基于永磁体和内转子铁心偏心结构设计的正弦波转子
阅读说明：本技术 基于永磁体和内转子铁心偏心结构设计的正弦波转子 (Sine wave rotor designed based on permanent magnet and inner rotor iron 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：本发明涉及于发电机技术领域,具体公开了一种基于永磁体和内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、内转子铁心和转子轴,多个偏心永磁体沿外转子铁心的径向内侧交替放置,且相邻两块偏心永磁体的充磁方向相反,偏心永磁体由圆弧边外廓,偏心圆弧内廓以及两侧边组成,内转子铁心的内廓为圆形、外廓由一组向外凸起的偏心圆弧组成,内转子铁心的径向外侧与偏心永磁体之间构成了环形气隙；本发明采用基于永磁体和内转子铁心偏心结构设计的正弦波转子,改善了储能飞轮发电机气隙磁密波形,减小气隙磁场中谐波含量,使气隙磁场接近正弦波,从而改善了发电机反电动势波形,降低了转矩脉动,提升了储能飞轮发电机性能。(The invention relates to the technical field of generators, and particularly discloses a sine wave rotor designed based on an eccentric structure of a permanent magnet and an inner rotor iron core, which comprises an outer rotor iron core, eccentric permanent magnets, an inner rotor iron core and a rotor shaft, wherein a plurality of eccentric permanent magnets are alternately arranged along the radial inner side of the outer rotor iron core, the magnetizing directions of two adjacent eccentric permanent magnets are opposite, each eccentric permanent magnet comprises an arc edge outline, an eccentric arc outline and two side edges, the inner outline of the inner rotor iron core is circular, the outline comprises a group of eccentric arcs protruding outwards, and an annular air gap is formed between the radial outer side of the inner rotor iron core and the eccentric permanent magnets; the invention adopts the sine wave rotor designed based on the permanent magnet and the inner rotor core eccentric structure, improves the air gap flux density waveform of the energy storage flywheel generator, reduces the harmonic content in the air gap magnetic field, and enables the air gap magnetic field to be close to the sine wave, thereby improving the back electromotive force waveform of the generator, reducing the torque pulsation and improving the performance of the energy storage flywheel 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永磁体和内转子铁心偏心结构设计的正弦波转子。
背景技术
传统的空心杯型永磁储能飞轮发电机，多应用与高转速场合，需要较高的调速精度，因此多具有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3、5、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。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正弦波是至关重要的。
现有授权的国家发明专利公开了一种无定子铁心空心杯储能飞轮发电机结构，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偏心永磁体同步旋转，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；但是该无定子铁心空心杯储能飞轮发电机由于其气隙径向圆弧边外廓中点与偏心圆弧内廓中点间的距离均一，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，影响储能飞轮发电机性能。
