CN113364177A - 斜极转子、电机、压缩机及空调器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电机技术领域，尤其涉及一种斜极转子、电机、压缩机及空调器，斜极转子包括转子轴和磁钢，磁钢套设在所述转子轴外，所述磁钢包括至少两个嵌套设置的磁钢单元，每个所述磁钢单元设置有用于充磁定位的凸台，至少存在一个凸台与最内侧磁钢单元上的凸台径向错位设置，使磁钢具有不同的充磁角度，实现转子斜极的目的，降低齿槽转矩峰值与含量，凸台还以定位磁钢单元，防止磁钢单元在护套内部偏移。

Description

斜极转子、电机、压缩机及空调器

技术领域

本申请涉及电机技术领域，尤其涉及一种斜极转子、电机、压缩机及空调器。

背景技术

高速永磁同步电机是要求具有良好的高速运转的平稳性能和高转矩性能，然而永磁电机中存在由永磁体和定子齿槽之间相互作用而产生的齿槽转矩,引起振动和噪声,尤其是在高速时,将严重影响***控制精度。

目前磁悬浮用表贴式电机结构，由前短轴、磁钢、护套及后短轴组成，其中磁钢为圆环状或实心圆柱状，所以通常该结构电机无法实现转子斜极，在表面会产生较大的涡流损耗，影响电机效率。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本申请内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了解决现有转子只能径向充磁或者平行充磁，使齿槽转矩含量大的技术问题，本申请提供了一种斜极转子、电机、压缩机及空调器。

一种斜极转子，包括：

转子轴；以及

磁钢，套设在所述转子轴外；

其中，所述磁钢包括至少两个嵌套设置的磁钢单元，每个所述磁钢单元设置有用于充磁定位的凸台，至少存在一个凸台与最内侧磁钢单元上的凸台径向错位设置。

进一步的，在本申请的一些实施例中，上述凸台设置于所述磁钢单元的内周侧；

自所述磁钢外侧起第二个所述磁钢单元至最内侧磁钢单元及转子轴分别设置有用于与凸台配合的凹槽。

进一步的，在本申请的一些实施例中，上述凸台的径向截面轮廓呈半圆形或多边形。

进一步的，在本申请的一些实施例中，上述磁钢单元为圆环状结构。

进一步的，在本申请的一些实施例中，上述磁钢包括由内至外依次嵌套配合的第一磁钢单元、第二磁钢单元及第三磁钢单元；

在垂直轴向方向的平面建立直角坐标系，以所述转子轴的轴心为原点，顺时针方向定义为正方向，逆时针方向定义为负方向，所述第一磁钢单元的第一充磁角度为δ°，所述第二磁钢单元的第二充磁角度相对于所述第一充磁角度偏移α°，所述第三磁钢单元的第三充磁角度相对于所述第一充磁角度偏移β°，且-15°≤α≤15°，-15°≤β≤15°。

进一步的，在本申请的一些实施例中，上述第一磁钢单元偏移角α度计算公式为：

L为转子铁芯的轴向长度；μ₀为真空磁导率；L为铁芯轴向长度；R_o和R_i分别为转子外径和定子内径；N为定子槽数量，N＝24；n为谐波阶数，n＝7。

进一步的，在本申请的一些实施例中，上述第三磁钢单元的第三充磁角度偏移β°的计算公式为：

L为转子铁芯的轴向长度；μ₀为真空磁导率；L为铁芯轴向长度；R_o和R_i分别为转子外径和定子内径；N为定子槽数量，N＝24；n为谐波阶数，n＝7。

一种电机，安装上述斜极转子。

一种压缩机，安装有上述电机。

一种空调器，安装有上述压缩机。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请实施例提供一种斜极转子，斜极转子包括转子轴和磁钢，磁钢套设在所述转子轴外，所述磁钢包括至少两个嵌套设置的磁钢单元，每个所述磁钢单元设置有用于充磁定位的凸台，至少存在一个凸台与最内侧磁钢单元上的凸台径向错位设置，使磁钢具有不同的充磁角度，实现转子斜极的目的，降低齿槽转矩峰值与含量，凸台还以定位磁钢单元，防止磁钢单元在护套内部偏移。

