CN109301982B - 一种双定子无槽铁心轴向磁场永磁电机与飞轮一体装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定子无槽铁心轴向磁场永磁电机与飞轮一体化装置，采用中间转子两边定子结构，中间转子内侧为电机转子部分，由具有双边聚磁能力的永磁体阵列构成；中间转子外侧为飞轮部分，采用高强度材料制成，质量和惯性大，外缘采用碳纤维材料加固。定子部分去除了传统齿槽铁心，仅留下具有导磁能力的背轭部分，定子绕组采用高性能灌封胶进行填充，与背轭紧紧粘接为一体。电机立式安装，上下采用两个锥面被动磁轴承，可实现无接触悬浮转子，实现真空运行。本发明具有重量轻、铁心损耗低、无齿槽转矩、电感小、动态性能好、效率高、自耗散率低、过载能力强和自调节悬浮气隙等优点。

Description

一种双定子无槽铁心轴向磁场永磁电机与飞轮一体装置

技术领域

本发明涉及电机设计领域，尤其涉及一种双定子无槽铁心轴向磁场永磁电机与飞轮一体装置。

背景技术

随着世界经济的发展，分布式发电系统已经逐渐成为电力系统的重要部分。然而与传统大电网相比，分布式发电供电距离较短、系统耦合性强、惯性系数小、阻尼不足，不具备大电网的强抗扰动能力。同时由于目前用电设备的功率越来越大，给电网带来的考验越来越多，包括大功率负载切入电网时引起电网电压波动；变频器等电力电子设备向电网引入谐波干扰，对敏感负载造成影响；冲击性负载的周期性使用需要电网短时大功率供电。而目前应对这些挑战的最佳选择是在系统中增加储能装置，其不仅可解决由于能源的随机性和波动性导致的瞬时停机、电压骤升、电压骤降等问题，而且可提供快速的功率缓冲、进行无功和有功的补偿。因此，研究充放电深度可控、响应速率快、高安全性、高可靠性、高环境适应性以及效率高、比能量密度高的储能系统，对改善分布式电网质量有着重要意义。

目前储能方式可以分为：物理储能、电化学储能和电磁储能。物理储能即机械储能包括：弹性储能、液压储能、抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等。电化学储能包括：铅酸电池、镍系电池、锂系电池、液流电池、钠硫电池等。电磁储能包括：超导磁储能系统、超级电容等。几种主要储能方式的技术特性如表1和2所示，这些储能方式在各个场合都有应用，相关技术还都处于发展之中，各有千秋。综合比较各种储能，飞轮储能系统具有响应速度快，充放电时间短，使用寿命长，储能密度高等特点，最合适应用于分布式电网场合电能质量调节。因此，越来越多的国家将目光投入到飞轮储能系统的研究中，这其中也包括了我国的研究人员。

表1各种主要储能方式动态响应特性

储能方式	输出功率	放电持续时间	响应时间	循环寿命(次)
					飞轮储能	0-5MW	1ms-15min	1-20ms	20000+
超导储能	0-10MW	1ms-1min	1-5ms	100000+
					超级电容	0-300W	1ms-8s	1-20ms	50000+
铅酸电池	0-20MW	sec-hours	>20ms	12000
					钒电池	0-3MW	secs-10h	20ms-secs	12000+
硫化钠电池	0-8MW	secs-hours	20ms-secs	2500

表2各种主要储能方式经济性能参数

典型的飞轮储能系统由飞轮转子、轴承、电动/发电机、电力电子变换器和真空室5个主要组件构成，常见飞轮转子采用的是高强度复合材料飞轮转子，电机采用的是永磁电机，轴承系统采用的是磁轴承系统，系统处于密封真空罩内，该电机结构简单、效率和功率密度高，可达到的转速也很高，电机中的交变磁场频率很高，一般达到几百甚至上千赫兹，在如此高的频率下，电机充放电的能量损耗率和保持状态的自耗散率均比较高，而采用定子无铁心电机则可大幅减小电机铁损，提高电机效率，改善飞轮储能系统性能。另外，传统飞轮储能系统的径向磁场电机的轴向较长，因此电机的轴系稳定性较差，而轴向磁场电机的轴长则较短，电机高速运行轴系的稳定性较好，且轴向磁场结构的盘式电机转子和飞轮转子外缘可以采用不同材料，进行装配。轴向磁场永磁电机结构多样，按照定转子数目以及相对位置可以分为四类：单定、转子结构，双边定子中间转子结构，双边转子中间定子结构、以及多定、转子结构。其中，单定、转子轴向结构存在单边磁拉力，设计成飞轮电机后转子悬浮位置不易调控；而双边转子中间定子无铁心电机的定子绕组在电机中间，去除导磁铁心后定子绕组固定及散热较难处理；多定、转子结构则相对复杂；因此，中间转子两边定子无铁心轴向磁场电机制成飞轮电机，并与复合材料飞轮一体化后，对改善飞轮储能系统性能有着至关重要的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种双定子无槽铁心轴向磁场永磁电机与飞轮一体装置，有效提高了飞轮电机储能系统充放电过程能量转换效率并减小保持状态的电机自耗散率，改善了传统飞轮储能系统的轴向稳定性和悬浮系统控制困难等问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种双定子无槽铁心轴向磁场永磁电机与飞轮一体化装置，包含真空罩、第一磁轴承、第二磁轴承、转轴、转子模块、第一定子模块、第二定子模块和飞轮；

