阅读说明：本技术 轴向磁场飞轮脉冲同步发电机系统 (Axial magnetic field flywheel pulse synchronous generator system ) 是由 寇宝泉 张浩泉 张艳清 于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：轴向磁场飞轮脉冲同步发电机系统,属于电机和电力电子技术领域,为了解决现有飞轮脉冲发电机组轴系长、转速低,系统的功率密度低、能量密度低、体积重量大、可靠性低的问题。输入逆变器的输出端与轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机的输入功率绕组引出线相连,其输出功率绕组输出端同时与输出整流器的交流输入端和励磁电流调节单元相连；电机包括两个定子和一个转子,两个定子同轴对称设置在转子的两侧,定子和转子之间设有气隙；每个定子均包括定子铁心和两套多相电枢绕组,两套电枢绕组均嵌放在定子铁心槽中或均固定在定子铁心气隙面上,两个定子上的输入功率绕组的对应相串联。本发明的控制简单、效率高、电压调整率小、过载能力强、可靠性高。(An axial magnetic field flywheel pulse synchronous generator system belongs to the technical field of motors and power electronics and aims to solve the problems that an existing flywheel pulse generator set is long in shafting, low in rotating speed, low in power density, low in energy density, large in volume and weight and low in reliability. The output end of the input inverter is connected with an output wire of an input power winding of the axial magnetic field embedded permanent magnet rotor synchronous motor, and the output end of the output power winding is simultaneously connected with an alternating current input end of an output rectifier and an exciting current regulating unit; the motor comprises two stators and a rotor, the two stators are coaxially and symmetrically arranged on two sides of the rotor, and an air gap is arranged between the stators and the rotor; each stator comprises a stator core and two sets of multiphase armature windings, the two sets of armature windings are embedded in a stator core slot or fixed on a stator core air gap surface, and the input power windings on the two stators are correspondingly connected in series. The invention has the advantages of simple control, high efficiency, small voltage regulation rate, strong overload capacity and high reliability.)

轴向磁场飞轮脉冲同步发电机系统

技术领域

本发明涉及轴向磁场飞轮脉冲同步发电机系统，属于电机和电力电子技术领域。

背景技术

飞轮脉冲发电机是利用轴系的大惯量存储能量、同轴电动/发电机实现机电能量转换的一种飞轮储能装置。目前投入应用或正在开发的飞轮储能装置有两种类型：第一种是储能与释能功率等级相当，可用一台电机交替实现电动和发电功能，中小容量的磁悬浮飞轮储能系统为这一类型，具有结构紧凑、效率高等特点，一般用作飞轮电池；第二种是储能功率比释能功率小一个数量级以上，由两台电机分别实现电动和发电功能，大容量交流脉冲发电机组为这一类型，以小功率、长时间存储能量，大功率、短时间释放能量，一般用作大容量脉冲电源，可应用于受控核聚变试验、核***模拟、强流粒子束加速器、高功率脉冲激光器、高功率微波、等离子体和电磁发射技术等领域。

常用飞轮脉冲发电机系统的结构如图1所示。系统的基本工作原理为：当系统充电时，由外部电网给系统提供能量，经由电力电子器件构成的功率变换器控制并驱动电机，带动飞轮高速旋转，达到并保持在恒定高速运行，以动能的方式储存所需能量，完成从电能到机械能的转换和能量存储。当脉冲负载需要供电时，将高速旋转运行的飞轮当成原动机带动电机发电运行，经过电力电子变换器输出适合脉冲负载的电压与电流，完成能量转换过程。

现有的脉冲发电机组通常采用“电动机—飞轮—发电机”的结构形式。驱动电动机通常采用三相感应电动机，而脉冲发动机通常采用多相隐极同步发电机，电动机与发电机同轴旋转，惯性飞轮安装在发电机转轴上。飞轮和发电机采用刚性联轴器联接，电动机和飞轮采用柔性联接，机组有多个轴承来支撑转子。

但是，该飞轮脉冲发电机组存在如下缺点：整个机组的轴系长、转速低，系统的功率密度低、能量密度低、体积重量大；脉冲发电机的转子上有励磁绕组，采用多级旋转整流器励磁，系统的可靠性低、成本高，不适合用于移动平台中。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有飞轮脉冲发电机组轴系长、转速低，系统的功率密度低、能量密度低、体积重量大、可靠性低的问题，从而提供轴向磁场飞轮脉冲同步发电机系统。

