盘式异步电机、飞轮储能装置、转子悬浮控制系统及方法

摘要

本发明涉及盘式异步电机、飞轮储能装置、转子悬浮控制系统及方法。采用电工纯铁的实心圆盘作为转子，结构简单，强度高。圆盘转子与飞轮间采用过盈配合，安装维护简单，过盈配合可增加二者间的预应力，满足高速运行要求，电机在作为飞轮储能装置中的电动/发电机时，高转速的优点可改善飞轮储能装置处于维持阶段时的空载损耗问题，利于飞轮储能装置的推广。通过悬浮力卸轴向负荷，取消了电机的轴向卸力轴承，简化了电机轴承系统结构，降低了电机的成本。轴向负荷通过圆盘转子所受轴向磁拉力支撑，通过控制上、下两绕组电流的励磁分量的差值实现对悬浮力的控制，控制方法及控制系统较为简单，未额外增加悬浮绕组，提高了绕组的利用率。

权利要求

1.转子悬浮控制方法，采用应用于盘式异步电机的的转子悬浮控制系统，其特征在于，所述盘式异步电机包括扁平状的电机壳体(2)、竖直设置在电机壳体(2)内的转轴(9)和同轴固定在转轴(9)上的圆盘转子(5)，电机壳体(2)内位于转轴(9)上、下端位置分别设置用于径向限位的上端径向限位轴承(1)和下端径向限位轴承(8)，电机壳体(2)内位于圆盘转子(5)上、下位置分别设置有上端定子(3)和下端定子(7)，且上端定子(3)和下端定子(7)关于圆盘转子(5)中心轴平面对称，上端定子(3)和下端定子(7)与转轴(9)同轴；上端定子(3)上设置上端定子绕组(4)，下端定子(7)上设置下端定子绕组(6)；圆盘转子(5)为由电工纯铁制成的实心圆盘；

所述转子悬浮控制系统包括用于检测圆盘转子(5)轴向位移的位移检测器(21)、用于检测圆盘转子(5)转速的位置传感器(22)、信号调理电路、模拟数字信号转换电路、数字信号处理器和驱动电路，位移检测器(21)安装在转轴(9)端部中间位置，位置传感器(22)安装在转轴(9)周向面上，且位置传感器(22)位于电机壳体(2)外侧；所述信号调理电路、所述模拟数字信号转换电路、所述数字信号处理器和所述驱动电路依次相连，位移检测器(21)和位置传感器(22)分别与所述信号调理电路相连，上端定子绕组(4)和下端定子绕组(6)分别与所述驱动电路相连，所述数字信号处理器中集成有PID调节器和PI调节器；

所述转子悬浮控制方法包括如下步骤：

1)、建立电机在气隙磁场定向的两相旋转坐标系下的数学模型；

2)、确定上端定子绕组(4)与圆盘转子(5)间的互感Lm1、下端定子绕组(6)与圆盘转子(5)间的互感Lm2与圆盘转子(5)位移的关系式；

公式(1)中，Lm'表示单位气隙长度时的励磁电感，δ表示圆盘转子(5)位于平衡位置时的气隙长度，δ1表示上端定子(3)到圆盘转子(5)的距离，δ2表示下端定子(7)到圆盘转子(5)的距离，z表示圆盘转子(5)偏离平衡位置的位移；

3)、在气隙磁场定向的两相旋转坐标系下，上气隙磁链ψmg1和下气隙磁链ψmg2分别表示为：

ψmg1＝Lm1img1，ψmg2＝Lm2img2   (2)公式(2)中，ψmg1表示上励磁磁链，ψmg2表示下励磁磁链；img1表示上端定子绕组(4)气隙磁场励磁电流，img2表示下端定子绕组(6)气隙磁场励磁电流；

4)、根据麦克劳林极数，并忽略误差较小的高次项，采用麦克斯韦张量法，得到圆盘转子(5)所受轴向磁拉力F与转矩T；

公式(4)中，it1表示上端定子绕组(4)的转矩电流，it2表示下端定子绕组(6)的转矩电流；p表示为极对数；

5)、为实现上、下绕组间的解耦，作出公式(5)所示的假设；

it1＝it2＝it，img1＝img+i0，img2＝img‑i0     (5)公式(5)中，img表示上、下绕组的励磁电流的基准值，i0表示上、下绕组的励磁电流的偏差值；

