CN110504789B - 模块化飞轮脉冲发电机系统 - Google Patents

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Abstract

模块化飞轮脉冲发电机系统，属于电机和电力电子技术领域，本发明为解决现有飞轮脉冲发电机组存在因机组轴系长、转速低导致的功率密度低、能量密度低、体积重量大问题；及可靠性低、成本高问题。本发明包括输入逆变器、轴向磁场结构多气隙内嵌永磁体转子同步电机、输出整流器和励磁电流调节单元；电动机状态：轴向磁场结构多气隙内嵌永磁体转子同步电机通过输入逆变器从电网吸取能量，将电能转换成机械能存储起来；发电机状态：轴向磁场结构多气隙内嵌永磁体转子同步电机将机械能转换成电能，并通过输出整流器向负载供电；励磁电流调节单元用于在发电机状态时对同步电机气隙磁场进行控制，以保证同步电机在负载及转速变化状态下输出电压保持恒定。

Description

模块化飞轮脉冲发电机系统
技术领域
本发明属于电机和电力电子技术领域，涉及飞轮发电机结构。
背景技术
飞轮脉冲发电机是利用轴系的大惯量存储能量、同轴电动/发电机实现机电能量转换的一种飞轮储能装置。目前投入应用或正在开发的飞轮储能装置有两种类型：第一种是储能与释能功率等级相当，可用一台电机交替实现电动和发电功能，中小容量的磁悬浮飞轮储能系统为这一类型，具有结构紧凑、效率高等特点，一般用作飞轮电池；第二种是储能功率比释能功率小一个数量级以上，由两台电机分别实现电动和发电功能，大容量交流脉冲发电机组为这一类型，以小功率、长时间存储能量，大功率、短时间释放能量，一般用作大容量脉冲电源，可应用于受控核聚变试验、核爆炸模拟、强流粒子束加速器、高功率脉冲激光器、高功率微波、等离子体和电磁发射技术等领域。
常用飞轮脉冲发电机系统如图1所示。系统的基本工作原理为：当系统充电时，由外部电网给系统提供能量，经由电力电子器件构成的功率变换器控制并驱动电机，带动飞轮高速旋转，达到并保持在恒定高速运行，以动能的方式储存所需能量，完成从电能到机械能的转换和能量存储。当脉冲负载需要供电时，将高速旋转运行的飞轮当成原动机带动电机发电运行，经过电力电子变换器输出适合脉冲负载的电压与电流，完成能量转换过程。
传统的脉冲发电机组通常采用“电动机—飞轮—发电机”的结构形式。驱动电动机通常采用三相感应电动机，而脉冲发动机通常采用多相隐极同步发电机，电动机与发电机同轴旋转，惯性飞轮安装在发电机转轴上。飞轮和发电机采用刚性联轴器联接，电动机和飞轮采用柔性联接，机组有多个轴承来支撑转子。
但是，该飞轮脉冲发电机组存在如下缺点：整个机组的轴系长、转速低，系统的功率密度低、能量密度低、体积重量大；脉冲发电机的转子上有励磁绕组，采用多级旋转整流器励磁，系统的可靠性低、成本高，不适合用于移动平台中。
发明内容
本发明目的是为了解决现有飞轮脉冲发电机组存在因机组轴系长、转速低导致的系统的功率密度低、能量密度低、体积重量大的问题；及可靠性低、成本高的问题，提供了一种模块化飞轮脉冲发电机系统。
本发明所述模块化飞轮脉冲发电机系统包括输入逆变器、轴向磁场结构多气隙内嵌永磁体转子同步电机、输出整流器和励磁电流调节单元；
电动机状态：轴向磁场结构多气隙内嵌永磁体转子同步电机通过输入逆变器从电网吸取能量，将电能转换成机械能存储起来；
发电机状态：轴向磁场结构多气隙内嵌永磁体转子同步电机将机械能转换成电能，并通过输出整流器向负载供电；
励磁电流调节单元用于在发电机状态时对同步电机气隙磁场进行控制，以保证同步电机在负载及转速变化状态下输出电压保持恒定。
优选地，轴向磁场结构多气隙内嵌永磁体转子同步电机包括n个定子1、n+1个转子2、定子机壳框架3和转轴4；
n个定子1和n+1个转子2沿轴向依次交错同轴排列，n个定子1固定在定子机壳框架3上，n+1个转子2固定在转轴4上；n个定子1和n+1个转子2之间存在2n个轴向气隙；
转轴4的两端分别穿过前端盖5和后端盖6并通过轴承7转动连接。
