CN105337474B - 一种储能和驱动集成装置 - Google Patents

Abstract

一种储能和驱动集成装置，储能电动机带动储能驱动电机的主动转子和飞轮从静止逐步加速到指定的转速，然后储能电动机停止工作、励磁电源开始工作，励磁电源根据负载的转速指令和转速传感器反馈的信息，通过电刷与滑环向励磁绕组提供电流，励磁绕组在气隙中建立磁场、在导电层中产生涡流、进而在两个转子中产生电磁转矩，带动从动转子加速转动、主动转子减速转动；改变励磁绕组中电流大小控制两个转子之间的相互作用转矩，使飞轮和与之共轴的主动转子速度快速降低，旋转惯性能量从主动转子转换到从动转子，将从动转子和负载快速提高到需要的速度。

Description

一种储能和驱动集成装置

技术领域

本发明涉及一种储能和驱动一体化的集成装置。

背景技术

在机动车辆启动、机动车辆冲击试验、移动机械加速试验、电磁加速系统等快速运动领域，需要瞬间提供较大的能量和功率、并将该较大的能量和功率转换为机械加速运动，为此需要储能装置、能量转换装置以及驱动机械传动装置。上述运行方式的一个重要特点是间歇性工作，动作时间很短，瞬间输出功率很高。与上述工作相对应的方法为储能方法、发电方法和电机驱动方法。

目前储能方法主要有基于电容器的电场储能、基于电感的磁场储能、基于电池的化学储能、基于惯性的飞轮储能，以及抽水蓄能、压缩空气储能等等。飞轮储能具有储能密度大、效率高、功率强、响应速度快、使用寿命长、地理环境适应性好等诸多优点，是目前最有发展前途的储能技术之一。

目前的飞轮储能系统是将电能或其他动能转化为飞轮动能，然后再通过飞轮带动发电机将动能转化为电能，以此来调节输出的电功率。飞轮储能已经开始应用于新能源电网调频调峰、电网安全稳定控制、电能质量治理、轨道交通和电动汽车车辆供电、功率脉冲电源等领域。但是，上述应用比较关注飞轮储能系统的储能容量、自放电率以及发电电压的稳定性等，在将储存的能量释放时，都是以电能的形式输出，若要驱动负载机械，必须再借助于电动机的输出、将电能转换为可控制的机械能，进行能量的二次转化，即实施“惯性能→电能→机械能”的转换过程，至少需要“飞轮储能发电机”+“驱动电动机”两套独立机构，使系统装置复杂，不利于系统效率的提高。尤其是对于间歇性、短时冲击型负载，若要将存储的能量以电能的形式释放，并将释放的较大能量供给电动机以驱动机械负载，运行过程会给系统的各个环节造成比较严重的电气和机械冲击，同时庞大的体积和质量不适合于经常移动场合的应用。

在工业调速领域得到应用的电磁耦合调速电机(也称电磁滑差调速电机)是一种由主动转子和从动转子组成的双转子电机，由该电机组成的调速系统至少包括原电动机、电磁耦合调速电机、输出机械三部分，原电动机功率不小于电磁耦合调速电机功率、外部电源持续提供调速需要的功率。通过调节电磁耦合调速电机的励磁功率，实现将原电动机输出轴和电磁耦合调速电机的主动转子的旋转机械能转换为从动转子和负载旋转机械能，实现对从动转子和负载的调速。在调速过程中原电动机和与之联接的电磁耦合调速电机的主动转子转速不变，从动转子和输出负载转速改变。

王承煦等在清华大学学报1980年第20卷第31期中发表的“变速恒频发电系统的理论分析及实验研究”提出了将电磁耦合调速电机(文中称为电磁滑差连接装置)应用于风力发电中的变速恒频发电系统中。当风机的转速由于风速的变化而改变时，与之联接的电磁耦合调速电机的主动轴转速将随之改变，但与交流同步发电机硬性联接的电磁耦合调速电机的从动轴转速则可以通过调节电磁耦合调速电机的励磁电流而维持不变。所以该变速恒频发电系统是在风机及发电机之间藉助电磁耦合调速电机的电磁联系实现滑差联接，在风机风速多变的情况下，保证电磁耦合调速电机输出轴和发电机电枢的转速不变、从而使发电机输出稳定频率的电源。其系统组成至少包括风机、电磁耦合调速电机和发电机，输出量为电能。

