基于永磁体和外转子铁心偏心结构设计的方波转子
阅读说明：本技术 基于永磁体和外转子铁心偏心结构设计的方波转子 (Square wave rotor designed based on permanent magnet and outer rotor core eccentric structure ) 是由 王志强 苏森 韩坤 陈胜林 于 2021-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及电机技术领域,具体公开了一种的基于永磁体和外转子铁心偏心结构设计的方波转子；包括外转子铁心、偏心永磁体、定子、内转子铁心和转子轴,多个所述偏心永磁体沿内转子铁心的径向外侧交替放置,所述偏心永磁体由圆弧边内廓、偏心圆弧外廓以及两侧边组成,且偏心圆弧外廓的中点与自身圆心的连线经过圆弧边内廓的圆心,所述外转子铁心外廓为圆形、内廓由周向的多个向外凹陷的偏心圆弧构成,所述外转子铁心的径向内侧与偏心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；本发明采用基于永磁体和外转子铁心偏心结构设计的转子,有效改善了电机反电动势波形,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 square wave rotor designed based on an eccentric structure of a permanent magnet and an outer rotor iron core; the stator is arranged in the annular air gap and fixed on the shell; the invention adopts the rotor designed based on the permanent magnet and the outer rotor iron core eccentric structure, effectively improves the back electromotive force waveform of the motor, reduces the torque pulsation and improves the motor performance.)
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体公开了一种的基于永磁体和外转子铁心偏心结构设计的方波转子。
背景技术
传统的空心杯型方波电机多应用于低转速高负载场合，由方波相电流驱动控制，方波相电流需要与方波相反电动势相互作用，以减小电磁转矩脉动；而传统的空心杯型方波电机，其反电动势波形与方波差异较大，使电机产生电磁转矩脉动，影响电机性能与效率。同理，传统的储能飞轮无刷直流发电机也是多应用于低转速高负载场合，多由方波相电流驱动控制，方波相电流需要与方波相反电动势相互作用，以减小电磁转矩脉动；而传统的储能飞轮无刷直流发电机，其反电动势波形与方波差异较大，使发电机产生电磁转矩脉动，影响发电机性能与效率。由此看来，优化电机的内部转子结构，降低气隙磁场波形谐波含量，使气隙磁场波形接近方波是至关重要的。
申请号为2004101018988的发明公开了一种无定子铁心无刷直流电动机，其中的无叠片铁心定子结构可用于无刷直流电动机的设计中，使得内外转子共周圆弧变气隙铁心都随偏心永磁体同步旋转，从而不会在铁心中产生损耗，同时无叠片铁心定子为无齿槽结构，可以消除齿槽转矩和齿谐波，但是由于其气隙径向厚度相同，导致径向气隙磁阻一致，影响气隙磁场分布，使得气隙磁场波形与理想方波差异较大，影响电机的性能；另外，由于永磁体之间直接接触，产生极间漏磁，也一定程度上影响电动机的性能。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术中的反电动势波形与方波差异较大的不足，提供一种基于永磁体和外转子铁心偏心结构设计的方波转子，用以解决气隙磁场波形与方波差异较大以及极间漏磁的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于永磁体和外转子铁心偏心结构设计的方波转子，包括外转子铁心、偏心永磁体、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，多个所述偏心永磁体沿内转子铁心的径向外侧交替放置，且相邻两块偏心永磁体的充磁方向相反，所述偏心永磁体由圆弧边内廓、偏心圆弧外廓以及两侧边组成，且偏心圆弧外廓的中点与自身圆心的连线经过圆弧边内廓的圆心，所述外转子铁心的外廓为圆形、内廓由周向的多个向外凹陷的偏心圆弧构成，所述偏心圆弧的个数与偏心永磁体的个数相同，且偏心圆弧的位置与偏心永磁体一一对应，所述外转子铁心的径向内侧与偏心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、偏心永磁体的圆弧边内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，所述外转子铁心上偏心圆弧的两端点在对应的偏心永磁体两侧边与几何中心连线的延长线上，且外转子铁心上偏心圆弧的圆心位于自身中点与转子的几何中心连线上。
