(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 108448807 A(43)申请公布日 2018.08.24
(21)申请号 201810236287.6(22)申请日 2018.03.21
(71)申请人 哈尔滨工业大学
地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西
大直街92号(72)发明人 寇宝泉 张浩泉 董刘宏 (74)专利代理机构 哈尔滨市松花江专利商标事
务所 23109
代理人 岳昕(51)Int.Cl.
H02K 7/02(2006.01)
权利要求书2页 说明书5页 附图4页
(54)发明名称
飞轮储能系统(57)摘要
飞轮储能系统，属于电机领域，为了解决现有的飞轮储能装置输出电压单一且充电与放电不能同时进行的问题。本发明在电动状态时，轴向磁场多重定子永磁同步电机通过输入逆变器输入电能；发电状态时，惯性飞轮向轴向磁场多重定子永磁同步电机提供机械能，惯性飞轮与轴向磁场多重定子永磁同步电机的转子同步旋转；轴向磁场多重定子永磁同步电机的定子包括i个输入定子和j个输出定子；转子包括i+j+1个转子盘或i+j-1个转子盘；定子与转子盘沿轴向依次相间排列；轭板为圆盘形，永磁体轴向充磁，永磁体的N极和S极相间固定在轭板上；输入逆变器和输出整流器同时与轴向磁场多重定子永磁同步电机相连。有益效果为输出电压不受限，充电和放电能够同时进行。
CN 108448807 ACN 108448807 A
权 利 要 求 书
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1.一种飞轮储能系统，其特征在于，包括输入逆变器、输出整流器、轴向磁场多重定子永磁同步电机(2)和惯性飞轮(4)；
电动状态时，轴向磁场多重定子永磁同步电机(2)通过输入逆变器输入电能，并将该电能转换为惯性飞轮(4)的机械能；
发电状态时，惯性飞轮(4)向轴向磁场多重定子永磁同步电机(2)提供机械能，并通过输出整流器输出电能；
所述惯性飞轮(4)与轴向磁场多重定子永磁同步电机的转子同步旋转；所述轴向磁场多重定子永磁同步电机(2)包括定子和转子；所述定子包括i个输入定子(2-3)和j个输出定子(2-4)；i为大于等于1的自然数，j为大于等于1的自然数；
所述转子包括i+j+1个转子盘或i+j-1个转子盘；定子与转子盘沿轴向依次相间排列；
每个转子盘均包括轭板(2-1-1)和多个永磁体(2-1-2)；轭板(2-1-1)为圆盘形，永磁体(2-1-2)轴向充磁，永磁体(2-1-2)的N极和S极相间沿圆周方向依次排列固定在轭板(2-1-1)上；
所述输入逆变器的输出端与轴向磁场多重定子永磁同步电机(2)的输入定子绕组引出线相连：输出整流器的输入端与轴向磁场多重定子永磁同步电机(2)的输出定子绕组引出线相连。
2.根据权利要求1所述的一种飞轮储能系统，其特征在于，轴向磁场多重定子永磁同步电机(2)的输入定子绕组相数大于等于3；轴向磁场多重定子永磁同步电机(2)的输出定子绕组相数大于等于3。
3.根据权利要求1所述的一种飞轮储能系统，其特征在于，输入定子(2-3)为有铁心定子或无铁心定子；输出定子(2-4)为有铁心无槽定子或无铁心定子。
4.根据权利要求1所述的一种飞轮储能系统，其特征在于，惯性飞轮(4)套装在轴向磁场多重定子永磁同步电机(2)转子的外周上。
5.根据权利要求1所述的一种飞轮储能系统，其特征在于，还包括联轴器(3)；
所述惯性飞轮(4)通过联轴器(3)与轴向磁场多重定子永磁同步电机(2)转子相连。6.根据权利要求1所述的一种飞轮储能系统，其特征在于，还包括机壳(1)；所述机壳(1)用于保护轴向磁场多重定子永磁同步电机(2)。7.一种飞轮储能系统，其特征在于，包括输入逆变器、输入电动机、输出整流器、输出发电机和惯性飞轮(4)；
