定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统的制作方法

本发明属于电机领域。

背景技术：

飞轮脉冲发电机是利用轴系的大惯量存储能量、同轴电动以及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。

现有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，而脉冲发动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。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的脉冲发电机组功率密度低、能量密度低、体积重量大的问题，提出了定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统。

本发明所述的第一种定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统包括输入逆变器、输入电动机、励磁电源、定子励磁磁阻电机、输出整流器、多相励磁电容器组和惯性飞轮；

输入逆变器的输出端与输入电动机的定子绕组的引出线相连；励磁电源的输出端与定子励磁磁阻电机的励磁绕组引出线连接在一起，定子励磁磁阻电机的多相电枢绕组引出线与输出整流器的交流输入端相连，定子励磁磁阻电机的多相电枢绕组的输出端并接多相励磁电容器组；

输入电动机的转子、定子励磁磁阻电机的转子与惯性飞轮同轴连接。

本发明所述的第二种定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统包括输入逆变器、输入电动机、励磁电源、定子励磁磁阻电机、输出整流器、多相励磁电容器组和惯性飞轮；

输入逆变器的输出端与输入电动机定子绕组的引出线相连；励磁电源的输出端与定子励磁磁阻电机的励磁绕组引出线连接在一起，定子励磁磁阻电机的每相电枢绕组的两个输出端分别与一个单相整流器的两个交流输入端相连，同时，在定子励磁磁阻电机的每相电枢绕组的两个输出端并联一个励磁电容器；各相电枢绕组输出端所接输出整流器的直流输出端并联在一起；

输入电动机的转子、定子励磁磁阻电机的转子与惯性飞轮同轴连接。

本发明所述的第三种定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统输入逆变器、输入永磁交流电动机、定子励磁磁阻电机、输出整流器、多相励磁电容器组和惯性飞轮；

输入逆变器的输出端与输入永磁交流电动机定子绕组的引出线相连；输入逆变器的直流母线正负极输出端与定子励磁磁阻电机的励磁绕组引出线连接在一起，定子励磁磁阻电机的多相电枢绕组引出线与输出整流器的交流输入端相连，定子励磁磁阻电机的多相电枢绕组的输出端并接多相励磁电容器组；

输入永磁交流电动机的转子、定子励磁磁阻电机的转子与惯性飞轮同轴连接。

本发明的有益效果是发电机采用定子励磁，采用多相励磁电容器组进行气隙磁场补偿，保证发电机在负载及转速变化状态下输出电压保持恒定。转子采用叠片铁心，结构简单、强度高，电机的体积小、重量轻，适合高速运行；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；励磁绕组和电枢绕组均在定子上，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；通过控制励磁电源输出励磁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，励磁电源容量小，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为背景技术中常用飞轮脉冲发电机系统的结构框图；

图2为具体实施方式一所述的定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统结构框图；

图3为具体实施方式一和二中电机机械连接示意图；

图4为具体实施方式二所述的定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统连接框图；

图5为具体实施方式三所述的定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统结构框图；

图6为具体实施方式三中电机机械连接示意图；

图7为具体实施方式四中定子励磁磁阻电机的结构示意图；

图8为具体实施方式五中定子励磁磁阻电机的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统包括输入逆变器1-1、输入电动机1-2、励磁电源1-3、定子励磁磁阻电机1-4、输出整流器1-5、多相励磁电容器组1-6和惯性飞轮；

输入逆变器1-1的输出端与输入电动机1-2的定子绕组的引出线相连；励磁电源1-3的输出端与定子励磁磁阻电机1-4的励磁绕组引出线连接在一起，定子励磁磁阻电机1-4的多相电枢绕组引出线与输出整流器1-5的交流输入端相连，定子励磁磁阻电机1-4的多相电枢绕组的输出端并接多相励磁电容器组1-6；

输入电动机1-2的转子、定子励磁磁阻电机1-4的转子与惯性飞轮同轴连接。

具体实施方式二：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式所述的一种定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统包括输入逆变器2-1、输入电动机2-2、励磁电源2-3、定子励磁磁阻电机2-4、输出整流器2-5、多相励磁电容器组2-6和惯性飞轮；

输入逆变器2-1的输出端与输入电动机2-2定子绕组的引出线相连；励磁电源2-3的输出端与定子励磁磁阻电机2-4的励磁绕组引出线连接在一起，定子励磁磁阻电机2-4的每相电枢绕组的两个输出端分别与一个单相整流器2-5的两个交流输入端相连，同时，在定子励磁磁阻电机2-4的每相电枢绕组的两个输出端并联一个励磁电容器2-6；各相电枢绕组输出端所接输出整流器2-5的直流输出端并联在一起；

输入电动机2-2的转子、定子励磁磁阻电机2-4的转子与惯性飞轮同轴连接。

具体实施方式三：结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式所述的一种定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统包括输入逆变器3-1、输入永磁交流电动机3-2、定子励磁磁阻电机3-3、输出整流器3-4、多相励磁电容器组3-5和惯性飞轮；

