一種磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)，包括內(nèi)定子、轉(zhuǎn)子和外定子，內(nèi)定子（6）、轉(zhuǎn)子（4）、外定子（1）以同心方式依次嵌套，外定子（1）內(nèi)壁等間隔設(shè)置12個轉(zhuǎn)矩極（2），轉(zhuǎn)矩極（2）上繞有主繞組（3）；轉(zhuǎn)子（4）的外壁上等間隔地設(shè)置8個轉(zhuǎn)子凸極（5）；內(nèi)定子（6）的外壁上等間隔設(shè)置4個懸浮極（7），懸浮極（7）上繞有懸浮力繞組（8）。本實用新型克服傳統(tǒng)磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)中定、轉(zhuǎn)子不對齊時不能有效產(chǎn)生懸浮力的問題，徑向力和轉(zhuǎn)矩的解耦效果好，提升徑向負(fù)載能力，懸浮力繞組僅需根據(jù)所需的徑向懸浮力而單獨控制，外定子上各相主繞組也僅需根據(jù)所需的電磁轉(zhuǎn)矩而控制，易于控制，控制算法也更簡單更易實現(xiàn)。
【專利說明】一種磁懸淳開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型的一種磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)，屬電機(jī)類領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著動力短缺以及能源利用所造成環(huán)境問題的愈加嚴(yán)峻，太陽能光伏發(fā)電和風(fēng)力 發(fā)電因資源豐富，分布廣泛，取之不盡用之不竭而得到了迅猛發(fā)展。然而太陽能光伏發(fā)電和 風(fēng)力發(fā)電固有的間歇性和隨機(jī)性會對電力系統(tǒng)的安全運行帶來顯著影響，因此研究先進(jìn)的 儲能技術(shù)尤為迫切，其中飛輪儲能具有使用壽命長、儲能密度高、對環(huán)境無污染、且易于防 止過充電和過放電問題、對溫度不敏感等一系列優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003] 磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)利用徑向力由電機(jī)繞組產(chǎn)生轉(zhuǎn)子徑向懸浮所需的徑向懸浮 力，可以在保留開關(guān)磁阻電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度大、容錯能力強(qiáng)，運行效率和臨界轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點的基 礎(chǔ)上，進(jìn)一步消除機(jī)械軸承帶來的摩擦損耗，以及徑向磁拉力不平衡引起的轉(zhuǎn)子變形等問 題，并且無需潤滑裝置。與采用磁軸承支撐的開關(guān)磁阻電機(jī)相比，以磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)作 為飛輪電機(jī)，可以有效縮小飛輪系統(tǒng)的體積和重量，尤其適用于飛輪慣量較小，但對系統(tǒng)體 積和重量要求嚴(yán)格的場合。
[0004] 韓國學(xué)者D. H. Lee和J. W. Ahn提出的單繞組混合定子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)， 通過在定子上分別設(shè)置懸浮極和旋轉(zhuǎn)極來減弱懸浮力和轉(zhuǎn)矩之間的耦合；2011年發(fā)表于 ((Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers〉〉的文獻(xiàn) "Design and analysis of double stator type bearingless switched reluctance motor，'提出 了一種雙定子型的磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)，通過有限方法進(jìn)行了初步分析，該電機(jī)主繞組與 懸浮力繞組分別繞制在外定子和內(nèi)定子上，二者磁通路徑相互獨立，可有效克服繞組之間 的奉禹合影響。
