CN113131705B - 杯形绕组永磁同步电机、储能飞轮及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了杯形绕组永磁同步电机、储能飞轮及方法，所述同步电机集电动机和发电机为一体，工作在电动和发电两种状态，实现电动、发电的互逆运行，包括：外转子、杯形绕组和内转子，所述杯形绕组置于内外转子之间的空腔内，所述外转子包括外转子轭，所述内转子包括内转子轭，外转子和杯形绕组以及杯形绕组和内转子之间均留有气隙。本公开简化了飞轮储能***的结构。电机结构简单，电机的能量利用效率提高，电机轴向长度缩短，电机总体体积、重量减小，有利于转子的平稳转动。

Description

杯形绕组永磁同步电机、储能飞轮及方法

技术领域

本公开属于电机技术领域，尤其涉及杯形绕组永磁同步电机、储能飞轮及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着经济的迅速发展，用户的用电需求日益增加，能源的需求也日益增长，能源的供求矛盾日趋严峻，用户对能源的可靠性灵活性的要求逐渐增高。为了实现低碳绿色能源的可持续高质量发展，尤其是由于可再生能源技术的不断推进，风能、太阳能等可再生能源在发电上的占比逐渐增大。但由于可再生能源自身存在的间歇性和随机性，为了实现能源的高效利用，提高供电可靠性，高比例的可再生能源对于储能方面提出了更高的要求，也给储能的发展带来了新机遇。

储能字面意思指的是电能的存储，能量储存技术是现如今应对能源短缺、满足电网稳定可持续运行、能量高效利用的一种较为有效的方法，在电力***中，当电网负荷存在波动时，各种储能装置发挥作用进行一定的削峰填谷，当电力需求较少，电网用电负荷处于低谷状态时，储能装置从电网获取电能进行充电，多余的电能储存在装置内部；当电力需求较多，电网无法满足电力供应时，储能装置将储存的电能向电网回馈，从而满足用户的电力需求。除此之外，能量储存技术可以用于可再生能源发电场合，可以将风能、太阳能等随机性波动性较强的能源有效储存，提高可再生能源发电并网时的能量利用率以及并网的可靠性，对未来可再生能源发电的发展具有极大的推动作用。

现如今常见的能量存储方式主要分为物理储能、化学储能、其他方式储能这三大类，其中像飞轮储能、抽水蓄能电站、热储能、压缩空气储能等等属于物理储能，而最常见的电池储能、电容器储能等归于化学储能的范畴，其他方式还包括超导储能等等。目前应用最为广泛的依然是电池储能，利用电池作为能量来源，可以得到稳定的电压电流，并且电池结构简单，携带方便，一次性投入成本较低。电池的储能范围很广，从铅蓄电池到各式各样的干电池、锂电池，适用于大中小各类储能场合，广泛应用于新能源汽车、太阳能发电等可再生能源领域。然而化学电池的大规模运用，会产生大量的碳排放，久而久之会造成严重的环境污染，因此为了社会的可持续发展，飞轮储能技术越来越多地受到行业的重视，具有更光明的发展前景。

飞轮储能是一种充放效率高、寿命长、能量密度高、功率密度大、启动速度快、不受充放电次数的限制、对工作温度和运行环境适应性强、维护成本低且无污染的一种储能方式，逐渐成为目前的研究热点。由于其独特的优点，飞轮储能可以广泛的应用于新能源并网、航空航天、交通运输以及不间断电源UPS等领域，同时可以与电池储能联合应用于风力发电***。飞轮储能其工作原理是实现电能和机械能之间的能量转换，以高速旋转的飞轮作为储能介质，当需要充电时，利用电动机带动飞轮高速旋转起来，将电能转换成机械动能储存起来；当需要放电时，利用飞轮拖动发电机发电，飞轮减速，将动能转换成电能，给负载供电。

