飞轮发电机的制作方法

1.本技术的说明书涉及的是发电机领域，尤其涉及一种带有储能飞轮、实现直流-交流转换的飞轮发电机。


背景技术：

2.目前，风力、太阳能光伏发电是将储能电池中的电能通过电子式逆变器设备，把直流电转换成交流电输入到电网中，中大型逆变设备制造技术复杂，需要专业厂家维护，且维修耗时长，成本高。


技术实现要素：

3.本发明的发明目的在于，提供一种机械式飞轮发电机以及驱动发电机组的飞轮马达定子、转子的磁场产生及控制方法，将风力、光伏发电中化学电池中的直流电，通过控制单元，输入到飞轮马达组件到中的储能飞轮马达，带动交流发电机旋转，输出稳定的交流电，完成直流-交流电能转换，降低电能转换设备的生产和维护成本。
4.本发明的飞轮发电机包括飞轮马达组件，飞轮马达组件中包括飞轮马达，飞轮马达转子采用惯性储能飞轮，利用飞轮主轴和半径形成多组对称的等力臂杠杆，磁力线圈对称嵌入在飞轮边缘处，与定子磁力线圈相对应，形成杠杆着力点，使飞轮外部边缘受力。电路控制单元4通过传感器检测单元，检测转子磁力线圈所处位置，输出控制电源，产生定子、转子相互作用的磁场，在定子固定磁场作用下，利用杠杆原理，多组杠杆同时撬动飞轮边缘端部，使飞轮主动旋转，带动交流发电机组，完成dc-ac电能转换。
5.飞轮转子的对称磁极同时作用与飞轮外部边缘，增加飞轮边缘杠杆平衡受力，消除马达主轴芯困。
6.电路控制单元输出反向电压，控制铁芯线圈产生斥力磁场，推动飞轮持续旋转，同时清除因正向电压引力磁场产生的剩磁，消除磁粘。
7.马达转子圆形电磁线圈牵引行程小于电磁线圈直径d，长方形电磁线圈小于电磁线圈长度l，飞轮转子牵引行程可以控制在1-100mm内，控制单元电路采用正负脉冲供电，磁场线圈周期内通电时间小于10ms，其中引力磁场通电时间小于5ms，磁场斥力导通时间小于0.5ms，可降低60％-90％的电能消耗。
8.马达启动时，控制单元电路调整磁力线圈输入电压和导通时间，控制飞轮马达的额定转速。电路控制单元4输出2倍的额定电压，飞轮马达30s内既可达到90％的额定转速，启动电压可以提高到额定的电压的3倍，使飞轮转子迅速达到额定转速。
9.为达到上述的发明目的，本发明提出以下技术方案：
10.一种飞轮发电机，其特征在于：飞轮马达组件(10)、马达控制单元(10-1)、发电机组(10-2)、发电机控制单元(10-2-1)、输出开关单元(10-2-2)、固定基座(10-3)，所述的直流电源输入到控制单元(10-1)，使飞轮马达组件(10)中的飞轮马达旋转，驱动发电机组(10-2)输出交流电，实现直流-交流电能转换。
11.其中，所述的飞轮马达组件(10)包括飞轮马达，所述的飞轮马达包括：马达定子(1)，储能飞轮转子(2)，马达端盖(3)，磁力线圈(1-1)和(2-1)，控制电路单元(4)，传感器检测单元(1-2)和(2-2)。
12.优选地，所述的磁力线圈(2-1)设置在储能飞轮转子边缘上，控制电路单元(4)通过传感器单元(1-2)和(2-2)，检测转子磁力线圈(2-1)所处位置，产生与定子磁力线圈(1-1)相互作用的磁场，撬动飞轮转子旋转。
13.所述的马达定子(1)、飞轮转子(2)和马达端盖(3)，外形尺寸相同，通过定位螺栓(1-3)、(1-4)固定在一起。
14.所述的马达飞轮转子(2)内嵌在马达定子(1)内，与马达定子(1)形成同一的平面。
15.所述的马达定子(1)，和马达飞轮转子(2)使用无磁性材料，厚度与磁力线圈宽度或直径相同。
16.优选地，所述的磁力线圈(1-1)和(2-1)，对称嵌装在马达定子(1)和飞轮转子(2)的凹槽卡台内，定子和转子磁力线圈数量相等。
17.优选地，所述的传传感器检测单元(1-2)设置在马达定子(1)的内环边缘处，与转子感应磁柱装置(2-2)相对应。
18.优选地，所述的转子感应磁柱装置(2-2)设置在飞轮转子(2)的外环边缘上，磁柱间距与单组转子磁力线圈(2-1)的行程相同。
19.优选地，述的飞轮转子的磁力线圈(2-1)电源，由控制电路单元(4)，经过桥架和飞轮主轴滑环装置输入。
