專利名稱：一種飛輪脈沖永磁電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及ー種飛輪脈沖永磁電機(jī)，具體涉及ー種采用機(jī)械方式控制電機(jī)主磁場(chǎng)的軸向磁通飛輪脈沖永磁電機(jī)，屬于電機(jī)設(shè)計(jì)、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、核エ業(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，并正在成為ー門新興的科學(xué)技術(shù)。飛輪脈沖電機(jī)是ー種基于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的脈沖電源。充電時(shí)，電機(jī)作電動(dòng)機(jī)用，驅(qū)動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能儲(chǔ)存；放電時(shí)，電機(jī)作發(fā)電機(jī)用，飛輪減速并驅(qū)動(dòng)電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。與基于電場(chǎng)、磁場(chǎng)或者化學(xué)方式儲(chǔ)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(zhǎng)等許多優(yōu)點(diǎn)。但其放電過(guò)程受機(jī)電時(shí)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(zhǎng)的場(chǎng)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(shì)，采用軸向磁通結(jié)構(gòu)的飛輪脈沖永磁電機(jī)在這ー場(chǎng)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)。這ー電機(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(guò)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(wèn)題。隨后，Swett等人在〈〈Flywheel charging module for energy storage used in electromagnetic aircraftlaunch system)) 一文中，介紹了ー種軸向磁通的定子無(wú)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(shí)，降低了電機(jī)的鐵耗。但采用這ー結(jié)構(gòu)的電機(jī)交直軸電感很小，無(wú)法使用電カ電子的方法進(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(huì)隨著放電深度的增加不斷降低。除此以外，美國(guó)專利US 5，721，461A、US 6，750，588 BI也公開(kāi)了類似結(jié)構(gòu)的電機(jī)，也存在上述的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)在這種飛輪脈沖電機(jī)方面的研究還比較少。中國(guó)實(shí)用新型專利申請(qǐng)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(chǎng)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，與本實(shí)用新型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(shí)鐵耗較大、最高轉(zhuǎn)速受充電電カ系統(tǒng)電壓水平的限制、放電電壓跌落等問(wèn)題。、發(fā)明內(nèi)容發(fā)明目的針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本實(shí)用新型目的是提供ー種飛輪脈沖永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，在解決鐵耗過(guò)大問(wèn)題的同時(shí)，保留電機(jī)的增/弱磁控制能力。技術(shù)方案為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型是通過(guò)如下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的ー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(kāi)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(gè)，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(gè)，分別設(shè)置在三個(gè)轉(zhuǎn)子盤形成的兩個(gè)氣隙中，所述繞組盤包括可動(dòng)繞組盤與固定繞組盤，可動(dòng)繞組盤與固定繞組盤分別設(shè)置在兩個(gè)定子上。所述定子通過(guò)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 定在繞組支座ニ內(nèi)；可動(dòng)繞組盤與繞組壓蓋一之間設(shè)置間隙，所述可動(dòng)繞組盤所在的繞組支架一的外緣上開(kāi)有長(zhǎng)孔，所述繞組壓蓋ー在長(zhǎng)孔對(duì)應(yīng)的角度設(shè)置若干連續(xù)的齒，所述可動(dòng)繞組盤的外表面固定有從前述長(zhǎng)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(gè)轉(zhuǎn)子盤同軸固聯(lián)在電機(jī)軸上；左右兩個(gè)轉(zhuǎn)子盤中的轉(zhuǎn)子鋁盤安裝在對(duì)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(dòng)繞組盤與固定繞組盤包含電動(dòng)、發(fā)電兩套繞組，所述電動(dòng)、發(fā)電兩套繞組為串聯(lián)聯(lián)接，電動(dòng)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。