基于外转子铁心偏心结构设计的正弦波转子
阅读说明：本技术 基于外转子铁心偏心结构设计的正弦波转子 (Sine wave rotor designed based on outer rotor iron core eccentric structure ) 是由 韩坤 苏森 王志强 陈胜林 于 2021-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及电动机技术领域,具体公开了一种基于外转子铁心偏心结构设计的正弦波转子；包括外转子铁心、永磁体、定子、内转子铁心和转子轴,外转子铁心和内转子铁心分别安装在转子轴的外端和外端,永磁铁沿内转子铁心的径向外侧交替放置,外转子铁心的外廓为圆形、内廓由周向的多个向内凸起的偏心圆弧构成,外转子铁心与永磁体之间构成了环形气隙,定子置于环形气隙内；本发明采用基于偏心圆弧结构特殊设计后的外转子铁心,使得电机的径向气隙厚度边的不均匀,气隙径向厚度变化更为合理,改善了电机气隙磁密波形,减小气隙磁场中谐波含量,使气隙磁场接近正弦波,从而改善了空心杯型电机反电动势波形,降低了转矩脉动,提升了电机性能。(The invention relates to the technical field of motors, and particularly discloses a sine wave rotor designed based on an outer rotor iron core eccentric structure; the permanent magnet motor comprises an outer rotor iron core, permanent magnets, a stator, an inner rotor iron core and a rotor shaft, wherein the outer rotor iron core and the inner rotor iron core are respectively arranged at the outer end and the outer end of the rotor shaft; the invention adopts the outer rotor iron core which is specially designed based on the eccentric circular structure, so that the thickness edge of the radial air gap of the motor is not uniform, the change of the radial thickness of the air gap is more reasonable, the air gap flux density waveform of the motor is improved, the harmonic content in the air gap magnetic field is reduced, the air gap magnetic field is close to a sine wave, the back electromotive force waveform of the hollow cup type motor is improved, the torque pulsation is reduced, and the motor performance is improved.)
技术领域
本发明涉及电动机技术领域，具体公开了一种基于外转子铁心偏心结构设计的正弦波转子。
背景技术
传统的永磁同步电机、正弦波电机，多应用于高转速场合，需要较高的调速精度，因此多由正弦波相电流驱动控制，正弦波相电流需要与正弦波相反电动势相互作用，以减小电磁转矩脉动。而传统的空心杯型永磁电机，其反电动势波形中3、5、7次谐波含量较大，使电机产生电磁转矩脉动，影响电机性能与效率。空心杯型永磁电机反电动势波形谐波含量较大的的主要原因是电机气隙磁场波形的正弦型较差，混入了较多的奇次谐波，使电机的气隙磁场接近梯形，因此反电动势波形的谐波含量较大。由此看来，优化电机结构，降低气隙磁场波形谐波含量，使气隙磁场波形接近正弦波是至关重要的。