发明内容
本发明的技术解决问题是针对传统空心杯型永磁储能飞轮发电机以及现有无定子铁心空心杯储能飞轮发电机结构产生的反电动势波形的谐波含量较大，影响储能飞轮发电机性能的不足，设计一种基于永磁体和内转子铁心偏心结构设计的正弦波转子。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于永磁体和内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、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外转子铁心的径向内侧交替放置，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外廓、偏心圆弧内廓以及两侧边组成，所述内转子铁心的内廓为圆形、外廓由一组向外凸起的偏心圆弧组成，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，所述内转子铁心的径向外侧与偏心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、偏心永磁体的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，所述偏心永磁体上偏心圆弧内廓的中点与自身圆心的连线经过转子的几何中心，所述内转子铁心上偏心圆弧的两端点在对应偏心永磁体两侧边与转子的几何中心连线上，且内转子铁心上偏心圆弧的圆心在自身中点与转子的几何中心的连线上。
作为上述方案的进一步设置，所述内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：，其中为外转子铁心内廓的半径，为偏心永磁体的圆弧边外廓中点与偏心圆弧内廓中点间的距离。
作为上述方案的进一步设置，所述偏心永磁体的张角为，满足关系式，其中为极对数，所述偏心永磁体上偏心圆弧内廓的半径为，满足关系式：
，其中为外转子铁心内廓的半径。
作为上述方案的进一步设置，所述内转子铁心上偏心圆弧的半径为，满足关系式: ，所述内转子铁心上的偏心圆弧的个数为，且满足关系式：。
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，所述内转子铁心上偏心圆弧的两端点在对应偏心永磁体两侧隔磁块瓦型边中点与几何中心连线上。
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：，瓦型内径为，满足关系式：，其中为外转子铁心内廓的半径，为偏心永磁体的圆弧边外廓中点与偏心圆弧内廓中点间的距离；所述隔磁块瓦型张角为，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内廓的半径为，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，所述内转子铁心上偏心圆弧的半径为，满足关系式:
，所述内转子铁心上的偏心圆弧的个数为，且满足关系式：。
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: 。
作为上述方案的进一步设置，所述内转子铁心的圆形内廓半径为，满足关系式: 。
有益效果：
与传统的空心杯永磁储能飞轮发电机相比，本发明采用基于永磁体和内转子铁心偏心结构设计的正弦波转子，其储能飞轮发电机的径向气隙圆弧边外廓中点与偏心圆弧内廓中点间的距离边的不均匀，气隙径向圆弧边外廓中点与偏心圆弧内廓中点间的距离变化更为合理，改善了储能飞轮发电机气隙磁密波形，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储能飞轮发电机反电动势波形，降低了转矩脉动，提升了储能飞轮发电机性能。同时，其隔磁块的设置能够有效防止产生极间漏磁，进一步提高了发电机的性能。
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；
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的方波飞轮发电机转子结构与传统空心杯型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1-6，并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
实施例1公开了一种用于永磁同步储能飞轮发电机中的基于永磁体和内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、内转子铁心3和转子轴4，将外转子铁心1与内转子铁心3均固定连接到转子轴4上，使得外转子铁心1与内转子铁心3同转子轴4一同旋转。在设置时将外转子铁心1的径向外侧安装在转子轴4上，将偏心永磁体2沿外转子铁心1的径向内侧交替放置，并且相邻的两块偏心永磁体2充磁方向相反，其偏心永磁体2的数量根据发电机的极对数确定。将内转子铁心3的径向内侧安装在转子轴4上，内转子铁心3的径向外侧与偏心永磁体2之间构成了储能飞轮发电机的环形气隙，并且空心杯定子置于气隙内并固定在机壳上，其空心杯定子结构与现有空心杯储能飞轮发电机的定子结构一致，本处未做图示和说明。偏心永磁体2产生的磁通经过外转子铁心1和偏心内转子铁心3以及它们之间的气隙构成闭合回路。
