CN117097104A - 一种输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机 - Google Patents

一种输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机 Download PDF

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CN117097104A CN202311086921.XA CN202311086921A CN117097104A CN 117097104 A CN117097104 A CN 117097104A CN 202311086921 A CN202311086921 A CN 202311086921A CN 117097104 A CN117097104 A CN 117097104A
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Abstract

本发明提供一种输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机，包括：定子，永磁转子设置于定子内部，并与定子相连接；第一气隙，设置于定子与永磁转子之间；电枢铁心，设置于定子内部，并与定子相连接；电动绕组槽，开设于电枢铁心的第一侧内部；电动绕组，设置于电动绕组槽内部，并与电枢铁心相连接；发电绕组槽，开设于电枢铁心的第二侧内部；发电绕组，设置于发电绕组槽内部，并与电枢铁心相连接；其中，在电动绕组通入电流激励的情况下，在第一气隙中产生旋转磁场，旋转磁场使永磁转子旋转，旋转的永磁转子在第一气隙中产生永磁磁场，旋转磁场与永磁磁场共同切割发电绕组，进而产生感生电动势，使发电绕组向外输出交流电。

Description

一种输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机
技术领域
本发明属于轴向磁通电机技术领域，尤其涉及一种输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机。
背景技术
随着新能源并网容量的增加，大量非线性电力电子器件的加入使系统中存在谐波总畸变率高、新能源系统输出电压波动大、系统惯性与抗扰动能力下降等问题，电网的频率稳定性与动态调节能力受到加大威胁。
现有技术中为了提升电网的频率稳定性与调节能力，比如专利(申请号CN202110352951.5)提出一种虚拟同步电机的逆变器运行控制方法及系统，通过采用同步电机的控制策略对逆变器进行控制，使逆变器具备旋转电机的运行特性，新能源发电系统的惯量与频率稳定性得到有效提升，但该方式动态性能较差，使用过程中需要调整且调整周期较长；又比如专利(申请号CN202110819396.2)提出一种模式切换的微电网暂态稳定性提升方法，即切换系统中逆变器的控制方式，当监测到并网端口的电压幅值偏离±5％的额定电压幅值时，逆变器由滞环控制切换为虚拟同步控制，在切换过程中动态调节虚拟同步电机的虚拟惯性，以提高电网的暂态稳定性与抗扰动能力，也就是说，该暂态稳定性提升方法若不设置虚拟同步电机就无法保证该发电系统的稳定性；再比如专利(申请号CN202111136524.X)提出一种同步电机对，主要由同步电动机与同步发电机组成，同步电机对连接于新能源机组与电网之间，提升了系统的惯性能力与抗扰动能力提升，换言之，若没有两台同步电机，该专利的技术方案无法保证发电系统的惯性能力与抗扰动能力。
为此，针对上述的技术问题，需要提供一种输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机。
发明内容
本发明的目的是提供一种输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机，以解决现有技术中电力电子并网装置动态性能和暂态稳定性均较差的技术问题，发挥了同步电机对系统动、暂态性能好的优点，还能降低同步电机对系统的复杂性和成本。
