交替极电机转子和交替极电机的制作方法

本实用新型属于电机设备技术领域，具体涉及一种交替极电机转子和交替极电机。

背景技术：

交替极永磁同步电机使用的永磁体数量仅为传统永磁同步电机永磁体数量的一半，因此，其对永磁体的利用更加充分，可以显著降低永磁体使用量，从而降低电机成本。

但是其特殊的磁路结构也带来了很多问题，包括永磁体使用量减少带来的输出转矩下降、相邻磁极结构不对称导致转矩波动增加的问题，限制了交替极电机的进一步推广应用。在一篇公开号为CN103117611A实用新型名称为一种永磁电机的专利文件中，公开了一种转子结构，但是其一方面没有考虑到电机转轴上的漏磁，导致电机的转矩能力受到限制。

另一方面针对V型结构的永磁体安装方式，现在常用的冲片结构是转子外周缘留有一定厚度的桥接部，一个V型永磁体的两端都设有此桥接部，桥接部上会有一部分短路的磁力线通过，即漏磁，这部分漏磁会降低永磁体利用率，降低输出转矩。

此外，针对采用V型永磁体结构的交替极电机，V型永磁体的夹角处最容易产生不可逆退磁，降低输出转矩，影响电机性能。

技术实现要素：

因此，本实用新型要解决的技术问题在于提供一种交替极电机转子和交替极电机，能够减弱作用在永磁体夹角上的退磁磁场强度，提高转子的抗退磁能力，提高电机性能。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种交替极电机转子，包括沿电机转子的周向交替设置的永磁极和交替极，永磁极包括V形安装槽，V形安装槽的尖端位置处设置有隔断V形安装槽的两个侧边的导磁桥。

优选地，在垂直于电机转子的中心轴线的截面内，导磁桥的径向外侧边缘宽度td1与导磁桥的径向内侧边缘宽度td2之间的关系满足：td1≤td2。

优选地，导磁桥的长度为w1，td1、td2和w1之间的关系满足：(td1+td2)/2＝0.3*w1～0.5*w1。

优选地，导磁桥的形状为矩形、梯形或鼓形。

优选地，相邻的两个V形安装槽之间设置有第一空气槽，第一空气槽沿电机转子的周向延伸，第一空气槽的两端与V形安装槽之间间隔设置。

优选地，第一空气槽为弧形，第一空气槽的圆心位于电机转子的中心轴线上。

优选地，第一空气槽设置在相邻的两个V形安装槽的尖端之间。

优选地，V形安装槽内置有永磁体，在垂直于电机转子的中心轴线的截面内，永磁体的长度为w2，第一空气槽的径向宽度为t1，t1/w2＝0.1～0.3。

优选地，电机转子具有轴孔，第一空气槽的径向内侧壁与轴孔的内周壁之间的最小径向距离为t2，其中t2≥2t1。

优选地，第一空气槽与V形安装槽之间的最小间距为tb1，tb1/t1＝0.3～1。

优选地，永磁极上开设有两个第二空气槽，两个第二空气槽关于永磁极中心线对称。

优选地，位于永磁极中心线和V形安装槽之间的第二空气槽靠近V形安装槽设置。

优选地，第二空气槽设置在V形安装槽远离尖端的一侧。

优选地，沿着远离电机转子的中心轴线的径向，第二空气槽的周向宽度递增。

优选地，第二空气槽为三角形、梯形或半圆形。

优选地，第二空气槽的径向外周缘为弧形，弧形与永磁极的径向外周缘同心设置。

优选地，在垂直于电机转子的中心轴线的截面内，第二空气槽具有距离永磁极中心线最近的第一端点，V形安装槽具有距离永磁极中心线最近的第二端点，位于永磁极中心线第一侧的第一端点和第二端点相连形成第一连线，位于永磁极中心线第二侧的第一端点和第二端点相连形成第二连线，第一连线和第二连线所形成的夹角为a1，位于永磁极中心线第一侧的第二端点和电机转子的中心相连形成第三连线，位于永磁极中心线第二侧的第二端点和电机转子的中心相连形成第四连线，第三连线和第四连线所形成的夹角为a4，其中a4/a1＝0.03～0.07。

