CN116155008A - 一种极限环境自然磁悬浮开关磁阻储能飞轮电机 - Google Patents

Abstract

一种极限环境自然磁悬浮开关磁阻储能飞轮电机，涉及电机领域。本发明是为了解决现有极限环境中使用的储能系统磁悬浮电机体积大且控制难度大的问题。本发明所述的一种极限环境自然磁悬浮开关磁阻储能飞轮电机，包括同轴设置的转轴、定子和转子，定子包括同轴并沿轴向排布的三段，每段包括定子铁心和定子绕组，定子铁心上开有偶数个定子槽，每个定子槽内有2根线棒，一个定子槽中的两根线棒分别与两边相邻槽内的一根线棒串联分别构成两条支路，所有支路沿定子铁心周向均匀排布，所有支路的一端相互并联构成三相绕组的一相，所有支路的另一端相互并联作为三相绕组的中点。

Description

一种极限环境自然磁悬浮开关磁阻储能飞轮电机

技术领域

本发明属于电机领域。

背景技术

飞轮储能系统通过高速旋转的飞轮进行能量的存储，实现电能和动能的循环转换。它是一种纯物理的储能方式。飞轮储能系统的最新技术发展方向是采用磁悬浮技术，在飞轮储能系统中，轴系是动力传递的重要装置，也是飞轮能量自损耗的主要部位，影响着飞轮系统的稳定性、效率及寿命。

极限环境同样需要飞轮储能系统。例如：空间使用的电机，需要在低温条件下高转速运转，使得机械轴承寿命短，因此，要求具有悬浮能力的电机。月球表面昼夜温差极大，可达-180℃～+150℃。需要可以直接运行于该极限环境中的伺服驱动组件。例如：空间极限环境中使用的发电系统与储能系统等等。类似的，地球也有极限环境，例如：核放射性环境、极限温差环境、突发危险环境等等。突破极限温差环境的关键是：传统轴承采用负间隙来提高精度，机械轴承的热胀冷缩必然导致轴承间隙损毁、卡死或磨损。因此，都选择采用无轴承的设计来解决该难题。然而，让电机转子悬浮起来的代价非常高，通常磁悬浮电机中，磁悬浮轴承的体积占60％，而且磁悬浮轴承的控制器成本高又复杂。

发明内容

本发明是为了解决现有极限环境中使用的储能系统磁悬浮电机体积大且控制难度大的问题，现提供一种极限环境自然磁悬浮开关磁阻储能飞轮电机。

一种极限环境自然磁悬浮开关磁阻储能飞轮电机，包括同轴设置的转轴、定子和转子，定子包括同轴并沿轴向排布的三段，每段包括定子铁心和定子绕组，定子铁心上开有偶数个定子槽，每个定子槽内有2根线棒，一个定子槽中的两根线棒分别与两边相邻槽内的一根线棒串联分别构成两条支路，所有支路沿定子铁心周向均匀排布，所有支路的一端相互并联构成三相绕组的一相，所有支路的另一端相互并联作为三相绕组的中点。

进一步的，上述一种极限环境自然磁悬浮开关磁阻储能飞轮电机还包括外壳，外壳为真空腔体结构，转轴、定子和转子均位于外壳的真空腔内。

进一步的，上述转轴两端分别通过轴承与外壳相连。

进一步的，上述轴承的轴承间隙为0.1mm～0.5mm。

进一步的，上述轴承与外壳之间设有垫圈。

进一步的，上述外壳上设有电气接口。

进一步的，上述定子同轴套接在转子外部，或者，转子同轴套接在定子外部。

本发明的有益效果如下：

(1)、电机结构简单、坚固，制造工艺简单。成本低，转子仅由硅钢片叠压而成，可工作于极高转速；定子线圈为集中绕组，嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温其至强振动环境。

