CN2251225Y - 数控全速储能-换能装置 - Google Patents

Abstract

一种数控全速储能-换能装置，是由一台作为主驱动器的稀土全速同步电机的输出轴与汽车分动箱相连接，其定子线圈外接的双向可变频逆变器则通过直流汇流排分别与蓄电池及另一台作为储能/换能器的稀土全速同步电机定子线圈外接的双向可变频逆变器相连，后者电机的转轴上装有一个密封在真空壳体里的惯性飞轮，以及对这两个逆变器进行数字控制的可编程控制器构成的。该装置结构简单、能量转换效率高、损耗低，可以作为新型汽车的动力装备。

Description

数控全速储能——换能装置

本实用新型涉及一种全数控电力拖动及发电的动力装置，特别涉及一种可根据随机条件的不同而实时改变为电力驱动状态或电能储存、转换状态的新型电机及其控制装置。

汽车工业是当代世界上充满竞争的重要产业。现在，每年世界各国有数千万辆汽车投入商品市场，这些汽车造成的环境污染已严重影响人类生态环境，其中尤对大城市影响为甚。目前，许多大汽车公司都在研制性能优良、环境污染少的新型汽车。一个重要的发展方向是利用蓄电池储存的化学能作为能源驱动的电动汽车，从94年起将有个别厂商小批量投产于市场。但是，由于电动汽车售价昂贵，约比普通汽车贵出2倍以上，且汽车用蓄电池也是售价贵，寿命短，使这种电动汽车还很少有人问津。据悉，美国克莱斯勒公司已经推出用“飞轮电瓶”的惯性储能思想设计的电动汽车样机，由于在惯性储能器与驱动对象之间仍然采用简单耦合，能量与速度之间的匹配关系很难合理协调，使得早期曾被利用过的飞轮储能驱动方式中存在的储能容量小、系统装置笨重、能量转换利用率低及速度范围小的弊病仍然没有得到妥善的解决。

本实用新型的目的是提供一种数控全速储能——换能装置，用于作为汽车、船舶、起重设备等机械设备的新型动力装置。

本实用新型是由两台其转子外缘装有稀土永磁材料制成多个磁极的稀土全速同步电机、惯性飞轮、蓄电池与数字控制装置组成的，其中一台作为主驱动器的电机的输出轴通过连轴器与汽车的分动箱相连接，其定子线圈外接有双向可变频逆变器，该逆变器通过电源插头与供电网相连，并通过直流汇流排分别与蓄电池和与另一台作为储能/换能器的稀土全速同步电机的定子线圈外接的双向可变频逆变器相连接，其特征在于：该储能/换能器电机的转轴上装有一个密封在真空壳体里的惯性飞轮，有对这两个双向可变频逆变器进行数字控制的可编程控制器。

本实用新型是在申请人的专利技术《全数控电力/动力装置》(CN93200001.0)基础上的再创造。该专利实质上就是一种可以进行实时控制的可逆换能器，即可以根据可编程控制器输出的指令，实时命令稀土同步电机在全速度复盖范围内处于能量输入状态(发电——贮能)或能量输出状态(驱动——运行)，即该专利是一种以电子、信息技术为基础的三端可逆换能装置。本实用新型就是利用这种可逆换能装置的技术，首先将能在高速下运转的全速稀土同步电机与惯性飞轮结合，构成一个新型的高速物理储能/换能器，再将由全速稀土同步电机、双向可变频逆变器及可编程控制器组成一个可以不受速度匹配制约、低损耗的数控能量转换器，即可以在机械能与电能之间进行相互高效转换的设备，来解决已经存在多年的物理储能器不能与驱动负载简单耦合、实现硬传动的关键障碍，再辅以化学储能的蓄电池，就可以把上述物理储能器的能量高效、低耗地转换成可以随机变化的驱动动力。此外，由于采用物理储能，可以不增加器械重量；与常规汽车相比较，可以不装备油箱，将原来油箱所占用的空间和重量都开发为新的用途。这种储能方式，动力结构简单，大批生产后，其造价可与常规汽车相竞争。由于采用交流电网作为本实用新型的能源，而电网的电费价格远较同等效能的汽油低廉，因而在动力费用的支出上也比常规汽车要节省、有利。总之，本实用新型是一种由传统物理储能器与数控换能器为主构成的新型动力装备，为研制无污染的汽车提供了比较理想而实用的新型动力设备。

