專利名稱：數(shù)控全速儲能——換能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全數(shù)控電力拖動及發(fā)電的動力裝置，特別涉及一種可根據(jù)隨機條件的不同而實時改變?yōu)殡娏︱?qū)動狀態(tài)或電能儲存、轉(zhuǎn)換狀態(tài)的新型電機及其控制裝置。
汽車工業(yè)是當(dāng)代世界上充滿競爭的重要產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)在，每年世界各國有數(shù)千萬輛汽車投入商品市場，這些汽車造成的環(huán)境污染已嚴(yán)重影響人類生態(tài)環(huán)境，其中尤對大城市影響為甚。目前，許多大汽車公司都在研制性能優(yōu)良、環(huán)境污染少的新型汽車。一個重要的發(fā)展方向是利用蓄電池儲存的化學(xué)能作為能源驅(qū)動的電動汽車，從94年起將有個別廠商小批量投產(chǎn)于市場。但是，由于電動汽車售價昂貴，約比普通汽車貴出2倍以上，且汽車用蓄電池也是售價貴，壽命短，使這種電動汽車還很少有人問津。據(jù)悉，美國克萊斯勒公司已經(jīng)推出用“飛輪電瓶”的慣性儲能思想設(shè)計的電動汽車樣機，由于在慣性儲能器與驅(qū)動對象之間仍然采用簡單耦合，能量與速度之間的匹配關(guān)系很難合理協(xié)調(diào)，使得早期曾被利用過的飛輪儲能驅(qū)動方式中存在的儲能容量小、系統(tǒng)裝置笨重、能量轉(zhuǎn)換利用率低及速度范圍小的弊病仍然沒有得到妥善的解決。
本發(fā)明的目的是提供一種數(shù)控全速儲能——換能裝置，用于作為汽車、船舶、起重設(shè)備等機械設(shè)備的新型動力裝置。
本發(fā)明是由兩臺其轉(zhuǎn)子外緣裝有稀土永磁材料制成多個磁極的稀土全速同步電機、慣性飛輪、蓄電池與數(shù)字控制裝置組成的，其特征在于其中一臺作為主驅(qū)動器的電機的輸出軸通過連軸器與汽車的分動箱相連接，其定子線圈外接有雙向可變頻逆變器，該逆變器通過電源插頭與供電網(wǎng)相連，并通過直流匯流排分別與蓄電池和與另一臺作為儲能/換能器的稀土全速同步電機的定子線圈外接的雙向可變頻逆變器相連接，該儲能/換能器電機的轉(zhuǎn)軸上裝有一個密封在真空殼體里的慣性飛輪，有對這兩個雙向可變頻逆變器進行數(shù)字控制的可編程控制器。
本發(fā)明是在申請人的專利技術(shù)《全數(shù)控電力/動力裝置》(CN93200001.0)基礎(chǔ)上的再創(chuàng)造。該專利實質(zhì)上就是一種可以進行實時控制的可逆換能器，即可以根據(jù)可編程控制器輸出的指令，實時命令稀土同步電機在全速度復(fù)蓋范圍內(nèi)處于能量輸入狀態(tài)(發(fā)電——貯能)或能量輸出狀態(tài)(驅(qū)動——運行)，即該專利是一種以電子、信息技術(shù)為基礎(chǔ)的三端可逆換能裝置。本發(fā)明就是利用這種可逆換能裝置的技術(shù)，首先將能在高速下運轉(zhuǎn)的全速稀土同步電機與慣性飛輪結(jié)合，構(gòu)成一個新型的高速物理儲能/換能器，再將由全速稀土同步電機、雙向可變頻逆變器及可編程控制器組成一個可以不受速度匹配制約、低損耗的數(shù)控能量轉(zhuǎn)換器，即可以在機械能與電能之間進行相互高效轉(zhuǎn)換的設(shè)備，來解決已經(jīng)存在多年的物理儲能器不能與驅(qū)動負(fù)載簡單耦合、實現(xiàn)硬傳動的關(guān)鍵障礙，再輔以化學(xué)儲能的蓄電池，就可以把上述物理儲能器的能量高效、低耗地轉(zhuǎn)換成可以隨機變化的驅(qū)動動力。此外，由于采用物理儲能，可以不增加器械重量；與常規(guī)汽車相比較，可以不裝備油箱，將原來油箱所占用的空間和重量都開發(fā)為新的用途。這種儲能方式，動力結(jié)構(gòu)簡單，大批生產(chǎn)后，其造價可與常規(guī)汽車相競爭。