6)、将公式(5)带入公式(3)和(4)，圆盘转子(5)所受轴向磁拉力与转矩表示为：公式(6)中，N为绕组匝数，μ0为气隙磁导率，S为实心转子面积；

由公式(5)‑(7)即可确定出电机转矩与轴向位移的控制策略框图；

采用气隙磁链定向，上、下两绕组的电流可解耦为励磁电流img1和img2，转矩电流it1和it2，悬浮力的控制可等效为励磁电流的控制，转矩的控制可等效为转矩电流的控制；

位移检测器(21)检测圆盘转子(5)在轴向方向上的位移，圆盘转子(5)位移的误差经过PID调节器，计算得到上、下绕组中励磁电流差值；位置传感器(22)检测圆盘转子(5)的转速，圆盘转子(5)转速的误差经过PI调节器，计算得到转矩电流，转矩电流平均分配给上、下两个定子绕组；在调速范围内，上、下两个励磁磁场之和保持不变，通过调节上、下两个定子绕组中的励磁电流差值的大小来调节悬浮力的大小。

说明书

盘式异步电机、飞轮储能装置、转子悬浮控制系统及方法

技术领域

[0001] 本发明属于电机技术领域，具体涉及盘式异步电机、飞轮储能装置、转子悬浮控制系统及方法。

背景技术

[0002] 无轴向轴承立式双边定子实心转子盘式电机(立式盘式异步电机)是将无轴承技术与双边定子实心转子盘式电机相结合而形成的一种新型电机结构，其同时具备了轴向长
度短和功率密度高的优点。普通的盘式电机采用轴向轴承支撑，转子多采用硅钢片叠压形
式，存在结构复杂，成本高，结构强度低，并且，转子转速受到转子结构强度限制等问题。

[0003] 另一方面，飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式，具有环境无污染、充放电快等优点。飞轮储能装置中有一个内
置电机，它既是电动机也是发电机。在充电时，它作为电动机给飞轮加速。当放电时，它又作
为发电机给外设供电，此时飞轮的转速不断下降。而当飞轮空闲运转时，整个装置则以最小
损耗运行。飞轮储能装置共有三种工作状态，即充电状态、放电状态和维持状态。在维持状
态时，飞轮储能装置存在自放电现象，尤其是现有飞轮储能装置较多采用永磁同步电机作
为电动/发电机，存在空载损耗。而采用异步电机作为电动/发电机时，受到硅钢片转子结构
强度的限制，无法高速运行。

发明内容

[0004] 本发明提出了一种结构简单、结构强度高并可高速运行的盘式异步电机，同时，还提出了基于该盘式异步电机的飞轮储能装置。另外，本发明还提出了该电机转子悬浮控制
系统及方法。

[0005] 本发明所采用的技术方案为：

[0006] 盘式异步电机，包括扁平状的电机壳体、竖直设置在所述电机壳体内的转轴和同轴固定在所述转轴上的圆盘转子，所述电机壳体内位于所述转轴上、下端位置分别设置用
于径向限位的上端径向限位轴承和下端径向限位轴承，所述电机壳体内位于所述圆盘转子
上、下位置分别设置有上端定子和下端定子，且所述上端定子和所述下端定子关于所述圆
盘转子中心轴平面对称，所述上端定子和所述下端定子与所述转轴同轴；所述上端定子上
设置上端定子绕组，所述下端定子上设置下端定子绕组；所述圆盘转子为由电工纯铁制成
的实心圆盘。

