定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统的制作方法

本发明涉及定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统，属于电机和电力电子技术领域。

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/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15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。

传统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，而脉冲发电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。这种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。

因此，针对以上不足，需要提供一种新的飞轮脉冲发动机系统，能适合高速运行，并简化转子结构，提高系统的可靠性。

技术实现要素：

针对现有脉冲发电机组中的脉冲发电机采用在转子上设置励磁绕组，并配置相应励磁组件的形式，造成系统可靠性低的问题，本发明提供一种定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统。

本发明的一种定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统，包括输入逆变器、输入电动/励磁机、感应发电机、输出整流器及励磁电流调节单元，

输入逆变器的输出端与输入电动/励磁机的定子绕组引出线连接，输入电动/励磁机的转子绕组引出线与感应发电机的转子绕组引出线连接，感应发电机的定子绕组引出线与输出整流器的交流输入端连接，感应发电机的定子绕组输出端连接励磁电流调节单元；

输入电动/励磁机的转子与感应发电机的转子同轴连接；输入电动/励磁机的转子绕组与感应发电机的转子绕组均为多相绕组，并且相数相同。

本发明还提供了一种定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统，包括输入逆变器、输入电动机、励磁逆变器、励磁机、感应发电机、输出整流器及励磁电流调节单元，

输入逆变器的输出端与输入电动机的定子绕组引出线连接；励磁逆变器的输出端与励磁机的定子绕组引出线连接，励磁机的转子绕组引出线与感应发电机的转子绕组引出线连接，感应发电机的定子绕组引出线与输出整流器的交流输入端连接，感应发电机的定子绕组输出端连接励磁电流调节单元；

输入电动机的转子、励磁机的转子及感应发电机的转子同轴连接；励磁机的转子绕组与感应发电机的转子绕组均为多相绕组，并且相数相同。

本发明提供了第三种定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统，包括输入逆变器、输入电动机、励磁逆变器、感应发电机、输出整流器及励磁电流调节单元，

所述感应发电机的定子上配置多套绕组，其中一套为定子励磁绕组，其它为定子功率绕组；

输入逆变器的输出端与输入电动机的定子绕组引出线连接；励磁逆变器的输出端与感应发电机的定子励磁绕组引出线连接，感应发电机的定子功率绕组引出线与输出整流器的交流输入端连接；感应发电机的定子功率绕组输出端连接励磁电流调节单元；

输入电动机的转子与感应发电机的转子同轴连接；感应发电机的转子绕组为笼型绕组，或者感应发电机的转子为实心转子。

本发明提供了第四种定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统，包括输入逆变器、感应电动/发电机、输出整流器及励磁电流调节单元，

感应电动/发电机的定子上配置多套绕组，其中一套为定子励磁绕组，其它为定子功率绕组；

输入逆变器的输出端与感应电动/发电机的定子励磁绕组引出线连接，感应电动/发电机的定子功率绕组引出线与输出整流器的交流输入端连接；感应电动/发电机的定子功率绕组输出端连接励磁电流调节单元；

感应电动/发电机的转子绕组为笼型绕组，或者感应电动/发电机的转子为实心转子。

根据以上任一项所述的定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统，还包括惯性飞轮，所述惯性飞轮与相应的感应发电机的转子同轴连接，或者与感应电动/发电机的转子同轴连接。

根据本发明的第一种定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统，

所述输入电动/励磁机与感应发电机共用一个笼型转子，输入电动/励磁机的定子与感应发电机的定子沿轴向依次同轴安装在笼型转子外周；定子与笼型转子之间为气隙；笼型转子与输入电动/励磁机定子对应的分段上设置一号笼型绕组，笼型转子与感应发电机定子对应的分段上设置二号笼型绕组。

根据本发明的第二种定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统，

所述励磁机与感应发电机共用一个笼型转子，励磁机定子与感应发电机定子沿轴向依次同轴安装固定在笼型转子外周；定子与笼型转子之间为气隙；笼型转子与励磁机定子对应的分段上设置一号笼型绕组，笼型转子与感应发电机定子对应的分段上设置二号笼型绕组。

根据本发明的第三或第四种定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统，感应发电机或感应电动/发电机的转子为实心转子，所述实心转子外表面沿轴向开窄槽，实心转子的轴向两端安装短路铜端环。