[0005] 2011年發(fā)表于《中國電機(jī)工程學(xué)報》的文獻(xiàn)"全周期無軸承磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī) 的設(shè)計"公布了一種磁懸浮開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)周期性分時發(fā)電模式功率 密度低的局限性，但電機(jī)內(nèi)的懸浮和發(fā)電系統(tǒng)之間存在嚴(yán)重的非線性強(qiáng)耦合問題。申請?zhí)?為201110313992. X的發(fā)明專利"一種磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)"和申請?zhí)枮?01210541096. 3 的發(fā)明專利"一種定子混合型短磁路磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)"均公布了一種混合定子型的 磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，其定子采用寬-窄極的混合結(jié)構(gòu)，可以減弱發(fā)電極和懸浮極之間 的耦合，但是勵磁電流對徑向懸浮了仍有較大的影響。
[0006] 申請?zhí)枮?00510040266. X的發(fā)明專利"無軸承開關(guān)磁阻起動發(fā)電機(jī)及控制方 法"提出了一種無軸承開關(guān)磁阻起動發(fā)電機(jī)以及控制方法，減少了開關(guān)磁阻起動/發(fā)電機(jī) 系統(tǒng)中的機(jī)械磨損，降低了電機(jī)噪聲，但是主繞組與副繞組同時疊繞，存在復(fù)雜的非線性強(qiáng) 耦合影響，且兩套繞組有效工作區(qū)域互相牽制，限制了控制方法選擇的靈活性。申請?zhí)枮?201310637999. 6的發(fā)明專利"一種雙定子磁懸浮開關(guān)磁阻啟動/發(fā)電機(jī)"提出了一種雙定 子型的磁懸浮開關(guān)磁阻啟動/發(fā)電機(jī)，有效減弱了主繞組與懸浮力繞組的耦合影響，且兩 套繞組獨立工作，增加了控制的靈活性，公布了啟動和發(fā)電的原理，啟動之后即根據(jù)發(fā)電要 求進(jìn)行發(fā)電控制，無法實現(xiàn)電動與發(fā)電狀態(tài)的反復(fù)切換。
[0007] 申請?zhí)枮?01310652080. 4的發(fā)明專利中公布的一種單繞組混合外轉(zhuǎn)子磁懸浮開 關(guān)磁阻電機(jī)，采用凸極轉(zhuǎn)子和圓盤轉(zhuǎn)子的混合外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通過徑向相對定子繞組的差動 勵磁同時產(chǎn)生徑向懸浮力和電磁轉(zhuǎn)矩，徑向懸浮力與電磁轉(zhuǎn)矩之間仍存在I禹合，因此徑向 力和轉(zhuǎn)矩的解耦效果差；同時，定子上徑向相對的兩極繞組同時差動勵磁，二者按照所需的 徑向力和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分配，懸浮力控制和轉(zhuǎn)矩控制相互牽制；進(jìn)一步地，圓盤外轉(zhuǎn)子部分將增 長電機(jī)的軸向長度，導(dǎo)致電機(jī)體積增大，且限制了其臨界最高轉(zhuǎn)速。 實用新型內(nèi)容
[0008] 本實用新型的目的是將磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)用于飛輪儲能系統(tǒng)中，作為飛輪的傳 動電機(jī)。克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，實現(xiàn)電動/發(fā)電功能與徑向懸浮功能解稱，有效縮小飛 輪系統(tǒng)的體積，同時徑向力和轉(zhuǎn)矩的解耦效果好。
[0009] 本實用新型的技術(shù)方案是：一種磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)，包括內(nèi)定子、轉(zhuǎn)子和外 定子，內(nèi)定子、轉(zhuǎn)子、外定子以同心方式依次嵌套，外定子內(nèi)壁等間隔設(shè)置12個轉(zhuǎn)矩極（主 繞組極），轉(zhuǎn)矩極（主繞組極）上繞有主繞組；轉(zhuǎn)子的外壁上等間隔地設(shè)置8個轉(zhuǎn)子凸極 (轉(zhuǎn)子極），不繞有任何繞組；內(nèi)定子的外壁上等間隔設(shè)置4個懸浮極（懸浮力繞組極）， 懸浮極上繞有懸浮力繞組。主繞組負(fù)責(zé)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩；懸浮力繞組負(fù)責(zé)產(chǎn)生徑向懸浮力。 [0010] 轉(zhuǎn)矩極上的主繞組負(fù)責(zé)根據(jù)控制需要而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)矩與飛輪轉(zhuǎn)動的方向 相同時，輪儲能系統(tǒng)處于充電狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)矩與飛輪轉(zhuǎn)動方向相反時，飛輪做減速運動，飛輪 儲能系統(tǒng)處于放電狀態(tài)。系統(tǒng)在最高轉(zhuǎn)速ω_和最低轉(zhuǎn)速Co min之間循環(huán)運行，可吸收以及 釋放的能量為W =Kk -〇/2。