输入逆变器的输出端与输入电动机的定子绕组引出线相连，输出整流器的输入端与输出发电机的定子绕组引出线相连；
输出发电机具有j套定子绕组，j为大于等于1的自然数；输出发动机绕组的相数大于等于输入电动机绕组的相数；所述输入电动机与输出发电机同轴相连；
所述惯性飞轮(4)套装在输出发电机的外圆周上或惯性飞轮(4)与输出发电机转子同轴相连。
8.一种飞轮储能系统，其特征在于，包括输入逆变器、永磁同步电机、1+j个输出整流器
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权 利 要 求 书
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和惯性飞轮(4)；
永磁同步电机的定子上有1+j套相数相同的交流绕组，j为大于等于1的自然数，第一套绕组为星型联结，输入逆变器的输出端与第一套绕组的引出线相连，其余j套绕组对应相依次串联后，其尾端与第一套绕组对应相的首端相连，1+j个输出整流器分别与各串联连接点引出线及最后一套绕组的首端引出线相连；
所述惯性飞轮(4)套装在永磁同步电机的外圆周上或惯性飞轮(4)与永磁同步电机转子同轴相连。
9.一种飞轮储能系统，其特征在于，包括输入逆变器、永磁同步电机、输出整流器和惯性飞轮(4)；
永磁同步电机的定子上有一套输入交流绕组和j套输出交流绕组，j为大于等于1的自然数，输入逆变器的输出端与输入绕组的引出线相连，输出整流器与j套输出交流绕组的引出线相连；输出绕组的相数大于等于输入绕组的相数；
所述惯性飞轮(4)套装在永磁同步电机的外圆周上或惯性飞轮(4)与永磁同步电机转子同轴相连。
10.根据权利要求1、7、8或9所述的一种飞轮储能系统，其特征在于，输出整流器为不可控整流器或可控整流器。
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说 明 书飞轮储能系统
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技术领域
[0001]本发明属于电机领域。
背景技术
[0002]飞轮储能系统是利用高速旋转的飞轮储存能量，并通过机电能量转换装置实现机械能和电能的相互转换。基于其功率密度高、能量密度大、电能和机械能之间的转化效率高、充电速度快、可实现免维护和具有良好的性能价格比等特点，高速飞轮在电动汽车、航空航天、电网调峰、风力发电系统的不间断供电及军事等领域有着广泛的应用前景。[0003]图1所示为现有的高速飞轮储能装置的结构示意图，它主要包括飞轮A6、真空室A7、磁性轴承A1、无刷电动机定子A4、无刷电动机转子A5、外壳A3以及接线端子A2等，其中，无刷电动机定子A4、无刷电动机转子A5以及接线端子A2组成一个电机。[0004]高速飞轮储能装置中有一个内置电机，它既可以运行于电动机状态，也可以运行于发电机状态。在充电时，它作为电动机给飞轮A6加速；当放电时，它又作为发电机给外设供电，此时飞轮A6的转速不断下降；而当飞轮A6空闲运转时，整个装置则以最小损耗运行。[0005]但是，该飞轮储能装置存在如下缺点：由于充电和放电共用一套电机、逆变器，所以放电时的输出电压受到充电时的输入电压限制，不能任意设计，限制了该储能装置在大功率、高电压、脉冲输出场合的应用。另外，该飞轮储能装置只有一个输出电压等级，不能适用于需要多个电压等级的场合。同时，该飞轮储能装置充电与放电不能同时进行，限制了其功率密度与能量密度的进一步提高。
发明内容
[0006]本发明的目的是为了解决现有的飞轮储能装置输出电压单一且充电与放电不能同时进行的问题，提出了四种飞轮储能系统。
