專利名稱：一種飛輪脈沖永磁電機(jī)及工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種飛輪脈沖永磁電機(jī)，具體涉及一種采用機(jī)械方式控制電機(jī)主磁場的軸向磁通飛輪脈沖永磁電機(jī)，同時本發(fā)明公開了其工作方法，屬于電機(jī)設(shè)計、制造和控制技術(shù)領(lǐng)域
背景技術(shù)：
脈沖電源為現(xiàn)代軍事、航空、航天、激光、核工業(yè)、交通、醫(yī)療、材料等諸多重要領(lǐng)域所必需，僅就現(xiàn)代新概念電磁武器而言，百分之八十以上都需要采用脈沖電源，因此從其產(chǎn)生到如今的五十年中，它所涉及的相關(guān)理論和技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，并正在成為一門新興的科學(xué)技術(shù)。飛輪脈沖電機(jī)是一種基于飛輪儲能系統(tǒng)的脈沖電源。充電時，電機(jī)作電動機(jī)用，驅(qū)動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽軆Υ?；放電時，電機(jī)作發(fā)電機(jī)用，飛輪減速并驅(qū)動電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，動能轉(zhuǎn)換成電能。與基于電場、磁場或者化學(xué)方式儲能的脈沖電源相比，飛輪脈沖電機(jī)具有體積小、功率密度大、效率高、響應(yīng)速度快、可快速充放電、循環(huán)次數(shù)多、使用壽命長等許多優(yōu)點(diǎn)。但其放電過程受機(jī)電時間常數(shù)的影響，不能太快，因此特別適用于脈沖幅值較小但脈沖寬度較長的場合。飛輪脈沖電機(jī)目前主要應(yīng)用于電磁飛機(jī)彈射系統(tǒng)。憑借其在結(jié)構(gòu)和功率密度上的優(yōu)勢，采用軸向磁通結(jié)構(gòu)的飛輪脈沖永磁電機(jī)在這一場合備受青睞。1995年，供職于海軍航空兵作戰(zhàn)中心的Doyle等人在發(fā)表于《IEEE Transaction on Magnetics》的((Electromagnetic Aircraft Launch System - EMALS))一文中介紹了一種米用磁通結(jié)構(gòu)的飛輪脈沖永磁電機(jī)。這一電機(jī)采用轉(zhuǎn)子兼做飛輪、定子上包括低壓充電和高壓放電兩套繞組，通過周波變換器控制電機(jī)充放電。但這種電機(jī)存在鐵耗較大的問題。隨后，Swett等人在〈〈Flywheel charging module for energy storage used in electromagnetic aircraftlaunch system)) 一文中，介紹了一種軸向磁通的定子無槽、背鐵與轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)的改進(jìn)結(jié)構(gòu)。采用這種結(jié)構(gòu)的飛輪脈沖電機(jī)在提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率密度的同時，降低了電機(jī)的鐵耗。但采用這一結(jié)構(gòu)的電機(jī)交直軸電感很小，無法使用電力電子的方法進(jìn)行增磁或弱磁控制，這就意味著電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速受到充電電力系統(tǒng)電壓水平的限制，放電電壓也會隨著放電深度的增加不斷降低。除此以外，美國專利US 5，721，461A、US 6，750，588 BI也公開了類似結(jié)構(gòu)的電機(jī)，也存在上述的問題。目前國內(nèi)在這種飛輪脈沖電機(jī)方面的研究還比較少。