本申请方案还提供一种电机，电机安装有该斜极转子，由于齿槽转矩峰值与含量降低，降低转子温升，增强了电机控制稳定性，提高了电机效率。

本申请方案还提供一种压缩机，压缩机安装有该电机，电机的效率及稳定性提高后，可以保证压缩机高效稳定运行。

本申请方案还提供一种空调器，空调器安装有该压缩机，空调器运行稳定性好。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种现有转子示意图。

图2为本申请实施例提供的一种现有转子的电机转矩示意图。

图3为本申请实施例提供的一种现有转子的齿槽转矩示意图。

图4为本申请实施例提供的一种现有转子的电机涡流损耗示意图。

图5为本申请实施例提供的一种斜极转子的偏角充磁的示意图。

图6为本申请实施例提供的一种斜极转子的厚度标识示意图。

图7为本申请实施例提供的一种斜极转子的第一种凸台示意图。

图8为本申请实施例提供的一种斜极转子的第二种凸台示意图。

图9为本申请实施例提供的一种斜极转子的第三种凸台示意图。

图10为本申请实施例提供的一种电机的电磁转矩示的意图。

图11为本申请实施例提供的一种电机的齿槽转矩的示意图。

图12为本申请实施例提供的一种电机的涡流损耗的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1-转子轴；2-磁钢；3-护套；

21-第一磁钢单元；22-第二磁钢单元；23-第三磁钢单元；

211-第一凸台；

221-第二凸台；

231-第三凸台。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围，因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

图1为本申请实施例提供的一种现有转子示意图，图2为本申请实施例提供的一种现有转子的电机转矩示意图，图3为本申请实施例提供的一种现有转子的齿槽转矩示意图，图4为本申请实施例提供的一种现有转子的电机涡流损耗示意图。

本申请实施例中，将磁钢包含的磁钢单元数量定义为U，当U＝3时，由内至外起，第一磁钢单元的第一充磁角度为δ，第二磁钢单元的第二充磁角度相对于所述第一充磁角度偏移α°，第三磁钢单元的第三充磁角度相对于第一充磁角度偏移β°。

参考图1-4所示，转子300外套设有环形磁钢200，磁钢外套设有轴套300，以额定功率Pn＝40KW，额定转速Nn＝7000rpm，磁钢尺寸为Ф70×Ф44×96mm为例，建立现有转子的仿真模型，磁钢为圆环状，α＝0°，β＝0°，此时仿真得出40KW-7000rpm电机的电磁转矩Tm＝54.71N.m；齿槽转矩为Tc＝4.02N.m，峰值Tcmax＝8.35N.m。同理，第一充磁角度为δ，U＝1，α＝0°，β＝0°，此时仿真得出40KW-7000rpm电机的磁钢涡流损耗Pm＝84.12W。

由上述结构可知，转子只有径向充磁或者平行充磁方式，无法实现转子斜极，齿槽转矩含量较大。转子的磁钢整体涡流损耗根据公式可知，涡流损耗与磁钢的厚度的平方成正比，采用厚度较大的实心圆柱或者环形磁钢结构，磁钢表面涡流损耗较大，电机效率下降，转子温升增加，转子与磁钢通过护套配合，完成联接作用。但是在护套装配入轴时，磁钢可能会沿圆周方向移动，产生角度偏移，相应地充磁方向也会产生角度，充磁性能下降，无法通过电流校正，性能下降，无法保证电机高效稳定运行。

为了解决现有转子无法实现斜极充磁，且齿槽转矩含量大的技术问题，本申请提供了一种斜极转子、电机、压缩机及空调器，斜极转子包括转子轴1、磁钢2及护套3，磁钢2套设在所述转子轴1外，所述磁钢2包括至少两个嵌套设置的磁钢单元，每个所述磁钢单元设置有用于充磁定位的凸台，至少存在一个凸台与最内侧磁钢单元上的凸台径向错位设置，使磁钢2具有不同的充磁角度，实现转子斜极的目的，降低齿槽转矩峰值与含量，凸台还以定位磁钢单元，防止磁钢单元在护套3内部偏移，在本领域技术人员的理解下，转子轴1与磁钢单元之间也设置凸台，可避免磁钢相对于转子轴1转动。