作为上述方案的进一步设置，所述偏心永磁体上偏心圆弧外廓的圆心与圆弧边内廓的圆心之间距离为偏心值，满足关系式：
，其中为内转子铁心外廓的半径，为偏心永磁体两侧边的长度，为电机极对数。
作为上述方案的进一步设置，所述外转子铁心上偏心圆弧的圆心与几何中心之间的距离为偏心值，满足关系式: ，其中为外转子铁心外廓的半径。
作为上述方案的进一步设置，还包括与偏心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偏心永磁体之间，且所述外转子铁心上偏心圆弧的两端点在对应的偏心永磁体两侧隔磁块中点与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，为偏心永磁体两侧边的长度；所述隔磁块的瓦型张角为，满足关系式：，所述偏心永磁体的张角，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，所述偏心永磁体上偏心圆弧外廓的圆心与圆弧边内廓的圆心之间距离为偏心值，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，所述外转子铁心上偏心圆弧的圆心与几何中心之间的距离为偏心值，满足关系式:
，其中为外转子铁心外廓的半径。
作为上述方案的进一步设置，所述偏心永磁体的偏心圆弧外廓的半径为，满足关系式：。
作为上述方案的进一步设置，所述外转子铁心上偏心圆弧两端点到几何中心的距离为，满足关系式：；所述外转子铁心上偏心圆弧的半径为，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，满足关系式：，为电机极对数。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1）本发明公开的电机具有转矩脉动小的优点，这是由于本发明与传统的空心杯永磁电机相比，采用基于永磁体与外转子铁心偏心结构设计后的转子，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，使气隙磁场接近方波，从而改善了电机反电动势波形，降低了转矩脉动，提升了电机性能。
2）本发明公开的电机与传统的空心杯永磁电机相比，其将偏心永磁体贴附在内转子铁心上，半径减小，节省了永磁材料；另外其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的储能飞轮无刷直流电机与传统储能飞轮电机气隙磁场对比图；
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的局部结构的标注图；
图7为本发明实施例2的空心杯型方波飞轮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1-7，并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
实施例1公开了一种用于储能飞轮无刷直流电机中的基于永磁体和外转子铁心偏心结构设计的方波转子。参考附图1和附图2，其包括外转子铁心1、偏心永磁体2、空心杯定子3、内转子铁心4和转子轴5组成。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，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的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，同时将多个偏心永磁体2沿着内转子铁心4的径向外侧交替放置，并且相邻的两块偏心永磁体2充磁方向相反。外转子铁心1径向内侧与偏心永磁体2之间形成了电机气隙，将空心杯定子3置于气隙内并固定在机壳上。偏心永磁体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。