中國發(fā)明專利申請CN1063384、CN 1253406、CN 101145725、CN 101291098、CN 101814818A 所涉及的脈沖電機(jī)均為補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)，這種電機(jī)的目標(biāo)負(fù)載是諸如電磁炮和強(qiáng)磁場發(fā)生裝置等需要極高幅值、極短放電脈沖寬度的脈沖負(fù)載，與本發(fā)明所涉及的飛輪脈沖電機(jī)有明顯的區(qū)別。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時鐵耗較大、最高轉(zhuǎn)速受充電電力系統(tǒng)電壓水平的限制、放電電壓跌落等問題。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種飛輪脈沖永磁電機(jī)，在解決鐵耗過大問題的同時，保留電機(jī)的增/弱磁控制能力。同時本發(fā)明公開了其工作方法。技術(shù)方案為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的
一種飛輪脈沖永磁電機(jī)，包括轉(zhuǎn)子盤和定子，所述轉(zhuǎn)子盤包括背鐵、用螺栓固定在背鐵上的開槽鋁盤以及嵌入鋁盤上的槽內(nèi)的永磁體，所述轉(zhuǎn)子盤設(shè)置三個，轉(zhuǎn)子盤中的永磁體均按極性均勻相間的 順序嵌入在鋁盤的槽內(nèi)，所述定子包括繞組盤、繞組支座和繞組壓蓋；所述定子設(shè)置兩個，分別設(shè)置在三個轉(zhuǎn)子盤形成的兩個氣隙中，所述繞組盤包括可動繞組盤與固定繞組盤，可動繞組盤與固定繞組盤分別設(shè)置在兩個定子上。所述定子通過繞組支座安裝在電機(jī)支座上，所述固定繞組盤由繞組壓蓋三壓緊固定在繞組支座二內(nèi)；可動繞組盤與繞組壓蓋一之間設(shè)置間隙，所述可動繞組盤所在的繞組支架一的外緣上開有長孔，所述繞組壓蓋一在長孔對應(yīng)的角度設(shè)置若干連續(xù)的齒，所述可動繞組盤的外表面固定有從前述長孔中伸入的調(diào)節(jié)手柄，調(diào)節(jié)手柄連接至由控制器控制的伺服機(jī)構(gòu)。所述三個轉(zhuǎn)子盤同軸固聯(lián)在電機(jī)軸上；左右兩個轉(zhuǎn)子盤中的轉(zhuǎn)子鋁盤安裝在對應(yīng)背鐵的內(nèi)側(cè)；中間轉(zhuǎn)子盤中的轉(zhuǎn)子鋁盤安裝在背鐵的兩側(cè)，所述三塊背鐵的外緣設(shè)置均勻分布的螺紋孔，所述永磁體沿軸向充磁。所述可動繞組盤與固定繞組盤包含電動、發(fā)電兩套繞組，所述電動、發(fā)電兩套繞組為串聯(lián)聯(lián)接，電動繞組的匝數(shù)小于發(fā)電繞組的匝數(shù)；充電繞組連接至充電電源；放電繞組連接至脈沖功率負(fù)載。一種飛輪脈沖永磁電機(jī)的工作方法，包括以下步驟
1)充電步驟充電繞組通電，放電繞組斷開，控制伺服機(jī)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手柄使可動繞組盤沿齒繞中心旋轉(zhuǎn)，所述可動繞組盤與固定繞組盤之間的夾角不斷增大，進(jìn)而使電機(jī)反電勢系數(shù)不斷降低；
2)放電步驟放電繞組通電，充電繞組斷開，控制伺服機(jī)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手柄使可動繞組盤沿齒繞中心回旋，所述可動繞組盤與固定繞組盤之間的夾角不斷減小，進(jìn)而使電機(jī)反電勢系數(shù)不斷增大。所述可動繞組盤與固定繞組盤由利茲線繞制而成的繞組塑封固化而成。有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)
