CN110971069B - 一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统 - Google Patents

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Abstract

一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统，属于惯性储能脉冲电源技术领域，为了解决目前采用两台电机轴向放置，轴系长，振动、噪音大以及系统紧凑度低，储能密度和功率密度低的问题。本发明的圆锥轴承在固定平台内，球轴承在固定装置内，转轴固定在圆锥轴承和球轴承上；转子和上定子之间形成上气隙，上定子数量和上气隙的距离分别可调，转子和下定子之间形成下气隙；储能飞轮固定在转轴上，储能飞轮的表面上布置永磁体；永磁体下放置补偿元件，转子绷带缠绕在补偿元件表面；转轴穿过中心孔；定子轭上放置电枢绕组，电枢绕组为放电端；电动机定子绕组缠绕在定子轭上，电动机定子绕组为充电端。有益效果为充电速度可调，放电具有保护。

Description

一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统
技术领域
本发明属于惯性储能脉冲电源技术领域。
背景技术
高功率脉冲电源能提供短时强脉冲电流，在军事、半导体、工业、环保等领域有着重要的应用；基于惯性储能的脉冲发电机，是一种特殊的同步发电机，利用补偿原理和磁通压缩原理，极大地降低了电枢绕组的内电感，从而获得幅值极高的脉冲电流，具有极大的应用潜力。
现有的发电机系统由分立的原动机(电动机)拖动，发电机和电动机轴向布置，通过联轴器连接，整个系统轴系长，容易造成振动，机械噪音大，且放电时，发电机和原动机较难实现脱开。
脉冲发电机放电期间，在毫秒内转速瞬时下降，产生极高的电磁转矩冲击，量级达兆牛米(M·Nm)，会对原动机和整个平台产生极大的冲击。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前采用两台电机轴向放置，轴系长，振动、噪音大以及系统紧凑度低，储能密度和功率密度低的问题，提供了一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统。
本发明所述的一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统包括上定子、转子、下定子、固定装置、固定平台、球轴承和圆锥轴承；
所述上定子包括一号定子轭和电动机定子绕组；
所述转子包括转轴、储能飞轮、永磁体、补偿元件和转子绷带；
所述下定子包括电枢绕组和二号定子轭；
圆锥轴承的外圈固定在固定平台内，球轴承的外圈固定在固定装置内，转轴的两端分别固定在圆锥轴承的内圈上和球轴承的内圈上；
上定子、转子和下定子由上至下依次设置，并且转子和下定子同轴，转子和上定子之间形成上气隙，上定子数量和上气隙的距离分别可调，转子和下定子之间形成下气隙；
储能飞轮固定在转轴上，储能飞轮的靠近下定子侧外圆周表面上布置永磁体；永磁体靠近下定子侧放置补偿元件，转子绷带缠绕在补偿元件径向外表面；
二号定子轭上开有中心孔，转轴穿过中心孔；
二号定子轭上表面上放置电枢绕组，电枢绕组通过引出线作为该一体式脉冲电源系统的放电端；
电动机定子绕组缠绕在一号定子轭上，电动机定子绕组通过引出线作为该一体式脉冲电源系统的充电端，电动机定子绕组内流过电流产生的磁场，通过上气隙、储能飞轮、定子轭与电动机定子绕组相交链；
永磁体形成的磁场通过补偿元件、下气隙、二号定子轭与电枢绕组相交链。
本发明通过电动机定子绕组引出线接外部电源为该一体式脉冲电源系统充电；通过电枢绕组引出线与负载相连接为该一体式脉冲电源系统放电；该一体式脉冲电源系统在充电的过程中，通过改变上气隙的距离或上定子在径向上的位置，可快速调速，从而调节充电的速度；该一体式脉冲电源系统放电时，可以增大上气隙的距离，降低放电过程中在上电动机定子绕组内的感应电势，起到对该一体式脉冲电源系统的保护作用。
本发明的有益效果是利用了上定子和转子，形成圆盘式直线感应电动机，结构紧凑，通过调节上定子相对于转子的径向位置，可快速调速，从而调节储能的快慢；放电时，可以调解上定子在轴向方向上远离转子，降低放电过程中在电动机定子绕组内的感应电势，起到对该一体式脉冲电源系统的保护作用。将原动机转子同发电机转子结合在一起，同时扩大转子外径，起到增大惯性储能，提高储能密度的目的；拖动和发电集成于一体，不存在联轴器的机械连接装置，可降低放电过程中对原动机造成的冲击，提高运行可靠性，并降低噪音；放电时电磁转矩互相抵消，能降低对作战平台的转矩冲击，并且采用永磁励磁不设电刷。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统的结构示意图；
图2为具体实施方式一所述的一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统的俯视图；
图3为具体实施方式一中永磁体的结构示意图；
图4为具体实施方式二中永磁体与储能飞轮位置关系以及永磁体的充磁方向示意图；
图5为具体实施方式五中电枢绕组的连接示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统，其特征在于，该一体式脉冲电源系统包括上定子、转子、下定子、固定装置10、固定平台11、球轴承12和圆锥轴承13；
所述上定子包括一号定子轭2和电动机定子绕组3；
所述转子包括转轴1、储能飞轮4、永磁体5、补偿元件6和转子绷带7；
所述下定子包括电枢绕组8和二号定子轭9；
圆锥轴承13的外圈固定在固定平台11内，球轴承12的外圈固定在固定装置10内，转轴1的两端分别固定在圆锥轴承13的内圈上和球轴承12的内圈上；
上定子、转子和下定子由上至下依次设置，并且转子和下定子同轴，转子和上定子之间形成上气隙，上定子数量和上气隙的距离分别可调，转子和下定子之间形成下气隙；
储能飞轮4固定在转轴1上，储能飞轮4的靠近下定子侧外圆周表面上布置永磁体5；永磁体5靠近下定子侧放置补偿元件6，转子绷带7缠绕在补偿元件6径向外表面；储能飞轮4为导电金属环，兼做感应转子和存储惯性储能的媒介；
二号定子轭9上开有中心孔，转轴1穿过中心孔；
二号定子轭9上表面上放置电枢绕组8，电枢绕组8通过引出线作为该一体式脉冲电源系统的放电端；
电动机定子绕组3缠绕在一号定子轭2上，电动机定子绕组3通过引出线作为该一体式脉冲电源系统的充电端，电动机定子绕组3内流过电流产生的磁场，通过上气隙、储能飞轮4、定子轭2与电动机定子绕组3相交链；
永磁体5形成的磁场通过补偿元件6、下气隙、二号定子轭9与电枢绕组8相交链。
在本实施方式中，上定子的数量不局限于一个，上定子的位置通过机械装置在轴向方向上调节，进而实现上气隙的距离可调；利用了上定子和转子，形成圆盘式直线感应电动机，结构紧凑，通过调节上定子相对于转子的径向位置，可快速调速，从而调节储能的快慢；放电时，可以调节上定子在轴向方向上远离转子，降低放电过程中在电动机定子绕组3内的感应电势，起到对该一体式脉冲电源系统的保护作用。将原动机转子同发电机转子结合在一起，同时扩大转子外径，起到增大惯性储能，提高储能密度的目的；拖动和发电集成于一体，不存在联轴器的机械连接装置，可降低放电过程中对原动机造成的冲击，提高运行可靠性，并降低噪音；放电时电磁转矩互相抵消，能降低对作战平台的转矩冲击，并且采用永磁励磁不设电刷。
具体实施方式二：结合图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统进一步限定，在本实施方式中，所述永磁体5为Halbach永磁阵列结构。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统进一步限定，在本实施方式中，所述电动机定子绕组3和永磁体5产生的气隙磁密为轴向。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统进一步限定，在本实施方式中，转子绷带7由碳纤维环氧树脂制成。
在本实施方式中，转子绷带7由碳纤维环氧树脂制成，有利于保护转子结构在高速旋转时不脱落。
具体实施方式五：结合图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统进一步限定，在本实施方式中，电枢绕组8为沿圆周分布的无槽环形绕组结构，电枢绕组8共三相绕组，每一相绕组包括四个线圈。
在本实施方式中，电枢绕组8共三相绕组，如图5所示，该电枢绕组8包括的三相绕组分别为：A相绕组、B相绕组和C相绕组；在图5中，A相绕组以长划线表示，B相绕组以短划线表示，C相绕组以实线表示。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统进一步限定，在本实施方式中，所述补偿元件6为铜盘。
在本实施方式中，铜盘为环形的，并且铜盘的端部上折，补偿元件6采用环形铜盘，能够起到放电补偿的作用。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统进一步限定，在本实施方式中，所述转轴1为实心轴或空心轴。