图1是本实用新型的结构组成原理图。

图2是本实用新型中的物理储能器/换能器结构示意图。

参见图1，本实用新型是由两台其转子外缘装有稀土永磁材料制成多个磁极的全速稀土同步电机10、20、惯性飞轮22、蓄电池30与数控装置40等组成的。其中一台作为驱动电机10的输出轴通过连轴器与汽车的分动箱相连接，该驱动电机以电网电力或装置内部的直流电为动力源，其定子线圈外接有双向可变频逆变器11，该逆变器11通过其电源插头12与供电网相连，由插头获取车库或停车场的电网电力充电储能。还通过直流汇流排50分别与蓄电池30，以及与另一台作为储能/换能器的全速稀土同步电机20的定子线圈外接的双向可变频逆变器21相连接。参见图2，该储能/换能器电机20的稀土永磁转子201外侧装有一个密封在真空壳体23里的惯性飞轮22，该电机的定子位于永磁转子201的里侧，202是定子线圈，其铁芯采用高频高导磁率的铁淦氧材料制成，以便在定子线圈202中通入高频交流电使稀土永磁转子201在高频磁场作用下高速旋转，从而让飞轮22也高速转动，其最高速可达数万转/分，可以储存足够的惯性动能。203是滚动轴承，204是中空固定轴，电机定子线圈202的馈电导线由此轴中引出接入其双向可变频逆变器21里。还有对这两个双向可变频逆变器11、21进行数字控制的可编程控制器40。其中双向可变频逆变器21是以直流汇流排50作为输入电源或输出负载的，直流汇流排50将两个逆变器11、21及蓄电池30连结成一个整体，使之成为一个可彼此交换能量的小系统。

全数控电力/动力装置的工作原理是：既可以从电网获取能源，经双向逆变器将工频交流电或直流电被控改变成频率、相位都可变的交流电输出，并通过改变输出电流的频率、相位、电流来控制稀土电机的转速、转向、输出扭矩和行程，也可以把因永磁转子的转动而在定子线圈内感应生成的电势引出，由双向逆变器将其转换成直流电供给直流耗能负载做功，或者给蓄电池充电；或者还可以再逆变成交流电馈回供电网。本实用新型的主驱动电机10及其双向逆变器11的工作方式有三种：一种是作为电动机状态，由直流汇流排50获得直流电源，由双向逆变器11逆变成三相交流电后，驱动全速稀土同步电机10作为电动机状态运行，并通过联轴器和分动箱驱动汽车前进。另一种是使电机10作为发电机运行：即汽车在下坡或滑行状态时，由分动箱获取动力，使全速稀土同步电机10作为发电机状态运行，其感应生成的电流经双向逆变器11全波整流后，变为直流电，经直流汇流排50输出，此能源或者向蓄电池30充电作化学储能，或者经双向逆变器21转换成频率很高的交流电，驱动全速稀土同步电机20高速旋转，由惯性飞轮22作物理储能。第三种则由电源插头12从交流电网获取能量后直接经由双向逆变器11整流成直流电向蓄电池30充电或使惯性飞轮22高速旋转储能。作为储能/换能器的电机20及其双向逆变器21的工作方式有两种：一种是由直流汇流排50输入能量，双向逆变器21则从逆变器11的原有频率起始，逐渐增加其输出电源的工作频率，使电机20以电动机状态增速运行，让惯性飞轮高速旋转储能。另一种则是该电机20作为三相同步发电机状态减速运行，让惯性飞轮22储存的机械能经电机20转换成电能，再由双向逆变器21逆变成直流电向装置释放飞轮所储存的惯性能量。至于这两台稀土同步电机处在什么工作方式，以及具体工况条件、负荷均取决于可编程控制器40中编写的实时过程控制软件的指令，该软件是根据汽车的机械性能、行驶条件、路况、坡度、储能器的储能状况、蓄电池的充放电程度以及驾驶员人工操作的相关指令等多种因素而编制成的实时智能控制软件，所以，本实用新型的可编程控制器40的输入端还应配有汽车的速度传感器、蓄电池电压传感器、飞轮转速传感器、交、直流电源传感器及驾驶员操作指令传感器等等敏感装置，以便更好地发出实时控制指令，控制相关部件操作。

由于采用本实用新型中的新型电机及其控制装置作为驱动力，常规汽车中的油箱及发动机均可取消，使汽车机械结构简单、可利用的空间增大；维修工作量及百公里能耗、费用显著减少，并大大减少汽车行驶中产生的废气、噪音和粉尘污染。由于高速运转的惯性飞轮在运转时，会产生相当大的反侧倾力矩，使汽车行驶中增加了侧向稳定平衡性能。所存在的缺点是利用本实用新型装备的汽车，目前生产成本要昂贵些(随着生产批量的增大，可以降低其成本)，最高时速和一次储能后累计行驶距离尚不及常规汽车。然而，它对于环境污染的改善和节省石油产品的消费是功绩显著的。而且，它不仅可以作为汽车动力，也可以适用于内河航行的船只游艇、矿用车辆，吊车起重设备等。

Claims (1)

1、一种数控全速储能——换能装置，是由两台其转子外缘装有稀土永磁材料制成多个磁极的稀土全速同步电机、惯性飞轮、蓄电池与数字控制装置组成的，其中一台作为主驱动器的电机的输出轴通过连轴器与汽车的分动箱相连接，其定子线圈外接有双向可变频逆变器，该逆变器通过电源插头与供电网相连，并通过直流汇流排分别与蓄电池和与另一台作为储能/换能器的稀土全速同步电机的定子线圈外接的双向可变频逆变器相连接，其特征在于：该储能/换能器电机的转轴上装有一个密封在真空壳体里的惯性飞轮，有对这两个双向可变频逆变器进行数字控制的可编程控制器。

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