1.本发明属于电气工程领域，涉及一种飞轮储能系统用高速永磁同步电机的内置式永磁转子。
背景技术：
2.飞轮储能系统具有环境友好、功率密度大、使用寿命长和放电深度深等优点，广泛应用在不间断电源、大功率脉冲电源、电网调频和轨道交通等领域；通常情况下，飞轮储能系统采用具有功率密度大、响应速度快的高速永磁同步电机来实现飞轮储能系统机械能和电能之间的能量转换。
3.飞轮储能系统整体旋转轴系通常由飞轮储能系统用高速永磁同步电机转子和同轴连接的储能飞轮构成；为提高飞轮储能系统的能量储存密度，飞轮储能系统整体旋转轴系的转速被设计的越来越高，然而高转速会使飞轮储能系统用高速永磁同步电机转子产生更大的离心力，过大的离心力易造成高速永磁转子内部出现应力集中，危害飞轮储能系统高转速的安全运行；此外，为减小飞轮储能系统整体旋转轴系的空气摩擦损耗，飞轮储能系统整体旋转轴系会在真空状态下运行，这使得飞轮储能系统用高速永磁同步电机转子仅能通过辐射散热的方式进行散热，易造成高速永磁转子散热困难，过高的转子温度可能导致高速永磁转子内部的永磁体发生退磁现象，危害飞轮储能系统用高速永磁同步电机的可靠运行；综上，须采取合理结构的高速永磁转子，在保证飞轮储能系统用高速永磁同步电机的永磁转子高转速安全运行的前提下，尽可能减小转子铁心损耗和永磁体涡流损耗从而降低永磁转子温升。
技术实现要素：
4.本发明提出为了解决上述技术难题，本发明提出一种飞轮储能系统用高速永磁同步电机的内置式永磁转子，以保证飞轮储能系统用高速永磁同步电机的永磁转子在高转速旋转状态下转子结构稳定、安全可靠，且转子铁心内部的永磁体温升不会过高。
5.本发明提出一种飞轮储能系统用高速永磁同步电机的内置式永磁转子，主要包括空心转轴1、转子硅钢片铁心2、类椭圆形永磁体3和碳纤维保护套4，其特征在于：空心转轴1内表面为空心圆柱面，其外表面沿圆周均匀分布四个平台；转子硅钢片铁心2内表面沿圆周也均匀分布四个平台；空心转轴1外表面圆周标称直径与转子硅钢片铁心2内表面圆周标称直径相同，空心转轴1外表面沿圆周均匀分布的四个平台与转子硅钢片铁心2内表面沿圆周均匀分布的四个平台的标称尺寸相同，空心转轴1与转子硅钢片铁心2过盈配合装配在一起，两者的尺寸公差是相匹配的；转子硅钢片铁心2内部沿圆周均匀分布二十四个类椭圆形槽孔用于嵌放二十四块类椭圆形永磁体3，转子硅钢片铁心2外表面为完整的圆柱面，其标称直径与碳纤维保护套4内表面的圆柱面标称直径相同；类椭圆形永磁体3的充磁方式为径向平行充磁，类椭圆形永磁体3包括两种不同极性的永磁体，分别为同极性类椭圆形永磁体3-1和另一同极性类椭圆形永磁体3-2，两种不同极性类椭圆形永磁体形状相同，充磁方向
相反；碳纤维保护套4内表面为完整的圆柱面，碳纤维保护套4内表面标称直径与转子硅钢片铁心2外表面标称直径相同，碳纤维保护套4与转子硅钢片铁心2过盈配合装配在一起，两者的尺寸公差是相匹配的。
