CN1310779C - 用于储存动力的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于向车辆的驱动系统传输动力和从车辆的驱动系统传输动力的动力存储系统。包括具有带有两个绕组的定子和至少一个提供有磁通量生成装置的转子的动力存储器。该转子连接到用于储存能量的飞轮。定子的两个绕组分别用于高电压和低电压。动力存储器用于向电气设备传输动力并从电气设备传输动力，以及储存从飞轮中的电气设备传输的能量。

Description

用于储存动力的系统
技术领域
本发明涉及用于储存动力并向车辆的驱动系统传输动力和从车辆的驱动系统传输动力的动力存储系统。该系统包括具有带有绕组的定子和带有磁通量生成装置的至少一个转子的动力存储器。该转子与至少一个飞轮连接，用于将能量以动能的形式储存在至少一个旋转块(rotary mass)中。该驱动系统包括电气设备，动力存储器用于向所述电气装置传输动力和从所述电气装置传输动力。
背景技术
具有由驱动对象充电并随后作为用于电动机的动力源的飞轮的动力存储系统已经得到应用，尤其是用于例如在诸如车辆动力传动系统的驱动系统中。然而，已知系统受到限制，诸如系统重量、安全需要、适合材料的可利用性和用于飞轮再充电以及其放电的适合驱动系统的可利用性的许多因素限制了能量储存能力。在复合动力车的传动系统中，能量存储器可认为是例如蓄电池和/或燃料箱、以及电动机和/或内燃机。
为了利用车辆(诸如汽车或火车的车辆)制动时的能量，就需要传输和储存较大动力的高速系统。制动强度越强，为了利用能量，系统不得不处理的动力就越高。
在US 5 931 249中示出了一种用于储存动能的已知系统。根据文献的描述，该系统包括飞轮，根据能量是提供给飞轮还是由飞轮提供能量，分别用于能量的积聚和释放，该飞轮分别连接到作为电动机和发电机的电气设备。当在车辆中使用该系统，在较短的时间，车辆可由飞轮驱动。该飞轮在真空中高速转动。所描述的系统要求强电流，如果处理大动力则导致高损耗。由此，已知系统不适用于大动力。
蓄电池控制传送的动力方面限制了现今的蓄电池。这就需要电瓶车的充电时间通常为若干个小时。在电瓶车不得不驶入再充电站之前，电瓶车不能被驱动超过限制范围，并且在电瓶车再次具有一定范围(范围通常为100公里)之前的相当长的时间内必须被再充电。
发明内容
根据本申请的发明提供了一种用于将能量储存和释放在车辆的驱动系统中的动力存储系统以解决上述问题。该系统包括具有带有两个绕组的定子和带有磁通量生成装置的转子的动力存储器。定子的第一绕组用于低动力能量传输的低电压，而第二绕组用于大动力能量传输的高电压。转子连接到飞轮，用于将动能储存在至少一个旋转块中。动力存储系统用于在动力存储器和包括在驱动系统中的电气设备的两个方向传输动力。通过选择提供带有高电压绕组的定子，很高的动力可在系统中的两个方向上传输。由此，系统变得很迅速并且用于控制处理在高速动态处理过程中产生的动力。
低电压是指低于380V的电压，高电压是指高于380V的电压。
在优选的实施例中，所述第一绕组在6-50V区间中的电压下工作。
在另一优选实施例中，所述第二绕组在1-24kV区间中的电压下工作。
在另一优选实施例中，所述绕组中的至少一个绕组包括由第一半导体层围绕的导体，随后所述第一半导体层由固定绝缘体层围绕，固定绝缘体的所述第一层随后由第二半导体层围绕。依靠具有该类型的绝缘系统的绕组，可传输很高的动力。
在另一优选实施例中，在所述驱动系统中包括可以为蓄电池的能量存储器，其连接到驱动系统的电气设备上。可将动力从动力存储器传输到能量存储器，反之亦然。通过在定子中将绕组设置绕组成被完全相互独立地控制绕组，在每个瞬时，驱动系统中的蓄电池可选择用于放电和再充电。在蓄电池处于工作位置驱动复合车辆时，即，当例如公共汽车在市内行驶期间，不使用车辆的燃油发动机时，可通过动力存储器/飞轮控制需要大动力的高速过程，而在蓄电池工作期间通过车辆的蓄电池向驱动系统提供持续的能量。由此，在高速且高强度减速下，能量被提供给用于积聚的飞轮并当即将需要动力改变扭矩或将车辆迅速加速时，将能量从飞轮中提供出来。
此外，定子的两个绕组分别用于在高电压和低电压下工作，系统可以通过高电压绕组向和从飞轮快速提供能量，同样地，通过定子的低电压绕组向和从蓄电池提供带有合适电压的能量。绕组完全相互独立工作，并因此蓄电池的负载可适应于对条件和蓄电池使用寿命合适的方式。随后，在每个瞬时，蓄电池可在适合于蓄电池的方式下操作，而通过定子的飞轮和高压绕组控制诸如加速和高强度减速的高速且要求动力改变的操作，其能够在很短的时间内向和从系统的飞轮快速传输能量。