本发明提供了一种输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机，包括：定子，永磁转子，设置于定子内部，并与定子相连接；第一气隙，设置于定子与永磁转子之间；电枢铁心，设置于定子内部，并与定子相连接；电动绕组槽，开设于电枢铁心的第一侧内部；电动绕组，设置于电动绕组槽内部，并与电枢铁心相连接；发电绕组槽，开设于电枢铁心的第二侧内部；发电绕组，设置于发电绕组槽内部，并与电枢铁心相连接；其中，在电动绕组通入电流激励的情况下，在第一气隙中产生旋转磁场，旋转磁场使永磁转子旋转，旋转的永磁转子在第一气隙中产生永磁磁场，旋转磁场与永磁磁场共同切割发电绕组，进而产生感生电动势，使发电绕组向外输出交流电。
可选地，电动绕组为m相对称绕组，其中m≥3；发电绕组为3相对称绕组，绕组空间依次相差120°电角度。
可选地，端盖组件包括：前端盖，设置于定子轴向的一个侧面，并与定子相连接；后端盖，设置于定子轴向的另一个侧面，与前端盖相对设置，并与定子相连接。
可选地，第二气隙，设置于永磁转子与端盖组件之间，使永磁转子与端盖组件之间能够相对转动。
可选地，定子为环状凸形结构，永磁转子为环状凹形结构，定子与永磁转子之间呈直角嵌合。
可选地，电动绕组产生的旋转磁场的极数、发电绕组产生的磁场的极数和永磁转子产生的永磁磁场的极数均相同。
可选地，永磁转子包括：转子盘安装架，套设于永磁转子外部，并与永磁转子相连接；转子盘，套设在转子盘安装架外部，并与转子盘安装架相连接；转轴，套设在永磁转子外部，并与转子盘安装架相连接；轴承，设置于转轴的两个端部，并与转轴相连接。
可选地，转子盘组件包括：第一转子盘，套设在转子盘安装架外部，并与转子盘安装架相连接；第二转子盘，与第一转子盘相邻设置，并与转子盘安装架相连接；其中，第一转子盘和第二电子盘之间的错位电角度为360°/2p。
可选地，转子盘包括：转子盘体；转子轭，嵌设在转子盘体内，并与转子盘体相连接；永磁磁极，设置于转子轭上，并与转子轭相连接。
可选地，每两个相邻的永磁磁极的充磁方向相反。
相较于现有技术，本发明提供了一种输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机，具有的有益效果如下：
(1)本发明的输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机，在一台电机内部通过设置发电绕组和电动绕组，进而使该轴向磁通永磁电机同时具备电动和发电的双重功能，简化了同步电机系统结构；
(2)本发明的输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机，通过控制电动绕组的电流频率与相位，可调整发电绕组的输出频率与电压幅值，控制简便，保证了轴向磁通永磁电机的动态性能；
(3)本发明的输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机，与电励磁同步电机对相比，由于本发明的励磁磁场由永磁体产生，电机的效率更高；
(4)本发明的输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机，电动绕组与发电绕组之间没有电气连接，系统可靠性高。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
图1是本发明的输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机的三维图；
图2是本发明的输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机的定子图；
图3是本发明的电动与发电一体化双转子单定子轴向磁通永磁电机的电枢图；
图4是本发明的输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机的转子图；
图5是本发明的输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机的转子盘图；
图6是本发明的输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机磁场路径图。
附图标号说明：
1.定子、2.永磁转子、3.后端盖、4.前端盖、5.第一气隙、6.第二气隙、101.电枢、102.机壳、11.电动绕组、12.发电绕组、1013.电枢铁心、1014、电动绕组槽、1015.发电绕组槽、1016.电动定子齿、1017.发电定子齿、1018.定子连接轭、201.第一转子盘、202.第二转子盘、203.转轴、204.轴承、205.转子盘安装架、2011.永磁磁极、2012.转子轭、2013.转子盘体。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