本发明的第一种轴向磁场飞轮脉冲同步发电机系统，包括输入逆变器、轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机、输出整流器和励磁电流调节单元；

输入逆变器的输出端与轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机的输入功率绕组引出线相连，轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机的输出功率绕组输出端同时与输出整流器的交流输入端和励磁电流调节单元相连；

轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机包括两个定子和一个转子，两个定子同轴对称设置在转子的两侧，定子和转子之间设有气隙；每个定子均包括定子铁心14和两套多相电枢绕组15，两套多相电枢绕组15分别为输入功率绕组和输出功率绕组，两套电枢绕组15均嵌放在定子铁心槽中或均固定在定子铁心气隙面上，两个定子上的输入功率绕组的对应相串联；

转子包括转子基板11、永磁体12和导磁体13；转子基板11为圆环形，由非磁性材料构成，转子基板11上靠近外圆周侧开2P个轴向通孔组，P为电机的极对数，每个轴向通孔组的2n+1个轴向通孔沿圆周方向均匀排列，n为正整数，每个通孔中均嵌放一块永磁体12；永磁体12沿轴向充磁，每个通孔组中永磁体12的充磁方向相同，相邻通孔组中永磁体12的充磁方向相反；每个通孔组的径向外侧和/或径向内侧，开有嵌放导磁体13的轴向通孔，该轴向通孔中嵌放导磁体13；每条转子磁极中心线处导磁体13的径向厚度大于转子磁极极间处导磁体13的径向厚度。

本发明的第二种轴向磁场飞轮脉冲同步发电机系统，包括输入逆变器、轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机、输出整流器和励磁电流调节单元；

输入逆变器的输出端与轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机的输入功率绕组引出线相连，轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机的输出功率绕组输出端同时与输出整流器的交流输入端和励磁电流调节单元相连；

轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机包括两个定子和一个转子，两个定子同轴对称设置在转子的两侧，定子和转子之间设有气隙；每个定子均包括定子铁心和两套多相电枢绕组，两套多相电枢绕组分别为输入功率绕组和输出功率绕组，两套电枢绕组均嵌放在定子铁心槽中或均固定在定子铁心气隙面上，两个定子上的输入功率绕组的对应相串联；

转子包括转子基板、永磁体和导磁体；转子基板为圆环形，由非磁性材料构成，转子基板上靠近外圆周侧开2P个轴向通孔组，P为电机的极对数，每个轴向通孔组的2n+1个轴向通孔沿圆周方向均匀排列，n为正整数，每个通孔中均嵌放一块永磁体和导磁体；永磁体沿轴向充磁，每个通孔组中永磁体的充磁方向相同，相邻通孔组中永磁体的充磁方向相反；导磁***于永磁体的径向两侧、永磁体的周向两侧或永磁体的四周。

本发明的第三种轴向磁场飞轮脉冲同步发电机系统，包括输入逆变器、轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机、输出整流器和励磁电流调节单元；

输入逆变器的输出端与轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机的输入功率绕组引出线相连，轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机的输出功率绕组输出端同时与输出整流器的交流输入端和励磁电流调节单元相连；

轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机包括两个定子和一个转子，两个定子同轴对称设置在转子的两侧，定子和转子之间设有气隙；每个定子均包括定子铁心和两套多相电枢绕组，两套多相电枢绕组分别为输入功率绕组和输出功率绕组，两套电枢绕组均嵌放在定子铁心槽中或均固定在定子铁心气隙面上，两个定子上的输入功率绕组的对应相串联；

转子包括转子基板和永磁体；转子基板为圆环形，由实心磁性材料构成，转子基板上靠近外圆周侧开2P个轴向通孔组，P为电机的极对数，每个轴向通孔组的2n+1个轴向通孔沿圆周方向均匀排列，n为正整数，每个通孔中均嵌放一块永磁体；永磁体沿轴向充磁，每个通孔组中永磁体的充磁方向相同，相邻通孔组中永磁体的充磁方向相反；永磁体的厚度不等，使得每条转子磁极中心线位置处的气隙长度小于转子相邻两磁极中心线中间位置处的气隙长度。

