CN1572052B - 电力机械转换器 - Google Patents

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Abstract

一种电力机械转换器，特别为一种可变电传动装置，其配备了在上面装有转子(8)的主轴(5)、在上面装有中间转子(15)的副轴(7)以及固定安装在电力机械转换器壳体(3)上的定子(10)。在从主轴(5)沿径向方向看时，转子(8)、中间转子(15)和定子(10)相对于彼此同心地布置。转子(8)和定子(10)具有一个或多个单相或多相电导通的绕组。中间转子(15)在机械和电磁上形成一个整体并且被设置为用于在至少切线方向上的磁通的导体。

Description

电力机械转换器
技术领域
本发明涉及一种电力机械转换器，尤其涉及一种可变电传动装置(electric variable transmission)，该转换器配备有在其上装有转子的主轴、在其上装有中间转子的副轴以及固定安装在电力机械转换器壳体上的定子，其中当从主轴端沿径向方向看时，转子、中间转子和定子相对于彼此同心地布置，并且其中转子和定子设计成具有一个或多个单相或多相电导通的绕组。通过主轴供应的功率的一部分能够以电磁的方式直接传输到副轴上的中间定子上，而另一部分功率可以使用例如滑环从主轴吸收，并经过功率电力转换器提供给定子。此外，功率传输方向可以逆转，而且输出速度既可以高于输入速度也可以低于输入速度。另外这些速度也可以有正负号的改变(change in sign)。
背景技术
此类电力机械转换器已经为人所知，尤其是从国际专利申请WO00/34066、美国专利说明书US 3683249和欧洲专利申请EP-A-0866544中。它们可以采用可变电传动(EVT)的形式应用，不仅用于多种公路车辆尤其是每站都停的公共汽车，而且还用于例如柴油机列车的轨道车辆和船舶。
更具体地说，WO 00/34066描述了具有电力机械传动的混合动力，其包括围绕着两个同心布置的转子的定子，而定子分别与IC发动机和牵引机车进行机械结合。在本申请文件的上下文中，置于内部转子和定子之间的外部转子被称作中间转子。在WO 00/34066中，转子-中间转子以及中间转子-定子形成了两个在机械上形成一个整体的电机，其中两个电机既可以是同步电机也可以是异步电机。转子-中间转子之间以及中间转子-定子之间所传输的磁通传输为径向或者轴向。两个电机在电磁上是隔离的：不存在由转子经过中间转子至定子的磁通传输，反之亦然。中间转子由在机械上耦合但在电磁上隔离的部件构成。每个电力机械传动电机都使用各自的控制手段进行控制。
可变电传动(EVT)是具有两个机械端口即主(驱动)轴和副(从动)轴以及一个电闸的电力机械转换器，其中能量可以通过电闸进行交换。如果不使用电闸，EVT就用作普通的无级可变传动，在此传动比具有非常宽的范围。EVT实现的功能类似于车辆的离合器和变速箱组合的功能。结合了EVT，内燃机实质上就用作了功率源(powersource)，藉此可以根据发动机的优化特征设定速度。从而可以降低车辆的燃料消耗、噪音水平和有毒气体的排放。因为EVT是无级可变传动，所以在加速期间不存在换档引起的冲击。而且这还意味着可以用一个恒定(最大容许)的功率来加速，而不像传统的变速箱那样，具有或多或少的作为时间函数的功率的锯齿形过程。因此对于相同的发动机，使用EVT加速要比使用传统的变速箱加速更快。
通过把电闸连接到机载的电池上，EVT实质上可用作一个无磨损的起动电动机。因而，例如装配有EVT的每站都停的公共汽车就可以在车站切断发动机而不会有任何有害之处，这会更加舒适并且能够节省大量的燃料，因为频繁的启动会导致传统的起动电动机中起动电动机和起动环过分磨损。