如图1至图6所示，本实施例提供了一种输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机，包括：定子1，永磁转子2，设置于定子1内部，并与定子1相连接；第一气隙5，设置于定子1与永磁转子2之间；电枢铁心1013，设置于定子1内部，并与定子1相连接；电动绕组槽1014，开设于电枢铁心1013的第一侧内部；电动绕组11，设置于电动绕组槽1014内部，并与电枢铁心1013相连接；发电绕组槽1015，开设于电枢铁心1013的第二侧内部；发电绕组12，设置于发电绕组槽1015内部，并与电枢铁心1013相连接；其中，在电动绕组11通入电流激励的情况下，在第一气隙5中产生旋转磁场，旋转磁场使永磁转子2旋转，旋转的永磁转子2在第一气隙5中产生永磁磁场，旋转磁场与永磁磁场共同切割发电绕组12，进而产生感生电动势，使发电绕组12向外输出交流电。
本实施例中的输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机通过在电枢铁心1013内部设置电动绕组槽1014，并在电动绕组槽1014内设置发电绕组12，且在电枢铁心1013内部设置发电绕组槽1015，并发电绕组槽1015内部设置发电绕组12，进而实现了在电动绕组11通入电流激励的情况下，该轴向磁通永磁电机能够产生旋转磁场与永磁磁场共同切割发电绕组12，进而产生感生电动势，使发电绕组12向外输出交流电，进而使得该轴向磁通永磁电机不需要额外设置同步电机，就能够具备电动和发电的双重功能，并且兼顾了电机的动态性能和暂态稳定性。
示例性地，定子1包括环形电枢101和环形机壳102，电枢101置于机壳102内，且二者固定为一体，固定方式可以采用绝缘胶灌封，如环氧树脂灌封；如图3所示，电枢101包含电动绕组11、发电绕组12和电枢铁心1013，电枢铁心1013沿轴向M开设电动绕组槽1014和发电绕组槽1015，相邻电动绕组槽1014被电动定子齿1016隔离，相邻发电绕组槽1015被发电定子齿1017隔离，电动绕组槽1014与发电绕组槽1015沿轴向M被定子1连接轭1018隔离；电动定子齿1016与发电定子齿1017沿圆周方向的相对位置是任意的；电动绕组11布置在电枢铁心1013一侧的电动绕组槽1014中，发电绕组12布置在电枢铁心1013另一侧的发电绕组槽1015中，电枢铁心1013为硅钢片卷绕而成。
示例性地，电枢铁心1013上的电动绕组槽1014与发电绕组槽1015的槽数、槽型可相同或不同，槽数的选择应符合对应相数电机的极数与槽数的配合原则，极数与槽数配合原则在很多文献中均有描述，这里不在赘述；电动绕组11与发电绕组12的绕组布置应满足：电动绕组11产生的旋转磁场φM的极数2p与发电绕组12产生的磁场φG的极数相同，且与永磁转子2产生的永磁磁场φPM的极数相同，其中p为磁场极对数。
示例性地，如图3和图6所示，电动绕组11输入端的供电类型可为电压源或电流源，发电绕组12输出端可接无限大电网或接独立负载；通过调整电动绕组11中供电电流的频率，可改变永磁转子2的旋转速度，进而改变发电绕组12中感应电压与电流的频率；通过调整电动绕组11中供电电流的初始相位，可改变其在第一气隙5中产生的旋转磁场φM的方向，相应的，第一气隙5中合成磁场φPM+φM的空间相位与幅值也发生了改变，进而调节发电绕组12的感应电动势和输出功率的大小，图6中φPM与φM的方向相同，如果发电绕组12的感应电动势数值较高，能够改变电动绕组11中供电电流的初始相位和幅值，降低其产生的磁场φM的幅值，甚至使φM反向，进而降低发电绕组12的感应电动势。
示例性地，电枢铁心1013上的电动绕组槽1014与发电绕组槽1015的槽数、槽型可相同或不同，槽数的选择应符合对应相数电机的极数与槽数的配合原则，极数与槽数配合原则属于现有技术，此处不在赘述。
示例性地，如图6所示，电动绕组11与发电绕组12的绕组结构、每相串联匝数可相同或不同，电动绕组11与发电绕组12在电气和机械方面均没有连接。
本实施例中的输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机，可简化系统结构，同时，该电机的效率更高、系统更加可靠。