本发明的第四种轴向磁场飞轮脉冲同步发电机系统，包括输入逆变器、轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机、输出整流器和励磁电流调节单元；

输入逆变器的输出端与轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机的输入功率绕组引出线相连，轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机的输出功率绕组输出端同时与输出整流器的交流输入端和励磁电流调节单元相连；

轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机包括两个定子和一个转子，两个定子同轴对称设置在转子的两侧，定子和转子之间设有气隙；每个定子均包括定子铁心24和两套多相电枢绕组，两套多相电枢绕组分别为输入功率绕组25和输出功率绕组26；

输出功率绕组26嵌放在定子铁心24径向外圆周侧槽中，输入功率绕组25嵌放在定子铁心24径向内圆周侧槽中；或，输出功率绕组26固定在定子铁心24径向外圆周侧气隙面上，输入功率绕组25固定在定子铁心24径向内圆周侧气隙面上；

转子包括转子基板21、永磁体22和导磁体23；转子基板21为圆环形，由非磁性材料构成，转子基板21上靠近外圆周侧开2P个轴向通孔组一，P为电机的极对数，每个轴向通孔组一的2n+1个轴向通孔沿圆周方向均匀排列，n为正整数，通孔一中嵌放永磁体22；永磁体22沿轴向充磁，每个通孔组一中永磁体22的充磁方向相同，相邻通孔组一中永磁体22的充磁方向相反；每个通孔组一的径向外侧，开有嵌放导磁体23的轴向通孔，该轴向通孔中嵌放导磁体23；每条转子磁极中心线处导磁体23的径向厚度大于转子磁极极间处导磁体23的径向厚度；转子基板21上靠近内圆周侧开2P个轴向通孔组二，每个轴向通孔组二的2j+1个轴向通孔沿圆周方向均匀排列，j为正整数；通孔二中嵌放永磁体22，永磁体22沿轴向充磁，每个通孔组二中永磁体22的充磁方向相同，相邻通孔组二中永磁体22的充磁方向相反；转子基板21上靠近外圆周侧永磁体磁极与输出功率绕组26相对应，转子基板21上靠近内圆周侧永磁体磁极与输入功率绕组25相对应。

根据本发明的第一、第二或第三种轴向磁场飞轮脉冲同步发电机系统，输入功率绕组和输出功率绕组沿轴向重叠，或，输入功率绕组和输出功率绕组沿定子铁心的圆周方向非重叠分布。

根据本发明的任意一种轴向磁场飞轮脉冲同步发电机系统，两个定子上的输出功率绕组分别与输出整流器相连，或，两个定子上的输出功率绕组的对应相串联后再与输出整流器相连。

根据本发明的任意一种轴向磁场飞轮脉冲同步发电机系统，转子磁极中心线位置处永磁体的剩磁或矫顽力最高，由转子磁极中心线向两侧永磁体的剩磁或矫顽力逐渐递减；位于转子磁极中心线位置处永磁体磁化方向的厚度最大，由转子磁极中心线向两侧永磁体磁化方向的厚度逐渐递减；转子磁极中心线位置处永磁体的圆周方向宽度最大，由转子磁极中心线向两侧永磁体的圆周方向宽度逐渐递减。

根据本发明的任意一种轴向磁场飞轮脉冲同步发电机系统，两个定子上的输出功率绕组的对应相轴线之间沿圆周方向相差30°电角度。

根据本发明的任意一种轴向磁场飞轮脉冲同步发电机系统，励磁电流调节单元包括控制器、多相电容器组和多相可控饱和电抗器组；

多相电容器组中的每一相电容器一端相连，另一端与输出功率绕组输出端对应相连，多相电容器组和多相可控饱和电抗器组并联，多相可控饱和电抗器组的直流绕组与控制器相连，多相可控饱和电抗器组的交流绕组星型连接。