优选地，定子1由h个定子模块101拼接构成圆环结构，每个定子模块101包括扇形环定子基板101-1和m×i个定子绕组101-2；m为电机相数，i为正整数；m×i个定子绕组101-2沿圆周方向均匀排列在扇形环定子基板101-1上。
优选地，定子模块101还包括维修把手101-3，所述维修把手101-3位于扇形环面外圆侧，用于将定子模块101从定子机壳框架3上拉出。
优选地，转子2包括转子基板201和2p(2s+1)个永磁体202，p为极对数，s为正整数；转子基板201为圆盘形，在转子基板201面向定子1的端面上沿周向嵌放2p(2s+1)个永磁体202，永磁体202沿轴向充磁，属于同一磁极的(2s+1)个永磁体202充磁方向相同，相邻两个磁极的永磁体202的充磁方向相反。
优选地，位于电机两侧的转子2结构相同，在转子基板201的内侧端面开设2p(2s+1)个轴向盲孔，用于嵌放永磁体202；位于电机中间位置的n-1个转子2结构相同，在转子基板201上开设2p(2s+1)个轴向通孔，用于嵌放永磁体202。
优选地，位于电机两侧的转子2的转子基板201采用磁性材料，位于电机中间位置的n-1个转子2的转子基板201采用磁性材料或非磁性材料。
优选地，位于电机中间位置的n-1个转子2的转子基板201采用非磁性材料时，在转子2还设置4p个导磁体，在转子基板201的每个磁极的永磁体径向外侧、内侧各开设一个轴向通孔，用于嵌放一对导磁体。
优选地，转子2与定子1的气隙长度沿周向周期性变化，在每个磁极中心线处气隙长度最小，往磁极两侧的气隙长度逐渐递增。
优选地，转子2位于磁极中心线位置永磁体的剩磁或矫顽力最高，往两侧永磁体的剩磁或矫顽力逐渐递减。
优选地，转子2位于磁极中心线位置永磁体磁化方向的厚度最大，往两侧永磁体的厚度逐渐递减；位于中心线位置永磁体的圆周方向宽度最大，往其两侧永磁体的宽度逐渐递减；位于中心线位置永磁体的径向高度最大，往其两侧永磁体的径向高度逐渐递减。
优选地，励磁电流调节单元由多相电容器组和多相可控饱和电抗器组并联构成，多相可控饱和电抗器组的直流绕组接控制器，多相可控饱和电抗器组的交流绕组星型联结。
优选地，励磁电流调节单元由并联的多相电容器组和多相开关电抗器组构成；多相开关电抗器组由多相电抗器组和多相交流短路开关构成，每相电抗器组由两个电抗器串联而成且为星型联结，多相交流短路开关星型联结，且各相交流短路开关的交流端分别接在两个串联电抗器的连接点上。
优选地，励磁电流调节单元由并联的多相电容器组、多相开关电容器组和多相开关电抗器组构成；多相开关电容器组由多相电容器组和多相交流短路开关构成，各相交流短路开关的交流端分别接在各电容器的尾端上；多相开关电抗器组由多相电抗器组和多相交流短路开关构成，每相电抗器由两个电抗器串联而成且为星型联结，多相交流短路开关星型联结，且各相交流短路开关的交流端分别接在两个串联电抗器的连接点上。
本发明的有益效果：本发明涉及一种模块化飞轮脉冲发电机系统，发电机采用永磁体励磁，采用励磁电流调节单元进行气隙磁场控制，保证发电机在负载及转速变化状态下输出电压保持恒定。转子铁心采用实心结构，结构简单、强度高，电机的轴向尺寸小、重量轻，适合高速运行；将飞轮与转子合二为一，机组轴系短、功率密度和能量密度高；转子上没有电刷和滑环，定子采用模块化结构，制造简单，装配容易，维护方便，电磁干扰低，机电能量转换效率高；具有容错能力、高可靠性和可扩展性。通过控制励磁电流调节单元输出无功电流的大小即可实现系统的输出电压调节，控制容易，励磁功率小，发电机系统过载能力强，具有较宽的电压调节能力或宽范围变速恒压输出能力。
由于该飞轮储能系统具有控制简单、效率高、电压调整率小、过载能力强和可靠性高等特点，可用作大容量脉冲电源，在核聚变试验技术、等离子体和电磁发射技术等领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1是常用飞轮脉冲发电机系统的控制原理图；
图2是实施例1所述模块化飞轮脉冲发电机系统的结构示意图；