图5为本申请实施例提供的一种斜极转子的偏角充磁的示意图。图6为本申请实施例提供的一种斜极转子的厚度标识示意图。图7为本申请实施例提供的一种斜极转子的第一种凸台示意图。图8为本申请实施例提供的一种斜极转子的第二种凸台示意图。图9为本申请实施例提供的一种斜极转子的第三种凸台示意图。

磁钢单元为圆环状，凸台可以设置在磁钢单元的外周侧或内周侧，本申请实施例中，凸台设置于所述磁钢单元的内周侧，自所述磁钢2外侧起第二个所述磁钢单元至最内侧磁钢单元及转子轴1分别设置有用于与凸台配合的凹槽，具体的，所述磁钢2包括由内至外依次嵌套配合的第一磁钢单元21、第二磁钢单元22及第三磁钢单元23，转子轴1设置有第一凹槽，第一磁钢单元21的外周侧设置有第一凸台211，第一磁钢单元21的外周侧设置有第二凹槽，第二磁钢单元22的内周侧设置有第二凸台221，第二磁钢单元22的外周侧设置有第三凹槽，第三磁钢单元23的内周侧设置有第三凸台231，其中，第一凹槽与第一凸台211想配合，第二凹槽与第二凸台221想配合，第三凹槽与第三凸台231相配合，第二凸台221和第三凸台231分别相对于第一凸台211径向错位设置。

本申请实施例中，每个磁钢单元可设置两个凸台，两个凸台位于经过轴心的同一直线上，即两个凸台呈180°夹角。

可以在垂直轴向方向的平面上建立直角坐标系，以所述转子轴1的轴心为原点，顺时针方向定义为正方向，逆时针方向定义为负方向，所述第一磁钢单元21的第一充磁角度为δ°，所述第二磁钢单元22的第二充磁角度相对于所述第一充磁角度偏移α°，所述第三磁钢单元23的第三充磁角度相对于所述第一充磁角度偏移β°，且-15°≤α≤15°，-15°≤β≤15°。

对于齿槽转矩来说，环形的磁钢2平均分成U个小环形磁钢2(U＝2,3,4……)，按照不同角度充磁。以最内侧磁钢单元的充磁位置为基准，记为δ，逆时针旋转定义为正方向，偏移角度为正值，顺时针旋转定义为负方向，偏移角度为负值，平行充磁，取极性N₁和S₁；

第二磁钢单元22以第一磁钢单元21为基准偏转α°，平行充磁，取极性N₂和S₂；第三磁钢单元23以第一磁钢单元21为基准，偏转β°，平行充磁，取极性N₃和S₃，在本领域技术人员的理解下，当U＞3时，可以此类推，本申请实施例中，以U＝3进行介绍。

结合图6所示，计算出磁钢2总厚度h＝(R₂-R₁)，因此第一磁钢单元21的厚度为h₁，第二磁钢单元22的厚度为h2，第三磁钢单元23的厚度为h3，h₁＝h₂＝h₃＝(R₂-R₁)/3，通用公式为h₁＝h₂＝h₃＝h_(U-1)＝h_U＝(R₂-R₁)/U。由磁钢2涡流损耗公式可知，总涡流损耗P＝P₁+P₂……+P_(U-1)＝(R₂-R₁)²*ω²*B²*б*V/(24*U)，U为磁钢单元数量，U＝2,3,4……，其中V为体积；R₂为磁钢2外半径；R₁为磁钢2内半径；B为峰值磁通密度；б为电导率；ω为外加磁场频率。)根据公式得出，平均磁钢单元U越大，磁钢2表面涡流损耗越小。

根据能量法，齿槽转矩为永磁电机内部的磁共能相对于转子位置角的导数，在不考虑非线性时，电机的磁能与磁共能相等。定转子气隙的磁能可近似表示为：

其中，此公式内δ为转子位置角，θ为转子旋转角度，W(δ)为气隙磁能，μ₀为真空磁导率，B(θ，δ)为气隙磁密沿电枢表面的分布函数，L为铁芯轴向长度，R_o为转子外径，R_i为定子内径，G(θ)为受定子开槽影响的气隙磁通密度调制函数，B_r(θ,δ)为永磁体剩磁沿电枢表面的分布函数。G²(θ)和