优选地，V形安装槽远离尖端的一侧设置有延伸至电机转子外周侧边缘的开口，开口的第一侧设置有对永磁体的径向位置形成止挡的第一凸起。

优选地，开口的与第一侧相对的第二侧设置有对永磁体的径向位置形成止挡的第二凸起。

优选地，交替极的周向方向的两侧设置有凹口，凹口延伸至电机转子的径向外边缘。

优选地，V形安装槽有N组，在垂直于电机转子的中心轴线的截面内，位于同一交替极的两个凹口，包括靠近交替极中心线的两个第一侧壁和远离交替极中心线的两个第二侧壁，其中两个第一侧壁的径向外边缘顶点与电机转子的中心之间的连线所形成的夹角为a2，a2/(180deg/N)＝0.5～0.65。

优选地，两个第二侧壁的径向外边缘顶点与电机转子的中心之间的连线所形成的夹角为a3，a3/a2＝1.5～1.9。

优选地，V形安装槽内置有永磁体，电机转子的半径为R，永磁体为稀土永磁体，a2满足：

根据本实用新型的另一方面，提供了一种交替极电机，包括交替极电机转子，该交替极电机转子为上述的交替极电机转子。

本实用新型提供的交替极电机转子，包括沿电机转子的周向交替设置的极靴和交替极，极靴包括V形安装槽，V形安装槽的尖端位置处设置有隔断V形安装槽的两个侧边的导磁桥。相比于传统V型结构永磁体两端均设置导磁桥而言，本实用新型的电机转子仅在V形安装槽尖端位置设置一段导磁桥，允许通过的磁力线明显减少，降低漏磁，表征电机漏磁程度的漏磁系数明显下降。另一方面，当外界对电机转子施加退磁磁场时，V形安装槽尖端位置的退磁磁场最强，永磁体夹角处是最容易退磁的。通过设置导磁桥，使一部分退磁磁力线从V形安装槽尖端位置处的导磁桥通过，减弱了作用在V形安装槽尖端位置处的退磁磁场强度，显著提高电机转子的抗退磁能力，提高电机性能。

附图说明

图1为本实用新型实施例的交替极电机转子的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的交替极电机转子的局部放大结构示意图；

图3为现有技术中的漏磁路径示意图；

图4为本实用新型实施例的交替极电机转子的a3/a2变化对漏磁系数与安全系数的影响示意图；

图5为本实用新型实施例的交替极电机转子的a4/a1对电磁转矩以及转矩波动的影响示意图；

图6为本实用新型实施例的交替极电机转子与现有技术中的交替极电机转子的电磁转矩对比图；

图7为本实用新型实施例的交替极电机转子与现有技术中的交替极电机转子的退磁率对比图。

附图标记表示为：

1、永磁极；2、交替极；3、V形安装槽；4、导磁桥；5、第一空气槽；6、永磁体；7、轴孔；8、第二空气槽；9、第一凸起；10、第二凸起；11、凹口。

具体实施方式

结合参见图1和图2所示，根据本实用新型的实施例，交替极电机转子包括沿电机转子的周向交替设置的永磁极1和交替极2，永磁极1包括V形安装槽3，V形安装槽3的尖端位置处设置有隔断V形安装槽3的两个侧边的导磁桥4。V形安装槽3的尖端朝向电机转子的中心轴线。

在本实施例中，电机转子由软磁材料薄片叠压而成。转子上开有3组用于安装永磁体6的V形安装槽3，构成同一个V形安装槽3的两个侧边槽在V形安装槽3的夹角处不连通，且其间形成导磁桥4。V形安装槽3内安装有永磁体6，所有的永磁体6面向转子外周缘的极性为同一极性，可以为N极或者S极。相邻的V形安装槽3之间的软磁材料被磁化成与永磁极具有相反极性的交替极。

