CN113328544B - 一种具有偏心内转子的转子结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有偏心内转子的转子结构，包括：外转子铁心、永磁体、隔磁块、转子轴、套筒；外转子铁心外侧壁固定安装在套筒内侧壁上，内侧壁设置有若干永磁体；相邻永磁体之间设置有隔磁块；还包括偏心内转子铁心；偏心内转子铁心内侧壁固定安装在转子轴外侧壁上，外侧壁与永磁体之间设置有间隙；偏心内转子铁心的外廓由若干偏心圆弧组构成，偏心圆弧与永磁体一一对应。本发明的内转子与永磁体间的气隙厚度不均匀，且变化更为合理，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，提升了电机性能；基于本发明的技术方案设计的永磁电机具有转矩脉动小且输出力矩大的优点。

Description

一种具有偏心内转子的转子结构

技术领域

本发明涉及永磁电机的设计、优化领域，尤其涉及一种具有偏心内转子的转子结构。

背景技术

交流异步电机在作为驱动电机运行时，由于异步电机定子产生的三相交流磁场会在转子轮毂上产生巨大的涡流损耗，限制了电机的最高转速。为了减小转子轮毂的涡流，目前通常采用空心杯型永磁电机，即通过将电机转子设计为内外转子双转子结构的形式，定子为空心杯型，并置于内外转子之间，永磁体置于外转子铁心上，该结构由于永磁体与内外转子没有相对运动，因此可以大幅降低转子轮毂上的涡流损耗。为了提高电机的输出力矩，永磁电机多采用具有正弦波相电流驱动的控制方式，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。

在一些现有技术的文献中，公开了一种无定子铁心空心杯电机结构，其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，影响电机性能。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种具有偏心内转子的转子结构，其能降低气隙磁场谐波的含量，并使气隙磁场具有良好的正弦型，提升电机性能。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种具有偏心内转子的转子结构，包括：外转子铁心、永磁体、隔磁块、转子轴、套筒；所述外转子铁心外侧壁固定安装在所述套筒内侧壁上，内侧壁设置有若干永磁体；相邻永磁体之间设置有隔磁块；还包括偏心内转子铁心；

所述偏心内转子铁心内侧壁固定安装在转子轴外侧壁上，外侧壁与所述永磁体之间设置有间隙；所述偏心内转子铁心的外廓由若干偏心圆弧组构成，所述偏心圆弧与所述永磁体一一对应。

在一些较优的实施例中，所述永磁体与隔磁块均为瓦型。

在一些较优的实施例中，所述偏心圆弧的端点在对应所述永磁体两侧隔磁块的瓦型边中点与电机几何中心连线上。

在一些较优的实施例中，所述偏心圆弧的圆心在对应所述永磁体瓦型边中点与电机几何中心连线上。

在一些较优的实施例中，所述隔磁块的瓦型边内径r_n和外径r_w的确认方法为：

r_w＝R_w；

r_n＝r_w-0.85b；

其中，R_w为外转子铁心内廓的半径，b为永磁体的厚度。

在一些较优的实施例中，所述隔磁块的瓦型张角α_n，满足关系式：

其中，p为电机极对数；

所述永磁体的瓦型张角α，满足关系式

在一些较优的实施例中，所述偏心圆弧的外廓中点到电机几何中心的距离R，满足关系式：R_w-b-8≤R≤R_w-b-5。

在一些较优的实施例中，所述偏心圆弧的半径r，满足关系式：

其中，k_n为隔磁块系数且

在一些较优的实施例中，所述偏心内转子铁心的内廓半径r_n2，满足关系式：

有益效果：

本发明的内转子与永磁体间的气隙厚度不均匀，且变化更为合理，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，提升了电机性能；基于本发明的技术方案设计的永磁电机具有转矩脉动小且输出力矩大的优点。

附图说明

图1为本发明中一种较优实施例的偏心内转子结构径向剖视示意图；

图2为本发明中一种较优实施例的偏心内转子结构轴向剖视示意图；

图3为本发明中另一种较优实施例中偏心内转子的偏心圆弧的结构示意图；

图4为本发明一种较优实施例与传统空心杯电机的气隙磁场波形对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1、图2所示，本发明提供了一种具有偏心内转子的转子结构，包括：外转子铁心1、永磁体2、隔磁块3、转子轴4、套筒5；所述外转子铁心1外侧壁固定安装在所述套筒5内侧壁上，内侧壁设置有若干永磁体2；相邻永磁体2之间设置有隔磁块3；还包括偏心内转子铁心6；

所述偏心内转子铁心6内侧壁固定安装在转子轴4外侧壁上，外侧壁与所述永磁体2之间设置有间隙；所述偏心内转子铁心6的外廓由若干偏心圆弧601组构成，所述偏心圆弧601与所述永磁体2一一对应。

本领域的技术人员应当知晓，所述套筒5与转子轴4也是固定连接的，因此，在转子轴4旋转时，套筒5、外转子铁心1与偏心内转子铁心6会随着转子轴4一通旋转。进一步的是，所述偏心内转子铁心6内外侧壁与所述永磁体2之间的间隙为电机的气隙。永磁体2的数量根据电机极对数确定，在一些较优的实施例中，所述永磁体2的数量i与电机极对数p的关系为：i＝2p。进一步的是，相邻的两块永磁体2充磁方向相反，其间设置的隔磁块3数量与永磁体2的数量相同。在一些较优的实施例中，所述永磁体2与隔磁块3均为瓦型。为了使所述偏心圆弧601与永磁体2更好的对应，应当使所述偏心圆弧601的圆心在对应所述永磁体2瓦型边中点与电机几何中心连线上。