I、本發(fā)明采用定子無鐵心結(jié)構(gòu)，消除了定子中高速旋轉(zhuǎn)的磁場引起的定子鐵耗。定子繞組采用利茲線繞制，極大地降低了繞組的渦流損耗。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有較高的充放電效率。2、本發(fā)明采用雙定子結(jié)構(gòu)，且其中一個定子繞組盤可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)。通過在充放電過程中按一定規(guī)律調(diào)整兩繞組盤夾角解決了無鐵心電機(jī)無法增/弱磁控制的問題。無需引入復(fù)雜昂貴的電力電子變換裝置，即可使電機(jī)能夠在有限的充電電壓下獲得較高的轉(zhuǎn)速，同時在放電過程中維持放電電壓近似不變。


圖I為本發(fā)明的側(cè)視 圖2為本發(fā)明沿A-A方向的剖視圖；
圖3為安裝好永磁體后轉(zhuǎn)子鋁盤的示意 圖4為可動繞組盤所在定子的爆炸 圖5為兩個電機(jī)定子繞組中的反電勢串聯(lián)相加的示意圖。圖中各標(biāo)號1、背鐵，2、永磁體，3、轉(zhuǎn)子鋁盤，4、可動繞組盤，5、固定繞組盤，6、繞組支座一，7、調(diào)節(jié)手柄，8、繞組壓蓋一，9、軸承，10、皮帶輪，11、螺紋孔，12、軸，13、電機(jī)支座，14、繞組支座二，15、繞組壓蓋二，16、長孔，17、齒。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步闡述
實施例I
參見圖I和圖2，本發(fā)明為一種飛輪脈沖永磁電機(jī)，包括三個轉(zhuǎn)子盤、兩個定子、軸12、軸承9、電機(jī)支座13以及小皮帶輪10。所述左側(cè)的轉(zhuǎn)子盤由背鐵I、用螺栓固定在背鐵上的轉(zhuǎn)子鋁盤以及永磁體2組成，12個軸向充磁的扇形永磁體2按照圖3所示的方式N-S相間地嵌在轉(zhuǎn)子鋁盤3上均勻開布的槽內(nèi)。裝好永磁體的轉(zhuǎn)子鋁盤3用螺栓固定在背鐵I上。中間轉(zhuǎn)子和右轉(zhuǎn)子按照相同的方式組裝而成，唯一不同的是中間的背鐵I兩側(cè)均裝有永磁體2和轉(zhuǎn)子鋁盤3。不同轉(zhuǎn)子盤中，相對的兩塊永磁體2充磁方向一致。中間轉(zhuǎn)子中，相對的兩永磁體2充磁方向相反。每塊背鐵的外緣上沿軸上都均勻開有24個小螺紋孔11，這些螺紋孔可以用來填充配重以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子動平衡，也可以在將來系統(tǒng)升級時，用來安裝增重飛輪。三個轉(zhuǎn)子與軸12固聯(lián)在一起。軸12左端伸出一部分，為安裝轉(zhuǎn)角傳感器預(yù)留了空間；右端裝有的小皮帶輪10，是為方便測試階段進(jìn)行對拖實驗用的，產(chǎn)品定型后可去除。由軸12以及三個轉(zhuǎn)子構(gòu)成的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)通過軸承9安裝在電機(jī)支座13上。兩個定子安插在三個轉(zhuǎn)子盤中間形成的兩個氣隙中，并通過螺栓和繞組支座6、14固聯(lián)在電機(jī)支座13上。每個定子均包括繞組支座、繞組盤和繞組壓蓋。所述繞組盤分為可動繞組盤4與固定繞組盤5，本發(fā)明中，所述可動繞組盤4設(shè)置于左定子，所述固定繞組盤5設(shè)置于右定子。圖4給出了左定子的結(jié)構(gòu)爆炸示意圖。其中，繞組支座6外緣上開有一跨30度的長孔16?？蓜永@組盤4安裝在繞組支座6、繞組壓蓋一 8形成的空腔內(nèi)，但繞組壓蓋一 8并未壓緊。調(diào)節(jié)手柄7由繞組支座6外表面的長孔24伸入，由螺栓固定在繞組盤外表面。繞組壓蓋一 8在長孔24對應(yīng)的位置沿周向開有30個齒17，調(diào)節(jié)手柄7上安裝的細(xì)桿卡在齒17內(nèi)，起到了固定作用。這樣，繞組盤6就可以在調(diào)節(jié)手柄7的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動。右定子結(jié)構(gòu)與之類似，只是固定繞組盤5上未安裝調(diào)節(jié)手柄，且由繞組壓蓋15壓緊固定在繞組支座14上。