20.优选地，所述的马达增加输出功率，由定子(1)和飞轮转子(2)，多片复合叠加。
21.其中，所述的马达定子、转子的磁场产生及控制方法包括以下步骤：步骤1：安装定子磁力线圈(1-1)和(2-1)和于飞轮转子和定子凹槽卡台内；
22.步骤2：传感器检测单元(1-2)定位检测转子磁力线圈(2-2)处于马达启动位置；
23.步骤3：控制单元(4)输出正向-反向电压，产生引力磁场；
24.步骤4：转子磁力组件旋转到定子磁力组件垂直位置，关闭磁场电源；
25.步骤5：延时到设置的时间后，控制单元(4)输出正向-正向电压，产生斥力磁场。
26.优选地，所述的磁力线圈(1-1)和(2-1)，由控制单元(4)产生反向斥力磁场消除线圈铁芯磁粘。
27.综上所述，由于采用了上述技术方案，本技术与现有技术相比，达到如下效果：
28.一：飞轮发电机采用机械方式，完成直流-交流电能转换，降低电能转换设备的生产和维护成本。
29.二：交流发电机组采用储能飞轮马达驱动，电能转换效率高。
30.三：控制电路单元采用传感器和智能芯片控制，马达转子自适应主动旋转。
31.四：利用线圈磁场引力和磁力，多组杠杆同时撬动飞轮主动旋转，高效省力，节约直流电能。
32.五：控制单元电路输出正负转换的脉冲电源，磁力线圈工作时间短，可降低60％-90％的电能消耗，磁力线圈温升低。
33.六：马达启动可采用2倍额定电压供电，30秒内可达到设置的额定转速。
34.七：控制电路单元使线圈产生斥力磁场，使铁芯产生反向剩磁，消除磁粘。
附图说明
35.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
36.图1为本发明的所述飞轮发电机结构示意图。
37.图2为本发明的所述飞轮马达结构示意图之一。
38.图3为本发明的所述飞轮马达结构示意图之二。
39.图4为本发明的所述飞轮马达结构示意图之三。
40.图5为本发明的所述飞轮马达定子与转子结构示意图。
41.图6为本发明的所述飞轮马达端盖结构示意图一。
42.图7为本发明的所述飞轮马达端盖结构示意图二。
43.图8为本发明的所述飞轮马达电源控制单元电路框图。
44.图9为本发明的所述飞轮马达磁力线圈控制电源波形图。
45.图10为本发明的所述飞轮马达定子和转子磁力线圈磁极转换时序图。
具体实施方式
46.如在说明书及权利要求当中使用了某些名称、词汇或术语来指称特定组件和电路构成,本领域技术人员应可理解，工程技术人员、硬件、软件、元器件制造商可能会用不同名词和词汇来称呼同一个组件和名称。为便于理解、描述和说明，技术人员也会使用相同的名称或术语描述组件、金属材料和单元电路构成的马达和电机，如本技术在通篇说明书及权利要求当中所提及的马达外壳，马达定子，电机定子、转子，金属飞轮转子，转子磁力线圈，磁力线圈组件，基座，磁力线圈组件，ns磁极、弧形磁场铁芯，霍尔传感器，感应磁柱，滑环组件，过桥装置，过桥架，转子线圈滑环装置，碳刷装置弧形盖板，，机械螺丝，铝材，控制电路板，控制单元，mos管，电源电路，间歇式供电，感应信号输入、输出等，这些名称或词汇都以组件或电路单元的形式出现在本技术中。
47.本技术的说明书、说明书附图、说明书摘要、摘要附图和权利要求并不以名称的差异来作为区分组件或马达设备形成的方式，而是以组件或马达设备形成在结构上、功能上、应用规则上、设计方法和使用构想上等、于本技术的技术方案方面存在的差异作为区分的准则。
48.说明书后续描述为实施本技术的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本技术的一般原则为目的，并非用以限定本技术的范围。本技术的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
