CN107634538A - 一种永磁耦合调速系统及永磁耦合调速方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种永磁耦合调速系统及永磁耦合调速方法，减少了系统中电阻发热的问题，并且能够回馈多余的电能，提高系统的效率。本申请实施例包括：电机模块、永磁耦合调速模块、电能反馈模块，电能反馈模块包括反馈控制器；电机模块与三相电网电连接，与永磁耦合调速模块轴连接；永磁耦合调速模块与负载轴连接，并与电能反馈模块电连接；电机模块，用于将三相电网提供的电能转换为电机转速；永磁耦合调速模块，用于通过磁力耦合传动方式将电机转速转换为输出转速；永磁耦合调速模块，用于根据电机转速和输出转速，得到反馈电能，并通过电能反馈模块将反馈电能反馈至三相电网；反馈控制器，用于控制反馈电能的大小，从而控制输出转速的大小。

Description

一种永磁耦合调速系统及永磁耦合调速方法

技术领域

本申请涉及电路领域，具体涉及一种永磁耦合调速系统及永磁耦合调速方法。

背景技术

近年来，随着电机智能控制技术的飞速发展，以及国家节能减排政策的驱动，电机调速控制技术越来越得到人们的关注。目前在我国大量的风机水泵类负载还在采用最传统的挡板、阀门类机械节流方式调节流量，加上现有调速系统内“大马拉小车”现象严重、调速方式落后等问题，造成大量的电能浪费情况。

现行对于风机水泵类负载现有的调速方式可以分为两大类，一类是如图1所示的异步电机转子绕组串电阻的方式，原理为：在输入电源电压和频率不变的情况下，通过改变异步电机转子上串入电阻的大小来改变电机的转子电流，从而影响电机的输出转矩，当电阻加大，转子电流减小，电机输出转矩变小，不足驱动高转速下的风机、水泵类的变转矩负载，此时负载转速下降，直到负载转矩等于电机输出转矩后，负载速度稳定；同理，当减小电阻阻值时，转子电流加大，电机输出转矩变大，变大后的转矩大于低速下的负载转矩，此时负载转速上升，直到对应的负载转矩等于电机转矩时，负载停止速度增加。另一类是如图2所示的变频器驱动调速，原理为：通过变频器将输入的交流电整流之后，滤波再逆变成不同频率的交流电，控制电机转速和转矩的调速。变频器调速可以真正的实现无极调速，且能实现零频大于150％的启动转矩。

但是，图1所示的调速方式，会在因控制转子电流大小而被串入的电阻上产生巨大的热损耗。该热损耗会因为电机功率的加大和转、定子之间转差的加大而不断增大，为工程上的应用实现增加了很大一部分的热处理费用；同时，由于当下电阻制造工艺的限制，对于大电机及超大电机，该种调速方式存在很大的不可实现性，比如无超大级别的散热电阻、电阻并联成本过高、设备热处理难度大、能源浪费严重等等诸多问题。图2所示的调速方式由于变频器驱动调速技术依赖于变频器中的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)逆变技术，而IGBT逆变技术往往又容易造成输出到电机端的电压中含有较多的高次谐波和较高的电压尖峰，对电机的轴寿命往往会有一定程度的影响；并且变频器的运行对运行环境要求较高，所以会造成终端客户的潜在投入增大，同时变频器和电机的效率都会随着负载转速的下降而下降，例如当负载处于低速运转(5Hz)时，变频器调速系统(变频器和电机大系统)的效率只相对于高速(50Hz)情况下的40％左右。

发明内容

本申请提供一种永磁耦合调速系统及永磁耦合调速方法，减少了系统中电阻发热的问题，并且能够回馈多余的电能，提高系统的效率。

本申请第一方面提供一种永磁耦合调速系统，包括：

电机模块、永磁耦合调速模块、电能反馈模块，所述电能反馈模块包括反馈控制器；

所述电机模块与三相电网电连接，与所述永磁耦合调速模块轴连接；

所述永磁耦合调速模块与负载轴连接，并与所述电能反馈模块电连接；

所述电机模块，用于将所述三相电网提供的电能转换为电机转速；

所述永磁耦合调速模块，用于通过磁力耦合传动方式将所述电机转速转换为输出转速，所述输出转速为所述负载的负载转速；

所述永磁耦合调速模块，用于根据所述电机转速和所述输出转速，得到反馈电能，并通过所述电能反馈模块将所述反馈电能反馈至所述三相电网；

所述反馈控制器，用于控制所述反馈电能的大小，从而控制所述输出转速的大小。

结合本申请第一方面，本申请第一方面第一实施方式中，所述电能反馈模块包括：

二极管整流器、DC/DC升压器、PWM整流器及隔离变压器，所述反馈控制器为所述PWM整流器；

所述二极管整流器与所述永磁耦合调速模块及所述DC/DC升压器的低压端电连接，所述DC/DC升压器的高压端与所述PWM整流器的直流端电连接，所述PWM整流器的交流端与所述隔离变压器电连接，所述隔离变压器与所述三相电网电连接；