图3是实施例1电机的爆炸图；
图4是本发明电机的转子结构示意图；
图5是本发明电机的定子模块结构示意图；
图6是实施例2所述模块化飞轮脉冲发电机系统的结构示意图；
图7是实施例2电机的爆炸图；
图8是本发明电机的转子结构示意图，具有磁桥；
图9～图11是励磁电流调节单元的三个具体实施方案。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
具体实施方式一：下面结合图2～图11说明本实施方式，本实施方式所述的模块化飞轮脉冲发电机系统包括输入逆变器、轴向磁场结构多气隙内嵌永磁体转子同步电机、输出整流器和励磁电流调节单元；
电动机状态：轴向磁场结构多气隙内嵌永磁体转子同步电机通过输入逆变器从电网吸取能量，将电能转换成机械能存储起来；
发电机状态：轴向磁场结构多气隙内嵌永磁体转子同步电机将机械能转换成电能，并通过输出整流器向负载供电；
励磁电流调节单元用于在发电机状态时对同步电机气隙磁场进行控制，以保证同步电机在负载及转速变化状态下输出电压保持恒定。
轴向磁场结构多气隙内嵌永磁体转子同步电机包括n个定子1、n+1个转子2、定子机壳框架3和转轴4；
n个定子1和n+1个转子2沿轴向依次交错同轴排列，n个定子1固定在定子机壳框架3上，n+1个转子2固定在转轴4上；n个定子1和n+1个转子2之间存在2n个轴向气隙；
转轴4的两端分别穿过前端盖5和后端盖6并通过轴承7转动连接。
定子1的绕组分为输入功率绕组和输出功率绕组，其中输入功率绕组的引出线与输入逆变器的输出端相连，输出功率绕组的引出线与输出整流器的交流输入端相连。
定子1由h个定子模块101拼接构成圆环结构，每个定子模块101(参见图5所示)包括扇形环定子基板101-1和m×i个定子绕组101-2；m为电机相数，i为正整数；m×i个定子绕组101-2沿圆周方向均匀排列在扇形环定子基板101-1上。
本实施方式的定子采用模块化设计方式，在定子出现故障时，可单独拆卸故障模块，这样既便于维修，又降低成本。进一步的，为了便于拆卸、安装定子模块，在定子模块101上设置维修把手101-3，所述维修把手101-3位于扇形环面外圆侧，用于将定子模块101从定子机壳框架3上拉出。
m×i个定子绕组101-2中分成两部分作为输入功率绕组和输出功率绕组，输入功率绕组由j个定子模块串联或并联构成；输出功率绕组由k个定子模块串联或并联构成，j和k为正整数，j+k＝m×i。
转子2包括转子基板201和2p(2s+1)个永磁体202，p为极对数，s为正整数；转子基板201为圆盘形，在转子基板201面向定子1的端面上沿周向嵌放2p×(2s+1)个永磁体202，属于同一磁极的(2s+1)个永磁体202充磁方向相同，相邻两个磁极的永磁体202的充磁方向相反。
位于电机两侧的转子2结构相同，在转子基板201的内侧端面开设2p(2s+1)个轴向盲孔，用于嵌放永磁体202；位于电机中间位置的n-1个转子2结构相同，在转子基板201上开设2p(2s+1)个轴向通孔，用于嵌放永磁体202。由于永磁体202所嵌放的端面为气隙侧，电机两个端部的转子2的气隙侧为单侧，因此在端部的转子2设置盲孔嵌放永磁体2，而位于中间的转子2的气隙侧为双侧，因此在中间的转子2设置通孔嵌放永磁体2。
所有转子2与定子1之间形成2n个气隙，本实施方式为了气隙磁场达到反凸极磁场的目的，采用如图8所示的方案，在电机中间位置的n-1个转子2还设置4p个导磁体，在转子基板201的每个磁极的永磁体径向外侧、内侧各开设一个轴向通孔，用于嵌放一对导磁体，每个磁极内外嵌放一对，共4p个导磁体。此时，电机中间位置的n-1个转子2的转子基板极用非磁性材料。
若为了使气隙磁场接近正弦，则采用任一方案对所有转子2进行以下优化，且所有转子2的转子基板201采用磁性材料：
方案一、令转子2位于磁极中心线位置永磁体的剩磁或矫顽力最高，往两侧永磁体的剩磁或矫顽力逐渐递减。
在不设置磁桥的情况下也能达到既定目的，本方案中永磁体的排布方案、大小、充磁方向均不改变。