[0049]“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本技术的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本技术的一般原则为目的，并非用以限定本技术的范围。本技术的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
[0050]
参见图1至图10为本技术所述一种飞轮发电机的具体实施例。
[0051]
如图1-10所示：
[0052]
一种飞轮发电机，其特征在于：
[0053]
飞轮马达组件10和发电机组10-2设置在固定基座10-3上，飞轮马达组件10内设置有飞轮马达，通过飞轮支架固定在发电机基座上，直流电源通过马达控制单元10-1控制飞轮马达工作，飞轮主轴与交流发电机10-2的转子主轴连接，带动发电机转子旋转输出交流电。发电机控制单元10-2-1控制发电机工作，产生的交流电压由开关单元10-2-2输出到电网中，风力、光伏发电储能电池中的直流电通过飞轮发电机，实现直流-交流电能转换。交流发电机的励磁和输出电压控制由10-2-1完成，同时将检测信号反馈到制飞轮马达控制单元10-1，调整马达转速，保证转换交流电压的稳定输出。
[0054]
飞轮马达组件10主要部件是储能飞轮马达，由支撑架固定在发电机基座上，直流电源输入到飞轮马达中，通过飞轮转子主轴连接，带动发电机工作，输出交流电。飞轮马达包括：马达定子1，储能飞轮转子2，马达端盖3，磁力线圈1-1和2-1，控制电路单元4，传感器检测单元1-2和2-2等零部件及控制组件，使飞轮马达可靠的工作。
[0055]
马达定子1，为正方形，储能飞轮转子2，内嵌在定子内，马达端盖3，位于马达上下两侧，由螺栓1-3、1-4、3-3、3-4等固定在一起，结构简单，利于设备贴附安装。线圈电源线由3-2输入，主轴轴承安装在3-1处，用于固定转子主轴2-5，2-3、2-4为飞轮转子固定螺丝。定子磁力线圈1-1，嵌装在内边缘处，与转子线圈2-1在同一平面内对应，定子和转子间隙小于1mm，转子线圈2-1使飞轮形成等力臂杠杆着力点，在定子磁力线圈1-1处受力，多组杠杆同时撬动飞轮主动旋转，高效省力。控制电路单元4，输出正负变化的电源，输入到磁力线圈中，产生磁场力，磁力线圈通电时间在10ms内，工作时间短，可降低10％-90％的电能消耗，有效降低磁力线圈的温升。霍尔传感器检测单元1-2，设置在定子环形内边缘处，与转子感应磁柱板2-2相对应，转子每组磁力线圈配置一组感应磁柱板，定子上的霍尔传感器检测转子上感应磁柱的位置，通过转子线圈2-1，控制飞轮的旋转行程。控制电路单元4输出电源，产生与定子磁力线圈1-1相互作用吸引和排斥的磁场，使多组飞轮杠杆力臂两端同时受力，撬动飞轮转子旋转，形成一种惯性储能的飞轮马达。
[0056]
本发明飞轮发电机的飞轮马达组件10飞轮马达具有以下特点：
[0057]
马达定子1、飞轮转子2和马达端盖3，外形尺寸相同，通过定位螺栓固定在一起，结构简单，易于组装使用。
[0058]
马达飞轮转子2内嵌在马达定子1内，与马达定子1形成同一的平面，使对应的磁力线圈形成飞轮杠杆两端着力点，由控制单元4产生相互作用的磁场电源，撬动飞轮主动旋转。
[0059]
马达定子(1)，和马达飞轮转子(2)使用无磁性金属材料，厚度与磁力线圈宽度或直径相同，以避免转子线圈铁芯在靠近定子线圈边缘时，吸附磁性金属，阻碍转子旋转。方形磁力线圈宽度与圆形磁力线圈的直径与无磁性金属材料飞轮转子厚度相同，同时在储能飞轮转子两面叠加直径与飞轮相同的普通金属材料的，增加飞轮质量，加大储能飞轮旋转惯性力，使发电机转速稳定，提高输出交流电的质量。
[0060]
定子磁力线圈1-1嵌装在定子的凹槽卡台内，转子的磁力线圈2-1，对称安装在飞轮的外边缘处，定子和转子磁力线圈数量相等，使飞轮转子形成多组等力臂杠杆着力点，利用线圈产生的吸引和排斥的磁场力，撬动飞轮，以达到省力的目的。马达启动时，可采用2倍额定电压供电，使飞轮在30秒内可达到设置的额定转速，在启动和运转的过程中，线圈通电时间小于10ms,功耗较低，磁力线圈电流平稳，对输入直流电源影响小。