根据本发明任一项所述的定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统，所述发电机系统还相适应的择一采用以下的结构：

一)输入电动/励磁机与感应发电机共用一个圆柱形实心铁心转子，输入电动/励磁机定子与感应发电机定子沿轴向依次同轴安装在实心铁心转子外周，定子与实心铁心转子之间为气隙；

二)输入电动机、励磁机与感应发电机共用一个圆柱形实心铁心转子，输入电动机定子、励磁机定子与感应发电机定子沿轴向依次同轴安装在实心铁心转子外周，定子与实心铁心转子之间为气隙；

三)输入电动机与感应发电机共用一个圆柱形实心铁心转子，输入电动机定子与感应发电机定子沿轴向依次同轴安装在实心铁心转子外周，定子与实心铁心转子之间为气隙；

四)感应电动/发电机采用圆柱形实心铁心转子，定子在圆柱形实心铁心转子外周，定子与实心铁心转子之间为气隙。

根据本发明任一项所述的定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统，所述励磁电流调节单元采用以下方式之一实现：

一)所述励磁电流调节单元包括控制器、多相电容器组和多相可控饱和电抗器组，多相电容器组中的每一相电容器一端连接在一起，另一端与相应发电机的相应定子绕组输出端对应连接，多相电容器组和多相可控饱和电抗器组相并联，所述多相可控饱和电抗器组的直流绕组与控制器连接，多相可控饱和电抗器组的交流绕组星型连接；

二)所述励磁电流调节单元包括多相电容器组和多相开关电抗器组；多相电容器组中每一相电容器的一端连接在一起，另一端与相应发电机的相应定子绕组输出端对应连接；多相开关电抗器组包括多相电抗器组和多相交流短路开关，多相电抗器组与多相电容器组相并联，多相电抗器组中每相电抗器的一端连接在一起，并由两个电抗器串联而成，多相交流短路开关每一相的一端连接在一起，另一交流端分别对应连接在每相电抗器的两个电抗器之间；

三)所述励磁电流调节单元包括多相主电容器组、多相开关电容器组和多相开关电抗器组，多相主电容器组中每一相电容器的一端连接在一起，另一端与相应发电机的相应定子绕组输出端对应连接；多相开关电容器组与多相电容器组并联，多相开关电容器组的每一相由电容器和交流短路开关组成，所有交流短路开关的一端连接在一起；多相开关电抗器组包括多相电抗器组和多相交流短路开关组，多相电抗器组与多相开关电容器组并联，多相电抗器组中每相电抗器的一端连接在一起，并由两个电抗器串联而成，多相交流短路开关组中每一相的交流短路开关一端连接在一起，另一交流端分别对应连接在每相电抗器的两个电抗器之间。

本发明的有益效果：本发明可将飞轮与转子合二为一，从而使系统机组轴系短、功率密度和能量密度高；同时本发明的励磁绕组和电枢绕组均设置在定子上，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；并且强度高，电机的体积小、重量轻，适合高速运行；本发明通过控制励磁逆变器和励磁电流调节单元输出无功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，具有较宽的电压调节能力或宽范围变速恒压输出能力。

本发明系统结构简单、成本低、可靠性高、输出电压和频率可调，可用作大容量脉冲电源，在核聚变试验技术、等离子体和电磁发射技术等领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明具体实施方式一所述定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统的结构框图；

图2是对应于图1的电机机械连接示意图；

图3是本发明具体实施方式二所述定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统的结构框图；

图4是对应于图3的电机机械连接示意图；

图5是本发明具体实施方式三所述定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统的结构框图；

图6是对应于图5的电机机械连接示意图；

图7是本发明具体实施方式四所述定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统的结构框图；

图8是对应于图7的电机机械连接示意图；

图9是本发明第一种结构电机系统的具体实施例一；

图10是本发明第一种结构电机系统的具体实施例二；

图11是本发明第三种或第四种结构电机系统的具体实施例；

图12是励磁电流调节单元的具体实施例一；

图13是励磁电流调节单元的具体实施例二；

图14是励磁电流调节单元的具体实施例三；

图15是现有飞轮脉冲发电机系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1和图2所示，本发明的第一方面提供了一种定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统，包括输入逆变器10、输入电动/励磁机11、感应发电机12、输出整流器13及励磁电流调节单元14，