陈基和等在清华大学学报自然科学版2011年第51卷第3期中发表的文章“基于电磁耦合器调速的新变速恒频风力发电机组”提出采用变频器供电的三相交流绕组取代上述王承煦提出的电磁耦合调速电机中的直流励磁绕组，实时调节主动转子(外转子)三相励磁绕组中电流，从而控制电磁耦合器传递的转矩、使电磁耦合调速电机输出轴和发电机电枢转速不变。该文章涉及的系统组成也至少包括风机、电磁耦合调速电机和发电机，输出量为电能。

发明内容

本发明的目的是克服现有储能和驱动分离装置系统复杂、可靠性低、抗冲击性弱的缺点，提出一种储能和驱动集成装置。本发明将惯性储能与电磁耦合调速电机相结合，实现将惯性储能直接转化成机械能输出。

本发明的储能和驱动集成装置具有加速储能和驱动负载两种工作模式，在加速储能模式中，变流器控制较小功率的储能电动机带动储能驱动电机的主动转子和飞轮在较长的时间内从静止逐渐加速到较高的转速，将电能量以动能形式存储起来；在驱动负载模式中，励磁电源向励磁绕组提供需要的励磁电流，在储能驱动电机的主动转子和从动转子之间的气隙中建立磁场并在储能驱动电机的两个转子中产生电磁转矩，使从动转子和负载加速、主动转子减速，将储存的能量在较短时间内直接以从动转子的机械能形式释放出去。

本发明结构简单、可靠性高、系统能效指标好，同时极大降低对外部动力源供给功率的要求，适用于机动车辆启动、机动车辆冲击试验、移动机械加速试验、电磁加速系统等需要瞬间提供较大的功率、并将该较大的功率转换为机械加速运动的场合，以及需要系统轻量化、便于系统移动的领域。由于系统可以循环工作，加速储能时间比驱动负载工作时间长，外部电源和储能电动机功率很小，可设计为为储能驱动电机功率的10％或更低。

本发明解决技术问题采用的技术方案如下：

本发明的储能和驱动集成装置由变流器、励磁电源、储能开关、励磁开关、储能电动机、入端联轴器、储能驱动电机、出端联轴器、负载转轴、负载传动轮、以及转速传感器组成；所述的变流器通过储能开关与储能电动机电气连接，储能电动机的输出轴通过联轴器与储能驱动电机的主动轴联接、同速旋转，励磁电源通过励磁开关与储能驱动电机的电刷电气连接，负载传动轮与储能驱动电机的从动转子通过联轴器联接，同速转动；转速传感器安装在负载转轴的伸出端；转速传感器测量得到的负载传动轮转速信息传至励磁电源，用来闭环控制励磁电流的大小。

所述的变流器用来控制储能电动机的旋转速度，所述的励磁电源根据负载传动轮转速指令和转速传感器测量得到的负载传动轮转速信息，闭环调节馈入到储能驱动电机励磁绕组中的电流；根据所述的储能驱动电机的励磁绕组是直流励磁绕组还是交流励磁绕组，励磁电源输出的电流可以是直流电或交流电；所述的储能开关将变流器与储能电动机接通或断开；所述的励磁开关将励磁电源与储能驱动电机的电刷进而与储能驱动电机的励磁绕组接通或断开，两个开关不能同时闭合；所述的储能电动机可以选择交流异步电机，也可以选择交流同步电机，直流电机或其他可以调速的电动机。储能电动机输出功率与储能过程时间有关，本发明中储能电动机输出功率大大小于所述的储能驱动电机功率。

储能驱动电机包括主动轴、电刷、滑环、飞轮、主动转子、转子铁芯、励磁绕组、从动转子、导电层、从动轴以及相应的结构件；飞轮与主动转子同轴安装，主动轴和从动轴安装在同一轴线，主动转子和从动转子能够分别独立转动；主动转子固定在主动轴上，从动转子固定在从动轴上，主动轴和从动轴通过各自的轴承安装在机座上；电刷与滑环摩擦接触，滑环安装在主动轴上或从动轴上，将来自于励磁电源的电流引入电机励磁绕组。