(2)、损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，允许有较高的温升。

(3)、转矩方向与相电流方向无关，从而可减少功率变换器的开关器件数，降低系统成本。

(4)、功率变换器不会出现直通故障，可靠性高。

(5)、起动转矩大，低速性能好，无异步电动机在起动时所出现的冲击电流现象。

(6)、调速范围宽，控制灵活，易于实现各种待殊要求的转矩——速度特性。

(7)、在宽广的转速和功率范围内都具有高效率。

(8)、能四象限运行，具有较强的再生制动能力。

综上所述，本发明突破了极限温差环境应用难题，消除了极限环境中机械轴承因热胀冷缩导致轴承间隙损毁、卡死或磨损的难题。本发明能够在空间极限环境中大型机械设备中使用，特别是空间极限环境中的储能飞轮系统中使用。也能够用于地球极限环境例如：核放射性环境、极限温差环境、突发危险环境等等。

附图说明

图1为内转子开关磁阻电机结构示意图；

图2为外转子开关磁阻电机结构示意图；

图3为传统开关磁阻电机的磁场仿真图，其中(a)表示定子、转子的齿与槽对齐，(b)表示定子、转子的齿与槽错开；

图4为本发明开关磁阻电机的磁场仿真图，其中(a)表示定子、转子的齿与槽对齐，(b)表示定子、转子的齿与槽错开；

图5为开关磁阻电机的电感变化率曲线图；

图6为定子绕组的连接结构示意图；

图7为开关磁阻电机的径向剖视图；

图8为开关磁阻电机的轴向剖视图。

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它实施例，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。

具体实施方式一：参照图1至图8具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种极限环境自然磁悬浮开关磁阻储能飞轮电机，包括同轴设置的转轴、定子、转子3、外壳5。

所述外壳5为真空腔体结构，所述转轴、定子和转子3均位于外壳5的真空腔6内。自然磁悬浮飞轮电机被外侧真空腔体包围，所述真空腔体位于飞轮电机外，真空腔体将飞轮电机密封于其中。所述飞轮电机为内转子飞轮电机，其飞轮转子可以提供动量。转轴两端分别通过轴承4与外壳5相连。所述外壳5上设有电气接口8。所述轴承4与所述外壳5之间设有垫圈7。

所述轴承4的轴承间隙为0.1mm～0.5mm，能够有效消除极限环境中附加轴承4因热胀冷缩导致轴承间隙损毁、卡死或磨损问题。本实施方式能够在空间极限环境中大型机械设备中使用，电机工作温度±180℃。所述定子包括同轴并沿轴向排布的三段，每相绕组专用一段铁心，绕组的绕法一致。具体的，每段包括定子铁心1和定子绕组2。所述定子铁心1上开有16个定子槽，每相绕组可以从16个方向对电机的径向偏移产生恢复力。因此每相绕组都可以形成沿圆周中心对称分布的绕组，且可以产生中心对称的力偶力矩，三段定子铁心互相错位120°电角度。具体的电路结构为：每个定子槽内有2根线棒，一个定子槽中的两根线棒分别与两边相邻槽内的一根线棒串联分别构成两条支路，所有支路沿定子铁心1周向均匀排布，所有支路的一端相互并联构成三相绕组的一相，所有支路的另一端相互并联作为三相绕组的中点。

本实施方式中，定子分为轴向的三段，分为别飞轮电机的UVW三相。如图6所示，其中：1、3、5、7、9、11、13、15槽绕组端口并联分别形成U、V、W各自的三相绕组端口。其中：2、4、6、8、10、12、14、16槽绕组端口并联分别形成U、V、W各自的三相绕组的中点端口O。U、V、W三相绕组的每相独立绕组都有8对相互镜像对称分布的绕组的并联；再将三相绕组的中点端口O并联，最终形成U、V、W三相绕组。

