基于永磁体和外转子铁心偏心结构设计的正弦波转子的制作方法

1.本发明涉及电机或发电机技术领域，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正弦波转子。


背景技术：

2.传统的永磁同步电机，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，而传统的磁悬浮储能飞轮永磁电机，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。磁悬浮储能飞轮永磁电机反电动势波形谐波含量较大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。
3.同理，传统的正弦波储能飞轮发电机也是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储能飞轮发电机，其反电动势波形中4、6、7次谐波含量较大，使储能飞轮发电机产生电磁转矩脉动，影响储能飞轮发电机性能与效率，而空心杯型永磁储能飞轮发电机反电动势波形谐波含量较大的主要原因是储能飞轮发电机气隙磁场波形的正弦型较差，混入了较多的奇次谐波，使储能飞轮发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，优化电机和发电机结构，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。


技术实现要素：

4.本发明的技术解决问题是针对传统永磁同步电机、传统的正弦波储能飞轮发电机中反电动势波形的谐波含量较大，影响了电机或发电机性能的不足，设计一种能够优化电机和发电机结构，降低气隙磁场波形谐波含量，提高电机或发电机性能的正弦波转子。
5.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正弦波转子，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，且偏心圆弧外廓的圆心位于圆弧边内廓的中点与圆弧边内廓的圆心连线上，所述外转子铁心外廓为圆形、内廓由周向的多个向内凸起的偏心圆弧构成，所述外转子铁心上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转子的几何中心连线的延长线上，所述外转子铁心上偏心圆弧中点引出向其圆心连线的反向延长线经过转子的几何中心，且外转子铁心上偏心圆弧的圆心位于外转子铁心的径向外侧。
6.作为上述方案的进一步设置，所述偏心永磁体的两侧边夹角为跨角，且满足关系式： ，其中为电机极对数，偏心永磁体上偏心圆弧外廓的半径为，且满足关系式：，其中为内转子铁心外廓的半径，为偏心永磁体内外廓中点间的距离。
7.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中点到几何中心的距离为，满足关系式：，外转子铁心上偏心圆弧的半径为，满足关系式: 。
8.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，每个隔磁块置于相邻的两块偏心永磁体之间，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。
9.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：，瓦型外径为，满足关系式：，其中为内转子铁心外廓的半径，为偏心永磁体内外廓中点间的距离，隔磁块的瓦型张角为，满足关系式：，所述偏心永磁体的瓦型张角，满足关系式，其中为电机极对数。
10.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，且满足关系式：，其
中为隔磁块系数，满足关系式：。
11.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中点到几何中心的距离为，满足关系式：；外转子铁心上偏心圆弧的半径为，满足关系式:。
12.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距离为偏心值，且满足关系式：。
13.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: ，外转子铁心的圆形外廓的半径为，满足关系式: 。
14.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个数为，且满足关系式：，其中为电机极对数。
15.本发明与现有技术相比的优点在于：1）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，使得电机或发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，改善了电机或发电机的气隙磁密波形，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，提升了电机或发电机的性能。
16.2）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，其与传统的空心杯永磁电机或空心杯储能飞轮发电机相比，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，提高了电机或发电机的性能。
附图说明
17.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。
18.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的磁悬浮储能飞轮永磁同步电机与传统磁悬浮储能飞轮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的局部结构的标注图；图7为本发明实施例2的空心杯型正弦波储能飞轮发电机与传统空心杯型储能飞轮发电机气隙磁场对比示意图。