[0011] 主繞組的徑向垂直相對的四極串接，形成A、B、C三相，主繞組的功率變換器采用 三相不對稱半橋功率變換器；內(nèi)定子的功率變換器采用四相不對稱半橋功率變換器。
[0012] 三相不對稱半橋功率變換器包括三相不對稱半橋拓?fù)潆娐罚嗖粚ΨQ半橋拓?fù)?電路包括充電端電容Cl、放電端電容C2、放電端電感（L2)、放電端二極管D8、開關(guān)端電感 L1、功率器件、開關(guān)電容C3、單刀雙擲開關(guān)S和三組相并聯(lián)的半橋拓?fù)潆娐罚?br> [0013] 四相不對稱半橋功率變換器包括四相不對稱半橋拓?fù)潆娐罚南嗖粚ΨQ半橋拓?fù)?電路包括四組相并聯(lián)的半橋拓?fù)潆娐泛鸵粋€并聯(lián)電容Cll。
[0014] 半橋拓?fù)潆娐钒ǖ谝还β书_關(guān)管、第二功率開關(guān)管、第一二極管、第二二極管和 繞組，繞組的兩端分別連接第一功率開關(guān)管的發(fā)射極和第二功率開關(guān)管的集電極，第二二 極管的負(fù)極連接第一功率開關(guān)管的發(fā)射極，正極連接第二功率開關(guān)管的發(fā)射極，第一二極 管的負(fù)極連接第一功率開關(guān)管的集電極，正極連接第二功率開關(guān)管的集電極。
[0015] 三相不對稱半橋拓?fù)潆娐返陌霕蛲負(fù)潆娐分械睦@組為主繞組，三相不對稱半橋拓 撲電路的具體電路結(jié)構(gòu)為：三組半橋拓?fù)潆娐返牡谝还β书_關(guān)管VI、V3、V5的集電極相連 接，三組半橋拓?fù)潆娐返牡诙β书_關(guān)管V4、V2、V6的發(fā)射極相連接，開關(guān)電容C3的兩端分 別連接第一功率開關(guān)管VI、V3、V5的集電極和第二功率開關(guān)管V4、V2、V6的發(fā)射極；
[0016] 功率器件與放電端電容C2串聯(lián)后與放電端二極管D8并聯(lián)，放電端電感L2的一端 連接放電端電容C2，單刀雙擲開關(guān)S的三個觸角分別連接開關(guān)端電感Ll、放電端電感L2和 充電端電容Cl，開關(guān)端電感Ll連接第一功率開關(guān)管VI、V3、V5的集電極，充電端電容Cl并 聯(lián)連接在充電端的正負(fù)極之間。
[0017] 四相不對稱半橋拓?fù)潆娐分械乃慕M相并聯(lián)的半橋拓?fù)潆娐分械睦@組為懸浮力繞 組Lxl、L yl、Lx2、Ly2，四相不對稱半橋拓?fù)潆娐返木唧w電路結(jié)構(gòu)為：
[0018] 懸浮力繞組1^1、1^1、1^2、1^ 2的兩端分別連接第一功率開關(guān)管￥11、￥12、￥13、￥14的 發(fā)射極和第二功率開關(guān)管V15、V16、V17、V18的集電極，第二二極管D15、D16、D17、D18的 負(fù)極連接第一功率開關(guān)管Vl 1、V12、V13、Vl的發(fā)射極，正極連接第二功率開關(guān)管V15、V16、 V17、V18的發(fā)射極，第一二極管Dll、D12、D13、D14的負(fù)極連接第一功率開關(guān)管VII、V12、 V13、V14的集電極，正極連接第二功率開關(guān)管V15、V12、V13、Vl的集電極；
[0019] 4組半橋拓?fù)潆娐返牡谝还β书_關(guān)管V11、V12、V13、V14的集電極相連接，4組半 橋拓?fù)潆娐返牡诙β书_關(guān)管V15、V16、V17、V18的發(fā)射極相連接，并聯(lián)電容Cll的兩端分 別連接第一功率開關(guān)管VII、V12、V13、V14的集電極和第二功率開關(guān)管V15、V16、V17、V18 的發(fā)射極。
[0020] 主繞組和懸浮力繞組的磁通路徑之間互相獨立。
[0021] 本實用新型的有益效果是：
[0022] (1)電動/發(fā)電功能與徑向懸浮功能解稱，且徑向負(fù)載能力提升
[0023] 主繞組與懸浮力繞組具有獨立的磁通路徑，有利于解決懸浮力和轉(zhuǎn)矩之間非線性 強(qiáng)耦合的問題；懸浮極與轉(zhuǎn)子內(nèi)表面的對齊面積保持等于副繞組極的極寬，徑向懸浮力不 受轉(zhuǎn)子位置角影響，可克服傳統(tǒng)磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)中定、轉(zhuǎn)子不對齊時不能有效產(chǎn)生懸 浮力的問題，徑向力和轉(zhuǎn)矩的解耦效果好，提升徑向負(fù)載能力。主繞組與懸浮力繞組具有獨 立的磁路，且懸浮力不受轉(zhuǎn)子位置角影響，可有效解決飛輪傳動與轉(zhuǎn)子懸浮功能之間的耦 合問題，并提升徑向浮在能力。
[0024] (2)集成了啟動、發(fā)電和轉(zhuǎn)子徑向自懸浮功能，結(jié)構(gòu)更緊湊。
