基于外转子铁心偏心结构设计的方波转子
阅读说明：本技术 基于外转子铁心偏心结构设计的方波转子 (Square wave rotor designed based on outer rotor core eccentric structure ) 是由 苏森 韩坤 王志强 陈胜林 于 2021-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及发电机或电动机技术领域,具体公开了一种基于外转子铁心偏心结构设计的方波转子；包括外转子铁心、永磁体、定子、内转子铁心和转子轴,外转子铁心的径向外侧安装在转子轴的外端,内转子铁心的径向内侧安装在转子轴的内端,永磁体为瓦状,多个永磁体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,外转子铁心的外廓为圆形、内廓由周向的多个偏心圆弧构成,偏心圆弧的个数与永磁体的个数相同,外转子铁心的径向内侧与永磁体之间构成了环形气隙；本发明采用外转子铁心偏心结构设计后,有效改善了电机气隙磁密波形,使气隙磁场接近方波,从而改善了电机或发电机的反电动势波形,降低了转矩脉动,提升了电机性能。(The invention relates to the technical field of generators or motors, and particularly discloses a square wave rotor designed based on an outer rotor iron core eccentric structure; the outer rotor iron core is arranged at the outer end of the rotor shaft at the radial outer side, the inner rotor iron core is arranged at the inner end of the rotor shaft at the radial inner side, the permanent magnets are tile-shaped, the permanent magnets are alternately arranged along the radial outer side of the inner rotor iron core, the magnetizing directions of the two adjacent permanent magnets are opposite, the outer contour of the outer rotor iron core is circular, the inner contour of the outer rotor iron core is formed by a plurality of circumferential eccentric arcs, the number of the eccentric arcs is the same as that of the permanent magnets, and an annular air gap is formed between the radial inner side of the outer rotor iron core and the permanent magnets; the invention adopts the eccentric structure design of the outer rotor iron core, effectively improves the air gap flux density waveform of the motor, and leads the air gap magnetic field to be close to square waves, thereby improving the counter electromotive force waveform of the motor or the generator, reducing the torque pulsation and improving the motor performance.)
技术领域
本发明涉及发电机或电动机技术领域，具体公开了一种基于外转子铁心偏心结构设计的方波转子。
背景技术
传统的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，优化电机或发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，但是该无定子铁心无刷直流电动机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，影响电机或发电机的性能；另外，由于转子中的多个永磁体之间直接接触，产生极间漏磁，也一定程度上影响发电机或电动机的性能。
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而引起电机或发电机性能的问题，提供一种基于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：
一种基于外转子铁心偏心结构设计的方波转子，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体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外凹陷的偏心圆弧构成，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其自身中点与转子几何中心的连线上。
作为上述方案的进一步设置，所述偏心圆弧的两端点到几何中心的距离为，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: ，其中为内转子铁心外廓的半径，为外转子铁心外廓的半径，为永磁体的厚度，为极对数。
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的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：，所述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为，满足关系式，其中为极对数。
作为上述方案的进一步设置，所述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，为隔磁块系数，且满足关系式：。
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:。
作为上述方案的进一步设置，其特征在于，所述外转子铁心上的偏心圆弧个数为，满足关系式：。
有益效果：
1）本发明公开的发电机采用了基于外转子铁心偏心结构设计的方波转子，其与传统的空心杯永磁发电机相比，发电机的径向气隙厚度沿圆周不均匀，改善了发电机气隙磁密波形，使气隙磁密接近方波，从而改善了储能飞轮发电机反电动势波形，降低了转矩脉动，提升了发电机性能。同理，基于外转子铁心偏心结构设计的方波转子的电机与传统的空心杯永磁电机相比，使得电机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。
2）本发明具有节省永磁材料的优点，其与传统的电机或发电机相比，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。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，进一步提升了电机或发电机的性能。
