CN103065763A - 一种基于飞轮储能的充磁机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于飞轮储能的充磁机，包括储能单元和充磁单元；储能单元采用飞轮储能装置，其包括整流器、变流器、控制器、电机单元和飞轮机构。本发明将飞轮储能技术与充磁机技术结合在一起，将飞轮储能装置作为大功率脉冲放电电源，为充磁单元提供能量，充分发挥了飞轮作为储能元件时，高功率密度、长寿命、不会污染环境等显著特点；传统的电容式充磁机相比较，充放电次数多、使用寿命长、成本也更低，充放电时间短，更加高效，更符合实际生产的要求。

Description

一种基于飞轮储能的充磁机

技术领域

本发明属于充磁技术领域，具体涉及一种基于飞轮储能的充磁机。

背景技术

随着电机、家用电子、计算机、通信等技术日新月异的发展，永磁材料需求量越来越大，性能要求越来越高。目前，永磁体大多采用钕铁硼、铁氧体、铝镍钴等材料，具有矫顽力大、性能稳定等特点，这些复合材料需经过充磁机大电流瞬间充磁后，才能被磁化。

现有的充磁机按充磁电源提供方式分为三种：脉冲式充磁机、电磁铁式充磁机和电容式充磁机。

脉冲式充磁机使用两相电源供电，其电压低、能量小，只能在内径很小(Φ30以下)的电磁线圈内产生需要的磁场，适用范围有限；

电磁铁式充磁机可以做到很大，磁场不需要充电直接建立，但由于其电磁线圈是固定在铁芯上，工作时被充磁的工件位于电磁线圈外部，其磁场只能达到2-2.4T，造价也高，实际应用效果不佳；

现在的实际使用的充磁机大都是采用电容式充磁机，电容式充磁机利用电容放电产生的脉冲大电流通过电磁线圈产生磁场对磁性材料进行充磁，理论上讲可以在任意规格的电磁线圈内产生足够的磁场，但其充电电容容量需要非常大，大电容不仅造价高而且占用空间大，由于电容充放电次数有限，使用寿命短，在实际生产中，需要经常更换电容，造成成本上升，而且，电解电容在生产过程中，需要用到大量的化学用品，对环境会造成很大的破坏，不符合环境友好的原则。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于飞轮储能的充磁机，可无限充放电、使用寿命长、占用空间小。

一种基于飞轮储能的充磁机，包括储能单元和充磁单元；所述的储能单元通过充放电为充磁单元供电，所述的充磁单元通电后产生磁场为待充磁材料充磁；

所述的储能单元采用飞轮储能装置，其包括整流器、变流器、控制器、电机单元和飞轮机构；

所述的整流器用于将三相电网的交流电转换为直流电；

所述的变流器用于将所述的直流电转换为交流电后为电机单元供电，同时将电机单元产生的交流电转换为直流电后为充磁单元供电；

所述的电机单元用于驱动飞轮机构运转；在充电模式下，其将变流器提供的电能转换为机械能，利用飞轮机构运转将该机械能进行存储；在放电模式下，其将飞轮机构存储的机械能转换为电能从而产生交流电；

所述的控制器用于控制所述的变流器。

优选地，所述的飞轮机构包括机壳、主轴和飞轮，所述的电机单元包括两台多相电机；所述的主轴设于机壳内，主轴的上中下部分别安装第一多相电机、飞轮和第二多相电机；

所述的多相电机包括转子和定子，所述的转子安装于主轴上，所述的定子具有n相绕组，每相绕组均为分布式绕组且沿气隙圆周不对称分布；

所述的变流器为n相变流器；其直流侧的正负输入端与整流器的正负输出端对应连接，交流侧的n相输出端子通过滤波电抗与定子的n相绕组对应连接，n为大于4的自然数；通过两台多相电机即能实现飞轮主轴的驱动和悬浮，无需磁轴承，结构简单紧凑，可靠性高。

优选地，位于第一多相电机上侧的主轴上套设有一对存有气隙的辅助平衡永磁环，位于第二多相电机下侧的主轴上套设有一对存有气隙的轴向悬浮永磁环；能够保证飞轮主轴的轴向悬浮。