所述的储能驱动电机设置主动转子和从动转子，两套转子之间有数毫米长的气隙、没有机械上的联接，在空间位置上为同一轴线装配，可以分别独立转动。为了满足储能要求，在主动转子上设置一副飞轮。为了减小从动转子的转动惯量、使系统能以较小的功率快速提高从动转子转速，主动转子设计为外转子、从动转子为内转子为优先选择；也可以根据实际要求将主动转子设计为内转子、从动转子设计为外转子。

所述的励磁绕组可以设置在主动转子上、也可以设置在从动转子上。励磁绕组所在的转子设置转子铁芯。由于励磁绕组通常由铜导线绕制而成，质量和转动惯量较大，将励磁绕组设置在主动转子上为优选方案。

所述的转子铁芯可以是凸极结构、也可以是隐极结构。转子铁芯为凸极结构时，励磁电源输出直流电，励磁绕组是多极对数的直流励磁绕组；所述的转子铁芯是隐极结构时，励磁电源输出交流电时励磁绕组是多极对数的交流励磁绕组，励磁电源输出直流电时励磁绕组是多极对数的直流励磁绕组。

将所述的励磁绕组设置在所述的主动转子上时，所述从动转子外表面设计为金属筒形结构的导电层，为了提高启动转矩，可在金属筒形导电层上开出空槽，成为笼型结构。该导电层敷设在由硅钢片叠压制成的转子表面，或敷设在由非导磁材料制成的框架支撑结构件表面。所述的导电层可由单一非导磁材料如铝、铜等构成，也可以由钢质材料构成，或由不同种材料按照一定结构组合而成。

所述的储能和驱动集成装置的运行过程如下：

首先，储能电动机带动储能驱动电机的主动转子和飞轮从静止加速到满足储能要求的旋转速度，并保持匀速旋转，然后变流器和储能电动机停止工作，励磁电源开始工作并向励磁绕组馈入电流，励磁电源根据负载的转速指令和转速传感器反馈信息控制馈入励磁绕组电流的大小，励磁绕组在气隙中建立磁场，在导电层中产生涡流，进而在主动转子和从动转子中产生电磁转矩，使主动转子和飞轮减速、从动转子加速。励磁电源控制励磁绕组中电流的大小可以控制主动转子和从动转子之间的相互作用转矩，从而使飞轮和与之共轴的主动转子的速度快速降低，将旋转惯性能量从主动转子转换到从动转子和负载传动轮，从动转子和负载速度快速提高，达到指定的速度后完成一次工作周期。完成一个工作周期后，励磁绕组停止工作，励磁开关断开，储能开关闭合，接通储能电动机带动储能驱动电机的主动转子和飞轮重新加速储能，为下一次驱动负载做准备。

在上述主动转子和飞轮减速，从动转子和负载加速的能量转换过程中，从动转子和与之联接的负载传动轮的转速始终小于或等于主动转子和与之同轴的飞轮转速。

本发明的特点是储能和驱动由一套集成为一体的储能驱动电机实现。该电机被一台小功率的储能电动机将储能驱动电机的主动转子和飞轮在要求的时间内驱动到指定的转速，将电能量以动能形式存储起来。需要向负载输出能量时，将储存的动能通过储能驱动电机的电磁耦合作用，按照给定的速度直接以从动转子的机械能形式释放出去。