所述二极管整流器，用于将所述永磁耦合调速模块产生的所述反馈电能转换为直流低电压；

所述DC/DC升压器，用于将所述二极管整流器传输的所述直流低电压转换为直流高电压；

所述PWM整流器，用于将所述DC/DC升压器传输的所述直流高电压转换为三相反馈电压，并设置回馈电流，根据所述回馈电流及所述三相反馈电压得到回馈电能；

所述隔离变压器，用于将所述回馈电能传输至所述三相电网。

结合本申请第一方面第一实施方式，本申请第一方面第二实施方式中，所述永磁耦合调速模块为绕组式永磁耦合调速器，所述绕组式永磁耦合调速器包括：

第一转子轴、永磁体外转子、第二转子轴、绕组转子铁芯、线圈绕组及集电环；

所述第一转子轴与所述电机模块轴连接，所述第二转子轴与所述负载轴连接，所述永磁体外转子固定于所述第一转子轴，所述绕组转子铁芯及所述线圈绕组固定于所述第二转子轴，所述线圈绕组和所述绕组转子铁芯处于所述永磁体外转子中，所述集电环与所述线圈绕组和所述电能反馈模块电连接；

所述第一转子轴，用于将所述电机转速传递到所述永磁体外转子；

所述永磁体外转子，用于根据所述电机转速形成恒定磁场；

所述第二转子轴，用于通过处于所述恒定磁场的所述绕组转子铁芯得到输出转速；

所述线圈绕组，用于当所述电机转速与所述输出转速存在转差时，生成绕组电流；

所述集电环，用于产生集电环电压，根据所述集电环电压和所述绕组电流，得到反馈电能。

结合本申请第一方面第二实施方式，本申请第一方面第三实施方式中，

所述PWM整流器，还用于控制所述回馈电流的大小；

所述集电环，还用于根据所述回馈电流的大小调节所述绕组电流的大小，从而控制所述反馈电能的大小；

所述所述第二转子轴，用于根据所述绕组线圈上所述绕组电流的大小，调节所述输出转速的大小。

结合本申请第一方面、第一方面第一实施方式、第一方面第二实施方式或第一方面第三实施方式，本申请第一方面第四实施方式中，所述电机模块为异步电动机或同步电动机，所述电机模块包括：

接线箱、定子及电动机转子，所述接线箱与所述三相电网电连接；

所述定子，用于根据所述三相电网的交流电压产生旋转磁场；

所述电动机转子，处于所述旋转磁场中，用于在所述旋转磁场的作用下得到电机转速。

本申请第二方面提供一种永磁耦合调速方法，应用于永磁耦合调速系统，所述永磁耦合调速系统包括电机模块、调速模块、负载模块及能量反馈模块，所述电能反馈模块包括反馈控制器，所述电机模块与三相电网电连接，并与所述永磁耦合调速模块轴连接，所述永磁耦合调速模块与负载轴连接，并与所述电能反馈模块电连接，所述永磁耦合调速方法包括：

所述电机模块将所述三相电网提供的电能转换为电机转速；

所述永磁耦合调速模块通过耦合传动方式将所述电机转速转换为输出转速，所述输出转速为所述负载的负载转速；

所述永磁耦合调速模块根据所述电机转速和所述输出转速，得到反馈电能，并通过所述电能反馈模块将所述反馈电能反馈至所述三相电网；

所述反馈控制器控制所述反馈电能的大小，从而控制所述输出转速的大小。

结合本申请第二方面，本申请第二方面第一实施方式中，所述电能反馈模块包括二极管整流器、DC/DC升压器、PWM整流器及隔离变压器，所述反馈控制器为所述PWM整流器，所述二极管整流器与所述永磁耦合调速模块及所述DC/DC升压器的低压端电连接，所述DC/DC升压器的高压端与所述PWM整流器的直流端电连接，所述PWM整流器的交流端与所述隔离变压器电连接，所述隔离变压器与所述三相电网电连接，

所述通过所述电能反馈模块将所述反馈电能反馈至所述三相电网，包括：

所述二极管整流器将所述永磁耦合调速模块产生的所述反馈电能转换为直流低电压；

所述DC/DC升压器将所述二极管整流器传输的所述直流低电压转换为直流高电压；

所述PWM整流器将所述DC/DC升压器传输的所述直流高电压转换为三相反馈电压，并设置回馈电流，根据所述回馈电流及所述三相反馈电压得到回馈电能；

所述隔离变压器将所述回馈电能传输至所述三相电网。

结合本申请第二方面第一实施方式，本申请第二方面第二实施方式中，所述永磁耦合调速模块为绕组式永磁耦合调速器，所述绕组式永磁耦合调速器包括第一转子轴、永磁体外转子、第二转子轴、绕组转子铁芯、线圈绕组及集电环，所述第一转子轴与所述电机模块轴连接，所述第二转子轴与所述负载轴连接，所述永磁体外转子固定于所述第一转子轴，所述绕组转子铁芯及所述线圈绕组固定于所述第二转子轴，所述线圈绕组和所述绕组转子铁芯处于所述永磁体外转子中，所述集电环与所述线圈绕组和所述电能反馈模块电连接，

