CN110635595B - 外转子飞轮脉冲同步发电机系统 - Google Patents

外转子飞轮脉冲同步发电机系统 Download PDF

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Abstract

为了解决现有飞轮脉冲发电机组存在整个机组的轴系长、系统的功率密度和可靠性低的问题，本发明提供一种外转子飞轮脉冲同步发电机系统，属于电机和电力电子技术领域。本发明包括输入逆变器、输入电动机、外转子永磁同步电机、输出整流器和励磁电流调节单元；输入逆变器的输出端与输入电动机的引出线连接，输入电动机的转子与外转子永磁同步电机转子同轴连接，外转子永磁同步电机的电枢绕组输出端与输出整流器的交流输入端连接；外转子永磁同步电机电枢绕组输出端连接励磁电流调节单元；电机为反凸极结构，在电机转速下降时，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。

Description

外转子飞轮脉冲同步发电机系统
技术领域
本发明涉及一种外转子飞轮脉冲同步发电机系统，属于电机和电力电子技术领域。
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的结构如图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，而脉冲发电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
本发明是为了解决现有飞轮脉冲发电机组存在整个机组的轴系长、系统的功率密度和可靠性低的问题，本发明提供了一种外转子飞轮脉冲同步发电机系统。
本发明的一种外转子飞轮脉冲同步发电机系统，包括输入逆变器、输入电动机、外转子永磁同步电机、输出整流器和励磁电流调节单元；
输入逆变器的输出端与输入电动机的引出线连接，输入电动机的转子与外转子永磁同步电机转子同轴连接，外转子永磁同步电机的电枢绕组输出端与输出整流器的交流输入端连接；外转子永磁同步电机电枢绕组输出端连接励磁电流调节单元；
外转子永磁同步电机包括定子和转子；二者同轴、且存在气隙，定子(1)位于转子(2)内；
所述转子包括主铁心11、两个反凸极铁心12、永磁体13、支撑盘和转轴；
主铁心11为圆筒形结构，在主铁心11气隙侧沿轴向开有2p(2k+1)个永磁体嵌放槽，各个永磁体嵌放槽沿圆周方向依次排列，p为电机的极对数，k为正整数；
在每个永磁体嵌放槽中嵌放一块永磁体13，永磁体13径向充磁或平行充磁，属于同一极的2k+1个槽中永磁体充磁方向相同，沿圆周方向相邻的属于不同磁极的永磁体嵌放槽中永磁体的充磁方向相反；
反凸极铁心12为圆环形结构，两个反凸极铁心12同轴安装在主铁心11的轴向两侧，两个反凸极铁心12和主铁心11形成转子铁心；
所述定子包括定子铁心21、多相电枢绕组22和支撑筒23，定子铁心21套装在支撑筒23的外圆周上，在定子铁心21气隙侧沿轴向开有绕组槽，各绕组槽沿圆周方向均布，多相电枢绕组22嵌放在绕组槽中；反凸极铁心与定子铁心之间的气隙长度沿圆周方向不相等，在主铁心磁极中心线位置气隙长度小，在两条相邻主铁心磁极中心线中间位置气隙长度大；
支撑盘为圆环形，支撑盘的径向外缘处与转子铁心的轴向一侧连接，支撑盘的径向内缘处与转轴连接。
本发明还提供了一种外转子飞轮脉冲同步发电机系统，包括输入逆变器、输入电动机、外转子永磁同步电机、输出整流器和励磁电流调节单元；
输入逆变器的输出端与输入电动机的引出线连接，输入电动机的转子与外转子永磁同步电机转子同轴连接，外转子永磁同步电机的电枢绕组输出端与输出整流器的交流输入端连接；外转子永磁同步电机电枢绕组输出端连接励磁电流调节单元；
外转子永磁同步电机包括定子和转子；二者同轴、且存在气隙，定子位于转子内；
所述转子包括主铁心11、两个反凸极铁心12、永磁体13和两个支撑盘；
