CN109417342A - 用于飞轮储能系统的单极电动机 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例涉及一种单极电动机及其与飞轮转子的机械联接。单极电动机包括转子，并且不需要额外的轴承、轴、齿轮、带轮等来联接飞轮转子和单极电动机的转子。单极电动机包括具有定子层叠件和多个定子极片的定子。极片产生穿过第一径向间隙的磁通量到转子组件以产生扭矩。转子组件联接到轴并且与轴一起旋转，轴又使飞轮转子旋转。转子组件包括转子层叠件堆和场联接器。场联接器具有与轴一起旋转的顶部和附接到外壳并保持静止的底部。

Description

用于飞轮储能系统的单极电动机

技术领域

本发明涉及飞轮储能系统的关键部件，用作电动机和发电机的装置，在此称为单极电动机。

背景技术

飞轮储能系统将动能存储在飞轮转子中。通过加速转子的角旋转速度将动能传输到转子或存储在转子中。反之亦然，通过减速转子从转子中提取能量。

本发明是针对这些考虑和其它考虑作出的。

发明内容

本发明的实施例涉及一种单极电动机及其与飞轮转子的机械联接。单极电动机包括转子，并且不需要额外的轴承、轴、齿轮、带轮等来联接飞轮转子和单极电动机的转子。

单极电动机包括具有定子叠片和多个定子极片的定子。极片产生穿过第一径向间隙的磁通量到转子组件以产生扭矩。转子组件联接到轴并且与轴一起旋转，轴又使飞轮转子旋转。转子组件包括转子叠片堆和场联接器。场联接器具有与轴一起旋转的顶部和附接到外壳并保持静止的底部。场联接器的静止底部通过低磁阻磁路磁性联接到定子。该低磁阻磁路可能由实心钢或其它导磁材料构成。此外，该低磁阻路径可能包含在单极电动机外壳、整个飞轮外壳或任何组合之中。

单极电动机还包括场绕组，该场绕组产生穿过场联接器的两个交错部分之间的间隙的磁通量。由场联接器的交错部分形成的间隙被称为第二或辅助间隙。

在某些实施例中，单极电动机具有用于转子和定子元件的p极设计。在一个实施例中，转子叠片具有4个凸部和8个极，定子具有12个齿和12个槽。在某些实施例中，每个齿被实施为极片，并且槽由两个相邻极片之间的空间形成。每个极片形成定子扇区，并且每个极片通过在定子的叠层扇区周围安装绕组或线圈而形成。

在某些实施例中，场联接器的顶部的横截面呈现为从顶部到底部变窄的一个、两个或更多个连续的等腰三角形。场联接器的底部的横截面与顶部的联接器的横截面相反，即它呈现为一个、两个或多个相同尺寸的连续三角形，其从底部到顶部变窄。此外，在场联接器的顶部和底部的表面之间存在均匀的第二间隙。场联接器的倾斜表面和它们形成的间隙增加了界面间隙的总面积，导致穿过间隙表面的磁通密度成比例地减小。由于磁通量指向垂直于间隙表面的方向，因此产生的合力的轴向分量减小了cos(θ)，其中θ(角度)是等腰三角形的底边与其两个相等长度边的每一边之间的角度。

通常，联接器的成型子表面不必限于等腰三角形。这种选择是许多可能性中的一种方便的几何形状。

附图说明

所公开的实施例具有其它优点和特征，这些优点和特征将从详细说明书、所附权利要求和附图(或图)中更加显而易见。以下是对这些附图的简要介绍。

图(FIG.)1是飞轮储能系统、也称为飞轮单元的一个实施例的简化剖视图。

图2A示出了图1的飞轮单元的实施例的旋转元件，包括单极电动机的实施例的元件。

图2B示出了用于驱动飞轮单元的单极电动机的一个实施例的简化剖视图。

图3A示出了单极电动机的转子和定子的极性构造的实施例。

图3B示出了来自单极电动机的定子的极片的实施例。

图4A是单极电动机的场联接器的场绕组和非旋转部分的实施例的等轴测图。

图4B是单极电动机的场联接器的场绕组和非旋转部分的实施例的剖视图。

附图仅出于说明的目的示出本发明的实施例。本领域技术人员将从以下讨论中容易地认识到，可采用本文所示的结构和方法的替代实施例而不脱离本文所述的本发明的原理。

具体实施方式

现代飞轮储能系统在真空封壳中运行，从而避免残余气体阻力的摩擦损失。因此，优选的是将电磁电动机/发电机与能量存储转子集成在真空封壳内，并使集成尽可能无缝。例如，优选的是避免带条、带轮、齿轮、长轴等。理想地，电磁电动机/发电机的转子非常紧密地联接到飞轮转子，以避免需要大量附加的机械联接元件。

