专利名称：一种飞轮脉冲永磁电机及工作方法
技术领域：
本发明涉及一种飞轮脉冲永磁电机，具体涉及一种采用机械方式控制电机主磁场的轴向磁通飞轮脉冲永磁电机，同时本发明公开了其工作方法，属于电机设计、制造和控制技术领域
背景技术：
脉冲电源为现代军事、航空、航天、激光、核工业、交通、医疗、材料等诸多重要领域所必需，仅就现代新概念电磁武器而言，百分之八十以上都需要采用脉冲电源，因此从其产生到如今的五十年中，它所涉及的相关理论和技术得到了迅猛发展，并正在成为一门新兴的科学技术。飞轮脉冲电机是一种基于飞轮储能系统的脉冲电源。充电时，电机作电动机用，驱动飞轮高速旋转，电能转变为动能储存；放电时，电机作发电机用，飞轮减速并驱动电机作发电机运行，动能转换成电能。与基于电场、磁场或者化学方式储能的脉冲电源相比，飞轮脉冲电机具有体积小、功率密度大、效率高、响应速度快、可快速充放电、循环次数多、使用寿命长等许多优点。但其放电过程受机电时间常数的影响，不能太快，因此特别适用于脉冲幅值较小但脉冲宽度较长的场合。飞轮脉冲电机目前主要应用于电磁飞机弹射系统。凭借其在结构和功率密度上的优势，采用轴向磁通结构的飞轮脉冲永磁电机在这一场合备受青睐。1995年，供职于海军航空兵作战中心的Doyle等人在发表于《IEEE Transaction on Magnetics》的((Electromagnetic Aircraft Launch System - EMALS))一文中介绍了一种米用磁通结构的飞轮脉冲永磁电机。这一电机采用转子兼做飞轮、定子上包括低压充电和高压放电两套绕组，通过周波变换器控制电机充放电。但这种电机存在铁耗较大的问题。随后，Swett等人在〈〈Flywheel charging module for energy storage used in electromagnetic aircraftlaunch system)) 一文中，介绍了一种轴向磁通的定子无槽、背铁与转子同轴旋转的改进结构。采用这种结构的飞轮脉冲电机在提高了电机的转速和功率密度的同时，降低了电机的铁耗。但采用这一结构的电机交直轴电感很小，无法使用电力电子的方法进行增磁或弱磁控制，这就意味着电机的最高转速受到充电电力系统电压水平的限制，放电电压也会随着放电深度的增加不断降低。除此以外，美国专利US 5，721，461A、US 6，750，588 BI也公开了类似结构的电机，也存在上述的问题。目前国内在这种飞轮脉冲电机方面的研究还比较少。中国发明专利申请CN1063384、CN 1253406、CN 101145725、CN 101291098、CN 101814818A 所涉及的脉冲电机均为补偿脉冲发电机，这种电机的目标负载是诸如电磁炮和强磁场发生装置等需要极高幅值、极短放电脉冲宽度的脉冲负载，与本发明所涉及的飞轮脉冲电机有明显的区别。综上所述，现有技术存在电机高速旋转时铁耗较大、最高转速受充电电力系统电压水平的限制、放电电压跌落等问题。
发明内容
发明目的针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种飞轮脉冲永磁电机，在解决铁耗过大问题的同时，保留电机的增/弱磁控制能力。同时本发明公开了其工作方法。技术方案为了实现上述目的，本发明是通过如下技术方案来实现的