所述转轴的两端分别通过第一磁轴承、第二磁轴承固定在所述真空罩内；

所述飞轮呈圆环状；

所述转子模块包含若干磁化单元，所述磁化单元均一端和所述转轴固连、另一端和所述飞轮的内壁固连，且相邻磁化单元之间胶连、拼合成圆环状的转子模块；

所述磁化单元包含第一至第四永磁体以及导磁钢制转子轴，其中，所述导磁钢制转子轴呈长方体，一端和所述转轴固连、另一端和所述飞轮的内壁固连；所述第一至第四永磁体依次设置在所述导磁钢制转子轴的四个面上，相邻永磁体之间贴合胶连，且相邻永磁体远离导磁钢制转子轴一端的磁极相反；

所述磁化单元中第一至第四永磁体远离导磁钢制转子轴一端的磁极和相邻磁化单元中第一至第四永磁体远离导磁钢制转子轴一端的磁极相反；

所述第一定子模块、第二定子模块设置在所述转子模块的两侧，均包含定子绕组和导磁背轭，其中，所述定子绕组、导磁背轭均呈圆环状，导磁背轭固定在所述真空罩的内壁上，定子绕组设置在导磁背轭和转子模块之间、胶连在所述导磁背轭上；

所述第一磁轴承、第二磁轴承、转轴、转子模块、第一定子模块、第二定子模块、飞轮均设置在真空罩内，所述第一定子模块、第二定子模块中定子绕组的各项引线伸出真空罩和外部相连。

作为本发明一种双定子无槽铁心轴向磁场永磁电机与飞轮一体化装置进一步的优化方案，所述飞轮采用钢制飞轮，质量大、离心力大，且飞轮外缘设有碳纤维材料层。

作为本发明一种双定子无槽铁心轴向磁场永磁电机与飞轮一体化装置进一步的优化方案，所述第一磁轴承、第二磁轴承均包含外圈和内圈，所述外圈固定在所述真空罩上，所述内圈和外圈锥面配合，且内圈的锥面和外圈的锥面上分别设有充磁方向相对、相互排斥的环状永磁体。

作为本发明一种双定子无槽铁心轴向磁场永磁电机与飞轮一体化装置进一步的优化方案，所述第一定子模块、第二定子模块中定子绕组采用模具绕制成型后采用灌封胶进行填充，然后通过粘接胶与导磁背轭粘为一体。

作为本发明一种双定子无槽铁心轴向磁场永磁电机与飞轮一体化装置进一步的优化方案，所述第一定子模块、第二定子模块中定子绕组的相同相对应并联。

作为本发明一种双定子无槽铁心轴向磁场永磁电机与飞轮一体化装置进一步的优化方案，所述转子模块中还包含用于固定各个磁化单元的非导磁框架。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1)，同等质量，大直径的盘式环形飞轮惯性更大；采用轴向磁场双定子，电机转子与飞轮有机集成，功率密度大；