所述永磁耦合调速模块通过耦合传动方式将所述电机转速转换为输出转速，包括：

所述第一转子轴将所述电机转速传递到所述永磁体外转子；

所述永磁体外转子根据所述电机转速形成恒定磁场；

所述第二转子轴通过处于所述恒定磁场的所述绕组转子铁芯得到输出转速；

所述永磁耦合调速模块根据所述电机转速和所述输出转速，得到反馈电能，包括：

当所述电机转速与所述输出转速存在转差时，所述线圈绕组产生绕组电流；

所述集电环产生集电环电压，根据所述集电环电压和所述绕组电流，得到反馈电能。

结合本申请第二方面第二实施方式，本申请第二方面第三实施方式中，所述反馈控制器控制所述反馈电能的大小，从而控制所述永磁耦合调速模块的输出力矩的大小，包括：

所述PWM整流器控制所述回馈电流的大小；

所述集电环根据所述回馈电流的大小调节所述绕组电流的大小，从而控制所述反馈电能的大小；

所述第二转子轴根据所述绕组线圈上所述绕组电流的大小，调节所述输出转速的大小。

结合本申请第二方面、第二方面第一实施方式、第二方面第二实施方式或第二方面第三实施方式，本申请第二方面第四实施方式中，所述电机模块为异步电动机异步电动机或同步电动机，所述电机模块包括接线箱、定子及电动机转子，所述接线箱与所述三相电网电连接，

所述电机模块将所述三相电网提供的电能转换为电机转速，包括：

所述定子根据所述三相电网的交流电压产生旋转磁场；

所述电动机转子在所述旋转磁场的作用下得到电机转速。

综上所述，本申请永磁耦合调速系统中包括电机模块、永磁耦合调速模块、电能反馈模块，电能反馈模块包括反馈控制器，电机模块与三相电网电连接，与永磁耦合调速模块轴连接，永磁耦合调速模块与负载轴连接，并与电能反馈模块电连接，电机模块将三相电网提供的电能转换为电机转速，永磁耦合调速模块通过耦合传动方式将电机转速转换为输出转速，输出转速为负载的负载转速，永磁耦合调速模块根据电机转速和输出转速，得到反馈电能，并通过电能反馈模块将反馈电能反馈至三相电网，反馈控制器控制反馈电能的大小，从而控制永磁耦合调速模块的输出力矩的大小，输出力矩用于调节输出转速。与图1所示的调速方式相比，无需增加串入电阻，减少了系统中电阻发热的问题；与图2所示的调速方式相比，不需要通过变频器进行调速，能提高系统的效率。同时，与图1和图2所示的调速方式相比，还能够向三相电网反馈多余的电能。

附图说明

图1为本申请提供的一种调速方式的结构示意图；

图2为本申请提供的另一种调速方式的结构示意图；

图3为本申请提供的永磁耦合调速系统的一个实施例结构示意图；

图4为本申请提供的永磁耦合调速系统的另一个实施例结构示意图

图5为本申请提供的永磁耦合调速系统的又一个实施例结构示意图；

图6为本申请提供的永磁耦合调速方法的一个实施例流程示意图；

图7为本申请提供的永磁耦合调速方法的另一个实施例流程示意图。

具体实施方式

本申请提供一种永磁耦合调速系统及永磁耦合调速方法，减少了系统中电阻发热的问题，并且能够回馈多余的电能，提高系统的效率。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图3，本申请实施例提供一种永磁耦合调速系统，包括：