本实施例中外转子铁心1的外廓、偏心永磁体2的外廓、内转子铁心3的内廓同心设置，并将该同心点储能飞轮发电机的几何中心，该点也为转子的几何中心。其中，外转子铁心1为圆环形，其内径根据储能飞轮发电机实际工作需求确定。偏心永磁体2由圆弧边外廓、偏心圆弧内廓以及两侧边组成，其偏心永磁体2上偏心圆弧内廓的中点与其自身圆心的连线经过储能飞轮发电机的几何中心，偏心永磁体2上圆弧边外廓中点与偏心圆弧内廓中点间的距离根据储能飞轮发电机实际工作需求确定。内转子铁心3的内廓为圆形，其外廓由一组向外凸起的偏心圆弧构成，内转子铁心3上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。内转子铁心3上偏心圆弧的两端点在对应的偏心永磁体2两侧边与储能飞轮发电机几何中心连线上，同时内转子铁心3上偏心圆弧的圆心在其自身中点与储能飞轮发电机几何中心的连线上。
如图2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2外廓的中点，H2点为偏心永磁体2上偏心圆弧内廓的中点，O2为其圆心；A、B两点为内转子铁心上偏心圆弧的两个端点，O’点为内转子铁心上偏心圆弧的圆心，H点为内转子铁心上偏心圆弧的中点；C、D为偏心永磁体2两侧边的端点。
其中，为偏心永磁体2的圆弧边外廓中点H1与偏心圆弧内廓中点H2间的距离，为偏心永磁体2上偏心圆弧内廓的半径；为外转子铁心1内廓的半径，为内转子铁心上偏心圆弧的半径，为内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；为内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偏心值；为内转子铁心3内廓的半径；为偏心永磁体2的张角。
上述内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。上述内转子铁心上偏心圆弧的圆心在其自身中点与储能飞轮发电机几何中心连线的连线上，即O’点位于线段OH上，构成偏心永磁体2上偏心圆弧内廓的中点与其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O2H2上。
在对基于永磁体和内转子铁心偏心结构设计的正弦波转子进行设计时满足以下相关参数：
1）偏心永磁体的张角为，满足关系式，其中为储能飞轮发电机极对数；
2）偏心永磁体上偏心圆弧内廓的半径为，满足关系式：
，其中为外转子铁心内廓的半径，为偏心永磁体的圆弧边外廓中点与偏心圆弧内廓中点间的距离；
3）内转子铁心3上偏心圆弧的个数为，且满足关系式：；
4）内转子铁心3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：；
5）内转子铁心3上偏心圆弧的半径为，满足关系式:
；
6）内转子铁心3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: ；
7）内转子铁心3的圆形外廓半径为，满足关系式:。
本实施例1以一外转子内廓半径为65mm，偏心永磁体圆弧边外廓中点与偏心圆弧内廓中点间的距离为3.5mm，极对数为4的基于永磁体和内转子铁心偏心结构设计的永磁同步储能飞轮发电机转子结构为例，对偏心永磁体、偏心内转子铁心进行设计：
由式求得偏心永磁体2的张角为 (45°)；
由式得到偏心永磁体2上偏心圆弧内廓的半径满足，为便于加工制作，优选取值为140mm；
由式得到内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，为便于加工制作，优选取值为55mm；
由式得到内转子铁心上偏心圆弧的半径满足，为便于加工制作，优选取值为45mm；
由式得到内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偏心值为9mm；
由式得到内转子铁心4的圆形内廓半径满足，为便于加工制作，优选取值为20mm。
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，内转子内径20mm，永磁体外径65mm，厚度3.5mm，内径61.5mm。
与传统空心杯型储能飞轮发电机相比，本实施例中的永磁同步空心杯储能飞轮发电机转子结构气隙磁场更加接近正弦波。参考附图3，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。上述分别计算得到传统空心杯型储能飞轮发电机的气隙磁场波形THD 37.1%，本实施例中的永磁同步储能飞轮发电机转子结构的气隙磁场波形THD 15.2%，即基于内转子铁心偏心与永磁体偏心结构设计的永磁同步储能飞轮发电机转子结构THD降低了59.0%。
实施例2
本实施例2公开了一种用于正弦波储能飞轮发电机中的基于永磁铁和内转子铁心偏心结构的转子。参考附图4和附图5，其包括外转子铁心1、偏心永磁体2、隔磁块5、内转子铁心3和转子轴4，将外转子铁心1与内转子铁心3均固定连接到转子轴4上，使得外转子铁心1与内转子铁心3同转子轴4一同旋转。
