一种交替极电机的制作方法

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种交替极电机。

背景技术

传统永磁电机，以8极永磁电机为例，其具有8个永磁体，围绕转子中心沿旋转方向布置，并且相邻的永磁体具有不同的磁化方向。而交替极永磁同步电机仅有4个永磁体，同样是沿圆周均匀分布，并且相邻的永磁体具有相同的磁化方向长度，永磁体安装槽的称为永磁极，两个永磁体安装槽之间的软磁材料被永磁极磁化成与具有与永磁极相反的极性，因此称为交替极永磁电机，采用这种电机可以显著降低永磁体使用量。

但是，现有交替极电机的一对极下的磁力线仅穿过一块永磁体，尽管其单块永磁体厚度较常规电机厚，但是常规电机磁力线回路中存在两块永磁体，所以交替极电机d轴磁路上永磁体厚度明显小于常规电机d轴磁路上等效永磁体厚度。因此，交替极电机d轴磁路磁阻较小，d轴电感较大导致q轴与d轴的电感差值较小，从而引起磁阻转矩较小，限制了电磁转矩的提升。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种交替极电机，以解决现有的交替极电机磁阻转矩较小，限制电磁转矩的提升的问题。

为实现上述目的，本发明提出的技术方案如下：一种交替极电机，包括转子和套设在所述转子外的定子，所述转子包括沿所述转子周向均匀间隔分布的多个永磁极，所述定子的内周缘沿其周向设有多个定子齿，所述转子的永磁极包括沿所述转子径向由外向内设置的第一永磁体安装槽和第二永磁体安装槽，所述第一永磁体安装槽内设置有第一层永磁体，所述第二永磁体安装槽设置有第二层永磁体。

根据本发明提供的交替极电机，采用多层分布的永磁体，能够提升电机的磁阻转矩，从而提升电机的电磁转矩。

另外，根据本发明上述实施例的一种交替极电机，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个示例，所述定子齿的数量为z，所述永磁极的数量为p，其中，每个所述永磁极的第一永磁体安装槽与所述定子内周缘的第一区域相对应，所述第一区域内具有的定子齿的数量为z/4p+1。

采用上述技术方案，能够同时使第一层永磁体产生更大的永磁转矩，使第一永磁体安装槽和第二永磁体安装槽之间的导磁通道的q轴磁路具有更大的电感，从而提升磁阻转矩。

根据本发明的一个示例，所述定子齿的数量为z，所述永磁极的数量为p，其中，每个所述永磁极的第二永磁体安装槽与所述定子内周缘的第二区域相对应，所述第二区域内具有的定子齿的数量为z/2p+2。

采用上述技术方案，能够进一步提升电磁转矩。

根据本发明的一个示例，所述定子齿靠近所述转子的一端的两侧均设有齿尖，所述第二永磁体安装槽的一侧与第二区域内一侧的定子齿的外侧齿尖相对应，所述第二永磁体安装槽的另一侧与第二区域内另一侧的定子齿的外侧齿尖相对应。

采用上述技术方案，能够最大化提升电磁转矩。

根据本发明的一个示例，所述第一层永磁体厚度为t1,所述第二层永磁体的厚度为t2；其中，1.3<t1/t2<1.7。

采用上述技术方案，在满足抗退磁能力的前提下，用最少的永磁体用量提供最大的电磁转矩。

根据本发明的一个示例，在垂直于所述转子轴线的截面上，所述第一永磁体安装槽和所述第二永磁体安装槽的截面均包括依次连接的第一段、第二段和第三段，所述第一段和所述第三段关于所述第二段的中线对称，且所述第一永磁体安装槽的第二段和所述第二永磁体安装槽的第二段的中线重合并与所述转子轴线相交；所述第一永磁体安装槽的第二段内安装有所述第一层永磁体，所述第一永磁体安装槽的第一段和第三段内安装有磁绝缘材料；所述第二永磁体安装槽的第二段内安装有所述第二层永磁体，所述第二永磁体安装槽的第一段和第三段内安装有磁绝缘材料。

采用上述技术方案，降低永磁体的用量的同时，使永磁体等效厚度保持不变。

根据本发明的一个示例，所述第一层永磁体厚度为t1,所述第二层永磁体的厚度为t2，所述第二永磁体的第一段靠近所述转子外周缘的端部和第三段靠近所述转子外周缘的端部之间的距离为w2；其中，4<w2/(t1+t2)<8。