[0025] 將徑向磁軸承技術(shù)集成于開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)中，集電動、發(fā)電和轉(zhuǎn)子徑向自懸浮 的功能于一體，通過主繞組電流控制其電動/發(fā)電運行狀態(tài)的平滑切換，在保留開關(guān)磁阻 飛輪電機(jī)以及電磁軸承支承優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，可以使發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更緊湊，有效縮 小飛輪系統(tǒng)的體積，提高功率密度。
[0026] (3)本申請中的內(nèi)定子采用4極結(jié)構(gòu)，內(nèi)定子4個凸極上的懸浮力繞組僅需根據(jù) 所需的徑向懸浮力而單獨控制，外定子上各相主繞組也僅需根據(jù)所需的電磁轉(zhuǎn)矩而控制， 易于控制，控制算法也更簡單更易實現(xiàn)；主繞組和懸浮力繞組的導(dǎo)通區(qū)間不存在彼此制約， 可增強(qiáng)繞組導(dǎo)通區(qū)域選擇的靈活性，進(jìn)而有利于提高系統(tǒng)控制的靈活性，優(yōu)化系統(tǒng)性能。。
[0027] (4)本實用新型將無軸承技術(shù)應(yīng)用于開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)，由磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī) 的懸浮力繞組產(chǎn)生徑向懸浮所需的徑向力，不僅可以充分發(fā)揮其高速適應(yīng)性，更可以使其 性能得到全面提升：可以在保留開關(guān)磁阻電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度大、容錯能力強(qiáng)，運行效率和臨界轉(zhuǎn) 速高等優(yōu)點的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步消除機(jī)械軸承帶來的摩擦損耗，以及徑向磁拉力不平衡引起 的轉(zhuǎn)子變形和噪聲等問題，并且無需潤滑裝置。
[0028] (5)本實用新型與采用磁軸承支撐的開關(guān)磁阻電機(jī)相比，可以有效縮小飛輪系統(tǒng) 的體積和重量，尤其適用于一些飛輪慣量較小，但對系統(tǒng)體積和重量要求嚴(yán)格的場合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1為本實用新型飛輪儲能系統(tǒng)的工作原理示意圖；
[0030] 圖2-1為本實用新型磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖2-2a為本實用新型磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)的正視圖；
[0032] 圖2_2b為本實用新型磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)的結(jié)構(gòu)分解示意圖；
[0033] 圖3為本實用新型磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)的主繞組導(dǎo)通時的磁場分布圖；
[0034] 圖4為本實用新型磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)的懸浮力繞組導(dǎo)通時的磁場分布圖；
[0035] 圖5為本實用新型磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)的主繞組功率變換器的三相不對稱 半橋拓?fù)潆娐罚?br> [0036] 圖6為本實用新型磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)的懸浮力繞組功率變換器的四相不 對稱半橋拓?fù)潆娐罚?br> [0037] 實用新型附圖標(biāo)記：1-外定子鐵心，2-主繞組極，3-主繞組，4-轉(zhuǎn)子，5-轉(zhuǎn)子 極，6-內(nèi)定子，7-懸浮力繞組極，8-懸浮力繞組。L ma、Lmb、Lm。分別代表主繞組極上A、B、C 三相的主繞組；Vl?V2是功率開關(guān)管；Dl?D8是二極管；Cl?C2是電容；所示放電端電 感L2、放電端電容C2、功率開關(guān)管V7、二極管D7和放電端二極管D8組成Cuk變換器；L xl、 Lyl、Lx2、Ly2分別代表懸浮極Xl、 yi、x2、y2上的懸浮力繞組；Vll?V18是功率開關(guān)管；Dll? D18是二極管；Cll是電容。

【具體實施方式】
[0038] 下面結(jié)合附圖對本實用新型作更進(jìn)一步的說明。