方案二、转子2位于磁极中心线位置永磁体磁化方向的厚度最大，往两侧永磁体的厚度逐渐递减；位于中心线位置永磁体的圆周方向宽度最大，往其两侧永磁体的宽度逐渐递减；位于中心线位置永磁体的径向高度最大，往其两侧永磁体的径向高度逐渐递减。
在不设置磁桥、不改变永磁体矫顽力的情况，本方案能过改变永磁体的机械形状来达到既定目的。
方案三、令转子2与定子1的气隙长度沿周向周期性变化，在每个磁极中心线处气隙长度最小，往磁极两侧的气隙长度逐渐递增。
本方案是区别于前两个方案的，未改变永磁体矫顽力、未改变永磁体的机械形状，而是通过气隙变化来达到既定目的。
励磁电流调节单元用于在发电机状态时对同步电机气隙磁场进行控制，以保证同步电机在负载及转速变化状态下输出电压保持恒定。可采用以下任一方案实现：
方案一、参见图9所示，励磁电流调节单元由多相电容器组和多相可控饱和电抗器组并联构成，多相可控饱和电抗器组的直流绕组接控制器，多相可控饱和电抗器组的交流绕组星型联结。
方案二、参见图10所示，励磁电流调节单元由并联的多相电容器组和多相开关电抗器组构成；多相开关电抗器组由多相电抗器组和多相交流短路开关构成，每相电抗器组由两个电抗器串联而成且为星型联结，多相交流短路开关星型联结，且各相交流短路开关的交流端分别接在两个串联电抗器的连接点上。
方案三、参见图11所示，励磁电流调节单元由并联的多相电容器组、多相开关电容器组和多相开关电抗器组构成；多相开关电容器组由多相电容器组和多相交流短路开关构成，各相交流短路开关的交流端分别接在各电容器的尾端上；多相开关电抗器组由多相电抗器组和多相交流短路开关构成，每相电抗器由两个电抗器串联而成且为星型联结，多相交流短路开关星型联结，且各相交流短路开关的交流端分别接在两个串联电抗器的连接点上。
下面给出两个实施例来说明本发明电机。
实施例1：参见图2和图3所示，同步电机主要由1个定子、2个转子和2个气隙构成。定子机壳框架套装在定子外面，定子和2个转子沿轴向依次同轴相间排列，2个转子套装在转轴外面，通过转轴连接在一起。每个定子由3个定子模块构成。每个定子的3个定子模块沿圆周方向依次排列固定在机壳框架内。每个定子模块主要由定子基板和3个定子线圈构成。3个定子线圈沿圆周方向均匀排列固定在定子基板上。
轴向两端的每个转子主要由转子基板和永磁体构成。转子基板为圆盘形，由磁性材料构成。在转子基板气隙侧靠近外圆周开6组轴向盲孔，每组的3个孔沿圆周方向依次排列；孔中嵌放永磁体，永磁体沿轴向充磁，每组孔中永磁体充磁方向相同；相邻组孔中永磁体的充磁方向相反。
实施例2：参见图6和图7所示，同步电机主要由2个定子单元、3个转子单元和4个气隙构成。定子机壳框架套装在定子单元外面，2个定子单元和3个转子单元沿轴向依次同轴相间排列，3个转子单元套装在转轴外面，通过转轴连接在一起。每个定子单元由3个定子模块构成。每个定子单元的3个定子模块沿圆周方向依次排列固定在机壳框架内。每个定子模块主要由定子基板和3个定子线圈构成。3个定子线圈沿圆周方向均匀排列固定在定子基板上。
轴向两端的每个转子主要由转子基板和永磁体构成。转子基板为圆盘形，由磁性材料构成。在转子基板气隙侧靠近外圆周开6组轴向盲孔，每组的3个孔沿圆周方向依次排列；孔中嵌放永磁体，永磁体沿轴向充磁，每组孔中永磁体充磁方向相同；相邻组孔中永磁体的充磁方向相反。
位于转轴轴向中间的每个转子在转子基板上靠近外圆周侧开6组轴向通孔，每组的3个孔沿圆周方向依次排列；孔中嵌放永磁体，永磁体沿轴向充磁，每组孔中永磁体充磁方向相同；相邻组孔中永磁体的充磁方向相反。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (3)

1.模块化飞轮脉冲发电机系统，其特征在于，包括输入逆变器、轴向磁场结构多气隙内嵌永磁体转子同步电机、输出整流器和励磁电流调节单元；轴向磁场结构多气隙内嵌永磁体转子同步电机的转子与飞轮合二为一；
电动机状态：轴向磁场结构多气隙内嵌永磁体转子同步电机通过输入逆变器从电网吸取能量，将电能转换成机械能存储起来；
