CN115274247A - 一种电机式脉冲充磁机及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机式脉冲充磁机及其运行方法，电机式脉冲充磁机包括储能放电一体电机、储能接触器、起动电容、离心开关、放电开关以及充磁线圈；交流市电通过所述储能接触器后被分成并联的两路，其中一路用于与储能放电一体电机的储能绕组连接，另一路用于通过依次串联在一起的起动电容和离心开关与储能放电一体电机的放电绕组连接，由所述并联的两路构成储能回路；所述放电开关和充磁线圈依次串联在一起后连接在储能放电一体电机的放电绕组的两端，构成放电回路；该结构显著地降低了充磁机的体积，并且降低充磁机的制造成本以及提高充磁机的使用寿命。

Description

一种电机式脉冲充磁机及其运行方法

技术领域

本发明涉及充磁机技术领域，尤其是涉及一种电机式脉冲充磁机及其运行方法。

背景技术

现有技术中的充磁机主要采用电容作为充磁电源，其工作原理为：先经过储能系统将市电储存在电容中，再利用电容放电产生的脉冲大电流通过放电系统对磁性材料进行充磁。该结构存在如下缺陷：作为核心部件的电容器价格高，寿命低，且其储能系统需要配套升压变压器等关键部件，致整机造价高、寿命低、体积大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够显著降低充磁机的体积、保证充磁效率，并且降低充磁机的制造成本以及提高充磁机的使用寿命的电机式脉冲充磁机及其运行方法。

第一方面，本发明所采用的技术方案是，一种电机式脉冲充磁机，包括储能放电一体电机、储能接触器、起动电容、离心开关、放电开关以及充磁线圈；所述储能放电一体电机包括转子以及同轴设置于转子外部的定子，所述定子与转子之间设有径向气隙，所述定子包括定子铁芯、储能绕组以及放电绕组，所述储能绕组和放电绕组的轴线在空间中相差90°电角度；所述转子包括转轴、包覆在转轴外周的转子铁芯、过盈配合安装在转子铁芯外周的补偿筒以及内嵌入转子铁芯中的若干永磁体或电励磁；交流市电通过所述储能接触器后被分成并联的两路，其中一路用于与储能放电一体电机的储能绕组连接，另一路用于通过依次串联在一起的起动电容和离心开关与储能放电一体电机的放电绕组连接，由所述并联的两路构成储能回路；所述放电开关和充磁线圈依次串联在一起后连接在储能放电一体电机的放电绕组的两端，由所述放电开关、充磁线圈以及储能放电一体电机的放电绕组构成放电回路。

本发明的有益效果是：采用上述结构的一种电机式脉冲充磁机，利用储能放电一体电机可以工作在电动和发电两种工作状态的优势，将充磁机的储能系统和放电系统的核心部件整合到一台电机当中，从而显著地降低了充磁机的体积；由于电机本身成本低以及寿命高，相比于原有技术中采用电容会更加显得具备优势，所以降低充磁机的制造成本以及提高充磁机的使用寿命；利用储能放电一体电机可以为充磁线圈提供脉冲大电流，对磁性材料充磁，在降低了充磁机的体积的情况下，保证了充磁效率。

作为优选，所述放电开关采用晶闸管，采用该结构，晶闸管具备过零自动截止关断的效果，可以使输出给充磁线圈上的电流近似为正弦电流的正半周脉冲电流。

作为优选，所述补偿筒的材质为铜或铝，采用该结构，铜和铝的强度高，且电导率高。

第二方面，本发明所采用的技术方案是，一种电机式脉冲充磁机的运行方法，该方法包括下列步骤：

步骤一、储能过程：

闭合储能接触器和离心开关，储能放电一体电机的储能绕组与交流市电相连，放电绕组串联起动电容后与交流市电相连；储能绕组和放电绕组在气隙中形成一个椭圆形旋转磁动势，在转子的补偿筒上感应电流，进而产生转子磁场，转子磁场与定子磁场相互作用产生起动转矩，使电机旋转起来；

电机达到一定的转速后，离心开关自动断开，放电绕组从储能回路中自动切出，储能放电一体电机的转子在储能绕组产生的脉振磁动势作用下继续升速，直至电机达到接近于同步转速的空载转速n0，此时断开储能接触器，使储能放电一体电机依靠惯性自由旋转，完成一次储能过程；

步骤二、放电过程：

储能放电一体电机自由旋转过程中，监测放电绕组的感应电压，当放电绕组的感应电压过零且与放电开关的导通方向相同时，此时触发放电开关，放电回路闭合；放电回路闭合后，放电绕组向充磁线圈放电，同时转子上的补偿筒感应电流，放电绕组向充磁线圈输出瞬时强电流脉冲，此时电机转速由n0降为n1，将转子储存的动能快速的转化为电能；

