電動機和包括電動機的壓縮機的製作方法

2023-10-23 21:02:52 2

專利名稱：電動機和包括電動機的壓縮機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電動機，更具體地，涉及一種實現增強起動轉矩性能和提高正常 運行效率的同時具有最低損耗和改進效率的電動機。另外，本發明涉及一種可有效地適用於可變負載的電動機和一種使用該電動機的 可變容量壓縮機。
背景技術：
通常，單相感應電動機包括定子，在該定子上纏繞著主線圈和輔助線圈，在主線圈 與輔助線圈之間具有90度的空間間隔。源電壓直接施加於主線圈，而且還經由電容器和開 關施加於輔助線圈。這是因為即使對主線圈施加電壓，主線圈也不能單獨地產生起動力。因 此，在諸如輔助線圈等起動裝置的輔助下，定子產生旋轉磁場，以起動轉子。所述起動裝置根據其種類而分為分相式、屏蔽線圈式、電容器起動式、推斥起動式等。作為具有上述起動裝置的單相感應電動機的示例，圖1和2中示出了電容器起動 式單相感應電動機。圖1示出普通單相感應電動機的定子和轉子，且圖2示出轉子和定子線圈的簡化 電路。當只有主線圈12纏繞在定子10上時，定子10僅產生交變磁場，並且因此，未實現 轉子20的起動。因此，必須在定子10上纏繞輔助線圈14，以產生旋轉磁場。用該旋轉磁 場，可以起動轉子並使其沿預定方向旋轉。即，起動轉矩經由該旋轉磁場而出現。在圖2的簡化電路中，電容器15用於延遲施加於輔助線圈14的電流的相位，以便 經由輔助線圈14與主線圈12之間的交互作用而產生起動轉矩。一旦起動，則即使未向輔 助線圈14施加電力，在假設負載沒有變化的情況下，轉子20也保持旋轉。S卩，如果轉子20 在起動之後保持每分鐘預定的或更大的轉數，則不需要將電力供向輔助線圈14。然而，當負 載改變時，需要附加的起動轉矩。因此，優選的是總是經由電容器15來向輔助線圈14供應 電力。當然，三相感應電動機即使在僅主線圈纏繞在定子上時也能夠產生旋轉磁場，且 不需要在定子上纏繞上述輔助線圈。也就是說，三相感應電動機不需要單獨的起動裝置。上述單相感應電動機的優點是，其不需要類似無刷DC(BLDC)電動機或磁阻電動 機的逆變器，並且能夠使用單相商業電力來直接啟動，從而得到優越的價格競爭力。現在，將參照圖1和2來詳細描述上述普通單相感應電動機。具有空心內部構型的定子10包括多個齒11和主線圈12，所述齒以期望的角間隔 沿著其內周向布置成向內徑向突出，並且該主線圈纏繞在各個齒11上，以在初級施加電流 時具有N極或S極的極性。在此，在齒11與主線圈12之間插置了絕緣體(未示出)。該絕緣體不僅用於提供 齒11與主線圈12之間的電絕緣，而且還有利於容易纏繞主線圈12。
定子10還包括輔助線圈14，該輔助線圈纏繞在定子10上，以具有與主線圈12的 期望空間角間隔，且適合於在施加電流時產生旋轉磁場。當然，還通過在齒11與輔助線圈 14之間插置絕緣體，而將輔助線圈11纏繞在齒11上。主線圈12和輔助線圈14能夠合稱 為「定子線圈」或者簡稱為「線圈」。線圈12和14連接到單相電源，且同時相互並聯連接。電容器15串聯連接到輔助 線圈14。此外，雖然未示出，但電容器15可以經由開關可選地連接到電源。通常，轉子20可以是常使用的鼠籠式轉子。圖1和2示出鼠籠式轉子。通常通過將鋼板一個一個地堆放以組成轉子芯來製造轉子20，並且每個鋼板沿著 其外周向在距離鋼板中心的期望徑向位置處以期望的角間隔形成有多個狹槽21。轉子20 還包括插入到轉子芯的各個狹槽21中的棒狀導電桿22。棒狀導電桿22通常由銅或鋁棒制 成。鼠籠式轉子的兩端均與未示出的端環相連接(見圖13和14)，以經由導電桿22實 現電連接，且端環通常經由鋁壓鑄形成。具體而言，經由鋁壓鑄將導電桿22和端環彼此形 成為整體，並將兩個端環分別設置在轉子芯的頂部和底部。同時，轉子20在中心處設有軸孔M。將轉子20的旋轉力傳送到外部部件的旋轉 軸(未示出)被壓配合到軸孔M中，使得轉子20與旋轉軸組成整體的旋轉體。在上述單相感應電動機的運行中，如果向線圈供應電力，則在導電桿22中產生感 應電流，促使轉子20由於產生感應轉矩而旋轉。然而，在這種情況下，導電桿22造成損耗、 即導電桿損耗。