一种飞轮储能用双铁心同极性感应子电机电磁结构

1.本发明属于电气工程领域，涉及一种飞轮储能用双铁心同极性感应子电机电磁结构。


背景技术：

2.飞轮储能系统具有环境友好、功率密度大、使用寿命长和放电深度深等优点，广泛应用在不间断电源、大功率脉冲电源、电网调频和轨道交通等领域；有些飞轮储能系统中采用具有空载损耗低的双铁心感应子电机来实现飞轮储能系统机械能和电能之间的能量转换。
3.双铁心同极性感应子电机转子的转动惯量大，飞轮储能系统依靠双铁心同极性感应子电机大转动惯量的实心金属凸极转子作飞轮本体储存机械能，通过转子的升速与减速实现飞轮储能系统的充电与放电。为提高飞轮储能系统的能量储存密度，通常将双铁心同极性感应子电机转子转速设计得越来越高。然而，相对于用于飞轮储能的其它类型电机，双铁心同极性感应子电机的实心金属凸极转子的极数较多，高速运行时电机每对配合工作的定转子间同极性磁密中的基波交变磁密分量的交变频率很高。当追求电机的高功率密度而使得磁路饱和程度较高时，在励磁绕组激磁磁动势的作用下每个凸极转子轴向两个端面都会出现周向上幅值差异较大的端面激磁磁通，这些随转子一起旋转的周向上幅值差异较大的端面激磁磁通由轴向进入每个定子硅钢片铁心的两侧端面，即定子硅钢片铁心冲片的平面，在定子硅钢片铁心冲片内将会出现交变的磁密分量；与此同时，每块定子铁心的最外侧还存在定子端部绕组，定子端部绕组内交变电流也会产生垂直进入定子硅钢片铁心端部冲片平面的漏磁通，与漏磁通所对应的也是交变的磁密。由于两种垂直进入定子硅钢片铁心冲片平面的交变磁密的交变频率很高，将在每块定子硅钢片铁心两侧最外面几层硅钢片铁心冲片内感应出较大的涡流，并产生很大的涡流损耗，造成这部分硅钢片局部温升过高。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术难题，本发明提出一种飞轮储能用双铁心同极性感应子电机电磁结构，是在传统的飞轮储能用双铁心同极性感应子电机电磁结构基础上做了技术改进。双定转子铁心外侧两端面轴向对齐，每个转子铁心比定子铁心轴向长1～10mm。每个定子硅钢片铁心两侧轴向都先紧密安放一层绝缘板，再紧密安放一层软磁复合铁心板。即在每一定子硅钢片铁心两侧轴向向外都依次先紧密安放一层绝缘板，再紧密安放一层软磁复合铁心板。薄绝缘板不导磁不导电，软磁复合铁心板由热固性或热塑性高分子与磁性材料复合而成的具有磁性功能的复合材料制成，软磁复合铁心板应具有500以上的相对磁导率且高频铁耗低的性能；薄绝缘板和软磁复合铁心板都应具有较高机械强度。薄绝缘板和软磁复合铁心板的轴向投影视图尺寸与定子硅钢片铁心的完全相同。薄绝缘板轴向厚度较薄，软磁复合铁心板轴向厚度相对较厚，两者的轴向厚度依据电机的体积、转速以及磁路饱和情况来设计，两者的轴向厚度取值范围分别为0.5～2mm和3～30mm。在增添了绝缘板和软磁复
合铁心板的同时，两定子铁心组件的间距做相应的调整，用于在两定子铁心组件之间安放励磁绕组；定子绕组轴向增加相应的长度。
5.本发明提出一种飞轮储能用双铁心同极性感应子电机电磁结构，双定转子铁心外侧两端面轴向依然对齐，将每一凸极转子轴向长度加长1～10mm，再在原两块定子硅钢片铁心两侧轴向向外都依次增添一层绝缘板和一层软磁复合铁心板。在增添一层绝缘板和一层软磁复合铁心板后，当追求电机的高功率密度而使得磁路饱和程度较高时，对于处于整体定子铁心外侧的软磁复合铁心板而言，在励磁绕组激磁磁动势的作用下凸极转子轴向两个端面都会出现周向上幅值差异较大的端面激磁磁通，这些随转子一起旋转的周向上幅值差异较大的端面磁通由轴向进入软磁复合铁心板的两侧端面，将会出现交变的磁密分量；与此同时，定子端部绕组内交变电流也会产生垂直进入软磁复合铁心板平面的端部漏磁通，与漏磁通所对应的也是交变的磁密。虽然两种垂直进入软磁复合铁心板平面的交变磁密的交变频率很高，但是软磁复合铁心板的软磁复合材料特性决定着其铁耗很小。