这里描述的集成的电磁电动机/发电机利用电气的接口运行，以根据任何给定的能量存储应用中的需要加速或减速储能转子。

对适用于飞轮储能系统的电动机/发电机的类型的一些限制包括避免与滑环、电刷和/或换向器相关联的接触或滑动接触，从而避免与磨损和真空环境污染相关的生命周期危险。因此，优选的机器类型是不包括这种滑动接触的AC机器。

另一个限制是与转子相关的允许功率耗散。转子中耗散的功率只能经由辐射、与封闭的残余气体的弱对流、或如果存在的话经由机械轴承的非常有限的传导输送到外壳。因此，传统的交流感应电机由于它们固有的转子损耗而一般不用于现代飞轮系统。尽管传统的感应电机有时被认为用于飞轮储能系统，但是由于其固有的转子损耗和相对于一些上述选项的相对较弱的转子构造，感应电机通常不是优选的。如上所述，转子损失对真空环境中的运行提出了热管理挑战。

单极同步电机，也称为单极电机、单极电动机、单极电动机及发电机，电动机及发电机或简称电动机/发电机，是具有静止的场绕组的同步电机，与具有旋转磁场绕组和伴随滑环的传统同步电机类型相反。因此，单极电机避免了对滑环的需求，以及避免了相关的生命周期危险和污染危险。由于单极电机具有类似于传统同步电机的工作特性，因此它具有调节场绕组激励和相关工作点的全部能力。例如，为了实现损耗非常低的待机惯性滑行，可以使场激励断电，从而导致几乎零电磁损耗。单极同步电机是进一步有利的，因为它们易于设计用于可忽略的低转子损耗。

此外，可以在每个运行速度下调节场激励，并且对于每个运行功率水平调节场激励，以优化整体系统效率。在每个速度和功率水平下，可以合计地最小化由于传导、电磁铁芯损耗(例如铁损耗)以及电力电子转换引起的损耗。永磁型机器不容易获得这种调节水平，因为场强不易调节。同步磁阻电机确实允许现场调节，但通常限制在相对低的功率因数。

单极同步电机通常需要三维磁通路径。磁场或直流偏置磁通量由静止的场绕组实现，该场绕组引导磁通量通过间隙和固体、或非固体、钢渗透磁路。目的是磁激励活动转子凸部和定子之间的间隙。每个活动转子凸部可以被认为是北极，这些凸部之间的每个谷部都被认为是南极。由于在这种布局中磁通是单向的，因此该机器被称为单极。不丧失一般性，应该注意的是，响应于相反的场激励，磁通路径可以完全反转。通过应用直流场激励，该机器继承了传统同步电机的主要特征。

用于这种类型机器的定子绕组可以采用具有适当极数的传统三相模式布置，每个转子凸部具有两个极。定子绕组可以安装在具有传统齿槽布置的槽中，或者以无槽布置直接安装在气隙内。

本发明包括单极同步电机、单极电动机或单极电机的实施例。这里描述的单极电动机的主要应用是用于飞轮储能系统。然而，这里描述的单极极性电动机不因此受限制，并且可以用在其它储能系统和其它机器中。

飞轮储能系统

图(FIG.)1是也被称为飞轮单元100的飞轮储能系统的一个实施例的简化剖视图，根据一个实施例，飞轮单元100将电力电子子系统或电力电子单元120安装到飞轮外壳110。飞轮单元100包括飞轮转子组件130或简称为飞轮转子130，电动机及交流发电机140、飞轮壳体110、电力电子单元120、可以是AC或DC的电力线150、和控制线160，电动机及交流发电机140也称为电动机/交流发电机140，因为两个功能通常由单个子系统执行。例如，电力线150可以是传统的三相60HzAC线。通常，在下文中，术语“飞轮储能系统”或“飞轮单元”指的是单个飞轮外壳110以及单个飞轮外壳110容纳的任何转子、电动机/交流发电机以及其它元件以及任何电力电子元件，电力电子元件可以容纳并安装在飞轮外壳110上，如图1所示或者可以结合在飞轮外壳110内部或与飞轮单元100分开。。