由於導電桿損耗，因此限制了改進預定尺寸的電動機的效率。當需要高效 率時，單相感應電動機就存在問題。導電桿損耗的其他問題包括轉子20溫度的升高和因溫度變化引起的大的損耗變 化。特別地，溫度越高，導電桿損耗越大。因此，高溫下電動機效率的改進受到限制。同時，單相感應電動機由於其特性而必須始終以低於同步速度的速度運行，以便 產生感應轉矩。這是因為在理論上單相感應電動機在同步速度下具有零轉矩，且轉速越小， 轉矩越大。因此，在單相感應電動機中，當電動機負載、即施加於旋轉軸的負載改變時，旋轉 軸的轉速、即電動機的轉速改變，且這使得由於負載變化而難以控制電動機。

發明內容
技術問題為解決所述問題而設計的本發明的目的在於一種能夠解決單相感應電動機的上 述問題的電動機。為解決所述問題而設計的本發明的另一目的在於一種具有改進效率的電動機，更 具體地，在於一種能夠在正常運行期間以同步速度運行並因此能夠實現最大正常運行效率 的電動機。為解決所述問題而設計的本發明的又一目的在於一種即使電動機負載在正常運 行期間改變也能夠始終以同步速度運行、從而易於電動機控制的電動機。為解決所述問題而設計的本發明的又一目的在於一種尤其是在高溫下能夠實現 最高效率的電動機。
為解決所述問題而設計的本發明的又一目的在於一種在不使用逆變器的情況下 具有普通感應電動機的起動特性、從而實現降低的製造成本的電動機。為解決所述問題而設計的本發明的另一目的在於一種能夠經由上述電動機的使 用而實現改進效率並促進其可變容量運行的壓縮機。技術方案本發明的目的能夠通過提供一種電動機來實現，在該電動機中使用電力供應至定 子線圈時產生的感應轉矩來起動轉子，其中，該轉子包括轉子芯；導電桿，沿著周向方向 布置在轉子芯的外緣區域中，以產生感應電流；磁通屏障，形成在轉子芯中，以便為了產生 磁阻轉矩而中斷磁通量的流動；以及磁體，設置在轉子芯中，以便為了產生磁轉矩而產生磁通量。在此，可以使用由導電桿產生的感應轉矩來起動轉子，而且，一旦起動，轉子可以 使用由磁通屏障產生的磁阻轉矩和由磁體產生的磁轉矩來旋轉。另外，轉子一旦起動，則可 以使用磁阻轉矩和磁轉矩來以同步速度旋轉。具體而言，根據本發明的電動機在轉子起動時具有普通感應電動機的起動特性， 且一旦起動，則具有同步電動機的旋轉特性。根據本發明的電動機一旦起動，則在正常運行 期間使用磁阻轉矩和磁轉矩以同步速度旋轉，並能夠實現高效率。因此，可在沒有複雜的電 動機起動部件的情況下提供高效率電動機。可以通過在定子中產生的旋轉磁場和在轉子中產生的感應電流來產生感應轉矩。 因此，不需要向線圈供應三相電力。即，類似於普通單相感應電動機，能夠供應單相電力。當向線圈供應單相電力時，線圈優選包括用於起動轉子的主繞組和輔助繞組。當 然，雖然能夠以各種方式來改變此類起動構型，但為描述方便起見，以下說明僅限於電容器 起動式感應電動機。當電容器起動式感應電動機應用於本發明時，主繞組和輔助繞組在相互並聯連接 的同時連接到單相電源。另外，電容器串聯連接到輔助繞組。優選地，所述磁通屏障布置成給轉子提供至少兩個或更多偶數個磁極。用該磁通 屏障，轉子可以設有從轉子的中心徑向延伸的q軸線和從轉子的中心徑向延伸的d軸線，沿 著q軸線磁通量的流動被磁通屏障中斷，且沿著d軸線磁通量的流動未被中斷。例如，當轉子包括兩個磁極時，q軸線和d軸線可以在空間上相互垂直。優選地， 磁通屏障關於q軸線對稱。優選地，每個磁通屏障關於轉子的中心從該中心向兩端傾斜，使得磁通屏障的兩 端遠離或更接近垂直於q軸線的軸線。這具有進一步增加沿轉子芯q軸線方向的磁通屏障 佔用率的效果、從而進一步增加沿q軸線方向的磁阻的效果。優選地，將組成每個磁極的磁 通屏障布置成至少兩層或更多層。每層的磁通屏障可以連續地形成，並且磁通屏障從轉子外側越接近內側，越具有 較長的長度。磁體可以插入到各個磁通屏障的局部區域中。磁體可以包括沿各個磁通屏障的縱 向方向布置的至少兩個或多個磁體。當然，磁體可以包括沿轉子的縱向方向布置的至少兩 個或多個磁體。在這種情況下，優選地，磁體包括彼此具有相同形狀的單元磁體。優選地，每個磁通屏障形成有臺階部分，以確定相關磁體的插入位置。