主铁心11为圆筒形结构，在主铁心11气隙侧沿轴向开有2p(2k+1)个永磁体嵌放槽，各个永磁体嵌放槽沿圆周方向依次排列，p为电机的极对数，k为正整数；
在每个永磁体嵌放槽中嵌放一块永磁体13，永磁体13径向充磁或平行充磁，属于同一极的2k+1个槽中永磁体充磁方向相同，沿圆周方向相邻的属于不同磁极的永磁体嵌放槽中永磁体的充磁方向相反；
反凸极铁心12为圆环形结构，两个反凸极铁心12同轴安装在主铁心11的轴向两侧，两个反凸极铁心12和主铁心11形成转子铁心；
所述定子包括定子铁心21、多相电枢绕组22和支撑筒23，定子铁心21套装在支撑筒23的外圆周上，在定子铁心21气隙侧沿轴向开有绕组槽，各绕组槽沿圆周方向均布，多相电枢绕组22嵌放在绕组槽中；反凸极铁心与定子铁心之间的气隙长度沿圆周方向不相等，在主铁心磁极中心线位置气隙长度小，在两条相邻主铁心磁极中心线中间位置气隙长度大；
支撑盘为圆环形，两个支撑盘位于转子铁心轴向的两侧，每个支撑盘一侧的径向外缘处与转子铁心的轴向一侧连接，两个支撑盘的径向内缘处各与一个轴承的外圈连接，两个轴承的内圈固定在支撑筒23上。
本发明还提供了一种外转子飞轮脉冲同步发电机系统，包括输入逆变器、外转子永磁同步电机、输出整流器和励磁电流调节单元；外转子永磁同步电机定子上有n+1套多相电枢绕组，其中一套为输入功率绕组，n套输出功率绕组，n为正整数；
输入逆变器的输出端与外转子永磁同步电机转子的输入功率绕组的引出线相连，外转子永磁同步电机的输出功率绕组输出端与输出整流器的交流输入端连接；外转子永磁同步电机的输出功率绕组输出端连接励磁电流调节单元；
外转子永磁同步电机包括定子和转子；二者同轴、且存在气隙，定子位于转子内；
所述转子包括主铁心11、两个反凸极铁心12、永磁体13、支撑盘和转轴；
主铁心11为圆筒形结构，在主铁心11气隙侧沿轴向开有2p(2k+1)个永磁体嵌放槽，各个永磁体嵌放槽沿圆周方向依次排列，p为电机的极对数，k为正整数；
在每个永磁体嵌放槽中嵌放一块永磁体13，永磁体13径向充磁或平行充磁，属于同一极的2k+1个槽中永磁体充磁方向相同，沿圆周方向相邻的属于不同磁极的永磁体嵌放槽中永磁体的充磁方向相反；
反凸极铁心12为圆环形结构，两个反凸极铁心12同轴安装在主铁心11的轴向两侧，两个反凸极铁心12和主铁心11形成转子铁心；
所述定子包括定子铁心21、n+1套多相电枢绕组22和支撑筒23，定子铁心21套装在支撑筒23的外圆周上，在定子铁心21气隙侧沿轴向开有绕组槽，各绕组槽沿圆周方向均布，n+1套多相电枢绕组22嵌放在绕组槽中；反凸极铁心与定子铁心之间的气隙长度沿圆周方向不相等，在主铁心磁极中心线位置气隙长度小，在两条相邻主铁心磁极中心线中间位置气隙长度大；
支撑盘为圆环形，支撑盘的径向外缘处与转子铁心的轴向一侧连接，支撑盘的径向内缘处与转轴连接。
本发明还提供了一种外转子飞轮脉冲同步发电机系统，包括输入逆变器、外转子永磁同步电机、输出整流器和励磁电流调节单元；外转子永磁同步电机定子上有n+1套多相电枢绕组，其中一套为输入功率绕组，n套输出功率绕组，n为正整数；
输入逆变器的输出端与外转子永磁同步电机转子的输入功率绕组的引出线相连，外转子永磁同步电机的输出功率绕组输出端与输出整流器的交流输入端连接；外转子永磁同步电机的输出功率绕组输出端连接励磁电流调节单元；
外转子永磁同步电机包括定子和转子；二者同轴、且存在气隙，定子(1)位于转子(2)内；
所述转子包括主铁心11、两个反凸极铁心12、永磁体13和两个支撑盘；
主铁心11为圆筒形结构，在主铁心11气隙侧沿轴向开有2p(2k+1)个永磁体嵌放槽，各个永磁体嵌放槽沿圆周方向依次排列，p为电机的极对数，k为正整数；
在每个永磁体嵌放槽中嵌放一块永磁体13，永磁体13径向充磁或平行充磁，属于同一极的2k+1个槽中永磁体充磁方向相同，沿圆周方向相邻的属于不同磁极的永磁体嵌放槽中永磁体的充磁方向相反；