申请号为2010101099694的发明专利公开了一种无定子铁心永磁同步电动机，主要包括转子轴、内转子铁心、隔磁块、空心杯定子、Halbach永磁体和外转子铁心，隔磁块嵌放于内转子铁心中，与内转子铁心组成内转子组件部分，内外转子铁心与永磁体均连接到转子轴上，Halbach永磁体贴于外转子铁心上，空心杯定子固定在机壳上。永磁磁路经过内转子铁心、磁气隙、Halbach永磁及外转子铁心形成闭合回路。该发明中的空心杯定子结构可用于永磁同步电动机的设计中，使得内外转子铁心都随永磁体同步旋转，从而不会在铁心中产生损耗，同时空心杯定子使得定子成为无齿槽结构，可以消除齿槽转矩和齿谐波，但是由于其气隙径向厚度均一，导致径向气隙磁阻一致，影响气隙磁场分布，使得气隙磁场谐波含量较大，正弦性较差；另外由于永磁体之间直接接触，产生极间漏磁，影响电机性能。因此，针对现有的永磁同步电机、正弦波电机中气隙磁场谐波含量较大，正弦性较差的不足，设计一种结构优化能够降低气隙磁场波形谐波含量、使气隙磁场波形接近正弦波的转子是一项有待解决的技术问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种能够用于永磁同步电机、正弦波电机中的外转子铁心偏心结构的正弦波转子，以解决气隙磁场波形与正弦波差异较大的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于外转子铁心偏心结构设计的正弦波转子，包括外转子铁心、永磁体、定子、内转子铁心和转子轴，所述外转子铁心的径向外侧安装在转子轴的外端，所述内转子铁心的径向内侧安装在转子轴的内端，多个所述呈瓦片状的永磁铁沿内转子铁心的径向外侧交替放置，且相邻两块永磁体的充磁方向相反，所述外转子铁心的外廓为圆形、内廓由周向的多个向内凸起的偏心圆弧构成，所述偏心圆弧的个数与永磁体的个数相同，且偏心圆弧的位置与永磁体一一对应，所述外转子铁心的径向内侧与永磁体之间构成了环形气隙，所述定子置于环形气隙内并固定在机壳上；
其中，所述外转子铁心的圆形外廓、永磁体的内外廓以及内转子铁心的内外廓同心设置，且该同心点为转子的几何中心，所述偏心圆弧的两端点在对应的永磁体两侧边与转子的几何中心连线的延长线上，所述偏心圆弧的圆心位于对应永磁体的中点与转子的几何中心连线的反向延长线上，且偏心圆弧的圆心位于外转子铁心的径向外侧。
作为上述方案的进一步设置，所述偏心圆弧的中点到转子的几何中心的距离为，满足关系式：，其中为内转子铁心外廓的半径，为永磁体的厚度。
作为上述方案的进一步设置，所述偏心圆弧的半径为，满足关系式:
，其中为电机极对数。
作为上述方案的进一步设置，还包括与永磁体数量相等且呈瓦片状的隔磁块，所述隔磁块置于相邻的两块永磁体之间，所述偏心圆弧的两端点在对应的永磁体两侧隔磁块瓦型边中点与转子几何中心连线的延长线上。
作为上述方案的进一步设置，所述隔磁块的瓦型内径为，满足关系式：；隔磁块的瓦型外径为，满足关系式：；其中为内转子铁心外廓的半径，为永磁体的厚度。
作为上述方案的进一步设置，所述隔磁块的瓦型张角为，满足关系式：，所述永磁体的瓦型张角，满足关系式，其中为电机极对数。
作为上述方案的进一步设置，所述偏心圆弧的半径为，满足关系式:
，其中为隔磁块系数，满足关系式：。
作为上述方案的进一步设置，所述偏心圆弧的圆心与转子的几何中心之间的距离为偏心值，满足关系式: 。
作为上述方案的进一步设置，所述外转子铁心的圆形外廓的半径为，满足关系式: 。
作为上述方案的进一步设置，所述外转子铁心上的偏心圆弧的个数为，且满足关系式：，其中为电机极对数。
有益效果：
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用基于偏心圆弧结构特殊设计后的外转子铁心，使得电机的径向气隙厚度边的不均匀，气隙径向厚度变化更为合理，改善了电机气隙磁密波形，减小气隙磁场中谐波含量，使气隙磁场接近正弦波，从而改善了空心杯型电机反电动势波形，降低了转矩脉动，提升了电机性能。同时，其与传统的空心杯永磁电机相比，本发明将永磁体贴附在内转子铁心上，半径减小，节省了永磁材料；而且将永磁体间由隔磁块分开，减小了永磁体侧边产生磁回路，降低了极间漏磁，提高了电机性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例1的局部结构示意图；
图3为本发明实施例1的空心杯型永磁同步电机与传统空心杯型电机气隙磁场对比示意图；
图4为本发明实施例2的结构示意图；
图5为本发明实施例2的局部结构示意图；
图6为本发明实施例2的空心杯型正弦波电机与传统空心杯型电机气隙磁场对比示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
