CN109672312A - 永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了本发明首先提出了一种定子冲片，包括定子冲片本体，所述定子冲片本体上环形均布设有定子齿，所述定子冲片本体的内径Di1与外径D1之比为：K₁＝D_i1/D₁＝0.50‑0.55。本发明还公开了一种永磁同步电机，通过调整定子冲片的结构，限定定子冲片本体的内外径之比，在气隙长度确定情况下，定子内径尺寸也就决定了转子外径尺寸，电动机转子的转动惯量可近似表示为：式中，ρ为转子材料密度,L_ef为电枢计算长度，D₁为定子外径，D_i1定子内径，由此可知，转子转动惯量与比例系数K₁的四次方成正比，可有效降低电机转子的转动惯量，提高动态响应速度，并且降低电机的支撑端的负荷，降低小型车载空调压缩机电机振动噪声。

Description

永磁同步电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，具体的为一种永磁同步电机。

背景技术

永磁同步电动机主要是由转子、端盖及定子等各部件组成。永磁同步电动机的定子结构与普通的感应电动机的结构非常相似，转子结构与异步电动机的最大不同是在转子上放有高质量的永磁体磁极，根据在转子上安放永磁体的位置的不同，永磁同步电动机通常被分为表面式转子结构和内置式转子结构。

近年来，国家持续推进可持续发展战略，对自然环境的保护也逐步重视。相应的，各种节能环保技术处于快速发展阶段。作为清洁能源的电能，越来越多的被应用于生产生活之中。新能源汽车、驻车电动空调等，也迎来了飞速发展时期。新能源汽车、房车以及卡车的驻车空调压缩机是采用蓄电池直接供电，在现有的电池技术下，必然存在电池容量和用电设备需要长期续航的矛盾，这就要求有更高能效的电机设计。同时，车辆内部环境要求有很高的舒适度，要求压缩机运转平稳、安静，这就对压缩机电机的振动噪声性能提出了更高的要求。

现有的车载电动空调压缩机驱动电机，其定子组件多采用三相整距绕组，转子组件采用表面式转子磁路结构，磁钢凸出转子铁芯外，用不锈钢隔磁套紧固在转子表面。也有部分采用分数槽集中绕阻电机和转子磁钢内置式电机，但通常借用家用空调电机设计，未针对汽车空调的工作环境进行特殊设计，无法满足电动汽车高效、平稳、静音等要求。

现有的车载空调压缩机驱动电机有以下几点缺点：

1)由于受汽车空间限制，需要将体积都尽量做小，这也制约着电机的外径尺寸和定子槽数；但是，每极每相槽数较小时，电机齿谐波电动势次数较低，数值较大，这些都会使绕组产生的感应电动势得不到很好的正弦波形，增加电机的附加损耗；另外，整数槽绕组电机的齿槽转矩较大，增大电机启动的难度，并影响电机运行的平稳。

2)未按照车载空调压缩机的特定工况进行针对设计，电机定子内、外径比例大，受限于定子外径，定子叠高也偏高，导致转子转动惯量大，同时带来更大的振动和噪声，也不利于电机的动态响应。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种永磁同步电机，通过对定子冲片进行调整，能够有效降低转子转动惯量，同时降低转子对轴支撑端的负荷，降低小型车载空调压缩机电机振动噪声。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提出了一种永磁同步电机，包括定子和转子，所述定子的定子铁芯采用定子冲片制成，所述定子冲片包括定子冲片本体，所述定子冲片本体上环形均布设有定子齿，所述定子冲片本体的内径Di1与外径D1之比为：

K₁＝D_i1/D₁＝0.50-0.55

所述转子的两端分别设有配重块，所述配重块设置在靠近所述转子的外圆区域。

进一步，所述定子冲片本体的内径Di1与外径D1之比为：

K₁＝D_i1/D₁＝0.53。

进一步，所述定子冲片本体的齿宽L1/轭宽L2之比为：

K₂＝L1/L2＝0.95-1.05。

进一步，所述定子冲片本体的齿宽L1/轭宽L2之比为：

K₂＝L1/L2＝0.992。

进一步，所述定子冲片本体的外圆上与所述定子齿一一对应设有径向向内凹陷的凹槽，所述凹槽的中心线与对应的所述定子齿的中心线共线；所述凹槽的槽底呈弧形与所述定子冲片本体同心。