具体实施方式
19.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都应当属于本技术保护的范围。
20.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。
21.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术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技术。
22.实施例1实施例1公开了一种用于磁悬浮储能飞轮永磁同步电机中的基于永磁体和外转子铁心偏心结构设计的正弦波转子。参考附图1和附图2，其包括外转子铁心1、偏心永磁体2、磁悬浮储能飞轮定子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，可使外转子铁心1与内转子铁心4同转子轴5一同旋转。在具体设置过程中将外转子铁心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的内端。将若干个偏心永磁体2沿内转子铁心4的径向外侧交替放置，并且相邻的两块偏心永磁体2充磁方向相反。其中，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，偏心圆弧外廓的圆点位于圆弧边内廓的中点与圆心的连线上，并且具体偏心永磁体2的数量根据极对数确定。外转子铁心1的径向内侧与偏心永磁体2之间构成了环形气隙，将磁悬浮储能飞轮定子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。
23.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的外廓为圆形，其内廓由一组偏心圆弧构成，并且偏心圆弧的个数与偏心永磁体2的个数一致，位置与偏心永磁体2一一对应，该外转子铁心1上偏心圆弧的个数为，并且满足关系式：，其中为电机极对数。
24.本实施例中外转子铁心1的圆形外廓、偏心永磁体2的圆弧边内廓、内转子铁心4的内外廓同心设置，并将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上偏心圆弧的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，外转子铁心1上偏心圆弧的圆心在对应的偏心永磁体2弧形边中点与电机几何中心连线的反向延长线上，同时偏心圆弧的圆心位于外转子铁心1外廓的径向外侧。
25.如图2所示，图中o点为电机的几何中心；h1点为偏心永磁体上偏心圆弧外廓的中点，o1点为其圆心，h2为偏心永磁体圆弧边内廓的中点；a、b两点为外转子铁心上偏心圆弧的两个端点，o2点为其圆心，h3点为其中点；为偏心永磁体内外廓中点h
1 h2间的距离；为内转子铁心外廓的半径；为外转子铁心上偏心圆弧的半径；为偏心永磁体上偏心圆弧外廓的半径，为偏心永磁体上偏心圆弧外廓圆心与圆弧边内廓圆心之间的偏心值；为外转子铁心上偏心圆弧的中点到电机几何中心的距离，为外转子铁心上偏心圆弧圆心与几何中心之间的偏心值，为外转子铁心1外廓的半径。
26.上述偏心永磁体上偏心圆弧外廓的圆点位于圆弧板内廓的中点与圆心之间，即o1在线段oh2上。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的两侧边在线段oa、ob上。外转子铁心上偏心圆弧的圆心在对应的偏心永磁体弧形边中点与电机几何中心连线的反向延长线上，即o2点位于线段oh3的反向延长线上，并且位于外转子铁心外廓的径向外侧，外转子铁心1上偏心圆弧中点与圆心的连线o2h3经过外转子铁心1的径向外廓。
27.在设计相关的参数如下：偏心永磁体2的两侧边间夹角为张角，且满足关系式： ，其中为电机极对数；偏心永磁体的偏心圆弧外廓的半径为，且满足关系式：，其中
为内转子铁心4外廓的半径，为偏心永磁体内外廓中点间的距离；偏心永磁体上偏心圆弧外廓的圆心与圆弧边的圆心距离为偏心值，且满足关系式：。
28.外转子铁心上偏心圆弧的中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组半径为，满足关系式: ；外转子铁心上偏心圆弧组的圆心与电机几何中心之间的距离为偏心值，满足关系式: ；外转子铁心的外廓半径为，满足关系式: 。
29.本实施例以一内转子铁心外径为48mm，偏心永磁体厚度为4mm，极对数为4的基于永磁体与外转子铁心偏心结构转子的磁悬浮储能飞轮永磁同步电机为例，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的两侧边间夹角为跨角为 (45
°
)；由式求得偏心永磁体的偏心圆弧外廓的半径满足，为便于加工，优选为47mm；由式求得偏心永磁体上偏心圆弧外廓的圆心与圆弧边内廓的圆心距离偏心值=5mm，由式求得外转子铁心上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60mm；由式求得外转子铁心上偏心圆弧的半径满足，为便于加工，
优选为40mm；由式求得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100mm，由式求得外转子铁心的圆形外侧的半径满足，为便于加工，优选取值为108mm。
30.以传统磁悬浮储能飞轮电机为对比例，其电机参数为外转子外径108mm，内径60mm，极对数为4，内转子外径48mm，永磁体外径52mm，厚度4mm，内径48mm。
31.,与传统磁悬浮储能飞轮电机相比，本实施例公开的磁悬浮储能飞轮永磁同步电机气隙磁场更加接近正弦波。在评测过程中引入总谐波失真率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。如图3所示，与传统磁悬浮储能飞轮电机结构相比，本发明使thd由31.8%降低至16.4%，降低了48.4%，使气隙磁场波形更加接近正弦波。