术语中的“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”“铺设”等应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图1-6，并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
实施例1公开了一种基于外转子铁心偏心结构设计的正弦波转子，其用于空心杯型永磁电机中。参考附图1和附图2，其包括外转子铁心1、永磁体2、空心杯定子3、内转子铁心4和转子轴5，将外转子铁心1与内转子铁心4均固定连接到转子轴5上，使得外转子铁心1与内转子铁心4同转子轴5一同旋转。在设置时将外转子铁心1径向外侧安装在转子轴5的外端，内转子铁心4的径向内侧安装在转子轴5的内端，并将若干个呈瓦片状的永磁体2交替放置在内转子铁心4的外圆面上，并且相邻的两块永磁体2充磁方向相反。其中瓦片状的永磁体2厚度根据电机实际工作需求确定，其数量根据极对数确定。
内转子铁心4形状为圆环形。外转子铁心1的外廓为圆形，其外廓半径由电机实际需求确定，外转子铁心1的内廓由一组向内凸起的偏心圆弧构成，并偏心圆弧的个数与永磁体2的个数相等，位置与永磁体2一一对应。具体地，外转子铁心1上偏心圆弧的个数为，满足关系式：，其中为电机极对数。在外转子铁心1径向内侧与永磁体2之间形成了电机气隙，并将空心杯定子3置于气隙中并同时固定在机壳上，永磁体2产生的磁通经过外转子铁心1和内转子铁心4以及它们之间的气隙构成闭合回路。
在设置时，将外转子铁心1的圆形外廓、瓦片状永磁体2的内外廓、内转子铁心4的内外廓同心设置，该同心点作为电机的几何中心（也为转子的几何中心）。每个偏心圆弧的两端点设置在对应的永磁体2两侧边与电机几何中心连线的延长线上，同时偏心圆弧的圆心在对应的永磁体2弧形边中点与电机几何中心连线的反向延长线上，并且偏心圆弧的圆心是设置在外转子铁心1外廓的径向外侧。
如附图2所示，O点为电机的几何中心；A、B两点为偏心圆弧的两个端点，O’点为其圆心，H点为其中点；为永磁体厚度；为内转子铁心4外廓的半径，为偏心圆弧的半径，为偏心圆弧的中点到电机几何中心的距离，为偏心圆弧的圆心与电机几何中心之间距离的偏心值；为外转子铁心外廓的半径。
上述偏心圆弧的两端点A、B在对应的永磁体2两侧边与电机几何中心O的连线的延长线上，即偏心圆弧对应的永磁体2的两侧边在线段OA、OB上。
上述偏心圆弧的圆心在对应的永磁体2弧形边中点与电机几何中心连线的反向延长线上，即O’点位于线段OH的延长线上且位于外转子铁心1的外廓的径向外侧之外，即偏心圆弧中点与其圆心的连线O’H经过外转子铁心1的径向外廓。
同时，基于外转子铁心偏心结构设计的正弦波转子在设置时满足以下关于尺寸的设计：
1）偏心圆弧的中点到电机的几何中心的距离为，满足关系式：，式中为内转子铁心外廓的半径，为永磁体的厚度；
2）偏心圆弧的半径为，满足关系式:
，式中为电机极对数；
3）偏心圆弧的圆心与电机的几何中心之间的距离为偏心值，满足关系式:。
4）外转子铁心的圆形外廓的半径为，满足关系式: 。
本实施例1以一内转子铁心外径为52mm，永磁体厚度为6mm，极对数为6的基于外转子铁心偏心结构设计的空心杯型永磁同步电机为例，对外转子铁心进行设计：
由式求得偏心圆弧的中点到电机几何中心的距离满足，为便于加工，优选为65mm；
由式求得偏心圆弧的半径满足，为便于加工，优选为30mm；
由式求得偏心值为95mm；
由式求得外转子铁心的圆形外侧的半径满足，为便于加工，优选为106mm。
传统空心杯型电机，其电机参数为偏心外转子外径106mm，内径65mm，极对数为6对，内转子外径52mm，永磁体外径58mm，厚度6mm，内径52mm。
与传统空心杯型电机相比，基于外转子铁心偏心结构设计的空心杯型永磁同步电机气隙磁场更加接近正弦波。参考附图3，引入总谐波失真率THD来评价气隙磁场波形的正弦性，将气隙磁场波形做傅里叶分解变换，得到各阶谐波的幅值，按式计算THD，THD越小，正弦性越好。与传统空心杯电机结构相比，本发明使THD由28.6%降低至18.2%，降低了36.4%，使气隙磁场波形更加接近正弦波。
实施例2