凭借电闸，凭借功率电子转换器，能够提供机载电力网，因而还可以对机载电池充电。所以就可以得到基本上无磨损的发电机。因为传统的发电机效率很低，所以只能节约很少燃料。在配有普通发电机的电力系统中，功率实际上受到皮带传动和低机载电压的制约。如果使用EVT，凭借功率电力转换器，可以很容易地生成更高的电压电平而且功率只受到柴油机的制约。这意味着目前由发动机直接驱动的一些辅助设备，例如动力转向泵或公共汽车压缩机可以依靠电力进行高效的驱动。而且这些设备可以随意接通或者关闭，这样无载损失较小。这也会节省燃料。
使用了EVT，可以很容易地通过发动机进行制动。于是可以通过提高发动机的速度来增大制动功率。然而，与之相伴会产生更大的噪声。另外，可以通过连接到电闸上的电阻来消耗制动能量。这样，制动就可以做到例如使车暂停，这与传统公共汽车中的减速器大不相同。在制动时甚至可以切断发动机，因此就减少了燃料的消耗并且发动机也不会产生噪声。
可以将以电池或者惯性轮的形式出现的缓冲器连接至电闸。有了这些装置，制动能量就可以被存储，随后又将这些能量用于加速。这些相对较昂贵的扩展可以节省相当多的燃料，尤其用于每站都停的公共汽车上时。
电闸使转换器特别适合用于混合动力车辆(hybrid vehicle)；而且通过IC发动机和电源均可以减少用于万向轴的机械能。
现有EVT的最主要缺点是它的质量。它比传统的变速箱大很多。另外，现有EVT的价格也高于传统的变速箱。
如上所述，可以由欧洲专利EPA-0-866544中获知如在开篇中所述的电力机械转换器。然而，在那里描述的电力机械转换器存在一个缺点：即中间转子是由两个在机械上耦合但在电磁上彼此隔离的转子部件构成的，因此转子与一个转子部件形成了第一机器而另一个转子与定子却形成了独立于第一机器工作的第二机器。结果，这样虽然获得了两个机器中磁通量可以分别控制的优点，然而这种结构也存在严重的缺点，即电力机械转换器又大又重。
发明内容
为了弥补这一缺点，就使如在开篇所述的电力机械转换器具有如下的特征：即中间转子在机械上和电磁上都形成为一个整体，并且制成用于在至少一个切向上磁通量的导体。换句话说，与欧洲专利申请EP-A-0-866544中的电力机械转换器相比，两个转子部件在电磁上进行耦合并且还形成一个整体，因此就可以提供希望得到的体积和质量。当然，根据本发明的电力机械转换器在径向上也保留了磁通量传导。
电机的部件也可以进行电磁耦合：即磁通传输可以由转子开始，经过中间转子传输到定子上，反之亦然。该机器在机械上和电磁上都形成一个整体。部分的电磁传输由一单独控制设备控制。
虽然可以由欧洲专利申请EP-A-1154551中获知使中间转子形成一个整体，但是其中所述的中间转子仅仅适用于用作沿径向的磁通的导体。为此，该欧洲专利文献中描述的中间转子由具有相对较薄的壁的管式元件构成，而且从切向方向看，磁通传导材料每次都与不传导磁通或者至多是在极其微小的程度上传导磁通的材料特别是铜进行交替。根据本发明的特征，中间转子不仅在径向上而且在切向上形成用于磁通的导体，从而可以实现在电力机械转换器的一部分上使用磁通量的衰减而在其它部分却不使用磁通量的衰减，这一点将在下文中进一步进行说明。
中间转子具有一个电路和一个磁路。在根据本发明的第一个实施例中，磁路由圆筒体磁轭形成，在磁轭的径向内外两侧都配备有齿，齿间具有沿纵向延伸的凹槽，其中用于形成电路的短路绕组在凹槽中延伸。在第二个实施例中，中间转子由磁通传导圆筒体磁轭(magneticflux conducting cylinder yoke)形成，而在径向内外侧布置了例如以块的形式出现的永久磁性材料。在第三个实施例中，中间转子由磁通传导圆筒体磁轭形成，在一侧提供了永久磁性材料，而在另一侧布置了沿纵向延伸凹槽，在凹槽中配备了电导通的绕组。
