專利名稱：機電耦合的交通車輛飛輪動能回收裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于交通技術領域，具體涉及一種交通車輛動能回收系統(tǒng)。
背景技術：
現(xiàn)在，全世界的交通車輛都面臨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展與保護環(huán)境這對矛盾。能源問題和二氧化碳排放已是擺著面前需要立即動手解決的問題，人們迫切需要高效率的環(huán)保技術來保證汽車工業(yè)和軌道交通車輛的持續(xù)發(fā)展。目前各類車輛大多利用制動系統(tǒng)所產(chǎn)生的摩擦阻力來實現(xiàn)減速或停車，車輛制動時將車輛的動能轉變?yōu)橹苿悠魃系臒崮芏装椎厣⑹У袅耍煌ㄜ囕v一般會頻繁地工作于減速、停車、起動、加力狀態(tài)，在城市軌道交通車輛和城市公交車輛尤為突出，這種能量的損耗相當可觀，這使得社會對能源的需求增加，加劇了資源和環(huán)境的壓力?，F(xiàn)有解決交通車輛制動節(jié)能的方法主要有
1.電阻耗能型再生制動動能回收系統(tǒng)。采用功率電子器件和耗能電阻組成斬波器，將制動能量消耗在耗能電阻上，未對制動動能加以利用。在城市地下軌道交通車輛中，電阻大量散熱還會導致環(huán)境溫度上升，增加了通風動力裝置或者空氣溫度調(diào)節(jié)裝置的負荷，從而增加了相應的電能消耗。2.油泵動能回收系統(tǒng)。利用油泵一油馬達的可逆運行原理，在車輛制動時油泵把車輛的動能轉變?yōu)橐后w的壓力能，儲存到液壓蓄能器中，需要釋能時油馬達幫助發(fā)動機使車輛起動或加力。這種方式存在液壓元件，系統(tǒng)結構復雜，可靠性較低。3.蓄電池或電容-電機動能回收系統(tǒng)。采用逆變器將車輛的再生制動能量回收到蓄電池、大容量電容中，該方法需要設置體積較大的蓄電池組或電容器組，這是由于用作儲能部件的電池或電容器，對其技術指標有很高的要求，到目前為止，電池和電容器還需要進一步提高其能量密度。另外，電池和電容的使用壽命和安全性也是一個問題。4.無級變速飛輪動能回收系統(tǒng)。采用高效、緊湊、速比連續(xù)可變的圓環(huán)曲面?zhèn)鲃友b置，實現(xiàn)車輛制動動能回收，無級變速的圓環(huán)曲面?zhèn)鲃友b置連接了飛輪和常規(guī)的多檔齒輪式變速器，通過調(diào)節(jié)速比，讓動能以最優(yōu)的方式在兩者之間來回走動，而不是完全通過剎車盤散失掉。這種模式結構緊湊，能量傳遞效率甚至高過90%，整體性能優(yōu)于蓄電池或電容-電機模式，無級變速飛輪動能回收系統(tǒng)的優(yōu)點還包括工作溫度區(qū)間廣、安全穩(wěn)定、壽命長、可重復使用和環(huán)保。但該系統(tǒng)中的核心部件無級變速圓環(huán)曲面?zhèn)鲃友b置制造難度大、 要求高，難以實現(xiàn)大扭矩輸出，目前該技術還沒有成熟。因此，有必要革新交通車輛的動能回收系統(tǒng)，進一步提高動能回收系統(tǒng)的性能。

發(fā)明內(nèi)容
技術問題本發(fā)明針對傳統(tǒng)交通車輛動能回收系統(tǒng)存在的可靠性、成本、效率等問題，提供一種適用于所有電力驅動車輛的效率高、壽命長、成本低的機電耦合的交通車輛飛輪動能回收裝置。