本實施例中，調(diào)節(jié)手柄7連接至由超聲波電機(jī)和杠桿組成的伺服機(jī)構(gòu)?？刂瞥暡姍C(jī)旋轉(zhuǎn)，可使可動繞組盤4以I度為步長，在30度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。每個定子盤中，均包含電動和發(fā)電兩套繞組。電動繞組匝數(shù)較低，發(fā)電繞組匝數(shù)較高。兩個定子中的兩套繞組均分別串聯(lián)聯(lián)接。電機(jī)繞組由利茲線繞制而成。繞制完成后，放入由聚四氟乙烯材料制成的整形模中整形，然后注入環(huán)氧樹脂，放入烘箱固化脫模后即得到可動繞組盤4、與固定繞組盤5。本實施例中，某轉(zhuǎn)速下兩定子夾角為δ/6度時，兩個定子盤繞組中的反電勢波形如圖5所示?？梢姡瑑蓚€反電勢波形幅值相等，設(shè)均為Ε，相位差為δ度。因為為串聯(lián)聯(lián)接，總反電勢由二者加合而成，得到總反電勢幅值為[l+cos(S)]XE?？梢姡姍C(jī)反電勢系數(shù)會隨著兩繞組盤夾角的增大而減小。
本發(fā)明所述電機(jī)按照如下方式工作從靜止?fàn)顟B(tài)開始，首先接通充電繞組，電機(jī)兩繞組盤夾角維持O度不變，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩維持在受定子最大電流限制的最大值不變，轉(zhuǎn)子逐漸升速；當(dāng)速度受充電直流母線電壓的限制，無法進(jìn)一步升高時，控制超聲波電機(jī)，使兩繞組盤夾角按一定規(guī)律增大，電機(jī)反電勢不斷減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高，直到到達(dá)最高轉(zhuǎn)速，充電過程結(jié)束；然后充電繞組端口斷開，放電繞組接至負(fù)載，轉(zhuǎn)子受放電功率和機(jī)械損耗影響，轉(zhuǎn)速迅速降低，此時控制超聲波電機(jī)，使兩繞組盤夾角按一定規(guī)律隨電機(jī)轉(zhuǎn)速降低而減小，以維持放電繞組反電勢和整流后的放電直流母線電壓近似不變；至繞組盤夾角為O時，放電過程結(jié)束，電機(jī)完成一次充放電周期。本實施例中軸22采用調(diào)質(zhì)處理的45#鋼加工而成，軸承17、23采用SKF公司的R0. 661907-2RZ型號。最高轉(zhuǎn)速為7000 rpm，脈沖結(jié)束轉(zhuǎn)速為6300 rpm。充電時間為20 s,充電直流母線電壓為250 V，放電直流母線電壓為500 V。電機(jī)可產(chǎn)生幅值為30 kW，持續(xù)時間為2 s的脈沖功率，放電過程中轉(zhuǎn)子電壓跌落小于15%，驗證了該電機(jī)結(jié)構(gòu)的可行性。以上圖示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征、工作方式和優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求
1.一種飛輪脈沖永磁電機(jī)，包括轉(zhuǎn)子盤和定子，其特征在于所述轉(zhuǎn)子盤包括背鐵(I)、用螺栓固定在背鐵上的轉(zhuǎn)子鋁盤(3)以及嵌入鋁盤上的槽內(nèi)的永磁體(2)，所述轉(zhuǎn)子盤設(shè)置三個，轉(zhuǎn)子盤中的永磁體(2)均按極性均勻相間的順序嵌入在轉(zhuǎn)子鋁盤(3)的槽內(nèi)，所述定子包括繞組盤、繞組支座和繞組壓蓋；所述定子設(shè)置兩個，分別設(shè)置在三個轉(zhuǎn)子盤形成的兩個氣隙中，所述繞組盤包括可動繞組盤(4)與固定繞組盤(5)，可動繞組盤(4)與固定繞組盤(5)分別設(shè)置在兩個定子上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種飛輪脈沖永磁電機(jī)，其特征在于所述定子通過繞組支座(6、14)安裝在電機(jī)支座(13)上，所述固定繞組盤(5)由繞組壓蓋二(15)壓緊固定在繞組支座二( 