一种飞轮脉冲永磁电机，包括转子盘和定子，所述转子盘包括背铁、用螺栓固定在背铁上的开槽铝盘以及嵌入铝盘上的槽内的永磁体，所述转子盘设置三个，转子盘中的永磁体均按极性均匀相间的 顺序嵌入在铝盘的槽内，所述定子包括绕组盘、绕组支座和绕组压盖；所述定子设置两个，分别设置在三个转子盘形成的两个气隙中，所述绕组盘包括可动绕组盘与固定绕组盘，可动绕组盘与固定绕组盘分别设置在两个定子上。所述定子通过绕组支座安装在电机支座上，所述固定绕组盘由绕组压盖三压紧固定在绕组支座二内；可动绕组盘与绕组压盖一之间设置间隙，所述可动绕组盘所在的绕组支架一的外缘上开有长孔，所述绕组压盖一在长孔对应的角度设置若干连续的齿，所述可动绕组盘的外表面固定有从前述长孔中伸入的调节手柄，调节手柄连接至由控制器控制的伺服机构。所述三个转子盘同轴固联在电机轴上；左右两个转子盘中的转子铝盘安装在对应背铁的内侧；中间转子盘中的转子铝盘安装在背铁的两侧，所述三块背铁的外缘设置均匀分布的螺纹孔，所述永磁体沿轴向充磁。所述可动绕组盘与固定绕组盘包含电动、发电两套绕组，所述电动、发电两套绕组为串联联接，电动绕组的匝数小于发电绕组的匝数；充电绕组连接至充电电源；放电绕组连接至脉冲功率负载。一种飞轮脉冲永磁电机的工作方法，包括以下步骤
1)充电步骤充电绕组通电，放电绕组断开，控制伺服机构通过旋转调节手柄使可动绕组盘沿齿绕中心旋转，所述可动绕组盘与固定绕组盘之间的夹角不断增大，进而使电机反电势系数不断降低；
2)放电步骤放电绕组通电，充电绕组断开，控制伺服机构通过旋转调节手柄使可动绕组盘沿齿绕中心回旋，所述可动绕组盘与固定绕组盘之间的夹角不断减小，进而使电机反电势系数不断增大。所述可动绕组盘与固定绕组盘由利兹线绕制而成的绕组塑封固化而成。有益效果本发明与现有技术相比，具有以下优点
I、本发明采用定子无铁心结构，消除了定子中高速旋转的磁场引起的定子铁耗。定子绕组采用利兹线绕制，极大地降低了绕组的涡流损耗。与现有技术相比，本发明具有较高的充放电效率。2、本发明采用双定子结构，且其中一个定子绕组盘可以绕中心轴旋转。通过在充放电过程中按一定规律调整两绕组盘夹角解决了无铁心电机无法增/弱磁控制的问题。无需引入复杂昂贵的电力电子变换装置，即可使电机能够在有限的充电电压下获得较高的转速，同时在放电过程中维持放电电压近似不变。
图I为本发明的侧视 图2为本发明沿A-A方向的剖视图；
图3为安装好永磁体后转子铝盘的示意 图4为可动绕组盘所在定子的爆炸 图5为两个电机定子绕组中的反电势串联相加的示意图。图中各标号1、背铁，2、永磁体，3、转子铝盘，4、可动绕组盘，5、固定绕组盘，6、绕组支座一，7、调节手柄，8、绕组压盖一，9、轴承，10、皮带轮，11、螺纹孔，12、轴，13、电机支座，14、绕组支座二，15、绕组压盖二，16、长孔，17、齿。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行进一步阐述
实施例I
参见图I和图2，本发明为一种飞轮脉冲永磁电机，包括三个转子盘、两个定子、轴12、轴承9、电机支座13以及小皮带轮10。所述左侧的转子盘由背铁I、用螺栓固定在背铁上的转子铝盘以及永磁体2组成，12个轴向充磁的扇形永磁体2按照图3所示的方式N-S相间地嵌在转子铝盘3上均匀开布的槽内。装好永磁体的转子铝盘3用螺栓固定在背铁I上。中间转子和右转子按照相同的方式组装而成，唯一不同的是中间的背铁I两侧均装有永磁体2和转子铝盘3。不同转子盘中，相对的两块永磁体2充磁方向一致。