其中，内转子铁心4形状为圆环形，其外廓半径由电机实际需求确定。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，内廓由多个偏心圆弧构成，并且偏心圆弧的个数与偏心永磁体2的个数一致，同时位置与偏心永磁体2一一对应。该外转子铁心1上的偏心圆弧的个数为，满足关系式：，为电机极对数。偏心永磁体2由圆弧边内廓，偏心圆弧外廓以及两侧边组成，并且其偏心圆弧外廓中点与其自身圆心的连线经过其圆弧边内廓的圆心，偏心永磁体2两侧边长度根据电机实际工作需求确定。
在设置时外转子铁心1的圆形外廓、偏心永磁体的圆弧边内廓、内转子铁心4的内外廓同心设置，并且该同心点作为电机的几何中心，也为转子的几何中心。外转子铁心1上偏心圆弧两端点在对应的偏心永磁体2两侧边与电机几何中心连线的延长线上，同时外转子铁心1上偏心圆弧的圆心位于其自身中点与电机几何中心的连线上。
在附图2中O点为电机的几何中心；H1点为偏心永磁体2上偏心圆弧外廓的中点，O2点为其圆心；A、B两点为外转子铁心1上偏心圆弧的两个端点，O1点为其圆心，H点为其中点；为偏心永磁体2两侧边的长度，为偏心永磁体的偏心圆弧外廓的半径，其偏心值为偏心永磁体2上偏心圆弧外廓的圆心与圆弧内廓圆心之间距离OO2；为外转子铁心1外廓的半径；为内转子铁心4外廓的半径；为外转子铁心上偏心圆弧的半径；为外转子铁心1上偏心圆弧的两端点到电机几何中心的距离，其偏心值为外转子铁心1上偏心圆弧的圆心与电机几何中心间距离OO1；
上述偏心永磁体上偏心圆弧外廓的中点与其自身圆心的连线段经过圆弧边内廓的圆心，即偏心永磁体2上圆弧边内廓的圆心O在偏心永磁体2上偏心圆弧外廓的中点与圆心的连线O2 H1上。
上述外转子铁心上偏心圆弧的两端点A、B在对应的偏心永磁体2两侧边与电机几何中心O的连线的延长线上，即外转子铁心上偏心圆弧对应的偏心永磁体2的两侧边在线段OA、OB上。同时，外转子铁心上偏心圆弧中点H引出向其自身圆心方向O1的射线经过内转子铁心与电机几何中心O。
本实施例中具体相关参数如下：
偏心永磁体2上偏心圆弧外廓的圆心与圆弧边内廓的圆心之间距离为偏心值，满足关系式：，其中，为内转子铁心外廓的半径，为偏心永磁体两侧边的长度。
偏心永磁体2的偏心圆弧外廓的半径为，满足关系式：，其中为内转子铁心4外廓的半径。
外转子铁心上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: ，其中为外转子铁心1外廓的半径，为电机极对数。
外转子铁心上偏心圆弧的两端点到电机几何中心的距离为，满足关系式：。
外转子铁心上偏心圆弧的两端点的半径为，满足关系式:
。
本实施例1以一外转子外径为75mm，内转子外径为45mm，偏心永磁体两侧边的长度为为4.5mm，极对数为6的基于永磁体与外转子铁心偏心结构设计的储能飞轮无刷直流电机为例，对偏心永磁体与外转子铁心进行设计：
由式求得偏心永磁体上偏心圆弧外廓的偏心值满足，便于加工制作，其偏心值优选取值为25mm；
由式得到偏心永磁体的偏心圆弧外廓的半径为70mm；
由式求得组成外转子上偏心圆弧的偏心值满足，为便于加工制作，其偏心值优选取值为10mm；
由式求得外转子铁心上偏心圆弧的两端点到电机几何中心的距离为满足，为便于加工制作，优选取值为55mm。
由式，求得外转子铁心上偏心圆弧的半径为为45.4mm。
以传统储能飞轮电机为对比例，其电机参数为外转子外径75mm，内径55mm，极对数为6对，内转子外径45mm，永磁体外径49.5mm，厚度4.5mm，内径45mm。
如图3所示，与传统储能飞轮电机相比，本实施例公开的基于偏心永磁体与偏心外转子铁心结构设计的储能飞轮无刷直流电机气隙磁场更加接近方波，其方波评价方式为平顶部分占比，按式计算，其中为气隙波形一个周期中99%气隙磁场最大值以上部分，为气隙波形半个周期宽度，与传统空心杯电机结构相比，本发明使由48.7%提升至66.9%，提升了37.4%。
实施例2
实施例2公开了一种用于空心杯型方波飞轮电机中的基于永磁体和外转子铁心偏心结构设计的方波转子，参考附图4、附图5和附图6，其包括外转子铁心1、偏心永磁体2、瓦片状的隔磁块6、空心杯定子3、内转子铁心4和转子轴5组成。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，内转子铁心4的径向内侧安装在转子轴5的内端。同时将多个偏心永磁体2沿着内转子铁心4的径向外侧交替放置，并且相邻的两块偏心永磁体2充磁方向相反。同时将瓦片状的隔磁块6置于相邻的两块偏心永磁体2之间，并且其数量与偏心永磁体2的数量相同。外转子铁心1径向内侧与偏心永磁体2之间形成了电机气隙，将空心杯定子3置于气隙内并固定在机壳上。偏心永磁体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。
