阅读说明：本技术 径向同轴一体式高功率密度惯性储能脉冲电源系统 (Radial coaxial integrated high-power-density inertial energy storage pulse power supply system ) 是由 吴绍朋 吴松霖 徐杰 宗影影 周锦阳 崔淑梅 于 2019-10-24 设计创作，主要内容包括：径向同轴一体式高功率密度惯性储能脉冲电源系统,涉及惯性储能脉冲电源技术领域。本发明是为了解决现有传统的惯性储能脉冲电源系统,原动机和脉冲发电机之间通过联轴节机械连接,导致轴向长度大、机械噪音大、功率密度低、可靠性差,并且传统系统的电枢绕组采用铜线制成,放电时电枢绕组会产生瞬态大电流以致损坏电枢绕组的问题。内定子、转子和外定子从内向外同轴嵌套,内定子与转子之间存在气隙,外定子与转子之间存在气隙；电动机电枢绕组和发电机电枢绕组均由铜基碳纳米管导线制成。它作为脉冲电源。(Radial coaxial integral type high power density inertia energy storage pulse power supply system relates to inertia energy storage pulse power supply technical field. The invention aims to solve the problems that in the existing traditional inertial energy storage pulse power supply system, a prime motor and a pulse generator are mechanically connected through a coupling, so that the axial length is large, the mechanical noise is large, the power density is low, and the reliability is poor, and an armature winding of the traditional system is made of copper wires and can generate transient large current during discharging so as to damage the armature winding. The inner stator, the rotor and the outer stator are coaxially nested from inside to outside, an air gap exists between the inner stator and the rotor, and an air gap exists between the outer stator and the rotor; the motor armature winding and the generator armature winding are both made of copper-based carbon nanotube wires. It acts as a pulsed power supply.)

径向同轴一体式高功率密度惯性储能脉冲电源系统

技术领域

本发明涉及脉冲发电机电源系统，属于惯性储能脉冲电源技术领域。

背景技术

脉冲发电机，作为一种惯性储能脉冲电源，采用原动机进行拖动运转。脉冲发电机集惯性储能、机电能量转换和功率调节于一体，具有“单元件”的综合性优势。具有高能量密度、高功率密度、适合重复放电、脉冲波形调节灵活等优点，在军事、工业和民用领域有着广泛的应用前景。

对于传统的惯性储能脉冲电源系统，原动机和脉冲发电机之间通过联轴节机械连接，放电时，产生的瞬时冲击会加大机械噪音，增大联轴节损坏的风险，增加维护成本，降低了电源系统的安全性和可靠性。

脉冲发电机放电时，电枢绕组流过瞬时强电流，较大的铜损会使得绕组在极短时间内产生高温升，传统导线的热容量和绝缘材料的绝缘等级都制约着电流的峰值和脉宽，传统冷却结构快速散热能力有限、高速运行下散热条件差也都限制了电机的输出能力、连发能力以及功率密度、储能密度的进一步提高。同时放电瞬间，瞬时电流所带来强冲击转矩也会对无槽电枢绕组产生冲击，对绕组的强度也是一个极大的考验。

发明内容

本发明是为了解决现有传统的惯性储能脉冲电源系统，原动机和脉冲发电机之间通过联轴节机械连接，导致轴向长度大、机械噪音大、功率密度低、可靠性差，并且传统系统的电枢绕组采用铜线制成，放电时电枢绕组会产生瞬态大电流以致损坏电枢绕组的问题。现提供径向同轴一体式高功率密度惯性储能脉冲电源系统。

