其相邻的第二磁钢的极性相反；第二磁钢的磁通量与第一磁钢的磁通量的比值大于1且小于2.5。永磁同步电机包括上述的转子结构，压缩机包括上述的永磁同步电机。第二磁钢磁通量与第一磁钢的磁通量的比值大于1且小于2.5，在此范围内，使得磁钢的工作点上移，增大电机的磁链，在带动同样的负载时，转子励磁磁场更大，所需的定子电枢电流越小，从而提高电机的工作效率。
Description
技术领域
本发明属于电机的技术领域，具体涉及一种转子结构、永磁同步电机及压缩机。
背景技术
永磁同步电动机是利用定转子之间的电磁感应所产生的电动势带动负载，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。例如应用于伺服***、电力牵引等场合。
现有技术中的永磁同步电动机中转子的结构如图1所示，包括转子铁芯1，沿其轴向上开设偶数个磁钢槽12，一一对应地安装在磁钢槽内的磁钢5，相邻两个磁钢5的极性相反，且磁通量相同。为了力求永磁同步电机拥有更高的工作效率，人们不断地采用新工艺来积极开发剩磁高的磁钢，例如，通过烧结工艺来提高磁钢的剩磁，或者采用稀土材料来制备磁钢，此两种方式确实能够提高磁钢的剩磁，将该磁钢安装在转子上来提高电机空载磁链，进而提高电机的工作效率。但是这种方式势必使得磁钢的制备工艺变的更复杂，成本更高。
中国专利文献CN101636902B公开一种永磁电机的转子，包括转子铁芯，沿转子铁芯的轴向，开设在转子铁芯上的八个磁钢槽。其中，四个磁钢槽为长方形槽，在转子铁芯上呈对称分布；另外四个磁钢槽为梯形槽，在转子铁芯上呈对称分布，并且梯形槽与长方形槽交替设置，八个磁钢槽内分别安装与其对应形状的磁钢，梯形槽内的梯形磁钢的宽度与长方形槽内的长方形磁钢的宽度不同，一个长方形磁钢和与其相邻的梯形磁钢的极性相同，形成一个极，相邻两个极的极性相反，形成一对极，通过两个形状和宽度不同的磁钢来形成一个极，增大磁钢的剩磁。
上述结构的转子，一个极下设置不同形状和宽度的磁钢，来提高磁钢的剩磁，但是增大了磁钢的用量，转子的制造成本还是很高，同时，一对极下的N极的磁钢和S极的磁钢的磁通量相同，难以使得磁钢的工作点上移，导致电机的磁链还是较低，电机的工作效率相对低。因此，急需开发一种不用增加磁钢的用量，就能够提高电机的磁链，进而提高电机的工作效率，并降低电机的制造成本的转子结构。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中永磁电机的转子结构在不增大磁钢用量时，难以增大磁钢的磁链进而提高电机的工作效率，采用增大磁钢用量来提高电机的工作效率时，又会导致电机的制造成本高的问题。
为此，本发明提供一种转子结构，包括
转子铁芯，沿其轴向上具有内孔和至少两个且为偶数个磁钢槽，所述磁钢槽在所述转子铁芯上绕所述内孔的外周呈对称分布；
第一磁钢和第二磁钢，间隔地安装在所述磁钢槽，所述第一磁钢的极性与其相邻的所述第二磁钢的极性相反；
所述第二磁钢的磁通量与第一磁钢的磁通量的比值大于1且小于2.5。
优选地，上述的转子结构，所述第二磁钢的磁通量与第一磁钢的磁通量的比值大于等于1.3且小于2.2。
进一步优选地，上述的转子结构，第二磁钢的磁通量与第一磁钢的磁通量的比值大于等于1.5且小于等于2。
优选地，上述的转子结构，所述第一磁钢和所述第二磁钢采用相同的材质制成，所述第一磁钢的体积＜所述第二磁钢的体积。
优选地，上述的转子结构，所述第一磁钢的长度小于所述第二磁钢的长度，和/或
所述第一磁钢的宽度小于所述第二磁钢的宽度，和/或
所述第一磁钢的高度小于所述第二磁钢的高度。
优选地，上述的转子结构，所述第一磁钢的体积与所述第二磁钢的体积相同，所述第一磁钢采用低牌号的磁钢，所述第二磁钢采用高牌号的磁钢。
优选地，上述的转子结构，所述第一磁钢的体积与所述第二磁钢的体积相同，所述第一磁钢采用剩磁小的磁性材料制成，所述第二磁钢采用剩磁大的磁性材料制成。