在一种可能的实施例中，如图6所示，电动绕组11为m相对称绕组，其中m≥3；发电绕组12为3相对称绕组，绕组空间依次相差120°电角度。本实施例中将电动绕组11设置为多相有利于大型电机的驱动，减小电动绕组11每相的电流，同时，还能够降低电机内气隙磁场的谐波和电机的转矩波动，有利于发电绕组12输出电压更加正弦；发电绕组12为3相，进而能够更好地与三相电网相匹配。
在一种可能的实施例中，如图1所示，端盖组件包括：前端盖4，设置于定子1轴向的一个侧面，并与定子1相连接；后端盖3，设置于定子1轴向的另一个侧面，与前端盖4相对设置，并与定子1相连接。
在一种可能的实施例中，如图1所示，第二气隙6，设置于永磁转子2与端盖组件之间，使永磁转子2与端盖组件之间能够相对转动。
在一种可能的实施例中，如图1所示，定子1为环状凸形结构，永磁转子2为环状凹形结构，定子1与永磁转子2之间呈直角嵌合，使得定子1与永磁转子2互相咬合，整体结构更加紧凑，同时旋转的永磁转子2被定子1、后端盖3和前端盖4包围，电机运行后整体的稳定性进一步增加，保证了电机的运行安全。
在一种可能的实施例中，电动绕组11产生的旋转磁场的极数、发电绕组12产生的磁场的极数和永磁转子2产生的永磁磁场的极数均相同，三者极数相同，能够保证电动绕组11的电枢反应磁场驱动永磁转子2稳定旋转，保证发电绕组12产生固定频率的交流电。
在一种可能的实施例中，如图1至图6所示，永磁转子2包括：转子盘安装架205，套设于永磁转子2外部，并与永磁转子2相连接；转子盘，套设在转子盘安装架205外部，并与转子盘安装架205相连接；转轴203，套设在永磁转子2外部，并与转子盘安装架205相连接；轴承204，设置于转轴203的两个端部，并与转轴203相连接。
示例性地，永磁转子2包括第一转子盘201、第二转子盘202、转轴203、轴承204、转子盘安装架205；如图6所示，转轴203插入转子盘安装架205内孔内固定，转轴203与转子盘安装架205不发生相对转动，可在二者间设置防转键，转轴203的两端放置轴承204，如图1所示，轴承204实现了定子1与永磁转子2之间的相对转动。
在一种可能的实施例中，转子盘组件包括：第一转子盘201，套设在转子盘安装架205外部，并与转子盘安装架205相连接；第二转子盘202，与第一转子盘201相邻设置，并与转子盘安装架205相连接；其中，第一转子盘201和第二电子盘之间的错位电角度为360°/2p。
示例性地，第一转子盘201与第二转子盘202结构相同；第一转子盘201和第二转子盘202轴向M固定于转子盘安装架205，错位电角度为360°/2p，进而保证第一转子盘201和第二转子盘202上相对应的磁极的充磁方向d相同，这样设置，磁极采用这种充磁方式能够保证电动绕组11产生的磁场φM、永磁转子2产生的磁场φPM，以及发电绕组12产生的磁场φG如图6所示，从而调整电动绕组11产生的磁场φM就能够调整链过发电绕组12的合成磁场，进一步调整发电绕组12输出的电压，进而增加电机的动态性能。
在一种可能的实施例中，转子盘包括：转子盘体2013；转子轭2012，嵌设在转子盘体2013内，并与转子盘体2013相连接；永磁磁极2011，设置于转子轭2012上，并与转子轭2012相连接。
示例性地，第一转子盘201或第二转子盘202均包括永磁磁极2011、转子轭2012和转子支撑盘体，永磁磁极2011贴敷在转子轭2012上，转子轭2012沉嵌于转子盘体2013的凹槽中，同一转子盘上的相邻永磁磁极2011的充磁方向d相反，如图5中的永磁磁极2011上标注的N和S，N和S分别表示北极和南极，或图6中的充磁方向d，这样设置，保证了磁场φM、φPM、φG能够经由第一转子盘201、电枢101、第二转子盘202，再经第二转子盘202周向Ci旋转后回到电枢101、第一转子盘201形成闭合回路，转子轭2012为导磁体。
在一种可能的实施例中，每两个相邻的永磁磁极2011的充磁方向相反。
示例性地，本实施例通过上述设置形成N极和S极的交替排列，属于现有技术，这里不在赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机，其特征在于，包括：
定子(1)，
永磁转子(2)，设置于所述定子(1)内部，并与所述定子(1)相连接；
第一气隙(5)，设置于所述定子(1)与所述永磁转子(2)之间；
电枢铁心(1013)，设置于所述定子(1)内部，并与所述定子(1)相连接；
