转子及永磁电机的制作方法

本发明涉及电机领域，更具体地说，涉及一种转子及永磁电机。

背景技术：

环境污染和能源危机促使新能源汽车行业，尤其是电动汽车行业蓬勃发展，车用驱动电机作为电动汽车的关键执行部件之一，其性能对于整车的性能至关重要。由于具有较高的功率密度和较高的效率等优点，永磁电机已被广泛应用于车用驱动电机领域。为了提升驱动系统的功率密度，通常采用永磁电机和减速器配合的方式来给电动汽车提供驱动力。

由于电动汽车特殊的运行工况，通常需要永磁电机具备较高的功率密度，因此电机的最高转速通常较高。而较高的转速，也导致永磁电机转子的离心力较大，因此转子的机械强度对电机的稳定运行至关重要。

如图1所示，为传统转子的结构示意图，该转子的转子铁芯1上具有多个磁钢槽11，且每一磁钢槽11内具有磁钢2。由于在电机高速旋转时，转子铁芯1上的磁钢2以及磁桥12所受到的离心力增大，会导致较薄的磁桥断裂，从而使磁钢2及磁桥12飞散。为了提升转子铁芯的机械强度，通常采用强度较高的硅钢片来降低转子高速运行时的变形，提升转子的机械强度。另外也可以采用较厚的磁桥12来提升关键部位的机械强度，同时使用较大的倒角来降低受力，尤其是距离转子表面较近且拐角较大的磁钢槽11的两端位置处。

然而，上述转子中，高强度的硅钢片虽然可以提升转子的机械强度和减小转子的变形，但高强度的硅钢片的价格相对较高，将大大增加永磁电机整体的成本。并且，较厚的磁桥12在增加机械强度的同时，也会增加永磁电机的漏磁，降低永磁电机的出力能力，通过牺牲转矩性能来提升转子的机械强度不利于实现磁钢的最大利用率。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对上述永磁电机转子成本较高、不利于实现磁钢最大利用率的问题，提供一种转子及永磁电机。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种转子，包括转子铁芯，所述转子铁芯包括多个周向分布的磁极，且每一磁极包括用于安装第一磁钢的第一磁钢槽；所述第一磁钢槽以中心线为对称轴且所述中心线沿所述转子铁芯的径向分布；所述第一磁钢槽包括外壁面、内壁面以及两个侧壁面，其中：所述外壁面和内壁面分别为平面并分别垂直于所述中心线；两个所述侧壁面分别位于所述第一磁钢槽的两端，并分别连接所述外壁面和内壁面；每一所述侧壁面上具有凸向所述转子铁芯外周面的峰形凸起，且所述第一磁钢的端部位于所述峰形凸起的内侧。

在本发明所述的转子中，每一所述侧壁面包括外侧壁面、内侧壁面以及连接壁面，且所述外侧壁面的第一端连接到所述外壁面、所述内侧壁面的第一端连接到所述内壁面、所述连接壁面的两端分别连接到所述外侧壁面的第二端和所述内侧壁面的第二端；所述峰形凸起位于所述外侧壁面。

在本发明所述的转子中，所述外侧壁面包括连接到所述外壁面的第一曲面、连接到所述连接壁面的第二曲面以及位于所述第一曲面和第二曲面之间的连接平面，且所述连接平面分别与所述第一曲面、第二曲面相切。

在本发明所述的转子中，所述第一曲面的截面由第一二次曲线构成，且所述第一二次曲线的中心位于所述第一磁钢槽的外侧；所述第二曲面的截面由第二二次曲线构成，且所述第二二次曲线的中心位于所述第一磁钢槽的内侧。

在本发明所述的转子中，所述第一二次曲线由第一椭圆的圆弧构成，且所述第一椭圆的长轴的长度是短轴的长度的1.5～1.7倍、所述第一椭圆的长轴与所述第一磁钢槽的中心线之间的夹角为20°～25°；所述第二二次曲线由第二椭圆的圆弧构成，且所述第二椭圆的长轴的长度是短轴的长度的4～6倍、所述第二椭圆的长轴与所述第一磁钢槽的中心线之间的夹角为60°～65°。

在本发明所述的转子中，所述内侧壁面由平面构成，且所述内侧壁面上与所述内壁面相接处具有凸棱，并通过所述凸棱固定第一磁钢的端部；所述连接壁面分别与所述外侧壁面和内侧壁面相切，且所述连接壁面的截面由第三椭圆的圆弧构成；所述第三椭圆的中心位于所述第一磁钢槽内，且所述第三椭圆的长轴的长度是短轴的长度的1.3～1.6倍、所述第三椭圆的长轴与所述第一磁钢槽的中心线之间的夹角为50°～55°。