电机模块301、永磁耦合调速模块302、电能反馈模块303，电能反馈模块303包括反馈控制器3031；

电机模块301与三相电网电连接，与永磁耦合调速模块302轴连接；

永磁耦合调速模块302与负载轴连接，并与电能反馈模块303电连接；

电机模块301，用于将三相电网提供的电能转换为电机转速；

永磁耦合调速模块302，用于通过磁力耦合传动方式将电机转速转换为输出转速，输出转速为负载的负载转速；

永磁耦合调速模块302，用于根据电机转速和输出转速，得到反馈电能，并通过电能反馈模块303将反馈电能反馈至三相电网；

反馈控制器3031，用于控制反馈电能的大小，从而控制输出转速的大小。

本申请实施例中，电机模块301将三相电网提供的电能转换为电机转速，永磁耦合调速模块302通过耦合传动方式将电机转速转换为输出转速，输出转速为负载的负载转速，永磁耦合调速模块302根据电机转速和输出转速，得到反馈电能，并通过电能反馈模块303将反馈电能反馈至三相电网，反馈控制器3031控制反馈电能的大小，从而控制永磁耦合调速模块302的输出力矩的大小，输出力矩用于调节输出转速。与图1所示的调速方式相比，图1是通过改变电机模块中串入电阻的大小来改变电机的转子电流，从而影响电机的输出转矩，当电阻加大，转子电流减小，电机输出转矩变小，从而降低负载转速下降，但是在串入电阻上会产生巨大的热损耗，该热损耗会因为电机模块功率的加大和转、定子之间转差的加大而不断增大，为工程上的应用实现增加了很大一部分的热处理费用，而本申请实施例中采用了永磁耦合调速模块302，并且通过反馈控制器3031控制反馈电能的大小，从而调节输出转速的大小，无需在电机模块上串入电阻从而实现负载转速的调节，因此，减少了系统中电阻发热的问题；与图2所示的调速方式相比，图2是通过变频器将输入的交流电整流之后滤波再逆变成不同频率的交流电来控制电机转速的调速技术，但是变频器和电机的效率都会随着负载转速的下降而下降，而本申请实施例中无需用到变频器技术，也无需改变电机模块的电机转速，因此，提高了系统的效率；而且与图1和图2所示的调速方式相比，本申请实施例还能够向三相电网反馈多余的电能，有利于能量节约。

以上实施例中以模块化的方式对永磁耦合调速系统进行了描述，在实际应用中，永磁耦合调速系统中每一个模块都为实体的器件或者电路，以通过一下实施例进行详细说明。

可选的，如图4所示，本申请的一些实施例中，永磁耦合调速模块302为绕组式永磁耦合调速器，绕组式永磁耦合调速器包括：

第一转子轴401、永磁体外转子402、第二转子轴403、绕组转子铁芯404、线圈绕组405及集电环406；

第一转子轴401与电机模块301轴连接，第二转子轴403与负载轴连接，永磁体外转子402固定于第一转子轴401，永磁体外转子402中包括永磁体4021，绕组转子铁芯404及线圈绕组405固定于第二转子轴403，线圈绕组405和绕组转子铁芯404处于永磁体外转子402中，集电环406与线圈绕组405和电能反馈模块303电连接；

第一转子轴401，用于将电机转速传递到永磁体外转子402；

永磁体外转子402，用于根据电机转速形成恒定磁场；

第二转子轴403，用于通过处于恒定磁场的绕组转子铁芯404得到输出转速；

线圈绕组405，用于当电机转速与输出转速存在转差时，生成绕组电流；

集电环406，用于产生集电环电压，根据集电环电压和绕组电流，得到反馈电能。

需要说明的是，绕组式永磁耦合调速器还可以包括电刷407以及控制器，永磁体外转子402和绕组转子铁芯404之间还存在气隙408，控制器可以控制电刷407使得线圈绕组405处于开路状态或闭路状态，即起到离合器的作用。

可选的，如图4和图5所示，本申请的一些实施例中，电能反馈模块包括：

二极管整流器501、DC/DC升压器502、PWM整流器503及隔离变压器504，反馈控制器为PWM整流器503；

二极管整流器501与集电环406及DC/DC升压器502的低压端电连接，DC/DC升压器502的高压端与PWM整流器503的直流端电连接，PWM整流器503的交流端与隔离变压器504电连接，隔离变压器504与三相电网电连接；

二极管整流器501，用于将集电环406传输的集电环电压转换为直流低电压；

DC/DC升压器502，用于将二极管整流器传输的直流低电压转换为直流高电压；

PWM整流器503，用于将DC/DC升压器502传输的直流高电压转换为三相反馈电压，并设置回馈电流，根据回馈电流及三相反馈电压得到回馈电能；

隔离变压器504，用于将回馈电能传输至三相电网。

可选的，如图4和图5所示，本申请的一些实施例中，

PWM整流器503，还用于控制回馈电流的大小；

集电环406，还用于根据回馈电流的大小调节绕组电流的大小，从而控制反馈电能的大小；

第二转子轴403，用于根据绕组线圈上绕组电流的大小，调节输出转速的大小。

可选的，本申请的一些实施例中，电机模块为异步电动机或同步电动机，电机模块包括：

接线箱、定子及电动机转子，接线箱与三相电网电连接；

定子，用于根据三相电网的交流电压产生旋转磁场；

电动机转子，处于旋转磁场中，用于在旋转磁场的作用下得到电机转速。

下面结合图3、图4和图5介绍上述实施例中永磁耦合调度系统是如何实现负载转速调节的，具体如下：

第一步：通过三相电网直接启动电机模块，电机模块可以是异步电动机或同步电动机，异步电动机和同步电动机都为感应电动机，接线箱与三相电网连接，将三相电网的电压转换为适合该电动机工作的工作电压，然后定子产生旋转磁场，电动机转子处于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，电动机转子最终达到一个额定频率的电机转速。如果需要让该电动机处于额定频率下空载运行，轴连接在电动机转子上的绕组式永磁耦合调速器的第一转子轴401会拖动永磁体外转子402按照电动机转子的电机转速旋转，使得永磁体4021旋转，产生恒定磁场，并且控制器控制电刷407使得线圈绕组405处于开路状态，第二转子轴403将处于静止状态，输出转速为0，即转矩类的负载没有负载转速，同时，由于线圈绕组405上的导线处于永磁体外转子402形成的恒定磁场内，那么存在的转差就等于此时的电机转速，那么线圈绕组就会切割恒定磁场的磁场线，从而生成绕组电流，而集电环406与线圈绕组405电连接，那么在集电环406将形成集电环电压，集电环电压与绕组电流的乘积就是反馈电能。如果该电动机不是空载运行，那么控制器控制电刷407使得线圈绕组405处于闭路状态，线圈绕组405将具有电流，线圈绕组405上的电流产生的磁场和永磁体外转子402形成的恒定磁场相互干扰，这种磁力耦合传动方式将会使第二转子轴403旋转，得到输出转速，而且只要电机转速和输出转速存在的转差，线圈绕组405上就会生成绕组电流，就会存在反馈电能。

