CN111900828B - 惯性储能直线电磁加速*** - Google Patents

惯性储能直线电磁加速*** Download PDF

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Abstract

本发明的惯性储能直线电磁加速***涉及一种电机，目的是为了克服现有直线电磁加速***的功率变换器及切换开关的容量大、体积大、可靠性差以及增加能量传递过程中的损耗的问题，包括一个惯性储能飞轮脉冲发电机、一个直线感应电机和一个切换开关单元；惯性储能飞轮脉冲发电机的输出功率绕组的数量为1套；直线感应电机的初级沿运动方向分为n段；n为正整数；每段初级上均设有一个初级功率绕组；惯性储能飞轮脉冲发电机的输出功率绕组通过切换开关单元同时与直线感应电机的各段初级的初级功率绕组电气连接。

Description

惯性储能直线电磁加速***
技术领域
本发明涉及一种电机，具体涉及一种通过将高速旋转的运动动能向脉冲型直线运动动能转换的加速***。
背景技术
在磁悬浮交通领域大功率冲击测试平台、电磁加速撞击试验、航空航天器助推加速、海陆快速移动设备助推加速等应用场合，不仅需要直线加速***能够在从数秒到数十秒的时间内提供大功率脉冲能量，还需要驱动负载瞬时完成高加速度直线运动。通常此类***包括大功率储能装置、脉冲型功率变换器、大推力直线电机等。
***的舰载机直线电磁弹射***是一种典型的直线电磁加速***，如图2所示，该***主要由弹射直线电动机、电能存储装置和功率变换器构成，它将利用由直线电机产生的行进电磁力推动飞机达到起飞速度，其主要应用是大载荷的短程加速，运行工况的显著特点就是时间短、功率大。电能存储技术是电磁弹射***关键技术之一，通常采用超级电容器、蓄电池、惯性飞轮等作为能量存储装置，其共同特点是存储能量有限，输出功率有限，区别于无限大电网供电，属于有限能源***，有限能源***典型的运行特点是充电时间长、放电时间短、输出峰值功率大，因而要求其具有高的功率密度；同时，弹射***需要全功率的半导体功率变换器将直流电能转换为交流电能来驱动弹射直线电动机，弹射直线电动机的气隙长度大、功率因数低。因此，功率变换器及切换开关的容量大、体积大、成本高、可靠性差，同时也增加了能量传递过程中的损耗，而且，大容量的功率变换器斩波频率低、输出电流谐波分量大，使得直线电动机的效率低、振动大、噪声高。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有直线电磁加速***的功率变换器及切换开关的容量大、体积大、可靠性差以及增加能量传递过程中的损耗的问题，提供了一种惯性储能直线电磁加速***。
本发明的惯性储能直线电磁加速***，包括一个惯性储能飞轮脉冲发电机、一个直线感应电机和一个切换开关单元；
惯性储能飞轮脉冲发电机的输出功率绕组的数量为1套；
直线感应电机的初级沿运动方向分为n段；n为正整数；
每段初级上均设有一个初级功率绕组；
惯性储能飞轮脉冲发电机的输出功率绕组通过切换开关单元同时与直线感应电机的各段初级的初级功率绕组电气连接。
本发明的惯性储能直线电磁加速***，包括多个惯性储能飞轮脉冲发电机、一个直线感应电机和一个切换开关单元；
每个惯性储能飞轮脉冲发电机的输出功率绕组的数量均为1套；
直线感应电机的初级沿运动方向分为n段；n为正整数；
每段初级上均设有一个初级功率绕组；
各惯性储能飞轮脉冲发电机的输出功率绕组分别通过切换开关单元与直线感应电机的各段初级的初级功率绕组电气连接。
本发明的惯性储能直线电磁加速***，包括一个惯性储能飞轮脉冲发电机、一个直线感应电机和一个切换开关单元；
惯性储能飞轮脉冲发电机的输出功率绕组的数量为k套；
直线感应电机的初级沿运动方向分为nk段；n和k均为正整数；
每段初级上均设有一个初级功率绕组；
惯性储能飞轮脉冲发电机的第1套、第2套、……、第k套输出功率绕组通过切换开关单元分别与直线感应电机的第(j-1)k+1段、第(j-1)k+2段、……第jk段初级的初级功率绕组电气连接，j＝1、2、……、n。
进一步地，惯性储能飞轮脉冲发电机的输出功率绕组的相数为m相，且m≥3；每段初级的初级功率绕组的相数为m相；
输出功率绕组的各相分别通过切换开关单元与直线感应电机各段初级的初级功率绕组的对应相电气连接。