在本发明所述的转子中，每一所述磁极包括位于所述转子铁芯外周的至少两个辅助槽，所述至少两个辅助槽沿所述中心线对称分布，且每一所述辅助槽的深度为0.5～1mm。

在本发明所述的转子中，所述辅助槽包括中心轴分别平行于所述转子铁芯中心轴的第一圆弧面、第二圆弧面以及第三圆弧面，所述第二圆弧面连接在所述第一圆弧面和第三圆弧面之间，且所述第一圆弧面和第三圆弧面的另一侧分别连接到转子铁芯的外周；所述第一圆弧面和第三圆弧面的中心轴位于所述转子铁芯内、所述第二圆弧面的中心轴位于所述转子铁芯外；所述第一圆弧面、第二圆弧面以及第三圆弧面的半径为0.8～1.2mm。

在本发明所述的转子中，每一所述磁极包括两个分别用于安装第二磁钢的第二磁钢槽，且所述两个第二磁钢槽在所述中心线两侧呈V形对称分布；所述第一磁钢槽与所述转子铁芯的外周之间形成第一磁桥，所述第二磁钢槽与所述转子铁芯的外周之间形成第二磁桥，所述辅助槽位于所述第一磁桥与第二磁桥之间。

在本发明所述的转子中，所述第二磁钢槽包括第一V形侧壁面、第二V形侧壁面、外端壁面以及内端壁面；所述第一V形侧壁面和第二V形侧壁面为平面，所述外端壁面和内端壁面将第一V形侧壁面、第二V形侧壁面相连接，使得所述第二磁钢槽成为一个封闭的空孔。

在本发明所述的转子中，所述外端壁面包含槽上壁面、槽侧第一壁面和槽侧第二壁面，所述槽上壁面与所述转子铁芯的切向的夹角小于5°，所述槽侧第一壁面连接在所述槽上壁面与第一V形侧壁面之间、所述槽侧第二壁面连接在所述槽上壁面与第二V形侧壁面之间。

在本发明所述的转子中，所述槽上壁面的两侧采用双椭圆外相切的倒角方式分别连接到所述槽侧第一壁面和槽侧第二壁面。

在本发明所述的转子中，所述槽上壁面包括第四圆弧面，且所述第四圆弧面的截面与所述转子铁芯的外周的截面构成同心圆弧。

本发明还提供一种永磁电机，包括如上所述的转子。

本发明转子及永磁电机，通过在第一磁钢槽的两端增加峰形凸起，在减小转子铁芯漏磁的同时，可减小转子在高速运行时第一磁钢槽两端的机械应力。

本发明还通过排布为V形的第二磁钢和排布为I型的第一磁钢，实现了较好的聚磁效应，有利于提升磁钢的抗退磁能力，并能够有效减小直轴电感，从而增加磁阻转矩。

并且，由于排布为V形的第二磁钢槽在靠近转子铁芯表面处采用双椭圆反向相切结构，有利于提升该处的机械强度，并有利于该处磁桥厚度的减小，降低漏磁，提升转矩。

附图说明

图1是现有永磁电机转子铁芯的示意图；

图2是本发明转子实施例的示意图；

图3是本发明转子的一个磁极的实施例的示意图；

图4是图3中A处的局部放大示意图；

图5是图3中B处的局部放大示意图；

图6是本发明转子在第一磁钢槽端部及第二磁钢槽端部的结构应力示意图；

图7是现有转子在I型磁钢槽端部的结构应力示意图；

图8是本发明转子在第一磁钢槽端部的磁场分布示意图；

图9是现有转子在I型磁钢槽端部的磁场分布示意图；

图10是本发明转子与现有转子的线电压谐波对比示意图；

图11是图3中C处的局部放大示意图；

图12是本发明转子在第二磁钢槽端部的磁场分布示意图；

图13是现有转子在V型磁钢槽端部的磁场分布示意图；

图14是现有转子在V型磁钢槽端部的结构应力示意图；

图15是本发明永磁电机中的定子示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2～3所示，是本发明转子实施例的示意图，该转子可应用于永磁电机。本实施例中的转子包括转子铁芯3(该转子铁芯3具体可由硅钢片冲叠而成)，该转子铁芯3包括多个周向分布的磁极，且每一磁极包括用于安装第一磁钢(I型磁钢)4的第一磁钢槽31。该第一磁钢槽31以中心线Od为对称轴(O为转子铁芯3的中心轴)呈轴对称分布，且上述中心线Od沿转子铁芯的径向分布，即第一磁钢槽31的主体垂直于径向的中心线Od。