第二步、由于将反馈电能反馈到三相电网必须先经过能量反馈电路，才能满足三相电网的要求，在集电环406上产生的集电环电压是三相交流电压，因此，必须通过二极管整流器501变为直流低电压，然后输入到DC/DC升压器502的低压侧。

第三步：DC/DC升压器502将直流低电压转换为直流高电压，此时，脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)整流器503处于不运行状态，直流高电压的设定值是由PWM整流器503所决定的，该设定值必须大于三相电网的电压折合到隔离变压器连接PWM整流器503一侧电压有效值的1.5倍，并且小于PWM整流器503的母线过压点。

第四步：PWM整流器503可以包括电压型和电流型，本申请是为了控制绕组电流的大小，那么采用的是电流型PWM整流器，可以通过控制交流侧的回馈电流来控制直流侧的输入电流，将PWM整流器503的回馈电流调节到最小，然后启动PWM整流器503(此时母线稳压控制只是由DC/DC升压器502实现，即直流高电压的电压值是不变的，PWM整流器503只是控制回馈电流)，PWM整流器503输入到隔离变压器504的为三相反馈电压，PWM整流器503的回馈电能为回馈电流和三相反馈电压的乘积，隔离变压器504将回馈电流反馈到三相电网，集电环406产生的反馈电能，最终实现反馈到三相电网。

第五步：结合需求，这里的需求是指负载转速需要减小或者增加，调节PWM整流器503的回馈电流，当PWM整流器503的回馈电流较小时，输入PWM整流器503的直流侧的输入电流将减小，最后推导出从DC/DC升压器501的低压端获取的绕组电流也较小，相当于在绕组式永磁耦合调速器中串入了一个较大的电阻，那么绕组电流减小的情况下，此时绕组式永磁耦合调速器输出的力矩较小，驱动的风机水泵类变转矩类负载将会减速，在一个较低的转速下运行；当PWM整流器503的回馈电流调节较大时，输入PWM整流器503的直流侧的输入电流将增大，从DC/DC升压器501的低压端获取的绕组电流也较大，相当于在绕组式永磁耦合调速器中串入了一个较小的电阻，此时绕组式永磁耦合调速器输出的力矩较大，驱动的风机水泵类变转矩类负载将会加速，在一个较高的转速下运行。

根据以上描述，永磁耦合调度系统系统中是可以通过控制PWM整流器的回馈电流来控制绕组式永磁耦合调速器中线圈绕组的绕组电流，再进一步影响绕组式永磁耦合调速器绕组侧的输出转矩，最终达到控制输出转速。

以上实施例中描述的是永磁耦合调度系统，下面对应用于永磁耦合调度系统的永磁耦合调速方法进行详细说明。

请参阅图6，本申请实施例提供一种永磁耦合调速方法，应用于永磁耦合调速系统，永磁耦合调速系统包括电机模块、调速模块、负载模块及能量反馈模块，电能反馈模块包括反馈控制器，电机模块与三相电网电连接，并与永磁耦合调速模块轴连接，永磁耦合调速模块与负载轴连接，并与电能反馈模块电连接，永磁耦合调速方法包括：

601、电机模块将三相电网提供的电能转换为电机转速；

602、永磁耦合调速模块通过耦合传动方式将电机转速转换为输出转速，输出转速为负载的负载转速；

603、永磁耦合调速模块根据电机转速和输出转速，得到反馈电能，并通过电能反馈模块将反馈电能反馈至三相电网；

604、反馈控制器控制反馈电能的大小，从而控制输出转速的大小。

本申请实施例中，与图1所示的调速方式相比，图1是通过改变电机模块中串入电阻的大小来改变电机的转子电流，从而影响电机的输出转矩，当电阻加大，转子电流减小，电机输出转矩变小，从而降低负载转速下降，但是在串入电阻上会产生巨大的热损耗，该热损耗会因为电机模块功率的加大和转、定子之间转差的加大而不断增大，为工程上的应用实现增加了很大一部分的热处理费用，而本申请实施例中采用了永磁耦合调速模块302，并且通过反馈控制器控制反馈电能的大小，从而调节输出转速的大小，无需在电机模块上串入电阻从而实现负载转速的调节，因此，减少了系统中电阻发热的问题；与图2所示的调速方式相比，图2是通过变频器将输入的交流电整流之后滤波再逆变成不同频率的交流电来控制电机转速的调速技术，但是变频器和电机的效率都会随着负载转速的下降而下降，而本申请实施例中无需用到变频器技术，也无需改变电机模块的电机转速，因此，提高了系统的效率；而且与图1和图2所示的调速方式相比，本申请实施例还能够向三相电网反馈多余的电能，有利于能量节约。