[0007]本发明所述的第一种飞轮储能系统包括输入逆变器、输出整流器、轴向磁场多重定子永磁同步电机和惯性飞轮；[0008]电动状态时，轴向磁场多重定子永磁同步电机通过输入逆变器输入电能，并将该电能转换为惯性飞轮的机械能；[0009]发电状态时，惯性飞轮向轴向磁场多重定子永磁同步电机提供机械能，并通过输出整流器输出电能；
[0010]所述惯性飞轮与轴向磁场多重定子永磁同步电机的转子同步旋转；[0011]所述轴向磁场多重定子永磁同步电机包括定子和转子；[0012]所述定子包括i个输入定子和j个输出定子；i为大于等于1的自然数，j为大于等于1的自然数；
[0013]所述转子包括i+j+1个转子盘或i+j-1个转子盘；[0014]定子与转子盘沿轴向依次相间排列；[0015]每个转子盘均包括轭板和多个永磁体；轭板为圆盘形，永磁体轴向充磁，永磁体的
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说 明 书
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N极和S极相间沿圆周方向依次排列固定在轭板上；
[0016]所述输入逆变器的输出端与轴向磁场多重定子永磁同步电机的输入定子绕组引出线相连：输出整流器的输入端与轴向磁场多重定子永磁同步电机的输出定子绕组引出线相连。
[0017]本发明所述的第二种飞轮储能系统包括输入逆变器、输入电动机、输出整流器、输出发电机和惯性飞轮；
[0018]输入逆变器的输出端与输入电动机的定子绕组引出线相连，输出整流器的输入端与输出发电机的定子绕组引出线相连；[0019]输出发电机具有j套定子绕组，j为大于等于1的自然数；[0020]输出发动机绕组的相数大于等于输入电动机绕组的相数；[0021]所述输入电动机与输出发电机同轴相连；
[0022]所述惯性飞轮套装在输出发电机的外圆周上或惯性飞轮4与输出发电机转子同轴相连。
[0023]本发明所述的第三种飞轮储能系统包括输入逆变器、永磁同步电机、1+j个输出整流器和惯性飞轮；
[0024]永磁同步电机的定子上有1+j套相数相同的交流绕组，j为大于等于1的自然数，第一套绕组为星型联结，输入逆变器的输出端与第一套绕组的引出线相连，其余j套绕组对应相依次串联后，其尾端与第一套绕组对应相的首端相连，1+j个输出整流器分别与各串联连接点引出线及最后一套绕组的首端引出线相连；
[0025]所述惯性飞轮套装在永磁同步电机的外圆周上或惯性飞轮与永磁同步电机转子同轴相连。
[0026]本发明所述的第四种飞轮储能系统，包括输入逆变器、永磁同步电机、输出整流器和惯性飞轮；
[0027]永磁同步电机的定子上有一套输入交流绕组和j套输出交流绕组，j为大于等于1的自然数，输入逆变器的输出端与输入绕组的引出线相连，输出整流器与j套输出交流绕组的引出线相连；输出绕组的相数大于等于输入绕组的相数；
[0028]所述惯性飞轮套装在永磁同步电机的外圆周上或惯性飞轮与永磁同步电机转子同轴相连。
[0029]本发明的有益效果是以上四种飞轮储能系统在放电时，输出电压不受充电时的输入电压限制，可任意设计，适用于大功率、高电压、脉冲输出场合的应用；以上四种飞轮储能系统有多个输出电压等级，可适用于需要多个电压等级的场合；以上四种飞轮储能系统充电与放电可同时进行，提高了其功率密度与能量密度和可靠性高。附图说明
[0030]图1为现有的高速飞轮储能装置的结构示意图，其中，A6为飞轮，A7为真空室，A1为磁性轴承，A4为无刷电动机定子，A5为无刷电动机转子，A3为外壳，A2为接线端子；[0031]图2为具体实施方式一所述的一种飞轮储能系统的结构示意图；[0032]图3为具体实施方式一中定子和转子的结构示意图，其中，2-1为两侧转子，2-2为中间转子；
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图4为具体实施方式一中两侧转子的结构示意图；图5为具体实施方式一中中间转子的结构示意图；图6为具体实施方式一中定子绕组的结构示意图；