的傅里叶展开式分别为：

其中，G_an和G_bn为G²(θ)的傅立叶分解系数，B_an和B_bn为

的傅立叶分解系数，N_S为电机定子槽数，N_P为电机极对数。将公式(2)和公式(3)带入公式(1)并对转子位置角δ求导，得到齿槽转矩：

记第一磁钢单元21的第一充磁角度为δ，所述第二磁钢单元22的第二充磁角度相对于所述第一充磁角度偏移α°，所述第三磁钢单元23的第三充磁角度相对于所述第一充磁角度偏移β°，也可以描述为：第一磁钢单元21的第一充磁方向定义为δ，第二磁钢单元22的第二充磁方向在周向方向上相对于第一充磁方向偏转α°，第三磁钢单元23的第三充磁方向相对于第一充磁方向偏转β°。则第一磁钢单元21产生的齿槽转矩：

第二磁钢单元22产生的齿槽转矩为：

第三磁钢单元23产生的齿槽转矩为：

合成的齿槽转矩为：

当

时，齿槽转矩为：

当只计算T₁(δ)+T₂(δ)时，可得第二充磁角度偏移α°的等量公式：

当只计算T₁(δ)+T₃(δ)时，可得第三充磁角度的等量公式：

可知，当

T(δ)＝0，即

时，m为非负整数，齿槽转矩最小。以40KW-7000rpm电机为例，只考虑10阶以下齿槽转矩时，该公式中，n为谐波阶数，取7阶谐波，当N＝24，n＝7，m＝1时，得到

α＝Π/56≈0.056rad，1rad＝57.3°，所以α≈0.056*57.3°＝3.2°，当齿槽转矩等于0时，α≈-1°或者α≈3°。

同理，当

T(δ)＝0，即

时，p为非负整数，齿槽转矩最小。

此时，仍然以40KW-7000rpm电机为例，只考虑10阶以下齿槽转矩时，取7阶谐波，当N＝24，n＝7，p＝1时，得到

根据公式分析齿槽转矩等于0时，β≈-1°或者β≈3°。

图10为本申请实施例提供的一种电机的电磁转矩示的意图。图11为本申请实施例提供的一种电机的齿槽转矩的示意图。图12为本申请实施例提供的一种电机的涡流损耗的示意图。

如图10，根据40KW-7000rpm电机模型，将α、β作为参数化变量，α取值(-15°～+15°)，β取值(-15°～+15°)，间隔1°进行参数化扫描，第一充磁角度为δ，U＝3且α＝β＝-1°时，40KW-7000rpm电机电磁转矩≥Tm＝54.71N.m。

如图11：第一充磁角度为δ，U＝3且α＝β＝-1°时，40KW-7000rpm电机齿槽转矩Tc’＝3.05N.m，较优化前,如图3，第一充磁角度为δ，U＝1，α＝β＝0°时,Tc＝4.02N.m,本申请实施例斜极转子的齿槽转矩相对于现有转子减低24.13％；本申请实施例的齿槽转矩峰值Tcmax‘＝1.89N.m，较优化前，如图3，Tcmax＝8.35N.m，相对于现有转子，齿槽转矩峰值降低77.36％。

如图12：当第一充磁角度为δ，U＝3且α＝β＝-1°时，40KW-7000rpm电机涡流损耗Pm‘＝44.01W，较优化前，如图4，第一充磁角度为δ，U＝1，α＝β＝0°时，Pm＝84.12N.m，本申请实施例中的电机涡流损耗相对于现有电机的涡流损耗降低47.68％。

综合上述分析，对于40KW-7000rpm电机来说，第一充磁角度为δ，U＝3时，电机最佳充磁角度为，述第二磁钢单元22的第二充磁角度相对于所述第一充磁角度偏移-1°，第三磁钢单元23的第三充磁角度相对于所述第一充磁角度偏移-1°。

图7为本申请实施例提供的一种斜极转子的第一种凸台示意图。图8为本申请实施例提供的一种斜极转子的第二种凸台示意图。图9为本申请实施例提供的一种斜极转子的第三种凸台示意图。