上述第一磁钢槽31包括外壁面311、内壁面312以及两个侧壁面，其中上述外壁面311和内壁面312分别为平面并分别垂直于中心线Od；两个所述侧壁面分别位于第一磁钢槽31的两端，并分别连接外壁面311和内壁面312的端部。第一磁钢槽31的外壁面311和内壁面312分别与第一磁钢4的表面平行，并且外壁面311位于靠近转子铁芯3的外周面的一侧、内壁面312位于靠近转子铁芯3的中心轴的一侧，在第一磁钢4安装到第一磁钢槽31时，该第一磁钢4的两侧表面分别贴于外壁面311和内壁面312。每一侧壁面上具有凸向转子铁芯3的外周面的峰形凸起(即随着从外壁面311的端部向远离外壁面311的方向，侧壁面距离转子铁芯3的外周的距离先减小后逐渐增大)，且第一磁钢4的端部位于峰形凸起的内侧(即靠近转子铁芯3的中心轴的一侧)，即外壁面311的长度(即图3中水平方向的尺寸)小于第一磁钢4的长度。特别地，上述第一磁钢4的端部位于峰形凸起的顶点(即最接近转子铁芯3的外周面的点)的内侧。

上述转子通过在第一磁钢槽31的端部增加峰形凸起，可在降低漏磁的同时，保证转子铁芯3在第一磁钢槽31的端部的机械强度。

如图4所示，上述每一侧壁面具体可包括外侧壁面、内侧壁面317以及连接壁面316，且外侧壁面的第一端连接到外壁面311、内侧壁面317的第一端连接到内壁面312、连接壁面316的两端分别连接到外侧壁面的第二端和内侧壁面317的第二端；峰形凸起位于外侧壁面，即外侧壁面从与外壁面311相接处至连接壁面316，该外侧壁面与转子铁芯3的外周面的距离先减小、后逐渐增大。

具体地，上述外侧壁面包括连接到外壁面311的第一曲面313、连接到连接壁面316的第二曲面315以及位于第一曲面313和第二曲面315之间的连接平面314，且连接平面314分别与第一曲面313、第二曲面315分别相切。

上述第一曲面313的截面(垂直于转子铁芯3的中心轴的截面)具体可由第一二次曲线构成，且该第一二次曲线的中心E1位于第一磁钢槽31的外侧；第二曲面315的截面(垂直于转子铁芯3的中心轴的截面)由第二二次曲线构成，且该第二二次曲线的中心E2位于第一磁钢槽31的内侧。特别地，上述第一二次曲线由第一椭圆的圆弧构成，且该第一椭圆的长轴的长度是短轴的长度的1.5～1.7倍、该第一椭圆的长轴与第一磁钢槽31的中心线Od之间的夹角为20°～25°；第二二次曲线由第二椭圆的圆弧构成，且该第二椭圆的长轴的长度是短轴的长度的4～6倍、该第二椭圆的长轴与所述第一磁钢槽31的中心线Od之间的夹角为60°～65°。

内侧壁面317由平面构成，且转子铁芯3在内侧壁面317上与内壁面312相接处具有凸棱318，并通过该凸棱318固定第一磁钢4的端部。连接壁面316与第二曲面315、内侧壁面317分别相切，且该连接壁面316由第三曲面构成，且该第三曲面的截面(垂直于转子铁芯3的中心轴的截面)同样由二次曲线即第三二次曲线构成，且该第三二次曲线为第三椭圆的一部分，该第三二次曲线的中心E3位于第一磁钢槽31内，且第三椭圆的长轴长度为短轴长度的1.3～1.6倍，长轴与第一磁钢槽31的中心线Od之间的夹角为50°～55°。上述结构的连接壁面316有利于降低外侧壁面与内侧壁面317连接处的转折机械应力。