更重要的是，由于软磁复合铁心板与定子硅钢片铁心之间放置了不导磁不导电的薄绝缘板，增大了软磁复合铁心板与定子硅钢片铁心之间的磁阻，于是两种垂直进入软磁复合铁心板平面的交变磁密绝大部分将改为在软磁复合铁心板径向和周向流动，只有极少的一部分将由软磁复合铁心板穿过薄绝缘板垂直进入定子硅钢片铁心，所以在定子硅钢片铁心两侧最外面几层硅钢片铁心冲片内感应出的涡流大大降低，涡流损耗也大大减小。即降低垂直进入定子硅钢片铁心两侧平面的由励磁绕组激磁磁动势作用产生的交变的磁密分量和定子端部绕组内交变电流产生的交变磁密，减小定子硅钢片铁心外侧最外面几层硅钢片铁心冲片内的涡流和涡流损耗，降低定子铁心温升。而对于处于励磁绕组两侧的两块软磁复合铁心板而言，此区域无定子端部绕组，但此区域的磁饱和程度最高，磁场分布还受到连接两侧凸极转子的圆柱轴的影响，只有当每一凸极转子轴向长度加长1～10mm后才能更好地降低由软磁复合铁心板穿过薄绝缘板垂直进入定子硅钢片铁心的交变磁密，从而降低这一区域内硅钢片铁心冲片内的涡流和涡流损耗，降低定子铁心温升。
附图说明
6.图1是采用定子铁心无槽绕组的飞轮储能用双铁心同极性感应子电机电磁结构示意图(主视剖面图和俯视图)；
7.图2是采用定子铁心有槽绕组的飞轮储能用双铁心同极性感应子电机电磁结构示意图(主视剖面图和俯视图)；
8.图中，1-软磁复合铁心板，2-薄绝缘板，3-机座，4-定子硅钢片铁心，5-定子绕组6-凸极转子，7-励磁绕组。
9.需要说明的是：在示意图中，仅给出了凸极转子与定子硅钢片铁心对应的部分，未给出转子轴向与励磁绕组配合的、采用磁悬浮轴承时需要与磁悬浮轴承配合的、安装保护轴承时需要的轴等重要部位。未给出励磁绕组、磁悬浮轴承、机械保护轴承、前端盖、后端盖等一系列必须使用的关键零部件。而且，示意图是以具有5个凸极的凸极转子为例画出的，在工程实际中根据具体需求，转子凸极数只要大于等于2都是可以选取的。
具体实施方式
10.下面结合图1和图2对本发明提出的一种飞轮储能用双铁心同极性感应子电机电磁结构作进一步地详细描述。
11.如图1和图2所示，本发明对传统的飞轮储能用双铁心同极性感应子电机电磁结构做了技术改进，在原双定子硅钢片铁心两侧轴向向外都依次增添一层绝缘板和一层软磁复合铁心板，同时调整每一凸极转子以及定子绕组的轴向长度、两块定子硅钢片铁心间以及两块凸极转子间的距离。
12.首先准备好已在绝缘骨架上绕制好的线圈，通过浸漆烘干或者浇注树脂固化，得到成品的励磁绕组7；用机械强度好和导磁性能好的钢制材料加工好机座3；由低损耗薄硅钢片冲剪叠压紧固制作好定子硅钢片铁心4；制作好与定子硅钢片铁心轴向投影尺寸一样的薄绝缘板1和软磁复合铁心板2，凸极转子6。然后，开始具体实施，先将励磁绕组7安放到电机机座3内指定位置；再从机座3两侧分别将两块软磁复合铁心板2压入机座3内，且分别紧密地贴靠到励磁绕组7的两侧面上；再从机座3两侧分别将两块薄绝缘板1压入机座3内，且分别紧密地贴靠到软磁复合铁心板2侧面上；再从机座3两侧分别将两块定子硅钢片铁心4压入机座3内，且分别紧密地贴靠到薄绝缘板1的侧面上；再从机座3两侧分别将两块软磁复合铁心板2压入机座3内，且分别紧密地贴靠到定子硅钢片铁心4的侧面上；再从机座3两侧分别将两块薄绝缘板1压入机座3内，且分别紧密地贴靠到软磁复合铁心板2侧面上。当定子硅钢片铁心3采用无槽绕组时，则在定子硅钢片铁心3的内圆表面做好绝缘，布置好已连接好的无槽绕组线圈，整理好绕组端部，再用耐高温、导热好、固化后机械性能好的环氧树脂浇注，固化成型后就得到了定子绕组5。当定子硅钢片铁心3采用有槽绕组时，则在定子硅钢片铁心3的槽中做好槽绝缘，依次嵌放线圈，连接好绕组，整理好绕组端部，浸漆烘干后，就得到了定子绕组5，有时还再用耐高温、导热好、固化后机械性能好的环氧树脂浇注，固化成型后得到定子绕组5。于是就得到了一个能够减小定子硅钢片铁心涡流损耗的定子组件，该定子组件与凸极转子配合就是构成了本发明提出的飞轮储能用双铁心同极性感应子电机电磁结构部分。