根据本发明的任意一种轴向磁场飞轮脉冲同步发电机系统，励磁电流调节单元包括多相电容器组和多相开关电抗器组；

多相电容器组中每一相电容器的一端相连，另一端与输出功率绕组输出端对应相连；多相开关电抗器组包括多相电抗器组和多相交流短路开关，多相电抗器组与多相电容器组相并联，多相电抗器组中每相电抗器的一端连接在一起，每相电抗器由两个电抗器串联而成，多相交流短路开关每一相的一端连接在一起，另一交流端分别对应连接在每相电抗器的两个电抗器之间。

根据本发明的任意一种轴向磁场飞轮脉冲同步发电机系统，励磁电流调节单元包括多相主电容器组、多相开关电容器组和多相开关电抗器组；

多相主电容器组中每一相电容器的一端相连，另一端与输出功率绕组输出端对应连接；多相开关电容器组与多相电容器组并联，多相开关电容器组的每一相由电容器和交流短路开关组成，所有交流短路开关的一端连接在一起；多相开关电抗器组包括多相电抗器组和多相交流短路开关组，多相电抗器组与多相开关电容器组并联，多相电抗器组中每相电抗器的一端连接在一起，每相电抗器由两个电抗器串联而成，多相交流短路开关组中每一相的交流短路开关一端连接在一起，另一交流端分别对应连接在每相电抗器的两个电抗器之间。

本发明的有益效果：本发明的发电机采用永磁体励磁，采用励磁电流调节单元进行气隙磁场控制，保证发电机在负载及转速变化状态下输出电压保持恒定。转子铁心采用实心结构，结构简单、强度高，电机的轴向尺寸小、重量轻，适合高速运行；本发明将飞轮与转子合二为一，机组轴系短、功率密度和能量密度高；转子上没有电刷和滑环，系统结构简单、可靠性高，成本低，维护方便；通过控制励磁电流调节单元输出无功电流的大小即可实现系统的输出电压调节，控制容易，励磁功率小，发电机系统过载能力强，具有较宽的电压调节能力或宽范围变速恒压输出能力。

本发明具有控制简单、效率高、电压调整率小、过载能力强和可靠性高等特点，可用作大容量脉冲电源，在核聚变试验技术、等离子体和电磁发射技术等领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1是现有飞轮脉冲发电机系统的结构框图；

图2是

具体实施方式

一所述的轴向磁场飞轮脉冲同步发电机系统的结构示意图；

图3是具体实施方式一中的定子的结构示意图；

图4是具体实施方式一中的转子的结构示意图；

图5是具体实施方式二所述的轴向磁场飞轮脉冲同步发电机系统的结构示意图；

图6是具体实施方式二中的定子的结构示意图；

图7是具体实施方式二中的转子的结构示意图；

图8是具体实施方式三中的励磁电流调节单元的电路原理图；

图9是具体实施方式四中的励磁电流调节单元的电路原理图；

图10是具体实施方式五中的励磁电流调节单元的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图2至图4具体说明本实施方式，本实施方式的一种轴向磁场飞轮脉冲同步发电机系统，包括输入逆变器、轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机、输出整流器和励磁电流调节单元；

输入逆变器的输出端与轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机的输入功率绕组引出线相连，轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机的输出功率绕组输出端同时与输出整流器的交流输入端和励磁电流调节单元相连；

轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机包括两个定子和一个转子，两个定子同轴对称设置在转子的两侧，定子和转子之间设有气隙；每个定子均包括定子铁心14和两套多相电枢绕组15，两套多相电枢绕组15分别为输入功率绕组和输出功率绕组，两套电枢绕组15均固定在定子铁心气隙面上，两个定子上的输入功率绕组的对应相串联；

转子包括转子基板11、永磁体12和导磁体13；转子基板11为圆环形，由非磁性材料构成，转子基板11上靠近外圆周侧开6个轴向通孔组，每个轴向通孔组的3个轴向通孔沿圆周方向均匀排列，每个通孔中均嵌放一块永磁体12；永磁体12沿轴向充磁，每个通孔组中永磁体12的充磁方向相同，相邻通孔组中永磁体12的充磁方向相反；每个通孔组的径向外侧和径向内侧，开有嵌放导磁体13的轴向通孔，该轴向通孔中嵌放导磁体13；每条转子磁极中心线处导磁体13的径向厚度大于转子磁极极间处导磁体13的径向厚度。