优选地，上述的转子结构，所述剩磁小的磁性材料为铁氧体，所述剩磁大的磁性材料为钕铁硼。
优选地，上述的转子结构，所述第一磁钢的横向截面的形状为圆弧形或矩形，所述第二磁钢的横向截面的形状为圆弧形或矩形。
本发明提供的一种永磁同步电机，包括转子结构，该所述转子结构为上述所述的转子结构。
本发明提供一种压缩机，包括永磁同步电机，该永磁同步电机为上述所述的永磁同步电机。
本发明提供的技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的转子结构，包括转子铁芯、第一磁钢和第一磁钢。转子铁芯沿其轴向上具有内孔和至少两个且为偶数个磁钢槽，磁钢槽在转子铁芯的圆周端面围绕所述内孔的外周呈对称分布；第一磁钢和第二磁钢间隔地安装在磁钢槽，第一磁钢的极性与其相邻的第二磁钢的极性相反；第二磁钢的磁通量与第一磁钢的磁通量的比值大于1且小于2.5。
此转子结构，相邻两个磁钢槽内的第一磁钢和第二磁钢的磁通量不同，并使得第二磁钢磁通量与第一磁钢的磁通量的比值大于1且小于2.5，在此范围内，能够使得磁钢的工作点上移，增大电机的磁链，磁钢提供的磁场构成了转子的励磁磁场，在带动同样的负载时，转子励磁磁场更大，需要的定子电枢电流就越小，定子铜耗越小，无需增大磁钢的用量，就能够提高电机的工作效率。
2.本发明提供的转子结构，第二磁钢的磁通量与第一磁钢的磁通量的比值大于等于1.3且小于2.2；或者第二磁钢的磁通量与第一磁钢的磁通量的比值大于等于1.5且小于等于2。第二磁钢的磁通量与第一磁钢的磁通量的比值在1.3-2.2区间内，电机的磁链增大的幅度较大，电机的工作效率更高，当该比值在1.5-2.2区别内，电机的磁链增大的幅度最大，电机的工作效率提高的更高，甚至当该比值在1.8时，出现电机磁链增大的峰值，最大限度地提高电机的工作效率。
3.本发明提供的转子结构，第一磁钢和第二磁钢采用相同的材质制成，第一磁钢的体积＜第二磁钢的体积，通过减少一对极下的第一磁钢的体积，就可以使得第二磁钢的磁通量与第一磁钢的磁通量的比值处于大于1且小于2.5范围内，就能够提高电机的磁链和工作效率，同时减少磁钢的使用量，降低电机的制造成本。
4.本发明提供的转子结构，第一磁钢的长度小于所述第二磁钢的长度，和/或所述第一磁钢的宽度小于所述第二磁钢的宽度，和/或所述第一磁钢的高度小于所述第二磁钢的高度。通过改变第一磁钢和第二磁钢的外形尺寸，使得第一磁钢的体积小于第二磁钢的体积，进而使得第二磁钢的磁通量与第一磁钢的磁通量的比值达到所需范围内，来增大电机的磁链，提高电机的工作效率。
5.本发明提供的转子结构，第一磁钢的体积与第二磁钢的体积相同，第一磁钢采用低牌号的磁钢，第二磁钢采用高牌号的磁钢；或者第一磁钢采用剩磁小的磁性材料(例如铁氧体)制成，第二磁钢采用剩磁大的磁性材料(例如钕铁硼)制成。采用不同材质制备第一磁钢和第二磁钢，从而使得第二磁钢的磁通量与第一磁钢的磁通量的比值处于大于1且小于2.5范围内，进而提高的电机磁链和工作效率。
6.本发明提供的转子结构，第一磁钢的横向截面的形状为圆弧形或矩形，第二磁钢的横向截面的形状为圆弧形或矩形。将第一磁钢和第二磁钢的形状设计为圆弧形或矩形，便于加工制造出所需磁通量的磁钢，简化转子结构的制备过程。
7.本发明提供的永磁同步电机，包括转子结构，该所述转子结构为上述所述的转子结构。此永磁同步电机由于采用上述的转子结构，转子铁芯中的第二磁钢的磁通量与第一磁钢的磁通量的比值处于大于1且小于2.5范围内，从而提高电机的磁链和工作效率。
8.本发明提供的压缩机，包括上述的永磁同步电机，该永磁同步电机为上述所述的永磁同步电机。此结构的压缩机采用上述的永磁同步电机，从而提高压缩机的工作效率和降低其制造成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中转子结构的示意图；