中间转子中，相对的两永磁体2充磁方向相反。每块背铁的外缘上沿轴上都均匀开有24个小螺纹孔11，这些螺纹孔可以用来填充配重以调节转子动平衡，也可以在将来系统升级时，用来安装增重飞轮。三个转子与轴12固联在一起。轴12左端伸出一部分，为安装转角传感器预留了空间；右端装有的小皮带轮10，是为方便测试阶段进行对拖实验用的，产品定型后可去除。由轴12以及三个转子构成的转子系统通过轴承9安装在电机支座13上。两个定子安插在三个转子盘中间形成的两个气隙中，并通过螺栓和绕组支座6、14固联在电机支座13上。每个定子均包括绕组支座、绕组盘和绕组压盖。所述绕组盘分为可动绕组盘4与固定绕组盘5，本发明中，所述可动绕组盘4设置于左定子，所述固定绕组盘5设置于右定子。图4给出了左定子的结构爆炸示意图。其中，绕组支座6外缘上开有一跨30度的长孔16。可动绕组盘4安装在绕组支座6、绕组压盖一 8形成的空腔内，但绕组压盖一 8并未压紧。调节手柄7由绕组支座6外表面的长孔24伸入，由螺栓固定在绕组盘外表面。绕组压盖一 8在长孔24对应的位置沿周向开有30个齿17，调节手柄7上安装的细杆卡在齿17内，起到了固定作用。这样，绕组盘6就可以在调节手柄7的驱动下转动。右定子结构与之类似，只是固定绕组盘5上未安装调节手柄，且由绕组压盖15压紧固定在绕组支座14上。本实施例中，调节手柄7连接至由超声波电机和杠杆组成的伺服机构。控制超声波电机旋转，可使可动绕组盘4以I度为步长，在30度范围内旋转。每个定子盘中，均包含电动和发电两套绕组。电动绕组匝数较低，发电绕组匝数较高。两个定子中的两套绕组均分别串联联接。电机绕组由利兹线绕制而成。绕制完成后，放入由聚四氟乙烯材料制成的整形模中整形，然后注入环氧树脂，放入烘箱固化脱模后即得到可动绕组盘4、与固定绕组盘5。本实施例中，某转速下两定子夹角为δ/6度时，两个定子盘绕组中的反电势波形如图5所示。可见，两个反电势波形幅值相等，设均为Ε，相位差为δ度。因为为串联联接，总反电势由二者加合而成，得到总反电势幅值为[l+cos(S)]XE。可见，电机反电势系数会随着两绕组盘夹角的增大而减小。
本发明所述电机按照如下方式工作从静止状态开始，首先接通充电绕组，电机两绕组盘夹角维持O度不变，电机电磁转矩维持在受定子最大电流限制的最大值不变，转子逐渐升速；当速度受充电直流母线电压的限制，无法进一步升高时，控制超声波电机，使两绕组盘夹角按一定规律增大，电机反电势不断减小，电机转速进一步升高，直到到达最高转速，充电过程结束；然后充电绕组端口断开，放电绕组接至负载，转子受放电功率和机械损耗影响，转速迅速降低，此时控制超声波电机，使两绕组盘夹角按一定规律随电机转速降低而减小，以维持放电绕组反电势和整流后的放电直流母线电压近似不变；至绕组盘夹角为O时，放电过程结束，电机完成一次充放电周期。本实施例中轴22采用调质处理的45#钢加工而成，轴承17、23采用SKF公司的R0. 661907-2RZ型号。最高转速为7000 rpm，脉冲结束转速为6300 rpm。充电时间为20 s,充电直流母线电压为250 V，放电直流母线电压为500 V。电机可产生幅值为30 kW，持续时间为2 s的脉冲功率，放电过程中转子电压跌落小于15%，验证了该电机结构的可行性。以上图示和描述了本发明的基本原理、主要特征、工作方式和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1.