具体实施方式二、结合图5至图7具体说明本实施方式，本实施方式的一种轴向磁场飞轮脉冲同步发电机系统，包括输入逆变器、轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机、输出整流器和励磁电流调节单元；

输入逆变器的输出端与轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机的输入功率绕组引出线相连，轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机的输出功率绕组输出端同时与输出整流器的交流输入端和励磁电流调节单元相连；

轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机包括两个定子和一个转子，两个定子同轴对称设置在转子的两侧，定子和转子之间设有气隙；每个定子均包括定子铁心24和两套多相电枢绕组，两套多相电枢绕组分别为输入功率绕组25和输出功率绕组26；

输出功率绕组26固定在定子铁心24径向外圆周侧气隙面上，输入功率绕组25固定在定子铁心24径向内圆周侧气隙面上；

转子包括转子基板21、永磁体22和导磁体23；转子基板21为圆环形，由非磁性材料构成，转子基板21上靠近外圆周侧开6个轴向通孔组一，每个轴向通孔组一的3个轴向通孔沿圆周方向均匀排列，通孔一中嵌放永磁体22；永磁体22沿轴向充磁，每个通孔组一中永磁体22的充磁方向相同，相邻通孔组一中永磁体22的充磁方向相反；每个通孔组一的径向外侧，开有嵌放导磁体23的轴向通孔，该轴向通孔中嵌放导磁体23；每条转子磁极中心线处导磁体23的径向厚度大于转子磁极极间处导磁体23的径向厚度；转子基板21上靠近内圆周侧开6个轴向通孔组二，，每个轴向通孔组二的3个轴向通孔沿圆周方向均匀排列；通孔二中嵌放永磁体22，永磁体22沿轴向充磁，每个通孔组二中永磁体22的充磁方向相同，相邻通孔组二中永磁体22的充磁方向相反；转子基板21上靠近外圆周侧永磁体磁极与输出功率绕组26相对应，转子基板21上靠近内圆周侧永磁体磁极与输入功率绕组25相对应。

具体实施方式三、结合图8具体说明本实施方式，上述任一实施方式中的励磁电流调节单元，包括控制器、多相电容器组和多相可控饱和电抗器组；

多相电容器组中的每一相电容器一端相连，另一端与输出功率绕组输出端对应相连，多相电容器组和多相可控饱和电抗器组并联，多相可控饱和电抗器组的直流绕组与控制器相连，多相可控饱和电抗器组的交流绕组星型连接。

图中Qin为励磁电流调节单元输入功率，即轴向磁场内嵌永磁体转子同步电机的输出功率绕组输出功率；Q_L为励磁电流调节单元输出功率，即负载功率；Q_C为电容提供的无功功率，Q_SR为可控饱和电抗器功率，I_K为控制电流，U_K为控制电压。图8中通过对变量的调节实现对等效电容值的改变。

具体实施方式四、结合图9具体说明本实施方式，具体实施方式一或二中的励磁电流调节单元包括多相电容器组和多相开关电抗器组；

多相电容器组中每一相电容器的一端相连，另一端与输出功率绕组输出端对应相连；多相开关电抗器组包括多相电抗器组和多相交流短路开关，多相电抗器组与多相电容器组相并联，多相电抗器组中每相电抗器的一端连接在一起，每相电抗器由两个电抗器串联而成，多相交流短路开关每一相的一端连接在一起，另一交流端分别对应连接在每相电抗器的两个电抗器之间。

具体实施方式五、结合图10具体说明本实施方式，具体实施方式一或二中的励磁电流调节单元包括多相主电容器组、多相开关电容器组和多相开关电抗器组；

多相主电容器组中每一相电容器的一端相连，另一端与输出功率绕组输出端对应连接；多相开关电容器组与多相电容器组并联，多相开关电容器组的每一相由电容器和交流短路开关组成，所有交流短路开关的一端连接在一起；多相开关电抗器组包括多相电抗器组和多相交流短路开关组，多相电抗器组与多相开关电容器组并联，多相电抗器组中每相电抗器的一端连接在一起，每相电抗器由两个电抗器串联而成，多相交流短路开关组中每一相的交流短路开关一端连接在一起，另一交流端分别对应连接在每相电抗器的两个电抗器之间。