一种电机增速发电机

技术领域

在本发明属于电机与发电机、电能与机械能转换技术、可再生电能和新能源技术领域，涉及一种电机增速发电机。

背景技术

一直伴生的能源安全问题以及环境污染问题，是最棘手的两大瓶颈问题，石油安全、资源紧张，汽车行驶时尾气排出有害物质破坏环境和人体健康。

现有的发电模式：水力发电、火力发电、地热发电、核能发电、太阳能发电、生物质能发电、风能发电、波浪能发电、洋流能发电和潮汐能发电。因资源枯竭因素、制造运行成本周期、空气污染、不稳定，不可控因素，影响新能源技术发展。

纯电动汽车莫过于700公里续航迟迟难以突破，其核心在于动力电池材料，尚未有革命性突破，难以解决整车性能、制造成本及使用安全问题，如增加动力电池数量，意味着整车重量和体积增加，用提升动力电池能量密度来增加续航技术难以突破，成为纯电动汽车续航里程瓶颈。

目前关于电机增速发电机并且具有代表性的相关技术包括以下几种： CN208656573 U多级飞轮起动传动发电装置， CN201811338508-自循环磁悬浮飞轮储能发电机、CN201510217219-一种星形电磁动力发电机、CN201610001301-循环电动发电机组、CN201710535206-配重飞轮高旋惯力带动发电机。CN 109256902A一种定转子一体化循环冷却的高速永磁电机及其冷却方法、CN110165821A一种新型卧式自抽真空室高集成度飞轮储能装置，技术缺点能量密度不够，达不到实际工业级应用价值。

发明内容

鉴于上述存在的问题， 电机是电能转化成机械能过程，发电机是机械能转化成过程，所述发电机功率大于所述电机功率，而发电机系统自带动力电机，电机驱动通过增速器迫使发电机转子增速旋转，电能相互转化变得更加简单而高较，实现发电机输出的电能大于电机驱动所消耗能量，发电机输出所发出的部分电能回流到驱动电机，实现电能循环为发电机提供动力电源，部分电能在恒压恒流前提下向额定功率负载供电，实现电能循环、转换和再生。

本发明技术方案是这样实现的。

一种电机增速发电机，包括真空机壳、自抽真空装置、辅助轴承悬浮系统、冷却系统、电机、发电机、转子铁芯支架、转子空心轴、增速器；所述发电机功率大于所述电机功率，所述电机轴与所述增速器输入轴相连，所述增速器输出轴与发电机轴相连，当外置电源向所述电机定子绕组通电时，所述增速器输出轴与发电机同步高速旋转，所述发电机定子绕组产生感应电流，经整流电容电感滤波稳压向直流母线供电，当所述发电机转速额定值时，所述直流母线通过DC-DC降压模块向电机替换供电，同时所述直流母线通过逆变器向电网供电；功率控制器实行电能储存、转换与重组。

在其中一个实施例中，所述真空机壳为圆罐状三厢体构造，所述三厢体包括电机厢体、增速器厢体和发电机厢体；所述机壳包括机体和机盖，所述机体内置轴向冷却流道和轴向端面置有凹形环槽冷却流道，所述机盖设置真空抽气口、冷却流道进出口、轴套、其壁体设置星形冷却流道、环形冷却流道和轴向冷却流道，所述轴套内圆和机盖端面设置凹形环槽冷却流道，所述机体和所述机盖的冷却流道相互贯通；所述机体与所述机壳盖通过螺丝和密封胶紧固连接，所述真空机壳其材质为铝合金和碳素纤维树脂复合材料。

在其中一个实施例中，所述电机包括永磁体转子和定子铁芯，所述永磁体转子为永磁多极环转子、表面凸出式永磁转子、表面嵌入式永磁转子和内置式永磁转子，其中所述永磁体转子分为内永磁体转子和外永磁体转子，所述永磁体又分为转子和定子；所述定子铁芯和转子铁芯材质硅钢、铁氧体和非晶体导磁材料，其中所述非晶体导磁材料为铁基非晶体合金；所述定子铁芯为内定子铁芯和外定子铁芯；所述电机驱动时，其所述绕组的悬空相在功率器件控制下产生闭合电路瞬时轮流输出感应电流，经整流电容电感滤波稳压向直流母线供电；所述电机为直流电动机、异步电动机、同步电动机，所述同步电动机包括永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机，所述异步电机包括感应电动机和交流换向器电动机，所述感应电动机包括三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机，所述交流换向器电动机包括单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。