优选地，位于第一多相电机上侧以及位于第二多相电机下侧的主轴上通过轴承支架分别安装有两个辅助轴承；能够在飞轮***悬浮故障或者低速时用来支承飞轮转子，以防止转子磨损发热而失去支承功能，导致电机损坏。

优选地，所述的多相电机***设有冷却组件，所述的冷却组件通过冷却支架固定于机壳内侧；能够有效对电机进行冷却降温。

所述的机壳包括底座、下支架、外支架和上支架；下支架设于底座上，上支架通过外支架与下支架连接。

优选地，所述的整流器正负输出端间并联有电容，能够抑制飞轮放电过程中母线电压的波动，同时也降低了***的控制难度。

所述的充磁单元由开关管和充磁线圈组成，开关管的一端与变流器直流侧的正输入端相连，开关管的另一端与充磁线圈的一端相连，充磁线圈的另一端与变流器直流侧的负输入端相连，开关管的控制极与控制器相连。

优选地，所述的控制器连接有磁通强度检测器，所述的磁通强度检测器用于检测待充磁材料的磁通强度；使控制器能够对充磁过程进行控制，并显示待充磁材料的充磁程度。

优选地，所述的整流器通过预充电控制单元与变流器相连；所述的预充电控制单元由电阻和接触器组成；其中：电阻的一端与接触器常开触点K1的一端相连并接整流器的正输出端，电阻的另一端与接触器常开触点K1的另一端相连并接变流器直流侧的正输入端，接触器常开触点K2的一端与整流器的负输出端相连，接触器常开触点K2的另一端与变流器直流侧的负输入端相连，接触器线圈的通断电由所述的控制器控制；能够抑制上电的瞬间冲击电流对整流器和电容以及外加电源的冲击，防止造成***损坏。

所述的控制器包括：

信号采集模块，用于采集多相电机的定子相电流、转子位移量以及变流器的直流母线电压和直流母线电流；

信号处理控制模块，用于根据磁悬浮控制策略和飞轮充放电控制策略对信号采集单元采集到的信号进行计算处理，输出PWM信号；

驱动模块，用于对所述的PWM信号进行隔离及功率放大后输出，以控制变流器中功率开关器件的通断。

所述的信号处理控制单元采用DSP。

所述的信号采集单元包括电压传感器、电流传感器、转速传感器和电涡流位移传感器，所述的电涡流位移传感器通过安装支架安装于主轴上。

本发明将飞轮储能技术与充磁技术相结合，在充电过程中，首先由控制器对***的充电功率进行设置，电网的三相交流电经过整流器整流之后进入直流母线的预充电控制单元；充磁机的飞轮储能装置充电初期，先通过预充电控制单元中的预充电电阻进行充电，一段时间后再接通直流接触器，完成预充电过程后，整流电源接入直流母线，再由控制器中的DSP产生充电控制信号，控制器产生的PWM充电控制信号控制变流器中IGBT功率开关器件的开通与关断，完成飞轮储能装置的恒流充电过程。

飞轮储能装置充电过程完成之后，飞轮转速变为额定转速，此时飞轮进入高速怠速运行状态，飞轮运行的主要损耗为飞轮自身的怠速损耗，充磁机的飞轮将维持高速、低功耗运行状态。

在充磁机对待充磁材料充磁时，由控制器改变飞轮的控制策略使之进入放电模式，同时控制器输出接触器关断控制信号，实现快速的能量释放过程。放电开始时，控制器使预充电控制单元中直流接触器的线圈断电，整流器停止输入能量。同时，控制器驱动使充磁单元中功率开关导通，飞轮电机将进入第二象限并处于发电运行状态，随着飞轮转速的降低，飞轮中储存的机械能在经过电机发电、变流器整流后通过充磁线圈进行快速地放电，由于充磁线圈的电阻很小，所以充磁线圈中将通过很大的充磁电流，并由充磁线圈产生极大的磁场，实现对待充磁材料的瞬间充磁。

