本发明公开了一种交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机，转子外壁上开设有圆弧形通槽，圆弧形通槽内放置第一钕铁硼永磁体，转子侧面上均设置有铁氧体永磁体,铁氧体永磁体顶部设置第二钕铁硼永磁体。所述第二钕铁硼永磁体顶部开设有锤型磁障。所述铁氧体永磁体底部开设有圆环形通槽，所述圆环形通槽内壁按照HALBACH结构交错放置有第一扇形铁氧体永磁体和第二扇形铁氧体永磁体，所述铁氧体永磁体、第一扇形铁氧体永磁体和第二扇形铁氧体永磁体的数量相等。本发明该结构不但能充分利用转子内部空间，保证电机的转矩输出性能，还可以有效提高永磁体的利用率，降低电机的稀土永磁材料成本。
1.一种交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机，包括定子和转子，其特征在于：
转子外壁上开设有圆弧形通槽，圆弧形通槽内放置有形状相配合的第一钕铁硼永磁体，第一钕铁硼永磁体两侧的转子侧面上均开设有垂直圆周方向的第一矩形通槽，第一矩形通槽内放置有形状相配合的铁氧体永磁体,铁氧体永磁体顶部开设有垂直圆周方向的第二矩形通槽，第二矩形通槽内放置有形状相配合的第二钕铁硼永磁体， 所述第二钕铁硼永磁体顶部开设有锤型磁障， 所述铁氧体永磁体底部开设有圆环形通槽，所述圆环形通槽内壁按照HALBACH结构交错放置有第一扇形铁氧体永磁体和第二扇形铁氧体永磁体，所述铁氧体永磁体、第一扇形铁氧体永磁体和第二扇形铁氧体永磁体的数量相等。
2.根据权利要求1所述的一种交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机，其特征在于：所述第一钕铁硼永磁体的数量和永磁电机极对数相同；所述第一钕铁硼永磁体均匀的分布在转子外壁上。
3.根据权利要求1所述的一种交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机，其特征在于：所述锤型磁障包括水平部、倾斜部，所述水平部一端连接有倾斜部，所述水平部底部设置有凸出部。
4.根据权利要求3所述的一种交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机，其特征在于：所述第一钕铁硼永磁体相对转轴中心的扇形夹角为19‑25°,第一钕铁硼永磁体厚度h4与第二钕铁硼永磁体高度h5比为0.2‑0.6:1。
5.根据权利要求1所述的一种交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机，其特征在于：所述第一钕铁硼永磁体中心轴线两侧对称设置有铁氧体永磁体，铁氧体永磁体与第一钕铁硼永磁体数量比为2:1。
6.根据权利要求1所述的一种交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机，其特征在于：所述第二钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体的中心沿轴线对齐，第二钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体的宽度和高度比可由下式得到：其中，ΛN、ΛF表示第二钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体的磁导，μN、μF表示第二钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体的磁导率，HcN、HcF表示第二钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体的矫顽力，h5、h6表示第二钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体的高度，W1、W2表示第二钕铁硼永磁体与铁氧体永磁体的宽度；第二钕铁硼永磁体与铁氧体永磁体的数量相同。
7.根据权利要求3所述的一种交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机，其特征在于：所述锤型磁障水平部高度h2与第二钕铁硼永磁体高度h5比为0.1‑0.25:1，水平部宽度W4与第二钕铁硼永磁体宽度W1比为1.7‑2.3:1；锤型磁障凸出部高度h1与第二钕铁硼永磁体高度h5比为0.01‑0.05:1；凸出部宽度W3与第二钕铁硼永磁体宽度W1比为0.2‑0.6:1；锤型磁障的倾斜部的水平夹角α为30‑45°；倾斜部宽度W5和水平部宽度W4的比为0.6‑0.65:1；