本发明的储能和驱动集成装置结构简单、集成度高、安全性和可靠性高、系统能效指标好，同时对外部动力源供给功率的要求低，容易实现。

附图说明

图1储能和驱动集成装置实施例一；

图2实施例一的储能驱动电机纵向剖视图；

图3实施例一的储能驱动电机横向剖视图；

图4实施例一的运行过程中主动转子和从动转子转速变化曲线；

图5一种交流励磁的储能和驱动集成装置实施例；

图6一种主动轴为内转子的交流励磁的储能和驱动集成装置实施例；

图7一种主动轴为内转子的直流励磁储能和驱动集成装置实施例；

图中，1外部电源，2变流器、3励磁电源、4储能开关，5励磁开关，6储能电动机，7入端联轴器，100储能驱动电机，8主动轴，9电刷，10滑环，11飞轮，12主动转子，13转子铁芯，14励磁绕组，15从动转子，16导电侧，17从动轴，18出端联轴器，19负载转轴，20负载传动轮，21转速传感器，30接线盒，31导电环，32接线端子，33紧固螺栓，34外转子壳体，35紧固螺栓，36电机外壳，37电机散热筋，38轴承，39电机散热窗，40电机吊环，41紧固螺栓，42紧固螺栓，43外壳体后端盖，44外转子后端盖，45挡板，47紧固铆钉，50从动转子支撑筋，51轴承，52轴承，53底座，54主动转子拉紧螺栓，55主动转子支撑紧固螺栓，56励磁绕组紧固铆钉，57环氧树脂层，60机座与主动转子之间的间隙，61主动转子与从动转子之间的间隙，62紧固键，63轴承，64外壳体前端盖，65主动转子前端盖。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1所示为本发明实施例一：本实施例的储能和驱动集成装置采用直流励磁电源3、储能驱动电机100采用直流励磁绕组14，主动转子12为外转子、从动转子15为内转子，励磁绕组14放置于外转子12中，主动转子铁芯13采用凸极结构。

本实施例的储能和驱动集成装置包括：变流器2、励磁电源3、储能开关4、励磁开关5、储能电动机6、入端联轴器7、储能驱动电机100、出端联轴器18、负载转轴19、负载传动轮20，以及转速传感器21。变流器2通过储能开关4与储能电动机6电气连接，储能电动机6的输出轴通过入端联轴器7与储能驱动电机的主动轴8联接，直流励磁电源3通过励磁开关4与储能驱动电机的电刷9电气连接，负载传动轮20通过出端联轴器18与储能驱动电机100的从动轴17联接、同速转动；转速传感器21安装在负载转轴19的伸出端，转速传感器21测量得到的负载传动轮20的转速信息传至励磁电源3。储能驱动电机100包括主动轴8、电刷9、滑环10、飞轮11、主动转子12、转子铁芯13、直流励磁绕组14、从动转子15、导电层16、从动轴17以及相应的结构件；飞轮11与主动转子12同轴安装、主动轴8和从动轴17安装在同一轴线，主动转子12和从动转子15可以分别独立转动。主动转子12固定在主动轴8上，从动转子15固定在从动轴17上，主动轴8和从动轴17通过各自的轴承安装在机座上；电刷9与滑环10摩擦接触，滑环10安装在主动轴上，将来自于励磁电源的电流引入电机励磁绕组。

图2所示为实施例一的储能驱动电机的纵向剖视图，图3所示为实施例一的储能驱动电机的横向剖视图，电机主动转子12为外转子、主动转子12采用凸极结构、直流励磁绕组14设置在4极的主动转子12上，从动转子15为内转子，从动转子15为非导磁金属材料制成的框架，支撑从动转子表面的铝质圆筒形导电层16。

电机外壳体前端盖64由紧固螺栓35与电机外壳36固定，外壳体后端盖43由紧固螺栓41与外壳36固定，共同构成整个电机的外骨架，并由底座53支撑。外壳36上设置有散热筋37和吊环40，外壳体前端盖64利用轴承63保持与主动转子前端盖65的相对自由旋转运动，外壳体前端盖64利用轴承38保持与从动轴17的相对自由旋转运动。外壳体后端盖43借助轴承51保持与从动轴17的相对自由旋转运动。主动外转子壳体34与电机外壳36之间设置间隙60，主动外转子壳体34与筒形从动内转子15之间设置有一定的间隙61。