技術方案一種交通車輛飛輪動能回收裝置，包括飛輪、離合器、變速器、雙轉子電機、牽引逆變器單元、飛輪逆變器單元、牽引整流單元、飛輪軸、變速器高速軸和負載輸出軸，所述的雙轉子電機包括變速器低速軸、滑環(huán)、電刷、內(nèi)轉子、環(huán)繞所述內(nèi)轉子的外轉子、 環(huán)繞所述外轉子的定子，所述的滑環(huán)設置在變速器低速軸上，所述電刷與滑環(huán)接觸，所述的定子和內(nèi)轉子均設置有多相繞組；所述的飛輪通過飛輪軸與離合器連接，所述的離合器通過變速器高速軸與變速器連接，所述變速器通過變速器低速軸與雙轉子電機的內(nèi)轉子連接，雙轉子電機的外轉子與負載輸出軸連接；所述定子的多相繞組通過導線與牽引逆變器單元的交流端連接，所述牽引整流單元通過導線分別與牽引逆變器單元的直流端和飛輪逆變器單元的直流端連接，飛輪逆變器單元的交流端通過導線與電刷連接，滑環(huán)通過導線與內(nèi)轉子的多相繞組連接，滑環(huán)在隨變速器低速軸旋轉時與靜止的電刷保持電連接。本發(fā)明的機電耦合的交通車輛飛輪動能回收裝置在車輛制動或者減速時，離合器閉合，飛輪儲能。此時飛輪逆變器單元將牽引整流單元輸入的直流電通過直-交變換為與內(nèi)、外轉子轉差頻率相等的交流勵磁電流后輸出；飛輪逆變器單元通過導線、電刷與滑環(huán)將勵磁電流輸送至內(nèi)轉子繞組，在內(nèi)、外轉子間建立耦合磁場并產(chǎn)生電磁耦合力，負載的動能由雙轉子電機的外轉子傳遞到內(nèi)轉子，內(nèi)轉子通過變速器和離合器驅動飛輪升速，將負載的動能轉變?yōu)轱w輪的動能。當車輛起動或者加速時，離合器閉合，飛輪釋能，高速飛輪通過變速器減速后驅動雙轉子電機的內(nèi)轉子，此時飛輪逆變器單元輸出與內(nèi)、外轉子轉差頻率相等的交流勵磁電流，在內(nèi)、外轉子間建立耦合磁場并產(chǎn)生電磁耦合力，通過磁場耦合，內(nèi)轉子上的動能傳遞到外轉子，并通過負載輸出軸驅動負載升速，飛輪動能轉變?yōu)樨撦d動能。 在飛輪儲能或飛輪釋能過程中，動能并不轉換為電能，動能僅通過磁場耦合在飛輪和負載之間來回傳遞，動能在能量傳遞過程中以機械能的方式存在。當車輛平穩(wěn)運行時，離合器打開，此時飛輪處于儲能狀態(tài)下的自由旋轉，既不吸收能量也不釋放能量，飛輪逆變器單元不工作，此時內(nèi)轉子繞組上無電流流通，飛輪逆變器單元相當于開路狀態(tài)，同時牽引逆變器單元工作，將牽引整流單元輸出的直流電轉變?yōu)榻涣麟姴⑤斔椭岭p轉子電機的定子，在雙轉子電機的外轉子上產(chǎn)生牽引交通車輛的驅動力。本發(fā)明中的飛輪逆變器單元的作用是在飛輪儲能或釋能過程中為內(nèi)轉子繞組提供可變頻率的勵磁電源，在內(nèi)、外轉子間建立耦合磁場，從而在內(nèi)、外轉子間產(chǎn)生機電耦合力，達到飛輪和負載之間動能的傳遞。牽引逆變器單元的作用是為定子繞組提供工作電流， 驅動外轉子以及與外轉子剛性連接的負載旋轉。在車輛制動或減速時，牽引逆變器單元不工作，當車輛起動或加速時，牽引逆變器單元和飛輪逆變器單元同時工作，外轉子上的動能為牽引逆變器單元和飛輪逆變器單元共同作用形成的合力。牽引整流單元的作用是為飛輪逆變器單元和牽弓I逆變器單元提供直流電源。飛輪逆變器單元在飛輪儲能或者釋能時，為雙轉子電機的內(nèi)轉子提供可變頻率勵磁電源，所述的可變頻率勵磁電源的頻率等于內(nèi)轉子和外轉子的轉速差引起的轉差頻率。本發(fā)明中采用的的變速器為常規(guī)的固定速比齒輪式變速器，變速器高速軸通過離合器與飛輪連接，變速器低速軸與雙轉子電機的內(nèi)轉子連接。本發(fā)明中的雙轉子電機外轉子可以是永磁式，也可以是鼠籠式或者繞線式。有益效果本發(fā)明將飛輪作為交通車輛制動動能回收的儲能部件，儲能用的飛輪具有壽命長、成本低、能量密度和功率密度大的優(yōu)點。