在充磁机瞬间充磁完成之后，通过磁通强度检测器可以检测充磁后材料中的磁通量，检测的结果由磁通强度检测器回馈给控制器。控制器通过磁通检测算法产生，磁通检测驱动电流，完成对被充磁材料的磁通强度检测，并决定下一步充磁机的工作状态。

本发明的有益技术效果为：

(1)本发明将飞轮储能技术与充磁机技术结合在一起，将飞轮储能装置作为大功率脉冲放电电源，为充磁单元提供能量，充分发挥了飞轮作为储能元件时，高功率密度、长寿命、不会污染环境等显著特点。

(2)本发明所述的飞轮储能式充磁机，与传统的电容式充磁机相比较，充放电次数多、使用寿命长、成本也更低；与已有的充磁机相比完成一个工作周期，充放电时间短，更加高效，更符合实际生产的要求。

(3)本发明将多相电机理论与磁轴承机的悬浮机理结合起来，集成多相电机驱动与悬浮功能于一体，无需额外附加径向电磁轴承，不占用额外的轴向空间，减少了径向两端磁轴承控制组件，结构更加紧凑，其轴承刚度、空间利用率以及电磁效率等均有很大的提高。

附图说明

图1为本发明充磁机的结构示意图。

图2为多相电机转子和定子的结构示意图。

图3为电机单元和飞轮机构的结构示意图。

图4为本发明控制器的控制流程示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关工作原理进行详细说明。

如图1所示，一种基于飞轮储能的充磁机，包括飞轮储能装置和充磁单元；其中：

飞轮储能装置用于通过充放电为充磁单元供电，其包括整流器、变流器、控制器、电机单元和飞轮机构；

整流器用于将三相电网的交流电转换为直流电；本实施方式中，整流器采用三相六桥臂结构的不控整流桥，每个桥臂采用若干二极管串联而成；整流器正负输出端间并联有电容C，能够抑制飞轮放电过程中母线电压的波动，同时也降低了***的控制难度。

变流器用于将整流器输出的直流电转换为交流电后为电机单元供电，同时将电机单元产生的交流电转换为直流电后为充磁单元供电；本实施方式中，变流器为6相变流器，其为六相十二桥臂结构，每个桥臂由若干个IGBT串联构成，变流器直流侧通过预充电控制单元与整流器相连，预充电控制单元由电阻R和接触器组成；其中：电阻R的一端与接触器常开触点K1的一端相连并接整流器的正输出端，电阻R的另一端与接触器常开触点K1的另一端相连并接变流器直流侧的正输入端，接触器常开触点K2的一端与整流器的负输出端相连，接触器常开触点K2的另一端与变流器直流侧的负输入端相连，接触器线圈的通断电由控制器控制。变流器交流侧的6相输出端子通过滤波电抗与电机单元连接，滤波电抗不仅可以有效的减少飞轮储能***高频PWM开关引入的噪音，减少对电涡流传感器的电磁干扰，而且可以有效降低电机相电流的总谐波失真(THD)，降低了电机的损耗和温升。

电机单元用于驱动飞轮机构运转；在充电模式下，其将变流器提供的电能转换为机械能，利用飞轮机构运转将该机械能进行存储；在放电模式下，其将飞轮机构存储的机械能转换为电能从而产生交流电；本实施方式中，电机单元包括两台多相电机，如图2所示，多相电机包括转子(7b，11b)和定子(7a，11a)；转子(7b，11b)贴装于飞轮机构的主轴1上且为两对极，转子永磁体沿径向均为同极性排列，永磁体之间的转子铁心被交替磁化成相同的另一极性；定子(7a，11a)具有6相绕组，6相绕组通过滤波电抗与变流器交流侧的6相输出端子对应连接；每相绕组均为分布式绕组且沿气隙圆周不对称分布，使得多相绕组不仅含有奇次空间谐波，还含有偶次空间谐波；各相绕组采用分布式绕组，导致次数较高的空间谐波小。图2中A+和A-分别表示A相绕组的方向：进入纸面和由纸面出来，其它依次类推。图中所示的6相定子绕组为对称分布式绕组，相邻相在空间相隔π/3，构成一个6相对称***，但每相绕组不关于气隙圆周对称。