在某些实施例中，电力电子单元120包括电力电子外壳125，其封围并容纳包括功率转换器的电子部件，功率转换器用于将输入的交流电转换成电动机/交流发电机140可接受的交流电。替代地，在其它实施例中，电力电子单元120将来自电动机/交流发电机140的交流电转换成直流电输出。如有必要，电力电子单元120还可包括传感器、处理器、存储器、计算机存储器和网络适配器，以执行飞轮单元100的通信、控制和状态监视。传感器可包括多轴加速度计、陀螺仪、接近传感器、温度传感器、应变传感元件等。电力电子120经由电力线150接收并提供电力，电力线150可以是AC或DC的。在某些实施例中，电力电子120具有用于接收和发送控制信号的控制线120。控制线160可能是物理电缆，例如以太网电缆；替代的，它可以通过诸如WIFI或蓝牙之类的无线通信链路进行通信。

电动机/交流发电机140在电能和机械能之间转换，使得能量可以存储在飞轮130中或从飞轮130中抽取。电动机/交流发电机140结合了电动机和交流发电机的功能，并因此也可称为电动机及交流发电机140。电动机/交流发电机140直接或间接地联接到飞轮转子130，例如使用也连接到支承轴承的短轴。电动机/交流发电机140经由电线或其它电气联接件联接到电力电子单元120，电气联接件通常穿过飞轮壳体110行进通过真空馈通件。

尽管在其它实施例中飞轮外壳110被示出为封围单个飞轮转子130以及单个电动机/交流发电机140，但是单个外壳可以封围多个转子和电动机/交流发电机。

飞轮转子与电动机/交流发电机的集成

图2A示出了单极电动机200(图2B中示出)的飞轮转子130、轴210和转子组件205的机械联接的一个实施例。单极电动机200是电动机/交流发电机140的一个实施例。在这种布置中，不需要额外的轴承、轴、齿轮、滑轮等来联接两个转子。在该实施例中，轴210显示为附接到转子130的短轴。在其它实施例中，轴210可能直接出自转子130，或者可能以其它方式连接，而不是使用短轴构造。在2015年7月28日提交的美国专利申请No.2016/0061289中描述了可以在本发明中使用的短轴的实施例，其全部内容以参见的方式纳入本文。在某些实施例中，单极电动机200直接联接到飞轮转子。在这样的实施例中，不需要轴将飞轮转子130与转子组件205联接。

图2B示出了单极电动机200的一个实施例的简化剖面。单极电动机200将扭矩施加到轴210，轴210示为短轴。

单极电动机包括定子，定子包括定子叠片堆240和多个定子极片242，在下文中称为极片242。极片242将磁通量引导(或导向)穿过第一或主径向间隙1到转子组件205以产生扭矩。转子组件205联接到轴210并且与轴210一起旋转，轴210又使飞轮转子130旋转。转子组件205包括转子叠片堆250和称为场联接器230A的场联接器230的顶部。称为场联接器230B的场联接器230的底部附接到外壳260并保持静止。也称为转子叠片250的转子叠片堆250由一堆相同的钢叠片形成，用于阻挡交流涡流。替代地，转子叠片250可由实心钢制成。

单极电动机200还包括场绕组220，其产生穿过统称为间隙2的间隙的磁通量，间隙2在场联接器230的两个交错部分之间，即场联接器的顶部230A以及场联接器的底部230B，场联接器的顶部230A与轴210一起旋转，场联接器的底部230B保持静止。场联接器230提供由场绕组220从其静止部分230A到其旋转部分230B产生的磁通量的路径。

在某些实施例中，场绕组220由绝缘或阳极氧化的、薄的铝或铜线圈形成。这提供了低电阻导电体。

通过将包括飞轮转子130、轴210、转子叠片250以及场联接器的顶部230A的组装好的转子组件205降低到飞轮壳体110中而没有任何障碍，可以容易地组装单极电动机200以及飞轮转子130。场联接器230和间隙1和2不妨碍或以任何方式干扰这种简单的组装步骤。在将飞轮转子插入飞轮壳体后，不需要旋转组中的组装步骤。