6.飞轮储能系统用高速永磁同步电机的内置式永磁转子组装时，先将转子硅钢片铁心2过盈配合套装在空心转轴1外侧；再将六块充磁方向由里向外、已经径向平行充磁的同极性类椭圆形永磁体3-1依次插入转子硅钢片铁心2内表面平台径向正对的六个类椭圆形槽孔内，这六块同极性类椭圆形永磁体3-1共同构成一个n极性的永磁磁极；再往此转子硅钢片铁心2内表面平台沿圆周方向不相邻的内表面平台径向正对的六个类椭圆形槽孔内依次插入六块充磁方向由里向外、已经径向平行充磁的同极性类椭圆形永磁体3-1，这六块同极性类椭圆形永磁体3-1又共同构成另一个n极性的永磁磁极；在两个n极性的永磁磁极之间，形成了两个s极性的永磁磁极区域，每个s极性的永磁磁极区域内有六个类椭圆形槽孔；往每个s极性的永磁磁极区域内的六个类椭圆形槽孔中依次插入六块充磁方向由外向里、已经径向平行充磁的另一同极性类椭圆形永磁体3-2，而构成另种两个s极性的永磁磁极；至此在转子硅钢片铁心2内部类椭圆形槽孔嵌放的二十四块类椭圆形永磁体3共形成n、s磁极极性依次相间的四个永磁磁极，形成内置式四极永磁磁极转子部件；再将碳纤维保护套4过盈配合套装在已经形成内置式四极永磁磁极转子硅钢片铁心2的圆柱面外侧，从而构成飞轮储能系统用高速永磁同步电机的内置式永磁转子，其对外呈现为两对永磁磁极。
7.本发明依靠在内置式永磁转子铁心外圆过盈配合套装上的碳纤维保护套对内置式四极永磁转子部件进行紧固；依靠类椭圆形永磁体减小转子硅钢片铁心的最大应力；依靠类椭圆形永磁体外侧与转子硅钢片铁心外径间的硅钢片铁心对进入类椭圆形永磁体内部的交变谐波磁密起抑制作用，进而有效减小永磁体涡流损耗和转子铁心上的铁耗，降低永磁转子温升。
附图说明
8.图1是飞轮储能系统用高速永磁同步电机的内置式永磁转子横截面示意图；
9.图2是飞轮储能系统用高速永磁同步电机的内置式永磁转子内部类椭圆形槽孔插入的类椭圆形永磁体横截面示意图；
10.图3是同极性类椭圆形永磁体及其充磁方向示意图；
11.图4是另一同极性类椭圆形永磁体及其充磁方向示意图。
12.图中，1-空心转轴，2-转子硅钢片铁心，3-类椭圆形永磁体，3-1-同极性类椭圆形永磁体，3-2-另一同极性类椭圆形永磁体，4-碳纤维保护套。
具体实施方式
13.下面结合图1和图2对本发明提出的一种飞轮储能系统用高速永磁同步电机的内置式永磁转子作进一步地详细描述。
14.如图1所示，本发明一种飞轮储能系统用高速永磁同步电机的内置式永磁转子，包括空心转轴1、转子硅钢片铁心2、类椭圆形永磁体3和碳纤维保护套4。
15.空心转轴1由高强度合金钢材料加工制成，空心转轴1内表面为空心圆柱面，避免了转轴为实心转轴时实心转轴轴线位置区域出现过大的应力集中的现象；空心转轴1外表
面沿圆周均匀分布四个平台；空心转轴1外表面圆周标称直径与转子硅钢片铁心2内表面圆周标称直径相同；空心转轴1外表面沿圆周均匀分布的四个平台与转子硅钢片铁心2内表面沿圆周均匀分布的四个平台标称尺寸相同，空心转轴1与转子硅钢片铁心2过盈配合装配在一起，两者的尺寸公差必须是相匹配的。
16.转子硅钢片铁心2由经冲剪加工后的低损耗硅钢片沿轴向叠压制成，转子硅钢片铁心2内表面沿圆周均匀分布的四个平台，该四个平台与空心转轴1外表面沿圆周均匀分布的四个平台标称尺寸相同，两者的尺寸公差必须是相匹配的；转子硅钢片铁心2内部沿圆周均匀分布二十四个类椭圆形槽孔用于嵌放二十四块类椭圆形永磁体3；选择二十四个类椭圆形槽孔之间铁心的宽度时，既要考虑其能够承受一定的机械应力不能过窄，还要考虑此处过宽会带来永磁漏磁过大而使电机性能降低过多的后果；转子硅钢片铁心2外表面为完整的圆柱面，其标称直径与碳纤维保护套4内表面的圆柱面标称直径相同。
