基于内转子铁心偏心结构设计的方波转子
阅读说明：本技术 基于内转子铁心偏心结构设计的方波转子 (Square wave rotor designed based on inner rotor iron 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：本发明涉及于电机或发电机技术领域,具体公开了一种基于内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、隔磁块、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,多个呈瓦片状永磁体沿外转子铁心的径向内侧交替放置,呈瓦片状隔磁块置于相邻两块永磁体之间,内转子铁心的内廓为圆形、外廓由一组偏心圆弧构成,偏心圆弧的个数与永磁体的个数相同,内转子铁心的径向外侧与永磁体之间构成了环形气隙；本发明采用了基于内转子铁心偏心结构设计后的转子,使气隙磁场接近方波,从而改善了空心杯型储能飞轮发电机反电动势波形,降低了转矩脉动,提升了发电机的性能。(The invention relates to the technical field of motors or generators, and particularly discloses a square wave rotor designed based on an eccentric structure of an inner rotor iron core, which comprises the outer rotor iron core, permanent magnets, magnetic isolation blocks, the inner rotor iron core and a rotor shaft, wherein the radial outer side of the outer rotor iron core is arranged at the outer end of the rotor shaft, the radial inner side of the inner rotor iron core is arranged at the inner end of the rotor shaft, a plurality of tile-shaped permanent magnets are alternately arranged along the radial inner side of the outer rotor iron core, the tile-shaped magnetic isolation blocks are arranged between two adjacent permanent magnets, the inner contour of the inner rotor iron core is circular, the outer contour is formed by a group of 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 outer side of the inner rotor iron core and the permanent magnets; the invention adopts the rotor designed based on the eccentric structure of the inner rotor core to enable the air gap magnetic field to be close to square waves, thereby improving the counter electromotive force waveform of the hollow cup type energy storage flywheel generator, reducing the torque pulsation and improving the performance of the generator.)
技术领域
本发明涉及于发电机技术领域，具体公开了一种基于内转子铁心偏心结构设计的方波转子。
背景技术
传统的方波储能飞轮发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储能飞轮发电机，其反电动势波形与方波差异较大，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。由此看来，优化储能飞轮发电机结构，降低气隙磁场波形谐波含量，使气隙磁场波形接近方波是至关重要的。
现有申请号为200410101898的发明专利已公开了一种无定子铁心无刷直流电动机，其中的空心杯定子结构可用于无刷直流电动机的设计中，使得内偏心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。但该直流电动机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，使得气隙磁场波形与方波差异较大；另外，由于永磁体之间直接接触，产生极间漏磁，影响储能飞轮发电机性能。因此，针对现有无定子铁心无刷直流电动机上述结构设计不足，设计一种基于内转子铁心偏心结构设计的方波转子用于发电机中，以降低气隙磁场波形谐波含量，提高发电机性能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针对现有无定子铁心无刷直流电动机上述结构设计不足，设计一种基于内转子铁心偏心结构设计的方波转子用于发电机中，以降低气隙磁场波形谐波含量，提高电机性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于内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、隔磁块、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外转子铁心的径向内侧交替放置，且相邻两块永磁体的充磁方向相反，所述呈瓦片状的隔磁块置于相邻两块永磁体之间，且隔磁块的个数与永磁体的个数相同，所述内转子铁心的内廓为圆形、外廓由一组偏心圆弧构成，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，所述内转子铁心的径向外侧与永磁体之间构成了环形气隙；