进一步地，切换开关单元包括m个切换开关，m为正整数
惯性储能飞轮脉冲发电机的输出功率绕组和直线感应电机的初级功率绕组的对应相引出线端之间设置一个切换开关。
进一步地，切换开关单元包括一个集中切换开关，集中切换开关位于直线感应电机的初级功率绕组的各相的尾端。
进一步地，各段初级的初级功率绕组的引出线端并接多相激磁电容器组。
进一步地，每段初级还均设有一个激磁绕组；
各段初级的激磁绕组的引出线端并接多相激磁电容器组。
进一步地，惯性储能飞轮脉冲发电机包括输入逆变器和电动/脉冲发电机；
电动/脉冲发电机的定子和转子分别作为惯性储能飞轮脉冲发电机的定子和转子，电动/脉冲发电机的转子等效为惯性储能飞轮脉冲发电机的惯性飞轮；
电动/脉冲发电机的定子上设有输入功率绕组和输出功率绕组；
输入逆变器的输出端与电动/脉冲发电机的输入功率绕组电气连接。
进一步地，惯性储能飞轮脉冲发电机还包括惯性飞轮；
惯性飞轮与电动/脉冲发电机的转子同轴连接。
进一步地，直线感应电机的次级为磁性次级；且直线感应电机初级静止，次级运动。
进一步地，惯性储能飞轮脉冲发电机输出电压波形为正弦波。
进一步地，惯性储能飞轮脉冲发电机的输出电压可以调节。
本发明充分利用了惯性储能飞轮脉冲发电机能量密度与功率密度高的特点，以及磁性次级直线感应电机对电源频率不敏感、在大滑差时驱动电流小、推力密度高以及推力恒定等特性，***中的惯性储能飞轮脉冲发电机既能够以较小功率拖动惯性飞轮利用较长时间将输入***的能量存储起来，还能够将惯性飞轮存储的旋转动能短时间内转化为脉冲型交流电功率，并将交流电能直接输出给直线感应电机，实现高速旋转的运动动能向脉冲型直线运动动能转换。且具有如下有益效果：
(1)消除了全功率的半导体功率变换器，缩短了能量传递环节，减小了切换开关的容量，降低了设备成本，提高了能量变换效率，减小了电磁加速***的体积和重量，降低了***的振动和噪声，提高了***的可靠性；
(2)惯性储能飞轮脉冲发电机和直线感应电机可以分开安装，***布置灵活，容易实现***在移动平台上的最优配置；通过控制飞轮脉冲发电机的输出电压即可实现对直线感应电机输出推力的控制，***控制简单，控制功率小；
(3)实现了***储能与交流脉冲功率输出高度集成，***的能量密度高、瞬时功率大、使用寿命长、可靠性高、电磁兼容性好。容易实现多相化、模块化，***具有容错性能。
附图说明
图1为具体实施方式的惯性储能直线电磁加速***的结构示意图；
图2为现有典型的直线电磁加速***的结构示意图。
具体实施方式
本发明的工作原理如下：输入逆变器将中小功率电力***或电能存储装置中的电能转换为频率可变的交流电能驱动能量输入惯性储能飞轮脉冲发电机，使其转子带动惯性飞轮加速旋转到额定转速，由于惯性储能飞轮脉冲发电机气隙旋转磁场会“切割”其输出功率绕组，在绕组内产生感应电动势；然后闭合切换开关单元，使惯性储能飞轮脉冲发电机与直线感应电机的功率绕组连接在一起，惯性储能飞轮脉冲发电机发出交流电能，输出给直线感应电机，在直线感应电机气隙中产生行波磁场，行波磁场“切割”磁性次级，在次级中感应电流，电流与行波磁场相互作用，产生电磁推力，驱动次级直线加速，从而实现从***输入电能到输出机械能的转换，而且***输入为中小功率，而动力输出为峰值高的脉冲功率，输出与输入功率之比为数倍至数十倍以上。
具体实施方式：本实施方式的一种惯性储能直线电磁加速***，主要由惯性储能飞轮脉冲发电机1、磁性次级直线感应电机2和切换开关单元3等构成。惯性储能飞轮脉冲发电机1的输出功率绕组通过切换开关单元3与磁性次级直线感应电机2的功率绕组连接在一起。(即，1套多相绕组分别通过开关与各段连接、整段切换)
另一种惯性储能直线电磁加速***，主要由h台惯性储能飞轮脉冲发电机1、磁性次级直线感应电机2和切换开关单元3等构成，h为大于1的正整数。各台惯性储能飞轮脉冲发电机1的输出功率绕组通过切换开关单元3分别与磁性次级直线感应电机2的功率绕组连接在一起。(即，多台发电机的绕组分别通过开关与各段连接、整段切换)
惯性储能直线电磁加速***中惯性储能飞轮脉冲发电机1主要由输入逆变器1-1、电动/脉冲发电机1-2、惯性飞轮等部分构成，电动/脉冲发电机1-2的转子与惯性飞轮同轴连接，电动/脉冲发电机1-2的定子上有两套绕组-输入功率绕组、输出功率绕组；输入逆变器1-1的输出端与电动/脉冲发电机1-2的输入功率绕组连接在一起。