如图3所示，飞轮机构包括机壳、主轴1和飞轮9，主轴1设于机壳内，主轴1的上中下部分别安装第一多相电机7、飞轮9和第二多相电机11；

机壳包括底座14、下支架13、外支架8和上支架4；下支架13设于底座14上，上支架4通过外支架8与下支架13连接；外壳内需抽为真空，围成一飞轮真空室10。

飞轮9由飞轮内环9a和飞轮外环9b组成，内外环采用高比强度碳纤维复合材料飞轮，其抗拉强度比金属材料更高，使得飞轮不发生破坏的安全运转转速极大地提高，允许的线速度可达500-1000m/s，大大提高了飞轮储能***的储能密度和飞轮安全运转的转速。

位于第一多相电机7上侧的主轴1上套设有一对存有气隙的辅助平衡永磁环17，位于第二多相电机11下侧的主轴1上套设有一对存有气隙的轴向悬浮永磁环12；能够保证飞轮主轴的轴向悬浮。

位于第一多相电机7上侧以及位于第二多相电机11下侧的主轴1上通过轴承支架3分别安装有两个辅助轴承(18，16)；辅助轴承采用高速滚珠轴承，能够在飞轮***悬浮故障或者低速时用来支承飞轮转子，以防止转子磨损发热而失去支承功能，导致电机损坏。

多相电机(7，11)***设有冷却组件6，冷却组件6通过冷却支架5固定于机壳内侧；冷却组件采用冷却管组件，入水孔和出水孔分别位于机壳轴向的两侧，能够有效对电机进行冷却降温。

主轴1的两端通过安装支架沿径向分别安装有两对电涡流位移传感器(2，15)，每一对的两个电涡流位移传感器成相互垂直安装。

控制器用于为变流器中的功率开关器件IGBT提供PWM信号，其包括：信号采集模块、信号处理控制模块和驱动模块；其中：

信号采集模块用于采集多相电机的定子相电流i_a～i_f、转子位移量θ以及变流器的直流母线电压U_dc和直流母线电流I_dc；其包括电压传感器、电流传感器、转速传感器和电涡流位移传感器。

信号处理控制模块用于根据磁悬浮控制策略和飞轮充放电控制策略对信号采集单元采集到的信号进行计算处理，输出PWM信号；本实施方式中，信号处理控制单元采用DSP。

驱动单元模块对PWM信号进行隔离及功率放大后输出，以控制变流器中功率开关器件IGBT的通断。

充磁单元通电后产生磁场为待充磁材料充磁，其由IGBT管S和充磁线圈L组成，IGBT管S的集电极与变流器直流侧的正输入端相连，IGBT管S的发射极与充磁线圈L的一端相连，充磁线圈L的另一端与变流器直流侧的负输入端相连，IGBT管S的门极与控制器相连。

充磁线圈L的电阻非常小，IGBT管S开通的情况下，飞轮储能装置输出能量，充磁线圈L中将通过非常大的电流，在线圈中产生极大的磁场，瞬间完成对待充磁材料的充磁。假设在充磁工作状态下，飞轮储能装置产生的输出电压为U，充磁线圈回路的电阻为R_L，感抗为Z_L，根据欧姆定律，IGBT管S导通的瞬间，充磁线圈L中产生的电流为I_L＝U/(Z_L+R_L)，再根据麦克斯韦全电流定律，可得充磁线圈L中产生磁场的磁场强度为H＝N*I_L/L，磁感应强度B＝H/μ，其中μ为磁导率，由于充磁过程在瞬间完成，在线圈中产生的磁场极大，瞬间即可完成对待充磁材料的瞬间充磁。