电动绕组槽(1014)，开设于所述电枢铁心(1013)的第一侧内部；
电动绕组(11)，设置于所述电动绕组槽(1014)内部，并与所述电枢铁心(1013)相连接；
发电绕组槽(1015)，开设于所述电枢铁心(1013)的第二侧内部；
发电绕组(12)，设置于所述发电绕组槽(1015)内部，并与所述电枢铁心(1013)相连接；
其中，在所述电动绕组(11)通入电流激励的情况下，在所述第一气隙(5)中产生旋转磁场，旋转磁场使所述永磁转子(2)旋转，旋转的所述永磁转子(2)在所述第一气隙(5)中产生永磁磁场，旋转磁场与永磁磁场共同切割所述发电绕组(12)，进而产生感生电动势，使所述发电绕组(12)向外输出交流电。
2.根据权利要求1所述的输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机，其特征在于，还包括：
电动绕组(11)为m相对称绕组，其中m≥3；
发电绕组(12)为3相对称绕组，绕组空间依次相差120°电角度。
3.根据权利要求1所述的输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机，其特征在于，还包括端盖组件，所述端盖组件包括：
前端盖(4)，设置于所述定子(1)轴向的一个侧面，并与所述定子(1)相连接；
后端盖(3)，设置于所述定子(1)轴向的另一个侧面，与所述前端盖(4)相对设置，并与所述定子(1)相连接。
4.根据权利要求1所述的输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机，其特征在于，还包括：
第二气隙(6)，设置于所述永磁转子(2)与所述端盖组件之间，使所述永磁转子(2)与所述端盖组件之间能够相对转动。
5.根据权利要求1所述的输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述定子(1)为环状凸形结构，永磁转子(2)为环状凹形结构，所述定子(1)与所述永磁转子(2)之间呈直角嵌合。
6.根据权利要求1所述的输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述电动绕组(11)产生的旋转磁场的极数、所述发电绕组(12)产生的磁场的极数和所述永磁转子(2)产生的永磁磁场的极数均相同。
7.根据权利要求1所述的输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述永磁转子(2)包括：
转子盘安装架(205)，套设于所述永磁转子(2)外部，并与所述永磁转子(2)相连接；
转子盘组件，套设在所述转子盘安装架(205)外部，并与所述转子盘安装架(205)相连接；
转轴(203)，套设在永磁转子(2)外部，并与所述转子盘安装架(205)相连接；
轴承(204)，设置于所述转轴(203)的两个端部，并与所述转轴(203)相连接。
8.根据权利要求7所述的输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述转子盘组件包括：
第一转子盘(201)，套设在所述转子盘安装架(205)外部，并与所述转子盘安装架(205)相连接；
第二转子盘(202)，与所述第一转子盘(201)相邻设置，并与所述转子盘安装架(205)相连接；
其中，所述第一转子盘(201)和所述第二转子盘(202)之间的错位电角度为360°/2p。
9.根据权利要求7所述的输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述转子盘包括：
转子盘体(2013)；
转子轭(2012)，嵌设在所述转子盘体(2013)内，并与所述转子盘体(2013)相连接；
永磁磁极(2011)，设置于所述转子轭(2012)上，并与所述转子轭(2012)相连接。
10.根据权利要求9所述的输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机，其特征在于，每两个相邻的永磁磁极(2011)的充磁方向相反。
CN202311086921.XA 2023-08-25 2023-08-25 一种输出电压可调的一体化电动与发电轴向磁通永磁电机 Pending CN117097104A (zh)

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