磁钢2平均分成U个磁钢单元，磁钢单元为环形，(U＝2,3,4……)。每个磁钢单元的内侧增设凸台，凸台可以根据充磁角度的偏移量α、β、γ……等在不同位置处增设，可以达到通过凸台固定磁钢单元，防止磁钢单元偏移的目的，又可以实现磁钢单元的充磁定位要求。如图7、8和9所示，本申请实施例中，凸台的径向截面轮廓呈半圆形或多边形。图7中，凸台的径向截面轮廓呈半圆形，加工难度较小但磁钢2等效应力大，图8中，凸台的径向截面轮廓由直线和弧线组成，弧线位于凸台正对转子轴1的轴心一侧，加工较难但磁钢2等效应力较小，图9中，凸台的径向截面轮廓呈矩形，加工简单但直角易出现应力集中。

本申请中，将磁钢2平均分成U个磁钢单元，磁钢单元为环形，(U＝2,3,4……)，每个磁钢单元按照不同角度充磁，实现转子斜极目的，降低齿槽转矩峰值与含量，保证电机稳定性。磁钢单元的分块数量越大，涡流损耗越小，达到降低磁钢2涡流损耗目的，降低转子温升，提高电机效率，凸台既可以用于定位磁钢单元，防止内部偏移，又可以起到充磁定位作用，保证电机高效稳定运行。

本申请方案还提供一种电机，电机安装有该斜极转子，由于齿槽转矩峰值与含量降低，降低转子温升，增强了电机控制稳定性，提高了电机效率。

本申请方案还提供一种压缩机，压缩机安装有该电机，电机的效率及稳定性提高后，可以保证压缩机高效稳定运行。

本申请方案还提供一种空调器，空调器安装有该压缩机，空调器运行稳定性好。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明总的发明构思的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种斜极转子，其特征在于，包括：

转子轴(1)；以及

磁钢(2)，套设在所述转子轴(1)外；

其中，所述磁钢(2)包括至少两个嵌套设置的磁钢单元，每个所述磁钢单元设置有用于充磁定位的凸台，至少存在一个凸台与最内侧磁钢单元上的凸台径向错位设置。

2.如权利要求1所述的斜极转子，其特征在于，所述凸台设置于所述磁钢单元的内周侧；

自所述磁钢(2)外侧起第二个所述磁钢单元至最内侧磁钢单元及转子轴(1)分别设置有用于与凸台配合的凹槽。

3.如权利要求1所述的斜极转子，其特征在于，所述凸台的径向截面轮廓呈半圆形或多边形。

4.如权利要求1所述的斜极转子，其特征在于，所述磁钢单元为圆环状结构。

5.如权利要求1所述的斜极转子，其特征在于，所述磁钢(2)包括由内至外依次嵌套配合的第一磁钢单元(21)、第二磁钢单元(22)及第三磁钢单元(23)；

在垂直轴向方向的平面建立直角坐标系，以所述转子轴(1)的轴心为原点，顺时针方向定义为正方向，逆时针方向定义为负方向，所述第一磁钢单元(21)的第一充磁角度为δ°，所述第二磁钢单元(22)的第二充磁角度相对于所述第一充磁角度偏移α°，所述第三磁钢单元(23)的第三充磁角度相对于所述第一充磁角度偏移β°，-15°≤α≤15°，-15°≤β≤15°。

6.如权利要求5所述的斜极转子，其特征在于，所述第二磁钢单元(22)的第二充磁角度偏移α°度的计算公式为：

L为转子铁芯的轴向长度；μ₀为真空磁导率，L为铁芯轴向长度，R_o和R_i分别为转子外径和定子内径，N为定子槽数量，N＝24，n为谐波阶数，n＝7。

7.如权利要求5所述的斜极转子，其特征在于，所述第三磁钢单元(23)的第三充磁角度偏移β°的计算公式为：

L为转子铁芯的轴向长度；μ₀为真空磁导率，L为铁芯轴向长度，R_o和R_i分别为转子外径和定子内径，N为定子槽数量，N＝24，n为谐波阶数，n＝7。

8.一种电机，其特征在于，安装有权利要求1-7任一所述的斜极转子。

9.一种压缩机，其特征在于，安装有权利要求8所述的电机。

10.一种空调器，其特征在于，安装有权利要求9所述的压缩机。

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