P极设计

图3A-B示出了用于单极电动机200的转子和定子元件的p极设计的实施例。

图3A示出了具有4个凸部和8个极的转子以及具有12个齿和12个槽的相应定子的实施例。在单极电动机200中，每个齿被实施为极片242，并且槽244由两个相邻极片242之间的空间形成。每个极片242包括定子扇区240。每个极片242通过在定子的叠层扇区周围安装绕组或线圈而形成。

图3A的配置是p极设计，定子上的槽或齿的数量与转子上的极数之间具有3/2的关系，即槽的数量＝3/2*p，其中p是极数。每个齿都有定子线圈，有效地跨越转子极的2/3，提供强大的基本磁链功能，但同时需要非常小的导体端匝长度。此外，由于各个线圈不重叠，所以绕组非常容易在现场制造或在单独的独立的齿部段上制造。

槽、极片以及极点p数量有多种可能的选择。必须遵守一些简单的规则：(1)槽的数量，以及因此的极片的数量必须是3的倍数，以便以平衡的方式适应3相发电；(2)好的选择往往是p的数量接近但不等于槽的数量；并且p是偶数整数，因为极是成对的。虽然图3A中所示的构造具有12个槽和8个极，但不要求3/2的比例。例如，其它有效的选择包括12个槽和10个极，以及12个槽和14个极。

图3B示出了来自单极电动机200的定子的一个定子极片242的实施例。极片242将磁通量引导穿过间隙1到转子，转子包括转子叠片250和转子凸部252。这种布置在成本和效率方面优化了定子导体的使用。具体地，绕组构造相对于传统的多槽绕组具有相对短的端匝。这对于较短的堆的长度的实现很重要。而且，进一步地，非重叠绕组简化了制造，并且再次减少了端匝长度。

可以理解，替代的布置是使用单个整体的定子叠片，并在每个齿上安装绕组，以制造定子。

直流磁场磁通路径

图4A-4B示出了场联接器230的实施例，其形成辅助联接器间隙2，从而激励主活动转子——定子间隙1。间隙2存在几个问题，因为它可能与强磁通密度、大量MMF下降、磁力以及相关的负磁刚度相关。用于激励如图4A-4B所示的主转子间隙1的辅助联接器以及被称为场联接器230的一个实施例基本上解决了这些问题。

图4A是场绕组220和称为场联接器230B的场联接器230的底部非旋转部分的实施例的等距视图。

图4B是场绕组和场联接器230A以及场联接器230B的实施例的剖视图，场联接器230A是场联接器230的下部的非旋转部分，场联接器230B是场联接器230的顶部或上部的旋转部分。如图所示，场联接器230具有两个交错的部分：顶部场联接器230A和底部场联接器23B。顶部场联接器230A的剖面表现为从顶部到底部变窄的一个、两个或更多个连续等腰三角形。底部场联接器230B的剖面与顶部场联接器230B的剖面相反，即它呈现为一个、两个或更多个相同尺寸的连续等腰三角形，这些等腰三角形从底部到顶部变窄。此外，在某些实施例中，顶部场联接器230A和底部场联接器230B的表面之间的间隙(间隙2)具有均匀的距离。

尽管在某些实施例中，场联接器230的所示剖面被示出为顶部和底部上的两个交错的等腰三角形，但是可使用一个三角形或多于两个三角形。此外，在某些实施例中，三角形可以不是等腰的。另外，可以使用除了三角形的其它几何形状，例如矩形或其它四边形；一般要求是顶部场联接器230A和底部场联接器230B的剖面形状之间是互锁型式。

场联接器230引导磁通垂直于其倾斜表面行进。这种途径增加了间隙2的总面积，导致穿过间隙表面的磁通密度成比例地减小。这减轻了磁饱和的问题，并且具有垂直于接口表面的吸引磁力。在该实施例中，间隙2处的总磁通强度被减小cos(θ)，其中θ是场联接器230内表面与水平面形成的角度，即等腰三角形的底边与其两个相等长度的边的每一边之间的角度，如图4B所示。接下来，由于磁通量指向垂直于间隙2的表面的方向，因此所得总力的轴向分量减小cos(θ)。可以理解的是，大的和可变的轴向力对飞轮轴承和悬架系统提出了挑战。利用这种布置，场联接器间隙的通量密度减小cos(θ)，导致垂直于表面的吸引力密度(磁应力)减小cos²(θ)。由于该力倾斜于主轴方向，因此进一步减小cos(θ)。因此，场联接器230的表面积增加1/cos(θ)，并且净轴向力减小cos²(θ)，这大大降低了磁饱和的机会。