输入逆变器10的输出端与输入电动/励磁机11的定子绕组引出线连接，输入电动/励磁机11的转子绕组引出线与感应发电机12的转子绕组引出线连接，感应发电机12的定子绕组引出线与输出整流器13的交流输入端连接，感应发电机12的定子绕组输出端连接励磁电流调节单元14；

输入电动/励磁机11的转子与感应发电机12的转子同轴连接；输入电动/励磁机11的转子绕组与感应发电机12的转子绕组均为多相绕组，并且相数相同。

本实施方式中，可以通过感应发电机12的定子励磁绕组控制系统励磁无功功率。

本实施方式所述的感应发电机系统为飞轮储能系统，其中感应发电机12在运行时，需要一定的励磁无功功率。在发电过程中由于没有原动机输入，感应发电机12转速处于不断下降的状态；为维持感应发电机12功率绕组输出端电压稳定，须在其转速下降时增加励磁无功功率。本系统采用两种励磁方法相结合提供励磁无功功率，其中一部分由感应发电机12的定子励磁绕组提供，另一部分由励磁电流调节单元14提供。

励磁电流调节单元14的工作原理：励磁电流调节单元14可以采用励磁电容为系统提供一定的励磁无功功率。由于所述感应发电机12在转速变化时需要相应的改变励磁电容的大小，以达到维持输出端电压稳定的目的。因此可采用多种方法实现转速变化时对励磁电容值的改变，包括采用多组电容、电力电子开关器件、电感、可控饱和电抗器等改变励磁电容的值。在转速变化时，可通过控制开关器件的通断、导通占空比等实现对等效电容值的改变。

进一步，所述定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统还包括惯性飞轮，所述惯性飞轮与感应发电机12的转子同轴连接。

再进一步，所述输入电动/励磁机11与感应发电机12共用一个笼型转子，输入电动/励磁机11的定子与感应发电机12的定子沿轴向依次同轴安装在笼型转子外周；定子与笼型转子之间为气隙；笼型转子与输入电动/励磁机11定子对应的分段上设置一号笼型绕组，笼型转子与感应发电机12定子对应的分段上设置二号笼型绕组。

再进一步，所述发电机系统还包括以下结构：

输入电动/励磁机11与感应发电机12共用一个圆柱形实心铁心转子，输入电动/励磁机11定子与感应发电机12定子沿轴向依次同轴安装在实心铁心转子外周，定子与实心铁心转子之间为气隙。

图9是本实施方式的一种具体实施例，图中逆变器相当于输入逆变器10，整流器相当于输出整流器13，虚线左侧的结构表示输入电动/励磁机11的定子励磁绕组及对应的转子绕组，虚线右侧表示感应发电机12的定子输出绕组及对应的转子绕组；其中逆变器的输出端与输入电动/励磁机11定子绕组的引出线相连；输入电动/励磁机11转子绕组的引出线与感应发电机12的转子绕组引出线正序连接；输入电动/励磁机11的转子绕组与感应发电机12的转子绕组均为三相绕组。

本实施方式中，系统运行分为两个阶段，电动阶段与发电阶段。图9中，a、b、c为输入电动/励磁机11定子绕组，a、b、c为输入电动/励磁机11转子绕组，a’、b’、c’为感应发电机12定子绕组，a’、b’、c’为感应发电机12转子绕组。

在电动阶段，输入电动/励磁机11作为电动机运行，使同轴相连的输入电动/励磁机11与感应发电机12及飞轮加速。当系统转速达到额定转速时，系统进入发电阶段，此时，输入电动/励磁机11作为励磁机工作，励磁机定子绕组a、b、c中通入三相电流，高速旋转的励磁机转子切割气隙磁场，在励磁机转子绕组a、b、c中产生感应电动势，进而产生感应电流，由于励磁机转子与感应发电机转子机械上同轴相连，绕组电气上相连，感应发电机转子绕组a’、b’、c’中也会产生感应电流，实现了对感应发电机的励磁，在感应发电机的定子绕组a’、b’、c’产生感应电动势，接整流器后可为负载提供电流。