中间转子的磁通传导回路，尤其是带有在其间配备了凹槽的齿的磁轭，优选在中间转子径向内侧和/或外侧具有大体平滑的表面。特别地，电路的磁通传导材料的径向内侧和/或外侧为相对于电路的轮廓向外自由延伸的部件。这样就不存在对中间转子的磁通传导材料施加预定固定磁极图像(pattern of magnetic pole)的凸极，因此中间转子的磁通传导材料中磁极的图像就不受制约并且可以在操作中进行改变。应该指出，在该上下文中，大体平滑的表面并非指完全平滑的表面，而是还可以包括具有相对于平滑的例如弧形圆筒体磁轭轮廓的凹槽(沟)的表面，其中凹槽(沟)相对于电路向径向内侧延伸。于是，这些凹槽分别形成少于电路径向内侧或外侧一半的周长，优选小于周长的大约20％-30％。
定子绕组和转子绕组可以经由一个或者多个功率电转换器相互连接。因此，就可以由转子向定子传输电能，例如在车辆断开驱动时，反之亦然，如在车辆超速传动时。在某种特定的情形下，这种一个或者多个功率电转换器可以经由单个电闸(electric gate)在通电后导通，例如可以在其上连接机载电池，这样在EVT的辅助下，就可以获得基本无磨损的起动电动机。相反，机载电池可以经由该电闸由EVT充电，这样就可以获得基本无磨损的发电机。在另一个实施例中，定子绕组和转子绕组可以经由功率电转换器和电闸分别通电导通。在这种情形下，当车辆停止并且只有内燃机在工作时，转子-中间转子组合就可以充当车辆上用于例如冷却设备的发电机。另外，还可以在例如混合动力车辆上将中间转子-定子用作电动机，在这种情形下，并没有使用转子-中间转子组合。
可以通过例如卡爪或摩擦离合器的设施将输入轴和输出轴机械地相互连接以形成所谓的锁死位置，其中输入轴和输出轴之间传递直接的机械力。
本发明不仅涉及电力机械转换器，而且涉及配备了如上所述用于启动驱动内燃机或者用于提供电力设备的电力机械转换器的装置，还涉及配备了如上所述的电力机械转换器或者储能系统的装置。
附图说明
下面在附图所示的示范性实施例的基础上进一步说明本发明，其中：
图1显示了根据现有技术的可变电传动基本结构的示意图；
图2显示了此类可变电传动的更为实际的结构的示意图；
图3更加详细地显示了根据本发明的可变电传动的一个实施例；和
图4-6显示了操作说明中根据本发明的可变电传动中转子-中间转子-定子组合的截面图。
图中相应的部分用相同的参考数字来标示。
具体实施方式
可变电传动(EVT)是具有两个机械闸(mechanical gate)和一个电闸的电力机械转换器。EVT主要是可变无级传动，而且能量可以通过电闸交换。在以下对图形的描述中，开始时将忽略电闸。
EVT的基本结构在图1中示出，而且可由欧洲专利文献EP-A-0866533中获知。该EVT由电力机械部分1和功率电力部分2构成。电力机械部分1包括壳体3，其中布置了具有主轴5的主感应电机4和具有副轴7的副感应电机6。轴5和7由轴承支承在壳体3上。本实施例中的主感应电机4包括转子8和不导电的笼形电枢9，其中转子8由具有导电的多相绕组的滑环电枢形成。副感应电机6包括固定地连接到壳体3上的固定部分即定子10，还包括安装在副轴7上的笼形电枢11。副感应电机6的副轴7也通过轴承安装到转子8上。定子10具有电导通的多相绕组。在转子8和定子10之间，电能可以通过进行功率电力部分2进行交换，在此功率电力部分2包括均设计成交流电压-直流电压转换器的功率电力转换器12和13。这两个转换器在直流电压一侧彼此相连。根据本发明，EVT的基础是用作一种电磁离合器的主感应电机3。副电机作为带有发电机的辅助电动机进行工作。