步骤三、连续运行：

单次放电结束后，放电开关断开，放电回路切断；闭合储能接触器，使储能回路闭合，储能绕组与市电相连，重新通电后的储能绕组产生脉振磁动势，与补偿筒感应电流产生的转子磁场作用，继续使储能放电一体电机加速，重新达到空载转速n0，完成动能补充。

采用上述一种电机式脉冲充磁机的运行方法，该方法通过储能放电一体电机来作为充磁机的脉冲电源，对磁性材料充磁；并且该方法显著地降低了充磁机的体积，也降低了充磁机的制造成本以及提高充磁机的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一种电机式脉冲充磁机的结构示意图；

图2为本发明中采用的永磁式储能放电一体电机的结构示意图；

图3为本发明中采用的电励磁式储能放电一体电机的结构示意图；

图4为本发明中储能绕组和放电绕组的接线图；

图5为本发明中输出给充磁线圈上的电流波形图；

图6为本发明中在无补偿筒情况下和有补偿筒情况下的磁力线的效果对比图；其中，(a)为无补偿筒情况下的磁力线效果图，(b)为有补偿筒情况下的磁力线效果图；

如图所示：1、储能绕组；2、放电绕组；3、补偿筒；4、永磁体；5、储能接触器；6、起动电容；7、离心开关；8、放电开关；9、充磁线圈；10、定子铁芯；11、转子铁芯；12、转轴。

具体实施方式

以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的公开中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本发明提供了一种电机式脉冲充磁机，如图1所示，包括储能放电一体电机、储能接触器5、起动电容6、离心开关7、放电开关8以及充磁线圈9；如图2所示，储能放电一体电机包括转子以及同轴设置于转子外部的定子，所述定子与转子之间设有径向气隙，所述定子包括定子铁芯10、储能绕组1以及放电绕组2，所述储能绕组1和放电绕组2的轴线在空间中相差90°电角度，储能绕组1和放电绕组2的接线图如图4所示，其属于现有技术，在这里不作展开；所述转子包括转轴12、包覆在转轴12外周的转子铁芯11、过盈配合安装在转子铁芯11外周的补偿筒3以及内嵌入转子铁芯11中的若干永磁体4；图2中，储能放电一体电机采用的是永磁体4式储能放电一体电机，本发明不仅限于永磁体4式储能放电一体电机，还可以采用如图3所示的电励磁式储能放电一体电机，只需要通过电刷和滑环引出电机，通过外部直流电源励磁即可；图2中采用的永磁体4式储能放电一体电机为4极，本发明不仅限于4极的永磁体4式储能放电一体电机，还可以采用2极以及其他极数，这取决于储能和放电波形的需求。如图1所示，交流市电通过所述储能接触器5后被分成并联的两路，其中一路用于与储能放电一体电机的储能绕组1连接，另一路用于通过依次串联在一起的起动电容6和离心开关7与储能放电一体电机的放电绕组2连接，由所述并联的两路构成储能回路；所述放电开关8和充磁线圈9依次串联在一起后连接在储能放电一体电机的放电绕组2的两端，由所述放电开关8、充磁线圈9以及储能放电一体电机的放电绕组2构成放电回路。

图1结构中的一种电机式脉冲充磁机，通过闭合储能接触器5和离心开关7，使储能放电一体电机的储能绕组1直接与交流市电相连，放电绕组2串联起动电容6后与交流市电相连，储能放电一体电机旋转起来；当储能放电一体电机达到一定的转速后，离心开关7自动断开，转子在储能绕组1产生的脉振磁动势作用下继续升速，直至电机达到接近于同步转速的空载转速n0，此时断开储能接触器5，使电机依靠惯性自由旋转，完成一次储能过程；电机自由旋转过程中，当电压过零且与放电开关8的导通方向相同时，触发放电开关8，放电回路闭合，放电绕组2向充磁线圈9放电，同时转子上的补偿筒3感应电流，为放电绕组2提供被动补偿作用，将磁力线压缩到气隙当中，能够有效的降低放电绕组2的等效电感，从而使放电绕组2向充磁线圈9输出瞬时强电流脉冲，此时电机转速由n0降为n1，将转子储存的动能快速的转化为电能；图1结构中的一种电机式脉冲充磁机，取消了原有技术中采用电容结构作为充磁机电源的方案，直接利用储能放电一体电机可以工作在电动和发电两种工作状态的优势，将充磁机的储能系统和放电系统的核心部件整合到一台电机当中，利用储能放电一体电机可以为充磁线圈9提供脉冲大电流，不仅能保证充磁效率，而且显著地降低了充磁机的体积；由于电机本身成本低以及寿命高，相比于原有技术中采用电容会更加显得具备优势，所以降低充磁机的制造成本以及提高充磁机的使用寿命。