所述可動(dòng)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。有益效果本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)I、本實(shí)用新型采用定子無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)，消除了定子中高速旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)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，本實(shí)用新型具有較高的充放電效率。2、本實(shí)用新型采用雙定子結(jié)構(gòu)，且其中一個(gè)定子繞組盤可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)。通過(guò)在充放電過(guò)程中按一定規(guī)律調(diào)整兩繞組盤夾角解決了無(wú)鐵心電機(jī)無(wú)法增/弱磁控制的問(wèn)題。無(wú)需引入復(fù)雜昂貴的電カ電子變換裝置，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(shí)在放電過(guò)程中維持放電電壓近似不變。

圖I為本實(shí)用新型的側(cè)視圖；圖2為本實(shí)用新型沿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；圖4為可動(dòng)繞組盤所在定子的爆炸圖；圖5為兩個(gè)電機(jī)定子繞組中的反電勢(shì)串聯(lián)相加的示意圖。圖中各標(biāo)號(hào)1、背鐵，2、永磁體，3、轉(zhuǎn)子鋁盤，4、可動(dòng)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、繞組支座ニ，15、繞組壓蓋ニ，16、長(zhǎng)孔，17、齒。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步闡述實(shí)施例I參見(jiàn)圖I和圖2，本實(shí)用新型為ー種飛輪脈沖永磁電機(jī)，包括三個(gè)轉(zhuǎn)子盤、兩個(gè)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(gè)軸向充磁的扇形永磁體2 按照?qǐng)D3所示的方式N-S相間地嵌在轉(zhuǎn)子鋁盤3上均勻開(kāi)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(duì)的兩塊永磁體2充磁方向一致。中間轉(zhuǎn)子中，相対的兩永磁體2充磁方向相反。每塊背鐵的外緣上沿軸上都均勻開(kāi)有24個(gè)小螺紋孔11，這些螺紋孔可以用來(lái)填充配重以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡，也可以在將來(lái)系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，用來(lái)安裝增重飛輪。三個(gè)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(cè)試階段進(jìn)行對(duì)拖實(shí)驗(yàn)用的，產(chǎn)品定型后可去除。由軸12以及三個(gè)轉(zhuǎn)子構(gòu)成的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)通過(guò)軸承9安裝在電機(jī)支座13上。兩個(gè)定子安插在三個(gè)轉(zhuǎn)子盤中間形成的兩個(gè)氣隙中，并通過(guò)螺栓和繞組支座6、14固聯(lián)在電機(jī)支座13上。每個(gè)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(dòng)繞組盤4與固定繞組盤5，本實(shí)用新型中，所述可動(dòng)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(kāi)有一跨30度的長(zhǎng)孔16。可動(dòng)繞組盤4安裝在繞組支座6、繞組壓蓋ー 8形成的空腔內(nèi)，但繞組壓蓋一 8并未壓紫。調(diào)節(jié)手柄7由繞組支座6外表面的長(zhǎng)孔24伸入，由螺栓固定在繞組盤外表面。繞組壓蓋ー 8在長(zhǎng)孔24對(duì)應(yīng)的位置沿周向開(kāi)有30個(gè)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(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)。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(shí)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(dòng)繞組盤4以I度為步長(zhǎng)，在30度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。每個(gè)定子盤中，均包含電動(dòng)和發(fā)電兩套繞組。電動(dòng)繞組匝數(shù)較低，發(fā)電繞組匝數(shù)較高。兩個(gè)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，放入由聚四氟こ烯材料制成的整形模中整形，然后注入環(huán)氧樹(shù)脂，放入烘箱固化脫模后即得到可動(dòng)繞組盤4、與固定繞組盤5。本實(shí)施例中，某轉(zhuǎn)速下兩定子夾角為δ/6度吋，兩個(gè)定子盤繞組中的反電勢(shì)波形如圖5所示。可見(jiàn)，兩個(gè)反電勢(shì)波形幅值相等，設(shè)均為Ε，相位差為δ度。因?yàn)闉榇?lián)聯(lián)接，總反電勢(shì)由二者加合而成，得到總反電勢(shì)幅值為[l+cos(S)]XE?？