图7为具体实施方式一所述的一种飞轮储能系统的输入输出电路图。
具体实施方式
[0037]具体实施方式一：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述的第一种飞轮储能系统，包括输入逆变器、输出整流器、轴向磁场多重定子永磁同步电机2和惯性飞轮4；[0038]电动状态时，轴向磁场多重定子永磁同步电机2通过输入逆变器输入电能，并将该电能转换为惯性飞轮4的机械能；[0039]发电状态时，惯性飞轮4向轴向磁场多重定子永磁同步电机2提供机械能，并通过输出整流器输出电能；
[0040]所述惯性飞轮4与轴向磁场多重定子永磁同步电机的转子同步旋转；[0041]所述轴向磁场多重定子永磁同步电机2包括定子和转子；[0042]所述定子包括i个输入定子2-3和j个输出定子2-4；i为大于等于1的自然数，j为大于等于1的自然数；
[0043]所述转子包括i+j+1个转子盘或i+j-1个转子盘；[0044]定子与转子盘沿轴向依次相间排列；
[0045]每个转子盘均包括轭板2-1-1和多个永磁体2-1-2；轭板2-1-1为圆盘形，永磁体2-1-2为扇形或梯形，永磁体2-1-2轴向充磁，永磁体2-1-2的N极和S极相间沿圆周方向依次排列固定在轭板2-1-1上；
[0046]所述输入逆变器的输出端与轴向磁场多重定子永磁同步电机2的输入定子绕组引出线相连：输出整流器的输入端与轴向磁场多重定子永磁同步电机2的输出定子绕组引出线相连。
[0047]输入定子2-3为有铁心定子或无铁心定子；输出定子2-4为有铁心无槽定子或无铁心定子。
[0048]惯性飞轮4套装在轴向磁场多重定子永磁同步电机2转子的外周上或还包括联轴器3；所述惯性飞轮4通过联轴器3与轴向磁场多重定子永磁同步电机2的转子相连。[0049]还包括机壳1；所述机壳1用于保护轴向磁场多重定子永磁同步电机2。[0050]在本实施方式中，转子分为两侧转子2-1和中间转子2-2两类，所述两侧转子2-1的永磁体2-1-2位于轭板2-1-1的一侧，所述中间转子2-2的永磁体2-1-2位于轭板2-1-1的两侧；
[0051]在本实施方式中，定子由1个输入定子2-3和1个输出定子2-4构成，1个输出定子2-4绕组引出线与输出整流器相连；转子由3个转子盘构成，轴向磁场多重定子永磁同步电机2输入定子绕组相数为三相，输出定子绕组的相数为六相。输出整流器为不可控整流器或可控整流器。
[0052]在本实施方式中，飞轮储能系统的输入输出电路图如图7所示，在图7中包括A相输入定子绕组Wa、B相输入定子绕组Wb、C相输入定子绕组Wc、电容C1、电容C2、第一相输出定子绕组W1至第六相输出定子绕组W6、二极管D1至二极管D18和绝缘栅双极型晶体管V1至绝缘栅
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双极型晶体管V6；
[0053]所述A相输入定子绕组Wa的一端同时与B相输入定子绕组Wb的一端以及C相输入定子绕组Wc的一端相连，A相输入定子绕组Wa的另一端同时与二极管D17的阳极、绝缘栅双极型晶体管V1的发射极、二极管D18的阴极以及绝缘栅双极型晶体管V4的集电极相连；B相输入定子绕组Wb的另一端同时与二极管D15的阳极、绝缘栅双极型晶体管V3的发射极、二极管D16的阴极以及绝缘栅双极型晶体管V6的集电极相连；C相输入定子绕组Wc的另一端同时与二极管D13的阳极、绝缘栅双极型晶体管V5的发射极、二极管D14的阴极以及绝缘栅双极型晶体管V2的集电极相连；