早在一百年前，就有人提出利用高速旋转的飞轮进行储存能量，但由于当时技术水平的限制，此想法一直没有得到实际性的发展。直到20世纪60年代，美国宇航局尝试将飞轮储能用作卫星蓄电池，之后各国对于卫星储能飞轮的需求日益增多，飞轮陆续用于军工国防、航空航天等场合。近年来，随着以下三项相关技术的迅猛发展，给飞轮储能技术带来了极大的发展前景，一是高强度碳素纤维复合材料的出现，提升了飞轮的转速及强度，增加了单位质量的动能储量；二是磁悬浮技术和高温超导技术的研究进展迅速，磁悬浮和真空技术相结合，使得飞轮转子的摩擦损耗和风摩损耗都大幅度降低；三是新型电机及新型电力变换装置的发展，使得现代电力电子技术各种新进展层出不穷，为飞轮储能的能量转换提供了更为先进的手段。国外关于飞轮储能的研究起步较早，美国、德国、日本等发达国家对飞轮储能技术的开发和应用比较多，目前已有众多单位、企业如美国国家航空航天局(NASA)、Active Power公司、德国的Piller公司等等进行大量的研究及生产。我国在飞轮储能领域起步较晚，国内从事飞轮储能研究的团队多属于高校和科研院所等学术机构，如清华大学、北京航空航天大学、中科院电工所、哈尔滨工业大学、山东大学等等高校，但近年来随着国家对新能源领域的支持，也有相关企业从事飞轮储能方面的生产研究，像冀东发展集团、北京奇峰聚能科技有限公司、北京华池动能科技有限公司等，但与国外高性能的储能飞轮相比，国产储能飞轮主要在可靠性、容量等方面存在较大差距。

飞轮储能***其基本结构主要包括以下几个部分，即储存能量的飞轮本体、电动机/发电机组、用于支撑的轴承***、电力电子变换***、真空室这五个部分。为了减小飞轮高速旋转带来的摩擦损耗，将飞轮本体和电机密封在真空室内，从而降低电机运行时的风阻损耗，提升飞轮储能***的能量利用率，保证***的安全。为了提高飞轮储能***的灵活性和适应性，使其发出的电能够在不同场合各种电压等级下使用，将电力电子变换装置应用于飞轮储能***。电力电子变换装置作为飞轮储能***中电机和外部负载侧电气设备之间进行交换能量的媒介，可以实现飞轮储能***和外部电气设备之间的能量双向流动，调节输出/输入电能的电压、电流和频率，将飞轮输出的电能通过调频、整流或恒压等电力变换，从而满足负荷供电所要求的电能。飞轮本体作为飞轮储能***中最核心的部件，常采用高强度碳素纤维复合材料制作，其作用是储存能量，直接决定着储存能量的多少，因此通常飞轮设计力求提高转速或转动惯量，同时保证一定的飞轮重量的情况下，增大飞轮储能量。轴承***是维持飞轮***稳定性和可靠性的重要的机械组件，主要包括机械轴承和电磁轴承两类，目前应用于飞轮储能***多采用电磁轴承即磁悬浮***，使得电机转子不存在摩擦力和机械损耗，延长飞轮寿命。电动机/发电机组是实现飞轮能量转换的核心部件，为了保证飞轮储能***的稳定运行，电机必须能够实现电动/发电的互逆运行，即电动机和发电机一体，可以工作在电动和发电两种状态，在储能时，电机作为电动机运行，利用外界电能驱动电动机，带动飞轮转子高速旋转，将电能储存起来；在释能时，电机又作为发电机运行，飞轮减速，带动发电机发电向外输出电能。为保证储能飞轮能够得到更好的性能，对电动机/发电机组也应该具备以下性能要求：能够高速运行以便储备更高容量，电机调速范围广、调速性能好，电机运行效率高、输出转矩大、输出功率高，电机需结构简单、性能可靠等等。常见的用于飞轮储能的电机有以下几种，包括异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机、感应子电机等。其中永磁同步电机结构简单、效率高，目前得到广泛应用。永磁同步电动机种类多种多样，按转子位置不同，可分为外转子永磁同步电机和内转子永磁同步电机，按磁路方向不同，可分为径向磁通、轴向磁通和横向磁通式，按定子结构不同，可分为有铁心和无铁心电机，等等。

不同种类的电机其特性不同，适用于不同的场合，目前国内外关于储能飞轮用永磁电机的研究样机有很多，尤其是国外对于储能飞轮用永磁电机的研究已经十分成熟，美国NASA对用于飞轮储能***的高速永磁电动/发电机5种不同永磁体结构的电机性能进行深入的研究，英国谢菲尔德大学、韩国忠南大学均对永磁体Halbach结构外转子无铁心高速永磁无刷直流电机进行了研究，并将其应用于电动汽车的飞轮储能装置中。我国对于储能飞轮用永磁电机的研究起步较晚，中科院电工所设计了一个内置式永磁同步电机用于调节电网电压波动，山东大学与北京航空航天大学2004年设计了一种外转子无铁心的Halbach磁体结构永磁无刷电机，部分设计已制成样机并在国产飞轮储能***上得以应用。