[0061]
传传感器检测单元1-2设置在马达定子1的内环边缘处，与转子感应磁柱装置2-2相对应，以检测转子线圈位置，由控制单元4提供线圈需要的磁场电源，转子圆形线圈通电时间小于线圈直径d，长方形电磁线圈通电时间小于线圈长度l时，控制单元电路4输出小于10ms的控制电源，使线圈产生磁场力，作用于飞轮等力臂杠杆的外沿端部，以达到省力、节约电能和降低马达功耗的目的。
[0062]
转子感应磁柱装置2-2设置在飞轮转子2的外环边缘上，与霍尔传感器检测单元1-2电路组件对应，转子每组磁力线圈配置一组感应磁柱装置2-2，与检测单元形成感应组件，磁柱间距与单组转子磁力线圈2-1的行程相同，线圈导通时间与磁柱间距相同。为产生较大的杠杆动力，定子和转子磁力线圈同时导通，不同转速导通时间发生改变，每组线圈顺序导通一次，转子飞轮旋转一周，飞轮依靠储能惯性，主动持续旋转。
[0063]
飞轮转子的磁力线圈2-1电源，由控制电路单元4，经过桥架的碳刷装置和飞轮主轴滑环装置输入，电源线由端盖3-2引出，为飞轮转子磁力线圈提供控制电源。
[0064]
马达定子和转子结构尺寸相同，可以根据使用需要，增加马达的输出功率，由定子1和飞轮转子2，多片复合叠加，每叠加一片，输出功率提高一倍。以简单的方法，满足不同的功率需求。
[0065]
飞轮马达组件10中马达定子、转子的磁场产生及控制方法包括以下步骤：
[0066]
步骤1：安装定子磁力线圈1-1和2-1和于飞轮转子和定子凹槽卡台内，形成飞轮转子杠杆端部着力点；
[0067]
步骤2：传感器检测单元1-2的感应器件采用具有锁存功能的霍尔传感器和控制智能芯片，检测定位转子磁柱所处位置，确定转子磁力线圈2-2所处的位置，当马达转子线圈处于启动位置时，控制单元4输出磁场电源，使磁力线圈导通，产生撬动飞轮旋转的磁场力，使转子飞轮自适应主动旋转。
[0068]
步骤3：控制单元4输出正向-反向电压，产生引力磁场，吸引飞轮杠杆端部线圈2-1，使转子线圈旋转到定子线圈1-1的垂直位置。
[0069]
步骤4：当传感器检测单元1-2检测到转子磁力线圈旋转到定子磁力线圈垂直位置时，关闭磁场电源，以防止定子和转子线圈铁芯吸合，飞轮转子依靠本体惯性，持续旋转。
[0070]
步骤5：控制单元4延时到设置的时间后，飞轮线圈铁芯旋转越过定子线圈铁芯的垂直位置后，控制单元(4)输出正向-正向电压，产生斥力磁场，推动飞轮继续旋转。
[0071]
当马达飞轮磁力线圈1-1依靠引力磁场旋转到2-1垂直位置时，由于线圈通电，铁芯剩磁产生粘性，阻碍飞轮旋转，因此由控制单元4输出反向电压，电源波形和磁场时序如图9、图10所示，定子转子磁力线圈产生斥力磁场，排斥飞轮线圈铁芯，推动飞轮继续旋转，消除线圈铁芯磁粘，使飞轮转子高效平滑持续旋转。马达定子、转子采用无磁性金属材料，转子线圈只有在靠近定子线圈内边缘时，控制单元4通过传感器检测，为磁场线圈提供电源，可消除线圈边缘部磁力卡吸与磁粘。
[0072]
通过以上各实施例可知，本技术存在的有益效果是：
[0073]
一：飞轮发电机采用机械方式，完成直流-交流电能转换，降低电能转换设备的生产和维护成本。
[0074]
二：交流发电机组采用储能飞轮马达驱动，电能转换效率高。
[0075]
三：控制电路单元采用传感器和智能芯片控制，马达转子自适应主动旋转。
[0076]
四：利用线圈磁场引力和磁力，多组杠杆同时撬动飞轮主动旋转，高效省力，节约直流电能。
[0077]
五：控制单元电路输出正负转换的脉冲电源，磁力线圈工作时间短，可降低60％-90％的电能消耗，磁力线圈温升低。
[0078]
六：马达启动可采用2倍额定电压供电，30秒内可达到设置的额定转速。
[0079]
七：控制电路单元使线圈产生斥力磁场，使铁芯产生反向剩磁，消除磁粘。
[0080]