进一步，所有的所述凹槽的槽底的弧长之和与所述定子冲片本体的外圆周长之比为：

K₃＝Z*L3/πD₁＝0.4-0.5

其中，Z为定子齿的数量；L3为凹槽的槽底弧长。

进一步，所有的所述凹槽的槽底的弧长之和与所述定子冲片本体的外圆周长之比为：

K₃＝Z*L3/πD₁＝0.435。

进一步，所述凹槽的径向深度L4与所述定子冲片本体的轭宽L2之比为：

K₄＝L4/L2＝0.2-0.25。

进一步，所述凹槽的径向深度L4与所述定子冲片本体的轭宽L2之比为：

K₄＝L4/L2＝0.236。

本发明的有益效果在于：

本发明的永磁同步电机，通过调整定子冲片的结构，通过限定定子冲片本体的内外径之比K₁，在气隙长度确定情况下，定子内径尺寸也就决定了转子外径尺寸，电动机转子的转动惯量可近似表示为：

式中，ρ为转子材料密度,L_ef为电枢计算长度，D₁为定子外径，D_i1定子内径，由此可知，转子转动惯量与比例系数K₁的四次方成正比，相较于传统的将电机的内外径之比设置为大于等于0.60，可有效降低电机转子的转动惯量，提高动态响应速度，并且降低电机的支撑端的负荷，降低小型车载空调压缩机电机振动噪声。

通过限定定子齿宽和轭宽之间的比值，结合电机内部实际电磁场分布及损耗分析，通过电磁场优化，减小定子齿宽，增大槽面积，可使用更大线径铜线，降低铜损；使定子齿部、轭部磁密分布在合理范围内，同时满足轭部对电机的支撑强度要求；

经试验发现，磁通在定子齿往定子轭部流动时，与定子齿部对应的定子外周面会存在部分磁通密度低谷位置；且通过定量分析发现，磁通密度最低区域的值往往不足定子齿部磁密的1％，次最低区域磁通密度也不足齿部磁密的20％；此部分铁芯导磁性未得到充分利用；通过优化磁路，在保证定子与压缩机筒体过盈配合强度足够的前提下，在定子外圆加工径向向内凹陷的凹槽，可形成一定面积的通路，利于压缩机内部油路循环；

通过在转子两端设置配重块，并将配重块设置在靠近转子的外圆区域，使配重部分重心远离旋转轴心，线性增大了配重力矩，使配重材料的重量得到充分利用。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明永磁同步电机实施例的结构示意图；

图2为本实施例的定子绕线图；

图3为定子冲片的结构示意图；

图4为本实施例的转子的结构示意图；

图5为图4的左视图；

图6为磁钢的分布图；

图7为不同K₁时的齿槽转矩波形图；

图8为定子外圆不切槽时的磁场分布；

图9为定子外圆切槽时的磁场分布；

图10为切槽前后定子轭部磁密曲线对比(粗实线为无切槽)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本实施例的永磁同步电机，包括定子和转子4，定子的定子铁芯采用定子冲片制成。如图3所示，本实施例的定子冲片，包括定子冲片本体1，定子冲片本体1上环形均布设有定子齿2，定子冲片本体1的内径D_i1与外径D₁之比为：

K₁＝D_i1/D₁＝0.50-0.55。

优选的，本实施例的定子冲片本体1的内径D_i1与外径D₁之比为：

K₁＝D_i1/D₁＝0.53。

本实施例的转子的两端分别设有配重块7，配重块7设置在靠近转子的外圆区域，使配重部分重心远离旋转轴心，线性增大了配重力矩，使配重材料的重量得到充分利用。

通过调整定子冲片的结构，通过限定定子冲片本体的内外径之比K₁，在气隙长度确定情况下，定子内径尺寸也就决定了转子外径尺寸，电动机转子的转动惯量可近似表示为：

式中，ρ为转子材料密度,L_ef为电枢计算长度，D₁为定子外径，D_i1定子内径，由此可知，转子转动惯量与比例系数K₁的四次方成正比，相较于传统的将电机的内外径之比设置为大于等于0.60，可有效降低电机转子的转动惯量，提高动态响应速度，并且降低电机的支撑端的负荷，降低小型车载空调压缩机电机振动噪声。