图2为本发明实施例1中提供的Φ2/Φ1与电机磁链之间的变化关系曲线示意图；
图3为本发明实施例1中提供的转子结构的第一种实施方式的结构示意图；
图4为本发明实施例1中提供的转子结构的第二种实施方式的结构示意图；
图5为本发明实施例1中提供的转子结构的第四种实施方式的结构示意图；
图6为本发明实施例2中提供的转子结构的第一种实施方式的结构示意图；
图7为本发明实施例2中提供的转子结构的第二种实施方式的结构示意图；
附图标记说明：1-转子铁芯；11-内孔；12-磁钢槽；3-第一磁钢；4-第二磁钢；5-磁钢。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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元件必须具有特定的方位、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。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种转子结构，如图3所示，包括转子铁芯1、第一磁钢3、第二磁钢4。其中，转子铁芯1沿其轴向上具有内孔11和六个磁钢槽12，六个磁钢槽12在转子铁芯1中绕内孔11的外周呈对称分布；第一磁钢3和第二磁钢4间隔地安装在磁钢槽12内，第一磁钢3的极性与其相邻的第二磁钢4的极性相反，第一磁钢3和第二磁钢4采用相同的材质制成，例如，均采用钕铁硼，或者铁氧体，或者其他的磁性材质，第一磁钢3的长度小于第二磁钢4的长度，以使得第二磁钢4的磁通量与第一磁钢3的磁通量的比值处于大于1且小于2.5的范围内，例如，1.2、1.5、1.8、2、2.1、2.2、2.5等等。
此实施方式的转子结构，通过缩短第一磁钢3的长度，或者延长第二磁钢4的长度，使得第一磁钢3的体积小于第二磁钢4的体积，从而使得第二磁钢4的磁通量与第一磁钢3的磁通量的比值处于大于1且小于2.5的范围内，在此范围内，能够使得磁钢的工作点上移，增大电机的磁链，磁钢提供的磁场构成了转子的励磁磁场，在带动同样的负载时，转子励磁磁场更大，需要的定子电枢电流就越小，定子铜耗越小，从而提高电机的工作效率；同时，减少了磁钢的使用量，降低电机的制造成本。
如图2所示，将第二磁钢4的磁通量与第一磁钢3的磁通量的比值(简写为Φ2/Φ1)处于大于1且小于2.5的范围内的电机磁链进行测试，由图可知，Φ2/Φ1的比值为1时，对应的磁链为210，随着Φ2/Φ1的不断增大，磁链不断地增大，当Φ2/Φ1＝1.8时，磁链达到最大值为236，此时继续增大Φ2/Φ1，磁链反而逐步降低，当Φ2/Φ1＝2.5时，磁链为210，与Φ2/Φ1＝1时的磁链相同，随后，当Φ2/Φ1不断地增大时，磁链反而不断地降低。也即，Φ2/Φ1不能大于2.5，由于大于2.5的话，第一磁钢3本身的磁通量过小，第一磁钢3所产生磁场的能力过小，难以满足所需的磁场强度，不能促进电机的工作点向上移，反而会降低磁链的大小，进而降低电机的工作效率。同时，Φ2/Φ1不能小于等于1，由于Φ2/Φ1过小的话，也不能使得电机的工作点向上移，降低电机的磁链，降低电机的工作效率。所以，要达到减少磁钢用量的同时，提供电机的工作效率，只能将第二磁钢4的磁通量与第一磁钢3的磁通量的比值处于大于1且小于2.5的范围内，至于具体设置的数值，根据实际使用情况而定。
作为优选的实施方式，第二磁钢4的磁通量与第一磁钢3的磁通量的比值大于等于1.3且小于等于2.2，例如1.35、1.46、1.57、1.78、1.89、2.1、2.2等等。更佳优选地，第二磁钢4的磁通量与第一磁钢3的磁通量的比值大于等于1.5且小于等于2，例如，1.65、1.83、1.95、1.98等等，在此区间内，电机的磁链提升最大，电机的性能最优，磁钢的成本降低。
