具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明的技术方案。

现有的便携式交流电源是基于内部电池提供的直流电源通过斩波获得正弦波信号。但是，这种方式获取的正弦信号存在两个问题。一是受限于电池和开关器件的电流限制，信号负载发生较大波动时会出现信号失真；二是斩波方式获得的信号本身即存在较多的电流谐波，对负载有不利影响。

为了解决便携式交流电源信号失真以及谐波问题，本发明提出一种集成飞轮储能的高精密正弦波电源，参照图1，本发明提出的一种高精密正弦波电源包括电池101、控制器102、无刷直流电机103、惯量飞轮104、正弦波永磁发电机105、正弦波信号输出接口106，电池101与控制器102电气相连，控制器102与无刷直流电机103电气相连，无刷直流电机103、惯量飞轮104与正弦波永磁发电机105共轴连接，正弦波永磁发电机105与信号输出接口106电气相连。

该电源装置工作时，电池101通过控制器102驱动无刷直流电机103以固定转速旋转，同时通过刚性轴连接带动惯量飞轮104与正弦波永磁发电机105以相同的转速旋转，惯量飞轮104存储动能，正弦波永磁发电机105通过信号输出接口106输出三相正弦波信号。

当信号输出接口106接入负载发生较大波动时，这种电气负载波动通过发电机105转化为机械波动，并通过刚性轴连接传递至无刷直流电机103和惯量飞轮104，惯量飞轮104基于自身的转动惯量抑制机械波动，同时在控制器102的控制与电池101的电量供应下，无刷直流电机103也会抑制这种机械波，无刷直流电机103、惯量飞轮104与正弦波永磁发电机105的机械惯量与电池101和控制器102共同提供电气惯量，从而实现维持106输出的正弦信号的稳定。

永磁同步电机一般分为两类，一类用正弦波电流供电的正弦波永磁同步电机，简称PMSM，另一类是采用方波电流供电的无刷直流电机，简称BLDCM。前者转矩更为平稳，控制特性更加平滑，后者功率密度更大。永磁同步电机利用了高性能永磁材料提供励磁，给定功率下，其体积可以做到较小，更适合便携式电源。其还具有转子无励磁绕组，无转子铜耗，效率高的优点，同时转子转动惯量小，动态性能也好。在本发明提供的电源装置中，利用无刷直流电机103功率密度大的特点，通过无刷直流电机103的转动，带动惯量飞轮104和正弦波永磁发电机105进行同步旋转，正弦波永磁发电机105输出的正弦波信号通过电机内线圈切割磁场产生的，与斩波方式获取的正弦波相比，电流谐波极小。

在本发明中，正弦波永磁同步电动机的定子绕组采用三相对称的正弦分布绕组，或转子采用特殊形状的永磁体以确保气隙磁密沿空间呈正弦分布。这样，当电动机恒速运行时，定子三相绕组所感应的电势则为正弦波，正弦波永磁同步电动机由此而得名。参照图2至图4，转子结构有表面式、嵌入式、内置式三种基本形式。其中，图2所示为表面式转子结构，a)中永磁体为瓦片形，通过环氧树脂直接粘贴在转子铁芯表面，b)中永磁体为一整体的圆环形。图3中所示为嵌入式转子结构，永磁体嵌装在转子铁芯表面的槽中。图4所示为内置式转子结构，其中a)为永磁体径向充磁，b)为永磁体横向充磁。为产生正弦波感应电动势，在设置时应使气隙磁密尽可能呈正弦分布。例如，图2中表面式结构，转子磁钢表面抛物线形，采用平行充磁方式，定子用短距分布绕组或正弦绕组，来最大限度地抑制磁场对感应电动势波形的影响。

典型的正弦波永磁同步电动机是一种机电一体化电机，它不仅包括电机本身，而且还涉及位置传感器、电力电子变流器以及驱动电路等。位置传感器有旋转变压器、光电编码器等，用于获得转子的位置信息。但这些位置传感器的使用使得成本增加，而且降低了系统可靠性。因此，内置式永磁同步电机无位置传感器(interior permanent magnetsynchronous motor,IPMSM)矢量控制系统近年来成为研究的热点和重点。根据使用速度范围，现有内置式永磁同步电机无位置传感器控制方法可以有：适用于低速运行的控制方法，如高频注入法、齿槽谐波法等；适用于中高速运行的控制方法，如模型参考自适应法、滑模观测器法等。为了实现全速度范围内无位置传感器控制，可以将这两种方法进行结合，例如，在本发明的一种实现方式中，正弦波永磁同步电动机103的控制策略是通过将滑模观测器和高频电压信号注入法相结合，在无位置传感器IPMSM闭环矢量控制方式下平稳启动运行，并能在低速和高速运行场合获得较准确的转子位置观察信息。根据另一种实现方式，也可以将高频信号注入法和模型参考自适应法相结合，估算转子位置。利用上述方法在估算出转子位置后，使用矢量控制方法对电机进行控制，根据磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转，于是永磁转子就会跟随定子产生的旋转磁场同步旋转，能够实现在宽转速范围内可靠运行。