定子铁心与转子铁心之间存在吸引力，由于轴承4的作用，保持了定子与转子之间的气隙相等，吸引力沿圆周处处相等，轴承使得电机气隙内的径向吸引力处处相等而且互相抵消。如果同一直径两端的气隙存在偏差，转子体就会被吸向气隙小的一侧，而气隙小的一侧并联支路的反电势(或变压器电势)必然变大，电流变小；相反，气隙大的一侧并联支路的反电势(或变压器电势)变小，电流变大，于是气隙大的一侧径向拉力变大，气隙小的一侧径向拉力变小，必然导致气隙向偏差变小的方向变化，并且使气隙偏差稳定下来。对于开关磁阻电机而言，即使电机处于启动状态，还没有旋转起来时，变压器电势，也即感应电势已经存在，所以，本实施方式拥有完整的径向自然磁悬浮恢复对中的能力。由于开关磁阻电机不存在永磁干扰力，更加有利于实现高精度自然电磁磁悬浮。采用附加轴承后能够，可以适应大负载和全天候极限环境。最大电感/最小电感＝21.25(比传统大得多)，电感端部变化率减小，降低噪音，电机功率密度大幅提高，性能超过永磁电机。

定子同轴套接在转子3外部，或者，转子3同轴套接在定子外部。图1是内转子电机，外定子分成三段。图2是外转子电机，内定子分成三段。

本实施方式的最大电感Lmax与最小电感Lmin的比值高达6～8，而传统开关磁阻电机只能达到2.5左右。由于开关磁阻电机电感比大，电机的输出力矩大，也即电机的功率密度就大。开关磁阻电机的原理不仅仅使得它可以四象限运行，甚至可以通过调整导通角，非常简便地实现发电机状态下的输出电压的稳压调整。且开关磁阻电机结构最为坚固，是空间极限环境中运行的储能飞轮的理想电机。

本实施方式定子分段，及齿槽比配合，与传统开关磁阻电机比较，磁路长度大幅度缩短，

的为力矩区大幅度缩小。使得本实施方式能够大幅度提高电机功率密度，提高效率。本实施方式力矩波动和噪声水平与永磁电机、感应电机相当。电机及其驱动器简单，制造成本可降低30％以上。本实施方式定子分段独立绕组，使得电机分段数量提高3倍，每槽导体匝数提高3倍，磁悬浮恢复力大幅度提高9倍。

开关磁阻电机效率曲线在125-50％额定转速范围内和在50-300％额定扭矩范围内，效率不低于82％，最高效率92％。永磁无刷电机在转速降低到额定的50％时，效率一般也降低到50％或者以下。本发明开关磁阻电机30％的额定电流能达到额定扭矩的150％。

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它所述实施例中。

Claims (8)

1.一种极限环境自然磁悬浮开关磁阻储能飞轮电机，包括同轴设置的转轴、定子和转子(3)，其特征在于，

所述定子包括同轴并沿轴向排布的三段，每段包括定子铁心(1)和定子绕组(2)，所述定子铁心(1)上开有偶数个定子槽，每个定子槽内有2根线棒，一个定子槽中的两根线棒分别与两边相邻槽内的一根线棒串联分别构成两条支路，所有支路沿定子铁心(1)周向均匀排布，所有支路的一端相互并联构成三相绕组的一相，所有支路的另一端相互并联作为三相绕组的中点。

2.根据权利要求1所述的一种极限环境自然磁悬浮开关磁阻储能飞轮电机，其特征在于，还包括外壳(5)，所述外壳(5)为真空腔体结构，所述转轴、定子和转子(3)均位于外壳(5)的真空腔(6)内。

3.根据权利要求2所述的一种极限环境自然磁悬浮开关磁阻储能飞轮电机，其特征在于，转轴两端分别通过轴承(4)与外壳(5)相连。

4.根据权利要求3所述的一种极限环境自然磁悬浮开关磁阻储能飞轮电机，其特征在于，所述轴承(4)的轴承间隙为0.1mm～0.5mm。

5.根据权利要求3或4所述的一种极限环境自然磁悬浮开关磁阻储能飞轮电机，其特征在于，所述轴承(4)与所述外壳(5)之间设有垫圈(7)。

6.根据权利要求2所述的一种极限环境自然磁悬浮开关磁阻储能飞轮电机，其特征在于，所述外壳(5)上设有电气接口(8)。

7.根据权利要求1所述的一种极限环境自然磁悬浮开关磁阻储能飞轮电机，其特征在于，定子同轴套接在转子(3)外部。

8.根据权利要求1所述的一种极限环境自然磁悬浮开关磁阻储能飞轮电机，其特征在于，转子(3)同轴套接在定子外部。

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