反凸极铁心12为圆环形结构，两个反凸极铁心12同轴安装在主铁心11的轴向两侧，两个反凸极铁心12和主铁心11形成转子铁心；
所述定子包括定子铁心21、n+1套多相电枢绕组22和支撑筒23，定子铁心21套装在支撑筒23的外圆周上，在定子铁心21气隙侧沿轴向开有绕组槽，各绕组槽沿圆周方向均布，n+1套多相电枢绕组22嵌放在绕组槽中；反凸极铁心与定子铁心之间的气隙长度沿圆周方向不相等，在主铁心磁极中心线位置气隙长度小，在两条相邻主铁心磁极中心线中间位置气隙长度大；
支撑盘为圆环形，两个支撑盘位于转子铁心轴向的两侧，每个支撑盘一侧的径向外缘处与转子铁心的轴向一侧连接，两个支撑盘的径向内缘处各与一个轴承的外圈连接，两个轴承的内圈固定在支撑筒23上。
本发明的有益效果，本发明的发电机系统采用永磁体励磁，采用励磁电流调节单元进行气隙磁场控制，保证发电机系统在负载及转速变化状态下输出电压保持恒定。永磁体固定简单、转子强度高，电机的轴向尺寸小、重量轻，适合高速运行；电机的转子惯量足够大时，可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，系统结构简单、可靠性高，成本低，维护方便；电机为反凸极结构，在电机转速下降时，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。
附图说明
图1为现有常用飞轮脉冲发电机系统的原理示意图；
图2为本发明外转子永磁同步电机的主铁心的横截面示意图；
图3为本发明外转子永磁同步发电机的纵截面结构示意图；
图4为本发明外转子永磁同步电机的主铁心的纵截面结构示意图；
图5为本发明外转子永磁同步电机的反凸极铁心的纵截面结构示意图；
图6为实施例2的原理示意图；
图7为实施例1和实施例2中的一种励磁电流调节单元；
图8为实施例1和实施例2中的一种励磁电流调节单元；
图9为实施例1和实施例2中的一种励磁电流调节单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
实施例1:如图2至图5所示，本实施例的外转子飞轮脉冲同步发电机系统，包括输入逆变器、输入电动机、外转子永磁同步电机、输出整流器、励磁电流调节单元和惯性飞轮；
输入逆变器的输出端与输入电动机的引出线连接，输入电动机的转子与外转子永磁同步电机转子同轴连接，外转子永磁同步电机的电枢绕组输出端与输出整流器的交流输入端连接；外转子永磁同步电机电枢绕组输出端连接励磁电流调节单元；外转子永磁同步电机的转子与惯性飞轮同轴连接。
本实施例的外转子飞轮脉冲同步发电机系统作为飞轮储能系统，输入逆变器为输入电动机运行提供启动电能，输入电动机与外转子永磁同步电机同轴相连，为外转子永磁同步电机提供机械能。外转子永磁同步电机将机械能转换为电能，通过输出整流器输出给负载，本实施例的励磁电流调节单元用于在发电机状态时对外转子永磁同步电机的气隙磁场进行控制，以保证外转子永磁同步电机在负载及转速变化状态下输出电压保持恒定。
本实施方式的外转子永磁同步电机包括定子和转子；二者同轴、且存在气隙，定子位于转子内；
转子包括主铁心11、两个反凸极铁心12和永磁体13；
主铁心11为圆筒形结构，在主铁心11气隙侧沿轴向开有20个永磁体嵌放槽，四极，各个永磁体嵌放槽沿圆周方向依次排列；
在每个永磁体嵌放槽中嵌放一块永磁体13，永磁体13径向充磁或平行充磁，属于同一极的5个槽中永磁体充磁方向相同，沿圆周方向相邻的属于不同磁极的永磁体嵌放槽中永磁体的充磁方向相反；
反凸极铁心12为圆环形结构，两个反凸极铁心12同轴安装在主铁心11的轴向两侧，两个反凸极铁心12和主铁心11形成转子铁心；
所述定子包括定子铁心21、多相电枢绕组22和支撑筒23，定子铁心21套装在支撑筒23的外圆周上，在定子铁心21气隙侧沿轴向开有绕组槽，各绕组槽沿圆周方向均布，多相电枢绕组22嵌放在绕组槽中；
本实施例反凸极铁心与定子铁心之间的气隙长度沿圆周方向不相等；本实施例主铁心11的每一极上有五个永磁体13，在主铁心磁极中心线位置气隙长度小，在两条相邻主铁心磁极中心线中间位置气隙长度大。