并且，上述第一二次曲线的中心E1、第二二次曲线的中心E2和第三二次曲线的中心E3距离转子铁芯3的中心轴O的距离逐渐减小，从而有利于外侧壁面上峰型凸起的形成。

外侧壁面上的第一曲面313以及连接平面314，有利于减小漏磁，同时能够将第一磁钢4及该第一磁钢4的外侧部分的转子铁芯3的应力分散，防止该处的应力集中在外壁面311与侧壁面之间的连接处。另外，外侧壁面上的第二曲面315及与连接壁面316的相切连接方式，同样有利于将靠近外壁面311的机械应力均匀分散在外侧壁面与连接壁面316及其外侧转子铁芯部分，同时沿转子铁芯3的圆周方向相对较长的外侧壁面有利于减小磁桥(即转子铁芯3上外侧壁面与外周面之间的部分)的等效厚度，从而减小漏磁。与此同时，由于外壁面311的长度小于磁钢的长度，配合该上述外侧壁面的形状，有利于减小电机的线电压谐波分量。

如图6、7所示，由于峰形凸起的存在，相对于未采用峰形凸起式侧壁面的转子铁芯，第一磁钢槽31的两端的侧壁面处的最大机械应力由331.7MPa减小到了283Mpa。

如图3、5所示，每一磁极还包括至少两个辅助槽，且该两个辅助槽位于转子铁芯3的外周。上述两个辅助槽沿中心线Od对称分布，且每一辅助槽的深度为0.5～1mm。辅助槽深度较浅有利于减小风磨损耗以及降低其对交轴电路的影响。

上述辅助槽包括第一圆弧面331、第二圆弧面332以及第三圆弧面333，且第一圆弧面331、第二圆弧面332以及第三圆弧面333的中心轴分别平行于转子铁芯3的中心轴。上述第二圆弧面332连接在第一圆弧面331和第三圆弧面333之间，且第一圆弧面331和第三圆弧面333的另一侧分别连接到转子铁芯3的外周。上述第一圆弧面331的截面(垂直于转子铁芯的中心轴的截面)的中心E4和第三圆弧面333的截面(垂直于转子铁芯的中心轴的截面)的中心E6分别位于转子铁芯3内、第二圆弧面332的截面(垂直于转子铁芯的中心轴的截面)的中心E5则位于转子铁芯3外。为使辅助槽的深度较浅，上述第一圆弧面331、第二圆弧面332以及第三圆弧面333的半径为0.8～1.2mm。如图10所述，相较于现有的电机转子，上述辅助槽与峰形凸起配合，可进一步降低转子相应的线电压谐波分量，改善电机振动噪音问题。

并且如图8、9所示，相对于传统转子结构，上述带有峰形凸起的第一磁钢槽31以及转子铁芯3的表面的交轴辅助槽可以明显减小第一磁钢4处的漏磁，从而保证电机转矩输出。

如图3所示，每一磁极还包括两个分别用于安装第二磁钢(即V型磁钢)5的第二磁钢槽32，且该两个第二磁钢槽32在中心线Od的两侧呈V形对称分布。第一磁钢槽31与转子铁芯3的外周之间形成第一磁桥，第二磁钢槽32与转子铁芯3的外周之间形成第二磁桥，辅助槽位于第一磁桥与第二磁桥之间。

上述第二磁钢槽32包括第一V形侧壁面321、第二V形侧壁面322、外端壁面(靠近转子铁芯3的外周的一侧)以及内端壁面(靠近转子铁芯3的中心轴的一侧)。上述第一V形侧壁面321和第二V形侧壁面322为平面，且第一V形侧壁面321和第二V形侧壁面322分别与第二磁钢5的表面平行，外端壁面和内端壁面将第一V形侧壁面321、第二V形侧壁面22相连接，使得第二磁钢槽32成为一个封闭的空孔。

外端壁面和内端壁面都由直线和二次曲线相切构成，这主要是为了降低壁面转折处的机械应力，并尽可能减小倒角对电磁性能的影响。

如图11所示，具体地，外端壁面包含槽上壁面、槽侧第一壁面和槽侧第二壁面，且槽侧第一壁面和槽侧第二壁面分别连接在槽上壁面的两端。上述槽上壁面切向设置或与切向方向存在略微夹角(与转子铁芯3的切向的夹角小于5°)。槽侧第一壁面连接在所述槽上壁面与第一V形侧壁面321之间、槽侧第二壁面连接在槽上壁面与第二V形侧壁面322之间。

在电机高速运行时，两个第二磁钢5之间的转子铁芯部分和第一磁钢4受到巨大的离心力，会有沿着径向方向的偏移运动(从转子铁芯3的中心轴向外升起)，同时第二磁钢5外侧的转子铁芯部分也会有沿着径向方向的偏移运动(从转子铁芯3的中心轴向外升起)，这两者偏移运动会造成第二磁钢槽32的外端壁面承受巨大的机械应力。通常为了减小该处在高速运行时的机械应力，会增大第二磁桥(即转子铁芯3位于第二磁钢槽32与转子铁芯3的外周之间的部分)的厚度，但是这无疑会增加电机的漏磁。同时，槽上壁面与槽侧第一壁面和槽侧第二壁面连接转折处会产生巨大的转折机械应力。