相比于传统V型结构永磁体两端均设置导磁桥的结构而言，本实用新型的电机转子仅在V形安装槽3的尖端位置设置一段导磁桥4，允许通过的磁力线明显减少，降低漏磁，表征电机漏磁程度的漏磁系数明显下降。另一方面，当外界对电机转子施加退磁磁场时，V形安装槽3的尖端位置的退磁磁场最强，V形安装槽3的夹角处是最容易退磁的。通过设置导磁桥4，使一部分退磁磁力线从V形安装槽3的尖端位置处的导磁桥4通过，减弱了作用在V形安装槽3的尖端位置处的退磁磁场强度，显著提高电机转子的抗退磁能力，提高电机性能。

在垂直于电机转子的中心轴线的截面内，导磁桥4的径向外侧边缘宽度td1与导磁桥4的径向内侧边缘宽度td2之间的关系满足：td1≤td2。导磁桥4的形状可以为矩形、梯形或鼓形。

优选地，导磁桥4的形状为沿着远离电机转子的中心轴线宽度递减的梯形，采用梯形的导磁桥4，相比矩形结构而言，容易获得更强的机械强度，此时导磁桥4的等效厚度为(td1+td2)/2。

优选地，导磁桥4的长度为w1，td1、td2和w1之间的关系满足：(td1+td2)/2＝0.3*w1～0.5*w1。w1的值增加，电机转子的机械强度降低，漏磁系数减小，反之亦然。当td1＝td2时，td1增加，转子机械强度增加，漏磁系数增加，反之亦然。将两者大小进行关联，可以在保证转子冲片强度的前提下尽量降低漏磁系数，因为导磁桥4是转子冲片上强度最低的地方，所以以导磁桥4处的安全系数代表转子冲片的安全系数。基于上述考虑，因此，td1/w1的值大于0.3时安全系数才能达到2以上以满足使用要求，且比值大于0.5时，电机的漏磁系数会逐渐上升，因为此时导磁桥4的宽度过宽，漏磁已经很难使导磁桥4磁饱和，漏磁系数会急剧上升直至出现大面积磁饱和。

相邻的两个V形安装槽3之间设置有第一空气槽5，第一空气槽5沿电机转子的周向延伸，第一空气槽5的两端与V形安装槽3之间间隔设置。

结合参见图3所示，现有的电机转子，在电机转轴上会产生漏磁，这部分漏磁不会产生电磁转矩，因此会减小电机转子的电磁转矩，降低电机转子的工作性能。

通过在相邻的两个V形安装槽3之间设置第一空气槽5，能够通过第一空气槽5增加永磁体6与电机转轴之间的磁阻，众所周知，磁力线会从磁阻较小的地方通过，因此，通过增加第一空气槽5，减少了永磁体发出的达到转轴的磁力线，降低了转轴漏磁，提升了电机的输出转矩，不与V形安装槽3连通则保证转子冲片所有结构为一个整体。

优选地，第一空气槽5为弧形，第一空气槽5的圆心位于电机转子的中心轴线上，能够保证第一空气槽5的侧壁与电机转子的轴孔7的内壁之间的间隔一致，使得磁力线分布更加均匀，降低漏磁效果更佳。

优选地，第一空气槽5设置在相邻的两个V形安装槽3的尖端之间,靠近V型永磁体夹角设置对永磁体磁路影响较小，不会影响永磁体产生的磁力线进入交替极。

V形安装槽3内置有永磁体6，在垂直于电机转子的中心轴线的截面内，永磁体6的长度为w2，第一空气槽5的径向宽度为t1，t1/w2＝0.1～0.3。t1增加，第一空气槽5在永磁体6与电机转轴之间的磁阻越大，减少电机转轴上的漏磁效果越好，但是第一空气槽5遮挡的永磁体磁通面的面积也越多，被遮挡的永磁体6的磁通面相比于没有被遮挡的永磁体6的磁通面由于磁阻增加产生的磁力线会减少，导致电机输出转矩会下降；t1减小时，被第一空气槽5遮挡的永磁体面积减少，永磁体6产生的总的磁力线增加，但是电机转轴上的漏磁会增加，电子转矩同样会下降。研究表明，t1/w2＝0.1～0.3时，第一空气槽5减少漏磁的效果相比于遮挡永磁体磁通面减少的磁力线明显占据优势，电机转矩得到有效提升。