惯性储能飞轮脉冲发电机1另一种结构，主要由输入逆变器、输入电动机、脉冲发电机、惯性飞轮等部分构成，输入电动机、脉冲发电机的转子与惯性飞轮同轴连接，输入逆变器的输出端与输入电动机的绕组连接在一起。
惯性储能直线电磁加速***中惯性储能飞轮脉冲发电机的输出功率绕组为多相(m≥3)交流绕组，发电机输出电压波形为正弦波。
其中，直线感应电机为单边平板形、双边平板形、单边圆弧形、双边圆弧形、多段单边圆弧形、多段双边圆弧形、单初级圆筒形或双初级圆筒形结构；次级为磁性次级；初级静止、次级运动。初级沿运动方向分成n段，n为正整数。
直线感应电机每段初级上绕组为如下两种情况：
每段初级上都有两套绕组-功率绕组和激磁绕组，激磁绕组的引出线端并接多相激磁电容器组。
或者，每段初级上只有一套绕组-功率绕组，功率绕组的各相引出线端并接多相激磁电容器组。
惯性储能直线电磁加速***中惯性储能飞轮脉冲发电机1的定子上可以有k套多相输出功率绕组，直线感应电机初级沿运动方向分成nk段，n和k为正整数。惯性储能飞轮脉冲发电机的第1套、第2套、……、第k套输出功率绕组通过切换开关单元分别与直线感应电机的第(j-1)k+1段、第(j-1)k+2段、……第jk段初级的初级功率绕组电气连接，j＝1、2、……、n。(即，多套多相绕组分别通过开关与对应段连接、整段切换)。
举例说明，当k＝3，n＝3时，即惯性储能飞轮脉冲发电机1的定子上可以有3套多相输出功率绕组，直线感应电机初级沿运动方向分成9段，则第1套多相输出功率绕组分别与第(j-1)k+1段，即第1段、第4段和第7段电气连接；第2套多相输出功率绕组分别与第(j-1)k+2段，即第2段、第5段和第8段电气连接；第3套多相输出功率绕组分别与第jk段，即第3段、第6段和第9段电气连接。
惯性储能直线电磁加速***中惯性储能飞轮脉冲发电机1的定子上可以有1套m相输出功率绕组，直线感应电机初级沿运动方向分成n段，n为正整数。每段初级绕组的相数也为m相。惯性储能飞轮脉冲发电机的定子上的m相输出功率绕组分别通过切换开关单元与直线感应电机各段初级的对应相绕组连接。(1套多相绕组的各相分别通过开关与对应相连接、各相依次切换)
惯性储能直线电磁加速***中切换开关单元可以有两种构成方式：
各相独立方式-切换开关单元由m个切换开关构成，每个切换开关位于惯性储能飞轮脉冲发电机的输出功率绕组和磁性次级直线感应电机的功率绕组对应相引出线端之间；
各相集中方式-切换开关单元由一个集中切换开关构成，切换开关位于磁性次级直线感应电机的功率绕组各相的尾端。
惯性储能直线电磁加速***中惯性储能飞轮脉冲发电机的输出电压可以调节。当惯性储能飞轮脉冲发电机的转子惯量足够大时，也可以不加惯性飞轮。
本实施方式的惯性储能直线电磁加速***的工作原理：
输入逆变器将中小功率电力***或电能存储装置中的电能转换为频率可变的交流电能驱动能量输入飞轮脉冲发电机，使其转子带动惯性飞轮加速旋转到额定转速，由于飞轮脉冲发电机气隙旋转磁场会“切割”其输出功率绕组，在绕组内产生感应电动势；然后闭合切换开关单元，使飞轮脉冲发电机与直线感应电机的功率绕组连接在一起，飞轮脉冲发电机发出交流电能，输出给直线感应电机，在直线感应电机气隙中产生行波磁场，行波磁场“切割”磁性次级，在次级中感应电流，电流与行波磁场相互作用，产生电磁推力，驱动次级直线加速，从而实现从***输入电能到输出机械能的转换，而且***输入为中小功率，而动力输出为峰值高的脉冲功率，输出与输入功率之比为数倍至数十倍以上。
下面结合图1说明本实施方式。本实施方式的惯性储能直线电磁加速***主要由三相惯性储能飞轮脉冲发电机、磁性次级直线感应电机和切换开关单元等构成。惯性储能飞轮脉冲发电机的输出功率绕组通过切换开关单元与磁性次级直线感应电机的功率绕组连接在一起。
惯性储能飞轮脉冲发电机主要由输入逆变器、电动/脉冲发电机和惯性飞轮构成，电动/脉冲发电机的转子与惯性飞轮同轴连接，电动/脉冲发电机的定子上有两套三相绕组-输入功率绕组、输出功率绕组；输入逆变器的输出端与电动/脉冲发电机的输入功率绕组连接在一起。
初级沿运动方向分成三段；切换开关单元为各相集中方式，切换开关单元由一个集中切换开关构成，三个切换开关分别位于磁性次级直线感应电机的三段功率绕组各相的尾端。