在优选实施例中，飞轮充有已经从外部源传输的能量。在电瓶车中，通过利用根据本发明的具有动力存储器的驱动系统，一方面车辆的蓄电池可以在充电站以传统的方式充电，另一方面飞轮可以最大限度地充有能量。在工作期间，在飞轮中积聚的能量随后可用于推进车辆，从而相当大地增加了车辆的运动范围，或者可选地，能量可用于车辆蓄电池的持续再充电。这样，在较长的一段时间内可持续对蓄电池充电，而充电站的停机时间也相当大地缩短。
在优选实施例中，在转子中的磁通量生成装置包括永久磁铁。
在另一优选实施例中，在转子中的所述磁通量生成装置包括鼠笼式绕组。
在另一优选实施例中，所述转子装配有磁性轴承(magneticbearing)。
在另一优选实施例中，所述转子装配有磁性轴承和滑动轴承。
在另一优选实施例中，所述定子被气隙围绕(air-gap wound)。
在另一优选实施例中，所述动力存储器被回转悬挂。通过选择回转悬挂的动力存储器，车辆的驱动特性只在很小的范围中受到影响。
在另一优选实施例中，所述飞轮包括至少两个旋转块，这两个旋转块相互反向转动。通过使用相反转动的旋转块，出现在系统中的力在同样地转动下被最小化。
在另一优选实施例中，所述转子包括第一芯(core，磁芯)、第二芯和第三芯。第一绕组设置在第一芯和第二芯之间的气隙中，第二绕组设置在第二芯和第三芯之间的气隙中。依靠该结构，第一绕组和第二绕组相互磁断开并因此可完全相互独立地工作。
根据本发明的系统可用于诸如机动车、火车、飞机、船只的任何交通工具中。上述系统在若干毫秒的范围内具有90％以上的高效率并且反应迅速。该系统简单、坚固且耐用，首选用于恶劣的环境中，用于多种车辆。该系统用于产生并吸收大动力。
附图说明
图1示出具有根据本发明的动力存储系统的车辆的驱动系统。
图2示出具有根据本发明的动力存储系统的车辆的另一驱动系统。
图3示出包括在根据本发明的系统中的动力存储器。
图4示出包括在动力存储器中的定子的实施例。
具体实施方式
图1示出根据本发明的动力存储系统(power storage system，又称功率存储系统)。具有定子24和连接到飞轮22的转子21的动力存储器20，通过第一转换器10、直流传输13以及第二转换器11向电气设备12传输动力并从电气设备12传输动力。飞轮22包括旋转块23。当将动力从电气设备12传输到动力存储器20时，例如在电驱动车辆减速的情况下，设备12作为发电机并且动力通过转换器11、直流传输13和转换器10从设备12传输到包括在定子24中的绕组(在图中没有显示)，并随后以动能的形式储存在飞轮22的旋转块23中。如果需要，储存在旋转块23中的动能随后相应传输给电气设备。随后该电气设备作为电动机。该系统可用在车辆的动力传动系统中，并且动力存储器20随后作为动力缓冲器和能量缓冲器。定子包括两个绕组，第一绕组用于低动力能量传输的低电压，而第二绕组用于大动力传输的高电压。传输大动力的定子绕组在超过380V的高电压下，优选地在1-24kV区间工作。通过所述设置，可向动力存储器20传输很高的动力和从动力存储器20传输很高的动力。由此，系统控制处理例如在高强度减速下出现的大动力。
图2示出具有可以为蓄电池、燃料电池或其它诸如内燃机燃料箱的化学储存能量的能量存储器14的系统，并且动力存储器20包括定子24和连接到具有旋转块23的飞轮22的转子21。定子24提供有第一和第二绕组(图中没有示出)。各个绕组分别在低电压和高电压下绕组工作。低电压为低于380V的电压，高电压为高于380V的电压。转子21设置有诸如永久磁铁或感应绕组的适当的磁通量生成装置。飞轮22用于积聚并向驱动系统快速传输动力和从驱动系统快速传输动力。此外，动力存储系统包括具有中间直流传输13的两个转换器10和11。一个转换器(具体而言转换器11)用于与电气设备12连接。如图1所示的系统，电气设备12根据当前的工作模式作为电动机或者作为发电机工作。在提供有该系统的车辆减速的情况下，设备12作为发电机并且产生的动力通过转换器11和直流传输13(其可在如1.2kV的高压下工作)，通过转换器10传输到定子的高压绕组并传输到动力存储器20，其中能量以动能的形式储存在飞轮的旋转块23中。通过在高电压下从定子的高电压绕组传输动力，诸如在车辆高强度减速下的刹车动力的大动力可被利用或被储存。当来自飞轮的能量可通过定子的高压绕组迅速地传送回驱动系统时，积聚在飞轮中的动力随后可用在诸如扭矩的改变或车辆的快速加速的高速过程中。优选地，在能量存储器14包括蓄电池的情况下，储存在飞轮中的能量可用于蓄电池的再充电。随后，能量在低动力和低电压下通过定子的低电压绕组传输到蓄电池。