本發(fā)明以雙轉子電機為核心，通過內(nèi)、外轉子和定子之間的機電耦合，讓動能在飛輪和負載之間來回傳遞，由于大部分動能在能量傳遞過程中以機械能的方式存在，減少了機械能和電能轉換產(chǎn)生的損耗，從而提高了系統(tǒng)整體效率。本發(fā)明采用飛輪逆變器單元為雙轉子電機的內(nèi)轉子提供勵磁電源，其頻率值隨內(nèi)轉子和外轉子轉速差的變化而變化(等于轉差頻率)，使雙轉子電機內(nèi)轉子實現(xiàn)無級變速， 通過離合器連接到飛輪后可以連續(xù)調(diào)節(jié)飛輪的轉速，從而實現(xiàn)飛輪的儲能和釋能。本發(fā)明實現(xiàn)無級變速的雙轉子電機兩個機械轉軸(變速器低速軸和負載輸出軸) 之間無機械接觸，運行不會產(chǎn)生磨損，因而壽命長，維護成本低，能滿足大功率應用場合的需要，本發(fā)明所述的交通車輛飛輪動能回收系統(tǒng)，適用于所有使用電力驅動的車輛。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖。圖中有飛輪1、離合器2、變速器3、雙轉子電機4、定子41、外轉子42、內(nèi)轉子43、 滑環(huán)44、電刷45、牽引整流單元5、飛輪軸6、變速器高速軸7、變速器低速軸8、負載輸出軸 9、、飛輪逆變器單元10、牽引逆變器單元11。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。由圖1可見，一種機電耦合的交通車輛飛輪動能回收裝置，包括飛輪1、離合器2、 變速器3、雙轉子電機4、牽引逆變器單元11、飛輪逆變器單元10、牽引整流單元5、、飛輪軸 6、變速器高速軸7和負載輸出軸9，所述的雙轉子電機4包括變速器低速軸8、滑環(huán)44、電刷 45、內(nèi)轉子43、環(huán)繞所述內(nèi)轉子43的外轉子42、環(huán)繞所述外轉子42的定子41，所述的滑環(huán) 44設置在變速器低速軸8上，所述電刷45與滑環(huán)44接觸，所述的定子41和內(nèi)轉子43均設置有多相繞組；所述的飛輪1通過飛輪軸6與離合器2連接，所述的離合器2通過變速器高速軸7與變速器3連接，所述變速器3通過變速器低速軸8與雙轉子電機4的內(nèi)轉子43 連接，雙轉子電機4的外轉子42與負載輸出軸9連接；所述定子41的多相繞組通過導線與牽引逆變器單元11的交流端連接，所述牽引整流單元5通過導線分別與牽引逆變器單元11 的直流端和飛輪逆變器單元10的直流端連接，飛輪逆變器單元10的交流端通過導線與電刷45連接，滑環(huán)44通過導線與內(nèi)轉子43的多相繞組連接，滑環(huán)44在隨變速器低速軸8旋轉時與靜止的電刷45保持電連接。本發(fā)明中以雙轉子電機為核心，通過內(nèi)、外轉子和定子之間的機電耦合，讓動能在飛輪和負載之間來回傳遞，由于大部分動能在能量傳遞過程中以機械能的方式存在，減少了機械能和電能轉換產(chǎn)生的損耗，從而提高了系統(tǒng)整體效率。在車輛制動或者減速時，離合器閉合，負載的動能通過雙轉子電機的外轉子傳遞到內(nèi)轉子，內(nèi)轉子通過變速器和離合器驅動飛輪升速，將負載的動能轉變?yōu)轱w輪的動能；在車輛起動或者加速時，離合器閉合，高速飛輪通過變速器減速后驅動雙轉子電機的內(nèi)轉子，將飛輪的動能傳遞到外轉子并通過轉軸驅動負載升速，飛輪動能轉變?yōu)樨撦d動能；車輛平穩(wěn)運行時，離合器打開，飛輪處于儲能狀態(tài)，既不吸收能量也不釋放能量，此時飛輪逆變器單元與內(nèi)轉子電路斷開，雙轉子電機的內(nèi)轉子處于靜止狀態(tài)，雙轉子電機等效為一臺單定子、單轉子的同步或異步電機，牽引整流單元輸出的直流電通過牽引逆變器單元轉變?yōu)榻涣麟姴⑤斔椭岭p轉子電機的定子，在雙轉子電機的外轉子上產(chǎn)生牽引交通車輛的驅動力。 