目前，风力发电、航空航天等能源领域对储能飞轮用永磁同步电机的需求与日俱增，从而对储能飞轮用永磁同步电机的研究及应用提出了更高更迫切的要求。纵观前人所做的工作，国内生产的飞轮永磁电机主要在容量上、功率密度、利用效率等方面与国外同类产品差距较大，不能得到有效推广使用。因此需要在最普通的永磁同步电机的基础上，设计新的电机结构，同时由于储能飞轮的应用场合、结构等方面的特殊性，为最终实现其产业化、商业化，保证储能飞轮的安全性、可靠性，新的电机结构需重点解决以下几方面的问题：

1.新结构样机的研发和电机结构的优化设计问题。根据储能飞轮对永磁电机结构紧凑、容量大、性能优良的要求，研制开发采用径向磁通原理的新型立式安装的杯形绕组永磁同步电机，以扩展储能飞轮用电机的种类，拓宽径向磁通杯形绕组永磁同步电机的应用范围。优化径向磁通杯形绕组永磁同步电机结构，使电机结构更加简单，便于制造，降低电机工艺难度，合理设计电机尺寸，减轻重量，减小体积。

2.电机在储能飞轮的位置及安装问题。由于电机是利用现有的储能飞轮的飞轮转子锻钢、飞轮机壳以及磁悬浮轴承部件，在已知其尺寸关系的基础上确定电机在飞轮***里的位置，因此电机位置的精准确定应为保证飞轮安全可靠运行的关键。除此之外，电机的安装问题也是有待解决，由于飞轮高速旋转，电机在实际安装过程中需保证电机的每个部件不得随着飞轮旋转出现位置的偏移，保证安装的准确牢固，从而保证了储能飞轮的安全性。

3.电机损耗的优化问题。永磁同步电机高速运行时会产生涡流损耗、铁心损耗等等，这些损耗会在电机定转子上产生大量的热且不容易散出，电机及飞轮的安全性无法保障。因此，降低电机的损耗对飞轮的安全可靠性具有十分重要的意义，无定子铁心故而电机理论上没有铁耗存在，因此无铁心电机是未来飞轮电机的研发方向。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了杯形绕组永磁同步电机，相较于传统永磁同步电机，更加适用于储能飞轮的场合，在同等的额定功率额定电压下，杯形绕组永磁同步电机体积小重量轻，效率更高，损耗更小。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了杯形绕组永磁同步电机，所述同步电机集电动机和发电机为一体，工作在电动和发电两种状态，实现电动、发电的互逆运行，包括：

外转子、杯形绕组和内转子，所述杯形绕组置于内外转子之间的空腔内，所述外转子包括外转子轭，所述内转子包括内转子轭，外转子和杯形绕组以及杯形绕组和内转子之间均留有气隙。

进一步的技术方案，所述外转子由一个外转子轭和沿圆周方向分布的N极、S极交错排列的多极永磁体构成，其中永磁体按要求的磁极极数均匀分布于外转子轭的内表面。

进一步的技术方案，所述永磁体的安装方式为：直接将永磁体置于飞轮转子端面所开空腔的外周的内壁上；或

将永磁体先置于一个导磁圆筒内壁上，然后整体置于飞轮转子端面所开空腔的外周的内壁上。

进一步的技术方案，每极永磁体为扇型结构，径向充磁；

优选的，将每极永磁体沿轴向及周向分成数个小块，再粘接到一起后再整体径向充磁。

进一步的技术方案，电机外转子轭所用材料为导磁的飞轮钢，扇形永磁体由性能优异的稀土永磁材料制成。

进一步的技术方案，所述内转子为永磁内转子或非永磁内转子；

进一步的优选的，所述永磁内转子，由内转子轭和其外侧的沿圆周方向N极、S极交错排列均匀分布的多极永磁体构成；

优选的，所述永磁体扇型结构，每极永磁体分块后整体径向充磁，由稀土永磁材料制作而成；

进一步的优选的，所述非永磁内转子，内转子外侧没有放置永磁体，只有一个内转子轭；

所述内转子轭所用材料也为导磁的飞轮钢。

进一步的技术方案，所述内转子轭与外转子轭同步旋转，均为大飞轮转子的一部分，利用导磁飞轮转子当做外转子轭及内转子。

进一步的技术方案，所述杯形绕组由电机定子电枢绕组经环氧树脂固化而成，将绕组绕制在由不导磁不导电的材料制成的定子支架上，并利用环氧树脂填充，最后整体固定于电机上端的支承盘上。

进一步的技术方案，所述杯形绕组通过螺栓将环氧树脂填充后的绕组线圈和定子支架分别与一不导磁扣环固定，扣环扣在环氧树脂填充的绕组外侧并放置在定子支架上端，侧端通过轴径向螺栓与环氧树脂填充后的绕组线圈固定，底部通过轴向螺栓与定子支架固定，上部通过轴向螺栓和卡槽与上端支承盘固定。