为了以简单的方式说明这种已知EVT的操作，假定其中不会出现损失。首先，假定滑环电枢8由直流电压源提供而后由主电压转换器12形成，并且假定副轴7以近似等于主轴5的速度旋转。然后主感应电机4中的旋转磁场就与滑环电枢8同步旋转。而副感应电机6还没有工作。由于主轴5与主笼形电枢9之间存在转速差，以及由此与副轴7之间的转速差，结果就生成旋转磁场并且在主笼形电枢9中出现感应电流，因而产生了电磁扭矩，由此主轴的扭矩就转移到副轴上，并且只有较小的转差损耗。直流电压电源只提供在滑环电枢8的旋转电流绕组的电阻中耗散的功率，而这又进一步被忽略。
在正常的操作中，主电压转换器并不提供直流电压而只提供交流电压，而且能量通过功率电力部分2进行交换。
如果忽略笼形电枢9的转差角速度(slip angular speeed)，则在静止状态即在扭矩平衡的状态下，即有T1＝c1，其中T1为例如内燃机施加在主轴5上的扭矩，Tc1为滑环电枢8通过电磁场施加在主感应电机4的笼形电枢9上的扭矩。对于机械功率则有：Pm1＝ωm1T1，且Pm12＝ωm2Tc1＝ωm2T1，其中Pm1为通过主轴5所施加的机械功率，ωm1为主轴5的角速度，Pm12为传递到副感应电机6上的机械功率，ωm2为副轴7的角速度。通过滑环和与之接触的电刷的组合14以及功率电力部分2消除了这两个功率之差：Pe＝(ωm1-ωm2)T1。在此，(ωm1-ωm2)表示旋转磁场相对于滑环电枢8的速度；该速度和气隙扭矩(air gap torque)共同决定通过旋转电流绕组转换的功率。如果副轴7以一个低于主轴5的速度(包括静止在内)旋转，即ωm1＞ωm2，那么滑环电枢8就通过所述滑环和与之接触的电刷的组合14传递电功率。相反，在ωm1＜ωm2的情形下(在公路车辆中为超速传动行驶)，就需要向滑环电枢8提供电功率。
进一步假定ωm1＞ωm2。那么滑环电枢8就提供电功率。功率就借助于电压转换器12和13通过功率电力转换过程而提供给副感应电机6。假定这个转换过程也没有损失并且不产生转差角速度和其它的损失，那么通过电提供的功率就全部转换成了机械功率。对于施加在副转子上的扭矩就有：Tc2＝Pe/ωm2＝(ωm1-ωm2)T1/ωm2。副轴施加在例如装载机上的扭矩即为主扭矩和施加在副转子上扭矩的和：T2＝T1+Tc2＝ωm1T1/ωm2。在这种情形下(ωm1＞ωm2)输出扭矩大于输入扭矩。
在副轴以高于主轴的速度旋转的情形下(ωm1＜ωm2)，上面的方程式仍然成立。然而在此情形下，电功率必须通过滑环和与之接触的电刷的组合14供给主感应电机4(Pe＜0)。此功率由用作发电机的副感应电机6提供。在这种操作状况下，施加到副感应电机6的转子11上的扭矩为负值(Tc2＜0)并且T2小于T1。
图2显示了图1中EVT更为实际的结构。在此实施例中，副感应电机6设置在主感应电机4的周围。在壳体3中，从中心线开始，依次相对于彼此同心地设置有滑环电枢8、主笼形电枢9、副笼形电枢11以及定子10。主、副笼形电枢9和11各自共同形成中空的中间转子15。这就使主感应电机4和副感应电机6可以分别使用一部分共同的磁通量，因此笼形绕组之间的轭(yolk)可以设计得更加轻便。为此目的，两个笼形电枢不仅要像欧洲专利申请EP-A-0866544中那样在机械上进行耦合，而且还要在电磁上进行耦合。这最好是通过把两个笼形电枢9和11制成一个整体而实现的。这样就得到了图3以及图4-6所示的中间转子15，其中图4-6显示了图3中沿着A-A线剖开的转子、中间转子和定子的截面图。中间转子15包括一个电路和一个磁路。在图3以及图4-6所示的实施例中，磁路由在其内外两侧都有沿纵向延伸凹槽的分层圆筒体16(laminated cylinder)形成，在凹槽中延伸着用于形成电路的短路绕组17。在图4-6中，只是在几处绘出这些绕组。顺便提一句，分别处于转子8和定子10的圆筒体面凹槽中的转子绕组18和定子绕组19也仅在几处绘出。