上述说明示出并描述了本技术的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本技术并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本技术的精神和范围，则都应在本技术所附权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种飞轮发电机，其特征在于：飞轮马达组件(10)、马达控制单元(10-1)、发电机组(10-2)、发电机控制单元(10-2-1)、输出开关单元(10-2-2)、固定基座(10-3)，所述的直流电源输入到控制单元(10-1)，使飞轮马达组件(10)中的飞轮马达旋转，驱动发电机组(10-2)输出交流电，实现直流-交流电能转换。2.根据权利要求1所述的飞轮发电机，其特征在于：所述的飞轮马达组件(10)包括飞轮马达，所述的飞轮马达包括：马达定子(1)，储能飞轮转子(2)，马达端盖(3)，磁力线圈(1-1)和(2-1)，控制电路单元(4)，传感器检测单元(1-2)和(2-2)。3.根据权利要求或1、或2所述的飞轮马达组件(10)，其特征在于：所述的磁力线圈(2-1)设置在储能飞轮转子边缘上，控制电路单元(4)通过传感器单元(1-2)和(2-2)，检测转子磁力线圈(2-1)所处位置，产生与定子磁力线圈(1-1)相互作用的磁场，撬动飞轮转子旋转。所述的马达定子(1)、飞轮转子(2)和马达端盖(3)，外形尺寸相同，通过定位螺栓(1-3)、(1-4)固定在一起。所述的马达飞轮转子(2)内嵌在马达定子(1)内，与马达定子(1)形成同一的平面。所述的马达定子(1)，和马达飞轮转子(2)使用无磁性材料，厚度与磁力线圈宽度或直径相同。4.根据权利要求或1、或3所述的飞轮马达组件，其特征在于：所述的磁力线圈(1-1)和(2-1)，对称嵌装在马达定子(1)和飞轮转子(2)的凹槽卡台内，定子和转子磁力线圈数量相等。5.根据权利要求或1、或2、或3所述的飞轮马达组件，其特征在于：所述的传传感器检测单元(1-2)设置在马达定子(1)的内环边缘处，与转子感应磁柱装置(2-2)相对应。6.根据权利要求或1、或5所述的飞轮发电机，其特征在于：所述的转子感应磁柱装置(2-2)设置在飞轮转子(2)的外环边缘上，磁柱间距与单组转子磁力线圈(2-1)的行程相同。7.根据权利要求或1、或2、或3所述的飞轮马达组件，其特征在于：所述的飞轮转子的磁力线圈(2-1)电源，由控制电路单元(4)，经过桥架和飞轮主轴滑环装置输入。8.根据权利要求或1、或2、或3所述的飞轮马达组件，其特征在于：所述的马达增加输出功率，由定子(1)和飞轮转子(2)，多片复合叠加。9.根据权利要求或1、或2、或3所述的飞轮马达组件，其特征在于：所述的马达定子、转子的磁场产生及控制方法包括以下步骤：步骤1：安装定子磁力线圈(1-1)和(2-1)和于飞轮转子和定子凹槽卡台内；步骤2：传感器检测单元(1-2)定位检测转子磁力线圈(2-2)处于马达启动位置；步骤3：控制单元(4)输出正向-反向电压，产生引力磁场；步骤4：转子磁力组件旋转到定子磁力组件垂直位置，关闭磁场电源；步骤5：延时到设置的时间后，控制单元(4)输出正向-正向电压，产生斥力磁场。10.根据权利要求或1、或2、或3所述的飞轮马达组件，其特征在于：所述的磁力线圈(1-1)和(2-1)，由控制单元(4)产生反向斥力磁场消除线圈铁芯磁粘。

技术总结
本发明公开了一种飞轮发电机，其特征在于：飞轮马达组件(10)、马达控制单元(10-1)、发电机组(10-2)、发电机控制单元(10-2-1)、输出开关单元(10-2-2)、固定基座(10-3)，所述的直流电源输入到控制单元(10-1)，使飞轮马达组件(10)中的飞轮马达旋转，驱动发电机组(10-2)输出交流电，实现直流-交流电能转换。交流电能转换。交流电能转换。


技术研发人员：武光杰 赵圣英 武琳 武兴照
受保护的技术使用者：杰华智感（深圳）科技有限公司
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/9/23