優選地，連接插入各層磁通屏障中的磁體的相應末端的假想線平行於q軸線。用 磁體末端的這種布置，能夠基於q軸線產生最大的磁通量。另外，由所有磁體產生的總磁通 量能夠採取方波的形式，而不是採取正弦波的形式。磁體的布置使得能夠基於q軸線產生較大的磁轉矩，並且如下文將要描述那樣， 允許增加端環的徑向寬度。增加的端環徑向寬度具有降低因端環存在而引起損耗的效果。對於導電桿，優選地，布置在轉子的中心與最外層磁通屏障的兩端之間限定的角 內的導電桿的徑向寬度小於其他導電桿的徑向寬度。這是因為隨著導電桿的徑向寬度的增 大，導電桿附近的磁通量的流動路徑變得極窄。這減小因磁通量的過早飽和而引起的磁阻 轉矩。優選地，各個磁通屏障的兩端對立於相鄰導電桿靠近地布置，以使磁通量通過磁 通屏障與導電桿之間縫隙的洩漏最小化。優選地，每個磁通屏障的端部具有比磁通屏障的 其餘部分的寬度更小的寬度。這是因為當經由鋁壓鑄來形成導電桿和端環時，熔融鋁可以 在受到壓力時被引入到磁通屏障中。在本發明的另一方面，提供了一種包括上述電動機的壓縮機和用於控制該壓縮機 的方法。在此，包括在壓縮機中的電動機具有如下特徵使用單相電力供應至定子線圈時 產生的感應轉矩來起動轉子，且轉子一旦被起動，則以同步速度旋轉；並且所述線圈包括主 繞組和輔助繞組，該主繞組與用於供應單相電力的單相電源相連接，該輔助繞組在與單相 電源連接的同時並聯連接到主繞組，並且相互並聯連接的電容器串聯地連接到輔助繞組。優選地，電容器中的任何一個選擇性地經由開關與輔助繞組電連接。開關優選根 據電動機的負載變化而選擇性地接通。例如，所述開關可以在高電動機負載下接通，並且可 以在低電動機負載下切斷。另外，開關能夠在電動機的初始起動期間保持接通。壓縮機可以是使單個電動機運行以壓縮製冷劑的可變容量壓縮機。這裡，壓縮機 的初始起動意指電動機的初始起動。可變容量壓縮機包括在其中壓縮製冷劑的缸。隨著缸中待壓縮的製冷劑的量根據 電動機負載而改變，壓縮機的容量能夠改變。壓縮機的容量還可以隨著多個缸中的僅一部 分可選地運行，或所有缸都運行而改變。無論初始運行條件如何，壓縮機能夠始終在低負載條件下開始運行。有利效果根據本發明，能夠實現一種具有改進效率的電動機和一種使用該電動機的可變容 量壓縮機。更具體而言，根據本發明，可提供一種尤其是在正常運行期間以同步速度運行、從 而實現最高正常運行效率的電動機。此外，根據本發明，即使電動機負載在正常運行期間改變，電動機也能夠始終以同 步速度運行。結果，可提供一種易於控制且尤其是在高溫下具有最高效率的電動機。根據本發明，該電動機能夠在不使用逆變器的情況下實現普通單相感應電動機的 起動特性，從而降低製造成本。此外，根據本發明，無論初始負載如何，都能夠增強電動機的起動特性，以快速達 到正常運行。結果，可以實現一種能夠改變容量並因此在正常運行期間實現高效率的電動機和一種使用該電動機的可變容量壓縮機。


附圖被包括進來以便對本發明提供進一步的理解，所述附圖示出了本發明的實施 例，並連同說明書一起用於解釋本發明的原理。在附圖中圖1是示出傳統感應電動機的轉子和定子的剖視圖。圖2是示意性示出傳統感應電動機的轉子和定子線圈的概念圖。圖3是示意性示出根據本發明的電動機的轉子和定子線圈電路的概念圖。圖4是示出圖3中所示的轉子的一部分的放大剖視圖。圖5至7是示出與圖3中所示的磁通屏障的末端的形狀有關的不同實施例的剖視 圖。圖8是示出根據本發明的電動機的轉子芯的分解透視圖。圖9是示出根據本發明實施例的電動機的最上方單元轉子芯的構型的平面視圖。圖10是示出根據本發明實施例的電動機的最下方單元轉子芯的平面視圖，或者 是示出根據本發明另一實施例的電動機的最上方單元轉子芯的平面視圖。圖11是示出根據本發明實施例的電動機的轉子的頂視平面圖。圖12是示出根據本發明實施例的電動機的轉子的頂視平面圖，或者是示出根據 本發明另一實施例的電動機的轉子的底視平面圖。圖13是示出根據本發明實施例的電動機的上端環的透視圖。圖14是示出根據本發明實施例的電動機的下端環的透視圖，或者是示出根據本 發明另一實施例的上端環的透視圖。圖15是示出電動機的起動轉矩與電容器值之間的關係的圖表。圖16是示意性示出高電動機負載下的根據本發明的定子線圈電路的一部分的電 路圖。圖17是示意性示出低電動機負載下的根據本發明的定子線圈電路的一部分的電 路圖。