进一步的技术方案，所述上端的支撑盘外周固定于飞轮定子机壳内周，上端支撑盘的内周与上径向磁轴承的外周固定，底部通过螺栓和卡槽与绕组固定扣环连接。

第二方面，公开了一种储能飞轮，所述储能飞轮采用上述永磁同步电机进行机电能量转换；

所述电机置于飞轮转子上端面开出的环形空腔内，利用导磁飞轮转子当做外转子轭及内转子，将杯形绕组放置于空腔中；

所述导磁飞轮转子永磁体的轴向长度大于绕组线圈直线部分长度，即除线圈直线部分的电枢铁心有效长度外，利用绕组线圈端部部分与永磁体相互作用产生电动势。

第三方面，公开了杯形绕组永磁同步电机的的工作方法，包括：

主磁路气隙包括外转子永磁体与杯形绕组之间的外气隙和杯形绕组与内转子之间的内气隙；

永磁磁通依次经过外转子永磁体、外气隙、绕组、内气隙、内转子永磁体、内转子轭、相邻内转子永磁体、内气隙、绕组、外气隙、相邻外转子永磁体、外转子轭，最后回到原外转子永磁体形成闭合回路。

进一步的技术方案，沿圆周方向相邻两个永磁体极性相反，当原动机转子旋转时，永磁磁极作为转子产生同步旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场的作用下通过电枢反应，感应出三相对称电流，此时转子动能转化为电能，永磁同步电机作发电机使用；

当定子绕组通入三相对称交流电时，由于三相定子绕组在空间位置上互差120°，所以三相定子电流在空间中产生同步速旋转磁场，与永磁体产生的磁场相互作用，产生同步电磁转矩，转子同步旋转磁场中受到电磁力作用，会产生相对运动，进而驱动电机旋转，此时电机电能转化为转子动能，永磁同步电机作电动机使用。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、本公开采用新的电机工作原理和电机结构，电机径向磁通，绕组为空心杯形绕组，无定子铁心，采用电动机和发电机一体，实现电动/发电的互逆运行，可以工作在电动和发电两种状态，简化了飞轮储能***的结构。电机结构简单，电机的能量利用效率提高，电机轴向长度缩短，电机总体体积、重量减小，有利于转子的平稳转动，扩展了储能飞轮用电机的种类，拓宽了径向磁通杯形绕组永磁同步电机的应用范围，可以灵活运用在更多场合。

2、本公开解决了转子结构与强度的问题。飞轮高速旋转时会产生很大的离心力，对于应用较多的永磁电机而言，转子上的永磁体在高速旋转的离心力作用下容易存在脱落的危险，所以本公开采用实心外转子结构，电机置于飞轮转子上端面开出的环形空腔内，既可以直接将永磁体置于飞轮转子端面所开空腔的外周的内壁上，又可制作一个导磁的套筒，将永磁体先置于一个套筒内壁上，然后再整体置于飞轮转子端面所开空腔的外周的内壁上，外转子轭与导磁套筒之间的机械配合方式为过盈配合，因此飞轮高速旋转时外转子轭会对永磁体起到一个阻挡作用，除此之外，永磁体分块有利于减小其在高速旋转时受到的弯曲应力，径向磁通电机不存在轴向磁拉力，利用连接飞轮机壳和径向磁轴承的上端支撑盘和绕组上端不导磁固定件，可以保证杯形绕组的径向位置因飞轮旋转不发生变化，因此转子的强度足以保证，飞轮的可靠性大大增加。

3、本公开解决了电机的损耗优化问题。永磁同步电机高速运行时会产生定子铁心损耗、绕组上的铜损、转子上的涡流损耗还有风摩擦损耗和机械摩擦损耗等等，这些损耗会在电机定转子上产生大量的热且不容易散出，电机及飞轮的安全性无法保障。本公开将整个飞轮内部抽真空，将有效的大幅度降低高速永磁电机转子表面的风磨损耗；电机无定子铁心，理论上不会存在定子铁心损耗，同时永磁体固定在转子上，相对于转子铁心没有相对运动，永磁体并进行了分块，理论上铁心中几乎不存在涡流损耗；电机采用磁悬浮轴承进行支撑，消除了电机与普通机械轴承之间的机械摩擦损耗，因此，降低电机的损耗对飞轮的安全可靠性具有十分重要的意义，大大提升飞轮储能***的能量利用率，延长了电机寿命，为未来飞轮电机的研发提供了新方向。