[0039] 圖1所示為本實用新型磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)系統(tǒng)的工作原理示意圖。通過 電力電子變換器驅(qū)動磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)帶動飛輪加速旋轉(zhuǎn)時，飛輪以機(jī)械能的形式 將電能貯存起來，飛輪系統(tǒng)處于充電模式，此時電機(jī)作為電動機(jī)運行；當(dāng)不需要為向外供電 時，飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，飛輪儲能系統(tǒng)處于保持模式，此時電機(jī)待機(jī)；當(dāng)需要向外提供電能 時，飛輪由于慣性高速旋轉(zhuǎn)作為系統(tǒng)的原動機(jī)拖動系統(tǒng)內(nèi)的電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，發(fā)電機(jī)所發(fā)出 的能量經(jīng)由功率變換器輸出電流與電壓，動能轉(zhuǎn)化為電能被系統(tǒng)釋放，飛輪系統(tǒng)處于釋能 模式，此時飛輪電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運行。
[0040] 圖2-1、圖2-2a、圖2-2b所示分別為本實用新型磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)的結(jié)構(gòu) 示意圖、正視圖和結(jié)構(gòu)分解示意圖，采用12/8/4極同心嵌套的三凸極結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)定子6、 轉(zhuǎn)子4和外定子1，內(nèi)定子6、轉(zhuǎn)子4、外定子1以同心方式依次嵌套，外定子1內(nèi)壁等間隔設(shè) 置12個轉(zhuǎn)矩極（主繞組極2)，轉(zhuǎn)矩極（主繞組極）2上繞有主繞組3 ;轉(zhuǎn)子4的外壁上等間 隔地設(shè)置8個轉(zhuǎn)子凸極（轉(zhuǎn)子極）5,不繞有任何繞組；內(nèi)定子6的外壁上等間隔設(shè)置4個 懸浮極（懸浮力繞組極）7,懸浮極7上繞有懸浮力繞組8。主繞組的徑向垂直相對的四極 串接，形成A、B、C三相，主繞組3的功率變換器采用三相不對稱半橋功率變換器；內(nèi)定子6 的功率變換器采用四相不對稱半橋功率變換器。
[0041] 每個轉(zhuǎn)矩極2上設(shè)有Nm匝主繞組3,徑向垂直相對的四極串接，共分成A、B、C三相 (圖中僅畫出了一相，略去了其余二相）；內(nèi)定子6上設(shè)置八個懸浮極7,每個懸浮極7上設(shè) 有N f匝徑向力繞組（懸浮力繞組）8,各個懸浮力繞組8相互之間不串接。
[0042] 懸浮極7上的懸浮力繞組8負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)子懸浮功能，圖2-1中ixl和iyl分別為位于X、 y軸正方向的懸浮力繞組電流；ix2和iy2分別為x、y軸負(fù)方向的懸浮繞組電流。ixi導(dǎo)通時， 產(chǎn)生X正方向懸浮力，反之，ix2導(dǎo)通時，產(chǎn)生X負(fù)方向懸浮力；iyl導(dǎo)通時，產(chǎn)生y正方向懸 浮力，反之，iy2導(dǎo)通時，產(chǎn)生y負(fù)方向懸浮力。通過控制X方向和y方向懸浮力即可合成任 意方向的懸浮力，從而實現(xiàn)的轉(zhuǎn)子徑向自懸浮功能。通過控制懸浮力繞組電流i xl、ix2、iyl 和iy2產(chǎn)生即可獲得所需的徑向力。由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，懸浮極與轉(zhuǎn)子的對齊面積始終等 于懸浮極的極寬，因此徑向力不隨轉(zhuǎn)子位置角改變，能有效改善徑向懸浮性能。轉(zhuǎn)矩極上的 主繞組負(fù)責(zé)根據(jù)控制需要而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。圖中i ma為A相主繞組的電流，B相和C相的主 繞組分別位于距離A相順時針方向的1/3和2/3處。通過控制A相、B相和C相主繞組電 流，即可獲得所需的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)矩與飛輪轉(zhuǎn)動的方向同方向時，飛輪加速；當(dāng)轉(zhuǎn)矩與飛 輪轉(zhuǎn)動方向相反時，飛輪減速。飛輪系統(tǒng)在最高轉(zhuǎn)速ω_和最低轉(zhuǎn)速GJ min之間循環(huán)運行， 可以吸收和釋放的能量為-〇/2。