技术特征：
1.一种飞轮储能用双铁心同极性感应子电机电磁结构，是在传统的飞轮储能用双铁心同极性感应子电机电磁结构基础上做了技术改进。双定转子铁心外侧两端面轴向对齐，每个转子铁心比定子铁心轴向长1～10mm。每个定子硅钢片铁心两侧轴向都先紧密安放一层绝缘板，再紧密安放一层软磁复合铁心板。即在每一定子硅钢片铁心两侧轴向向外都依次先紧密安放一层绝缘板，再紧密安放一层软磁复合铁心板。薄绝缘板不导磁不导电，软磁复合铁心板由热固性或热塑性高分子与磁性材料复合而成的具有磁性功能的复合材料制成，软磁复合铁心板应具有500以上的相对磁导率且高频铁耗低的性能；薄绝缘板和软磁复合铁心板都应具有较高机械强度。薄绝缘板和软磁复合铁心板的轴向投影视图尺寸与定子硅钢片铁心的完全相同。薄绝缘板轴向厚度较薄，软磁复合铁心板轴向厚度相对较厚，两者的轴向厚度依据电机的体积、转速以及磁路饱和情况来设计，两者的轴向厚度取值范围分别为0.5～2mm和3～30mm。在增添了绝缘板和软磁复合铁心板的同时，两定子铁心组件的间距做相应的调整，用于在两定子铁心组件之间安放励磁绕组；定子绕组轴向增加相应的长度。

技术总结
本发明公开了一种飞轮储能用双铁心同极性感应子电机电磁结构，在传统的电磁结构上做了改进。双定转子铁心外侧两端面轴向对齐，每个凸极转子铁心比定子铁心轴向长1～10mm。每个定子硅钢片铁心两侧轴向都先紧密安放一层绝缘板，再紧密安放一层软磁复合铁心板。薄绝缘板不导磁不导电，软磁复合铁心板具有500以上的相对磁导率且高频铁耗低，两者都应具有较高机械强度，且轴向投影视图尺寸与定子硅钢片铁心的完全相同。薄绝缘板厚度较薄，软磁复合铁心板厚度相对较厚；两者的轴向厚度依据电机的体积、转速以及磁路饱和情况来设计，取值范围分别为0.5～2mm和3～30mm；定子绕组轴向增加相应长度。该电磁结构能减弱由端部轴向进入定子硅钢片铁心的交变磁通，降低定子铁耗。降低定子铁耗。降低定子铁耗。


技术研发人员：陈益广 邢宁
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/7/27