转子铁芯13由适当厚度的硅钢片叠压而成，并借助紧固螺栓54压紧。紧固螺栓55将主动转子铁芯13固定在主动外转子壳体34上。励磁绕组14由环氧树脂层57整形，并借助紧固铆钉56固定于主动转子铁芯13。主动转子铁芯13两端设有挡板45，挡板45用于固定励磁绕组14端部，增加励磁绕组14在高速运动时的机械稳定性。励磁绕组14的出线端与位于主动外转子前端盖65上的接线端子32的一端相连接，接线端子32穿过外转子前端盖，接线端子32的另一端与外壳体前端盖64内侧的导电环31接触，用以提供电流通路，筒形从动转子15采用紧固内筋50固定于从动轴17上面，从动轴17与主动转子后端盖44之间借助轴承52保持相对自由旋转运动。

图4为实施例一运行过程中主动转子和飞轮与从动转子和负载速度变化曲线。带飞轮11的主动转子12在储能驱动电机6的驱动下达到稳定速度3000rpm，然后储能开关4断开储能电动机电源，励磁开关5闭合接通励磁电源3与电刷9，调节励磁电源3的输出电流，储能驱动电机100主动转子和飞轮速度快速下降、从动转子和负载转速快速上升，直至在875毫秒时刻主动转子和飞轮速度快速下降至2445rpm、从动转子和负载转速上升至目标值1550rpm。

图5所示为本发明实施例二：一种主动转子为外转子的三相交流励磁的储能和驱动集成装置。主动转子12为外转子、隐极结构；励磁绕组14为三相励磁绕组，放置于外转子中；从动转子15为内转子。主动轴上设置三付电刷9和三付滑环10。励磁电源3为采用变频器控制的三相交流电源，为主动转子12上的三相交流励磁绕组14供电，通过实时调节主动转子12三相绕组中电流的幅值、相位和频率，从而控制主动转子12和从动转子15之间电磁耦合传递的转矩和两套转子的转速。该实施例的运行过程与实施例一相同，与实施例一相比，实施例二励磁电源控制略复杂，但是可提高整个运行速度范围的运行效率。

图6所示为本发明实施例三：一种主动转子为内转子的三相交流励磁的储能和驱动集成装置。主动转子12为内转子、隐极结构；励磁绕组14为三相励磁绕组，放置于主动转子中；从动转子15为外转子。主动轴上设置三付电刷9和三付副滑环10。该实施例的运行过程与实施例一相同，与实施例一和实施例二相比，实施例三更适合高速储能、低速驱动场合。

图7所示为本发明实施例四：一种主动转子为内转子的直流励磁储能和驱动集成装置。主动转子12为内转子、凸极结构；励磁绕组14放置于内转子中。励磁绕组14为直流励磁绕组。从动转子15为外转子。该实施例的运行过程与实施例一相同。其特点是储能驱动电机结构简单、适合高速储能、低速驱动场合。

上述给出的实施例中主动转子和从动转子均为卧式，也可以制作成立式；主动转子和从动转子均为筒形结构，也适用于盘式结构。

Claims (8)

1.一种储能和驱动集成装置，其特征在于：所述的装置包括变流器(2)、储能开关(4)、励磁电源(3)、励磁开关(5)、储能电动机(6)、入端联轴器(7)、储能驱动电机(100)、出端联轴器(18)、负载转轴(19)、负载传动轮(20)，以及转速传感器(21)；变流器(2)通过储能开关(4)与储能电动机(6)电气连接；储能电动机(6)的输出轴通过入端联轴器(7)与储能驱动电机(100)的主动轴联接；励磁电源(3)通过励磁开关(5)与储能驱动电机(100)的电刷(9)联接；负载传动轮(20)通过出端联轴器(18)与储能驱动电机(100)的从动轴(17)联接，同速转动；转速传感器(21 )安装在负载转轴(19)的伸出端；转速传感器(21 )测量得到的负载传动轮转速信息传至励磁电源(3)；储能驱动电机(100)包括主动轴(8)、电刷(9)、滑环(10)、飞轮(11)、主动转子(12)、转子铁芯(13)、励磁绕组(14)、从动转子(15)、导电层(16)，以及从动轴(17)；飞轮(11)与主动转子(12)同轴安装，主动轴(8)和从动轴(17)安装在同一轴线，主动转子(12)和从动转子(15)能够分别独立转动；电刷(9)与滑环(10)摩擦接触，滑环(10)安装在主动轴(8)上或从动轴(17)上，将来自于励磁电源(3)的电流引入电机励磁绕组。