本实施例的气隙设置为不均匀气隙的目的是维持电机在变速运行输出端电压稳定。两极之间轭部较薄，容易出现饱和现象，电机在低速运行时，饱和现象不明显，输出端电压为某一值，当电机运行于高速状态时，由于出现饱和现象，电机输出端电压不会大幅度升高，这样再结合励磁电流调节单元，可以使系统在较宽的转速变化范围内维持输出端电压稳定。
本实施例的电机与输入电动机的连接通过单支撑盘和转轴实现，或者采用双支撑盘实现，可采用单支撑盘和转轴：支撑盘为圆环形，支撑盘的径向外缘处与转子铁心的轴向一侧连接，支撑盘的径向内缘处与转轴连接。采用双支撑盘：两个支撑盘位于转子铁心轴向的两侧，每个支撑盘一侧的径向外缘处与转子铁心的轴向一侧连接，两个支撑盘的径向内缘处各与一个轴承的外圈连接，两个轴承的内圈固定在支撑筒23上，应用时，支撑盘与负载连接。
本实施例转子永磁体可采用以下方式之一实现：
1、转子每一磁极中心线位置对应的永磁体嵌放槽内的永磁体的剩磁或矫顽力最高，往其两侧永磁体的剩磁或矫顽力逐渐递减。
2、转子每一磁极中心线位置对应的永磁体嵌放槽的深度最大，往其两侧的永磁体嵌放槽的深度逐渐递减。
3、转子每一磁极中心线位置对应的永磁体嵌放槽内的永磁体在圆周方向宽度最大，往其两侧永磁体的宽度逐渐递减。
本实施例的励磁电流调节单元可以采用以下方式之一实现：
1、励磁电流调节单元包括控制器、多相电容器组和多相可控饱和电抗器组，多相电容器组中的每一相电容器一端连接在一起，另一端与相应发电机的相应定子绕组输出端对应连接，多相电容器组和多相可控饱和电抗器组相并联，所述多相可控饱和电抗器组的直流绕组与控制器连接，多相可控饱和电抗器组的交流绕组星型连接；图7中Qin为励磁电流调节单元输入功率，即感应发电机功率绕组输出功率；QL为励磁电流调节单元输出功率，即负载功率；QC为电容提供的无功功率，QSR为可控饱和电抗器功率，IK为控制电流，UK为控制电压。
2、如图8所示，励磁电流调节单元包括多相电容器组和多相开关电抗器组；多相电容器组中每一相电容器的一端连接在一起，另一端与相应发电机的相应定子绕组输出端对应连接；多相开关电抗器组包括多相电抗器组和多相交流短路开关，多相电抗器组与多相电容器组相并联，多相电抗器组中每相电抗器的一端连接在一起，并由两个电抗器串联而成，多相交流短路开关每一相的一端连接在一起，另一交流端分别对应连接在每相电抗器的两个电抗器之间；
3、如图9所示，励磁电流调节单元包括多相主电容器组、多相开关电容器组和多相开关电抗器组，多相主电容器组中每一相电容器的一端连接在一起，另一端与相应发电机的相应定子绕组输出端对应连接；多相开关电容器组与多相电容器组并联，多相开关电容器组的每一相由电容器和交流短路开关组成，所有交流短路开关的一端连接在一起；多相开关电抗器组包括多相电抗器组和多相交流短路开关组，多相电抗器组与多相开关电容器组并联，多相电抗器组中每相电抗器的一端连接在一起，并由两个电抗器串联而成，多相交流短路开关组中每一相的交流短路开关一端连接在一起，另一交流端分别对应连接在每相电抗器的两个电抗器之间。
本实施例中，当转子惯量足够大时，可以省略惯性飞轮。由此使飞轮与转子合二为一，机组轴系短，功率密度和能量密度高。本实施中飞轮的作用是利用大惯量旋转飞轮存储的动能，为系统发电阶段提供能量。由于转子本身具有转动惯量，当转子在系统发电阶段释放的能量大于在放电阶段所需能量时，系统中电机转子转动惯量满足系统发电阶段要求，可以实现飞轮与转子一体化设计，此种情况，可不需要设计额外的飞轮。
实施例2：如图2-6所示，本实施例的外转子飞轮脉冲同步发电机系统，包括输入逆变器、外转子永磁同步电机、输出整流器、励磁电流调节单元和惯性飞轮；外转子永磁同步电机定子上有三套多相电枢绕组，其中一套为输入功率绕组，如图6所示，两套输出功率绕组，输入逆变器的输出端与外转子永磁同步电机转子的输入功率绕组的引出线相连，两套输出功率绕组之间的相位差30度电角度，每套输出功率绕组的输出端都连接一个励磁电流调节单元，每套输出功率绕组的引出线都与一个输出整流器的交流输入端相连，两个输出整流器的直流输出端并联在一起，外转子永磁同步电机的转子与惯性飞轮同轴连接；