[0054]所述电容C1的一端同时与二极管D17的阴极、绝缘栅双极型晶体管V1的集电极、二极管D15的阴极、绝缘栅双极型晶体管V3的集电极、二极管D13的阴极以及绝缘栅双极型晶体管V5的集电极相连，其公共端为该飞轮储能系统的一个输入端；电容C1的另一端同时与二极管D18的阳极、绝缘栅双极型晶体管V4的发射极、二极管D16的阳极、绝缘栅双极型晶体管V6的发射极、二极管D14的阳极以及绝缘栅双极型晶体管V2的发射极相连，其公共端为该飞轮储能系统的另一个输入端；[0055]第一相输出定子绕组W1的一端同时与第二相输出定子绕组W2的一端至第六相输出定子绕组W6的一端相连，第一相输出定子绕组W1的另一端同时与二极管D7的阳极以及二极管D1的阴极相连，第二相输出定子绕组W2的另一端同时与二极管D8的阳极以及二极管D2的阴极相连，第三相输出定子绕组W3的另一端同时与二极管D9的阳极以及二极管D3的阴极相连，第四相输出定子绕组W4的另一端同时与二极管D10的阳极以及二极管D4的阴极相连，第五相输出定子绕组W5的另一端同时与二极管D11的阳极以及二极管D5的阴极相连，第六相输出定子绕组W6的另一端同时与二极管D12的阳极以及二极管D6的阴极相连；[0056]所述电容C2的一端同时与二极管D7的阴极、二极管D8的阴极、二极管D9的阴极、二极管D10的阴极、二极管D11的阴极以及二极管D12的阴极相连，其公共端为该飞轮储能系统的一个输出端；电容C2的另一端同时与二极管D1的阳极、二极管D2的阳极、二极管D3的阳极、二极管D4的阳极、二极管D5的阳极以及二极管D6的阳极相连，其公共端为该飞轮储能系统的另一个输出端。
[0057]通过转子中的永磁体2-1-2在三相输入绕组和六相输出绕组之间旋转，从而解决了现有的飞轮储能装置输出电压单一且充电与放电不能同时进行的问题。[0058]具体实施方式二：本实施方式所述的第二种飞轮储能系统，包括输入逆变器、输入电动机、输出整流器、输出发电机和惯性飞轮4；
[0059]输入逆变器的输出端与输入电动机的定子绕组引出线相连，输出整流器的输入端与输出发电机的定子绕组引出线相连；[0060]输出发电机具有j套定子绕组，j为大于等于1的自然数；[0061]输出发动机绕组的相数大于等于输入电动机绕组的相数；[0062]所述输入电动机与输出发电机同轴相连；
[0063]所述惯性飞轮4套装在输出发电机的外圆周上或惯性飞轮4与输出发电机转子同轴相连。
[0064]在本实施方式中，输出整流器为不可控整流器或可控整流器。[0065]具体实施方式三：本实施方式所述的第三种飞轮储能系统，包括输入逆变器、永磁
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同步电机、1+j个输出整流器和惯性飞轮4；
[0066]永磁同步电机的定子上有1+j套相数相同的交流绕组，j为大于等于1的自然数，第一套绕组为星型联结，输入逆变器的输出端与第一套绕组的引出线相连，其余j套绕组对应相依次串联后，其尾端与第一套绕组对应相的首端相连，1+j个输出整流器分别与各串联连接点引出线及最后一套绕组的首端引出线相连；
[0067]所述惯性飞轮4套装在永磁同步电机的外圆周上或惯性飞轮4与永磁同步电机转子同轴相连。
[0068]在本实施方式中，输出整流器为不可控整流器或可控整流器。[0069]具体实施方式四：本实施方式所述的第四种飞轮储能系统包括输入逆变器、永磁同步电机、输出整流器和惯性飞轮4；
[0070]永磁同步电机的定子上有一套输入交流绕组和j套输出交流绕组，j为大于等于1的自然数，输入逆变器的输出端与输入绕组的引出线相连，输出整流器与j套输出交流绕组的引出线相连；输出绕组的相数大于等于输入绕组的相数；
[0071]所述惯性飞轮4套装在永磁同步电机的外圆周上或惯性飞轮4与永磁同步电机转子同轴相连。
[0072]在本实施方式中，输出整流器为不可控整流器或可控整流器。
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