14 )內(nèi)；可動繞組盤(4 )與繞組壓蓋一(8 )之間設(shè)置間隙，所述可動繞組盤(4 )所在的繞組支座一(6)的外緣上開有長孔(16)，所述繞組壓蓋一(8)在長孔對應(yīng)的角度設(shè)置若干連續(xù)的齒(17)，所述可動繞組盤(4)的外表面固定有從前述長孔(16)中伸入的調(diào)節(jié)手柄(7 )，調(diào)節(jié)手柄(7 )連接至由控制器控制的伺服機(jī)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種飛輪脈沖永磁電機(jī)，其特征在于所述三個轉(zhuǎn)子盤同軸固聯(lián)在電機(jī)軸(12)上；其中，左右兩個轉(zhuǎn)子盤中的轉(zhuǎn)子鋁盤(3)安裝在對應(yīng)背鐵(I)的內(nèi)側(cè)；中間轉(zhuǎn)子盤中的轉(zhuǎn)子鋁盤(3)安裝在背鐵(I)的兩側(cè)，所述三塊背鐵(I)的外緣設(shè)置均勻分布的螺紋孔(11)，所述永磁體(2 )沿軸向充磁。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種飛輪脈沖永磁電機(jī)，其特征在于所述可動繞組盤(4)與固定繞組盤(5)包含電動、發(fā)電兩套繞組；所述電動、發(fā)電兩套繞組為串聯(lián)聯(lián)接；電動繞組的匝數(shù)小于發(fā)電繞組的匝數(shù)；充電繞組連接至充電電源；放電繞組連接至脈沖功率負(fù)載。
5.—種根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種飛輪脈沖永磁電機(jī)的工作方法,其特征在于,包括以下步驟 1)充電步驟充電繞組通電，放電繞組斷開，控制伺服機(jī)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手柄(7)使可動繞組盤(4)沿齒(17)繞中心旋轉(zhuǎn)，所述可動繞組盤(4)與固定繞組盤(5)之間的夾角不斷增大，進(jìn)而使電機(jī)反電勢系數(shù)不斷降低； 2)放電步驟放電繞組通電，充電繞組斷開，控制伺服機(jī)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手柄(7)使可動繞組盤(4)沿齒(17)繞中心回旋，所述可動繞組盤(4)與固定繞組盤(5)之間的夾角不斷減小，進(jìn)而使電機(jī)反電勢系數(shù)不斷增大。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種飛輪脈沖永磁電機(jī)，其特征在于所述可動繞組盤(4)與固定繞組盤(5)由利茲線繞制而成的繞組塑封固化而成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種飛輪脈沖永磁電機(jī)，包括三個盤式的轉(zhuǎn)子和夾在其間的一對定子。每個轉(zhuǎn)子由背鐵、通過螺栓固定在背鐵上的轉(zhuǎn)子鋁盤以及嵌在鋁盤槽內(nèi)的永磁體組成；一對定子內(nèi)各有兩套繞組，低壓的為充電繞組、高壓的是放電繞組，兩套繞組均為串聯(lián)連接；所述兩個繞組盤一個固定，一個可以由伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動繞中心旋轉(zhuǎn)，本發(fā)明同時公開了其工作方法。本發(fā)明無需借助復(fù)雜而又昂貴的電力電子變換裝置，僅通過在充放電過程中調(diào)節(jié)兩定子盤的夾角，即可在有限的充電直流母線電壓下獲得較高的轉(zhuǎn)速，同時在放電過程中，維持放電直流母線電壓近似不變。
文檔編號H02K16/00GK102624172SQ20121006062
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者董劍寧, 金龍, 黃允凱 申請人:東南大學(xué)