本实施例的外转子永磁同步电机包括定子和转子；二者同轴、且存在气隙，定子位于转子内；
转子包括主铁心11、两个反凸极铁心12和永磁体13；
主铁心11为圆筒形结构，在主铁心11气隙侧沿轴向开有20个永磁体嵌放槽，四极，各个永磁体嵌放槽沿圆周方向依次排列；
在每个永磁体嵌放槽中嵌放一块永磁体13，永磁体13径向充磁或平行充磁，属于同一极的5个槽中永磁体充磁方向相同，沿圆周方向相邻的属于不同磁极的永磁体嵌放槽中永磁体的充磁方向相反；
反凸极铁心12为圆环形结构，两个反凸极铁心12同轴安装在主铁心11的轴向两侧，两个反凸极铁心12和主铁心11形成转子铁心；
本实施例的定子包括定子铁心21、3套多相电枢绕组22和支撑筒23，定子铁心21套装在支撑筒23的外圆周上，在定子铁心21气隙侧沿轴向开有绕组槽，各绕组槽沿圆周方向均布，3套多相电枢绕组22嵌放在绕组槽中；
本实施例反凸极铁心与定子铁心之间的气隙长度沿圆周方向不相等；本实施例主铁心11的每一极上有五个永磁体13，在主铁心磁极中心线位置气隙长度小，在两条相邻主铁心磁极中心线中间位置气隙长度大。
本实施例的气隙设置为不均匀气隙的目的是维持电机在变速运行输出端电压稳定。两极之间轭部较薄，容易出现饱和现象，电机在低速运行时，饱和现象不明显，输出端电压为某一值，当电机运行于高速状态时，由于出现饱和现象，电机输出端电压不会大幅度升高，这样再结合励磁电流调节单元，可以使系统在较宽的转速变化范围内维持输出端电压稳定。
本实施例的电机与输入电动机的连接通过单支撑盘和转轴实现，或者采用双支撑盘实现，可采用单支撑盘和转轴：支撑盘为圆环形，支撑盘的径向外缘处与转子铁心的轴向一侧连接，支撑盘的径向内缘处与转轴连接。采用双支撑盘：两个支撑盘位于转子铁心轴向的两侧，每个支撑盘一侧的径向外缘处与转子铁心的轴向一侧连接，两个支撑盘的径向内缘处各与一个轴承的外圈连接，两个轴承的内圈固定在支撑筒23上，应用时，支撑盘与负载连接。
本实施例定子铁心可采用以下方式之一实现：
1、定子铁心沿轴向分成两段，每段铁心沿轴向开绕组槽，各绕组槽沿圆周方向均布，其中一段铁心的绕组槽中嵌放输入功率绕组，另一段铁心的绕组槽中嵌放输出功率绕组。
2、定子铁心沿圆周方向分成两个区域，其中一个区域的绕组槽中嵌放输入功率绕组，另一个区域的绕组中嵌放输出功率绕组。
本实施例转子永磁体可采用以下方式之一实现：
1、转子每一磁极中心线位置对应的永磁体嵌放槽内的永磁体的剩磁或矫顽力最高，往其两侧永磁体的剩磁或矫顽力逐渐递减。
2、转子每一磁极中心线位置对应的永磁体嵌放槽的深度最大，往其两侧的永磁体嵌放槽的深度逐渐递减。
3、转子每一磁极中心线位置对应的永磁体嵌放槽内的永磁体在圆周方向宽度最大，往其两侧永磁体的宽度逐渐递减。
本实施例的励磁电流调节单元可以采用以下方式之一实现：
1、励磁电流调节单元包括控制器、多相电容器组和多相可控饱和电抗器组，多相电容器组中的每一相电容器一端连接在一起，另一端与相应发电机的相应定子绕组输出端对应连接，多相电容器组和多相可控饱和电抗器组相并联，所述多相可控饱和电抗器组的直流绕组与控制器连接，多相可控饱和电抗器组的交流绕组星型连接；图7中Qin为励磁电流调节单元输入功率，即感应发电机功率绕组输出功率；QL为励磁电流调节单元输出功率，即负载功率；QC为电容提供的无功功率，QSR为可控饱和电抗器功率，IK为控制电流，UK为控制电压。
2、如图8所示，励磁电流调节单元包括多相电容器组和多相开关电抗器组；多相电容器组中每一相电容器的一端连接在一起，另一端与相应发电机的相应定子绕组输出端对应连接；多相开关电抗器组包括多相电抗器组和多相交流短路开关，多相电抗器组与多相电容器组相并联，多相电抗器组中每相电抗器的一端连接在一起，并由两个电抗器串联而成，多相交流短路开关每一相的一端连接在一起，另一交流端分别对应连接在每相电抗器的两个电抗器之间；