图10所示为本实施方式的另一种具体实施例，其与图9的不同之处在于，输入电动/励磁机11转子绕组的引出线与感应发电机12的转子绕组引出线逆序连接。

具体实施方式二、结合图3和图4所示，本发明的第二方面还提供了一种定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统，包括输入逆变器20、输入电动机21、励磁逆变器22、励磁机23、感应发电机24、输出整流器25及励磁电流调节单元26，

输入逆变器20的输出端与输入电动机21的定子绕组引出线连接；励磁逆变器22的输出端与励磁机23的定子绕组引出线连接，励磁机23的转子绕组引出线与感应发电机24的转子绕组引出线连接，感应发电机24的定子绕组引出线与输出整流器25的交流输入端连接，感应发电机24的定子绕组输出端连接励磁电流调节单元26；

输入电动机21的转子、励磁机23的转子及感应发电机24的转子同轴连接；励磁机23的转子绕组与感应发电机24的转子绕组均为多相绕组，并且相数相同。

本实施方式与具体实施方式一的不同在于：将输入电动/励磁机11分开，通过输入电动机21与励磁机23分别实现相应的功能。

进一步，所述定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统还包括惯性飞轮，所述惯性飞轮与感应发电机24的转子同轴连接。

再进一步，所述励磁机23与感应发电机24共用一个笼型转子，励磁机23定子与感应发电机24定子沿轴向依次同轴安装固定在笼型转子外周；定子与笼型转子之间为气隙；笼型转子与励磁机23定子对应的分段上设置一号笼型绕组，笼型转子与感应发电机24定子对应的分段上设置二号笼型绕组。

再进一步，所述发电机系统还包括以下结构：

输入电动机21、励磁机23与感应发电机24共用一个圆柱形实心铁心转子，输入电动机21定子、励磁机23定子与感应发电机24定子沿轴向依次同轴安装在实心铁心转子外周，定子与实心铁心转子之间为气隙。

具体实施方式三、结合图5和图6所示，本发明的第三方面还提供了一种定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统，包括输入逆变器30、输入电动机31、励磁逆变器32、感应发电机33、输出整流器34及励磁电流调节单元35，

所述感应发电机33的定子上配置多套绕组，其中一套为定子励磁绕组，其它为定子功率绕组；

输入逆变器30的输出端与输入电动机31的定子绕组引出线连接；励磁逆变器32的输出端与感应发电机33的定子励磁绕组引出线连接，感应发电机33的定子功率绕组引出线与输出整流器34的交流输入端连接；感应发电机33的定子功率绕组输出端连接励磁电流调节单元35；

输入电动机31的转子与感应发电机33的转子同轴连接；感应发电机33的转子绕组为笼型绕组，或者感应发电机33的转子为实心转子。

进一步，所述定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统还包括惯性飞轮，所述惯性飞轮与感应发电机33的转子同轴连接。

再进一步，感应发电机33的转子为实心转子，所述实心转子外表面沿轴向开窄槽，实心转子的轴向两端安装短路铜端环。

再进一步，所述发电机系统还包括以下结构：

输入电动机31与感应发电机33共用一个圆柱形实心铁心转子，输入电动机31定子与感应发电机33定子沿轴向依次同轴安装在实心铁心转子外周，定子与实心铁心转子之间为气隙。

具体实施方式四、结合图7和图8所示，本发明的第四方面还提供了一种定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统，包括输入逆变器40、感应电动/发电机41、输出整流器42及励磁电流调节单元43，感应电动/发电机41的定子上配置多套绕组，其中一套为定子励磁绕组，其它为定子功率绕组；

输入逆变器40的输出端与感应电动/发电机41的定子励磁绕组引出线连接，感应电动/发电机41的定子功率绕组引出线与输出整流器42的交流输入端连接；感应电动/发电机41的定子功率绕组输出端连接励磁电流调节单元43；

感应电动/发电机41的转子绕组为笼型绕组，或者感应电动/发电机41的转子为实心转子。

进一步，所述定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统还包括惯性飞轮，所述惯性飞轮与感应电动/发电机41的转子同轴连接。