[0007] 进一步地，所述圆盘转子上、下端面分别沿径向等角度均匀开设用于改进所述电机电磁性能的槽。

[0008] 进一步地，所述槽的截面为矩形。

[0009] 飞轮储能装置，包括飞轮和上述的盘式异步电机，所述飞轮与所述圆盘转子相匹配，并以过盈配合方式套接在所述圆盘转子上。

[0010] 进一步地，所述飞轮为高强度合金钢材质。

[0011] 进一步地，所述高强度合金钢材质为钢。

[0012] 转子悬浮控制系统，包括用于检测所述圆盘转子轴向位移的位移检测器、用于检测所述圆盘转子转速的位置传感器、信号调理电路、模拟数字信号转换电路、数字信号处理
器和驱动电路，所述位移检测器安装在所述转轴端部中间位置，所述位置传感器安装在所
述转轴周向面上，且所述位置传感器位于所述电机壳体外侧；所述信号调理电路、所述模拟
数字信号转换电路、所述数字信号处理器和所述驱动电路依次相连，所述位移检测器和所
述位置传感器分别与所述信号调理电路相连，所述上端定子绕组和所述下端定子绕组分别
与所述驱动电路相连，所述数字信号处理器中集成有PID调节器和PI调节器。

[0013] 转子悬浮控制方法，包括如下步骤：

[0014] 1)、建立电机在气隙磁场定向的两相旋转坐标系下的数学模型；

[0015] 2)、确定上端定子绕组与圆盘转子间的互感Lm1、下端定子绕组与圆盘转子间的互感Lm2与圆盘转子位移的关系式；

[0016]

[0017] 公式(1)中，Lm'表示单位气隙长度时的励磁电感，δ表示圆盘转子位于平衡位置时的气隙长度，δ1表示上端定子到圆盘转子的距离，δ2表示下端定子到圆盘转子的距离，z表示
圆盘转子偏离平衡位置的位移；

[0018] 3)、在气隙磁场定向的两相旋转坐标系下，上气隙磁链ψmg1和下气隙磁链ψmg2分别表示为：

[0019] ψmg1＝Lm1img1，ψmg2＝Lm2img2  (2)

[0020] 公式(2)中，ψmg1表示上励磁磁链，ψmg2表示下励磁磁链；img1表示上端定子绕组气隙磁场励磁电流，img2表示下端定子绕组气隙磁场励磁电流；

[0021] 4)、根据麦克劳林极数，并忽略误差较小的高次项，采用麦克斯韦张量法，得到圆盘转子所受轴向磁拉力F与转矩T；

[0022]

[0023]

[0024] 公式(4)中，it1表示上端定子绕组的转矩电流，it2表示下端定子绕组的转矩电流；p表示为极对数；

[0025] 5)、为实现上、下绕组间的解耦，作出公式(5)所示的假设；

[0026] it1＝it2＝it，img1＝img+i0，img2＝img‑i0  (5)

[0027] 公式(5)中，img表示上、下绕组的励磁电流的基准值，i0表示上、下绕组的励磁电流的偏差值；

[0028] 6)、将公式(5)带入公式(3)和(4)，圆盘转子所受轴向磁拉力与转矩表示为：

[0029]

[0030]

[0031] 公式(6)中，N为绕组匝数，μ0为气隙磁导率，S为实心转子面积；

[0032] 由公式(5)‑(7)即可确定出电机转矩与轴向位移的控制策略框图；

[0033] 采用气隙磁链定向，上、下两绕组的电流可解耦为励磁电流img1和img2，转矩电流it1和it2，悬浮力的控制可等效为励磁电流的控制，转矩的控制可等效为转矩电流的控制；

[0034] 位移检测器检测圆盘转子在轴向方向上的位移，圆盘转子位移的误差经过PID调节器，计算得到上、下绕组中励磁电流差值；位置传感器检测圆盘转子的转速，圆盘转子转
速的误差经过PI调节器，计算得到转矩电流，转矩电流平均分配给上、下两个定子绕组；在
调速范围内，上、下两个励磁磁场之和保持不变，通过调节上、下两个定子绕组中的励磁电
流差值的大小来调节悬浮力的大小。

[0035] 本发明的有益效果在于：

[0036] 1、本发明中，采用电工纯铁的实心圆盘作为转子，增强了转子的结构应力，结构强度高，可满足电机高速运行要求，提高电机的功率密度和传动效率，并且，转子结构简单，成
本低。此外，通过悬浮力卸轴向负荷，取消了电机的轴向卸力轴承，简化了电机轴承系统结
构，降低了电机的成本。另外，圆盘转子与飞轮间采用过盈配合方式，安装维护简单，过盈配
合还可增加二者间的预应力，满足高速运行要求，特别地，本发明的电机在作为飞轮储能装
置中的电动/发电机时，其高转速的优点可改善飞轮储能装置处于维持阶段时的空载损耗
问题，利于飞轮储能装置的推广。