具體實施例方式現在對根據本發明的電動機進行詳細說明，該電動機的示例在圖3至15的附圖中 示出。另外，為了描述方便起見，下面將描述轉子可在定子內部旋轉的內部式電動機。然而， 根據本發明的電動機本質上不限於該內部式電動機。根據本發明的電動機是這樣一種電動機，在該電動機中使用感應轉矩來起動轉 子，因此，轉子能夠採用與傳統普通感應電動機相同的構型。具體而言，參照示出根據本 發明的感應電動機的構型的圖3，感應電動機能夠包括設有狹槽121和導電桿122的轉子 120、定子線圈112和114(在下文中稱為「線圈」)、和用於電動機旋轉的電容器115等。在 下文中，將省略對重疊構型的詳細說明。應注意的是，根據本發明的電動機還可以包括磁通屏障140，該磁通屏障在轉子芯 中形成，以便為產生磁阻轉矩而中斷磁通量的流動。另外，根據本發明的電動機還能夠包括磁體130，該磁體被嵌入轉子芯中，以便為產生磁轉矩而產生磁通量。根據本發明，以上述構型可提供一種電動機，該電動機能夠基於感應電動機的特 性起動，並且還可以在正常運行期間基於同步電動機的特性運行。換言之，轉子在起動之後 能夠使用磁阻轉矩和磁轉矩以同步速度旋轉。因此，根據本發明，與普通同步電動機不同的 是，可以取消諸如起動逆變器等複雜且昂貴的部件。現在，將參照圖3來詳細描述根據本發明的電動機中產生磁阻轉矩和磁轉矩的原理。首先，將詳細描述磁阻轉矩。如圖3中所示，沿著q軸線布置磁通屏障140。這裡，通過去除由磁性物質製成的 轉子芯123的局部區域來形成磁通屏障140。具體而言，能夠經由磁通屏障140產生空氣 層，且能夠在磁通屏障140中填充例如樹脂物質的非磁性物質。當向線圈施加電流以形成磁極時，在轉子中產生磁通量，然而，由於磁通屏障140， 在q軸線中產生極高的磁阻，磁通屏障140沿著該q軸線布置。相反，在d軸線中產生極低 的磁阻，沿著該d軸線沒有設置磁通屏障。因此，轉子將沿一個方向旋轉，以使q軸線與d軸線的方向之間的磁阻差最小化。 引起轉子這樣旋轉的力稱為磁阻轉矩。磁阻差越大，磁阻轉矩的數量級越大。同時，如圖3中所示，根據本發明的電動機包括磁體130。如果向線圈施加電流以 形成北磁極，則磁體130能夠被磁化而變成南極。具體而言，在如圖3中所示的轉子的布置 中，由於定子而產生的磁通量和由於磁體130而產生的磁通量相互偏移，引起q軸線方向的 更大磁阻。因此，與沒有磁體的情況相比，能夠在q軸線與d軸線方向之間實現更大磁阻差。 因此，使用磁體能夠增加磁阻轉矩。磁體能夠通過與定子相互作用而產生磁轉矩。具體而言，如果向線圈施加電流以 形成磁極，則定子的磁極與磁體的磁極根據定子與磁體之間的相對位置而相互作用，從而 產生磁轉矩。如上所述，根據本發明的電動機在起動之後使用磁阻轉矩和磁轉矩來執行同步旋 轉，從而在正常運行期間實現極高的效率。這意味著，假設相同的電動機尺寸和相同的電流 強度，與普通感應電動機相比，根據本發明的電動機能夠實現極高的效率。在下文中，將參照圖3至5來詳細描述包括在根據本發明的電動機中的轉子的構型。轉子120包括作為基體的轉子芯123、和在轉子120中形成的、更具體在轉子芯 123中形成的磁通屏障140。q軸線從轉子的中心穿過磁通屏障140徑向延伸，沿著該q軸線，磁通量的流動被 中斷。同樣，d軸線從轉子的中心徑向延伸，沿著該d軸線不會發生磁通量流動的中斷。這裡，能夠將磁通屏障布置為沿著轉子的周向方向形成至少兩個偶數的磁極。這 種布置在圖3中示出。具體而言，如圖3中所示，當磁通屏障布置為形成兩個磁極時，q軸 線和d軸線在空間上相互垂直。同樣，當磁通屏障布置為形成四個磁極時，雖然未示出，但 q軸線和d軸線具有45度的空間間隔。優選地，如圖3中所示，每個磁通屏障140關於q軸線對稱。這種構型允許磁阻轉 矩關於q軸線對稱，從而防止由於磁阻轉矩的偏差而引起噪聲或振動。