再进一步，感应电动/发电机41的转子为实心转子，所述实心转子外表面沿轴向开窄槽，实心转子的轴向两端安装短路铜端环。

再进一步，所述感应电动/发电机41还可以采用圆柱形实心铁心转子，定子在圆柱形实心铁心转子外周，定子与实心铁心转子之间为气隙。

作为第三种具体实施方式或第四种具体实施方式的具体实施例，如图11所示，其感应发电机33或感应电动/发电机41的定子上有两套功率绕组，两套绕组之间的相位差30度电角度；感应发电机33或感应电动/发电机41的每套功率绕组的输出端都并接一个励磁电流调节单元，感应发电机33或感应电动/发电机41的每套功率绕组的引出线都与输出整流器的交流输入端相连。两个输出整流器的直流输出端并联在一起。此时，发电机转子采用鼠笼形转子。

本发明的任一实施方式中的励磁电流调节单元可以采用以下方式之一实现：

一)所述励磁电流调节单元包括控制器、多相电容器组和多相可控饱和电抗器组，多相电容器组中的每一相电容器一端连接在一起，另一端与相应发电机的相应定子绕组输出端对应连接，多相电容器组和多相可控饱和电抗器组相并联，所述多相可控饱和电抗器组的直流绕组与控制器连接，多相可控饱和电抗器组的交流绕组星型连接；

二)所述励磁电流调节单元包括多相电容器组和多相开关电抗器组；多相电容器组中每一相电容器的一端连接在一起，另一端与相应发电机的相应定子绕组输出端对应连接；多相开关电抗器组包括多相电抗器组和多相交流短路开关，多相电抗器组与多相电容器组相并联，多相电抗器组中每相电抗器的一端连接在一起，并由两个电抗器串联而成，多相交流短路开关每一相的一端连接在一起，另一交流端分别对应连接在每相电抗器的两个电抗器之间；

三)所述励磁电流调节单元包括多相主电容器组、多相开关电容器组和多相开关电抗器组，多相主电容器组中每一相电容器的一端连接在一起，另一端与相应发电机的相应定子绕组输出端对应连接；多相开关电容器组与多相电容器组并联，多相开关电容器组的每一相由电容器和交流短路开关组成，所有交流短路开关的一端连接在一起；多相开关电抗器组包括多相电抗器组和多相交流短路开关组，多相电抗器组与多相开关电容器组并联，多相电抗器组中每相电抗器的一端连接在一起，并由两个电抗器串联而成，多相交流短路开关组中每一相的交流短路开关一端连接在一起，另一交流端分别对应连接在每相电抗器的两个电抗器之间。

图12所示，为对应于所述一)的励磁电流调节单元的具体电路结构，图中qin为励磁电流调节单元输入功率，即感应发电机功率绕组输出功率；ql为励磁电流调节单元输出功率，即负载功率；qc为电容提供的无功功率，qsr为可控饱和电抗器功率，ik为控制电流，uk为控制电压。图12中通过对变量的调节实现对等效电容值的改变。

图13所示，为对应于所述二)的励磁电流调节单元的具体电路结构，与一)的主要区别在于励磁电流调节单元由三相电容器组和三相开关电抗器组构成。

图14所示，为对应于所述三)的励磁电流调节单元的具体电路结构，与一)的主要区别在于励磁电流调节单元由三相电容器组、三相开关电容器组和三相开关电抗器组构成。

本发明四个实施方式中所述的定子励磁飞轮脉冲感应发电机系统，当输入电动机转子、励磁机转子和感应发电机转子惯量足够大时，可以省略惯性飞轮。由此使飞轮与转子合二为一，机组轴系短，功率密度和能量密度高。

本发明系统在放电阶段所需能量：

w1＝pt，

其中，w1为系统发电阶段所需的能量，p为系统放电功率，t为系统发电时间。

转子在系统发电阶段释放的能量w2为：

其中j为电机转子转动惯量，ωmax为系统发电阶段最大转速时对应角速度，ωmin为系统发电阶段最小转速时对应角速度。

系统转子转动惯量jr为：

式中mr为电机转子质量，d2为转子外径。

系统中飞轮的作用是利用大惯量旋转飞轮存储的动能，为系统发电阶段提供能量。由于转子本身具有转动惯量，当w2>w1时，系统中电机转子转动惯量满足系统发电阶段要求，可以实现飞轮与转子一体化设计，此种情况，可不需要设计额外的飞轮。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。