[0037] 2、本发明中，轴向负荷通过圆盘转子所受轴向磁拉力支撑，通过控制上、下两绕组电流的励磁分量的差值实现对悬浮力的控制，控制方法及控制系统较为简单，未额外增加
悬浮绕组，提高了绕组的利用率。

附图说明

[0038] 图1为本发明中，盘式异步电机、飞轮储能装置的结构示意图；

[0039] 图2为本发明中，转子悬浮控制系统的结构示意图；

[0040] 图3为本发明中，盘式异步电机的控制框图；

[0041] 附图标记：1‑上端径向限位轴承，2‑电机壳体，3‑上端定子，4‑上端定子绕组，5‑圆盘转子，6‑下端定子绕组，7‑下端定子，8‑下端径向限位轴承，9‑转轴，10‑飞轮，21‑位移检
测器，22‑位置传感器。

具体实施方式

[0042] 下面结合附图和具体的实施例对本发明的盘式异步电机、飞轮储能装置、转子悬浮控制系统及方法作进一步地详细说明。

[0043] 如图1所示，盘式异步电机，包括扁平状的电机壳体2、竖直设置在电机壳体2内的转轴9和同轴固定在转轴9上的圆盘转子5，电机壳体2内位于转轴9上、下端位置分别设置用
于径向限位的上端径向限位轴承1和下端径向限位轴承8，电机壳体2内位于圆盘转子5上、
下位置分别设置有上端定子3和下端定子7，且上端定子3和下端定子7关于圆盘转子5中心
轴平面对称，上端定子3和下端定子7与转轴9同轴(上、下两个定子与圆盘转子5间的气隙长
度相同)。上端定子3上设置上端定子绕组4，下端定子7上设置下端定子绕组6(定子结构与
普通盘式异步电机相同，定子绕组分布规律与普通盘式异步电机的定子绕组分布规律相
同)。圆盘转子5为由电磁性能优越的电工纯铁制成的实心圆盘。此外，圆盘转子5上、下端面
分别沿径向等角度均匀开设用于改进电机电磁性能的槽，本实施例中，槽的截面为矩形。

[0044] 传统异步电机的转子采用的是硅钢片叠压而成，转子转速受到了转子结构强度的限制，本发明采用了由电磁性能优越的电工纯铁制成的实心圆盘作为电机的转子。但是，由
于转子既作为电路也作为磁路，且受到转子的涡流透入深度的影响，转子的磁场透入深度
较小，电机的电磁性能较差，因此，在转子表面开槽，构成表面开槽的实心转子电机。

[0045] 如图1所示，飞轮储能装置，包括飞轮10和上述的盘式异步电机，飞轮10与圆盘转子5相匹配，并以过盈配合方式套接在圆盘转子5上，过盈配合方式可增加预应力。飞轮10为
高强度合金钢材质，本实施例中，高强度合金钢材质为45钢，力学性能优越。本发明中，为了
提高系统的功率密度，将飞轮转子与电机集成设计，盘式结构的电机转子和飞轮本体容易
集成。飞轮储能装置中，电动/发电机和飞轮本体转速较高，因此，轴承系统的设计尤为重
要，本发明提出的飞轮储能装置为立式结构，飞轮储能装置的径向轴承仅起径向限位作用，
而轴向轴承需承担轴向负荷，本发明提出了双边定子的盘式电机结构，通过对上、下两定子
绕组的励磁电流差的控制实现悬浮，通过悬浮力控制电机转子和飞轮本体悬浮以取代传统
的机械轴向轴承。

[0046] 如图2所示，转子悬浮控制系统，包括用于检测圆盘转子5轴向位移的位移检测器21、用于检测圆盘转子5转速的位置传感器22、信号调理电路、模拟数字信号转换电路、数字
信号处理器和驱动电路(所列出的电路均为本领域常见电路)，位移检测器21安装在转轴9
端部中间位置，位置传感器22安装在转轴9周向面上，且位置传感器22位于电机壳体2外侧。
信号调理电路、模拟数字信号转换电路、数字信号处理器和驱动电路依次相连，位移检测器
21和位置传感器22分别与信号调理电路相连，上端定子绕组4和下端定子绕组6分别与驱动
电路相连，数字信号处理器中集成有PID调节器和PI调节器。