8.根据权利要求1所述的一种交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机，其特征在于：第一扇形铁氧体永磁体的中心点和第一钕铁硼永磁体的中心点位于同一轴线上，第二扇形铁氧体永磁体分布在第一扇形铁氧体永磁体两侧；第一扇形铁氧体永磁体和第二扇形铁氧体永磁体厚度相同，扇形铁氧体的厚度与铁氧体永磁体高度h6比为0.24‑0.3:1；第二扇形铁氧体顶端与铁氧体永磁体底部之间设置有第一间隔，第一间隔设置为0.5mm，第二扇形铁氧体底端与转子内径之间的第二间隔设置为1‑2mm，第一扇形铁氧体永磁体相对于转轴中心点的扇形夹角β为24°,第二扇形铁氧体永磁体相对于转轴中心点的扇形夹角γ为
9.根据权利要求1所述的一种交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机，其特征在于：第二钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体均采用切向充磁，充磁方向指向第一钕铁硼永磁体，第一钕铁硼永磁体的磁化方向相同，均指向定子，第一扇形铁氧体采用上下充磁的方向，第二扇形铁氧体相对于第一扇形铁氧体采用切向充磁，并指向第一钕铁硼永磁体。
10.根据权利要求1所述的一种交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机，其特征在于：定子内的绕组按分数槽集中式绕组结构设置。
一种交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机
技术领域
[0001] 本发明涉及一种交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机，属于永磁电机技术领域。
背景技术
[0002] 具有高效、高功率密度等优点的稀土永磁电机被广泛应用于工业领域，但稀土材料供应不稳定，价格波动较大，已经严重影响了永磁电机的制造成本，阻碍了稀土永磁电机的进一步大规模应用。使得诸多电机生产商开始致力于稀土永磁电机中永磁材料的深度利用甚至研发零稀土的永磁电机。
[0003] 非稀土铁氧体具有价格低廉，材料易得等优势，是永磁电机去稀土化的最直接解决方案，但由于铁氧体磁性能远低于钕铁硼等稀土永磁材料，为了保证电机的转矩输出能力，铁氧体永磁电机多采用带聚磁效应的轮辐式结构，且往往需要选取更大尺寸的铁氧体永磁材料，这无疑也增加了电机尺寸，降低电机的转矩和功率密度。可见，就电机的转矩输出性能而言，非稀土铁氧体材料还无法完全取代稀土永磁材料，因此，少量的稀土材料开始被加入其中，构成少稀土混合永磁电机。
[0004] 少稀土混合永磁电机中由于同时采用了稀土永磁材料和非稀土永磁材料，两种不同磁特性的永磁材料的灵活摆放方式可以形成串联、并联和串并联混合的不同磁路形式，再加上不同的用量配比使得电机的性能也各有利弊。现有技术中提出的分裂式组合型永磁无刷电机和高转矩密度的混合永磁电机中，其转子内部均采用了大尺寸的非稀土铁氧体和少量的稀土钕铁硼，通过优化配比两种永磁材料的用量达到保证转矩输出性能的同时降低稀土材料用量的目的。但简单的并列轮辐式结构以及结合内置V型永磁材料的放置方案，形成的是单一的并联磁路或串联磁路，因此电机在转矩密度和抗去磁性能方面只能折中取优。另外，考虑到永磁材料的漏磁抑制和转子内部空间利用率，都存在进一步的合理优化设计的需要。现有技术中提出的定子分区式混合永磁电机，将混合永磁体放置在分区后的内定子中，充分利用了电机的内部空间，但该类结构的电机存在双层气隙，使得电机结构复杂装配不易。
[0005] 可见，现有技术中，对于少稀土混合永磁电机，如何合理设计电机的结构，优化不同永磁材料的用量配比和放置方案以深度利用永磁材料，保证电机能力的同时进一步减少稀土永磁用量等方面性能，尚存在亟待解决的问题。
发明内容