由于采用交流電網(wǎng)作為本發(fā)明的能源，而電網(wǎng)的電費價格遠(yuǎn)較同等效能的汽油低廉，因而在動力費用的支出上也比常規(guī)汽車要節(jié)省、有利?？傊?，本發(fā)明是一種由傳統(tǒng)物理儲能器與數(shù)控?fù)Q能器為主構(gòu)成的新型動力裝備，為研制無污染的汽車提供了比較理想而實用的新型動力設(shè)備。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成原理圖。
圖2是本發(fā)明中的物理儲能器/換能器結(jié)構(gòu)示意圖。
參見圖1，本發(fā)明是由兩臺其轉(zhuǎn)子外緣裝有稀土永磁材料制成多個磁極的全速稀土同步電機10、20、慣性飛輪22、蓄電池30與數(shù)控裝置40等組成的。其中一臺作為主驅(qū)動電機10的輸出軸通過連軸器與汽車的分動箱相連接，該驅(qū)動電機以電網(wǎng)電力或裝置內(nèi)部的直流電為動力源，其定子線圈外接有雙向可變頻逆變器11，該逆變器11通過其電源插頭12與供電網(wǎng)相連，由插頭獲取車庫或停車場的電網(wǎng)電力充電儲能。還通過直流匯流排50分別與蓄電池30，以及與另一臺作為儲能/換能器的全速稀土同步電機20的定子線圈外接的雙向可變頻逆變器21相連接。參見圖2，該儲能/換能器電機20的稀土永磁轉(zhuǎn)子201外側(cè)裝有一個密封在真空殼體23里的慣性飛輪22，該電機的定子位于永磁轉(zhuǎn)子201的里側(cè)，202是定子線圈，其鐵芯采用高頻高導(dǎo)磁率的鐵淦氧材料制成，以便在定子線圈202中通入高頻交流電使稀土永磁轉(zhuǎn)子201在高頻磁場作用下高速旋轉(zhuǎn)，從而讓飛輪22也高速轉(zhuǎn)動，其最高速可達數(shù)萬轉(zhuǎn)/分，可以儲存足夠的慣性動能。203是滾動軸承，204是中空固定軸，電機定子線圈202的饋電導(dǎo)線由此軸中引出接入其雙向可變頻逆變器21里。還有對這兩個雙向可變頻逆變器11、21進行數(shù)字控制的可編程控制器40。其中雙向可變頻逆變器21是以直流匯流排50作為輸入電源或輸出負(fù)載的，直流匯流排50將兩個逆變器11、21及蓄電池30連結(jié)成一個整體，使之成為一個可彼此交換能量的小系統(tǒng)。
全數(shù)控電力/動力裝置的工作原理是既可以從電網(wǎng)獲取能源，經(jīng)雙向逆變器將工頻交流電或直流電被控改變成頻率、相位都可變的交流電輸出，并通過改變輸出電流的頻率、相位、電流來控制稀土電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、輸出扭矩和行程，也可以把因永磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動而在定子線圈內(nèi)感應(yīng)生成的電勢引出，由雙向逆變器將其轉(zhuǎn)換成直流電供給直流耗能負(fù)載做功，或者給蓄電池充電；或者還可以再逆變成交流電饋回供電網(wǎng)。本發(fā)明的主驅(qū)動電機10及其雙向逆變器11的工作方式有三種一種是作為電動機狀態(tài)，由直流匯流排50獲得直流電源，由雙向逆變器11逆變成三相交流電后，驅(qū)動全速稀土同步電機10作為電動機狀態(tài)運行，并通過聯(lián)軸器和分動箱驅(qū)動汽車前進。另一種是使電機10作為發(fā)電機運行即汽車在下坡或滑行狀態(tài)時，由分動箱獲取動力，使全速稀土同步電機10作為發(fā)電機狀態(tài)運行，其感應(yīng)生成的電流經(jīng)雙向逆變器11全波整流后，變?yōu)橹绷麟?，?jīng)直流匯流排50輸出，此能源或者向蓄電池30充電作化學(xué)儲能，或者經(jīng)雙向逆變器21轉(zhuǎn)換成頻率很高的交流電，驅(qū)動全速稀土同步電機20高速旋轉(zhuǎn)，由慣性飛輪22作物理儲能。