其中，内转子铁心4的形状为圆环形，其外廓半径由电机实际需求确定。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，内廓由多个偏心圆弧构成，并且偏心圆弧的个数与偏心永磁体2的个数一致，同时位置与偏心永磁体2一一对应。该外转子铁心1上的偏心圆弧的个数为，满足关系式：，为电机极对数。偏心永磁体2由圆弧边内廓、偏心圆弧外廓以及两侧边组成，并且其偏心圆弧外廓中点与其自身圆心的连线经过其圆弧边内廓的圆心，偏心永磁体2两侧边长度根据电机实际工作需求确定。
在设置时外转子铁心1的圆形外廓、偏心永磁体的圆弧边内廓、内转子铁心4的内外廓同心设置，并且该同心点作为电机或转子的几何中心。外转子铁心1上偏心圆弧两端点在对应的偏心永磁体2两侧隔磁块6瓦型边中点与几何中心连线的延长线上。外转子铁心1上偏心圆弧中点引出向其圆心方向的射线经过电机的几何中心。
在附图5和6中，O点为电机的几何中心；H1点为偏心永磁体2偏心圆弧外廓的中点，O2点为其圆心；A、B两点为外转子铁心上偏心圆弧的两个端点，O1点为其圆心，H点为其中点；C、D、E为相邻偏心永磁体2之间隔磁块6的瓦型边中点；为偏心永磁体2两侧边的长度，为偏心永磁体2的偏心圆弧外廓的半径，其偏心值为偏心永磁体2上偏心圆弧外廓的圆心与圆弧边内廓的圆心之间距离OO2；为外转子铁心1外廓的半径；为内转子铁心4外廓的半径，为构成偏心外转子铁心上偏心圆弧的半径，为外转子铁心上偏心圆弧的两端点到电机几何中心的距离，其偏心值为外转子铁心上偏心圆弧的圆心与电机几何中心间距离OO1；为瓦片状隔磁块的内径，为其外径，为其张角；为偏心永磁体2的张角。
即上述描述的偏心永磁体2上偏心圆弧外廓的中点与其自身圆心的连线经过圆弧边内廓的圆心，即其圆弧边内廓的圆心O在偏心圆弧外廓的中点与圆心的连线O2 H1上。
上述描述的外转子铁心1上偏心圆弧的两端点A、B在对应的偏心永磁体2两侧隔磁块6瓦型边中点C、D与几何中心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。外转子铁心1上偏心圆弧中点H引出向其圆心方向O1的射线经过几何中心O。
本实施例中具体相关参数如下：
隔磁块6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，为偏心永磁体两侧边的长度，其瓦型张角为，满足关系式：，其中为电机极对数。
偏心永磁体2的张角，满足关系式，偏心永磁体2的偏心圆弧外廓的圆心与圆弧内廓圆心之间距离为偏心值，满足关系式：，其中为隔磁块系数，满足关系式：，偏心永磁体2的偏心圆弧外廓的半径为，满足关系式：。
外转子铁心1上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: ，其中为偏心外转子铁心1外廓的半径。
外转子铁心1上偏心圆弧的两端点到电机几何中心的距离为，满足关系式：。
外转子铁心1上偏心圆弧的半径为，满足关系式:
。
本实施例2以一外转子外径为92mm，内转子外径为70mm，偏心永磁体厚度为5.5mm，极对数为4的基于永磁体与外转子铁心偏心结构设计的空心杯型方波电机为例，对隔磁块与偏心永磁体与偏心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，由式求得偏心永磁体2的瓦型张角为 (42.5°)；
由式求得偏心永磁体偏心圆弧外廓的偏心值满足，便于加工制作，其偏心值优选取值为20mm，由式得到偏心永磁体2的偏心圆弧外廓的半径为90mm；
由式求得外转子铁心1上偏心圆弧的偏心值满足，为便于加工制作，其偏心值优选取值为6mm；
由式求得构成外转子铁心1上偏心圆弧的两端点到电机几何中心的距离为满足，为便于加工制作，优选取值为82mm；
由式，求得外转子铁心1上偏心圆弧的半径为为76.5mm。
以传统空心杯型电机为对比例，其电机参数为外转子外径92mm，内径82mm，极对数为4对，内转子外径70mm，偏心永磁体外径75.5mm，厚度5.5mm，内径70mm。
如图7所示，与传统空心杯型电机相比，本实施例公开的基于永磁体与外转子铁心偏心结构设计的空心杯型方波电机气隙磁场更加接近方波，其方波评价方式为平顶部分占比，按式计算，其中为气隙波形一个周期中99%气隙磁场最大值以上部分，为气隙波形半个周期宽度，与传统空心杯电机结构相比，本发明使由50.7%提升至68.2%，提升了34.5%。
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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