进一步地，所述电机驱动时，三相电机二二轮流瞬时导通，一相是悬空相，悬空的一相瞬时轮流导出感应电流，经整流稳压电容电感滤波稳压向直流母线供电。

进一步地，所述绕组为单相、三相、四相、五相和多相。

进一步地，电机定子铁芯绕组结构为内定子铁芯绕组和外定子铁芯绕组。

进一步地，所述定子绕组包括，集中式绕组和分布式绕组,所述分布式绕组分为同心式绕组和叠式绕组，所述同心绕组又可分为平面绕组和三平面绕组，所述叠式绕组又分单层叠式绕组和双层叠式绕组，其所述叠式绕组又可分为交叉式绕组、同心交叉式绕组以及单双层混合式绕组；其中所述定子绕组磁极区分为显极式绕组和隐极式绕组；所述绕组的接线法为三星接线法和三角形接线法。

进一步地，电机增速发电机转子空心转轴加装螺旋桨用于飞机电动引擎和轮船电动螺旋桨推进器。

在其中一个实施例中，所述发电机包括直流发电机和交流发电机，所述交流发电机包括同步发电机和异步发电机，所述交流发电机还包括单相发电机与三相发电机，其次还包括等功率发电机、双馈发电机和励磁发电机；再次所述发电机转子结构为内转子和外转子；从次所述发电机定子铁芯绕组结构为内定子铁芯绕组和外定子铁芯绕组。

进一步地，所述发电机包括永磁体转子和定子铁芯，所述永磁体转子为永磁多极环转子、表面凸出式永磁转子、表面嵌入式永磁转子和内置式永磁转子，其中所述永磁体转子分为内永磁体转子和外永磁体转子，所述永磁体又分为转子和定子；所述定子铁芯和转子铁芯材质硅钢、铁氧体和非晶体导磁材料，其中所述非晶体导磁材料为铁基非晶体合金；所述定子铁芯为内定子铁芯和外定子铁芯。

在其中一个实施例中，所述增速器包括弹簧轮、链条轮、皮带轮、钢带轮平行轴齿轮、一级行星齿轮、二级行星齿轮和多级行星齿轮，其中行星齿轮包括一个太阳轮、一个齿圈、一个行星架和几个行星轮结构。

进一步地，所述增速器厢体的冷却流道，增速器机体设置轴向冷却流道与电机和发电机的轴向冷却流道相通。

在其中一个实施例中，所述辅助轴承悬浮系统，包括永久磁铁悬浮轴承、电磁悬浮轴承、电磁铁型与永久磁铁混合型轴承、空气悬浮轴承和油悬浮轴承，所述轴承为陶瓷。

在其中一个实施例中，所述转子空心轴为外圆阶梯形和内圆二腔结构，所述外圆包括轴颈、轴身凹键槽和槽口，所述轴颈和轴身置有多个外圆凹环槽冷却流道通孔与所述机盖轴套和转子铁芯支架轴套内圆凹环槽冷却流道相切贯通，其次所述转子空心轴的轴身凹键槽与所述转子铁芯支架轴套内圆凸齿相交相切，所述轴颈设有辅助轴承，所述辅助轴承内环与所述轴颈相切；其次所述内圆二腔为一腔流入冷却流道和二腔为流出冷却流道；所述转子空心轴材质为铝合金和碳素纤维树脂复合。

在其中一个实施例中，所述冷却系统包括所述机壳冷却流道、转子铁芯支架冷却流道、转子空心轴冷却流道一体化构造；所述机壳冷却流道包括所述机盖和机体冷却流道，所述机盖壁体内置环形冷却流道、轴向冷却流道、星形冷却流道，其中所述机盖轴套和机盖端面置有凹环形冷却流道，其次所述机盖外置冷却流道进出口；所述机体壁内置轴向冷却流道和轴向端面设有凹环形冷却流道；所述转子铁芯支架冷却流道包括环形冷却流道、轴向冷却流道、星形冷却流道和轴套凹环形冷却流道；所述转子空心轴冷却流道包括外圆凹环形冷却流通孔、内圆二腔为一腔冷却流道和二腔为冷却流道；所述机盖、所述机体、所述转子铁芯支架和所述转子空心轴冷却流道相互贯通；所述机盖外置冷却流道进出口与外置的散热器进出口相互贯通并通过循环泵冷却循环。