可选的，本申请的一些实施例中，电能反馈模块包括二极管整流器、DC/DC升压器、PWM整流器及隔离变压器，反馈控制器为PWM整流器，二极管整流器与集电环及DC/DC升压器的低压端电连接，DC/DC升压器的高压端与PWM整流器的直流端电连接，PWM整流器的交流端与隔离变压器电连接，隔离变压器与三相电网电连接，

通过电能反馈模块将反馈电能反馈至三相电网，包括：

二极管整流器将永磁耦合调速模块产生的反馈电能转换为直流低电压；

DC/DC升压器将二极管整流器传输的直流低电压转换为直流高电压；

PWM整流器将DC/DC升压器传输的直流高电压转换为三相反馈电压，并设置回馈电流，根据回馈电流及三相反馈电压得到回馈电能；

隔离变压器将回馈电能传输至三相电网。

可选的，本申请的一些实施例中，永磁耦合调速模块为绕组式永磁耦合调速器，绕组式永磁耦合调速器包括第一转子轴、永磁体外转子、第二转子轴、绕组转子铁芯、线圈绕组及集电环，第一转子轴与电机模块轴连接，第二转子轴与负载轴连接，永磁体外转子固定于第一转子轴，绕组转子铁芯及线圈绕组固定于第二转子轴，线圈绕组和绕组转子铁芯处于永磁体外转子中，集电环与线圈绕组和电能反馈模块电连接，

永磁耦合调速模块通过耦合传动方式将电机转速转换为输出转速，包括：

第一转子轴将电动机转子的电机转速传递到永磁体外转子；

永磁体外转子根据电机转速形成恒定磁场；

第二转子轴通过处于恒定磁场的绕组转子铁芯得到输出转速；

永磁耦合调速模块根据电机转速和输出转速，得到反馈电能，包括：

当电机转速与输出转速存在转差时，线圈绕组产生绕组电流；

集电环产生集电环电压，根据集电环电压和绕组电流，得到反馈电能。

可选的，本申请的一些实施例中，反馈控制器控制反馈电能的大小，从而控制永磁耦合调速模块的输出力矩的大小，包括：

PWM整流器控制回馈电流的大小；

集电环根据回馈电流的大小调节绕组电流的大小，从而控制反馈电能的大小；

第二转子轴根据绕组线圈上绕组电流的大小，调节输出转速的大小。

可选的，本申请的一些实施例中，电机模块为异步电动机或同步电动机，电动模块包括接线箱、定子及电动机转子，接线箱与三相电网电连接，

电机模块将三相电网提供的电能转换为电机转速，包括：

定子根据三相电网的交流电压产生旋转磁场；

电动机转子在旋转磁场的作用下得到电机转速。

下面通过具体实施方式对以上实施例中的方法进行详细说明，请参阅图7，具体如下：

701、通过三相电网直接启动电机模块，绕组式永磁耦合调速器的线圈绕组形成绕组电流，集电环形成集电环电压；

电机模块可以是异步电动机或同步电动机，异步电动机和同步电动机都为感应电动机，接线箱与三相电网连接，将三相电网的电压转换为适合该电动机工作的工作电压，然后定子产生旋转磁场，电动机转子处于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，电动机转子最终达到一个额定频率的电机转速。如果需要让异步电动机处于额定频率下空载运行，轴连接在电动机转子上的绕组式永磁耦合调速器的第一转子轴会拖动永磁体外转子按照电动机转子的电机转速旋转，使得永磁体旋转，产生恒定磁场，并且控制器控制电刷使得线圈绕组处于开路状态，第二转子轴将处于静止状态，输出转速为0，即转矩类的负载没有负载转速，同时，由于线圈绕组上的导线处于永磁体外转子形成的恒定磁场内，那么存在的转差就等于此时的电机转速，那么线圈绕组就会切割恒定磁场的磁场线，从而生成绕组电流，而集电环与线圈绕组电连接，那么在集电环将形成集电环电压，集电环电压与绕组电流的乘积就是反馈电能。如果异步电动机不是空载运行，那么控制器控制电刷使得线圈绕组处于闭路状态，线圈绕组将具有绕组电流，线圈绕组上的电流产生的磁场和永磁体外转子形成的恒定磁场相互干扰，这种磁力耦合传动方式将会使第二转子轴旋转，得到输出转速，而且只要电机转速和输出转速存在的转差，线圈绕组上就会生成绕组电流，就会存在反馈电能。

702、二极管整流器将集电环电压变为直流低电压；

由于将反馈电能反馈到三相电网必须先经过能量反馈电路，才能满足三相电网的要求，在集电环上产生的集电环电压是三相交流电压，因此，必须通过二极管整流器变为直流低电压，然后输入到DC/DC升压器的低压侧。