作为可替换的实施方式，如图3所示，第一磁钢3的长度和高度均与第二磁钢4的长度和高度相同，但第一磁钢3的宽度小于第二磁钢4的宽度，从而使得第一磁钢3体积小于第二磁钢4的体积，进而使得第二磁钢4的磁通量与第一磁钢3的磁通量的比值处于大于1且小于2.5的范围内。或者，第一磁钢3的长度和宽度均与第二磁钢4的长度和宽度相同的，但第一磁钢3的高度小于第二磁钢4的高度，使得第一磁钢3体积小于第二磁钢4的体积，进而使得第二磁钢4的磁通量与第一磁钢3的磁通量的比值处于大于1且小于2.5的范围内，以实现在减少磁钢的用量的同时提高电机的工作效率。
作为可替换的实施方式，如图5所示，第一磁钢3的长度和宽度均小于第二磁钢4的长度和宽度，使得第一磁钢3的体积小于第二磁钢4的体积，进而使得第二磁钢4的磁通量与第一磁钢3的磁通量的比值处于大于1且小于2.5的范围内，来提高的电机的工作效率。
总之，第一磁钢3和第二磁钢4采用相同的材质制成，通过改变第一磁钢3和第二磁钢4的尺寸，来使得第一磁钢3的体积小于第二磁钢4的体积，进而使得第二磁钢4的磁通量与第一磁钢3的磁通量的比值处于大于1且小于2.5的范围内，来提高电机的工作效率。
作为磁钢槽12的个数的可替换实施方式，磁钢槽12的个数还可以为两个、四个、八个、十个等等偶数个，对应地第一磁钢3的个数和第二磁钢4的个数分别为一个、两个、四个、五个等等。也即，第一磁钢3与第二磁钢4的个数一致，第一磁钢3和第二磁钢4的个数之和为磁钢槽12的数量。
优选地，上述的第一磁钢3的横向截面的形状为圆弧形，或者矩形，或者其他形状。对应地，第二磁钢4的横向截面的形状为圆弧形，或者矩形，或者其他形状，只需实现上述的体积变化，来改变两个磁钢的磁通量，进而在减少磁钢用量的同时，提高电机的工作效率即可。作为变形，第一磁钢3的形状与第二磁钢4的形状还可以设计成不同的形状。
另外，第一磁钢3一端的极性为N极，与第一磁钢3的一端对应的第二磁钢4的一端的极性为S极；或者第一磁钢3一端的极性为S极，则与其对应的第二磁钢4的一端的极性为N极。
实施例2
本实施例提供一种转子结构，如图6，与实施例1提供的转子结构的区别仅在于：第一磁钢3的体积与第二磁钢4的体积相同，第一磁钢3采用低牌号的磁钢，第二磁钢4采用高牌号的磁钢。
此实施方式中，通过改变磁钢的牌号，改变单片磁通值，使得一对极下的第一磁钢3采用低牌号磁钢，低牌号磁钢的剩磁小，第一磁钢3的磁通量减小，第二磁钢4采用高牌号磁钢，其剩磁大，增大第二磁钢4的磁通量，从而使得第二磁钢4的磁通量与第一磁钢3的磁通量的比值处于大于1且小于2.5的范围内，相比传统方法每一极下均用高牌号的磁钢，电机在带动相同负载时，电机的磁链升高，电机的工作效率提高，并且磁钢的用量减少，节约了磁钢的成本。
另外，只要是现有技术中的高牌号磁钢和低牌号磁钢都可以分别作为第二磁钢4和第一磁钢3。
作为可替换的实施方式，如图7所示，第一磁钢3的体积与第二磁钢4的体积相同，第一磁钢3采用剩磁小的磁性材料制成，第二磁钢4采用剩磁大的磁性材料制成。例如，优选地，第一磁钢3采用铁氧化体，由于铁氧化体的剩磁小，减少磁通量，而第二磁钢4采用钕铁硼制成，其剩磁大，增大第二磁钢4的磁通量。
此实施方式中，在第一磁钢3和第二磁钢4的体积相同的前提下，通过改变磁钢的材料，来改变单片磁通量，使得第二磁钢4采用剩磁高的磁性材料制成，增大第二磁钢4的磁通量；第一磁钢3采用剩磁小的磁性材料制成，降低第一磁钢3的磁通量，相比传统方法每一极下均选用钕铁硼磁钢来提升电机的磁链，可以节省磁钢成本，在带动相同负载时，电机的磁链提高，电机的性能提高。
作为可替换的实施方式，还可以同时改变第一磁钢3和/或第二磁钢4的体积和材质的性能，来改变第一磁钢3和第二磁钢4的磁通量。进一步作为可替换的实施方式，还可以通过改变第一磁钢3和第二磁钢4的其他性能，来使得第一磁钢3的磁通量小于第二磁钢4的磁通量，并使得第二磁钢4的磁通量与第一磁钢3的磁通量的比值处于大于1且小于2.5的范围内，例如，通过设计不同形状的第一磁钢3和第二磁钢4，或者改变第一磁钢3和第二磁钢4的结构，或者其他方式，来改变第一磁钢3或第二磁钢4的磁通量，使二者的磁通量的比值落入大于1且小于2.5的范围内。