32.实施例2实施例2公开了一种用于空心杯正弦波储能飞轮发电机中的基于永磁体和外转子铁心偏心结构设计的正弦波转子。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。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。在具体设置过程中将外转子铁心1的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。将若干个偏心永磁体2沿内转子铁心4的径向外侧交替放置，并且相邻的两块偏心永磁体2充磁方向相反。其中，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，偏心圆弧外廓的圆点位于圆弧边内廓的中点与圆心连线上，具体偏心永磁体2的数量根据极对数确定。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之间为电机气隙，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。
33.本实施例中内转子铁心4形状为圆环形，其外廓半径由储能飞轮发电机实际需求确定。外转子铁心1的外廓为圆形，其内廓由一组偏心圆弧构成，并且偏心圆弧的个数与偏心永磁体2的个数一致，位置与偏心永磁体2一一对应，该外转子铁心1上偏心圆弧的个数为，并且满足关系式：，其中为电机极对数。
34.本实施例中外转子铁心1的圆形外廓、偏心永磁体2的圆弧形内廓、内转子铁心4的
内外廓同心设置，该同心点作为储能飞轮发电机的几何中心。外转子铁心上偏心圆弧的两端点在对应偏心永磁体2两侧隔磁块6瓦型边中点与几何中心连线的的反向延长线上。外转子铁心上偏心圆弧的圆心在对应的偏心永磁体2圆弧边内廓中点与几何中心连线的反向延长线上，并且位于外转子铁心1外廓的径向外侧。
35.如图5和6所示，图中o点为储能飞轮发电机的几何中心；h1点为偏心永磁体偏心圆弧外廓的中点，o1点为其圆心，h2为偏心永磁体圆弧边内廓的中点；a、b两点为外转子铁心上偏心圆弧的两个端点，o2点为其圆心，h3点为其中点；c、d、e为相邻偏心永磁体之间隔磁块的瓦型边中点；为偏心永磁体内外廓中点h1h2间的距离；为内转子铁心外廓的半径；为外转子铁心上偏心圆弧的半径；为偏心永磁体上偏心圆弧外廓的半径；为偏心永磁体上偏心圆弧外廓圆心与圆弧边内廓圆心之间距离的偏心值；为外转子铁心1上偏心圆弧的中点到储能飞轮发电机几何中心的距离；为外转子铁心上偏心圆弧圆心与几何中心之间距离的偏心值；为外转子铁心的外廓半径；为瓦片状的隔磁块的内径，为其外径，为其张角；为偏心永磁体的张角。
36.上述偏心永磁体上偏心圆弧外廓的圆心位于圆弧边内廓的中点与圆心的连线上，即o1在线段oh2上；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两侧隔磁块瓦型边中点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；外转子铁心上偏心圆弧的圆心在对应的偏心永磁体2上圆弧边内廓中点与几何中心连线的反向延长线上，即o2点位于线段oh2的反向延长线上且位于外转子铁心的外廓的径向外侧，即外转子铁心上偏心圆弧的中点与圆心的连线o2h3经过外转子铁心的径向外廓。
37.在设计相关的参数如下：瓦片状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，为偏心永磁体内外廓中点间的距离，其瓦型张角为，满足关系式：，同时偏心永磁体的瓦型张角，满足关系式，其中为储能飞轮发电机极对数。
38.偏心永磁体的偏心圆弧外廓的半径为，且满足关系式：
，其中为隔磁块系数，满足关系式：。
39.偏心永磁体的偏心圆弧外廓与圆弧边内廓中点间距离为偏心值，且满足关系式：。
40.外转子铁心上偏心圆弧的中点到储能飞轮发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半径为，满足关系式: 。
41.外转子铁心上偏心圆弧的圆心与储能飞轮发电机几何中心之间的距离为偏心值，满足关系式: 。外转子铁心的圆形外廓的半径为，满足关系式: 。
42.本实施例以一内转子铁心外径为58mm，偏心永磁体厚度为5mm，极对数为6的基于永磁体与外转子铁心偏心结构转子的空心杯型正弦波储能飞轮发电机为例，对隔磁块、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 (28.5
°
)；由式求得偏心永磁体的偏心圆弧外廓的半径满足，为便于加工，优选为25mm；由式求得偏心永磁体2上偏心圆弧外廓的圆心与圆弧边内廓圆心的距离偏心值=38mm；由式求得外转子铁心上偏心圆弧的中点到储能飞轮发电机几何中心的距离满足，为便于加工，优选为70mm；由式求得外转子铁心上偏心圆弧的半径满足，为便于加工，优选为26mm；由式求得外转子铁心上偏心圆弧的圆心与储能飞轮发电机几何中心之间的距离为96mm；由式求得偏心外转子铁心的圆形外侧的半径满足，为便于加工，优选取值为108mm。
43.以传统空心杯型储能飞轮发电机为对比例，其储能飞轮发电机参数为外转子外径108mm，内径70mm，极对数为6，内转子外径58mm，永磁体外径63mm，厚度5mm，内径58mm。
44.与传统空心杯型储能飞轮发电机相比，本实施例的空心杯型正弦波储能飞轮发电机气隙磁场更加接近正弦波。参考附图7，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。如图7所示，与传统空心杯储能飞轮发电机结构相比，本发明使thd由38.2%降低至16.5%，降低了56.8%，使气隙磁场波形更加接近正弦波。
45.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。