在设置时将外转子铁心1的径向外侧安装在转子轴4上，将偏心永磁体2沿外转子铁心1的径向内侧交替放置，并且相邻的两块偏心永磁体2充磁方向相反，其偏心永磁体2的数量根据发电机的极对数确定。将瓦片状的隔磁块5置于相邻的两块偏心永磁体2之间，其数量与偏心永磁体2的数量相同。将内转子铁心3的径向内侧安装在转子轴4上，内转子铁心3的径向外侧与偏心永磁体2之间构成了正弦波储能飞轮的环形气隙，并且空心杯定子置于气隙内并固定在机壳上，其空心杯定子结构与现有正弦波储能飞轮发电机的定子结构一致，本处未做图示和说明。偏心永磁体2产生的磁通经过外转子铁心1和偏心内转子铁心3以及它们之间的气隙构成闭合回路。
本实施例中外转子铁心1的外廓、偏心永磁体2的外廓、内转子铁心3的内廓同心设置，并将该同心点储能飞轮发电机的几何中心，该点也为转子的几何中心。其中，外转子铁心1为圆环形，其内径根据正弦波储能飞轮发电机实际工作需求确定。偏心永磁体2由圆弧边外廓、偏心圆弧内廓以及两侧边组成，其偏心永磁体2上偏心圆弧内廓的中点与其自身圆心的连线经过正弦波储能飞轮发电机的几何中心，同时偏心永磁体2上圆弧边外廓中点与偏心圆弧内廓中点间的距离根据正弦波储能飞轮发电机实际工作需求确定。内转子铁心3的内廓为圆形，其外廓由一组向外凸起的偏心圆弧构成，内转子铁心3上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。内转子铁心3上偏心圆弧的两端点在对应的偏心永磁体2两侧隔磁块5瓦型边中点与正弦波储能飞轮发电机几何中心连线上，同时内转子铁心3上偏心圆弧的圆心在其自身中点与正弦波储能飞轮发电机几何中心的连线上。
如图5所示，图中O点为正弦波储能飞轮发电机的几何中心；H1点为偏心永磁体2外廓的中点，H2点为偏心永磁体2上偏心圆弧内廓的中点，O2为其圆心；A、B两点为内转子铁心上偏心圆弧的两个端点，O’点为内转子铁心上偏心圆弧的圆心，H点为内转子铁心上偏心圆弧的中点；C、D为偏心永磁体2两侧隔磁块5瓦型边中点。
其中，为偏心永磁体2的圆弧边外廓中点H1与偏心圆弧内廓中点H2间的距离；为构成偏心永磁体2上偏心圆弧内廓的半径；为外转子铁心1内廓的半径；为内转子铁心上偏心圆弧的半径，为内转子铁心上偏心圆弧的中点到转子几何中心的距离，为内转子铁心上偏心圆弧的圆心与转子几何中心之间的距离偏心值，为内转子铁心3内廓的半径；为瓦片状隔磁块5的内径，为其外径，为其张角；为偏心永磁体2的张角。
上述内转子铁心上偏心圆弧的两端点A、B在对应的偏心永磁体2两侧隔磁块5瓦型边中点C、D与转子几何中心O的连线上，即A在线段OC上、B在线段OD上。上述内转子铁心上偏心圆弧的圆心在其中点与转子几何中心连线的连线上，即O’点位于线段OH上。偏心永磁体2上偏心圆弧内廓的中点与其自身圆心的连线经过转子的几何中心，即O点位于线段O2H2上。
在对基于永磁体和内转子铁心偏心结构设计的正弦波转子进行设计时满足以下相关参数：
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，为偏心永磁体的圆弧边外廓中点与偏心圆弧内廓中点间的距离，其瓦型张角为，满足关系式：；偏心永磁体的张角，满足关系式，其中为储能飞轮发电机极对数。
2）内转子铁心上偏心圆弧的半径为，满足关系式：
，其中为隔磁块系数，满足关系式：。
3）内转子铁心上的偏心圆弧的个数为，且满足关系式：。
4）内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：。
5）内转子铁心上偏心圆弧的半径为，满足关系式:
。
6）内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: 。
7）内转子铁心的圆形内廓半径为，满足关系式: 。
本实施例2以一外转子内廓半径为95mm，偏心永磁体圆弧边外廓中点与偏心圆弧内廓中点间的距离为6.5mm，极对数为4的基于内转子铁心偏心与永磁体偏心结构设计的正弦波储能飞轮发电机转子结构为例，对隔磁块、偏心永磁体、偏心内转子铁心进行设计：
由式，得到隔磁块的瓦型外径为95mm，由式，得到瓦型内径为89.475mm；
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°)；
由式得到偏心永磁体上偏心圆弧内廓的半径满足，为便于加工制作，优选取值为150mm；
由式得到内转子铁心上偏心圆弧的中点到几何中心的距离满足，为便于加工制作，优选取值为82mm；
由式得到内转子铁心上偏心圆弧的半径满足，为便于加工制作，优选取值为70mm；
由式得到内转子铁心上偏心圆弧的圆心与几何中心之间的距离偏心值为12mm；
由式得到内转子铁心的圆形内廓半径满足，为便于加工制作，优选取值为35mm。
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95mm，极对数为4对，内转子外径82mm，内转子内径35mm，永磁体外径95mm，厚度6.5mm，内径88.5mm。
与传统空心杯型储能飞轮发电机相比，本实施例的正弦空心杯储能飞轮发电机转子结构气隙磁场更加接近正弦波。参考附图6，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。以上分别计算得到传统空心杯型储能飞轮发电机的气隙磁场波形THD 36.9%，与本实施例2的正弦储能飞轮发电机转子结构的气隙磁场波形THD 13.4%，即基于内转子铁心偏心与永磁体偏心结构设计的正弦储能飞轮发电机转子结构THD降低了63.7%。
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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