实施例3
本实施例提供的一种永磁同步电机，包括转子结构，该转子结构为实施例1或实施2所提供的任意一种转子结构。此实施方式中的永磁同步电机，由于采用实施例1或实施例2中的转子结构，使得电机的工作点上移，增大电机的磁链，在带动同样的负载时，转子励磁磁场更大，需要的定子电枢电流就越小，定子铜耗越小，从而提高电机的工作效率；同时，减少了磁钢的使用量，降低电机的制造成本。
实施例4
本实施例提供一种压缩机，包括永磁同步电机，该永磁同步电机为实施例3中的永磁同步电机。此实施方式中的压缩机，由于采用实施3中永磁同步电机，使得压缩机中的电机工作效率高，且制造成本低。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (11)
1.一种转子结构，其特征在于，包括
转子铁芯(1)，沿其轴向上具有内孔(11)和至少两个且为偶数个磁钢槽(12)，所述磁钢槽(12)在所述转子铁芯(1)上绕所述内孔(11)的外周呈对称分布；
第一磁钢(3)和第二磁钢(4)，间隔地安装在所述磁钢槽(12)，所述第一磁钢(3)的极性与其相邻的所述第二磁钢(4)的极性相反；
所述第二磁钢(4)的磁通量与第一磁钢(3)的磁通量的比值大于1且小于2.5。
2.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于：所述第二磁钢(4)的磁通量与第一磁钢(3)的磁通量的比值大于等于1.3且小于2.2。
3.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于：第二磁钢(4)的磁通量与第一磁钢(3)的磁通量的比值大于等于1.5且小于等于2。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的转子结构，其特征在于：所述第一磁钢(3)和所述第二磁钢(4)采用相同的材质制成，所述第一磁钢(3)的体积＜所述第二磁钢(4)的体积。
5.根据权利要求4所述的转子结构，其特征在于：所述第一磁钢(3)的长度小于所述第二磁钢(4)的长度，和/或
所述第一磁钢(3)的宽度小于所述第二磁钢(4)的宽度，和/或
所述第一磁钢(3)的高度小于所述第二磁钢(4)的高度。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的转子结构，其特征在于：所述第一磁钢(3)的体积与所述第二磁钢(4)的体积相同，所述第一磁钢(3)采用低牌号的磁钢，所述第二磁钢(4)采用高牌号的磁钢。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的转子结构，其特征在于：所述第一磁钢(3)的体积与所述第二磁钢(4)的体积相同，所述第一磁钢(3)采用剩磁小的磁性材料制成，所述第二磁钢(4)采用剩磁大的磁性材料制成。
8.根据权利要求7所述的转子结构，其特征在于：所述剩磁小的磁性材料为铁氧体，所述剩磁大的磁性材料为钕铁硼。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的转子结构，其特征在于：所述第一磁钢(3)的横向截面的形状为圆弧形或矩形，所述第二磁钢(4)的横向截面的形状为圆弧形或矩形。
10.一种永磁同步电机，包括转子结构，其特征在于：所述转子结构为权利要求1-9中任一项所述的转子结构。
11.一种压缩机，包括永磁同步电机，其特征在于：所述永磁同步电机为权利要求10所述的永磁同步电机。
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