如图1所示，所述放电开关8采用晶闸管，采用该结构，晶闸管具备过零自动截止关断的效果，如图5所示，可以使输出给充磁线圈9上的电流近似为正弦电流的正半周脉冲电流。

如图1所示，所述补偿筒3的材质为铜或铝，采用该结构，铜和铝的强度高，且电导率高。

举例说明：

采用原有技术中的充磁机，即电容作为充磁电源为充磁线圈9充电，电容的充电电压为2kV，电容的容量为3500μF，电容式充磁机的外形尺寸为800mm*550mm*1100mm，计算可得储能为7kJ；

采用本发明提供的一种电机式脉冲充磁机，当储能放电一体电机为2极电机时，电机在工频电下同步转速为3000rpm，电机定子外径为300mm，铁芯长度为140mm，可以储存动能7kJ；

采用本发明提供的一种电机式脉冲充磁机，当储能放电一体电机为4极电机时，电机在工频电下同步转速为1500rpm，电机定子外径为400mm，铁芯长度为170mm，可以储存动能7kJ。

可以看出，本发明提供的一种电机式脉冲充磁机在保证充磁效率的情况下，还显著地降低了充磁机系统的体积，并且降低了充磁机的制造成本以及提高充磁机的使用寿命。

在实际应用中，即使考虑将储能放电一体电机装入控制柜中，并集成接触器、起动电容6等零部件，其整体体积也远小于现有技术中采用电容作为充磁电源的方案。此外，电机也相较于电容器，成本更低、寿命更高。

根据图1所示的一种电机式脉冲充磁机，本发明还提供了一种电机式脉冲充磁机的运行方法，该方法包括下列步骤：

步骤一、储能过程：

闭合储能接触器5和离心开关7，储能放电一体电机的储能绕组1与交流市电相连，放电绕组2串联起动电容6后与交流市电相连；由于存在起动电容6，会使得放电绕组2的电流超前于储能绕组1的电流约90°电角度，同时在绕组设置上，由于储能绕组1和放电绕组2的轴线在空间相差90°电角度，这样就会使储能绕组1和放电绕组2在气隙中形成一个椭圆形旋转磁动势，并在转子的补偿筒3上感应电流，进而产生转子磁场，产生的转子磁场与定子磁场相互作用产生起动转矩，使储能放电一体电机旋转起来；

储能放电一体电机达到一定的转速后，离心开关7会自动断开，放电绕组2从储能回路中自动切出，储能放电一体电机的转子在储能绕组1产生的脉振磁动势作用下继续升速，直至储能放电一体电机达到接近于同步转速的空载转速n0，此时断开储能接触器5，使储能放电一体电机依靠惯性自由旋转，完成一次储能过程，即电能缓慢的以动能的形式储存在储能放电一体电机的转子当中；在此过程中，储能放电一体电机以电动机形式运行，放电绕组2起到了起动绕组的作用，补偿筒3起到了转子鼠笼的作用；

步骤二、放电过程：

储能放电一体电机自由旋转时，定子上的储能绕组1和放电绕组2均处于开路状态，且由于转子上永磁体4的励磁作用，储能绕组1和放电绕组2均会产生感应电压，且相位互差90°电角度；在电机设计时，在等效生热率相同的前提下，令两套绕组的匝数和线径不同，使放电绕组2的感应电压更高，内阻抗小，更适合对充磁线圈9放电；

储能放电一体电机自由旋转过程中，监测放电绕组2的感应电压，当放电绕组2的感应电压过零且与放电开关8的导通方向相同时，此时触发放电开关8，放电回路闭合；放电回路闭合后，如图6中(b)所示，放电绕组2向充磁线圈9放电，同时转子上的补偿筒3感应电流，为放电绕组2提供被动补偿作用，并将磁力线压缩到气隙当中，这样能够有效的降低放电绕组2的等效电感，进一步降低储能放电一体电机内的阻抗，从而可以向充磁线圈9输出瞬时强电流脉冲，此时电机转速由n0降为n1，将转子储存的动能快速的转化为电能；在此过程中，储能放电一体电机以发电机形式运行，由于采用了补偿筒3的被动补偿结构，输出电流为近似正弦电流，采用的放电开关8为晶闸管，其电流过零会自动截止关断，因此输出给充磁线圈9上的电流为近似正弦电流的正半周脉冲电流。