703、DC/DC升压器将直流低电压转换为直流高电压；

此时，PWM整流器处于不运行状态，DC/DC升压器将直流低电压转换为直流高电压，直流高电压的设定值是由PWM整流器所决定的，该设定值必须大于三相电网的电压折合到隔离变压器连接PWM整流器一侧电压有效值的1.5倍，并且小于PWM整流器的母线过压点。

704、PWM整流器将直流高电压转换为三相反馈电压，并且调节回馈电流，隔离变压器将回馈电流反馈到三相电网；

PWM整流器可以包括电压型和电流型，本申请是为了控制绕组电流的大小，那么采用的是电流型PWM整流器，可以通过控制交流侧的回馈电流来控制直流侧的输入电流，将PWM整流器的回馈电流调节到最小，然后启动PWM整流器(此时母线稳压控制只是由DC/DC升压器实现，即直流高电压的电压值是不变的，PWM整流器只是控制回馈电流)，PWM整流器输入到隔离变压器的为三相反馈电压，PWM整流器的回馈电能为回馈电流和三相反馈电压的乘积，隔离变压器将回馈电流反馈到三相电网，集电环产生的反馈电能，最终实现反馈到三相电网。

705、PWM整流器通过控制回馈电流的大小，控制绕组电流的大小，从而实现绕组式永磁耦合调速器的输出转速的调速。

结合需求，这里的需求是指负载转速需要减小或者增加，调节PWM整流器的回馈电流，当PWM整流器的回馈电流较小时，输入PWM整流器的直流侧的输入电流将减小，最后推导出从DC/DC升压器的低压端获取的绕组电流也较小，相当于在绕组式永磁耦合调速器中串入了一个较大的电阻，那么绕组电流减小的情况下，此时绕组式永磁耦合调速器输出的力矩较小，驱动的风机水泵类变转矩类负载将会减速，在一个较低的转速下运行；当PWM整流器的回馈电流调节较大时，输入PWM整流器的直流侧的输入电流将增大，从DC/DC升压器的低压端获取的绕组电流也较大，相当于在绕组式永磁耦合调速器中串入了一个较小的电阻，此时绕组式永磁耦合调速器输出的力矩较大，驱动的风机水泵类变转矩类负载将会加速，在一个较高的转速下运行。

根据以上描述，永磁耦合调度系统系统中是可以通过控制PWM整流器的回馈电流来控制绕组式永磁耦合调速器中线圈绕组的绕组电流，再进一步影响绕组式永磁耦合调速器绕组侧的输出转矩，最终达到控制输出转速。

应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种永磁耦合调速系统，其特征在于，包括：

电机模块、永磁耦合调速模块、电能反馈模块，所述电能反馈模块包括反馈控制器；

所述电机模块与三相电网电连接，与所述永磁耦合调速模块轴连接；

所述永磁耦合调速模块与负载轴连接，并与所述电能反馈模块电连接；

所述电机模块，用于将所述三相电网提供的电能转换为电机转速；

所述永磁耦合调速模块，用于通过磁力耦合传动方式将所述电机转速转换为输出转速，所述输出转速为所述负载的负载转速；

所述永磁耦合调速模块，用于根据所述电机转速和所述输出转速，得到反馈电能，并通过所述电能反馈模块将所述反馈电能反馈至所述三相电网；

所述反馈控制器，用于控制所述反馈电能的大小，从而控制所述输出转速的大小。

2.根据权利要求1所述的永磁耦合调速系统，其特征在于，所述电能反馈模块包括：

二极管整流器、DC/DC升压器、PWM整流器及隔离变压器，所述反馈控制器为所述PWM整流器；

所述二极管整流器与所述永磁耦合调速模块及所述DC/DC升压器的低压端电连接，所述DC/DC升压器的高压端与所述PWM整流器的直流端电连接，所述PWM整流器的交流端与所述隔离变压器电连接，所述隔离变压器与所述三相电网电连接；

所述二极管整流器，用于将所述永磁耦合调速模块产生的所述反馈电能转换为直流低电压；

所述DC/DC升压器，用于将所述二极管整流器传输的所述直流低电压转换为直流高电压；

所述PWM整流器，用于将所述DC/DC升压器传输的所述直流高电压转换为三相反馈电压，并设置回馈电流，根据所述回馈电流及所述三相反馈电压得到回馈电能；

所述隔离变压器，用于将所述回馈电能传输至所述三相电网。

3.根据权利要求2所述的永磁耦合调速系统，其特征在于，所述永磁耦合调速模块为绕组式永磁耦合调速器，所述绕组式永磁耦合调速器包括：

第一转子轴、永磁体外转子、第二转子轴、绕组转子铁芯、线圈绕组及集电环；

所述第一转子轴与所述电机模块轴连接，所述第二转子轴与所述负载轴连接，所述永磁体外转子固定于所述第一转子轴，所述绕组转子铁芯及所述线圈绕组固定于所述第二转子轴，所述线圈绕组和所述绕组转子铁芯处于所述永磁体外转子中，所述集电环与所述线圈绕组和所述电能反馈模块电连接；