4、本公开解决了电机的温升散热问题，由于飞轮储能电机转速高、容量大，可能会带来很高的温升，无法散热。本公开采用外转子无铁心结构，定转子涡流损耗微乎其微，定子也没有铁心损耗，同时空心杯形绕组结构，独立于转子铁心，且有两个气隙，有足够空间在绕组内铺设铜质管道进行风冷和水冷，有利于散热。

5、本公开简化了电机的安装及加工工艺。本公开是在现有的储能飞轮的飞轮转子锻钢、飞轮机壳以及磁悬浮轴承部件的基础上，在已知其尺寸关系的基础上确定电机在飞轮***里的位置及尺寸，可以大大节约了电机用料，能够更加合理的利用好飞轮的内部空间；安装时可采用模块化装配思路，立式安装，安装顺序先中间杯形绕组，再根据绕组的轴向高度确定永磁体安装位置，最后根据两者尺寸确定飞轮转子需开出的空腔大小，安装难度大大降低，提高了***的可靠性和集成度。

6、本公开电机的转矩输出特性更佳。该电机采用定子无齿槽结构，可以消除电机的齿槽转矩和齿谐波，从而电机的定位转矩为零，电机的输出转矩特性更好，有利于提高转子的稳定性。

7、本公开的立式安装的杯形绕组永磁同步电机与传统飞轮储能用永磁同步电动机相比具有设计计算方便、结构简单、重量轻体积小、损耗小效率高等优势，目前，飞轮储能越来越多地得到行业的重视，新型立式安装的杯形绕组永磁同步电机的优势将具备更大的价值，为未来飞轮储能用电机的研发提供了新的解决思路。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例子的整体三维结构图；

图2为本公开实施例子的电机本体部分三维结构图；

图3为本公开实施例子的电机组装示意图；

图4为本公开实施例子的飞轮转子示意图；

图5为本公开实施例子的外转子轭结构图；

图6(a)-图6(b)为本公开实施例子的永磁内转子和非永磁转子结构图；

图7(a)-图7(b)为本公开实施例子的单个永磁体和整体永磁体结构图；

图8(a)-图8(b)为本公开实施例子的单个绕组图和整体杯形绕组结构图；

图9为本公开实施例子的绕组固定部件结构示意图

图10为本公开实施例子的永磁体与绕组之间的结构关系图；

图11为本公开实施例子的定子线圈接线示意图；

图12为本公开实施例子的电机主磁路示意图；

图13为本公开实施例子的电机的结构位置关系的剖视图；

图中，上端盖1、径向磁轴承2、机壳3、轴承支承盘4、外转子轭5、内转子轭6、转轴7、永磁体极8、杯形绕组9、绕组固定扣环10、下端盖11、飞轮转子12、定子支架13。

其中为了便于描述磁路，将永磁体分为外转子永磁体8-1、相邻外转子永磁体8-2、内转子永磁体8-3、相邻内转子永磁体8-4(非永磁内转子没有)。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了用于储能飞轮的立式安装的杯形绕组永磁同步电机，以8极72槽杯形绕组永磁同步电机为例，当本公开用作飞轮储能用立式安装的杯形绕组永磁同步电机时，电机在飞轮***中的结构位置关系剖视图如图13所示，为了准确描述杯形绕组永磁同步电机用作飞轮储能***时与***内各部件之间的相互关系，需将涉及到的部件包括端盖、机壳、径向磁轴承等的大致位置稍作示意，因此立式安装的杯形绕组永磁同步电机在飞轮储能***中的整体结构如图1所示(此处包括进行安装固定的其他非电机本体部件)。

图2是所述发明的电机本体部分，电机本体分为内转子6、杯形绕组9和外转子5三部分，杯形绕组置于内外转子之间的空腔内，外转子和中间杯形绕组以及中间杯形绕组和内转子之间均留有气隙。

一实施例中，由于电机无定子铁心，中间杯形绕组9由72个单匝线圈组成，将绕组绕制在由不导磁不导电材料制成的定子支架上，并利用环氧树脂填充，最后整体固定于电机上端的径向磁轴承支承盘4上。

一具体实施例中，外转子由一个外转子轭5和八块沿圆周方向N极、S极交错排列永磁体8构成，其中永磁体8按要求的磁极极数均匀分布于外转子轭的内表面，沿圆周方向相邻的两块永磁体极极性相反，永磁体为扇型结构，径向充磁，为了便于安装及减小损耗，实际制造中需要将每块永磁体沿轴向及周向分成数个小块，再粘接到一起后再整体径向充磁，外转子轭5结构由图5给出，永磁体8的结构图如图7所示，其中图7a为单个永磁体结构图，图7b为整体永磁体结构图；内转子6，既可以是永磁内转子，也可以是非永磁内转子，永磁内转子结构如图6a所示，非永磁内转子结构如图6b所示。