中间转子的磁通引导回路，在此即指具有位于凹槽所在位置之间的齿的轭，在其径向内侧和外侧都具有相当平滑的表面。在操作中，中间转子的磁传导材料中的磁极的磁象(magnetic pattern)可以变化。电力机械转换器的转子、中间转子和定子部分都进行电磁耦合：即磁通可以从转子开始、然后经过中间转子传输到定子上，反之亦然。中间转子在机械和电磁上均形成一个整体。部分的电磁传输由一单独控制设备进行联合控制。
在图3所示的实施例中，电力机械转换器包括四个磁极，而在图4-6中使用黑体标出了这些磁极之一的多根磁力线。图4显示了一种情形，该情形与特别在欧洲专利申请EP-A-1154551中EVT出现的情形类似：即在中间定子15中，在切向上不导通而只在径向上导通。在图4中使用参考数字20标出了关联的磁场磁力线路径。EVT中不存在局部磁场衰减；只有在中间转子15的磁通沿切向导通的情形下才可能发生局部磁场衰减，这种情形在下文中将会出现并且由图5和图6示出。
图5显示了根据本发明的EVT中可能出现的情形，例如在配备有这种EVT的车辆断开驱动的情况。此时转子8最初具有比中间转子15的速度(ωm2)高的速度(ωm1)。在速度差(ωm1-ωm2)具有相对较大的值并且主功率电力转换器12向转子8的滑环供给一个特定的电压即Ur＝c(ωm1-ωm2)Φr的情形下，其中Φr为转子中产生的磁通量，c为常数，转子中就会产生相对较弱的磁通量Φr。在这种情形下，磁通量不需要很大，因为转子8施加在中间转子15上的扭矩也不需要很大。然后转子8就充当定子10的发电机，同时功率通过电压转换器12和13传输到定子上；然后向定子施加一个相对较高的电压Us＝c′·ωm2·Φs，其中Φs为定子中产生的磁通量，c′为常数。这意味着在定子中产生了相对较强的磁通量Φs，因此相对较大的扭矩Tc2可以依次地传递到中间转子15上并因此传递到轴7以及安装在其上的负载上。于是中间转子-定子组合就充当电动机。然后中间转子-定子组合中的磁通量就会处于饱和状态。处于这个饱和状态的磁场磁力线路径在图5中由21标出，可以看出在中间转子15中产生了切向的磁通线。
图6显示了根据本发明的EVT中可能出现的情形，例如在车辆中EVT的传统工作范围的情形。此时转子8最初具有比中间转子15的速度(ωm2)低的速度(ωm1)。在速度差(ωm1-ωm2)具有相对较小的值并且主功率电力转换器12向转子8的滑环供给一个特定的电压即Ur＝(ωm1-ωm2)Φr的情形下，其中Φr为转子中产生的磁通量，c为常数，转子中就会产生相对较强的磁通量Φr，因此转子8就可以向中间转子15施加一个较大的扭矩。在这种情形下较小的功率通过电压转换器12和13传输到定子上；然后向定子10上施加一个相对较低的电压Us＝c′·ωm2·Φs，其中Φs为定子中产生的磁通量，c′为常数。这意味着在定子中产生了相对较弱的磁通量Φs，其结果是相对较小的扭矩Tc2可以通过功率电力部分2传递到中间转子15上并因此传递到轴7以及安装在其上的负载上。转子-中间转子组合充当了电动机。转子-中间转子组合的磁通量就会处于饱和状态。处于这个饱和状态的磁场磁力线路径在图6中由22标出，可以看出在中间转子15中也产生了切向的磁通线。
在超速传动的情况下，就会有功率从定子10经过电压转换器12和13传输到转子8上。然后定子就对中间转子15施加了相对较小的扭矩。相比较而言，转子8会在中间转子上施加较大的扭矩。