3、如图9所示，励磁电流调节单元包括多相主电容器组、多相开关电容器组和多相开关电抗器组，多相主电容器组中每一相电容器的一端连接在一起，另一端与相应发电机的相应定子绕组输出端对应连接；多相开关电容器组与多相电容器组并联，多相开关电容器组的每一相由电容器和交流短路开关组成，所有交流短路开关的一端连接在一起；多相开关电抗器组包括多相电抗器组和多相交流短路开关组，多相电抗器组与多相开关电容器组并联，多相电抗器组中每相电抗器的一端连接在一起，并由两个电抗器串联而成，多相交流短路开关组中每一相的交流短路开关一端连接在一起，另一交流端分别对应连接在每相电抗器的两个电抗器之间。
本实施例中，当转子惯量足够大时，可以省略惯性飞轮。由此使飞轮与转子合二为一，机组轴系短，功率密度和能量密度高。本实施中飞轮的作用是利用大惯量旋转飞轮存储的动能，为系统发电阶段提供能量。由于转子本身具有转动惯量，当转子在系统发电阶段释放的能量大于在放电阶段所需能量时，系统中电机转子转动惯量满足系统发电阶段要求，可以实现飞轮与转子一体化设计，此种情况，可不需要设计额外的飞轮。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (13)

1.一种外转子飞轮脉冲同步发电机系统，其特征在于，包括输入逆变器、输入电动机、外转子永磁同步电机、输出整流器和励磁电流调节单元；
输入逆变器的输出端与输入电动机的引出线连接，输入电动机的转子与外转子永磁同步电机转子同轴连接，外转子永磁同步电机的电枢绕组输出端与输出整流器的交流输入端连接；外转子永磁同步电机电枢绕组输出端连接励磁电流调节单元；
外转子永磁同步电机包括定子和转子；二者同轴、且存在气隙，定子位于转子内；
所述转子包括主铁心(11)、两个反凸极铁心(12)、永磁体(13)、支撑盘和转轴；
主铁心(11)为圆筒形结构，在主铁心(11)气隙侧沿轴向开有2p(2k+1)个永磁体嵌放槽，各个永磁体嵌放槽沿圆周方向依次排列，p为电机的极对数，k为正整数；
在每个永磁体嵌放槽中嵌放一块永磁体(13)，永磁体(13)径向充磁或平行充磁，属于同一极的2k+1个槽中永磁体充磁方向相同，沿圆周方向相邻的属于不同磁极的永磁体嵌放槽中永磁体的充磁方向相反；
反凸极铁心(12)为圆环形结构，两个反凸极铁心(12)同轴安装在主铁心(11)的轴向两侧，两个反凸极铁心(12)和主铁心(11)形成转子铁心；
所述定子包括定子铁心(21)、多相电枢绕组(22)和支撑筒(23)，定子铁心(21)套装在支撑筒(23)的外圆周上，在定子铁心(21)气隙侧沿轴向开有绕组槽，各绕组槽沿圆周方向均布，多相电枢绕组(22)嵌放在绕组槽中；反凸极铁心与定子铁心之间的气隙长度沿圆周方向不相等，在主铁心磁极中心线位置气隙长度小，在两条相邻主铁心磁极中心线中间位置气隙长度大；
支撑盘为圆环形，支撑盘的径向外缘处与转子铁心的轴向一侧连接，支撑盘的径向内缘处与转轴连接。
2.一种外转子飞轮脉冲同步发电机系统，其特征在于，包括输入逆变器、输入电动机、外转子永磁同步电机、输出整流器和励磁电流调节单元；
输入逆变器的输出端与输入电动机的引出线连接，输入电动机的转子与外转子永磁同步电机转子同轴连接，外转子永磁同步电机的电枢绕组输出端与输出整流器的交流输入端连接；外转子永磁同步电机电枢绕组输出端连接励磁电流调节单元；
外转子永磁同步电机包括定子和转子；二者同轴、且存在气隙，定子位于转子内；
所述转子包括主铁心(11)、两个反凸极铁心(12)、永磁体(13)和两个支撑盘；
主铁心(11)为圆筒形结构，在主铁心(11)气隙侧沿轴向开有2p(2k+1)个永磁体嵌放槽，各个永磁体嵌放槽沿圆周方向依次排列，p为电机的极对数，k为正整数；