其中，所述外转子铁心的内外廓、永磁体的内外廓和内转子铁心的圆形内廓同心设置，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永磁体两侧隔磁块瓦型边中点与几何中心连线上，且偏心圆弧的中点与自身圆心的连线经过几何中心。
作为上述方案的进一步设置，所述隔磁块的瓦型外径为，满足关系式：，隔磁块的瓦型内径为，满足关系式：，其中为外转子铁心内廓的半径，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，其中为极对数。
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几何中心之间的距离为偏心值，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，所述内转子铁心上的偏心圆弧的个数为，且满足关系式：，其中为极对数。
有益效果：
本发明与传统的空心杯永磁储能飞轮发电机相比，采用了基于内转子铁心偏心结构设计后的转子，该方波转子的结构设计使得储能飞轮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，改善了储能飞轮发电机气隙磁密波形，使气隙磁场接近方波，从而改善了空心杯型储能飞轮发电机反电动势波形，降低了转矩脉动。另外，方波转子中隔磁块的设置避免了永磁体之间直接接触而导致产生极间漏磁，从而进一步提升了电机的性能。
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中基于内转子铁心偏心结构设计的方波储能飞轮发电机转子结构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
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1-3，并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
本实施例1公开了一种用于方波储能飞轮发电机中的基于内转子铁心偏心结构设计的方波转子。参考附图1和附图2，其主体部件包括外转子铁心1、永磁体2、隔磁块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。本实施例中的永磁体2、隔磁块3均为瓦片状，其永磁体2的厚度根据方波储能飞轮发电机实际工作需求确定，其数量根据极对数确定。将若干个瓦片状的永磁体2沿外转子铁心1的径向内侧交替放置，并且相邻的两块永磁体2充磁方向相反设置。将瓦片状的隔磁块2置于相邻的两块永磁体2之间，其数量与永磁体2的数量相同。
外转子铁心1的形状为圆环形，其内径根据方波储能飞轮发电机实际工作需求确定。内转子铁心4内廓为圆形，其外廓由一组偏心圆弧构成，并且偏心圆弧的个数与永磁体2的个数一致，位置与永磁体2一一对应。内转子铁心4的径向外侧与永磁体2之间构成了方波储能飞轮发电机的环形气隙，将空心杯定子（图中未画出）置于气隙内并固定在机壳上，该空心杯定子结构与现有定子结构一致。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，外转子铁心1的内外廓、永磁体2的内外廓、内转子铁心4的圆形内廓同心设置，该同心点作为方波储能飞轮发电机的几何中心（也为转子的几何中心）。内转子铁心4上偏心圆弧的两端点在对应的永磁体2两侧隔磁块3瓦型边中点与方波储能飞轮发电机几何中心连线上，同时偏心圆弧的中点与自身圆心的连线经过方波储能飞轮发电机的几何中心。
如图2所示，图中O点为方波储能飞轮发电机的几何中心；A、B两点为偏心圆弧的两个端点，O’点为偏心圆弧的圆心，H点为偏心圆弧的中点；C、D、E为永磁体2两侧隔磁块3瓦型边中点；为永磁体2的厚度；为外转子铁心1内廓的半径；为偏心圆弧的半径；为偏心圆弧的两端点到方波储能飞轮发电机几何中心的距离；为偏心圆弧的圆心与方波储能飞轮发电机几何中心之间的距离偏心值；为隔磁块3的瓦型内径，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3瓦型边中点C、D与方波储能飞轮发电机几何中心O的连线上，即A在线段OC上、B在线段OD上。偏心圆弧的中点与自身圆心的连线经过储能飞轮发电机的几何中心，即O点位于线段O’H上。
同时，基于内转子铁心偏心结构设计的方波转子在设置时满足以下关于尺寸的设计：
1）隔磁块的瓦型外径为，满足关系式：，瓦型内径为，满足关系式：，其中为外转子铁心内廓的半径，为永磁体的厚度，隔磁块的瓦型张角为，满足关系式：；永磁体的瓦型张角，满足关系式，其中为方波储能飞轮发电机极对数。
2）内转子铁心上偏心圆弧的个数为，且满足关系式：；
3）内转子铁心上偏心圆弧的两端点到方波储能飞轮发电机几何中心的距离为，满足关系式：；
4）内转子铁心上偏心圆弧的圆心与方波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:
，其中为隔磁块系数，满足关系式：。
5）内转子铁心上偏心圆弧的半径为，满足关系式:
。
本发明实施例以一外转子内廓半径为65mm，永磁体厚度为4.5mm，极对数为4的基于内转子铁心偏心结构设计的方波储能飞轮发电机转子结构为例，对隔磁块与偏心内转子铁心进行设计：
由式，得到隔磁块瓦型外径为65mm，由式，得到瓦型内径为61.175mm，由式得隔磁块的瓦型张角满足，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°)；
由式得到偏心圆弧的两端点到方波储能飞轮发电机几何中心的距离满足，为便于加工制作，优选取值为55mm；
由式
得到偏心圆弧的圆心与方波储能飞轮发电机几何中心之间的距离偏心值满足，为便于加工制作，优选取值为30mm；
由式得到偏心圆弧的半径为83.5mm。
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内径65mm，极对数为4对，内转子外径55mm，永磁体外径65mm，厚度4.5mm，内径60.5mm。与传统空心杯型储能飞轮发电机相比，基于内转子铁心偏心结构设计的方波储能飞轮发电机转子结构气隙磁场更加接近方波。
参考附图3，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。与传统空心杯储能飞轮发电机结构相比，本发明使由48.14%提升至66.85%，提升了38.9%。
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。
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