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的飞轮无刷直流发电机与传统储能飞轮发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1-6，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方波转子，其用于飞轮无刷直流发电机中。参考附图1和附图2，整个转子主体部件包括外转子铁心1、永磁体2、无叠片铁心定子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，使外转子铁心1与内转子铁心4同转子轴5一同旋转。在具体设置时，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。内转子铁心4的径向外侧为永磁体2，其永磁体2的形状为瓦片状，其厚度根据发电机实际工作需求确定，数量根据极对数确定。在设置时将永磁体2沿内转子铁心4的径向外侧交替放置，并且相邻的两块永磁体2充磁方向相反设置。外转子铁心1的径向内侧与永磁体2之间为发电机气隙，将无叠片铁心定子3置于气隙内并固定在机壳上。永磁体2产生的磁通经过外转子铁心1的径向内侧与永磁体2之间的发电机气隙构成闭合回路。
本实施例中的内转子铁心4的形状为圆环形，其外廓半径由发电机实际需求确定。外转子铁心1的外廓为圆形，其圆形半径由发电机实际需求确定，其转子铁心1的内廓由一组共周圆且向外凹陷的偏心圆弧构成，并且偏心圆弧的个数与永磁体2的个数相等，同时偏心圆弧的位置与永磁体2一一对应。
在设置时，该外转子铁心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，该同心点作为发电机的几何中心（也为转子的几何中心）。外转子铁心1上偏心圆弧的两端点在对应的永磁体2两侧边与发电机的几何中心连线的延长线上。同时由偏心圆弧的圆心位于其自身中点和发电机的几何中心的连线上。
附图2中的O点为发电机的几何中心；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；为外转子铁心1外廓的半径；为内转子铁心4外廓的半径；为偏心圆弧的半径；为偏心圆弧的两端点到发电机几何中心的距离；为偏心圆弧的圆心与转子的几何中心之间距离的偏心值。
本实施例中具体相关参数如下：
外转子铁心内廓上开设的偏心圆弧个数为，且满足关系式：，其中为发电机极对数；
偏心圆弧的圆心与发电机几何中心之间的偏心值，满足关系式:，其中为外转子铁心1外廓的半径，为内转子铁心4外廓的半径，为永磁体厚度；
偏心圆弧的两端点到发电机几何中心的距离为，满足关系式：；
偏心圆弧的半径为，满足关系式: 。
本实施例1以一外转子共周圆弧变气隙外径为86mm，内转子外径为50mm，永磁体厚度为5mm，极对数为4的基于外转子铁心偏心结构设计的储能飞轮无刷直流发电机为例，对外转子共周圆弧变气隙铁心进行设计：
由式求得其共周圆弧变气隙值满足，为便于加工其共周圆弧变气隙值优选为10mm；
由式求得单个共周圆弧变气隙圆弧的两端点到发电机几何中心的距离为满足，为便于加工优选为60mm；
由式求得，求得其单个共周圆弧变气隙圆弧的半径为为50.9mm。
以传统储能飞轮发电机为对比例，其发电机参数为外转子的外径86mm，内径60mm，极对数为4对，内转子外径50mm，永磁体外径55mm，厚度5mm，内径50mm。
与传统储能飞轮发电机相比，基于本实施例1结构设置的飞轮无刷直流发电机气隙磁场更加接近方波。如图3所示，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98%气隙磁场最大值以上部分，为气隙波形半个周期宽度，与传统空心杯发电机结构相比，本发明使由50.66%提升至68.99%，提升了36.2%。
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方波转子，其用于空心杯型方波飞轮电机中，参考附图4和附图5，整个转子主体部件包括外转子铁心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，从而可使外转子铁心1与内转子铁心4同转子轴5一同旋转。在具体设置时，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，内转子铁心4的径向外侧为永磁体2，永磁体2的形状为瓦片状，其厚度根据发电机实际工作需求确定，其数量根据电机的极对数确定。将永磁体2沿内转子铁心4的径向外侧交替放置，并且相邻的两块永磁体2充磁方向相反设置。同时，隔磁块6也为瓦片状，置于相邻的两块永磁体之间，其数量与永磁体的数量相同。外转子铁心1的径向内侧与永磁体2之间为电机气隙，将空心杯定子3置于气隙内并固定在机壳上，永磁体2产生的磁通经过外转子铁心1的径向内侧与永磁体2之间的气隙构成闭合回路。
本实施例中的内转子铁心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的内廓由一组向外凹陷的偏心圆弧构成，偏心圆弧的个数与永磁体2的个数一致，并且位置与永磁体2一一对应，外转子铁心1的外廓为圆形，其半径由电机实际需求确定。
在设置时，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，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中点与电机几何中心连线的延长线上，由偏心圆弧的中点引出向其圆心方向的射线经过对应的永磁体2、内转子铁心4和转子轴5并经过电机的几何中心。
图5中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’点为为其圆心，H点为其中点；C、D、E为相邻永磁体2之间隔磁块6的瓦型边中点；为永磁体厚度；为外转子铁心1外廓的半径；为内转子铁心4外廓的半径；为偏心圆弧的半径；为偏心圆弧的两端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；为瓦型隔磁块的内径，为其外径，为其张角；为永磁体的瓦型张角。
本实施例中具体相关参数如下：
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4外廓的半径，为永磁体2厚度；
隔磁块瓦型张角为，满足关系式：，永磁体的瓦型张角，满足关系式，其中为电机极对数；
外转子铁心上偏心圆弧的个数为，且满足关系式：；
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，为隔磁块系数，满足关系式：；
偏心圆弧的两端点到电机几何中心的距离为，满足关系式：；
偏心圆弧的半径为，满足关系式: 。
本实施例2以外转子铁心外径为95mm，内转子外径为70mm，永磁体厚度为5mm，极对数为4的基于外转子铁心偏心的空心杯型方波电机为例，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。
由公式得瓦型张角满足，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 (42.5°)；
由式求得外转子铁心的偏心值满足，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80mm；
由式求得，求得其单个偏心圆弧的半径为为70.86mm。
传统空心杯型电机，其电机参数为偏心外转子外径95mm，内径70mm，极对数为4对，内转子外径80mm，永磁体外径76mm，厚度6mm，内径70mm。
与传统空心杯型电机相比，本实施例2公开的方波电机气隙磁场更加接近方波。如图6所示，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98%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62.03%提升至71.27%，提升了14.9%。
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。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：兼容永磁交流电机转子