而且，優選地，以至少兩層或更多層布置磁通屏障140。更具體而言，優選的是將兩 層或更多層的磁通屏障布置在圖3中所示的轉子的上半平面和下半平面中的每一個處。這 增加了沿轉子芯123的q軸線方向的磁通屏障140的佔用率，從而進一步增加沿q軸線方 向的磁阻。由於同樣的原因，優選地，每個磁通屏障140關於轉子120的中心從中心向其兩端 傾斜，使得磁通屏障140的兩端遠離或更接近與q軸線垂直的軸線。更具體而言，如圖3中 所示，優選的是磁通屏障140基於d軸線而向上或向下凸起，而不是平行於d軸線。磁通屏 障可以具有角形形狀或拱形形狀。如圖3中所示，對於磁通屏障140，更接近轉子的中心、即更接近內部的磁通屏障 140優選地具有較長的長度。這增加了沿q軸線方向的磁阻，並因此能夠使q軸線與d軸線 方向之間的磁阻最大化。優選地，布置在轉子的中心與最外層磁通屏障140的兩端之間限定的角α內的導 電桿122的徑向寬度小於其他導電桿122的徑向寬度。如圖3中所示，當角α內的導電桿122具有大的徑向寬度時，這些導電桿122與 相鄰磁通屏障140之間的距離變得極窄。這不利地增加了由於沿d軸線方向的磁通量飽和 而引起磁通量洩漏的可能性。因此，為了保證導電桿122與磁通屏障140之間的足夠距離， 優選的是減小布置在角α內的導電桿122的徑向寬度。同時，如圖4和5中所示，優選的是各個磁通屏障140的兩端靠近地與相鄰狹槽 121相對定位。具體而言，優選的是使各個磁通屏障140的兩端與相鄰狹槽121之間的距離 最小化。這是為了防止沿著d軸線產生的磁通量通過磁通屏障140與狹槽121之間的縫隙 洩漏。當磁通量通過縫隙發生洩漏時，這相應地減小q軸線與d軸線方向之間的磁阻差。然而，對磁通屏障140的兩端與狹槽121之間的縫隙、即磁通屏障140的兩端與嵌 入狹槽121中的導電桿122之間的縫隙存在減小的限制。這是因為當導電桿122經由例如 鋁壓鑄在狹槽121中形成時，過窄的縫隙具有在壓力下破裂、引起熔融鋁被引入磁通屏障 140中的風險。因此，為了實現具有較低破裂風險的進一步縮小的縫隙，優選的是每個磁通屏障 140的兩端具有比磁通屏障140的其餘部分的寬度更小的寬度。圖5至7中示出涉及磁通 屏障140的端部形狀的不同實施例。如從這些實施例理解的那樣，可以使面向相鄰狹槽121的一段磁通屏障140最小 化。這具有減小可在受壓時破裂的區域的效果，並因此具有減小磁通屏障140與狹槽121 之間的縫隙的效果。同時，根據本發明的電動機包括磁體130，該磁體布置在轉子芯123中，以便為了產生磁轉矩而產生磁通量。如圖3和4中所示，可以將磁體130插入各個磁通屏障140的局部區域中。當然， 可以將磁體130插入磁通屏障140的所有層中，或者可以不插入磁通屏障140的特定的層 中。同時，優選地，每個磁通屏障140沿其縱向方向是連續的，且優選沿連續磁通屏障 140的縱向方向布置有至少兩個或多個磁體130。這是因為很難製造對應於磁通屏障的形 狀的單個磁體。此外，使用多個磁體可以更有效地使磁體產生的磁通量的洩漏最小化。
由於同樣的原因，優選地，沿轉子120的縱向方向、即沿轉子1 20的高度方向布置 至少兩個或多個磁體。基於上述特性，磁體130能夠由相同形狀的單元磁體、例如杆狀的單元磁體組成。 這有利於降低磁體的製造成本，並有利於容易製造具有最少種類零件的電動機。另外，為了確定磁體130相對於每個磁通屏障140的插入位置，磁通屏障140優選 形成有預定的安放部分。具體而言，如圖9和11中所示，磁通屏障140形成有臺階部分141， 以確定磁體130的插入位置。該安放部分還用於防止所插入磁體130的不期望的移動。同時，優選地，連接插在各層磁通屏障中磁體的相應末端的假想線平行於q軸線。 用磁體末端的這種布置，能夠基於q軸線產生最大的磁通量。另外，由所有磁體產生的總磁 通量能夠採取方波而不是正弦波的形式。磁體的布置使得能夠基於q軸線產生更大的磁轉矩，並且如下文將要描述的那 樣，允許增加端環的徑向寬度。增加的端環徑向寬度具有降低因端環存在而引起損耗的效果。在下文中，將參照圖8至14來詳細描述根據本發明的電動機製造方法、尤其是轉 子製造方法。參照示出根據本發明的電動機的構型的圖8，轉子芯123可以包括三個不同形狀 的單元轉子芯124、125、和126。圖8中所示的電動機的方位適合於豎式驅動電動機。具體而言，轉子芯123是通過衝壓形成的單元轉子芯堆棧。該單元轉子芯可以由 以下三種形狀的單元芯組成。首先，組成轉子芯123的中間部分的單元芯125能夠包括所有上述部件，即用於插 入導電桿122的狹槽121、用於聯接旋轉軸(未示出)的軸孔128、以及磁通屏障140。