[0047] 转子悬浮控制方法，包括如下步骤：

[0048] 1)、建立电机在气隙磁场定向的两相旋转坐标系下的数学模型。

[0049] 2)、确定上端定子绕组4与圆盘转子5间的互感Lm1、下端定子绕组6与圆盘转子5间的互感Lm2与圆盘转子5位移的关系式。

[0050]

[0051] 公式(1)中，Lm'表示单位气隙长度时的励磁电感，δ表示圆盘转子5位于平衡位置时的气隙长度，δ1表示上端定子3到圆盘转子5的距离，δ2表示下端定子7到圆盘转子5的距
离，z表示圆盘转子5偏离平衡位置的位移。

[0052] 3)、在气隙磁场定向的两相旋转坐标系下，上气隙磁链ψmg1和下气隙磁链ψmg2分别表示为：

[0053] ψmg1＝Lm1img1，ψmg2＝Lm2img2  (2)

[0054] 公式(2)中，ψmg1表示上励磁磁链，ψmg2表示下励磁磁链。img1表示上端定子绕组4气隙磁场励磁电流，img2表示下端定子绕组6气隙磁场励磁电流。

[0055] 4)、根据麦克劳林极数，并忽略误差较小的高次项，采用麦克斯韦张量法，得到圆盘转子5所受轴向磁拉力F与转矩T。

[0056]

[0057]

[0058] 公式(4)中，it1表示上端定子绕组4的转矩电流，it2表示下端定子绕组6的转矩电流，p表示为极对数。

[0059] 5)、为实现上、下绕组间的解耦，作出公式(5)所示的假设。

[0060] it1＝it2＝it，img1＝img+i0，img2＝img‑i0  (5)

[0061] 公式(5)中，img表示上、下绕组的励磁电流的基准值，i0表示上、下绕组的励磁电流的偏差值。

[0062] 6)、将公式(5)带入公式(3)和(4)，圆盘转子5所受轴向磁拉力与转矩表示为：

[0063]

[0064]

[0065] 公式(6)中，N为绕组匝数，μ0为气隙磁导率，S为实心转子面积。

[0066] 由公式(5)‑(7)即可确定出电机转矩与轴向位移的控制策略框图，如图3所示，图3中带星号上标表示参考值，即控制目标。

[0067] 采用气隙磁链定向，上、下两绕组的电流可解耦为励磁电流img1和img2，转矩电流it1和it2，悬浮力的控制可等效为励磁电流的控制，转矩的控制可等效为转矩电流的控制。

[0068] 位移检测器21检测圆盘转子5在轴向方向上的位移，圆盘转子5位移的误差经过PID调节器，计算得到上、下绕组中励磁电流差值。位置传感器22检测圆盘转子5的转速，圆
盘转子5转速的误差经过PI调节器，计算得到转矩电流，转矩电流平均分配给上、下两个定
子绕组(上下两定子绕组电流的转矩分量相等，取决于电机的工作转矩)。在调速范围内，
上、下两个励磁磁场之和保持不变(上下两定子绕组电流的励磁分量总和在额定转速以下
为恒值)，通过调节上、下两个定子绕组中的励磁电流差值的大小来调节悬浮力的大小。

[0069] 本发明中，圆盘转子5受到的轴向力是不稳定的，需通过比例微分环节控制，为消除静态误差需加入积分环节，因此，转子位移需PID控制器来控制，得到上下定子绕组对应
的气隙磁链的差值，由于转子受到的轴向力的磁链刚度较大，励磁电流的偏差值较小，所以
转子的饱和程度的增加可以忽略。

[0070] 定子绕组电流按照气隙磁链定向坐标变换，可将定子电流等效为励磁电流和转矩电流，将轴向力的控制和电机转子转矩的控制解耦，有励磁磁场经过PI控制器可得到励磁
电流值，即励磁电流控制转子受到的轴向力，转矩电流控制转子受到的力矩。

[0071] 根据上述描述，便可实现本发明的方案。

[0072] 以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的
普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护
范围。