2)，上下对称聚磁的转子磁路结构，磁化方向尺寸大，允许在采用大气隙下，气隙磁密达到常规电机的气隙磁密大小；

3)，转子模块外圈由高强度大质量飞轮，轮缘紧固，方便辅以碳纤维增强，获得较高强度，获得高线速度，有效提高储能密度；

4)，大气隙中安排电枢绕组构成无槽绕组，无齿槽定位力，减小损耗；绕组电抗小，电机动态性能好，大电流工作电机磁路不易饱和，过载倍数高；

5)，电机立式安装，采用上下两个锥面被动永磁磁轴承，实现无接触悬浮转子，实现真空运行，相比采用主动控制磁轴承，大大降低了飞轮成本；

6)，轴向双定子对称结构，双定子绕组并联运行，当电机存在气隙偏差时，气隙磁密发生偏差，引起绕组感应电势幅值不等，在绕组回路中产生无功均衡电流，气隙小的一侧为去磁，气隙大的为增磁，从而影响法向电磁力的大小，具备自动调整转子与定子间悬浮气隙的能力；

7)，定子只使用薄硅钢带卷制的轭部铁心，铁心用量少，铁损耗小，飞轮电机自耗散率少，运行效率高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中相邻磁化单元的径向结构示意图；

图3为本发明的三维磁路示意图；

图4为本发明中第一磁轴承的结构及磁路示意图；

图5(a)为中间转子双边定子轴向磁场永磁电机绕组并联运行电路示意图；

图5(b)为中间转子双边定子轴向磁场永磁电机绕组并联均衡电流示意图；

图5(c)为中间转子双边定子轴向磁场永磁电机绕组并联均衡电流矢量图。

图中，1-第一磁轴承，2-第二磁轴承，3-转轴，4-转子模块，5-飞轮，6-定子绕组，7-导磁背轭，8-碳纤维材料层，9-真空罩，10-导磁钢制转子轴，11-第一永磁体，12-第二永磁体， 13-第三永磁体，14-第四永磁体，15-非导磁框架，16-内圈，17-外圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种双定子无槽铁心轴向磁场永磁电机与飞轮一体化装置，包含真空罩、第一磁轴承、第二磁轴承、转轴、转子模块、第一定子模块、第二定子模块和飞轮。

转轴的两端分别通过第一磁轴承、第二磁轴承固定在真空罩内；飞轮呈圆环状；转子模块包含若干磁化单元，磁化单元均一端和转轴固连、另一端和飞轮的内壁固连，且相邻磁化单元之间胶连、拼合成圆环状的转子模块。

如图2所示，磁化单元包含第一至第四永磁体以及导磁钢制转子轴，其中，导磁钢制转子轴呈长方体，一端和转轴固连、另一端和飞轮的内壁固连；第一至第四永磁体依次设置在导磁钢制转子轴的四个面上，相邻永磁体之间贴合胶连，且相邻永磁体远离导磁钢制转子轴一端的磁极相反。

磁化单元中第一至第四永磁体远离导磁钢制转子轴一端的磁极和相邻磁化单元中第一至第四永磁体远离导磁钢制转子轴一端的磁极相反。非导磁框架固定各个磁化单元，使得转子模块的结构更加稳定。

第一定子模块、第二定子模块设置在转子模块的两侧，均包含定子绕组和导磁背轭，其中，定子绕组、导磁背轭均呈圆环状，导磁背轭固定在真空罩的内壁上，定子绕组设置在导磁背轭和转子模块之间、胶连在导磁背轭上。

第一磁轴承、第二磁轴承、转轴、转子模块、第一定子模块、第二定子模块、飞轮均设置在真空罩内，第一定子模块、第二定子模块中定子绕组的各项引线伸出真空罩和外部相连。

飞轮采用钢制飞轮，质量大、离心力大，并且整个飞轮外缘采用碳纤维加固。

第一定子模块、第二定子模块均为无槽铁心结构，仅留有导磁背轭，本实施方案中，定子绕组事先绕制成型，之后采用模具将定子绕组与定子背轭安放到位，采用灌封胶填充绕组，待胶加热冷却后，绕组与背轭可组成坚固、耐磨、抗压定子盘。

按照本实施方案，本发明的三维磁路如图3所示。由转子模块产生磁通，分别向两边的第一定子模块、第二定子模块区域辐射，经过转子模块与第一定子模块、第二定子模块间的气隙、定子绕组、导磁背轭后再次经过定子绕组、气隙然后回到转子永磁体，并经过中间导磁轴形成回路。该磁路结构会经过多个永磁体块，磁化路径长，对两边定子绕组区域均具有聚磁作用。

本实施方案中，电机转子永磁体采用聚磁结构，实际气隙为转子永磁体到导磁背轭之间的距离，在实际气隙距离确定的情况下，转子永磁体到线圈的距离可以选择较大，即悬浮气隙较大。