接下來，如圖8和9中所示，組成轉子芯123的最下部分的單元芯1 能夠只包括 軸孔1 和狹槽121。也就是說，單元芯1 沒有磁通屏障。因此，當磁體插入單元芯124 和125的各個磁通屏障140的局部區域中時，單元芯126能夠防止磁體脫離。同樣，如圖8和9中所示，組成轉子芯123的最上部分的單元芯IM形成有軸孔 128、狹槽121、以及磁通屏障140。在這種情況下，優選地，考慮到與下文將描述的端環的關 系，設置有插入磁體所需的最小的磁通屏障140。因此，在堆疊單元芯以獲得圖8中所示的轉子芯並隨後經由鋁壓鑄形成端環之 後，能夠將磁體插入磁通屏障中。另外，以如圖8中所示的電動機方位，可經由轉子芯內部 與磁體之間的相互作用來防止磁體散開，而不用單獨的防散結構。圖11和12是具有上述構型的轉子芯的頂視平面圖和底視平面圖。具體而言，根 據上述轉子芯，能夠在轉子芯的底部形成如圖14中所示的普通環形的端環151。S卩，上述轉子能夠概括為形成端環之後插入磁體的轉子。所述普通環形端環能夠構造成除軸孔1 之外覆蓋轉子芯123的整個頂表面或底 表面。應注意，端環的高度和徑向寬度越大，由於端環而引起的損耗越小。也就是說，類似 於由於導電桿而引起的損耗，能夠最大程度地降低由於端環而引起的損耗。然而，增加端環的高度增大了電動機的尺寸，並因此而受到限制。因此，更優選的 是增加端環的徑向寬度，以便降低由於端環而引起的損耗。同時，圖8中所示的最上方的單元芯124能夠由圖10中所示的最下方的單元芯126取代。具體而言，最上方和最下方的單元芯能夠由圖10中所示的單元芯1 取代。結 果得到的構型是根據本發明的電動機的替代構型。在該替代構型中，在將中間單元芯125堆疊在最下方的單元芯1 上之後，將磁體 插入磁通屏障中。然後，將最上方的單元芯(在這種情況下，等同於最下方的單元芯)堆疊 在上面，並經由鋁壓鑄而形成導電桿和端環。圖12的平視面圖中示出上述轉子芯。圖12中所示的轉子芯能夠使用如圖12和 14中所示的設置在其頂部和底部的普通環形端環151。更具體而言，能夠將上述轉子概括為插入磁體之後形成端環的轉子。因此，即使不 以豎式驅動的方式利用該電動機，包括上述轉子的電動機也能夠通過最上方和最下方的單 元芯來防止磁體散開。同時，在上述構型中，根據本發明的電動機始終包括不幹擾磁體、但與多個導電桿 122相連接的端環。當然，端環不幹擾磁通屏障140。更具體而言，在上述電動機的替代構型中，轉子芯的最上方和最下方的單元芯未 形成有磁通屏障140，因此，不存在端環與磁通屏障140之間的幹擾。因此，能夠從所有普通 端環形狀中自由地選擇端環的形狀，並且這具有使得因端環引起的損耗最小化的效果。然而，在電動機的上述構型中，必須在完成轉子芯之後和在將磁體插入磁通屏障 中之前形成端環150。在這種情況下，重要的是消除磁體與端環150之間的任何幹擾。艮口， 必須將端環150構造成具有用於插入磁體的空間。在此，為了如上所述使得因端環150而引起的損耗最小化，優選的是增加端環150 的徑向寬度。因此，優選地，最上方的單元芯1 具有插入磁體所需的最小的磁通屏障140。在這種情況下，能夠將端環150構造成具有如圖11和13中所示的形狀。具體而 言，端環150能夠分為q軸線方向部分和d軸線方向部分，並且d軸線方向的寬度大於q軸 線方向的寬度。這可有效地使由於端環150而引起的損耗最小化。另外，由於優選的是增 加端環150的q軸線方向的寬度，所以如圖11中所示，磁通屏障140更優選地構造成朝著 轉子的中心會聚。而且，端環的d軸線方向部分的內周優選平行於q軸線延伸。同樣，優選地，端環的q軸線方向部分的內周平行於相鄰磁通屏障延伸。因此，在上述構型中，端環150是環形端環，在該環形端環中其徑向寬度沿著轉子 芯123的周向方向變化。此外，端環的q軸線方向的寬度大於d軸線方向部分的寬度。在下文中，將參照圖15至17來詳細描述根據本發明的電動機的運行。根據本發明的電動機基本上可適用於可變負載風扇電動機、壓縮機、家用電子設 備等。在下文中，為了描述方便起見，將描述在旋轉式壓縮器中使用的電動機。通常，旋轉式壓縮機主要使用單相感應電動機，並因此具有因單相感應電動機的 上述特性而引起的低效率的問題。因此，應認識到，根據本發明的電動機有利地可適用於旋 轉式壓縮機等，以改善壓縮機的效率。最近，已主要使用可變容量壓縮機，在可變容量壓縮機中，單旋轉式壓縮機能夠執 行可變容量運行。作為一個示例，存在一種能夠通過改變單缸中待壓縮的製冷劑的量來改變容量的 壓縮機。韓國專利特許公開No. 10-2006-0120387中公開了這種壓縮機，其中選擇性地在多 個缸中壓縮製冷劑，以改變壓縮機的容量。