Claims (11)

1.惯性储能直线电磁加速***，其特征在于，包括一个惯性储能飞轮脉冲发电机(1)、一个直线感应电机(2)和一个切换开关单元(3)；
所述惯性储能飞轮脉冲发电机(1)的输出功率绕组的数量为k套；
所述直线感应电机(2)的初级沿运动方向分为nk段；n和k均为正整数；
每段初级上均设有一个初级功率绕组；
惯性储能飞轮脉冲发电机(1)的第1套、第2套、……、第k套输出功率绕组通过切换开关单元(3)分别与直线感应电机(2)的第(j-1)k+1段、第(j-1)k+2段、……第jk段初级的初级功率绕组电气连接，j＝1、2、……、n；
多套多相输出功率绕组分别通过开关与直线感应电机(2)的对应段连接、切换开关单元(3)对直线感应电机(2)整段切换。
2.根据权利要求1所述的惯性储能直线电磁加速***，其特征在于，所述惯性储能飞轮脉冲发电机(1)的输出功率绕组的相数为m相，且m≥3；每段初级的初级功率绕组的相数为m相；
所述输出功率绕组的各相分别通过切换开关单元(3)与直线感应电机(2)各段初级的初级功率绕组的对应相电气连接。
3.根据权利要求2所述的惯性储能直线电磁加速***，其特征在于，切换开关单元(3)包括m个切换开关，m为正整数
所述惯性储能飞轮脉冲发电机(1)的输出功率绕组和直线感应电机(2)的初级功率绕组的对应相引出线端之间设置一个切换开关。
4.根据权利要求2所述的惯性储能直线电磁加速***，其特征在于，切换开关单元(3)包括一个集中切换开关，所述集中切换开关位于直线感应电机(2)的初级功率绕组的各相的尾端。
5.根据权利要求1所述的惯性储能直线电磁加速***，其特征在于，各段初级的初级功率绕组的引出线端并接多相激磁电容器组。
6.根据权利要求1所述的惯性储能直线电磁加速***，其特征在于，每段初级还均设有一个激磁绕组；
各段初级的激磁绕组的引出线端并接多相激磁电容器组。
7.根据权利要求1所述的惯性储能直线电磁加速***，其特征在于，惯性储能飞轮脉冲发电机(1)包括输入逆变器(1-1)和电动/脉冲发电机(1-2)；
所述电动/脉冲发电机(1-2)的定子和转子分别作为惯性储能飞轮脉冲发电机(1)的定子和转子，所述电动/脉冲发电机(1-2)的转子等效为惯性储能飞轮脉冲发电机(1)的惯性飞轮；
所述电动/脉冲发电机(1-2)的定子上设有输入功率绕组和输出功率绕组；
所述输入逆变器(1-1)的输出端与电动/脉冲发电机(1-2)的输入功率绕组电气连接。
8.根据权利要求7所述的惯性储能直线电磁加速***，其特征在于，惯性储能飞轮脉冲发电机(1)还包括惯性飞轮；
所述惯性飞轮与电动/脉冲发电机(1-2)的转子同轴连接。
9.根据权利要求1所述的惯性储能直线电磁加速***，其特征在于，直线感应电机(2)的次级为磁性次级；且所述直线感应电机(2)初级静止，次级运动。
10.根据权利要求1所述的惯性储能直线电磁加速***，其特征在于，惯性储能飞轮脉冲发电机(1)输出电压波形为正弦波。
11.根据权利要求10所述的惯性储能直线电磁加速***，其特征在于，惯性储能飞轮脉冲发电机(1)的输出电压可以调节。
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