在每个永磁体嵌放槽中嵌放一块永磁体(13)，永磁体(13)径向充磁或平行充磁，属于同一极的2k+1个槽中永磁体充磁方向相同，沿圆周方向相邻的属于不同磁极的永磁体嵌放槽中永磁体的充磁方向相反；
反凸极铁心(12)为圆环形结构，两个反凸极铁心(12)同轴安装在主铁心(11)的轴向两侧，两个反凸极铁心(12)和主铁心(11)形成转子铁心；
所述定子包括定子铁心(21)、多相电枢绕组(22)和支撑筒(23)，定子铁心(21)套装在支撑筒(23)的外圆周上，在定子铁心(21)气隙侧沿轴向开有绕组槽，各绕组槽沿圆周方向均布，多相电枢绕组(22)嵌放在绕组槽中；反凸极铁心与定子铁心之间的气隙长度沿圆周方向不相等，在主铁心磁极中心线位置气隙长度小，在两条相邻主铁心磁极中心线中间位置气隙长度大；
支撑盘为圆环形，两个支撑盘位于转子铁心轴向的两侧，每个支撑盘一侧的径向外缘处与转子铁心的轴向一侧连接，两个支撑盘的径向内缘处各与一个轴承的外圈连接，两个轴承的内圈固定在支撑筒(23)上。
3.一种外转子飞轮脉冲同步发电机系统，其特征在于，包括输入逆变器、外转子永磁同步电机、输出整流器和励磁电流调节单元；外转子永磁同步电机定子上有n+1套多相电枢绕组，其中一套为输入功率绕组，n套输出功率绕组，n为正整数；
输入逆变器的输出端与外转子永磁同步电机转子的输入功率绕组的引出线相连，外转子永磁同步电机的输出功率绕组输出端与输出整流器的交流输入端连接；外转子永磁同步电机的输出功率绕组输出端连接励磁电流调节单元；
外转子永磁同步电机包括定子和转子；二者同轴、且存在气隙，定子位于转子内；
所述转子包括主铁心(11)、两个反凸极铁心(12)、永磁体(13)、支撑盘和转轴；
主铁心(11)为圆筒形结构，在主铁心(11)气隙侧沿轴向开有2p(2k+1)个永磁体嵌放槽，各个永磁体嵌放槽沿圆周方向依次排列，p为电机的极对数，k为正整数；
在每个永磁体嵌放槽中嵌放一块永磁体(13)，永磁体(13)径向充磁或平行充磁，属于同一极的2k+1个槽中永磁体充磁方向相同，沿圆周方向相邻的属于不同磁极的永磁体嵌放槽中永磁体的充磁方向相反；
反凸极铁心(12)为圆环形结构，两个反凸极铁心(12)同轴安装在主铁心(11)的轴向两侧，两个反凸极铁心(12)和主铁心(11)形成转子铁心；
所述定子包括定子铁心(21)、n+1套多相电枢绕组(22)和支撑筒(23)，定子铁心(21)套装在支撑筒(23)的外圆周上，在定子铁心(21)气隙侧沿轴向开有绕组槽，各绕组槽沿圆周方向均布，n+1套多相电枢绕组(22)嵌放在绕组槽中；反凸极铁心与定子铁心之间的气隙长度沿圆周方向不相等，在主铁心磁极中心线位置气隙长度小，在两条相邻主铁心磁极中心线中间位置气隙长度大；
支撑盘为圆环形，支撑盘的径向外缘处与转子铁心的轴向一侧连接，支撑盘的径向内缘处与转轴连接。
4.一种外转子飞轮脉冲同步发电机系统，其特征在于，包括输入逆变器、外转子永磁同步电机、输出整流器和励磁电流调节单元；外转子永磁同步电机定子上有n+1套多相电枢绕组，其中一套为输入功率绕组，n套输出功率绕组，n为正整数；
输入逆变器的输出端与外转子永磁同步电机转子的输入功率绕组的引出线相连，外转子永磁同步电机的输出功率绕组输出端与输出整流器的交流输入端连接；外转子永磁同步电机的输出功率绕组输出端连接励磁电流调节单元；
外转子永磁同步电机包括定子和转子；二者同轴、且存在气隙，定子位于转子内；
所述转子包括主铁心(11)、两个反凸极铁心(12)、永磁体(13)和两个支撑盘；
主铁心(11)为圆筒形结构，在主铁心(11)气隙侧沿轴向开有2p(2k+1)个永磁体嵌放槽，各个永磁体嵌放槽沿圆周方向依次排列，p为电机的极对数，k为正整数；
在每个永磁体嵌放槽中嵌放一块永磁体(13)，永磁体(13)径向充磁或平行充磁，属于同一极的2k+1个槽中永磁体充磁方向相同，沿圆周方向相邻的属于不同磁极的永磁体嵌放槽中永磁体的充磁方向相反；
反凸极铁心(12)为圆环形结构，两个反凸极铁心(12)同轴安装在主铁心(11)的轴向两侧，两个反凸极铁心(12)和主铁心(11)形成转子铁心；