[0006] 目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机，提升永磁材料的利用率，保证电机转矩输出性能的同时尽可能的降低稀土永磁材料的用量。
[0007] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0008] 一种交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机，包括定子和转子，转子外壁上开设有圆弧形通槽，圆弧形通槽内放置有形状相配合的第一钕铁硼永磁体，第一钕铁硼永磁体两侧的转子侧面上均开设有垂直圆周方向的第一矩形通槽，第一矩形通槽内放置有形状相配合的铁氧体永磁体,铁氧体永磁体顶部开设有垂直圆周方向的第二矩形通槽，第二矩形通槽内放置有形状相配合的第二钕铁硼永磁体。所述第二钕铁硼永磁体顶部开设有锤型磁障。所述铁氧体永磁体底部开设有圆环形通槽，所述圆环形通槽内壁按照HALBACH结构交错放置有第一扇形铁氧体永磁体和第二扇形铁氧体永磁体，所述铁氧体永磁体、第一扇形铁氧体永磁体和第二扇形铁氧体永磁体的数量相等。
[0009] 作为优选方案，所述第一钕铁硼永磁体的数量和永磁电机极对数相同；所述第一钕铁硼永磁体均匀的分布在转子外壁上。
[0010] 作为优选方案，所述锤型磁障包括水平部、倾斜部，所述水平部一端连接有倾斜部，所述水平部底部设置有凸出部。
[0011] 作为优选方案，所述第一钕铁硼永磁体相对转轴中心的扇形夹角为19‑25°,第一钕铁硼永磁体厚度h4与第二钕铁硼永磁体高度h5比为0.2‑0.6:1。
[0012] 作为优选方案，所述第一钕铁硼永磁体中心轴线两侧对称设置有铁氧体永磁体，铁氧体永磁体与第一钕铁硼永磁体数量比为2:1。
[0013] 作为优选方案，所述第二钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体的中心沿轴线对齐，第二钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体的宽度和高度比可由下式得到：
[0014]
[0015]
[0016] 其中，ΛN、ΛF表示第二钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体的磁导，μN、μF表示第二钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体的磁导率，HcN、HcF表示第二钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体的矫顽力，h5、h6表示第二钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体的高度，W1、W2表示第二钕铁硼永磁体与铁氧体永磁体的宽度；第二钕铁硼永磁体与铁氧体永磁体的数量相同。
[0017] 作为优选方案，锤型磁障水平部高度h2与第二钕铁硼永磁体高度h5比为0.1‑0.25:1，水平部宽度W4与第二钕铁硼永磁体宽度W1比为1.7‑2.3:1；锤型磁障凸出部高度h1与第二钕铁硼永磁体高度h5比为0.01‑0.05:1；凸出部宽度W3与第二钕铁硼永磁体宽度W1比为0.2‑0.6:1；锤型磁障的倾斜部的水平夹角α为30‑45°；倾斜部宽度W5和水平部宽度W4的比为0.6‑0.65:1；倾斜部高度h3则与水平部高度h2相同。
[0018] 作为优选方案，第一扇形铁氧体永磁体的中心点和第一钕铁硼永磁体的中心点位于同一轴线上，第二扇形铁氧体永磁体分布在第一扇形铁氧体永磁体两侧；第一扇形铁氧体永磁体和第二扇形铁氧体永磁体厚度相同，扇形铁氧体的厚度与铁氧体永磁体高度h6比为0.24‑0.3:1；第二扇形铁氧体顶端与铁氧体永磁体底部之间设置有第一间隔，第一间隔设置为0.5mm，第二扇形铁氧体底端与转子内径之间的第二间隔设置为1‑2mm，第一扇形铁氧体永磁体相对于转轴中心点的扇形夹角β为24°,第二扇形铁氧体永磁体相对于转轴中心点的扇形夹角γ为12°。
[0019] 作为优选方案，第二钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体均采用切向充磁，充磁方向指向第一钕铁硼永磁体，第一钕铁硼永磁体的磁化方向相同，均指向定子，第一扇形铁氧体采用上下充磁的方向，第二扇形铁氧体相对于第一扇形铁氧体采用切向充磁，并指向第一钕铁硼永磁体。