电机转子具有轴孔7，第一空气槽5的径向内侧壁与轴孔7的内周壁之间的最小径向距离为t2，其中t2≥2t1。t1增加，第一空气槽5的减少漏磁的效果较好，但是受转子运转时离心力影响，转子结构机械强度降低，t1减小则效果相反。t2增加，转子的机械强度增加，安全系数提高，但是这会进一步压缩交替极在第一空气槽5与转子外周缘之间的面积，面积过小会引起交替极上的磁密饱和，降低输出转矩，增加转子铁损，降低运行效率。研究表明，t2≥2t1时转子具有较好的机械强度，并且电磁转矩获得提升。

第一空气槽5与V形安装槽3之间的最小间距为tb1，tb1/t1＝0.3～1。tb1越小，其上的磁密越容易饱和，从而减少由永磁体6发出的经过达到转轴的漏磁磁力线，但是被第一空气槽5遮挡的永磁体所面对的磁路的磁阻也增加，导致永磁体6发出的总的磁力线减少，并且机械强度会降低，尽管漏磁减少，但是同样会降低电磁转矩，tb1增加，效果相反。研究表明，tb1/t1＝0.3～1时，电机转子的机械强度最好，并且能够在一定程度上提升电磁转矩。

优选地，永磁极1上开设有两个第二空气槽8，两个第二空气槽8关于永磁极中心线对称。两个第二空气槽8设置在极靴上，一方面改变了永磁极面向气隙时的磁通长度，另一方面在永磁体6的两端形成了空气槽，增加了泄露磁通中的磁阻，减少了漏磁，提升了永磁体利用率。

位于永磁极中心线和V形安装槽3之间的第二空气槽8靠近V形安装槽3设置。

第二空气槽8设置在V形安装槽3远离尖端的一侧。

沿着远离电机转子的中心轴线的径向，第二空气槽8的周向宽度递增。

第二空气槽8为三角形、梯形或半圆形。优选地，第二空气槽8为半圆形。空气槽8的形状在沿径向向转子外周缘延伸时，越靠近转子外周缘的地方的形状对气隙磁密分布的影响越大，靠近转子圆心的形状对气隙磁密的影响较小，因此应该尽量减小靠近转子圆心部分的结构尺寸，减少对永磁体磁路的影响。而设置成多边形或者半圆形会让结构的边缘更加光滑，让磁力线更平滑地过渡，减少局部饱和现象的出现。

优选地，第二空气槽8的径向外周缘为弧形，弧形与永磁极1的径向外周缘同心设置，能够保证第二空气槽8与径向外周缘与永磁极1的径向外周缘之间的厚度一致，提高磁力线的分布效果，进而提升电机的工作性能。

在垂直于电机转子的中心轴线的截面内，第二空气槽8具有距离永磁极中心线最近的第一端点，V形安装槽3具有距离永磁极中心线最近的第二端点，位于永磁极中心线第一侧的第一端点和第二端点相连形成第一连线，位于永磁极中心线第二侧的第一端点和第二端点相连形成第二连线，第一连线和第二连线所形成的夹角为a1，位于永磁极中心线第一侧的第二端点和电机转子的中心相连形成第三连线，位于永磁极中心线第二侧的第二端点和电机转子的中心相连形成第四连线，第三连线和第四连线所形成的夹角为a4，其中a4/a1＝0.03～0.07。

a4表征了永磁体6靠近V形安装槽3尖端的一端距离磁极中心的距离，因为当受到退磁磁场的影响时，导磁桥4处是磁密最集中的地方，而V形安装槽3尖端处是永磁体等效厚度最小、最容易退磁的地方，让永磁体6的端部远离磁极中心线可以有效提升永磁体6的整体抗退磁能力。而且研究中发现，a1越大，由于V型结构的聚合作用，导磁桥4附近的磁场强度越强，此时需要增大a4来提升抗退磁能力。但是如果a1过大，永磁体6过于远离磁极中心线，则无法在靠近气隙的磁极中间段形成较强的气隙磁密，导致输出转矩降低。研究表明，当a4/a1＝0.03～0.07时，既能保证永磁极下较强的气隙磁密，还能显著提升永磁体的抗退磁能力，如图5所示。