径向同轴一体式高功率密度惯性储能脉冲电源系统，所述系统包括外定子、内定子和转子，

内定子、转子和外定子从内向外同轴嵌套，内定子与转子之间存在气隙，外定子与转子之间存在气隙；

内定子包括电动机定子固定轴1、电动机定子背轭2、电动机叠片定子铁芯3和电动机电枢绕组4，

转子包括转子内侧碳纤维支撑体5和多个永磁体7，

电动机定子背轭2固定在电动机定子固定轴1的外圆周面上，电动机定子背轭2的外圆周面上套有电动机叠片定子铁芯3，电动机叠片定子铁芯3的外表面沿周向均匀设有多个齿，齿上绕制有电动机电枢绕组4，电动机叠片定子铁芯3的外圆周面套有转子内侧碳纤维支撑体5，转子内侧碳纤维支撑体5的外圆周面上沿周向均布有多个永磁体7，相邻两个永磁体7的极性相反；

外定子包括发电机碳纤维支撑体10、发电机电枢绕组11和发电机定子轭12，

发电机碳纤维支撑体10同时套接在多个永磁体7的外圆周面上，发电机碳纤维支撑体10的外表面沿周向均匀开设多个支撑齿，支撑齿上绕制有发电机电枢绕组11，发电机电枢绕组11的外部套接有发电机定子轭12；

电动机电枢绕组4和发电机电枢绕组11均由铜基碳纳米管导线制成。

优选的，转子还包括永磁体极间填充物6，

相邻两个永磁体7之间通过永磁体极间填充物6进行填充。

优选的，转子还包括补偿筒8和转子外侧碳纤维绑带9，

永磁体7与发电机碳纤维支撑体10之间设置有补偿筒8和转子外侧碳纤维绑带9，

转子外侧碳纤维绑带9套在补偿筒8的外圆周面上。

优选的，所述系统还包括外壳13，

外壳13套在发电机定子轭12的外圆周面上。

优选的，发电机电枢绕组11包括A相电枢绕组11-1和B相电枢绕组11-2，A相电枢绕组11-1和B相电枢绕组11-2交替排列。

本发明的有益效果为：

本发明提出电动机和发电机共用同轴转子的发明思想，大大简化系统结构，降低轴向长度，消除电动机和发电机之间的联轴节，降低机械噪音，降低整个电源系统的体积和质量，提高功率密度和可靠性。内定子和外定子共用一个转子，转子采用永磁方案，可取消电刷和滑环，提高系统的可靠性，并有利于转子的高速化运行，进一步提高功率密度。

另外，本申请中电动机和发电机内的电枢绕组均采用铜基碳纳米管导线制成，因为铜基碳纳米管复合材料(铜和碳纳米管的复合材料，Copper-Carbon Nanotubes，简称Cu-CNTs)具有极好的特性，电子迁移速率高，可容纳最大电流密度大，导电率10倍于纯铜，电流容量100倍于纯铜，热传导率10倍于纯铜，强度是铜的300倍，质量密度仅为铜的1/4-1/6，具有极低的电阻温度系数，无集肤效应和邻近效应。铜基碳纳米管导线具有高电导率、低电阻温度系数、质量密度低、高强度以及高载流量等优点，与脉冲发电机的特殊应用工况十分吻合。本申请的内定子和外定子上的电枢绕组均用铜基碳纳米管导线制成，采用铜基碳纳米管导线制成多股绞线(利兹线)来降低绕组导体之间涡流损耗，可大幅提高脉冲发电机放电能力，提高脉冲发电机的重复放电频率。发电机放电时，绕组流过瞬时大电流，导线材料的热容量与电阻率制约着电流峰值和脉宽，限制了电机的输出能力，因此引入铜基碳纳米管导线可增加绕组载流量、降低绕组损耗与电机质量以及体积，可大幅提高发电机通流能力，增强绕组强度和耐冲击能力，降低损耗和发热，降低电机质量，获得更高的功率密度。

附图说明

图1为

具体实施方式

一所述的径向同轴一体式高功率密度惯性储能脉冲电源系统的结构图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的径向同轴一体式高功率密度惯性储能脉冲电源系统，所述系统包括外定子、内定子和转子，

