[發明專利]杯形繞組永磁同步電機、儲能飛輪及方法

有效

• 申請號: 202110461404.0
• 申請日: 2021-04-27
• 公開（公告）號: CN113131705B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 徐衍亮;孫銘鑫
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H02K21/22
• 分類號: H02K21/22;H02K3/47;H02K3/28;H02K1/2786;H02K7/02
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李圣梅

1.杯形繞組永磁同步電機，其特征是，所述同步電機集電動機和發電機為一體，工作在電動和發電兩種狀態，實現電動、發電的互逆運行，包括：

外轉子、杯形繞組和內轉子，所述杯形繞組置于內外轉子之間的空腔內，所述外轉子包括外轉子軛，所述內轉子包括內轉子軛，外轉子和杯形繞組以及杯形繞組和內轉子之間均留有氣隙；所述外轉子由一個外轉子軛和沿圓周方向分布的N極、S極交錯排列的多極永磁體構成，其中永磁體按要求的磁極極數均勻分布于外轉子軛的內表面；將每極永磁體沿軸向及周向分成數個小塊，再粘接到一起后再整體徑向充磁；所述內轉子為永磁內轉子，由內轉子軛和其外側的沿圓周方向N極、S極交錯排列均勻分布的多極永磁體構成；

所述電機應用于大容量儲能飛輪中，進行機電能量轉換；飛輪轉子端面開出環形空腔，利用導磁飛輪轉子當做外轉子軛及內轉子，將杯形繞組和永磁體放置在飛輪轉子端面所開出的環形空腔內，導磁飛輪轉子永磁體的軸向長度大于繞組線圈直線部分長度，即除線圈直線部分的電樞鐵心有效長度外，利用繞組線圈端部部分與永磁體相互作用產生電動勢；

所述永磁體的安裝方式為：將永磁體先置于一個導磁圓筒內壁上，然后整體置于飛輪轉子端面所開空腔的外周的內壁上；外轉子軛與導磁套筒之間的機械配合方式為過盈配合；

所述內轉子軛與外轉子軛同步旋轉，均為大飛輪轉子的一部分，利用導磁飛輪轉子當做外轉子軛及內轉子；

所述杯形繞組由電機定子電樞繞組經環氧樹脂固化而成，將繞組繞制在由不導磁不導電的材料制成的定子支架上，并利用環氧樹脂填充，最后整體固定于電機上端的支承盤上；

所述杯形繞組通過螺栓將環氧樹脂填充后的繞組線圈和定子支架分別與一不導磁扣環固定，扣環扣在環氧樹脂填充的繞組外側并放置在定子支架上端，側端通過軸徑向螺栓與環氧樹脂填充后的繞組線圈固定，底部通過軸向螺栓與定子支架固定，上部通過軸向螺栓和卡槽與上端支承盤固定；

所述上端的支撐盤外周固定于飛輪定子機殼內周，上端支撐盤的內周與上徑向磁軸承的外周固定，底部通過螺栓和卡槽與繞組固定扣環連接；

在已知儲能飛輪的飛輪轉子鍛鋼、飛輪機殼以及磁懸浮軸承部件尺寸關系的基礎上，確定電機在飛輪系統里的位置及尺寸，安裝時采用模塊化裝配思路，立式安裝，安裝順序先中間杯形繞組，再根據繞組的軸向高度確定永磁體安裝位置，最后根據兩者尺寸確定飛輪轉子需開出的空腔大小。

2.如權利要求1所述的杯形繞組永磁同步電機，其特征是，每極永磁體為扇型結構，徑向充磁。

3.如權利要求1所述的杯形繞組永磁同步電機，其特征是，電機外轉子軛所用材料為導磁的飛輪鋼，扇形永磁體由性能優異的稀土永磁材料制成。

4.如權利要求1所述的杯形繞組永磁同步電機，其特征是，所述永磁體扇型結構，每極永磁體分塊后整體徑向充磁，由稀土永磁材料制作而成。

5.如權利要求1所述的杯形繞組永磁同步電機，其特征是，所述內轉子軛所用材料也為導磁的飛輪鋼。

6.一種儲能飛輪，其特征是，所述儲能飛輪采用上述權利要求1-5任一所述的永磁同步電機進行機電能量轉換；

所述電機置于飛輪轉子上端面開出的環形空腔內，利用導磁飛輪轉子當做外轉子軛及內轉子，將杯形繞組放置于空腔中；

所述導磁飛輪轉子永磁體的軸向長度大于繞組線圈直線部分長度，即除線圈直線部分的電樞鐵心有效長度外，利用繞組線圈端部部分與永磁體相互作用產生電動勢。

7.權利要求1-5任一所述的杯形繞組永磁同步電機的工作方法，其特征是，包括：

主磁路氣隙包括外轉子永磁體與杯形繞組之間的外氣隙和杯形繞組與內轉子之間的內氣隙；

永磁磁通依次經過外轉子永磁體、外氣隙、繞組、內氣隙、內轉子永磁體、內轉子軛、相鄰內轉子永磁體、內氣隙、繞組、外氣隙、相鄰外轉子永磁體、外轉子軛，最后回到原外轉子永磁體形成閉合回路。

8.如權利要求7所述的工作方法，其特征是，沿圓周方向相鄰兩個永磁體極性相反，當原動機轉子旋轉時，永磁磁極作為轉子產生同步旋轉磁場，三相定子繞組在旋轉磁場的作用下通過電樞反應，感應出三相對稱電流，此時轉子動能轉化為電能，永磁同步電機作發電機使用；

當定子繞組通入三相對稱交流電時，由于三相定子繞組在空間位置上互差120°，所以三相定子電流在空間中產生同步速旋轉磁場，與永磁體產生的磁場相互作用，產生同步電磁轉矩，轉子同步旋轉磁場中受到電磁力作用，會產生相對運動，進而驅動電機旋轉，此時電機電能轉化為轉子動能，永磁同步電機作電動機使用。