采用上述技术方案，保证了永磁体等效磁通面与等效厚度比合适，充分利用永磁体，降低成本。

根据本发明的一个示例，所述第一永磁体安装槽的第一段和第三段与所述转子外周缘之间的最小距离为t3，所述第二永磁体安装槽的第一段和第三段与转子外周缘之间的最小距离为t4，其中，所述t3大于等于所述t4。

采用上述技术方案，提升的电机单片抗退磁能力。

根据本发明的一个示例，所述第一层永磁体的中心与所述转子外周缘的最小距离为tm1；所述第一永磁体的第一段靠近所述转子外周缘的端部和第三段靠近所述转子外周缘的端部之间的距离为w1，所述第二永磁体的第一段靠近所述转子外周缘的端部和第三段靠近所述转子外周缘的端部之间的距离为w2；其中，(2×tm1)/(w1-w2)＝(0.5～1)。

采用上述技术方案，可以使得永磁转矩与磁阻转矩占比合适，以增大合成转矩。

根据本发明的一个示例，所述第一永磁体的第一段靠近所述转子外周缘的端部和第三段靠近所述转子外周缘的端部之间的距离为w1，所述第二永磁体的第一段靠近所述转子外周缘的端部和第三段靠近所述转子外周缘的端部之间的距离为w2；其中，1.15<w2/w1<2.1。

采用上述技术方案，将w1与w2的大小进行关联，保证了电磁转矩中永磁转矩与磁阻转矩占比合适，以增大合成转矩。

根据本发明的一个示例，相邻两个第二永磁体安装槽中的一个的第一段与另一个的第三段相邻，一个第二永磁体的第一段靠近所述转子外周缘的端部和另一个第二永磁体的第三段靠近所述转子外周缘的端部之间的距离为w3；所述第二层永磁体的宽度为wm2；其中，1.8<wm2/w3<2.7。

采用上述技术方案，可以最大化电磁转矩，并且降低由于局部磁饱和产生的额外铁损。

根据本发明的一个示例，所述第一层永磁体为低剩磁和低矫顽力永磁体，所述第二层永磁体为高剩磁和高矫顽力永磁体。

采用上述技术方案，在保证电机性能、抗退磁能力的前提下，最大程度降低成本。

根据本发明的一个示例，所述第一层永磁体和/或第二层永磁体由多个永磁块组成。

采用上述技术方案，多块永磁体会简化永磁体加工与安装难度。

根据本发明的一个示例，在垂直于所述转子轴线的截面上，所述第一层永磁体的截面呈v型或u型。

采用上述技术方案，可以增加永磁体的磁通面积。

根据本发明的一个示例，在垂直于所述转子轴线的截面上，所述第二层永磁体的截面呈一字型或v型。

采用上述技术方案，可以增加永磁体的磁通面积。

以上附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例的交替极电机的结构示意图；

图2为图1的a部放大图；

图3为本发明实施例的转子的结构示意图；

图4为本发明实施例的转子的d轴和q轴的磁路示意图；

图5为第一永磁体安装槽包含的定子齿对电磁转矩的影响示意图；

图6为电磁转矩、转矩波动随wm2/w3变化状态示意图；

图7为本发明实施例的交替极电机与现有技术电机的q轴电感对比图；

图8为本发明实施例的交替极电机与现有技术电的电磁转矩随电流角变化曲线图；

图9为本发明实施例的交替极电机与现有技术电的转矩曲线图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、转子；2、定子；3、第一永磁体安装槽；4、第二永磁体安装槽；5、第一段；6、第二段；7、第三段；8、第一层永磁体；9、第二层永磁体；10、导磁通道；11、转子齿；12、齿尖。

实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

结合附图1-3所示，本实施例提供了一种交替极电机，包括转子1和套设在所述转子1外的定子2，所述转子1包括沿所述转子1周向均匀间隔分布的多个永磁极，所述定子2的内周缘沿其周向设有多个定子齿11。

本实施例的首先对转子1的永磁极进行改进，如图1和图3所示，所述转子1的永磁极包括沿所述转子1径向由外向内设置的第一永磁体安装槽3和第二永磁体安装槽4，且所述第一永磁体安装槽3与所述转子1外缘的距离小于所述第二永磁体安装槽4与所述转子1外缘的距离，第一永磁体安装槽3和第二永磁体安装槽4之间为导磁通道10；所述第一永磁体安装槽3内设置有第一层永磁体8，所述第二永磁体安装槽4设置有第二层永磁体9。上述结构的多层分布的永磁体一提升电机的磁阻转矩，从而提升电机的电磁转矩。