本發(fā)明中，在車輛平穩(wěn)運行時，按照常規(guī)的車輛牽引控制策略將牽引逆變器單元投入工作，而飛輪逆變器單元不工作；在車輛制動或者起動時，飛輪逆變器單元和牽引逆變器單元同時工作，分別向內(nèi)轉子和定子供電，在外轉子上形成驅動或制動負載所需要的合力，此時飛輪逆變器單元調(diào)節(jié)內(nèi)轉子以及飛輪的轉速，飛輪逆變器單元輸入內(nèi)轉子的電流頻率為內(nèi)轉子和外轉子轉速差的轉差頻率，從而實現(xiàn)飛輪和負載之間無級變速，通過離合器進行飛輪的儲能或釋能。本發(fā)明中實現(xiàn)無級變速的雙轉子電機兩個機械轉軸之間無機械接觸，運行不會產(chǎn)生磨損，因而壽命長，維護成本低，能滿足大功率應用場合的需要。飛輪作為交通車輛制動動能回收的儲能部件，儲能用的飛輪具有壽命長、成本低、能量密度和功率密度大的優(yōu)點。
權利要求
1.一種機電耦合的交通車輛飛輪動能回收裝置，其特征在于，該動能回收裝置包括飛輪(1)、離合器(2)、變速器(3)、雙轉子電機(4)、牽引逆變器單元(11)、飛輪逆變器單元 (10)、牽引整流單元(5)、飛輪軸(6)、變速器高速軸(7)和負載輸出軸(9)，所述的雙轉子電機(4)包括變速器低速軸(8)、滑環(huán)(44)、電刷(45)、內(nèi)轉子(43)、環(huán)繞所述內(nèi)轉子(43)的外轉子(42)、環(huán)繞所述外轉子(42)的定子(41)，所述的滑環(huán)(44)設置在變速器低速軸(8) 上，所述電刷(45)與滑環(huán)(44)接觸，所述的定子(41)和內(nèi)轉子(43)均設置有多相繞組；所述的飛輪(1)通過飛輪軸(6)與離合器(2)連接，所述的離合器(2)通過變速器高速軸(7 )與變速器(3 )連接，所述變速器(3 )通過變速器低速軸(8 )與雙轉子電機(4 )的內(nèi)轉子(43)連接，雙轉子電機(4)的外轉子(42)與負載輸出軸(9)連接；所述定子(41)的多相繞組通過導線與牽引逆變器單元(11)的交流端連接，所述牽引整流單元(5)通過導線分別與牽引逆變器單元(11)的直流端和飛輪逆變器單元(10)的直流端連接，飛輪逆變器單元(12)的交流端通過導線與電刷(45)連接，滑環(huán)(44)通過導線與內(nèi)轉子(43)的多相繞組連接，滑環(huán)(44)在隨變速器低速軸(8)旋轉時與靜止的電刷(45) 保持電連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的機電耦合的交通車輛飛輪動能回收裝置，其特征在于，所述的外轉子(42 )是永磁式、鼠籠式或繞線式。
全文摘要
一種機電耦合的交通車輛飛輪動能回收裝置，包括飛輪、離合器、變速器、雙轉子電機、牽引整流單元、牽引逆變器單元、飛輪逆變器單元、飛輪軸、變速器高速軸、變速器低速軸和負載輸出軸，雙轉子電機包括變速器低速軸、滑環(huán)、電刷、內(nèi)轉子、環(huán)繞所述內(nèi)轉子的外轉子、環(huán)繞外轉子的定子，滑環(huán)設置在變速器低速軸上，電刷與滑環(huán)接觸，定子和內(nèi)轉子均設置有多相繞組；飛輪通過飛輪軸與離合器連接，離合器通過變速器高速軸與變速器連接，變速器通過變速器低速軸與內(nèi)轉子連接，外轉子與負載輸出軸連接。本發(fā)明以雙轉子電機為核心，通過內(nèi)、外轉子和定子之間的機電耦合使動能在飛輪和負載之間來回傳遞，損耗小，整體效率高。
文檔編號B60K17/12GK102303525SQ20111016890
公開日2012年1月4日 申請日期2011年6月22日 優(yōu)先權日2011年6月22日
發(fā)明者張建忠, 程明 申請人:東南大學