[0043] 主繞組3和懸浮力繞組8的磁通路徑之間互相獨立；圖3是本實用新型磁懸浮開 關(guān)磁阻飛輪電機(jī)的主繞組的磁路分布圖，可以看出主繞組3產(chǎn)生的磁通不經(jīng)過內(nèi)定子6 ;圖 4是本實用新型磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)的懸浮力繞組的磁路分布圖，可以看出懸浮力繞 組8產(chǎn)生的磁通不經(jīng)過外定子1。因此主繞組3與懸浮力繞組8具有獨立的磁通路徑?？?以看出，主繞組產(chǎn)生的磁通不經(jīng)過內(nèi)定子，懸浮力繞組產(chǎn)生的磁通也不經(jīng)過外定子，主繞組 和懸浮力繞組的磁通路徑之間互相獨立，有效解決了傳統(tǒng)磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)中繞組間的 強(qiáng)耦合問題。
[0044] 圖5是本實用新型磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)的主繞組功率變換器的三相不對稱 半橋拓?fù)潆娐罚渲校篖 ma、Lmb、Lm。分別代表主繞組極上A、B、C三相的主繞組；Vl?V2是功 率開關(guān)管；Dl?D8是二極管；Cl?C2是電容；所示放電端電感L2、放電端電容C2、功率開 關(guān)管V7、二極管D7和放電端二極管D8組成Cuk變換器；三相不對稱半橋功率變換器包括 三相不對稱半橋拓?fù)潆娐罚嗖粚ΨQ半橋拓?fù)潆娐钒ǔ潆姸穗娙軨l、放電端電容C2、 放電端電感L2、放電端二極管D8、開關(guān)端電感L1、功率器件10、開關(guān)電容C3、單刀雙擲開關(guān) S和三組相并聯(lián)的半橋拓?fù)潆娐?1 ;所示功率器件10包括功率開關(guān)管V7和二極管D7, D7 的正負(fù)極兩端分別連接V7的發(fā)射極和集電極，C2-端連接D8正極，一端連接V7的集電極， D8的負(fù)極連接V7的發(fā)射極，L2、C2、V7、D7和D8組成Cuk變換器。
[0045] 圖6是本實用新型磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)的懸浮力繞組功率變換器的四相不 對稱半橋拓?fù)潆娐?，其中：L xl、Lyl、Lx2、Ly2分別代表懸浮極Xl、 yi、x2、y2上的懸浮力繞組； Vll?V18是功率開關(guān)管；Dll?D18是二極管；Cll是電容。四相不對稱半橋功率變換器 包括四相不對稱半橋拓?fù)潆娐?，四相不對稱半橋拓?fù)潆娐钒ㄋ慕M相并聯(lián)的半橋拓?fù)潆娐?11和一個并聯(lián)電容C11。
[0046] 如圖6的虛線框內(nèi)容所示，半橋拓?fù)潆娐?1包括第一功率開關(guān)管VII、第二功率 開關(guān)管V15、第一二極管Dl 1、第二二極管D15和繞組，繞組的兩端分別連接第一功率開關(guān)管 Vll的發(fā)射極和第二功率開關(guān)管V15的集電極，第二二極管D15的負(fù)極連接第一功率開關(guān)管 Vll的發(fā)射極，正極連接第二功率開關(guān)管V15的發(fā)射極，第一二極管Dll的負(fù)極連接第一功 率開關(guān)管Vll的集電極，正極連接第二功率開關(guān)管V15的集電極。
[0047] 如圖5所示，三相不對稱半橋拓?fù)潆娐返?組半橋拓?fù)潆娐分械睦@組為主繞組Lm、 U、L111。，三相不對稱半橋拓?fù)潆娐返木唧w電路結(jié)構(gòu)為：三組半橋拓?fù)潆娐?1的第一功率開 關(guān)管VI、V3、V5的集電極相連接，三組半橋拓?fù)潆娐?1的第二功率開關(guān)管V4、V2、V6的發(fā) 射極相連接，開關(guān)電容C3的兩端分別連接第一功率開關(guān)管VI、V3、V5的集電極和第二功率 開關(guān)管V4、V2、V6的發(fā)射極；
[0048] 功率器件10與放電端電容C2串聯(lián)后與放電端二極管D8并聯(lián)，放電端電感L2的 一端連接放電端電容C2，單刀雙擲開關(guān)S的三個觸角分別連接開關(guān)端電感Ll、放電端電感 L2和充電端電容Cl，開關(guān)端電感Ll連接第一功率開關(guān)管Vl、V3、V5的集電極，充電端電容 Cl并聯(lián)連接在充電端的正負(fù)極之間，這樣L2、C2、V7、D7和D8組成Cuk變換器。
[0049] 如圖6所示，四相不對稱半橋拓?fù)潆娐分械乃慕M相并聯(lián)的半橋拓?fù)潆娐?1中的繞 組為懸浮力繞組L xl、Lyl、Lx2、Ly2，四相不對稱半橋拓?fù)潆娐返木唧w電路結(jié)構(gòu)為：
[0050] 懸浮力繞組1^1、1^1、1^2、1^ 2的兩端分別連接第一功率開關(guān)管￥11、￥12、￥13、￥14的 發(fā)射極和第二功率開關(guān)管V15、V16、V17、V18的集電極，第二二極管D15、D16、D17、D18的 負(fù)極連接第一功率開關(guān)管Vll、V12、V13、Vl的發(fā)射極，正極連接第二功率開關(guān)管V15、V16、 ￥17、￥18的發(fā)射極，第一二極管011、012、013、014的負(fù)極連接第一功率開關(guān)管￥11、￥12、 V13、V14的集電極，正極連接第二功率開關(guān)管V15、V12、V13、Vl的集電極；