在此，壓縮機的容量變化意味著用於壓縮製冷劑的電動機負載的變化。因此，為了 實現可變容量壓縮機的卓越的高效率，有利的是使用根據本發明的電動機而不是普通感應 電動機。這是因為根據本發明的電動機不僅在正常運行期間始終以同步速度運行、而且即 使在電動機負載改變的情況下也始終以同步速度運行。另外，由於該電動機即使在其溫度 升高的情況下也使用磁阻轉矩和磁轉矩運行，所以可以使由於溫度升高而引起的損耗最小 化。考慮到普通單相感應電動機經受因溫度升高而引起的嚴重損耗和壓縮機的內部溫度在 壓縮機運行期間顯著升高這些事實，能夠說上述效果是非常卓越的效果。圖15示出起動轉矩與電容器值之間的關係。如圖所示，電容器值越大，起動轉矩越大。同時，為了發動電動機的起動，起動轉矩 必須大於預定值。即，起動轉矩必須具有足以克服初始電動機負載的值。因此，如果初始電 動機負載增大，則為起動電動機而克服電動機負載所需的起動轉矩的數量級必須進一步增 大。同時，圖3示出具有僅一個單電容器的線圈電路。在這種情況下，如果電動機負載 改變，則電容器值必須增大，以足以克服該電動機負載，從而起動電動機。然而，由於在低電 動機負載條件下使用高電容器值引起損耗，所以優選的是根據電動機負載的變化來改變電容器值。為此，如圖16和17中所示，根據本發明的電動機可以包括並聯連接的電容器。具體而言，線圈包括與單相電源連接的主繞組和連接到單相電源時與主繞組並聯 連接的輔助繞組。同樣，相互並聯連接的電容器串聯連接到輔助繞組。更具體而言，圖16 和17中所示的電路能夠代替圖3中所示的電容器。在開關S保持接通時，相互並聯連接的兩個電容器的值等於電容器值的總和。因 此，當接通開關S時，獲得大的電容器值，結果得到更大的起動轉矩。相反，當切斷開關時， 獲得僅一個電容器的值，結果得到相對小的起動轉矩。因此，優選根據電動機負載的變化而選擇性地接通或切斷開關，更加具體地，在高 電動機負載下接通開關，並在低電動機負載下切斷開關。例如，假設壓縮機的容量分為大容量和小容量，圖16示出大容量壓縮機的運行， 並且圖17示出小容量壓縮機的運行。如從附圖中能夠看到，鑑於效率改善，有利的是在壓 縮機具有低運行容量時不使用大電容器。同時，在電動機初始起動時，即在壓縮機初始起動時，能夠預設壓縮機的容量。例 如，能夠將壓縮機預設為以大容量或小容量運行。優選地，電動機被快速起動，以實現正常運行。為了能夠實現快速初始起動並同時 實現更好的起動特性，優選的是在電動機的初始起動期間保持接通開關。即，優選地，無論 預設容量如何，開關始終保持接通。更具體而言，儘管壓縮機最初被設定為以小容量運行，但如果壓縮機在開關保持 接通時開始運行，並且經歷了期望的時間或滿足期望的條件，則優選的是切斷開關。相反， 儘管壓縮機最初被設定為以大容量運行，但如果壓縮機在開關保持接通時開始運行，並且 運行條件未改變，則優選的是保持開關接通。應注意，在正常運行期間能夠根據容量變化而選擇性地接通或切斷開關。
因此，能夠根據電動機是否初始起動和容量在運行期間是否變化來選擇性地接通 或切斷開關S。這保證了電動機的穩定起動。另外，縮短的初始起動時間允許壓縮機快速達 到正常運行，從而改善壓縮機效率。如上所示，這是因為根據本發明的電動機能夠在正常運 行期間使用磁阻轉矩和磁轉矩以同步速度旋轉，並且能夠實現極高的正常運行效率。對於本領域的技術人員來說顯而易見的是，在不脫離本發明的精神或範圍的情況 下能夠對本發明進行各種修改和變更。因此，本發明意圖涵蓋本發明的修改和變更，只要這 些修改和變更在所附權利要求和其等同的範圍內。工業實用性本發明能夠提供一種具有改進效率的電動機和一種包括該電動機的可變容量壓 縮機。
權利要求
1.一種電動機，在所述電動機中，利用電力供應至定子線圈時產生的感應轉矩來起動 轉子，其中，所述轉子包括轉子芯；導電桿，所述導電桿沿著周向方向布置在所述轉子芯的外緣區域中，以產生感應電流；磁通屏障，所述磁通屏障形成在所述轉子芯中，以中斷磁通量的流動，從而用於產生磁 阻轉矩；以及磁體，所述磁體設置在所述轉子芯中，以產生磁通量，從而用於產生磁轉矩。