具体来说，多层分布的永磁体可以显著提高电机的q轴电感，如图4所示的电机的q轴磁路，本实施例的交替极电机提供了3条明显的磁力线通道，更容易让q轴磁力线通过，q轴磁阻上的磁阻减小，因此q轴电感更大。尽管相比于常规交替极电机d轴磁路穿过的永磁体由一层变为两层，但是由于永磁体用量未变化，永磁体等效厚度也基本不变，d轴磁路电感基本维持不变。但是由于在层与层之间形成了导磁通道10，q轴磁路的磁阻明显减小，q轴电感增大，交直轴磁路电感差值增加，更好地利用了磁阻转矩。图7为本实施例的交替极电机与现有技术电机的q轴电感对比图，结合附图可知，本实施例的交替极电机可以显著提高电机的q轴电感。

下面对本实施例的转子1的结构进行进一步说明：

如图3所示，在垂直于所述转子1轴线的截面上，所述第一永磁体安装槽3和所述第二永磁体安装槽4的截面均包括依次连接的第一段5、第二段6和第三段7，所述第一段5和所述第三段7关于所述第二段6的中线对称，所述第一永磁体安装槽3的第二段6和所述第二永磁体安装槽4的第二段6的中线重合并与所述转子1轴线相交，第一段5与第三段7关于具有向转子1外周缘延伸的形状特征。

具体的，本实施例的所述第一永磁体安装槽3的第二段6内安装有所述第一层永磁体8，所述第一永磁体安装槽3的第一段5和第三段7内安装有磁绝缘材料；所述第二永磁体安装槽4的第二段6内安装有所述第二层永磁体9，所述第二永磁体安装槽4的第一段5和第三段7内安装有磁绝缘材料，磁绝缘材料即不导磁材料，尽管相比于常规交替极电机d轴磁路穿过的永磁体由一层变为两层，但是通过在第一段5和第三段7内安装有磁绝缘材料，永磁体用量未变化，永磁体等效厚度也基本不变，d轴磁路电感基本维持不变。但是由于在层与层之间形成了导磁通道10，q轴磁路的磁阻明显减小，q轴电感增大，交直轴磁路电感差值增加，更好地利用了磁阻转矩。

有利的，本实施例的所述第一层永磁体8厚度为t1,所述第二层永磁体9的厚度为t2；其中，1.3<t1/t2<1.7。采用上述结构是因为：外界施加的退磁磁场直接作用在第一层永磁体8上，永磁体的厚度越厚，抗退磁能力越强，增加第一层永磁体8的厚度可以有效提升抗退磁能力。但是当t1的厚度超出一定范围之后，继续增大对抗退磁能力的增加已不明影响，反而会使永磁体成本急剧上升。而为了控制永磁体成本，第二层永磁体9的厚度t2必然减小，尽管t2减小对抗退磁能力影响不大，但是永磁体工作点的降低会使电磁转矩急剧下降。

因此发明人通过大量的实验证明，当1.3<t1/t2<1.7时，t1和t2的比例较为合适，在满足抗退磁能力的前提下，用最少的永磁体用量提供最大的电磁转矩。

更有利的，本实施例还对永磁极具有的宽度和两层永磁体的等效厚度之间的比例进行限定，如图3所示，所述第一层永磁体8厚度为t1,所述第二层永磁体9的厚度为t2，所述第二永磁体的第一段5靠近所述转子1外周缘的端部和第三段7靠近所述转子1外周缘的端部之间的距离为w2；其中，4<w2/(t1+t2)<8。

具体来说，w2表征了永磁极具有的宽度，(t1+t2)表征了两层永磁体的等效厚度，w2/(t1+t2)表征了本发明转子1中的永磁体长细比，长细比越大的时候，永磁体磁通面积增加，将产生更多的磁力线，可以增加电磁转矩，但是等效厚度减小表示永磁体整体的抗退磁能力减弱；长细比减小的时候，效果相反。因此发明人通过大量的实验，将w2与t1、t2进行关联，实验证明当4<w2/(t1+t2)<8时，能够保证了永磁体等效磁通面与等效厚度比合适，充分利用永磁体，降低成本。

再结合附图3所示，本实施例的所述第一永磁体安装槽3的第一段5和第三段7与所述转子1外周缘之间的最小距离为t3，所述第二永磁体安装槽4的第一段5和第三段7与转子1外周缘之间的最小距离为t4，其中，所述t3大于等于所述t4。

上述结构第一永磁体安装槽3的第一段5与第三段7均和转子1外周缘之间形成宽度为t3的磁桥，第二永磁体安装槽4的第一段5与第三段7与转子1外周缘形成宽度为t4的磁桥，t3大于等于t4。这样设置增加了第一层永磁体8端部的漏磁，减小永磁转矩，但是由于电枢的磁力线会容易通过磁桥处增加了磁阻转矩，总电磁转矩不会减小。第一层永磁体8比第二层更容易发生不可逆退磁影响电机性能，由于增加了第一层永磁体8端部漏磁，提升的电机单片抗退磁能力。