[0051] 4組半橋拓?fù)潆娐?1的第一功率開關(guān)管V11、V12、V13、V14的集電極相連接，4組 半橋拓?fù)潆娐?1的第二功率開關(guān)管￥15、￥16，17、￥18的發(fā)射極相連接，并聯(lián)電容(：11的兩 端分別連接第一功率開關(guān)管VII、V12、V13、V14的集電極和第二功率開關(guān)管V15、V16、V17、 V18的發(fā)射極。
[0052] 如圖5所示的本實用新型磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)的主繞組功率變換器的三相 不對稱半橋拓?fù)潆娐?。采用這種功率變換器的形式，主繞組的電流方向是固定的，可以通過 控制開關(guān)管的開通與關(guān)斷，來調(diào)節(jié)主繞組電流的大小。飛輪儲能系統(tǒng)的充電工作模式時：飛 輪儲能系統(tǒng)從外部電源中吸收能量，通過主繞組功率變換器驅(qū)動該磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電 機(jī)以電動加速狀態(tài)運行，從而將吸收的電能以飛輪的動能形式存貯起來，此時開關(guān)S打到 充電端。A相的4極主繞組串接，當(dāng)上管Vl與下管V4同時導(dǎo)通時，產(chǎn)生如箭頭方向所示A 相主繞組電流ima。當(dāng)Vl與V4同時關(guān)斷時，由二極管Dl與D4導(dǎo)通續(xù)流。B相和C極相的 主繞組功率變換電路也具有相同的工作原理。采用這種功率變換器的形式，主繞組的電流 方向是固定的，可以通過控制開關(guān)管的開通與關(guān)斷，來調(diào)節(jié)主繞組電流的大小。
[0053] 在飛輪儲能系統(tǒng)的放電工作模式時：飛輪儲能系統(tǒng)向外部釋放能量，通過主繞組 功率變換器驅(qū)動該磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)以回饋制動狀態(tài)運行，從而將存貯的動能以 電能形式向外輸出，此時開關(guān)S打到放電端。Dl?D6構(gòu)成三相不可控整流電路，在a、b兩 端輸出直流電壓U ab。由于飛輪放電過程中，飛輪轉(zhuǎn)速會逐漸減小，僅靠不可控整流所得的 電壓會隨之下降且有很大波動，為此采用Cuk變換器對放電電路進(jìn)行升降壓控制。
[0054] 圖6是本實用新型磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)的懸浮力繞組功率變換器的四相不 對稱半橋拓?fù)潆娐?。?dāng)上管Vll與下管V15同時導(dǎo)通時，產(chǎn)生如箭頭方向所示X 1極的懸浮 力繞組電流ixl ;當(dāng)Vll與V15同時關(guān)斷時，由二極管VDll與VD15導(dǎo)通續(xù)流；yi、x2、y2極的 懸浮力繞組功率變換電路也具有相同的工作原理。該不對稱半橋電路每相主開關(guān)與二極管 同時通斷；各相之間完全獨立，可滿足多相同時工作場合；全壓控制相繞組電流，開關(guān)管和 二極管承受的反壓均為電機(jī)相電壓U s，元器件耐壓要求比較低；由于能實現(xiàn)分步關(guān)斷，有利 于電機(jī)噪聲的控制；每相上下管共用一個控制信號，方便靈活控制。發(fā)電機(jī)的懸浮力繞組功 率變換器。
[0055] 以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技 術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和 潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種磁息浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)，包括內(nèi)定子化）、轉(zhuǎn)子（4)和外定子（1)，其特征在 于；所述內(nèi)定子化）、轉(zhuǎn)子（4)、外定子（1)W同也方式依次嵌套，所述外定子（1)內(nèi)壁等間 隔設(shè)置12個轉(zhuǎn)矩極（2)，所述轉(zhuǎn)矩極（2)上繞有主繞組（3);轉(zhuǎn)子（4)的外壁上等間隔地設(shè) 置8個轉(zhuǎn)子凸極巧）；內(nèi)定子化）的外壁上等間隔設(shè)置4個息浮極（7)，所述息浮極（7)上 繞有息浮力繞組巧）。