内定子、转子和外定子从内向外同轴嵌套，内定子与转子之间存在气隙，外定子与转子之间存在气隙；

内定子包括电动机定子固定轴1、电动机定子背轭2、电动机叠片定子铁芯3和电动机电枢绕组4，

转子包括转子内侧碳纤维支撑体5和多个永磁体7，

电动机定子背轭2固定在电动机定子固定轴1的外圆周面上，电动机定子背轭2的外圆周面上套有电动机叠片定子铁芯3，电动机叠片定子铁芯3的外表面沿周向均匀设有多个齿，齿上绕制有电动机电枢绕组4，电动机叠片定子铁芯3的外圆周面套有转子内侧碳纤维支撑体5，转子内侧碳纤维支撑体5的外圆周面上沿周向均布有多个永磁体7，相邻两个永磁体7的极性相反；

外定子包括发电机碳纤维支撑体10、发电机电枢绕组11和发电机定子轭12，

发电机碳纤维支撑体10同时套接在多个永磁体7的外圆周面上，发电机碳纤维支撑体10的外表面沿周向均匀开设多个支撑齿，支撑齿上绕制有发电机电枢绕组11，发电机电枢绕组11的外部套接有发电机定子轭12；

电动机电枢绕组4和发电机电枢绕组11均由铜基碳纳米管导线制成。

本实施方式中，本申请的发电机和电动机上的电枢绕组均采用铜基碳纳米管导线，从根本上降低绕组损耗以减小绕组发热。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的径向同轴一体式高功率密度惯性储能脉冲电源系统作进一步说明，本实施方式中，转子还包括永磁体极间填充物6，

相邻两个永磁体7之间通过永磁体极间填充物6进行填充。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的径向同轴一体式高功率密度惯性储能脉冲电源系统作进一步说明，本实施方式中，转子还包括补偿筒8和转子外侧碳纤维绑带9，

永磁体7与发电机碳纤维支撑体10之间设置有补偿筒8和转子外侧碳纤维绑带9，转子外侧碳纤维绑带9套在补偿筒8的外圆周面上。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的径向同轴一体式高功率密度惯性储能脉冲电源系统作进一步说明，本实施方式中，所述系统还包括外壳13，

外壳13套在发电机定子轭12的外圆周面上。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的径向同轴一体式高功率密度惯性储能脉冲电源系统作进一步说明，本实施方式中，发电机电枢绕组11包括A相电枢绕组11-1和B相电枢绕组11-2，A相电枢绕组11-1和B相电枢绕组11-2交替排列。

本申请的工作原理：

本申请的结构将电动机和发电机集于一体，电动机和发电机共用同一个转子和同一磁路。结构内侧为电动机，外侧为发电机，以四极三相永磁同步电动机、四极两相永磁补偿脉冲发电机为例，通过变频器对四极三相永磁同步电动机的三相绕组施加三相对称电流生成旋转磁场，在与转子结构上的永磁体磁场相互作用使得转子开始转动；当转子加速到一定转速后，将为电动机内的三相绕组供电的变频器切除(转子会在惯性作用下继续旋转)，触发四极两相永磁补偿脉冲发电机内的电枢绕组放电回路，从而对脉冲负载放电；在一定放电次数后切断放电回路，再给电动机内的三相绕组加载电流，进而给转子加速以达到额定转速需求，而后四极两相永磁补偿脉冲发电机再向脉冲负载放电，如此循环工作。所述结构共用一个磁路，电机磁场回路为：永磁体N极→发电机定子铁芯→永磁体S极→电动机定子铁芯→永磁体N极。

该结构是将电动机、发电机和铜基碳纳米导线结合在一起，以电动机和发电机同轴径向排布，内侧为电动机，外部为发电机，共用同一转子结构和磁路，从内到外分别是电动机定子-气隙-转子-气隙-发电机定子；为电动机通电带动转子旋转，外侧发电机电枢绕组中感应反电势，再将发电机电枢绕组与脉冲负载连接放电。