具体的，永磁内转子，由一个内转子轭和其外侧沿圆周方向分布N极、S极交错排列的多极永磁体构成，永磁体同样的如上述外转子永磁体安装方式相同，扇型结构，永磁体分块后整体径向充磁，由稀土永磁材料制作而成；非永磁内转子，内转子外侧没有放置永磁体，只有一个内转子轭。

如图3电机组装示意图所示，电机置于飞轮转子12上端面开出的环形空腔内，利用导磁飞轮转子当做外转子轭5及内转子6，将杯形绕组9放置于空腔中；永磁体8与绕组9之间的结构关系如图10所示，要求永磁体8的轴向长度大于绕组9线圈直线部分长度；即除线圈直线部分的电枢铁心有效长度外，可以利用绕组线圈端部部分与永磁体相互作用产生电动势，避免了由于绕组端部过长且无法利用造成的空间浪费，大大缩短了电机的轴向长度，减小了绕组的重量，保证了绕组的支撑强度。

永磁体8的安装示意图如图所示，其一方法是直接将永磁体8置于飞轮转子12端面所开空腔的外周的内壁上，其二是将永磁体8先置于一个圆筒内壁上，然后整体置于飞轮转子12端面所开空腔的外周的内壁上，外转子轭与导磁套筒之间的机械配合方式为过盈配合。

绕组固定部件结构示意图如图9所示，中间杯形绕组9绕制在不导磁不导电的定子支架13上，经环氧树脂填充后，通过螺栓将环氧树脂填充后的绕组线圈9和定子支架13分别与一不导磁扣环10固定，其中扣环10内外径与定子支架13相同，侧端通过轴径向螺栓与环氧树脂填充后的绕组线圈9固定，底部通过轴向螺栓与定子支架13固定，上部通过轴向螺栓和卡槽与上端支承盘4固定。

需要说明的是，电机外径不得超过飞轮转子的外径，电机轴向高度需小于飞轮转子的高度，电机置于飞轮转子上端面开出的环形空腔内，利用导磁飞轮转子当做外转子轭及内转子，为保证支撑强度，外转子轭厚度不应太小。

将杯形绕组放置于空腔中，其内转子轭与外转子轭同步旋转，都是大飞轮转子的一部分。中间杯形绕组和内外转子之间应留有足够的空间，保证绕组不会因为周向磁拉力被吸到内外转子上，同时也给环氧树脂的填充留足空间。

杯形绕组的槽满率需小于50％，在满足电流密度及输出特性的情况下且尽可能的小，由于储能飞轮容量较大，电枢绕组产生的铜耗会带来大量热量无法散失，因此需要在电机内部进行风冷或者水冷。相比之下水冷的效果会比风冷更好，因此需利用电枢绕组上端及内部空间盘绕铜质水管进行水冷散热。

电机内外转子轭目前所用材料均为导磁的飞轮钢，扇形永磁体由性能优异的稀土永磁材料制成。

电机其安装顺序如先确定中间杯形绕组的位置及尺寸，通过绕组上部的插销件及悬挂件固定于上端支承盘上，再根据绕组的轴向高度确定永磁体的轴向高度及安装位置(需保证永磁体不会影响绕组的固定)，最后根据两者尺寸确定飞轮转子需开出的空腔大小。

主磁路提及的气隙包括外转子永磁体与中间杯形绕组之间的外气隙a和中间杯形绕组与内转子之间的内气隙b，添加附图12具体表述电机主磁路，同时对一条主磁路中的两个气隙进行标注。

结合图3以及图12说明本公开电机工作原理：永磁磁通经外转子永磁体8-1→外气隙a→绕组9→内气隙b→内转子永磁体8-3(非永磁内转子没有)→内转子轭6→相邻内转子永磁体8-4(非永磁内转子没有)→内气隙b→绕组9→外气隙a→相邻外转子永磁体8-2→外转子轭5→最后回到原外转子永磁体8-1形成闭合回路。

沿圆周方向相邻两个永磁体极性相反，当原动机转子旋转时，永磁磁极8作为转子产生同步旋转磁场，三相定子绕组9在旋转磁场的作用下通过电枢反应，感应出三相对称电流，此时转子12动能转化为电能，永磁同步电机作发电机使用；当定子绕组9通入三相对称交流电时，由于三相定子绕组在空间位置上互差120°，所以三相定子电流在空间中产生同步速旋转磁场，与永磁体8产生的磁场相互作用，产生同步电磁转矩，转子12同步旋转磁场中受到电磁力作用，会产生相对运动，进而驱动电机旋转，此时电机电能转化为转子动能，永磁同步电机作电动机使用。