再结合附图3所示，本实施例的所述第一层永磁体8的中心与所述转子1外周缘的最小距离为tm1；所述第一永磁体的第一段5靠近所述转子1外周缘的端部和第三段7靠近所述转子1外周缘的端部之间的距离为w1，所述第二永磁体的第一段5靠近所述转子1外周缘的端部和第三段7靠近所述转子1外周缘的端部之间的距离为w2；其中，(2×tm1)/(w1-w2)＝(0.5～1)。

结合上述结构，发明人通过大量的实验证明，在此范围内时，永磁转矩与磁阻转矩占比合适，可以使合成转矩最大。导磁通道10上包含的磁力线包含电枢磁力线、第二层永磁体9产生的磁力线、第一层永磁体8产生的磁力线，因此，导磁通道101上分布的磁力线更多。研究表明，导磁通道10的宽度可以大致表示为(w1-w2)/2，当2tm1/(w1-w2)<0.5时，导磁通道10上磁力线分布稀疏，但是第一永磁体安装槽3外侧磁力线分布密集，造成局部磁饱和，由第一层永磁体8产生的永磁转矩降低。因为正常情况下导磁通道10分布的磁力线比第一永磁体安装槽3外侧多，当2tm1/(w1-w2)>1时，导磁通道10磁饱和程度较高，磁阻转矩下降。

再结合附图3所示，本实施例的所述第一永磁体的第一段5靠近所述转子1外周缘的端部和第三段7靠近所述转子1外周缘的端部之间的距离为w1，所述第二永磁体的第一段5靠近所述转子1外周缘的端部和第三段7靠近所述转子1外周缘的端部之间的距离为w2；其中，1.15<w2/w1<2.1。

上述结构设计是由于发明人考虑到w1越大，则导磁通道10相对越小，电机的q轴电感增量较小，不利于磁阻转矩的提升，w1越小，永磁体能提供的磁通面积越小，电磁转矩中的永磁转矩下降，并且导磁通道10增大超出一定范围后继续增加对磁阻转矩提升不明显，将w1与w2的大小进行关联，保证了电磁转矩中永磁转矩与磁阻转矩占比合适，使合成转矩最大。

再结合附图3所示，本实施例的相邻两个第二永磁体安装槽4中的一个的第一段5与另一个的第三段7相邻，一个第二永磁体的第一段5靠近所述转子1外周缘的端部和另一个第二永磁体的第三段7靠近所述转子1外周缘的端部之间的距离为w3；所述第二层永磁体9的宽度为wm2；其中，1.8<wm2/w3<2.7。

具体来说，w3表征了交替极的宽度，由于永磁极上第一层永磁体8的磁力线并不穿过交替极，因此交替极的磁力线仅由第二层永磁体9产生，所以本发明双层永磁体结构的交替极电机相比于单层永磁体结构，交替极的宽度可以设计的更小，从而为永磁体提供更大的安装面积。但发明人发现，当永磁极设计的过大时，交替极面积过小会发生磁饱和，因此发明人通过大量的实验证明，当1.8<wm2/w3<2.7时交替极上的磁力线分布均匀，可以最大化电磁转矩，并且降低由于局部磁饱和产生的额外铁损，如图6所示，可以更直观的表现出wm2/w3对电磁转矩的影响。

有利的，本实施例的所述第一层永磁体8为低剩磁和低矫顽力永磁体，所述第二层永磁体9为高剩磁和高矫顽力永磁体，需要说明的是，“低剩磁”、“高剩磁”、“低矫顽力”和“高矫顽力”均为本领域技术人员所熟知的常规技术用词，剩磁为0.5tesla、矫顽力为300ka/m的铁氧体永磁材料就认为是低矫顽力、低剩磁的材料，剩磁1.2tesla、矫顽力1000ka/m的稀土永磁体材料就认为是高矫顽力、高剩磁材料。第二层永磁体9采用高剩磁、高矫顽力的永磁材料，在保证电机性能、抗退磁能力的前提下，最大程度降低成本。

另外，本实施例还对第一层永磁体8和第二层永磁体9的结构形式进行改进，例如，可以使所述第一层永磁体8和第二层永磁体9均由多个永磁块组成，多块永磁体会简化永磁体加工与安装难度。