V形安装槽3远离尖端的一侧设置有延伸至电机转子外周侧边缘的开口，开口的第一侧设置有对永磁体6的径向位置形成止挡的第一凸起9。

开口的与第一侧相对的第二侧设置有对永磁体6的径向位置形成止挡的第二凸起10。

由于V形安装槽3在永磁体6的径向外侧设置有延伸至电机转子外周侧边缘的开口，因此可以在V形安装槽3的径向外边缘两端形成隔磁效果，使得电机转子仅在V形安装槽3的尖端位置中间设置一段导磁桥4，允许通过的磁力线明显减少，降低漏磁，表征电机漏磁程度的漏磁系数明显下降。

通过设置两个凸起，能够有效对永磁体6在V形安装槽3内的安装形成定位，保证了永磁体6设置结构的稳定性和可靠性。

交替极2的周向方向的两侧设置有凹口11，凹口11延伸至电机转子的径向外边缘。通过设置凹口11可以调整交替极面向气隙的宽度。

V形安装槽3有N组，在垂直于电机转子的中心轴线的截面内，位于同一交替极2的两个凹口11，包括靠近交替极中心线的两个第一侧壁和远离交替极中心线的两个第二侧壁，其中两个第一侧壁的径向外边缘顶点与电机转子的中心之间的连线所形成的夹角为a2，a2/180deg/N＝0.5～0.65。本实施例中N＝3，所以a2角的范围为30～39度，a2角过大则凹口11无法有效调制交替极上的磁力线，a2角过小，则会造成交替极上的磁饱和，降低输出转矩。

两个第二侧壁的径向外边缘顶点与电机转子的中心之间的连线所形成的夹角为a3，a3/a2＝1.5～1.9。本实施例中，a2为37.5度，则a3的角度范围为56.25～71.25度。保持a2角不变，a3越大，则凹口11与V形安装槽3不面向气隙的一侧之间的软磁材料的宽度越窄，磁阻越大，降低输出转矩；a3减小，则凹口11周向厚度减小，凹口11对交替极上的磁力线调制作用减弱，增加转矩波动，并且无法在交替极面对的空气隙中形成较强的磁密，限制了输出转矩能力，a3/a2对电磁转矩与转矩波动的影响如图4所示。

V形安装槽3内置有永磁体6，电机转子的半径为R，永磁体6为稀土永磁体，a2满足：

永磁极与相邻的交替极构成一对磁极。a2表征了交替极面向气隙的长度。由于相邻的磁极材料不同，结构不同，如果按照常规永磁电机进行设计，即交替极与永磁极面向气隙的长度一样，那么存在磁极不对称导致转矩波动大以及气隙磁密低导致的转矩波动小的问题。仿真表明，稀土永磁体的工作点为0.7～0.8，即单位面积上的磁通量为0.7～0.8Wb，软磁材料的饱和磁通密度为1.9T。本实用新型转子的交替极上外周缘的平均磁密为，

为了不让交替极饱和，并且设置一个交替极上的合适的平均磁密，所以将其的范围设置为1.4～1.9。本实用新型中将a2的大小与永磁体的尺寸、导磁桥4的尺寸进行关联，可有效地调整相邻极下的气隙磁密对称性，降低转矩脉动，并可提高电机的电磁转矩。

采用本实用新型设计的电机与现有技术的转矩曲线对比如图6所示，本实用新型技术由于减少了永磁体端部的漏磁所以具有更大的平均转矩，并且由于对相邻的磁极进行优化，具有更小的转矩波动。图7为本实用新型与现有技术的退磁率对比，本实用新型技术随着退磁电流的增加退磁率明显偏小，具有更强的抗退磁能力。

根据本实用新型的实施例，交替极电机包括交替极电机转子，该交替极电机转子为上述的交替极电机转子。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。