控制器连接有磁通强度检测器，其用于检测待充磁材料的磁通强度；使控制器能够对充磁过程进行控制，并显示待充磁材料的充磁程度，以判断本批次的产品性能是否合格。

本实施方式采用i_d＝0控制策略对上述两台表面贴装式永磁多相电机进行控制，控制器具体的信号处理过程如图4所示：

在转矩平面(d₁-q₁)，通过转子磁场定向的矢量控制实现飞轮快速高效的充放电控制：首先传感器采样直流母线电压U_dc、直流母线电流I_dc、定子电流i_a～i_f、转子位移量θ等信号，经过采样调理电路以及多相坐标变换之后，得到同步旋转坐标系下的反馈值和前馈值。

在充电模式下，给定转速ω_m ^*和反馈转速ω_m(其中

P为转子极数)做差后，经过转速外环PI调节器求得转矩平面电流的给定值i_q1s ^*，再经过电流内环PI调节器的控制获得电压的给定值v_d1s ^*和v_q1s ^*，通过PWM脉宽调制获得各功率器件的开关驱动信号，实现飞轮储能***的恒流充电过程。

在放电模式下，给定直流母线电压v_dc ^*和反馈直流母线电压U_dc做差后通过母线电压外环PI调节器和前馈负载电流I_dc累加得到i_dc ^*，经过交直流侧稳态功率平衡关系(

其中Ψ_m为永磁体磁链，

)计算得到内环电流的给定量i_q1s ^*，再经过电流内环调节器的控制获得电压的给定值v_d1s ^*和v_q1s ^*，经过坐标逆变换后，再由PWM脉宽调制技术获得各功率器件的开关驱动信号，实现飞轮***能量稳定回馈的同时也降低了直流电压波动，提高了负载电流的抗干扰能力。两台共轴连接的多相电机在控制器协调控制下实现飞轮储能***的快速、稳定的充放电控制。

在悬浮平面(d₂-q₂)，通过调节可控径向力来控制转子位移，实现飞轮主轴的稳定悬浮。径向力的产生源于转矩磁场和悬浮磁场相互作用，即转矩磁场为悬浮力的产生提供偏置磁场。转子磁场定向控制中转子磁链由定子转矩电流的励磁分量i_d2s来控制，电流i_q2s与转子磁链Ψ_d1r之间实现了解耦，具有良好的调速性能。首先通过电涡流位移传感器获取径向X、Y两方向上实际位移量α和β，与给定的位移量α^*和β^*作差比较之后，经过PID调节器获取径向的悬浮力参考值F_α ^*和F_β ^*。通过悬浮力电流计算公式(

其中L_1s和L_2s是第一和第二平面电感，g₀为气隙长度，Ψ_m为永磁体磁链)，求取悬浮平面电流的参考值i_q2s ^*和i_d2s ^*，再经过电流内环调节器的控制获得电压的给定值v_d2s ^*和v_q2s ^*，经过坐标逆变换后，再通过PWM脉宽调制技术获得各功率器件的开关驱动信号，实现飞轮储能***径向四个自由度的悬浮。

本实施方式将飞轮储能技术与充磁技术相结合，在充电过程中，首先由控制器对***的充电功率进行设置，电网的三相交流电经过整流器整流之后进入直流母线的预充电控制单元；充磁机的飞轮储能装置充电初期，先通过预充电控制单元中的预充电电阻进行充电，一段时间后再接通直流接触器，完成预充电过程后，整流电源接入直流母线，再由控制器中的DSP产生充电控制信号，控制器产生的PWM充电控制信号控制变流器中IGBT功率开关器件的开通与关断，完成飞轮储能装置的恒流充电过程。

飞轮储能装置充电过程完成之后，飞轮转速变为额定转速，此时飞轮进入高速怠速运行状态，飞轮运行的主要损耗为飞轮自身的怠速损耗，充磁机的飞轮将维持高速、低功耗运行状态。

在充磁机对待充磁材料充磁时，由控制器改变飞轮的控制策略使之进入放电模式，同时控制器输出接触器关断控制信号，实现快速的能量释放过程。放电开始时，控制器使预充电控制单元中直流接触器的线圈断电，整流器停止输入能量。同时，控制器驱动使充磁单元中功率开关导通，飞轮电机将进入第二象限并处于发电运行状态，随着飞轮转速的降低，飞轮中储存的机械能在经过电机发电、变流器整流后通过充磁线圈进行快速地放电，由于充磁线圈的电阻很小，所以充磁线圈中将通过很大的充磁电流，并由充磁线圈产生极大的磁场，实现对待充磁材料的瞬间充磁。