分析对比不同K1时转动惯量值、齿槽转矩峰值等参数，如下：

K1	0.53	0.55	0.62
				转动惯量kg m^2	0.000217232	0.000244784	0.000399322
齿槽转矩峰值N*m	0.3898	0.4416	0.9482

并通过仿真得出不同K₁值时的齿槽转矩波形图，如图7所示，分别为K1值为0.53、0.55、0.62时的齿槽转矩波形对比，其中细实线表示K₁＝0.53时的齿槽转矩波形，虚线表示K₁＝0.55时的齿槽转矩波形，粗实线表示K₁＝0.62时的齿槽转矩波形。

另外，本实施例还该永磁同步电机应用在压缩机中，不同设计对振动噪声性能的影响如下：

仿真数据和实际试验数据均能证明，当K₁值为0.53和0.55时，均对电机齿槽转矩有很大削弱，从而降低电机的振动噪声，本实施例的K₁值优选为0.53。

进一步，定子冲片本体1的齿宽L1/轭宽L2之比为：K₂＝L1/L2＝0.95-1.05。优选的，定子冲片本体1的齿宽L1/轭宽L2之比为：K₂＝L1/L2＝0.992。常规电机设计齿宽比轭宽要大，即K₂＞1。本实施例结合电机内部实际电磁场分布及损耗分析，通过电磁场优化，减小定子齿宽，增大槽面积，可使用更大线径铜线，降低铜损；使定子齿部、轭部磁密分布在合理范围内，同时满足轭部对电机的支撑强度要求。

通过与常规设计齿宽L1/轭宽L2＝1.5对比，在额定运行工况下，电机铜、铁损耗差异如下表：

	K2＝1.5	K2＝0.992
			铜损耗W	36.1136	24.7188
铁损耗W	9.9689	13.0674
			求和W	46.0825	37.7862

电机铜、铁损耗减少约18％，从而达到提升电机能效的目的。

进一步，定子冲片本体1的外圆上与定子齿2一一对应设有径向向内凹陷的凹槽3，凹槽3的中心线与对应的定子齿2的中心线共线。本实施例的凹槽3的槽底呈弧形与定子冲片本体1同心。且所有的凹槽3的槽底的弧长之和与定子冲片本体1的外圆周长之比为：K₃＝Z*L3/πD₁＝0.4-0.5，其中，Z为定子齿3的数量；L3为凹槽3的槽底弧长。优选的，所有的凹槽3的槽底的弧长之和与定子冲片本体1的外圆周长之比为：K₃＝Z*L3/πD₁＝0.435。本实施例的凹槽3的径向深度L4与定子冲片本体1的轭宽L2之比为：K₄＝L4/L2＝0.2-0.25。优选的，凹槽3的径向深度L4与定子冲片本体1的轭宽L2之比为：K₄＝L4/L2＝0.236。

经试验发现，磁通在定子齿往定子轭部流动时，与定子齿部对应的定子外周面会存在部分磁通密度低谷位置；且通过定量分析发现，磁通密度最低区域的值往往不足定子齿部磁密的1％，次最低区域磁通密度也不足齿部磁密的20％；此部分铁芯导磁性未得到充分利用；通过优化磁路，在保证定子与压缩机筒体过盈配合强度足够的前提下，在定子外圆加工径向向内凹陷的凹槽，可形成一定面积的通路，利于压缩机内部油路循环。切槽时，尽可能减少对电机磁路的影响，以免电机性能受到不必要的损失。

从磁场分布的角度做对比，取磁钢正对定子齿部时的磁场分布做对比，切槽部位均位于磁场强度B最弱的区域(1.15e-4～2.49e-1)，使切槽后对电机性能影响降至最低。对比分析磁密变化：切槽后，磁密增加区域属于不切槽时磁密较低的部分，高磁密段曲线基本不变，保持在硅钢片的正常使用区间；从而使切槽对电机性能影响最小，如图8至图10所示。其中，图8为定子外圆不切槽时的磁场分布，图9为定子外圆切槽时的磁场分布，图10为切槽前后定子轭部磁密曲线对比(粗实线为无切槽)。