本发明并不局限于参照图3和图4-6所述的示范性实施例，它还包含对其所作的各种改动，它们当然在本发明的范围内，因为这些都将落入下述权利要求书保护的范围。因此，例如可以把中间转子设计成磁通传导圆筒体，在其相对侧以例如块的形式配置永久磁性材料。在另一个可行的实施例中，中间转子也可以由磁通传导圆筒体来形成，其中，在其一侧使用永久磁性材料，而在另一侧配备了纵向延伸的并配备电导通的绕组凹槽。然而，在后一种情形中需要保证：在中间转子15或者副轴7上要存在电流供应点；并且在副轴7上可以很容易地安装滑环，其中电流可以通过此滑环进行供给或者移除。

Claims (11)

1.一种电力机械转换器，具体为一种可变电传动装置，其配备了在上面装有转子(8)的主轴(5)、在上面装有中间转子(15)的副轴(7)以及固定安装在电力机械转换器壳体(3)上的定子(10)，其中当从主轴(5)沿径向方向看时，转子(8)、中间转子(15)和定子(10)相对于彼此同心地布置，并且其中转子(8)和定子(10)具有一个或多个单相或多相电导通的绕组，其特征在于，中间转子(15)在机械和电磁上形成一个整体并且被设置为用于在切线方向和径向方向上的磁通的导体，并且其中，中间转子的至少一侧上的磁通传导材料中的磁极的磁象在操作过程中是自由的并且可以变化，其中中间转子包括电路和磁路，磁路通过圆筒体磁轭形成，在磁轭的径向内外侧上设置有齿，齿间具有沿纵向延伸的凹槽，用于形成电路的短路绕组在凹槽中延伸。
2.根据权利要求1所述的电力机械转换器，其特征在于，定子绕组和转子绕组通过一个或多个功率电力转换器(12、13)彼此相互连接。
3.根据权利要求2所述的电力机械转换器，其特征在于，所述一个或多个功率电力转换器(12、13)经由单独电闸通电导通。
4.根据权利要求1所述的电力机械转换器，其特征在于，定子绕组和转子绕组分别经由一个电闸通过功率电力转换器通电导通。
5.一种电力机械转换器，具体为一种可变电传动装置，其配备了在上面装有转子(8)的主轴(5)、在上面装有中间转子(15)的副轴(7)以及固定安装在电力机械转换器壳体(3)上的定子(10)，其中当从主轴(5)沿径向方向看时，转子(8)、中间转子(15)和定子(10)相对于彼此同心地布置，并且其中转子(8)和定子(10)具有一个或多个单相或多相电导通的绕组，其特征在于，中间转子(15)在机械和电磁上形成一个整体并且被设置为用于在切线方向和径向方向上的磁通的导体，并且其中，中间转子的至少一侧上的磁通传导材料中的磁极的磁象在操作过程中是自由的并且可以变化，其中中间转子由磁通传导圆筒体磁轭形成，在磁通传导圆筒体磁轭的径向内外侧的其中一侧上提供了永久磁性材料，在另一侧上布置了沿纵向延伸的凹槽，在凹槽中配备了电导通的绕组。
6.根据权利要求5所述的电力机械转换器，其特征在于，定子绕组和转子绕组通过一个或多个功率电力转换器(12、13)彼此相互连接。
7.根据权利要求6所述的电力机械转换器，其特征在于，所述一个或多个功率电力转换器(12、13)经由单独电闸通电导通。
8.根据权利要求5所述的电力机械转换器，其特征在于，定子绕组和转子绕组分别经由一个电闸通过功率电力转换器通电导通。
9.一种配备有根据权利要求1-8中任一项所述的电力机械转换器的装置，用于启动驱动内燃机。
10.一种配备有根据权利要求1-8中任一项所述的电力机械转换器的装置，用于供电设备。
11.一种配备有根据权利要求1-8中任一项所述的电力机械转换器的装置，其特征在于，其中包括了用于存储能量的系统。
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