对正弦波永磁同步电动机103的另一种控制策略是直接转矩控制，通过检测到的定子电压的电流值，借助电机转矩和磁链的数学模型来计算得到电机的转矩和定子磁链，实现对电机瞬时磁链和转矩的直接控制。这种控制策略将电机和变换器作为一个整体，在静止两相坐标系下进行控制，省去了坐标旋转变换缓解，控制系统结构简单，提高了系统的动态响应速度。在直接转矩控制系统中，根据计算得到的转矩、磁链值与给定值的误差进行滞环控制，选取适当的电压空间矢量及其作用时间。但是该策略在低速时电机端电压较低，造成定子磁链模型的误差增加，调速范围也不够宽。本发明将正弦波永磁同步电动机103的两种控制策略进行组合，将两种控制策略的算法实现写入控制器中，并设置调节按钮，可以根据实际需要，选择相应的控制方式，提高便携式电源的应用灵活度。

本发明电源装置中的无刷直流电机103是消除了有刷直流电机中的电刷和机械换向器，在无刷直流电机中，直流电动机是反装的，也就是，永磁体磁极放在转子上，电枢绕组成为静止的定子绕组。为了使定子绕组中的电流方向能随其线圈边所在处的磁场极性交替变化，将定子绕组与电力电子器件构成的逆变器连接，并安装转子位置检测器，以检测转子磁极的空间位置，根据转子磁极的控制位置控制逆变器中的功率开关器件的通断，从而控制电枢绕组的导通情况以及绕组电流的方向。无刷直流电机中相数增多造成逆变器功率开关器件数量增多，电路较为复杂，成本也增高。关于无刷直流电机的控制技术较为成熟，PWM调制依然是其转速、电流调节中最常用的手段。

本发明中的惯量飞轮104是利用了飞轮储能的原理，飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。这种技术的特点是高功率密度、长寿命。飞轮本体是飞轮储能系统中的核心部件，作用是力求提高转子的极限角速度，减轻转子重量，最大限度地增加飞轮储能系统的储能量，目前多采用碳素纤维材料制作。飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，用物理方法实现储能。通过电动/发电互逆式双向电机，电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存，并通过调频、整流、恒压与不同类型的负载接口。

惯量飞轮104在储能时，电能通过电力转换器变换后驱动无刷直流电机103运行，无刷直流电机103带动惯量飞轮104加速转动，惯量飞轮104以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中；之后，无刷直流电机103维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号；释能时，高速旋转的惯量飞轮104拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程。整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。

惯量飞轮104主要包括转子系统、轴承系统和转换能量系统三个部分构成。飞轮转动时动能与飞轮的转动惯量成正比。而飞轮的转动惯量又正比于飞轮直径的2次方和飞轮的质量。即有J＝(0.5～1)*M*R^2，M为质量，R为直径，飞轮质量分布均匀时取0.5，质量完全集中在边缘时取1。当过于庞大、沉重的飞轮在高速旋转时，会受到极大的离心力作用，往往超过飞轮材料的极限强度，很不安全。因此，用增大飞轮转动惯量的方法来增加飞轮的动能是有限的。支撑转子的轴承，支撑转子运动，降低摩擦阻力，使整个装置则以最小损耗运行。轴承系统的性能直接影响飞轮储能系统的可靠性、效率和寿命。惯量飞轮104中采用磁悬浮系统，减少电机转子旋转时的摩擦，降低机械损耗，提高储能效率。一般而言，飞轮储能装置中有一个内置电机，它既是电动机也是发电机。在充电时，它作为电动机给飞轮加速；当放电时，它又作为发电机给外设供电，此时飞轮的转速不断下降；而当飞轮空闲运转时，整个装置则以最小损耗运行。在本发明中，无刷直流电机103与惯量飞轮104共轴连接，取代该内置电机。

旋转时的飞轮是纯粹的机械运动，飞轮在转动时的动能为：E＝1/2Jω/2，式中：J为飞轮的转动惯量，ω为飞轮旋转的角速度。

在本发明的实施例中，电池101采用3.7V-10Ah锂电池包；控制器102选用额定驱动电流为10A的无刷直流电机控制器；相应地无刷直流电机103选用额定转速为3000RPM，额定电流为10A的无刷直流电机；惯量飞轮104选用转动惯量为10gm2的飞轮，正弦波永磁电机105选用额定转速为3000RPM，额定电流为30A的正弦永磁同步电机。

本发明通过无刷直流电机103、惯量飞轮104与正弦波永磁发电机105共轴连接的设计，利用飞轮储能来抑制电气负载波动所产生的机械波动，降低输出信号在负载变动下的失真；利用正弦波永磁发电机，能够减少便携式交流电源的输出信号的电流谐波。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。