在充磁机瞬间充磁完成之后，通过磁通强度检测器可以检测充磁后材料中的磁通量，检测的结果由磁通强度检测器回馈给控制器。控制器通过磁通检测算法产生，磁通检测驱动电流，完成对被充磁材料的磁通强度检测，并决定下一步充磁机的工作状态。

当一次充磁完成之后，本实施方式将在控制器的控制下重新进入“充电-放电-充磁”的循环。

Claims (9)

1.一种基于飞轮储能的充磁机，包括储能单元和充磁单元；所述的储能单元通过充放电为充磁单元供电，所述的充磁单元通电后产生磁场；其特征在于：

所述的储能单元采用飞轮储能装置，其包括整流器、变流器、控制器、电机单元和飞轮机构；其中：

所述的整流器用于将三相电网的交流电转换为直流电；

所述的变流器用于将所述的直流电转换为交流电后为电机单元供电，同时将电机单元产生的交流电转换为直流电后为充磁单元供电；

所述的电机单元用于驱动飞轮机构运转；在充电模式下，其将变流器提供的电能转换为机械能，利用飞轮机构运转将该机械能进行存储；在放电模式下，其将飞轮机构存储的机械能转换为电能从而产生交流电；

所述的控制器用于控制所述的变流器。

2.根据权利要求1所述的充磁机，其特征在于：所述的飞轮机构包括机壳、主轴和飞轮，所述的电机单元包括两台多相电机；所述的主轴设于机壳内，主轴的上中下部分别安装第一多相电机、飞轮和第二多相电机；

所述的多相电机包括转子和定子，所述的转子安装于主轴上，所述的定子具有n相绕组，每相绕组均为分布式绕组且沿气隙圆周不对称分布；

所述的变流器为n相变流器；其直流侧的正负输入端与整流器的正负输出端对应连接，交流侧的n相输出端子通过滤波电抗与定子的n相绕组对应连接，n为大于4的自然数。

3.根据权利要求2所述的充磁机，其特征在于：位于第一多相电机上侧的主轴上套设有一对存有气隙的辅助平衡永磁环，位于第二多相电机下侧的主轴上套设有一对存有气隙的轴向悬浮永磁环。

4.根据权利要求2所述的充磁机，其特征在于：位于第一多相电机上侧以及位于第二多相电机下侧的主轴上通过轴承支架分别安装有两个辅助轴承。

5.根据权利要求2所述的充磁机，其特征在于：所述的多相电机***设有冷却组件，所述的冷却组件通过冷却支架固定于机壳内侧。

6.根据权利要求1或2所述的充磁机，其特征在于：所述的整流器正负输出端间并联有电容。

7.根据权利要求1所述的充磁机，其特征在于：所述的控制器连接有磁通强度检测器，所述的磁通强度检测器用于检测待充磁材料的磁通强度。

8.根据权利要求1或2所述的充磁机，其特征在于：所述的整流器通过预充电控制单元与变流器相连；所述的预充电控制单元由电阻和接触器组成；其中：电阻的一端与接触器常开触点K1的一端相连并接整流器的正输出端，电阻的另一端与接触器常开触点K1的另一端相连并接变流器直流侧的正输入端，接触器常开触点K2的一端与整流器的负输出端相连，接触器常开触点K2的另一端与变流器直流侧的负输入端相连，接触器线圈的通断电由所述的控制器控制。

9.根据权利要求1所述的充磁机，其特征在于：所述的控制器包括：

信号采集模块，用于采集多相电机的定子相电流、转子位移量以及变流器的直流母线电压和直流母线电流；

信号处理控制模块，用于根据磁悬浮控制策略和飞轮充放电控制策略对信号采集单元采集到的信号进行计算处理，输出PWM信号；

驱动模块，用于对所述的PWM信号进行隔离及功率放大后输出，以控制变流器中功率开关器件的通断。

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