Claims (7)

1.一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统，其特征在于，该一体式脉冲电源系统包括上定子、转子、下定子、固定装置(10)、固定平台(11)、球轴承(12)和圆锥轴承(13)；
所述上定子包括一号定子轭(2)和电动机定子绕组(3)；
所述转子包括转轴(1)、储能飞轮(4)、永磁体(5)、补偿元件(6)和转子绷带(7)；
所述下定子包括电枢绕组(8)和二号定子轭(9)；
圆锥轴承(13)的外圈固定在固定平台(11)内，球轴承(12)的外圈固定在固定装置(10)内，转轴(1)的两端分别固定在圆锥轴承(13)的内圈上和球轴承(12)的内圈上；
上定子、转子和下定子由上至下依次设置，并且转子和下定子同轴，转子和上定子之间形成上气隙，上定子数量和上气隙的距离分别可调，转子和下定子之间形成下气隙；
储能飞轮(4)固定在转轴(1)上，储能飞轮(4)的靠近下定子侧外圆周表面上布置永磁体(5)；永磁体(5)靠近下定子侧放置补偿元件(6)，转子绷带(7)缠绕在补偿元件(6)径向外表面；
二号定子轭(9)上开有中心孔，转轴(1)穿过中心孔；
二号定子轭(9)上表面上放置电枢绕组(8)，电枢绕组(8)通过引出线作为该一体式脉冲电源系统的放电端；
电动机定子绕组(3)缠绕在一号定子轭(2)上，电动机定子绕组(3)通过引出线作为该一体式脉冲电源系统的充电端，电动机定子绕组(3)内流过电流产生的磁场，通过上气隙与储能飞轮(4)相交链；储能飞轮(4)为导电金属环，上定子和储能飞轮(4)形成圆盘式直线感应电动机；
永磁体(5)形成的磁场通过补偿元件(6)、下气隙、二号定子轭(9)与电枢绕组(8)相交链。
2.根据权利要求1所述的一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统，其特征在于，所述永磁体(5)为Halbach永磁阵列结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统，其特征在于，所述电动机定子绕组(3)和永磁体(5)产生的气隙磁密为轴向。
4.根据权利要求1所述的一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统，其特征在于，转子绷带(7)由碳纤维环氧树脂制成。
5.根据权利要求1所述的一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统，其特征在于，电枢绕组(8)为沿圆周分布的无槽环形绕组结构，电枢绕组(8)共三相绕组，每一相绕组包括四个线圈。
6.根据权利要求1所述的一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统，其特征在于，所述补偿元件(6)为铜盘。
7.根据权利要求1所述的一种盘式拖动与发电一体式脉冲电源系统，其特征在于，所述转轴(1)为实心轴或空心轴。
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