槽上壁面的两侧采用双椭圆外相切的倒角方式分别连接到槽侧第一壁面和槽侧第二壁面。槽上壁面包括第四曲面324、第五曲面325以及第四圆弧面323。第四圆弧面323与转子铁芯3的外周同轴，这有利于使得第四圆弧面323与转子铁芯3的外周的距离恒定，从而使得该处的机械应力均匀分布。第四曲面324的截面由第四椭圆构成，该第四椭圆的截面的中心在E7，且第四椭圆与第四圆弧面323的截面之间的相切点为Q1；第五曲面325的截面由第五椭圆构成，该第五椭圆的中心为E8，且第五椭圆与第四圆弧面323的截面之间的相切点为Q2，两个相切点Q1和Q2可连接为一条虚拟直线Q1Q2。上述以E7为中心的第四椭圆和以E8为中心的第五椭圆中，第四椭圆的长轴与虚拟直线Q1Q2之间的夹角为5°至7°之间，第五椭圆与虚拟直线Q1Q2之间的夹角同样为5°至7°之间。通过上述结构，使得槽上壁面中间部分离转子铁芯3的外周的距离相等，并且沿着槽上壁面向两端方向延伸的部分离转子铁芯3的外周的距离缓慢增加，从而形成基本等厚的第二磁桥，达到均匀分散应力的效果，防止应力集中在槽上壁面，尤其防止应力集中到第四曲面324和第五曲面325处。

由于常规圆形倒角会使得第二磁钢槽32的槽上壁面应力集中在连接转折处，为降低外端壁面处的机械应力，防止其在高速运行时断裂，并且尽可能减小第二磁桥的厚度来减小电机的漏磁，需要对外端壁面进行优化设计。具体地，外端壁面采用双椭圆外相切的倒角方式(即两个椭圆只有一个切点作为交集，并非一椭圆包含在另一椭圆内)。具体地，槽侧第一壁面由第六曲面326构成，且该第六曲面326的截面由第六椭圆的一部分构成，该第六椭圆的中心为E9，且第六椭圆长轴与虚拟线段Q1Q2的夹角为80°至85°之间，槽侧第一壁面与第四曲面334相切，即该处连接转折处采用双椭圆外相切倒角方式，有利于避免连接转折处机械应力的集中。槽侧第一壁面的另一侧与第一V形侧壁面321相切，第一V形侧壁面321的延长线与槽上壁面相交。槽侧第二壁面由第七曲面327和第八曲面328构成，且第七曲面327的截面由第七椭圆的一部分构成，该第七椭圆的中心为E10，其长轴与虚拟线段Q1Q2的夹角为60°至65°之间；第七曲面327与第五曲面325相切，即该处采用双椭圆外相切倒角方式，有利于避免连接转折处机械应力的集中。第七曲面327与第八曲面328相切，第八曲面328的截面可以为二次曲线，且该二次曲线的延长线与槽上壁面相交(在实际应用中，第八曲面328也可由平面代替)。通过上述倒角方式，一方面使得槽上壁面长度较长且距离转子铁芯3的外周的距离基本恒定，从而可以使得槽上壁面处机械应力均匀分散，另一方面也能有效分散槽上壁面与槽侧第一壁面和槽侧第二壁面连接转折处的转折机械应力(结合图6和图14)，从而防止连接转折处在电机高转速时由于巨大的机械应力而断裂。同时，由于该处机械应力的有效降低，第二磁桥的厚度能够有效减小，从而减小该处的漏磁，如图12、13的对比。

本发明还提供一种永磁电机，该永磁电机可降低转子高速运行机械应力并提升电磁性能。该永磁电机包括机壳、如图2所示的转子以及如图15所示的定子6，上述转子和定子6均装设在机壳内，且转子外壁及定子6的内壁之间具有气隙(气隙的厚度与电机的功率等级、转子铁芯3内的第一磁钢4、第二磁钢5所选取的磁钢材料以及定子6加工和装配工艺有关)。上述永磁电机由8极48槽双层绕组构成，当然，在实际应用中，转子的磁极和定子的槽的数量可根据实际需要选择。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。