2.根据权利要求1所述的储能和驱动集成装置，其特征在于：所述的储能和驱动集成装置具有加速储能和驱动负载两种工作模式；在加速储能模式中，所述的储能开关(4)闭合、励磁开关(5)断开，变流器(2)控制储能电动机(6)带动储能驱动电机(100)的主动转子(12)和飞轮(11)从静止逐渐加速，将电能量以动能形式存储起来；在驱动负载模式中，所述的储能开关(4)断开、励磁开关(5)闭合，励磁电源(3)向励磁绕组(14)提供励磁电流，在储能驱动电机(100)的主动转子(12)与从动转子(15)之间气隙中建立磁场，并在储能驱动电机(100)的所述两个转子中产生电磁转矩，使从动转子(15)和负载传动轮(20)加速、主动转子(12)和飞轮(11)减速，将储存的能量直接以负载传动轮(20)带动负载运动的形式释放出去。

3.根据权利要求2所述的储能和驱动集成装置，其特征在于：所述的储能和驱动集成装置处于加速储能工作模式时，首先所述的储能电动机(6)带动储能驱动电机(100)的主动转子(12)和飞轮(11)从静止加速到满足储能要求的指定旋转速度，并保持匀速旋转，然后变流器(2)和储能电动机(6)停止工作，励磁电源(3)开始工作，并向励磁绕组(14)馈入电流；励磁电源(3)根据负载的转速指令和转速传感器(21)的反馈信息控制馈入励磁绕组(14)电流的大小，励磁绕组(14)在主动转子(12)和从动转子(15)之间的气隙中建立磁场，在导电层(16)中产生涡流，进而在主动转子(12)和从动转子(15)中产生电磁转矩，使主动转子(12)和飞轮(11)减速，从动转子(15)和负载传动轮(20)加速，从动转子(15)和负载传动轮(20)达到指定的速度后完成一个工作周期；完成一个工作周期后，励磁绕组(14)停止工作，励磁开关(5)断开，储能开关(4)闭合，接通储能电动机(6)带动储能驱动电机(100)的主动转子(12)和飞轮(11)重新加速储能至指定的旋转速度，为下一次驱动负载做准备。

4.根据权利要求3所述的储能和驱动集成装置，其特征在于：所述的主动转子(12)和飞轮(11)减速，从动转子(15)和负载传动轮(20)加速的能量转换过程中，从动转子(15)和负载传动轮(20)的转速始终小于或等于主动转子(12)和与之同轴安装的飞轮(11)的转速。

5.根据权利要求1所述的储能和驱动集成装置，其特征在于：所述的储能驱动电机(100)中，所述的主动转子(12)为外转子、从动转子(15)为内转子，或者所述的主动转子(12)为内转子、从动转子(15)为外转子。

6.根据权利要求1所述的储能和驱动集成装置，其特征在于：所述的储能驱动电机(100)中，所述的励磁绕组(14)设置在主动转子(12)上，导电层(16)敷设在从动转子(15)上，或者励磁绕组(14)设置在从动转子(15)上、导电层(16)敷设在主动转子表面。

7.根据权利要求6所述的储能和驱动集成装置，其特征在于：放置所述励磁绕组(14)的转子铁芯(13)是凸极结构转子或隐极结构转子；所述转子铁芯(13)为凸极结构时，励磁电源(3)输出直流电，励磁绕组(14)是多极对数的直流励磁绕组；所述转子是隐极结构时，励磁电源(3)输出交流电时励磁绕组(14)是多极对数的交流励磁绕组，励磁电源(3)输出直流电时励磁绕组(14)是多极对数的直流励磁绕组。

8.根据权利要求1所述的储能和驱动集成装置，其特征在于：所述的储能驱动电机(100)中，没有设置励磁绕组(14)的转子外表面为导电层(16)，所述导电层(16)为整体金属筒形导电层，或开出空槽的金属筒形导电层形成笼型结构；该导电层(16)敷设在由硅钢片叠压制成的转子表面，或敷设在由非导磁材料制成的框架支撑结构件表面。