[发明专利]杯形绕组永磁同步电机、储能飞轮及方法

权利要求书

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，确定电机在飞轮系统里的位置及尺寸，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。