一种飞轮脉冲永磁电机，包括转子盘和定子，其特征在于所述转子盘包括背铁(I)、用螺栓固定在背铁上的转子铝盘(3)以及嵌入铝盘上的槽内的永磁体(2)，所述转子盘设置三个，转子盘中的永磁体(2)均按极性均匀相间的顺序嵌入在转子铝盘(3)的槽内，所述定子包括绕组盘、绕组支座和绕组压盖；所述定子设置两个，分别设置在三个转子盘形成的两个气隙中，所述绕组盘包括可动绕组盘(4)与固定绕组盘(5)，可动绕组盘(4)与固定绕组盘(5)分别设置在两个定子上。
2.根据权利要求I所述的一种飞轮脉冲永磁电机，其特征在于所述定子通过绕组支座(6、14)安装在电机支座(13)上，所述固定绕组盘(5)由绕组压盖二(15)压紧固定在绕组支座二( 14 )内；可动绕组盘(4 )与绕组压盖一(8 )之间设置间隙，所述可动绕组盘(4 )所在的绕组支座一(6)的外缘上开有长孔(16)，所述绕组压盖一(8)在长孔对应的角度设置若干连续的齿(17)，所述可动绕组盘(4)的外表面固定有从前述长孔(16)中伸入的调节手柄(7 )，调节手柄(7 )连接至由控制器控制的伺服机构。
3.根据权利要求I所述的一种飞轮脉冲永磁电机，其特征在于所述三个转子盘同轴固联在电机轴(12)上；其中，左右两个转子盘中的转子铝盘(3)安装在对应背铁(I)的内侧；中间转子盘中的转子铝盘(3)安装在背铁(I)的两侧，所述三块背铁(I)的外缘设置均匀分布的螺纹孔(11)，所述永磁体(2 )沿轴向充磁。
4.根据权利要求I所述的一种飞轮脉冲永磁电机，其特征在于所述可动绕组盘(4)与固定绕组盘(5)包含电动、发电两套绕组；所述电动、发电两套绕组为串联联接；电动绕组的匝数小于发电绕组的匝数；充电绕组连接至充电电源；放电绕组连接至脉冲功率负载。
5.—种根据权利要求I或2所述的一种飞轮脉冲永磁电机的工作方法,其特征在于,包括以下步骤 1)充电步骤充电绕组通电，放电绕组断开，控制伺服机构通过旋转调节手柄(7)使可动绕组盘(4)沿齿(17)绕中心旋转，所述可动绕组盘(4)与固定绕组盘(5)之间的夹角不断增大，进而使电机反电势系数不断降低； 2)放电步骤放电绕组通电，充电绕组断开，控制伺服机构通过旋转调节手柄(7)使可动绕组盘(4)沿齿(17)绕中心回旋，所述可动绕组盘(4)与固定绕组盘(5)之间的夹角不断减小，进而使电机反电势系数不断增大。
6.根据权利要求I所述的一种飞轮脉冲永磁电机，其特征在于所述可动绕组盘(4)与固定绕组盘(5)由利兹线绕制而成的绕组塑封固化而成。
全文摘要
本发明公开了一种飞轮脉冲永磁电机，包括三个盘式的转子和夹在其间的一对定子。每个转子由背铁、通过螺栓固定在背铁上的转子铝盘以及嵌在铝盘槽内的永磁体组成；一对定子内各有两套绕组，低压的为充电绕组、高压的是放电绕组，两套绕组均为串联连接；所述两个绕组盘一个固定，一个可以由伺服机构驱动绕中心旋转，本发明同时公开了其工作方法。本发明无需借助复杂而又昂贵的电力电子变换装置，仅通过在充放电过程中调节两定子盘的夹角，即可在有限的充电直流母线电压下获得较高的转速，同时在放电过程中，维持放电直流母线电压近似不变。
文档编号H02K16/00GK102624172SQ20121006062
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月9日 优先权日2012年3月9日
发明者董剑宁, 金龙, 黄允凯 申请人:东南大学