进一步地，所述机盖冷却流道外置进口流入冷却液，所述冷却液流向所述机盖环形冷却流道、星形冷却流道、轴套凹环形冷却流道，流向所述转子空心轴外圆凹环形冷却流通孔、内圆一腔冷却流道、外圆凹环形冷却流通孔，流向所述转子铁芯支架轴套凹环形冷却流道、星形冷却流道、环形冷却流道、轴向冷却流道、环形冷却流道、星形冷却流道、轴套凹环形冷却流道，流向所述转子空心轴外圆凹环形冷却流通孔、内圆二腔冷却流道，流向所述机盖轴套凹环形冷却流道、星形冷却流道、环形冷却流道、从所述机盖冷却流道外置出口流出；其次冷却液从所述机盖环形冷却流道分流给其轴向冷却流道、凹环形冷却流道，流向所述机体轴端面凹环形冷却流道、轴向冷却流道、轴端面凹环形冷却流道，流向所述机盖端面凹环形冷却流道、轴向冷却流道、从环形冷却流道合流，经所述机盖冷却流道外置出口流出；所述机盖外置冷却流道进出口与外置的散热器进出口相互贯通并通过循环泵冷却循环。

进一步地，所述冷却系统，包括电机增速发电机壳体、定子铁芯、永磁体转子铁芯和行星齿轮壳体的冷却流道；所述电机增速发电机壳体内置螺旋、U、W和S形冷却流道，其壳体周表有冷却流道进出接口，其铸造工艺为3D砂芯打印机浇铸；所述定子铁芯内置螺旋、U、W和S形冷却流道，所述定子铁芯冷却流道洞孔由定子冲片完成，所述定子铁芯冷却流道沿所述定子铁芯的中心轴方向依次层叠而成，其轴向置有冷却流道进出接口；所述永磁体转子铁芯的冷却流道，其洞孔由转子铁芯冲片完成，所述永磁体转子铁芯冷却流道沿所述永磁体转子铁芯的中心轴方向依次层叠而成，所述转子铁芯冷却流道入口与转轴左则内腔开孔连接构成所述转轴冷却流道入口，所述永磁体转子铁芯冷却流道出口与转轴右则内腔开孔连接构成所述转轴冷却流道出口，所述转轴冷却流道进出口与夹紧密封装置构成冷却流道进出固定接口；所述行星齿轮壳体内置螺旋、U、W和S形冷却流道，其壳体周表有冷却流道进出接口，其铸造工艺为3D砂芯打印机浇铸。

在其中一个实施例中，所述自抽真空装置包括，内置泵体、泵转子、泵转子轴、涡轮叶片、自抽真空出气口、单向阀门和真空压力表；所述内置泵体镶嵌在所述机盖的内侧，所述机盖的内侧置有所述自抽真空的抽气网孔，所述抽气网孔与所述机盖空腔相通，所述机盖空腔与自抽真空出气口相互贯通，所述真空排气出口设有单向阀门和真空压力表；所述转子空心轴外圆凹键槽与泵转子的内圆凸键槽相切相交，用插销锁紧；所述泵转子与转子空心轴同步转动；所述泵转子和涡轮叶片其材质为铝合金和碳素纤维树脂复合材料。

在其中一个实施例中，所述功率控制器系统，包括外部电源模块、DC-DC降压转换器、双电源自动切换模块、电机控制模块、电机悬空相整流稳压电容电感滤波模块、发电机整流稳压电容电感滤波模块； 当外部电源模块供电时，通过PWM控制所述电机定子铁芯绕组的电流，通过增速器迫使所述发电机的转子增速旋转，发电机的定子铁芯绕组产生感应电流，经整流电容电感滤波稳压向直流母线供电，同时所述电机悬空相经整流电容电感滤波稳压向直流母线供电；当所述发电机转速达到预设值时，所述直流母线通过DC-DC降压转换器向径向和电机控制模块自动替换供电；所述电机增速发电机进入自供电模式运行；当外部负载需要供电时，直流母线向负载供电。

进一步地，所述高压绝缘监测模块用于实时监测漏电流故障，断开电路中所有电源；所述检测诊断模块用于电压、电流、转速、温度、过压过流保护驱动电机和发电机的安全运行；所述冷却器装置由多层油冷、气冷、液冷、冷却管和吸热片构成用于功率控制散热。

进一步地，DC－DC转换模块转换电路，包括正激变换电路、反激变换电路、全桥变换电路、半桥式变换电路和推挽变换电路。

进一步地，所述发电机的供电能力，仅限在发电机即时转速所发输出的电能，向负载供电，负载损耗、感性负载和纯电阻性负载即时总用电量，应当小于发电机即时转速所发出电量，否则发电机会欠压。