[0020] 作为优选方案，定子内的绕组按分数槽集中式绕组结构设置。
[0021] 有益效果：本发明提供的一种交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机，相比于现有技术，具有以下技术效果：
[0022] 1.矩形铁氧体的上方放置有少量的矩形钕铁硼永磁体，两种永磁体共同构成了并联磁路，有利于增强转矩输出能力，改善气隙磁密的幅值和电机的电感性能。
[0023] 2.在矩形铁氧体的中间放置有单向充磁的内插式弧形钕铁硼永磁体，弧形钕铁硼永磁体将邻近铁芯磁化为另一极性形成交替极，并和矩形铁氧体及矩形钕铁硼永磁体构成混合串并联的磁路结构，在提高永磁材料利用率的同时，兼顾了电机的转矩输出性能和永磁体的抗去磁能力。
[0024] 3.矩形钕铁硼永磁体顶端设有锤型磁障，能够有效降低转矩脉动；锤型磁障前部分斜切面与顶部夹角为α,所述α为30‑45°，斜切面的存在有利于改善磁力线的走向，减少齿部漏磁。
[0025] 4.靠近转轴处，设有第一扇形铁氧体和第二扇形铁氧体，第一扇形铁氧体与第二扇形铁氧体的弧度比为2:1，两种扇形铁氧体采用HALBACH结构放置，两种扇形铁氧体弧度的不同有利于产生更强的单边磁场，改善转矩特性，减少铁氧体永磁体端部漏磁。
[0026] 综上所述，本发明提供一种交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机，该结构不但能充分利用转子内部空间，保证电机的转矩输出性能，还可以有效提高永磁体的利用率，降低电机的稀土永磁材料成本。
附图说明
[0027] 图1为交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机结构示意图。
[0028] 图2为转子的结构示意图。
[0029] 图3为锤型磁障的正视结构图。
[0030] 图4为第一钕铁硼永磁体的正视结构图。
[0031] 图5为第二钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体的正视结构图。
[0032] 图6为锤型磁障与第二钕铁硼永磁体的正视结构图。
[0033] 图7为扇形铁氧体永磁体的HALBACH结构图。
[0034] 图8为交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机的磁化方向示意图，图中箭头指向表示磁化方向。
[0035] 图9为交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机磁力线分布图。
具体实施方式
[0036] 下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
[0037] 如图1‑2所示，一种交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机，包括定子1和转子2，转子2外壁上开设有圆弧形通槽，圆弧形通槽内放置有形状相配合的第一钕铁硼永磁体7，第一钕铁硼永磁体7两侧的转子侧面上均开设有垂直圆周方向的第一矩形通槽，第一矩形通槽内放置有形状相配合的铁氧体永磁体5,铁氧体永磁体5顶部开设有垂直圆周方向的第二矩形通槽，第二矩形通槽内放置有形状相配合的第二钕铁硼永磁体4。所述第二钕铁硼永磁体4顶部开设有锤型磁障6。所述铁氧体永磁体5底部开设有圆环形通槽，所述圆环形通槽内壁按照HALBACH结构交错放置有第一扇形铁氧体永磁体8和第二扇形铁氧体永磁体9，所述铁氧体永磁体5、第一扇形铁氧体永磁体8和第二扇形铁氧体永磁体9的数量相等。
[0038] 所述第一钕铁硼永磁体7的数量和永磁电机极对数相同。所述第一钕铁硼永磁体7均匀的分布在转子2外壁上。
[0039] 如图3所示，所述锤型磁障6包括水平部601、倾斜部602，所述水平部601一端连接有倾斜部602，所述水平部601底部设置有凸出部603。
[0040] 如图4所示，所述第一钕铁硼永磁体7相对转轴中心的扇形夹角为19‑25°,第一钕铁硼永磁体7厚度h4与第二钕铁硼永磁体4高度h5比为0.2‑0.6:1，有利于保证第一钕铁硼永磁体7单位体积下的转矩输出能力。此外，第一钕铁硼永磁体7和临近转子铁芯形成的交替极可以充分利用谐波产生更大的输出转矩，提高永磁材料的利用率。