本实施方案中，电机立式安装，第一磁轴承、第二磁轴承采用锥面被动磁轴承支撑电机转子，该磁轴承剖面和磁路二分之一图如图4所示，主要包括外圈和内圈两个部分，内圈和外圈锥面配合，且内圈的锥面和外圈的锥面上分别设有充磁方向相对、相互排斥的环状永磁体，可等效提供轴向和径向支撑力，并且，可以通过调整相对锥面的倾斜角度和磁钢厚度调整支撑力的大小。同时，该轴承为上下通轴形式，电机轴可从上或下方向安装。

本实施方案中，电机上下两套绕组的相同相绕组并联，电机悬浮气隙较大，具备悬浮气隙自调节功能。如图5(a)为电机两套定子并联运行电路图(以三相电机为例)，两套绕组的相同相并联在控制器的同一桥臂上，此时两套绕组互为回路，其电压差为感应电势的差值，即(其中1表示上层绕组，2表示下层绕组)，当两边气隙相等时，该电压差值为0，两套绕组电流相等；而当悬浮气隙发生变化时，如转子位置偏下，则上层绕组的感应电势小，下层绕组的感应电势大，将产生环流电流/>(称为均衡无功电流)，如图5(b)，由下层绕组流向上层绕组，从而造成上层绕组电流变大，下层绕组电流减小，其矢量图5(c)所示，该电流对上层绕组起到增磁作用，对下层绕组起到去磁作用，故上层绕组与转子之间的法向力增大，下层绕组与转子之间的法向力减小，转子将自动向上移动。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种定子无槽铁心轴向磁场永磁电机与飞轮一体化装置，其特征在于，包含真空罩、第一磁轴承、第二磁轴承、转轴、转子模块、第一定子模块、第二定子模块和飞轮；

所述转轴的两端分别通过第一磁轴承、第二磁轴承固定在所述真空罩内；

所述飞轮呈圆环状；

所述转子模块包含若干磁化单元，所述磁化单元均一端和所述转轴固连、另一端和所述飞轮的内壁固连，且相邻磁化单元之间胶连、拼合成圆环状的转子模块；

所述磁化单元包含第一至第四永磁体以及导磁钢制转子轴，其中，所述导磁钢制转子轴呈长方体，一端和所述转轴固连、另一端和所述飞轮的内壁固连；所述第一至第四永磁体依次设置在所述导磁钢制转子轴的四个面上，相邻永磁体之间贴合胶连，且相邻永磁体远离导磁钢制转子轴一端的磁极相反；

所述磁化单元中第一至第四永磁体远离导磁钢制转子轴一端的磁极和相邻磁化单元中第一至第四永磁体远离导磁钢制转子轴一端的磁极相反；

所述第一定子模块、第二定子模块设置在所述转子模块的两侧，均包含定子绕组和导磁背轭，其中，所述定子绕组、导磁背轭均呈圆环状，导磁背轭固定在所述真空罩的内壁上，定子绕组设置在导磁背轭和转子模块之间、胶连在所述导磁背轭上；

所述第一磁轴承、第二磁轴承、转轴、转子模块、第一定子模块、第二定子模块、飞轮均设置在真空罩内，所述第一定子模块、第二定子模块中定子绕组的各项引线伸出真空罩和外部相连。

2.根据权利要求1所述的定子无槽铁心轴向磁场永磁电机与飞轮一体化装置，其特征在于，所述飞轮采用钢制飞轮，质量大、离心力大，且飞轮外缘设有碳纤维材料层。

3.根据权利要求1所述的定子无槽铁心轴向磁场永磁电机与飞轮一体化装置，其特征在于，所述第一磁轴承、第二磁轴承均包含外圈和内圈，所述外圈固定在所述真空罩上，所述内圈和外圈锥面配合，且内圈的锥面和外圈的锥面上分别设有充磁方向相对、相互排斥的环状永磁体。

4.根据权利要求1所述的定子无槽铁心轴向磁场永磁电机与飞轮一体化装置，其特征在于，所述第一定子模块、第二定子模块中定子绕组采用模具绕制成型后采用灌封胶进行填充，然后通过粘接胶与导磁背轭粘为一体。

5.根据权利要求1所述的定子无槽铁心轴向磁场永磁电机与飞轮一体化装置，其特征在于，所述第一定子模块、第二定子模块中定子绕组的相同相对应并联。

6.根据权利要求1所述的定子无槽铁心轴向磁场永磁电机与飞轮一体化装置，其特征在于，所述转子模块中还包含用于固定各个磁化单元的非导磁框架。