发电机状态：轴向磁场结构多气隙内嵌永磁体转子同步电机将机械能转换成电能，并通过输出整流器向负载供电；
励磁电流调节单元用于在发电机状态时对同步电机气隙磁场进行控制，以保证同步电机在负载及转速变化状态下输出电压保持恒定；
轴向磁场结构多气隙内嵌永磁体转子同步电机包括n个定子(1)、n+1个转子(2)、定子机壳框架(3)和转轴(4)；
n个定子(1)和n+1个转子(2)沿轴向依次交错同轴排列，n个定子(1)固定在定子机壳框架(3)上，n+1个转子(2)固定在转轴(4)上；n个定子(1)和n+1个转子(2)之间存在2n个轴向气隙；
转轴(4)的两端分别穿过前端盖(5)和后端盖(6)并通过轴承(7)转动连接；
定子(1)由h个定子模块(101)拼接构成圆环结构，每个定子模块(101)包括扇形环定子基板(101-1)和m×i个定子绕组(101-2)；m为电机相数，i为正整数；m×i个定子绕组(101-2)沿圆周方向均匀排列在扇形环定子基板(101-1)上；
转子(2)包括转子基板(201)和2p(2s+1)个永磁体(202)，p为极对数，s为正整数；转子基板(201)为圆盘形，在转子基板(201)面向定子(1)的端面上沿周向嵌放2p(2s+1)个永磁体(202)，永磁体(202)沿轴向充磁，属于同一磁极的(2s+1)个永磁体(202)充磁方向相同，相邻两个磁极的永磁体(202)的充磁方向相反；
位于电机两侧的转子(2)的转子基板(201)采用磁性材料，位于电机中间位置的n-1个转子(2)的转子基板(201)采用磁性材料或非磁性材料；
位于电机中间位置的n-1个转子(2)的转子基板(201)采用非磁性材料时，在转子(2)还设置4p个导磁体，在转子基板(201)的每个磁极的永磁体径向外侧、内侧各开设一个轴向通孔，用于嵌放一对导磁体；
采用以下任一方案对转子(2)优化以使气隙磁场接近正弦：
方案一、转子(2)与定子(1)的气隙长度沿周向周期性变化，在每个磁极中心线处气隙长度最小，往磁极两侧的气隙长度逐渐递增；
方案二、转子(2)位于磁极中心线位置永磁体的剩磁或矫顽力最高，往两侧永磁体的剩磁或矫顽力逐渐递减；
方案三、转子(2)位于磁极中心线位置永磁体磁化方向的厚度最大，往两侧永磁体的厚度逐渐递减；位于中心线位置永磁体的圆周方向宽度最大，往其两侧永磁体的宽度逐渐递减；位于中心线位置永磁体的径向高度最大，往其两侧永磁体的径向高度逐渐递减；
励磁电流调节单元采用以下任一方案实现：
方案一、励磁电流调节单元由并联的多相电容器组和多相开关电抗器组构成；多相开关电抗器组由多相电抗器组和多相交流短路开关构成，每相电抗器组由两个电抗器串联而成且为星型联结，多相交流短路开关星型联结，且各相交流短路开关的交流端分别接在两个串联电抗器的连接点上；
方案二、励磁电流调节单元由并联的多相电容器组、多相开关电容器组和多相开关电抗器组构成；多相开关电容器组由多相电容器组和多相交流短路开关构成，各相交流短路开关的交流端分别接在各电容器的尾端上；多相开关电抗器组由多相电抗器组和多相交流短路开关构成，每相电抗器由两个电抗器串联而成且为星型联结，多相交流短路开关星型联结，且各相交流短路开关的交流端分别接在两个串联电抗器的连接点上。
2.根据权利要求1所述模块化飞轮脉冲发电机系统，其特征在于，定子模块(101)还包括维修把手(101-3)，所述维修把手(101-3)位于扇形环面外圆侧，用于将定子模块(101)从定子机壳框架(3)上拉出。
3.根据权利要求1所述模块化飞轮脉冲发电机系统，其特征在于，位于电机两侧的转子(2)结构相同，在转子基板(201)的内侧端面开设2p(2s+1)个轴向盲孔，用于嵌放永磁体(202)；位于电机中间位置的n-1个转子(2)结构相同，在转子基板(201)上开设2p(2s+1)个轴向通孔，用于嵌放永磁体(202)。
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