图3示出根据图1和图2的包括在上述两个系统中的动力存储器类型。转子21分别装配有颈向轴承(journal bearing，又称轴颈轴承)25和导向轴承26。轴承可为传统轴承、磁性轴承、或磁性轴承和滑动轴承的结合。转子21连接到设置有旋转块23的飞轮22。此外，动力存储器包括提供有第一和第二绕组(图中没有示出)的定子24。在工作期间，通过定子绕组中的一个绕组，动力在定子24和转子21之间传输，由此在定子和具有旋转块23的飞轮22之间传输。
图4示出气隙包围的定子24的一实施例。第一绕组30设置在转子中的第一芯32和第二芯33之间。第二绕组31设置在转子中的第二芯33和第三芯34之间。依靠该结构，第一绕组30和第二绕组31相互磁断开，并因此可完全相互独立地进行控制。箭头35表示磁场的方向。
动力存储器的定子和转子用于产生径向的或轴向的磁通量。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.动力存储系统，用于向车辆的驱动系统传输动力和从车辆的驱动系统传输动力，所述驱动系统包括至少一个电气设备(12)，
所述动力存储系统包括动力存储器(20)，其具有设置有绕组的定子(24)和至少一个带有磁通量生成装置的转子(21)，所述转子(21)连接到至少一个飞轮(22)，用于将能量以动能的形式储存在至少一个旋转块(23)中，
所述动力存储器(20)用于向所述电气设备(12)传输动力和从所述电气设备传输动力，
其特征在于：
所述定子(24)至少包括以低电压工作的第一绕组(30)和以高电压工作的第二绕组(31)，所述第一绕组和第二绕组相互独立地工作。
2.根据上述权利要求所述的动力存储系统，其特征在于：
包括至少一个能量存储器(14)，所述能量存储器与所述电气设备(12)相连，所述动力存储器(20)用于向所述能量存储器(14)传输能量和从所述能量存储器传输能量。
3.根据权利要求1或2所述的动力存储系统，其特征在于：
所述动力存储器(20)用于接收已经从外部源传输的动力。
4.根据权利要求1或2所述的动力存储系统，其特征在于：
在所述转子(21)中的所述磁通量生成装置包括永久磁铁。
5.根据权利要求1或2所述的动力存储系统，其特征在于：
在所述转子(21)中的所述磁通量生成装置包括鼠笼式绕组。
6.根据权利要求1或2所述的动力存储系统，其特征在于：
所述转子(21)装配有磁性轴承。
7.根据权利要求6所述的动力存储系统，其特征在于：
所述转子(21)还装配有滑动轴承。
8.根据权利要求1或2所述的动力存储系统，其特征在于：
所述第一绕组(30)用于在低于380V的电压下工作。
9.根据权利要求8所述的动力存储系统，其特征在于：
所述第一绕组(30)用于在6-50V区间中的电压下工作。
10.根据权利要求1或2所述的动力存储系统，其特征在于：
所述第二绕组(31)用于在高于380V的电压下工作。
11.根据权利要求10所述的动力存储系统，其特征在于：
所述第二绕组(31)用于在1-24kV区间中的电压下工作。
12.根据权利要求1或2所述的动力存储系统，其特征在于：
所述定子(24)被气隙包围。
13.根据权利要求1或2所述的动力存储系统，其特征在于：
所述动力存储器(20)被回转悬挂。
14.根据权利要求1或2所述的动力存储系统，其特征在于：
所述飞轮(22)包括相互反向转动的两个旋转块(23)。
15.根据权利要求1或2所述的动力存储系统，其特征在于：
所述绕组(30、31)中的至少一个绕组包括由第一半导体层围绕的导体，随后所述第一半导体层由固定绝缘体层围绕，固定绝缘体的第一层随后由第二半导体层围绕。
16.根据权利要求1或2所述的动力存储系统，其特征在于：
所述转子(21)包括第一芯(32)、第二芯(33)和第三芯(34)，所述定子的第一绕组(30)设置在所述第一芯(32)和所述第二芯(33)之间，且所述定子的第二绕组(31)设置在所述第二芯(33)和所述第三芯(34)之间。
17.设置有根据权利要求1或2所述的动力存储系统的车辆。
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