输入逆变器3-1的输出端与输入永磁交流电动机3-2定子绕组的引出线相连；输入逆变器3-1的直流母线正负极输出端与定子励磁磁阻电机3-3的励磁绕组引出线连接在一起，定子励磁磁阻电机3-3的多相电枢绕组引出线与输出整流器3-4的交流输入端相连，定子励磁磁阻电机3-3的多相电枢绕组的输出端并接多相励磁电容器组3-5；

输入永磁交流电动机3-2的转子、定子励磁磁阻电机3-3的转子与惯性飞轮同轴连接。

具体实施方式四：结合图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一、二或三所述的定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统进一步限定，在本实施方式中，定子励磁磁阻电机包括定子和转子11；

定子包括定子铁心12、多相电枢绕组14和励磁绕组13；在定子铁心12上沿轴向开有k个主槽，从而形成k个主磁极；主槽和主磁极沿圆周方向依次交替排列，其中，k为大于等于3的正整数；在每个主磁极上绕有一个励磁线圈，k个主磁极上的所有励磁线圈联结构成励磁绕组13；在每个主磁极气隙侧表面，沿轴向开有次槽，并且形成定子齿；定子齿和次槽沿圆周方向依次交替排列，多相电枢绕组嵌放在次槽中；转子11包括转轴和转子铁心；在转子铁心外表面沿轴向开有转子槽，并且形成转子齿；转子齿和转子槽沿圆周方向依次交替排列。

在本实施方式中，在定子铁心12上沿轴向开有4个主槽，从而形成4个主磁极；4个主磁极和4个大槽沿圆周方向依次交替排列；在每个主磁极上绕有1个励磁线圈，4个主磁极上的所有励磁线圈联结成励磁绕组13；在每个主磁极气隙侧表面，沿轴向开有2个次槽，并且形成3个定子齿；3个定子齿和2个次槽沿圆周方向依次交替排列，三相电枢绕组14为集中绕组，每相绕组的各个线圈都绕在1个小齿上。

具体实施方式五：结合图8说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一、二或三所述的定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统进一步限定，在本实施方式中，定子励磁磁阻电机包括定子和转子21；

定子主要由定子铁心22、多相电枢绕组24和励磁绕组23；在定子铁心22上沿轴向开有n个主槽，从而形成n个主磁极；主磁极和主槽沿圆周方向依次交替排列，其中，n为大于等于3的正整数；在每个主磁极上绕有一个励磁线圈，n个主磁极上的所有励磁线圈联结构成励磁绕组23；在每个主磁极气隙侧表面，沿轴向开有次槽，并且形成定子齿；定子齿和次槽沿圆周方向依次交替排列，多相电枢绕组为分布绕组，每相绕组的各个线圈边嵌放在主槽或次槽中；在转子铁心外表面沿轴向开有转子槽，并且形成转子齿；转子齿和转子槽沿圆周方向依次交替排列。

在本实施方式中，在定子铁心22上沿轴向开有8个主槽，从而形成8个主磁极；8个主磁极和8个大槽沿圆周方向依次交替排列；在每个主磁极上绕有1个励磁线圈，8个主磁极上的所有励磁线圈联结成励磁绕组23；在每个主磁极气隙侧表面，沿轴向开有2个次槽，并且形成3个定子齿；3个定子齿和2个次槽沿圆周方向依次交替排列，三相电枢绕组24为分布绕组，每相绕组的各个线圈边嵌放在主槽或次槽中。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统进一步限定，在本实施方式中，输入电动机为多相永磁磁阻电机，该多相永磁磁阻电机包括定子和转子，并且定子和转子设有气隙；

定子包括定子铁心、定子绕组和永磁体；转子包括转子铁心和转轴；该转子与定子励磁磁阻电机的转子结构相同，二者同轴；在定子铁心上沿轴向开槽，形成的齿、槽沿圆周方向依次交替排列，m相对称定子绕组嵌放在定子铁心槽中，m为大于等于3的正整数；永磁体为瓦片形或平板形，粘贴固定在每个定子铁心齿表面上；永磁体径向充磁或径向平行充磁，每相邻的m相j个齿上永磁体的充磁方向相同，该m相j个齿上永磁体的充磁方向与其两侧相邻的m相j个齿上永磁体的充磁方向相反，其中，j为定子铁心上主磁极的个数，并且j为大于等于3的正整数。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统进一步限定，励磁电源输出的励磁电流为直流、方波交流或正弦波交流。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式三所述的定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统进一步限定，在本实施方式中，输入永磁交流电动机3-2在定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统进行机械能存储时，工作在电动机状态，在定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统向负载输出电能时，工作在发电机状态，通过输入逆变器3-1向定子励磁磁阻电机3-3的励磁绕组提供直流励磁电流。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式三所述的定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统进一步限定，在本实施方式中，输入永磁交流电动机3-2为永磁同步电动机或永磁磁阻电动机。

具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式三所述的定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统进一步限定，在本实施方式中，输入逆变器3-1在定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统进行机械能存储时，工作在逆变状态，在定子励磁飞轮脉冲磁阻发电机系统向负载输出电能时，工作在可控整流状态。