应当理解的是，所述外转子铁心1的内外廓、永磁体2的内外廓、偏心内转子铁心6的内廓均为圆形且同心，其共圆心作为电机的几何中心。

在一些较优的实施例中，给出了所述隔磁块3的瓦型边内径r_n和外径r_w的确认方法为：

r_w＝R_w；

r_n＝r_w-0.85b；

其中，R_w为外转子铁心1内廓的半径，b为永磁体2的厚度。

在另一些较优的实施例中，进一步给出了所述隔磁块3的瓦型张角α_n，满足关系式：

其中，p为电机极对数；

进一步的是，所述永磁体2的瓦型张角α，满足关系式

在一些较优的实施例中，如图3所示，给出了所述偏心圆弧601的外廓中点到电机几何中心的距离R的确认方法，包括：所述的单个偏心圆弧601的中点到电机几何中心的距离为R，满足关系式：R_w-b-8≤R≤R_w-b-5。

所述的单个偏心圆弧601的半径为r，满足关系式:

其中k_n为隔磁块3系数，满足关系式：

本领域技术人员应当知晓，在得到单个偏心圆弧601的半径为r和单个偏心圆弧601的中点到电机几何中心的距离为R的条件下，将所述单个偏心圆弧601的圆心与电机几何中心之间的距离定义为偏心值λ，其计算方法为：λ＝R-r。

在另一些较优的实施例中，所述偏心内转子铁心6的圆形内侧半径为r_n2，满足关系式:

至此，永磁体2产生的磁通经过外转子铁心1和偏心内转子铁心6以及它们之间的气隙构成闭合回路。

具体实施例

本实施例以一外转子内廓半径R_w为76mm，永磁体2厚度b为5mm，极对数p为4的基于内转子铁心偏心的地铁列车驱动电机的转子结构为例，对隔磁块3与偏心内转子铁心6进行设计。应当理解的是，本实施例是用于说明本发明的具体实施方式，而不应理解为对本发明的具体限定。

根据本发明提供技术方案，可以获得对应的转子结构的其他部分参数，具体为：

由式r_w＝R_w，得到隔磁块3瓦型外径r_w为76mm；

由式r_n＝r_w-0.85b，得到瓦型内径r_n为71.75mm；

由式

得瓦型张角α_n满足

为便于加工制作，α_n优选取值为

由式

求得永磁体2瓦型张角α为

由式R_w-b-8≤R≤R_w-b-5得到单个偏心圆弧601的中点到电机几何中心的距离R满足63mm≤R≤66mm，为便于加工制作，R优选取值为65mm；

由式

得到单个偏心圆弧601的半径r满足51.8mm≤r≤56.8mm，为便于加工制作，r优选取值为56mm；

由式λ＝R-r得到单个偏心圆弧601的圆心与电机几何中心之间的距离偏心值λ为9mm；

由式

得到偏心内转子铁心6的圆形内侧半径r_n2满足r_n2≤28.2mm，为便于加工制作，r_n2优选取值为28mm。

选择传统的空心杯电机作为对照组，其电机参数为外转子内径76mm，极对数p为4对，内转子外径65mm，内转子内径28mm，永磁体2外径76mm，厚度5mm，内径71mm。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。以电角度为横坐标，以气隙磁场强度为纵坐标，分别绘制本发明的技术方案与传统空心杯电机的气隙磁场波形图，如图4所示，可以看出，与传统空心杯型电机相比，本发明提供的转子结构气隙磁场更加接近正弦波。传统空心杯型电机的THD为33.17％，而本发明的THD 12.74％相比，由此可知，本发明提出的具有偏心内转子的转子结构的THD降低了61.6％。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

Claims (6)

1.一种具有偏心内转子的转子结构，包括：外转子铁心(1)、永磁体(2)、隔磁块(3)、转子轴(4)、套筒(5)；所述外转子铁心(1)外侧壁固定安装在所述套筒(5)内侧壁上，内侧壁设置有若干永磁体(2)；相邻永磁体(2)之间设置有隔磁块(3)；其特征在于：还包括偏心内转子铁心(6)；

所述偏心内转子铁心(6)内侧壁固定安装在转子轴(4)外侧壁上，外侧壁与所述永磁体(2)之间设置有间隙；所述偏心内转子铁心(6)的外廓由若干偏心圆弧(601)组构成，所述偏心圆弧(601)与所述永磁体(2)一一对应；

所述永磁体(2)与隔磁块(3)均为瓦型；

所述隔磁块(3)的瓦型张角α_n，满足关系式：

其中，p为电机极对数；

所述永磁体(2)的瓦型张角α，满足关系式

所述偏心圆弧(601)的半径r，满足关系式：

其中，k_n为隔磁块(3)系数且

2.如权利要求1所述的具有偏心内转子的转子结构，其特征在于：所述偏心圆弧(601)的端点在对应所述永磁体(2)两侧隔磁块(3)的瓦型边中点与电机几何中心连线上。

3.如权利要求2所述的具有偏心内转子的转子结构，其特征在于：所述偏心圆弧(601)的圆心在对应所述永磁体(2)瓦型边中点与电机几何中心连线上。

4.如权利要求1所述的具有偏心内转子的转子结构，其特征在于：所述隔磁块(3)的瓦型边内径r_n和外径r_w的确认方法为：

r_w＝R_w；

r_n＝r_w-0.85b；

其中，R_w为外转子铁心(1)内廓的半径，b为永磁体(2)的厚度。

5.如权利要求4所述的具有偏心内转子的转子结构，其特征在于：

所述偏心圆弧(601)的外廓中点到电机几何中心的距离R，满足关系式：R_w-b-8≤R≤R_w-b-5。

6.如权利要求1所述的具有偏心内转子的转子结构，其特征在于：所述偏心内转子铁心(6)的内廓半径r_n2，满足关系式：

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