所述定子包括定子铁心(21)、n+1套多相电枢绕组(22)和支撑筒(23)，定子铁心(21)套装在支撑筒(23)的外圆周上，在定子铁心(21)气隙侧沿轴向开有绕组槽，各绕组槽沿圆周方向均布，n+1套多相电枢绕组(22)嵌放在绕组槽中；反凸极铁心与定子铁心之间的气隙长度沿圆周方向不相等，在主铁心磁极中心线位置气隙长度小，在两条相邻主铁心磁极中心线中间位置气隙长度大；
支撑盘为圆环形，两个支撑盘位于转子铁心轴向的两侧，每个支撑盘一侧的径向外缘处与转子铁心的轴向一侧连接，两个支撑盘的径向内缘处各与一个轴承的外圈连接，两个轴承的内圈固定在支撑筒(23)上。
5.根据权利要求3或4所述的外转子飞轮脉冲同步发电机系统，其特征在于，定子铁心沿轴向分成两段，每段铁心沿轴向开绕组槽，各绕组槽沿圆周方向均布，其中一段铁心的绕组槽中嵌放输入功率绕组，另一段铁心的绕组槽中嵌放输出功率绕组。
6.根据权利要求3或4所述的外转子飞轮脉冲同步发电机系统，其特征在于，定子铁心沿圆周方向分成两个区域，其中一个区域的绕组槽中嵌放输入功率绕组，另一个区域的绕组中嵌放输出功率绕组。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的外转子飞轮脉冲同步发电机系统，其特征在于，转子每一磁极中心线位置对应的永磁体嵌放槽内的永磁体的剩磁或矫顽力最高，往其两侧永磁体的剩磁或矫顽力逐渐递减。
8.根据权利要求1、2、3或4所述的外转子飞轮脉冲同步发电机系统，其特征在于，转子每一磁极中心线位置对应的永磁体嵌放槽的深度最大，往其两侧的永磁体嵌放槽的深度逐渐递减。
9.根据权利要求1、2、3或4所述的外转子飞轮脉冲同步发电机系统，其特征在于，转子每一磁极中心线位置对应的永磁体嵌放槽内的永磁体在圆周方向宽度最大，往其两侧永磁体的宽度逐渐递减。
10.根据权利要求1、2、3或4所述的外转子飞轮脉冲同步发电机系统，其特征在于，所述系统还包括惯性飞轮，惯性飞轮为圆环形，套装在转子铁心的外表面。
11.根据权利要求1、2、3或4所述的外转子飞轮脉冲同步发电机系统，其特征在于，所述励磁电流调节单元包括控制器、多相电容器组和多相可控饱和电抗器组，多相电容器组中的每一相电容器一端连接在一起，另一端与相应发电机的相应定子绕组输出端对应连接，多相电容器组和多相可控饱和电抗器组相并联，所述多相可控饱和电抗器组的直流绕组与控制器连接，多相可控饱和电抗器组的交流绕组星型连接。
12.根据权利要求1、2、3或4所述的外转子飞轮脉冲同步发电机系统，其特征在于，所述励磁电流调节单元包括多相电容器组和多相开关电抗器组；多相电容器组中每一相电容器的一端连接在一起，另一端与相应发电机的相应定子绕组输出端对应连接；多相开关电抗器组包括多相电抗器组和多相交流短路开关，多相电抗器组与多相电容器组相并联，多相电抗器组中每相电抗器的一端连接在一起，并由两个电抗器串联而成，多相交流短路开关每一相的一端连接在一起，另一交流端分别对应连接在每相电抗器的两个电抗器之间。
13.根据权利要求1、2、3或4所述的外转子飞轮脉冲同步发电机系统，其特征在于，所述励磁电流调节单元包括多相主电容器组、多相开关电容器组和多相开关电抗器组，多相主电容器组中每一相电容器的一端连接在一起，另一端与相应发电机的相应定子绕组输出端对应连接；多相开关电容器组与多相电容器组并联，多相开关电容器组的每一相由电容器和交流短路开关组成，所有交流短路开关的一端连接在一起；多相开关电抗器组包括多相电抗器组和多相交流短路开关组，多相电抗器组与多相开关电容器组并联，多相电抗器组中每相电抗器的一端连接在一起，并由两个电抗器串联而成，多相交流短路开关组中每一相的交流短路开关一端连接在一起，另一交流端分别对应连接在每相电抗器的两个电抗器之间。
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