2.根據權利要求1所述的電動機，其中，利用由所述導電桿產生的感應轉矩來起動所 述轉子，且一旦起動，所述轉子利用由所述磁通屏障產生的磁阻轉矩和由所述磁體產生的 磁轉矩來旋轉。
3.根據權利要求2所述的電動機，其中，所述轉子一旦起動，則利用所述磁阻轉矩和所 述磁轉矩以同步速度旋轉。
4.根據權利要求1所述的電動機，其中，供應給所述線圈的電力是單相電力。
5.根據權利要求4所述的電動機，其中，通過所述定子中產生的旋轉磁場和所述轉子 中產生的感應電流而產生感應轉矩。
6.根據權利要求5所述的電動機，其中，所述線圈包括主繞組和輔助繞組，所述主繞組 和輔助繞組與用於供應單相電力的單相電源相連接，而且相互並聯連接，所述輔助繞組串 聯連接到電容器。
7.根據權利要求1所述的電動機，其中，所述轉子可旋轉地設置在所述定子內。
8.根據權利要求7所述的電動機，其中，所述磁通屏障布置成給所述轉子提供至少兩 個或更多偶數個磁極。
9.根據權利要求8所述的電動機，其中，所述轉子包括q軸線，所述q軸線從所述轉子的中心徑向延伸，並且沿著所述q軸線，所述磁通量的流 動被所述磁通屏障中斷；和d軸線，所述d軸線從所述轉子的中心徑向延伸，並且沿著所述d軸線，所述磁通量的流 動未被中斷。
10.根據權利要求9所述的電動機，其中，所述轉子包括兩個磁極，且所述q軸線和所述 d軸線在空間上相互垂直。
11.根據權利要求9所述的電動機，其中，每個磁通屏障關於所述q軸線對稱。
12.根據權利要求11所述的電動機，其中，所述磁通屏障關於所述轉子的中心從所述 中心向兩端傾斜，從而所述磁通屏障的兩端遠離或更接近垂直於q軸線的軸線。
13.根據權利要求9至12中的任一項所述的電動機，其中，組成每個磁極的所述磁通屏 障布置在至少兩層或更多層中。
14.根據權利要求13所述的電動機，其中，每層的所述磁通屏障均連續形成。
15.根據權利要求14所述的電動機，其中，所述磁通屏障從所述轉子的外側越接近內 側，越具有較長的長度。
16.根據權利要求15所述的電動機，其中，所述磁體被插入到各個所述磁通屏障的局部區域中。
17.根據權利要求16所述的電動機，其中，所述磁體包括沿各個所述磁通屏障的縱向 方向布置的至少兩個或多個磁體。
18.根據權利要求16所述的電動機，其中，所述磁體包括沿所述轉子的縱向方向布置 的至少兩個或多個磁體。
19.根據權利要求16所述的電動機，其中，所述磁體包括彼此具有相同形狀的單元磁體。
20.根據權利要求16所述的電動機，其中，每個磁通屏障形成有臺階部分，以確定相關 所述磁體的插入位置。
21.根據權利要求15所述的電動機，其中，連接插入所述各層磁通屏障中的所述磁體 的相應末端的假想線平行於所述q軸線。
22.根據權利要求15所述的電動機，其中，布置在所述轉子的中心與最外層磁通屏障 的兩端之間所限定的角度內的所述導電桿的徑向寬度小於其他導電桿的徑向寬度。
23.根據權利要求15述的電動機，其中，所述各個磁通屏障的兩端布置為與所述相鄰 導電桿靠近地相對定位，以使所述磁通量通過所述磁通屏障與所述導電桿之間縫隙的洩漏 最小化。
24.根據權利要求23所述的電動機，其中，每個磁通屏障的端部的寬度小於所述磁通 屏障的其餘部分的寬度。
25.根據權利要求1所述的電動機，其中，所述磁體被插入所述各個磁通屏障的局部區 域中。
全文摘要
公開了一種電動機、即具有最低損耗和改進效率的電動機。更具體而言，公開了一種具有增強的起動轉矩性能和提高的正常運行效率的電動機。在使用電力供應至定子線圈時產生的感應轉矩來起動轉子的電動機中，轉子包括轉子芯；導電桿，沿著周向方向布置在轉子芯的外緣區域中，以產生感應電流；磁通屏障，形成在轉子芯中，以便為了產生磁阻轉矩而中斷磁通量的流動；以及磁體，設置在轉子芯中，以便為了產生磁轉矩而產生磁通量。
文檔編號H02K1/27GK102047531SQ200880007722
公開日2011年5月4日 申請日期2008年3月7日 優先權日2007年3月9日
發明者嚴相俊, 南赫 申請人:Lg電子株式會社