本发明的有益效果为：（1）发电机自带动力电机系统，发电机所发出的电能，满足发电机的驱动电机和负载供电需求，实现电能循环供电和电能可再生。

(2)实现整体化一次性散热，所述冷却系统包括所述机壳冷却流道、转子铁芯支架冷却流道、转子空心轴冷却流道一体化构造；提升了电机增速发电机功率密度。

(3)自抽真空装置，涡轮泵转子使电机增速发电机系统进一步节能。

附图说明

下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。

图1电机增速发电机总成结裁切测视图。

图2电机增速发电机总成结裁切测视图。

图3电机增速发电机总成功率控制原理框图。

图中：发电机101；电机102；定子铁芯104；转子铁芯105、转子空心轴106、辅助轴承107；转子铁芯支架108；机体109、机盖110；内置泵体112；泵转子113；泵转子轴114；涡轮叶片115；自抽真空出气口116；抽气网孔117；机盖空腔118；机体轴向冷却流道119；机体凹环形冷却流道120；机盖环形冷却流道121；机盖轴向冷却流道122；机盖星形冷却流道123；机盖凹环形冷却流道124；机盖外置冷却流道进出口125；转子铁芯支架环形冷却流道126；转子铁芯支架轴向冷却流道127；转子铁芯支架星形冷却流道128、转子铁芯支架轴套凹环形冷却流道129；转子空心轴凹环形冷却流通孔130；转子空心轴一腔冷却流道131；转子空心轴二腔冷却流道132；转子空心轴的轴身凹键槽134；转子铁芯支架轴套内圆凸齿135；转子空心轴轴颈136；转子空心轴外圆凹环槽冷却流道通孔137；增速器138；电机增速发电机总成139。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述。

实施例1。

具体实施例1中，永磁同步发电机转子空心转轴加装螺旋桨用于飞机电动引擎应用。

启动电源、值保农用无人机载重300公斤，4个螺旋桨电机增速永磁同步发电机总功率13KW，值保农用无人机启动，启动电源向电机增速永磁同步发电机中的电机供电，螺旋桨旋转，值保农用无人机起飞，当电机增速永磁同步发电机转速达到预设值时，电机增速永磁同步发电机中的永磁同步发电机，通过稳压向母线供电，母线供电向电机增速永磁同步发电机中电机替换供电，实现值保农用无人飞行无限里程。

实施例2。

具体实施例2中，电机增速永磁同步发电机在纯电动汽车中的应用。

汽车启动电池，电机增速发电机总功率150KW，电机驱动控制器，永磁同步发电机调节器，双电源自动切换模块，轮毂电机50KW, 轮毂电机控制器, 纯电动汽车启动, 汽车启动电源向电机增速永磁同步发电机中的电机供电, 电机通过增速器迫使所述永磁同步发电机高速旋转，永磁同步发电机经整流稳压向直流母线供电，当永磁同步发电机转速达到预设值时，所述直流母线通过DC-DC降压转换器向径向和电机控制模块替换供电；所述直流母线同时向轮毂电机供电，轮毂电机控制器驱动轮毂电机转动，纯电动汽车启动行驶。在纯电动汽车刹车和下坡时，电机增速永磁同步发电机以怠速运行，通过直流母线向汽车电池充电，轮毂电机逆变器向电机增速发电机中的电机和电池充电。

实施例3。

具体实施例中，电机增速发电机通过逆变向电网供电。

外部电源模块、DC-DC降压转换器、双电源自动切换模块、电机控制模块、电机悬空相整流稳压电容电感滤波模块、发电机整流稳压电容电感滤波模块、电机驱动功率各1MW、励磁发电机功率为5MW、电机驱动控制器、双电源自动切换模块、励磁发电机恒压峘流调节器。

所述电机轴与所述增速器输入轴相连，所述增速器输出轴与发电机轴相连，当外部电源模块供电时，通过PWM控制所述电机定子铁芯绕组的电流，通过增速器迫使励磁发电机的转子增速旋转，励磁发电机的定子铁芯绕组产生感应电流，经整流稳压电容电感滤波向直流母线供电，同时所述电机悬空相经整流稳压电容电感滤波向直流母线供电；当励磁发电机转速达到预设值时，所述直流母线通过DC-DC降压转换器向径向和电机控制模块自动替换供电；所述电机增速发电机进入自供电模式运行；同时所述直流母线通过逆变器向电网供电。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。