在最优选的实施例中，角度θ在75到85度之间。在其它实施例中，可以使用30度和90度之间的角度。

其它的构造注意事项

在阅读本公开后，本领域技术人员将通过本文公开的原理理解另外的替代的结构和功能设计。因此，虽然已经说明和描述了特定实施例和应用，但是应该理解，所公开的实施例不限于本文公开的精确的构造和部件。在不脱离所附权利要求限定的精神和范围的情况下，可以在本文公开的方法以及设备的布置、运行以及细节中进行对本领域技术人员显而易见的各种修改、改变和变化。

Claims (15)

1.一种单极电动机，所述单极电动机包括：

具有n个齿的定子，其中每对相邻的齿形成相应的槽，并且其中每个齿缠绕有定子线圈；以及

具有p个极和p/2个凸部的转子，其中p是偶数整数，并且每对相邻的凸部形成相应的谷部，并且每个凸部和每个相应的谷部是相对的极。

2.根据权利要求1所述的单极电动机，其特征在于，所述槽的数量是3的倍数。

3.根据权利要求1所述的单极电动机，其特征在于，所述槽的数量等于3/2*p。

4.根据权利要求1所述的单极电动机，其特征在于，齿数和极数选自由12齿和8极、12齿和10极以及12齿和14极构成的组。

5.一种单极电动机，所述单极电动机包括：

包括多个极片的定子，所述极片将磁通量引导穿过第一气隙到达转子，所述极片附接到所述电动机的轴：

静止的场绕组，所述场绕组产生穿过所述第二气隙的磁通量，其中第二气隙由场联接器的交错顶部和底部之间的空间限定，其中所述顶部附接到所述转子并与所述转子一起旋转，并且所述底部是静止的并且将dc磁通量传递到所述定子。

6.根据权利要求5所述的单极电动机，其特征在于，所述顶部的剖面形状是从顶部到底部变窄的连续三角形，所述底部的横截面形状是从底部到顶部变窄的连续三角形。

7.根据权利要求6所述的单极电动机，其特征在于，在所述顶部和所述底部都有两个连续三角形。

8.根据权利要求6所述的单极电动机，其特征在于，每个连续三角形是具有角度θ的等腰三角形，所述角度θ在每个等腰三角形的所述底边和所述等腰三角形的两个相等长度边的每一边之间，其中θ基本上在75度和85度之间。

9.根据权利要求8所述的单极电动机，其特征在于，所述场联接器间隙的磁通密度减小cos(θ)。

10.根据权利要求5所述的单极电动机，其特征在于，所述场绕组由铝或铜制成。

11.根据权利要求5所述的单极电动机，其特征在于，所述场绕组由绝缘的铝或铜制成。

12.根据权利要求5所述的单极电动机，其特征在于，所述单极电动机还包括附接到所述轴并与所述轴一起旋转的转子组件，所述转子组件包括：附接到所述轴的飞轮转子、转子叠片、以及所述场联接器的所述顶部。

13.根据权利要求12所述的单极电动机，其特征在于，所述转子组件构造为直接降低到所述飞轮外壳中并与组装的定子组件联接，定子组件包括定子叠片、所述多个极片、所述场绕组以及所述场联接器的所述底部。

14.根据权利要求5所述的单极电动机，其特征在于，所述单极电动机还包括转子组件，所述转子组件直接联接到飞轮转子的轴，并且与所述飞轮转子一起旋转，所述转子组件包括：所述飞轮转子、转子叠片以及所述场联接器的所述顶部。

15.根据权利要求12所述的单极电动机，其特征在于，所述转子组件构造为直接降低到所述飞轮外壳中并与组装的定子组件联接，定子组件包括定子叠片、所述多个极片、所述场绕组以及所述场联接器的所述底部。