进一步，定子的定子绕组的铜线直接缠绕在定子齿2上，缩短了绕组端部连接的长度，降低材料成本，采用大批量机械式生产，便于提高生产效率和降低人力成本。相应的，定子铜耗也有所降低，有利于电机效率的提升。

进一步，转子4包括转子铁芯5，转子铁芯5内环形均布设有磁钢6，磁钢6朝向定子的外侧与定子的内壁之间设有铁磁物质制成的极靴。永磁体受到极靴的保护，其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩也有助于提高电动机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁扩速。本实施例的磁钢6采用矩形磁钢，较传统表贴式磁钢更节约材料成本。

进一步，本实施例的永磁同步电机每极每相槽数为：

q＝Z/(2mp)＝1/2

其中，q为每极每相槽数；

Z为定子槽数，且Z＝12；

m为定子相数，且m＝3；

p为极对数，且2P＝8。

定转子冲片采用分数槽集中绕组。使得一相绕组中串联导体感应的齿谐波电动势相位不同，从而使其合成电动势因向量合成而被削弱，故能得到更好的电动势正弦波形。同时采取分数槽集中绕组有利于降低齿槽转矩，定子的各个槽口所处磁场位置不同，所以各自产生的齿槽转矩相位也不同，从而，叠加的效果不仅提高了基波齿槽转矩周期数，并有可能产生相互抵消的作用，而传统的整数槽绕组电机每个磁极下的齿槽个数和位置都是相同的，它们在所有极下产生的齿槽转矩相位相同，2p个极的齿槽转矩叠加起来使总齿槽转矩大为增加。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种永磁同步电机，包括定子和转子(4)，其特征在于：所述定子的定子铁芯采用定子冲片制成，所述定子冲片包括定子冲片本体(1)，所述定子冲片本体(1)上环形均布设有定子齿(2)，其特征在于：所述定子冲片本体(1)的内径Di1与外径D1之比为：

K₁＝D_i1/D₁＝0.50-0.55

所述转子的两端分别设有配重块(7)，所述配重块(7)设置在靠近所述转子的外圆区域。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于：所述定子冲片本体(1)的内径Di1与外径D1之比为：

K₁＝D_i1/D₁＝0.53。

3.根据权利要求1或2所述的永磁同步电机，其特征在于：所述定子冲片本体(1)的齿宽L1/轭宽L2之比为：

K₂＝L1/L2＝0.95-1.05。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机，其特征在于：所述定子冲片本体(1)的齿宽L1/轭宽L2之比为：

K₂＝L1/L2＝0.992。

5.根据权利要求1或2所述的永磁同步电机，其特征在于：所述定子冲片本体(1)的外圆上与所述定子齿(2)一一对应设有径向向内凹陷的凹槽(3)，所述凹槽(3)的中心线与对应的所述定子齿(2)的中心线共线。

6.根据权利要求5所述的永磁同步电机，其特征在于：所述凹槽(3)的槽底呈弧形与所述定子冲片本体(1)同心；所有的所述凹槽(3)的槽底的弧长之和与所述定子冲片本体(1)的外圆周长之比为：

K₃＝Z*L3/πD₁＝0.4-0.5

其中，Z为定子齿(3)的数量；L3为凹槽(3)的槽底弧长。

7.根据权利要求6所述的永磁同步电机，其特征在于：所有的所述凹槽(3)的槽底的弧长之和与所述定子冲片本体(1)的外圆周长之比为：

K₃＝Z*L3/πD₁＝0.435。

8.根据权利要求6所述的永磁同步电机，其特征在于：所述凹槽(3)的径向深度L4与所述定子冲片本体(1)的轭宽L2之比为：

K₄＝L4/L2＝0.2-0.25。

9.根据权利要求8所述的永磁同步电机，其特征在于：所述凹槽(3)的径向深度L4与所述定子冲片本体(1)的轭宽L2之比为：

K₄＝L4/L2＝0.236。