17.如图2所示，类椭圆形永磁体3由极限运行温度和剩余磁化强度以及矫顽力都很高的烧结型钕铁硼永磁体加工制成，类椭圆形永磁体3的轴向横截面为类椭圆形，类椭圆形横截面的顶边与底边平行，且顶边比底边长，类椭圆形横截面的顶边与底边在轴向上形成类椭圆形永磁体3的顶端平面和底端平面，类椭圆形永磁体3顶端平面和底端平面平行；类椭圆形永磁体3沿径向中心面左右两侧对称，共有六个圆角，顶端的两个圆角半径相同，且圆角半径最大；底端的两个圆角半径相同，且圆角半径小一些；两侧的两个圆角半径相同，且圆角半径最小；虽然类椭圆形永磁体3的圆角加工降低了永磁体的利用率，但有效避免了在每块类椭圆形永磁体3外侧紧邻的硅钢片铁心区域和两块类椭圆形永磁体3之间的硅钢片区域出现的应力集中，极大地减小了转子硅钢片铁心2的最大应力。
18.如图3和图4所示，同极性类椭圆形永磁体3-1和另一同极性类椭圆形永磁体3-2形状相同；同极性类椭圆形永磁体3-1的充磁方向为沿其径向中心面由永磁体底端至永磁体顶端的径向平行充磁；另一同极性类椭圆形永磁体3-2的充磁方向为沿其径向中心面由永磁体顶端至永磁体底端的径向平行充磁；即同极性类椭圆形永磁体3-1和另一同极性类椭圆形永磁体3-2充磁方向相反，因而两者的极性不同。
19.将转子硅钢片铁心2过盈配合套装在空心转轴1外侧，空心转轴1外表面的四个平台与转子硅钢片铁心2内表面的四个平台相互配合，起到平键的作用，以传递扭矩。
20.再将六块充磁方向由里向外、已经径向平行充磁的同极性类椭圆形永磁体3-1依次插入转子硅钢片铁心2内表面平台径向正对的六个类椭圆形槽孔内，这六块同极性类椭圆形永磁体3-1共同构成一个n极性的永磁磁极；再往此转子硅钢片铁心2内表面平台沿圆周方向不相邻的内表面平台径向正对的六个类椭圆形槽孔内依次插入六块充磁方向由里向外、已经径向平行充磁的同极性类椭圆形永磁体3-1，这六块同极性类椭圆形永磁体3-1又共同构成另一个n极性的永磁磁极；在两个n极性的永磁磁极之间，形成了两个s极性的永磁磁极区域，每个s极性的永磁磁极区域内有六个类椭圆形槽孔；往每个s极性的永磁磁极区域内的六个类椭圆形槽孔中依次插入六块充磁方向由外向里、已经径向平行充磁的另一同极性类椭圆形永磁体3-2，而构成另种两个s极性的永磁磁极；至此在转子硅钢片铁心2内部类椭圆形槽孔嵌放的二十四块类椭圆形永磁体3共形成n、s磁极极性依次相间的四个永磁磁极，形成内置式四极永磁磁极转子部件。
21.为了对内置式四极永磁磁极转子部件进行紧固，将内表面标称直径和转子硅钢片
铁心2外表面标称直径相同的碳纤维保护套4过盈配合套装在已经形成内置式四极永磁磁极转子硅钢片铁心2的圆柱面外侧，从而构成飞轮储能系统用高速永磁同步电机的内置式永磁转子，其对外呈现为两对永磁磁极。
22.虽然类椭圆形永磁体3外侧与转子硅钢片铁心2外径间的硅钢片铁心导致类椭圆形永磁体3的漏磁效应略有增大，但依靠类椭圆形永磁体3外侧与转子硅钢片铁心2外径间的硅钢片铁心显著抑制交变的谐波磁密进入类椭圆形永磁体3内部，极大地减小类椭圆形永磁体3的涡流损耗；并且由低损耗硅钢片叠压制成的转子硅钢片铁心2铁心损耗也很小，因此该飞轮储能系统用高速永磁同步电机的内置式永磁转子整体的损耗很小，进而有效降低永磁转子温升。