所述电机绕组接线方式如图11所示(仅列出A相绕组接线方式，B、C相相同且三相互差120°)，所述定子绕组9为短矩分布绕组，沿径向双层排布，引出中线。

相比于传统结构的储能飞轮用永磁电机，本公开的显著优势之一体现在电机整体体积大幅缩小。飞轮大实心转子在整个飞轮储能***中占据很大的空间，传统的储能飞轮用电机没有利用飞轮转子作为电机的一部分，飞轮内空间得不到合理利用。而本公开提出的新型立式安装的杯形绕组永磁同步电机对这部分进行了合理利用，电机置于飞轮转子上端面开出的环形空腔内，利用导磁飞轮转子当做外转子轭及内转子，将杯形绕组放置于空腔中，减小电机整体体积，实现空间利用最大化。本公开的另一个显著优势是电机损耗小，效率高，电机定子部分无定子铁心，可以消除电机齿槽转矩和齿谐波以及定子上的涡流损耗，同时飞轮内部抽真空，真空环境消除了风摩擦损耗，电磁轴承即磁悬浮轴承的运用消除了机械轴承带来的机械损耗。本公开提出的新型立式安装的杯形绕组永磁同步电机使得飞轮储能***的效率以及能量利用率更高。

本公开技术方案中间杯形绕组，悬空于内外转子之间，将绕组绕制在由不导磁不导电的材料制成的定子支架上，并利用环氧树脂填充，通过绕组上端部中的插销件及悬挂件固定于上端支承盘上。

本公开技术方案的电机集电动机和发电机一体，能够实现电动/发电的互逆运行，可以工作在电动和发电两种状态；电机置于飞轮转子上端面开出的环形空腔内，利用导磁飞轮转子当做外转子轭及内转子，将杯形绕组放置于空腔中；永磁体的轴向长度大于绕组线圈直线部分长度，缩短了电机的轴向长度，减小了绕组的重量，扩展了储能飞轮用电机的种类以及立式安装永磁同步电机的应用场合，大幅度降低了电机的铁耗，电机转矩特性和散热效果更好，适用于大容量飞轮储能风力发电的场合。

实施例子二

本说明书公开了一种新型立式安装的杯形绕组永磁同步电机的工作方法，包括：

主磁路提及的气隙包括外转子永磁体与中间杯形绕组之间的外气隙和中间杯形绕组与内转子之间的内气隙；

永磁磁通依次经过外转子永磁体、外气隙、绕组、内气隙、内转子永磁体、内转子轭、相邻内转子永磁体、内气隙、绕组、外气隙、相邻外转子永磁体、外转子轭，最后回到原外转子永磁体形成闭合回路；

沿圆周方向相邻两个永磁体极性相反，当原动机转子旋转时，永磁磁极作为转子产生同步旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场的作用下通过电枢反应，感应出三相对称电流，此时转子动能转化为电能，永磁同步电机作发电机使用；当定子绕组通入三相对称交流电时，由于三相定子绕组在空间位置上互差120°，所以三相定子电流在空间中产生同步速旋转磁场，与永磁体产生的磁场相互作用，产生同步电磁转矩，转子同步旋转磁场中受到电磁力作用，会产生相对运动，进而驱动电机旋转，此时电机电能转化为转子动能，永磁同步电机作电动机使用。

杯形绕组通常转速不能过高，并且小承载力的轴承即可满足支承。原因飞轮转子轴向长度大，影响其模态，需要压缩电机轴向长度；转子损耗大、热量高且散失困难，需要采用永磁体分块、SMC材料等方式降低温升；随电机功率增加，永磁体厚度不能无限增加，在厚度限制下，引入铁心结构减小磁路磁阻，节省永磁材料的使用。

本公开实施例中的同步电机，相较于传统永磁同步电机，更加适用于储能飞轮的场合，在同等的额定功率额定电压下，杯形绕组永磁同步电机体积小重量轻，效率更高，损耗更小，是未来储能飞轮用电机的发展方向。

可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料的特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (8)

1.杯形绕组永磁同步电机，其特征是，所述同步电机集电动机和发电机为一体，工作在电动和发电两种状态，实现电动、发电的互逆运行，包括：

外转子、杯形绕组和内转子，所述杯形绕组置于内外转子之间的空腔内，所述外转子包括外转子轭，所述内转子包括内转子轭，外转子和杯形绕组以及杯形绕组和内转子之间均留有气隙；所述外转子由一个外转子轭和沿圆周方向分布的N极、S极交错排列的多极永磁体构成，其中永磁体按要求的磁极极数均匀分布于外转子轭的内表面；将每极永磁体沿轴向及周向分成数个小块，再粘接到一起后再整体径向充磁；所述内转子为永磁内转子，由内转子轭和其外侧的沿圆周方向N极、S极交错排列均匀分布的多极永磁体构成；

