[發明專利]一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機及控制方法

有效

• 申請號: 201410381562.5
• 申請日: 2014-08-05
• 公開（公告）號: CN104184286B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發明（設計）人: 周云紅;孫玉坤
• 申請（專利權）人: 南京工程學院
• 主分類號: H02P25/08
• 分類號: H02P25/08
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司32224
• 代理人: 董建林

技術領域

本發明的一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機及控制方法，屬電機類領域。

背景技術

隨著動力短缺以及能源利用所造成環境問題的愈加嚴峻，太陽能光伏發電和風力發電因資源豐富，分布廣泛，取之不盡用之不竭而得到了迅猛發展。然而太陽能光伏發電和風力發電固有的間歇性和隨機性會對電力系統的安全運行帶來顯著影響，因此研究先進的儲能技術尤為迫切，其中飛輪儲能具有使用壽命長、儲能密度高、對環境無污染、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點，具有廣泛的應用前景。

磁懸浮開關磁阻電機利用徑向力由電機繞組產生轉子徑向懸浮所需的徑向懸浮力，可以在保留開關磁阻電機機械強度大、容錯能力強，運行效率和臨界轉速高等優點的基礎上，進一步消除機械軸承帶來的摩擦損耗，以及徑向磁拉力不平衡引起的轉子變形等問題，并且無需潤滑裝置。與采用磁軸承支撐的開關磁阻電機相比，以磁懸浮開關磁阻電機作為飛輪電機，可以有效縮小飛輪系統的體積和重量，尤其適用于飛輪慣量較小，但對系統體積和重量要求嚴格的場合。

韓國學者D.H.Lee和J.W.Ahn提出的單繞組混合定子磁懸浮開關磁阻電機，通過在定子上分別設置懸浮極和旋轉極來減弱懸浮力和轉矩之間的耦合；2011年發表于《Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers》的文獻“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磁阻電機，通過有限方法進行了初步分析，該電機主繞組與懸浮力繞組分別繞制在外定子和內定子上，二者磁通路徑相互獨立，可有效克服繞組之間的耦合影響。

2011年發表于《中國電機工程學報》的文獻“全周期無軸承磁懸浮開關磁阻發電機的設計”公布了一種磁懸浮開關磁阻全周期發電機，可彌補傳統周期性分時發電模式功率密度低的局限性，但電機內的懸浮和發電系統之間存在嚴重的非線性強耦合問題。申請號為201110313992.x的發明專利“一種磁懸浮開關磁阻發電機”和申請號為201210541096.3的發明專利“一種定子混合型短磁路磁懸浮開關磁阻發電機”均公布了一種混合定子型的磁懸浮開關磁阻發電機，其定子采用寬-窄極的混合結構，可以減弱發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。

申請號為200510040266.X的發明專利“無軸承開關磁阻起動發電機及控制方法”提出了一種無軸承開關磁阻起動發電機以及控制方法，減少了開關磁阻起動/發電機系統中的機械磨損，降低了電機噪聲，但是主繞組與副繞組同時疊繞，存在復雜的非線性強耦合影響，且兩套繞組有效工作區域互相牽制，限制了控制方法選擇的靈活性。申請號為201310637999.6的發明專利“一種雙定子磁懸浮開關磁阻啟動/發電機”提出了一種雙定子型的磁懸浮開關磁阻啟動/發電機，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，公布了啟動和發電的原理，啟動之后即根據發電要求進行發電控制，無法實現電動與發電狀態的反復切換。

申請號為201310652080.4的發明專利中公布的一種單繞組混合外轉子磁懸浮開關磁阻電機，采用凸極轉子和圓盤轉子的混合外轉子結構，通過徑向相對定子繞組的差動勵磁同時產生徑向懸浮力和電磁轉矩，徑向懸浮力與電磁轉矩之間仍存在耦合，因此徑向力和轉矩的解耦效果差；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矩進行分配，懸浮力控制和轉矩控制相互牽制；進一步地，圓盤外轉子部分將增長電機的軸向長度，導致電機體積增大，且限制了其臨界最高轉速。

發明內容

本發明的目的是將磁懸浮開關磁阻電機用于飛輪儲能系統中，作為飛輪的傳動電機?？朔鲜霈F有技術的不足，實現電動/發電功能與徑向懸浮功能解耦，有效縮小飛輪系統的體積，同時易于控制的目的。

本發明的技術方案是：一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機，包括內定子、轉子和外定子，內定子、轉子、外定子以同心方式依次嵌套，外定子內壁等間隔設置12個轉矩極(主繞組極)，轉矩極(主繞組極)上繞有主繞組；轉子的外壁上等間隔地設置8個轉子凸極(轉子極)，不繞有任何繞組；內定子的外壁上等間隔設置4個懸浮極(懸浮力繞組極)，懸浮極上繞有懸浮力繞組。主繞組負責產生電磁轉矩；懸浮力繞組負責產生徑向懸浮力。