[0041] 所述第一钕铁硼永磁体7中心轴线两侧对称设置有铁氧体永磁体5，铁氧体永磁体5与第一钕铁硼永磁体7数量比为2:1。
[0042] 如图5所示，所述第二钕铁硼永磁体4和铁氧体永磁体5的中心沿轴线对齐，当永磁体工作在理想工作点时，第二钕铁硼永磁体4和铁氧体永磁体5工作点处的磁场强度接近于0，此时，第二钕铁硼永磁体4和铁氧体永磁体5的宽度和高度比可由下式得到：
[0043]
[0044]
[0045] 其中，ΛN、ΛF表示第二钕铁硼永磁体4和铁氧体永磁体5的磁导，μN、μF表示第二钕铁硼永磁体4和铁氧体永磁体5的磁导率，HcN、HcF表示第二钕铁硼永磁体4和铁氧体永磁体5的矫顽力。由于第二钕铁硼永磁体体积小、磁性强，放置在铁氧体永磁体顶部，有利于改善气隙磁密幅值和电机电感特性。此外，第二钕铁硼永磁体、铁氧体永磁体及第一钕铁硼永磁体采用串并联混合的磁路结构，可以有效兼顾转矩输出性能和永磁体的抗去磁能力。
[0046] 如图6所示，第二钕铁硼永磁体4顶部设有锤型磁障6，锤型磁障6水平部601高度h2与第二钕铁硼永磁体4高度h5比为0.1‑0.25:1，水平部601宽度W4与第二钕铁硼永磁体4宽度W1比为1.7‑2.3:1；水平部601的设置可以在保证转矩输出能力的同时，降低转矩脉动。锤型磁障6凸出部603高度h1与第二钕铁硼永磁体4高度h5比为0.01‑0.05:1；凸出部603宽度W3与第二钕铁硼永磁体宽度W1比为0.2‑0.6:1；凸出部603的设置不仅有利于固定永磁体的位置，防止永磁体脱落，还保证了电机的电感性能。锤型磁障6的倾斜部602的水平夹角α为30‑45°；倾斜部602宽度W5和水平部601宽度W4的比为0.6‑0.65:1；倾斜部602高度h3则与水平部601高度h2相同。锤形磁障的设计不仅能有效降低电机的转矩脉动，而且前部分斜切面的设计有助于减少齿部漏磁，提高永磁体的利用率。
[0047] 如图7所示，第一扇形铁氧体永磁体8的中心点和第一钕铁硼永磁体7的中心点位于同一轴线上，第二扇形铁氧体永磁体9分布在第一扇形铁氧体永磁体8两侧。第一扇形铁氧体永磁体8和第二扇形铁氧体永磁体9厚度相同，扇形铁氧体的厚度与铁氧体永磁体5高度h6比为0.24‑0.3:1；在保证低转矩脉动的同时，又兼顾了电机的转矩输出性能。第二扇形铁氧体9顶端与铁氧体永磁体5底部之间设置有间隔，间隔设置为0.5mm，确保磁力线经过扇形铁氧体永磁体，提高永磁体利用率；第二扇形铁氧体9底端与转子内径之间间隔设置为1‑2mm,充分利用转子空间的同时，降低了铁氧体端部漏磁的发生。第一扇形铁氧体永磁体相对于转轴中心点的扇形夹角β为24°,第二扇形铁氧体永磁体相对于转轴中心点的扇形夹角γ为12°。扇形夹角的不同设计可以充分利用HALBACH结构产生更强的单边磁场，改善电机的转矩特性，降低铁氧体所产生的端部漏磁。
[0048] 永磁体磁化方向如图8所示，第二钕铁硼永磁体4和铁氧体永磁体5均采用切向充磁，充磁方向指向第一钕铁硼永磁体7，第二钕铁硼永磁体4和铁氧体永磁体5构成的并联磁路结构，有效的增强了电机的转矩输出能力；第一钕铁硼永磁体7的磁化方向相同，均指向定子，并与第二钕铁硼永磁体4和铁氧体永磁体5构成串并联混合磁路，在保证输出能力的同时提高了永磁体抗去磁能力；第一扇形铁氧体8采用上下充磁的方向，第二扇形铁氧体9相对于第一扇形铁氧体采用切向充磁，并指向第一钕铁硼永磁体7，可以有效改善磁力线的走向，形成更强的单边磁场。
[0049] 定子内的绕组3按分数槽集中式绕组结构设置，不仅方便嵌线，而且可以有效减小线圈端部长度，降低转矩脉动。
[0050] 电机磁力线如图9所示，磁力线从第一钕铁硼永磁体经过定子齿，穿过第二钕铁硼永磁体、铁氧体永磁体和HALBACH结构，回到第一钕铁硼永磁体，构成一个完整的闭合回路。底部HALBACH结构和锤形磁障有效的减少了漏磁，提高了永磁体利用率。
[0051] 本发明提供了一种交替极局部HALBACH结构少稀土混合永磁电机，不仅能充分利用转子内部空间，保证电机的转矩输出性能，而且可以有效提高永磁体利用率，降低稀土永磁材料的用量，节约成本。
[0052] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