第三種則由電源插頭12從交流電網(wǎng)獲取能量后直接經(jīng)由雙向逆變器11整流成直流電向蓄電池30充電或使慣性飛輪22高速旋轉(zhuǎn)儲能。作為儲能/換能器的電機20及其雙向逆變器21的工作方式有兩種一種是由直流匯流排50輸入能量，雙向逆變器21則從逆變器11的原有頻率起始，逐漸增加其輸出電源的工作頻率，使電機20以電動機狀態(tài)增速運行，讓慣性飛輪高速旋轉(zhuǎn)儲能。另一種則是該電機20作為三相同步發(fā)電機狀態(tài)減速運行，讓慣性飛輪22儲存的機械能經(jīng)電機20轉(zhuǎn)換成電能，再由雙向逆變器21逆變成直流電向裝置釋放飛輪所儲存的慣性能量。至于這兩臺稀土同步電機處在什么工作方式，以及具體工況條件、負(fù)荷均取決于可編程控制器40中編寫的實時過程控制軟件的指令，該軟件是根據(jù)汽車的機械性能、行駛條件、路況、坡度、儲能器的儲能狀況、蓄電池的充放電程度以及駕駛員人工操作的相關(guān)指令等多種因素而編制成的實時智能控制軟件，所以，本發(fā)明的可編程控制器40的輸入端還應(yīng)配有汽車的速度傳感器、蓄電池電壓傳感器、飛輪轉(zhuǎn)速傳感器、交、直流電源傳感器及駕駛員操作指令傳感器等等敏感裝置，以便更好地發(fā)出實時控制指令，控制相關(guān)部件操作。
由于采用本發(fā)明中的新型電機及其控制裝置作為驅(qū)動力，常規(guī)汽車中的油箱及發(fā)動機均可取消，使汽車機械結(jié)構(gòu)簡單、可利用的空間增大；維修工作量及百公里能耗、費用顯著減少，并大大減少汽車行駛中產(chǎn)生的廢氣、噪音和粉塵污染。由于高速運轉(zhuǎn)的慣性飛輪在運轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生相當(dāng)大的反側(cè)傾力矩，使汽車行駛中增加了側(cè)向穩(wěn)定平衡性能。所存在的缺點是利用本發(fā)明裝備的汽車，目前生產(chǎn)成本要昂貴些(隨著生產(chǎn)批量的增大，可以降低其成本)，最高時速和一次儲能后累計行駛距離尚不及常規(guī)汽車。然而，它對于環(huán)境污染的改善和節(jié)省石油產(chǎn)品的消費是功績顯著的。而且，它不僅可以作為汽車動力，也可以適用于內(nèi)河航行的船只游艇、礦用車輛，吊車起重設(shè)備等。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控全速儲能——換能裝置，是由兩臺其轉(zhuǎn)子外緣裝有稀土永磁材料制成多個磁極的稀土全速同步電機、慣性飛輪、蓄電池與數(shù)字控制裝置組成的，其特征在于其中一臺作為主驅(qū)動器的電機的輸出軸通過連軸器與汽車的分動箱相連接，其定子線圈外接有雙向可變頻逆變器，該逆變器通過電源插頭與供電網(wǎng)相連，并通過直流匯流排分別與蓄電池和與另一臺作為儲能/換能器的稀土全速同步電機的定子線圈外接的雙向可變頻逆變器相連接，該儲能/換能器電機的轉(zhuǎn)軸上裝有一個密封在真空殼體里的慣性飛輪，有對這兩個雙向可變頻逆變器進行數(shù)字控制的可編程控制器。
全文摘要
一種數(shù)控全速儲能——換能裝置，是由一臺作為主驅(qū)動器的稀土全速同步電機的輸出軸與汽車分動箱相連接，其定子線圈外接的雙向可變頻逆變器則通過直流匯流排分別與蓄電池及另一臺作為儲能/換能器的稀土全速同步電機定子線圈外接的雙向可變頻逆變器相連，后者電機的轉(zhuǎn)軸上裝有一個密封在真空殼體里的慣性飛輪，以及對這兩個逆變器進行數(shù)字控制的可編程控制器構(gòu)成的。該裝置可以作為新型汽車的動力裝備。
文檔編號B60L11/18GK1107427SQ9410181
公開日1995年8月30日 申請日期1994年2月24日 優(yōu)先權(quán)日1994年2月24日
發(fā)明者石行 申請人:北京市西城區(qū)新開通用試驗廠