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁息浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)，其特征在于：所述主繞組（3)的 徑向垂直相對的四極串接，形成A、B、CH相，所述主繞組（3)的功率變換器采用H相不對稱 半橋功率變換器；所述內(nèi)定子的功率變換器采用四相不對稱半橋功率變換器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁息浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)，其特征在于：所述H相不對稱半 橋功率變換器包括H相不對稱半橋拓?fù)潆娐?，所述H相不對稱半橋拓?fù)潆娐钒ǔ潆姸穗?容C1、放電端電容C2、放電端電感L2、放電端二極管D8、開關(guān)端電感11、功率器件（10)、開 關(guān)電容C3、單刀雙擲開關(guān)S和H組相并聯(lián)的半橋拓?fù)潆娐罚?1);所述功率器件（10)包括功 率開關(guān)管V7和二極管D7,所述放電端電感L2、放電端電容C2、功率開關(guān)管V7、二極管D7和 放電端二極管D8組成化k變換器； 所述四相不對稱半橋功率變換器包括四相不對稱半橋拓?fù)潆娐罚鏊南嗖粚ΨQ半 橋拓?fù)潆娐钒ㄋ慕M相并聯(lián)的半橋拓?fù)潆娐罚?1)和一個并聯(lián)電容C11。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁息浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)，其特征在于：所述半橋拓?fù)潆娐?(11)包括第一功率開關(guān)管（VII)、第二功率開關(guān)管（V15)、第一二極管值11)、第二二極管 (D15)和繞組，所述繞組的兩端分別連接第一功率開關(guān)管（VII)的發(fā)射極和第二功率開關(guān) 管（V15)的集電極，第二二極管值15)的負(fù)極連接第一功率開關(guān)管（VII)的發(fā)射極，正極連 接第二功率開關(guān)管（V15)的發(fā)射極，第一二極管值11)的負(fù)極連接第一功率開關(guān)管（VII) 的集電極，正極連接第二功率開關(guān)管（V15)的集電極。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁息浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)，其特征在于：所述H相不對稱半 橋拓?fù)潆娐返腍組半橋拓?fù)潆娐罚?1)中的繞組分別為主繞組Lma、Lmb、Lm。，所述H相不對稱 半橋拓?fù)潆娐返木唧w電路結(jié)構(gòu)為；H組半橋拓?fù)潆娐罚?1)的第一功率開關(guān)管V1、V3、V5的 集電極相連接，所述H組半橋拓?fù)潆娐罚?1)的第二功率開關(guān)管V4、V2、V6的發(fā)射極相連接， 所述開關(guān)電容C3的兩端分別連接第一功率開關(guān)管VI、V3、V5的集電極和第二功率開關(guān)管 V4、V2、V6的發(fā)射極； 所述功率器件（10)與放電端電容C2串聯(lián)后與所述放電端二極管D8并聯(lián)，放電端電感L2的一端連接放電端電容C2,單刀雙擲開關(guān)S的H個觸角分別連接開關(guān)端電感L1、放電端 電感L2和充電端電容C1，開關(guān)端電感L1連接第一功率開關(guān)管VI、V3、V5的集電極，充電 端電容C1并聯(lián)連接在充電端的正負(fù)極之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁息浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)，其特征在于：所述四相不對稱半 橋拓?fù)潆娐分械乃慕M半橋拓?fù)潆娐罚?1)的繞組分別為息浮力繞組1^、1,1、1^^、1^,2，所述四 相不對稱半橋拓?fù)潆娐返木唧w電路結(jié)構(gòu)為： 所述四組半橋拓?fù)潆娐罚?1)的第一功率開關(guān)管VII、V12、V13、V14的集電極相連接， 所述四組半橋拓?fù)潆娐罚?1)的第二功率開關(guān)管V15、V16、V17、V18的發(fā)射極相連接，所述 并聯(lián)電容C11的兩端分別連接第一功率開關(guān)管VII、V12、V13、V14的集電極和第二功率開 關(guān)管V15、V16、V17、V18的發(fā)射極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁息浮開關(guān)磁阻飛輪電機(jī)，其特征在于：所述主繞組和息浮 力繞組的磁通路徑之間互相獨立。
【文檔編號】H02K16/04GK204231154SQ201420439716
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年8月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月5日
【發(fā)明者】周云紅, 孫玉坤 申請人:南京工程學(xué)院