步骤三、连续运行：

单次放电结束后，放电开关8断开，放电回路切断；闭合储能接触器5，使储能回路闭合，储能绕组1与市电相连，由于放电过程无法将全部转子动能转化为电能，因此电机仍处于旋转状态，转速为n1，离心开关7也处于断开状态，放电绕组2仍切出于储能回路；重新通电后的储能绕组1产生脉振磁动势，与补偿筒3感应电流产生的转子磁场作用，继续使储能放电一体电机加速，重新达到空载转速n0，完成动能补充。

补偿筒3在储能过程和放电过程中，均发挥了关键作用。在储能过程中，相当于感应储能放电一体电机中的转子鼠笼结构，感应电流产生转矩，并相较于鼠笼结构，由于转子呈阻性，储能放电一体电机的临界转差率大于1，起动转矩更大；在放电过程中，相当于脉冲发电机的被动补偿结构，放电瞬间感应电流均匀的补偿电枢反应，降低了放电绕组2的等效电感，从而输出具有更高幅值的近似正弦波的电流。此外，当储能放电一体电机为了储存更多动能，设计的转子线速度更高时，补偿筒3还可以作为转子护套，为转子铁芯11提供预紧力，降低转子磁桥的应力。

采用上述一种电机式脉冲充磁机的运行方法，该方法通过储能放电一体电机来作为充磁机的脉冲电源，对磁性材料充磁；并且该方法显著地降低了充磁机的体积，也降低了充磁机的制造成本以及提高充磁机的使用寿命。

Claims (4)

1.一种电机式脉冲充磁机，其特征在于：包括储能放电一体电机、储能接触器(5)、起动电容(6)、离心开关(7)、放电开关(8)以及充磁线圈(9)；所述储能放电一体电机包括转子以及同轴设置于转子外部的定子，所述定子与转子之间设有径向气隙，所述定子包括定子铁芯(10)、储能绕组(1)以及放电绕组(2)，所述储能绕组(1)和放电绕组(2)的轴线在空间中相差90°电角度；所述转子包括转轴(12)、包覆在转轴(12)外周的转子铁芯(11)、过盈配合安装在转子铁芯(11)外周的补偿筒(3)以及内嵌入转子铁芯(11)中的若干永磁体(4)或电励磁；交流市电通过所述储能接触器(5)后被分成并联的两路，其中一路用于与储能放电一体电机的储能绕组(1)连接，另一路用于通过依次串联在一起的起动电容(6)和离心开关(7)与储能放电一体电机的放电绕组(2)连接，由所述并联的两路构成储能回路；所述放电开关(8)和充磁线圈(9)依次串联在一起后连接在储能放电一体电机的放电绕组(2)的两端，由所述放电开关(8)、充磁线圈(9)以及储能放电一体电机的放电绕组(2)构成放电回路。

2.根据权利要求1所述的一种电机式脉冲充磁机，其特征在于：所述放电开关(8)采用晶闸管。

3.根据权利要求1或2所述的一种电机式脉冲充磁机，其特征在于：所述补偿筒(3)的材质为铜或铝。

4.一种如权利要求1至3任意一项所述的一种电机式脉冲充磁机的运行方法，该方法包括下列步骤：

步骤一、储能过程：

闭合储能接触器(5)和离心开关(7)，储能放电一体电机的储能绕组(1)与交流市电相连，放电绕组(2)串联起动电容(6)后与交流市电相连；储能绕组(1)和放电绕组(2)在气隙中形成一个椭圆形旋转磁动势，在转子的补偿筒(3)上感应电流，进而产生转子磁场，转子磁场与定子磁场相互作用产生起动转矩，使电机旋转起来；

电机达到一定的转速后，离心开关(7)自动断开，放电绕组(2)从储能回路中自动切出，储能放电一体电机的转子在储能绕组(1)产生的脉振磁动势作用下继续升速，直至电机达到接近于同步转速的空载转速n0，此时断开储能接触器(5)，使储能放电一体电机依靠惯性自由旋转，完成一次储能过程；

步骤二、放电过程：

储能放电一体电机自由旋转过程中，监测放电绕组(2)的感应电压，当放电绕组(2)的感应电压过零且与放电开关(8)的导通方向相同时，此时触发放电开关(8)，放电回路闭合；放电回路闭合后，放电绕组(2)向充磁线圈(9)放电，同时转子上的补偿筒(3)感应电流，放电绕组(2)向充磁线圈(9)输出瞬时强电流脉冲，此时电机转速由n0降为n1，将转子储存的动能快速的转化为电能；

步骤三、连续运行：

单次放电结束后，放电开关(8)断开，放电回路切断；闭合储能接触器(5)，使储能回路闭合，储能绕组(1)与市电相连，重新通电后的储能绕组(1)产生脉振磁动势，与补偿筒(3)感应电流产生的转子磁场作用，继续使储能放电一体电机加速，重新达到空载转速n0，完成动能补充。

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