所述电机应用于大容量储能飞轮中，进行机电能量转换；飞轮转子端面开出环形空腔，利用导磁飞轮转子当做外转子轭及内转子，将杯形绕组和永磁体放置在飞轮转子端面所开出的环形空腔内，导磁飞轮转子永磁体的轴向长度大于绕组线圈直线部分长度，即除线圈直线部分的电枢铁心有效长度外，利用绕组线圈端部部分与永磁体相互作用产生电动势；

所述永磁体的安装方式为：将永磁体先置于一个导磁圆筒内壁上，然后整体置于飞轮转子端面所开空腔的外周的内壁上；外转子轭与导磁套筒之间的机械配合方式为过盈配合；

所述内转子轭与外转子轭同步旋转，均为大飞轮转子的一部分，利用导磁飞轮转子当做外转子轭及内转子；

所述杯形绕组由电机定子电枢绕组经环氧树脂固化而成，将绕组绕制在由不导磁不导电的材料制成的定子支架上，并利用环氧树脂填充，最后整体固定于电机上端的支承盘上；

所述杯形绕组通过螺栓将环氧树脂填充后的绕组线圈和定子支架分别与一不导磁扣环固定，扣环扣在环氧树脂填充的绕组外侧并放置在定子支架上端，侧端通过轴径向螺栓与环氧树脂填充后的绕组线圈固定，底部通过轴向螺栓与定子支架固定，上部通过轴向螺栓和卡槽与上端支承盘固定；

所述上端的支撑盘外周固定于飞轮定子机壳内周，上端支撑盘的内周与上径向磁轴承的外周固定，底部通过螺栓和卡槽与绕组固定扣环连接；

在已知储能飞轮的飞轮转子锻钢、飞轮机壳以及磁悬浮轴承部件尺寸关系的基础上，确定电机在飞轮***里的位置及尺寸，安装时采用模块化装配思路，立式安装，安装顺序先中间杯形绕组，再根据绕组的轴向高度确定永磁体安装位置，最后根据两者尺寸确定飞轮转子需开出的空腔大小。

2.如权利要求1所述的杯形绕组永磁同步电机，其特征是，每极永磁体为扇型结构，径向充磁。

3.如权利要求1所述的杯形绕组永磁同步电机，其特征是，电机外转子轭所用材料为导磁的飞轮钢，扇形永磁体由性能优异的稀土永磁材料制成。

4.如权利要求1所述的杯形绕组永磁同步电机，其特征是，所述永磁体扇型结构，每极永磁体分块后整体径向充磁，由稀土永磁材料制作而成。

5.如权利要求1所述的杯形绕组永磁同步电机，其特征是，所述内转子轭所用材料也为导磁的飞轮钢。

6.一种储能飞轮，其特征是，所述储能飞轮采用上述权利要求1-5任一所述的永磁同步电机进行机电能量转换；

所述电机置于飞轮转子上端面开出的环形空腔内，利用导磁飞轮转子当做外转子轭及内转子，将杯形绕组放置于空腔中；

所述导磁飞轮转子永磁体的轴向长度大于绕组线圈直线部分长度，即除线圈直线部分的电枢铁心有效长度外，利用绕组线圈端部部分与永磁体相互作用产生电动势。

7.权利要求1-5任一所述的杯形绕组永磁同步电机的工作方法，其特征是，包括：

主磁路气隙包括外转子永磁体与杯形绕组之间的外气隙和杯形绕组与内转子之间的内气隙；

永磁磁通依次经过外转子永磁体、外气隙、绕组、内气隙、内转子永磁体、内转子轭、相邻内转子永磁体、内气隙、绕组、外气隙、相邻外转子永磁体、外转子轭，最后回到原外转子永磁体形成闭合回路。

8.如权利要求7所述的工作方法，其特征是，沿圆周方向相邻两个永磁体极性相反，当原动机转子旋转时，永磁磁极作为转子产生同步旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场的作用下通过电枢反应，感应出三相对称电流，此时转子动能转化为电能，永磁同步电机作发电机使用；

当定子绕组通入三相对称交流电时，由于三相定子绕组在空间位置上互差120°，所以三相定子电流在空间中产生同步速旋转磁场，与永磁体产生的磁场相互作用，产生同步电磁转矩，转子同步旋转磁场中受到电磁力作用，会产生相对运动，进而驱动电机旋转，此时电机电能转化为转子动能，永磁同步电机作电动机使用。

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