梢?jiàn)，電機(jī)反電勢(shì)系數(shù)會(huì)隨著兩繞組盤夾角的增大而減小。本實(shí)用新型所述電機(jī)按照如下方式工作從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)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(wú)法進(jìn)一歩升高時(shí)，控制超聲波電機(jī)，使兩繞組盤夾角按一定規(guī)律増大，電機(jī)反電勢(shì)不斷減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)ー步升高，直到到達(dá)最高轉(zhuǎn)速，充電過(guò)程結(jié)束；然后充電繞組端ロ斷開(kāi)，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(shí)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(shì)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(shí)，放電過(guò)程結(jié)束，電機(jī)完成一次充放電周期。本實(shí)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(hào)。最高轉(zhuǎn)速為7000 rpm，脈沖結(jié)束轉(zhuǎn)速為6300 rpm。充電時(shí)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(shí)間為2 s的脈沖功率，放電過(guò)程中轉(zhuǎn)子電壓跌落小于15%，驗(yàn)證了該電機(jī)結(jié)構(gòu)的可行性。以上圖示和描述了本實(shí)用新型的基本原理、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，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還會(huì)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)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等效物界定。
權(quán)利要求1.ー種飛輪脈沖永磁電機(jī)，包括轉(zhuǎn)子盤和定子，其特征在干所述轉(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(gè)，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(gè)，分別設(shè)置在三個(gè)轉(zhuǎn)子盤形成的兩個(gè)氣隙中，所述繞組盤包括可動(dòng)繞組盤(4)與固定繞組盤(5)，可動(dòng)繞組盤(4)與固定繞組盤(5)分別設(shè)置在兩個(gè)定子上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種飛輪脈沖永磁電機(jī)，其特征在于所述定子通過(guò)繞組支座(6、14)安裝在電機(jī)支座(13)上，所述固定繞組盤(5)由繞組壓蓋ニ(15)壓緊固定在繞組支座ニ( 14 )內(nèi)；可動(dòng)繞組盤(4 )與繞組壓蓋ー(8 )之間設(shè)置間隙，所述可動(dòng)繞組盤(4 )所在的繞組支座一(6)的外緣上開(kāi)有長(zhǎng)孔(16)，所述繞組壓蓋ー(8)在長(zhǎng)孔對(duì)應(yīng)的角度設(shè)置若干連續(xù)的齒(17)，所述可動(dòng)繞組盤(4)的外表面固定有從前述長(zhǎng)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所述的ー種飛輪脈沖永磁電機(jī)，其特征在于所述三個(gè)轉(zhuǎn)子盤同軸固聯(lián)在電機(jī)軸(12)上；其中，左右兩個(gè)轉(zhuǎn)子盤中的轉(zhuǎn)子鋁盤(3)安裝在對(duì)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所述的ー種飛輪脈沖永磁電機(jī)，其特征在于所述可動(dòng)繞組盤(4)與固定繞組盤(5)包含電動(dòng)、發(fā)電兩套繞組；所述電動(dòng)、發(fā)電兩套繞組為串聯(lián)聯(lián)接；電動(dòng)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.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種飛輪脈沖永磁電機(jī)，其特征在于所述可動(dòng)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。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種飛輪脈沖永磁電機(jī)，包括三個(gè)盤式的轉(zhuǎn)子和夾在其間的一對(duì)定子。每個(gè)轉(zhuǎn)子由背鐵、通過(guò)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(duì)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(gè)繞組盤一個(gè)固定，一個(gè)可以由伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)繞中心旋轉(zhuǎn)。本實(shí)用新型無(wú)需借助復(fù)雜而又昂貴的電力電子變換裝置，僅通過(guò)在充放電過(guò)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(shí)在放電過(guò)程中，維持放電直流母線電壓近似不變。
文檔編號(hào)H02K16/00GK202444387SQ20122008639
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者袁風(fēng)良, 金龍, 黃允凱 申請(qǐng)人:東南大學(xué)