所述第一转子轴，用于将所述电机转速传递到所述永磁体外转子；

所述永磁体外转子，用于根据所述电机转速形成恒定磁场；

所述第二转子轴，用于通过处于所述恒定磁场的所述绕组转子铁芯得到输出转速；

所述线圈绕组，用于当所述电机转速与所述输出转速存在转差时，生成绕组电流；

所述集电环，用于产生集电环电压，根据所述集电环电压和所述绕组电流，得到反馈电能。

4.根据权利要求3所述的永磁耦合调速系统，其特征在于，

所述PWM整流器，还用于控制所述回馈电流的大小；

所述集电环，还用于根据所述回馈电流的大小调节所述绕组电流的大小，从而控制所述反馈电能的大小；

所述所述第二转子轴，用于根据所述绕组线圈上所述绕组电流的大小，调节所述输出转速的大小。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的永磁耦合调速系统，其特征在于，所述电机模块为异步电动机或同步电动机，所述电机模块包括：

接线箱、定子及电动机转子，所述接线箱与所述三相电网电连接；

所述定子，用于根据所述三相电网的交流电压产生旋转磁场；

所述电动机转子，处于所述旋转磁场中，用于在所述旋转磁场的作用下得到电机转速。

6.一种永磁耦合调速方法，其特征在于，应用于永磁耦合调速系统，所述永磁耦合调速系统包括电机模块、调速模块、负载模块及能量反馈模块，所述电能反馈模块包括反馈控制器，所述电机模块与三相电网电连接，并与所述永磁耦合调速模块轴连接，所述永磁耦合调速模块与负载轴连接，并与所述电能反馈模块电连接，所述永磁耦合调速方法包括：

所述电机模块将所述三相电网提供的电能转换为电机转速；

所述永磁耦合调速模块通过耦合传动方式将所述电机转速转换为输出转速，所述输出转速为所述负载的负载转速；

所述永磁耦合调速模块根据所述电机转速和所述输出转速，得到反馈电能，并通过所述电能反馈模块将所述反馈电能反馈至所述三相电网；

所述反馈控制器控制所述反馈电能的大小，从而控制所述输出转速的大小。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电能反馈模块包括二极管整流器、DC/DC升压器、PWM整流器及隔离变压器，所述反馈控制器为所述PWM整流器，所述二极管整流器与所述永磁耦合调速模块及所述DC/DC升压器的低压端电连接，所述DC/DC升压器的高压端与所述PWM整流器的直流端电连接，所述PWM整流器的交流端与所述隔离变压器电连接，所述隔离变压器与所述三相电网电连接，

所述通过所述电能反馈模块将所述反馈电能反馈至所述三相电网，包括：

所述二极管整流器将所述永磁耦合调速模块产生的所述反馈电能转换为直流低电压；

所述DC/DC升压器将所述二极管整流器传输的所述直流低电压转换为直流高电压；

所述PWM整流器将所述DC/DC升压器传输的所述直流高电压转换为三相反馈电压，并设置回馈电流，根据所述回馈电流及所述三相反馈电压得到回馈电能；

所述隔离变压器将所述回馈电能传输至所述三相电网。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述永磁耦合调速模块为绕组式永磁耦合调速器，所述绕组式永磁耦合调速器包括第一转子轴、永磁体外转子、第二转子轴、绕组转子铁芯、线圈绕组及集电环，所述第一转子轴与所述电机模块轴连接，所述第二转子轴与所述负载轴连接，所述永磁体外转子固定于所述第一转子轴，所述绕组转子铁芯及所述线圈绕组固定于所述第二转子轴，所述线圈绕组和所述绕组转子铁芯处于所述永磁体外转子中，所述集电环与所述线圈绕组和所述电能反馈模块电连接，

所述永磁耦合调速模块通过耦合传动方式将所述电机转速转换为输出转速，包括：

所述第一转子轴将所述电机转速传递到所述永磁体外转子；

所述永磁体外转子根据所述电机转速形成恒定磁场；

所述第二转子轴通过处于所述恒定磁场的所述绕组转子铁芯得到输出转速；

所述永磁耦合调速模块根据所述电机转速和所述输出转速，得到反馈电能，包括：

当所述电机转速与所述输出转速存在转差时，所述线圈绕组产生绕组电流；

所述集电环产生集电环电压，根据所述集电环电压和所述绕组电流，得到反馈电能。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述反馈控制器控制所述反馈电能的大小，从而控制所述输出转速的大小，包括：

所述PWM整流器控制所述回馈电流的大小；

所述集电环根据所述回馈电流的大小调节所述绕组电流的大小，从而控制所述反馈电能的大小；

所述第二转子轴根据所述绕组线圈上所述绕组电流的大小，调节所述输出转速的大小。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述电机模块为异步电动机或同步电动机，所述电机模块包括接线箱、定子及电动机转子，所述接线箱与所述三相电网电连接，

所述电机模块将所述三相电网提供的电能转换为电机转速，包括：

所述定子根据所述三相电网的交流电压产生旋转磁场；

所述电动机转子在所述旋转磁场的作用下得到电机转速。