再例如，在垂直于所述转子1轴线的截面上，将所述第一层永磁体8的截面设计为v型或u型，所述第二层永磁体9的截面设计为一字型或v型。以增加永磁体的磁通面积。

基于上述结构的基础，发明人又发现各层永磁体宽度与齿部位置的关系会影响电磁转矩的大小，因此发明人又对永磁体宽度和定子2的齿部位置进行了改进。

具体的，将本实施例所述定子齿11的数量设计为z，所述永磁极的数量设计为p，其中，每个所述永磁极的第一永磁体安装槽3与所述定子2内周缘的第一区域相对应，所述第一区域内具有的定子齿11的数量为z/4p+1。需要说明的是，上述的“所述永磁极的第一永磁体安装槽3与所述定子2内周缘的第一区域相对应”指的是第一永磁体安装槽3相对两侧向定子2方向的延长线与定子2内周缘的交接区域，区域内的定子齿11的数量为z/4p+1。

如图2所示，正常情况下由定子2发出的进入转子1的磁力线。以电机为48槽8极为例，z/4p+1＝4，因此，第一层永磁体8安装槽的宽度范围内包含了4个定子齿11部，图2中仅画出了一半磁极，另一半通过磁极中心线(也就是图示中的d轴)对称即可得到。包含的一半的齿部如图2中的1#、2#，其上的磁力线方向如箭头所示。当第一层永磁体8安装槽仅包含1#时，那么2#、3#、4#将会对着导磁通道101，导磁通道101中的磁力线数目增加，尽管导磁通道101的入口处(即第一层永磁体8的第三段7与第二层永磁体9的第三段7处)会由于第一层永磁体8安装槽的缩短而增加，但是在导磁通道10的中间段(即第一层永磁体8的第二段6与第二层永磁体9的第二段6之间)不会增加，这部分导磁通道10饱和程度较高，因此q轴电感提升不明显，电磁转矩提升不明显。此外，第一层导磁通道10宽度减小，第一层永磁体8产生的磁力线减少，第一层永磁体8产生的永磁转矩急剧减少，合成的电磁转矩反而下降，同时第一层永磁体8的两端的漏磁占比相应增加，永磁体利用率降低。

当第一永磁体安装槽3包含3个齿部1#、2#、3#时，第一层永磁体8面积增加，由第一层永磁体8产生的转矩增加。但是导磁通,1的入口处减小，较少的磁力线能够进入导磁通道101，q轴电感下降，电磁转矩下降。

发明人通过实验证明，当第一层永磁体8安装槽包含的定子齿11数为z/4p+1时，能够同时使第一层永磁体8产生更大的永磁转矩，使包含导磁通道101在内的q轴磁路具有更大的电感，从而提升磁阻转矩，齿数对电磁转矩成分的影响如图5所示。

再结合附图2所示，本实施例的每个所述永磁极的第二永磁体安装槽4与所述定子2内周缘的第二区域相对应，结合附图可知第二区域包含上述的第一区域，所述第二区域内具有的定子齿11的数量为z/2p+2。有利的，所述定子齿11靠近所述转子1的一端的两侧均设有齿尖12，所述第二永磁体安装槽4的一侧与第二区域内一侧的定子齿11的外侧齿尖12相对应，所述第二永磁体安装槽4的另一侧与第二区域内另一侧的定子齿11的外侧齿尖12相对应。其中的“相对应”指的是永磁体安装槽的两侧(两侧具体为上述的第一段和第三段)向定子方向延长线方向可以与定子齿的齿尖相交。

一半的第二层永磁体9包含的定子齿11部如图2所示，包括1#～4#，第二层永磁体9安装槽对准4#齿的外侧齿尖12，其上的磁力线方向如箭头所示，另一半关于d轴对称即可得到。q轴是常规电机相邻磁极的分界线，其两侧为不同的磁极，但是本发明设计为永磁极超出q轴设计，因为q轴两侧的定子齿11部3#与定子齿11部4#的齿中心部分磁力线分布相互平行，与永磁极上的转子1磁力线进行匝链均能产生正向的转矩，但是4#齿外侧齿尖12的磁力线指向交替极侧，假如永磁极与这部分磁力线作用将会产生负的转矩，从而使电磁转矩下降。为了使能和永磁极匝链的电枢磁力线最大程度增加，并且不产生负的转矩，本发明设计第二层永磁体9安装槽的第三段7对准4#齿的外侧齿尖12设计，最大化电磁转矩。

再结合附图8所示，可知本实施例交替极电机的电磁转矩随电流角变化明显优于现有技术，另外如图9所示，本实施例交替极电机的转矩也明显优于现有技术。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”、“径向”、“周向”、“轴向”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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。