实施例2公开了一种基于外转子铁心偏心结构设计的正弦波转子，其用于空心杯型正弦波飞轮电机中。参考附图4和附图5，其包括外转子铁心1、永磁体2、隔磁块6、空心杯定子3、内转子铁心4和转子轴5。外转子铁心1与内转子铁心4均固定连接到转子轴5上，可使外转子铁心1与内转子铁心4同转子轴5一同旋转。在设置时将外转子铁心1径向外侧安装在转子轴5的外端，将内转子铁心4的径向内侧安装在转子轴5的内端，并将若干个呈瓦片状的永磁体2交替放置在内转子铁心4的外圆面上，并且相邻的两块永磁体2充磁方向相反，其瓦片状的永磁体2厚度根据电机实际工作需求确定，其数量根据极对数确定。其中，隔磁块6为也为瓦片状，置于相邻的两块永磁体2之间，其数量与永磁体的数量相同。
内转子铁心4形状为圆环形。外转子铁心1的外廓为圆形，其外廓半径由电机实际需求确定，外转子铁心1的内廓由一组向内凸起的偏心圆弧构成，并偏心圆弧的个数与永磁体2的个数相等，位置与永磁体2一一对应。外转子铁心1上的偏心圆弧的个数为，并且满足关系式：，其中为电机极对数。在外转子铁心1径向内侧与永磁体2之间形成了电机气隙，并将空心杯定子3置于气隙中并同时固定在机壳上，永磁体2产生的磁通经过外转子铁心1和内转子铁心4以及它们之间的气隙构成闭合回路。
在设置时，将外转子铁心1的圆形外廓、永磁体2的内外廓、内转子铁心4的内外廓同心设置，其同心点作为电机的几何中心（也为转子的几何中心）。偏心圆弧的两端点在对应的永磁体2两侧隔磁块6瓦型边中点与电机几何中心连线的延长线上，同时偏心圆弧的圆心在对应的永磁体2弧形边中点与电机几何中心连线的反向延长线上，并且偏心圆弧的圆心位于外转子铁心1外廓的径向外侧，即偏心圆弧中点与其圆心的连线经过外转子铁心1的径向外廓。
如附图5所示，O点为电机的几何中心；A、B两点为偏心圆弧的两个端点，O’点为其圆心，H点为其中点；C、D、E为永磁体2两侧隔磁块6瓦型边中点，为永磁体2的厚度；为内转子铁心4外廓的半径；为偏心圆弧的半径；为偏心圆弧的中点到电机几何中心的距离，为偏心圆弧的圆心与电机几何中心之间距离的偏心值；为外转子铁心1外廓的半径；为瓦型隔磁块6的内径，为其外径，为其张角；为永磁体2的瓦型张角。
上述偏心圆弧的两端点A、B在对应的永磁体2两侧隔磁块6瓦型边中点C、D与电机几何中心O的连线的延长线上，即A在线段OC的延长线上、B在线段OD的延长线上。
上述偏心圆弧的圆心在对应的永磁体2弧形边中点与电机几何中心连线的延长线上，即O’点位于线段OH的延长线上且位于外转子铁心1外廓的径向外侧，即圆弧中点与其圆心的连线O’H经过外转子铁心1的径向外廓。
同时，基于外转子铁心偏心结构设计的正弦波转子在设置时满足以下关于尺寸的设计：
1）隔磁块的瓦型内径为，满足关系式：，瓦型外径为，满足关系式：，其中为内转子铁心外廓的半径，为永磁体2厚度；
2）隔磁块的瓦型张角为，满足关系式：，永磁体2的瓦型张角满足关系式，其中为电机极对数；
3）外转子铁心上的偏心圆弧个数为，且满足关系式：；
4）偏心圆弧的中点到电机的几何中心的距离为，且满足关系式：，式中为内转子铁心外廓的半径，为永磁体的厚度；
5）偏心圆弧的半径为，满足关系式:
，其中为隔磁块系数，满足关系式：；
6）偏心圆弧的圆心与电机几何中心之间的距离为偏心值，满足关系式:。
7）外转子铁心的圆形外廓的半径为，满足关系式: 。
本实施例2以一内转子铁心外径为45mm，永磁体厚度为6mm，极对数为6的基于外转子铁心偏心结构设计的空心杯型正弦波电机为例，对隔磁块与外转子铁心进行设计：
由式得到隔磁块瓦型内径，由式得到隔磁块瓦型外径；
由式得瓦型张角满足，为便于加工制作，优选取值为，由式求得永磁体2的瓦型张角为(28.5°)；
由式求得单个偏心圆弧的中点到电机几何中心的距离满足，为便于加工，优选为58mm；
由式求得单个偏心圆弧的半径满足，为便于加工，优选为25mm；
由式求得偏心值为83mm，由式求得外转子铁心的圆形外侧的半径满足，为便于加工，优选为95mm。
传统空心杯型电机，其电机参数为偏心外转子外径95mm，内径58mm，极对数为6对，内转子外径45mm，永磁体外径51mm，厚度6mm，内径45mm。与传统空心杯型电机相比，本实施例基于外转子铁心结构设计的具有隔磁块的空心杯型正弦波电机气隙磁场更加接近正弦波。参考附图6，引入总谐波失真率THD来评价气隙磁场波形的正弦性，将气隙磁场波形做傅里叶分解变换，得到各阶谐波的幅值，按式计算THD，THD越小，正弦性越好。与传统空心杯电机结构相比，本发明使THD由29.7%降低至16.4%，降低了41.4%，使气隙磁场波形更加接近正弦波。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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