專利名稱：三端互逆機/電換能器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有三個互逆端口的電能一機械能量的轉(zhuǎn)換裝置，確切地說，涉及一種可根據(jù)隨機條件的變化，而實時主動地改變自身的工作方式，成為可在輸出電能(發(fā)電狀態(tài))或者輸入電能(電力拖動狀態(tài))這兩種狀態(tài)之間變化的新型機電裝置——三端互逆機/電換能器。
自從采用電力作為能源，驅(qū)動各種機械做功時，人們就一直在探索一種適用于驅(qū)動負載不斷變化，特別是有時做正功，有時做負功情況下的驅(qū)動系統(tǒng)，它可以利用負載的變化，減少電能消耗，甚至是獲得電能。例如直流電力機車的直流拖動系統(tǒng)，利用直流電機感生電動勢與外供電電壓的平衡關系，被動地調(diào)整它的輸出工況或電力拖動與發(fā)電狀態(tài)，以適應道路的起伏變化。例如抽油機中使用的慣性平衡系統(tǒng)，它利用慣性儲能，利用速差，吸收往復運動中的活塞向下運動重力做功所提供的多余能量，在往復運動中的活塞處于向上運動高負載時釋放，達到被動穩(wěn)定工況的目的。但是，利用這些方法的設備裝置結構相當復雜，如直流電機的電刷系統(tǒng)，為保證在大電流下的可靠低阻連接，必須有相應復雜結構；慣性平衡系統(tǒng)也需要增加一個龐大的配重。而且，更重要的是，現(xiàn)在已有的方法都是被動調(diào)整的，它們都是利用工況的變化來被動變換狀態(tài)。這些系統(tǒng)基本上是“兩端”的，它只有電端(作為電力拖動狀態(tài)，它是電能輸入端，作為發(fā)電狀態(tài)，它是電力輸出端)和機械端(作為電力拖動狀態(tài)，它是機械能輸出端，作為發(fā)電狀態(tài)，它是機械能輸入端)，而不能根據(jù)其它參數(shù)來主動控制改變工況。
在世紀相交的今天，信息技術、電力電子和其他尖端技術都在迅速發(fā)展，人們已經(jīng)感覺到我們正生活在一個極其先進、發(fā)達的世界中。近年來，電子信息技術的迅猛發(fā)展對許多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)生的深遠影響，就是當代科技的重要成果之一。用電腦和新的信息傳播與控制技術相結合的高科技已經(jīng)滲透到傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的許多領域，并日益向更高層次的深度和廣度開拓。而且，這種進展已經(jīng)或即將對許多按傳統(tǒng)概念設計的機電設備提出了更新改造乃至徹底改型重新設計的要求，人們開始期望能夠有一種新型高效的能源產(chǎn)生及轉(zhuǎn)換裝置來替代傳統(tǒng)的電能生產(chǎn)及電力拖動設備，它可以根據(jù)各種參數(shù)來實時主動控制自身運行工況，以滿足保護環(huán)境和節(jié)約能源資源的需求。
本發(fā)明的目的是提供一種可以實現(xiàn)上述電能與機械能雙向轉(zhuǎn)換功能的新型機電設備——三端互逆機/電換能器。它由信息控制端輸入的各種參數(shù)來控制電端和機械端的關系與工況。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的由一個繞組元件和一個磁性元件組成的換能偶件付，以及進行實時數(shù)字控制的電子控制裝置所組成，其特征在于作為該裝置動力換能端的換能偶件付中的繞組元件是由硅鋼片鐵芯和線圈繞組構成的部件，磁性元件則是使用稀土類磁性材料經(jīng)磁化后制成的鑲件，繞組元件和磁性元件兩者其中之一固定于作為動力換能端裝置之一部分、相對固定的機體中，另一個則固定于作為動力換能端裝置之另一部分、用于機械輸入/輸出能的相對運動部件上；在換能偶件付的繞組元件上外接有由大功率電力電子開關組件構成的AC/DC雙向可逆變換器，該雙向可逆變換器與直流電力供電網(wǎng)絡相連接，作為該裝置的電力主端口；有對該AC/DC雙向可逆變換器和換能偶件付進行實時控制、并可與其他設備共有的可編程控制器，該可編程控制器設有標準規(guī)范的通信接口，作為該裝置的信息控制端。
在本發(fā)明中，作為動力換能端的一部分——相對固定的機體可以是一個帶圓柱體空腔的定子，而其另一部分——相對運動部件可以是一個與定子中圓柱體空腔相配合的、被支承并可相對轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子。由于分別固定其上面的繞組元件和磁性元件組成的換能偶件付的磁相互作用，實現(xiàn)永磁旋轉(zhuǎn)電機的功能。
在本發(fā)明中，相對固定的機體可以是一個一端帶一平面的線性定子，相對運動部件可以是一個與定子相對應的，可在其上相對移動的線性轉(zhuǎn)子。由于分別固定其上面的繞組元件和磁性元件組成的換能偶件付的磁相互作用，實現(xiàn)永磁直線電機的功能。
相對固定的機體和相對運動部件，不管是平面的還是圓柱的，都可以是本三端互逆機/電換能器換能偶件付的一部分，使本三端互逆機/電換能器是一個獨立可運行的機器；它們也可以作為被驅(qū)動設備的一部分，只把三端互逆機/電換能器的換能偶件付固定于其中，利用被驅(qū)動設備的支持，實現(xiàn)其功能。相對固定的機體可以是一個帶圓柱體空腔的定子，相對運動部件可以是一個與定子中圓柱體空腔相配合的，被支承并可相對轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子，這樣的結構中，繞組元件可以固定于定子的圓柱體空腔內(nèi)壁，磁性元件可以固定于轉(zhuǎn)子的外壁。由于繞組元件固定于定子的圓柱體空腔內(nèi)壁，而磁性元件固定于轉(zhuǎn)子的外壁，在轉(zhuǎn)子中沒有繞組元件，不存在與轉(zhuǎn)子的電連接問題。而固定于定子中的繞組元件的電連接沒有相對運動，因此可用一般的固接方法。
本三端互逆機/電換能器的換能偶件付的磁性元件可以是平面片狀的鑲塊，也可以是條塊狀或圓弧塊狀的鑲塊。
在本三端互逆機/電換能器中，換能偶件付可有多對，如兩對、三對、六對，沿相對運動方向分布。在動力換能端為旋轉(zhuǎn)形式的情況中，形成多相，如兩相，三相、六相驅(qū)動。在動力換能端為直線形式的情況中，換能偶件付中的繞組元件和磁性元件的個數(shù)可以不相等，繞組元件可以有多個，如兩個、三個、六個，沿相對運動方向分布，磁性元件的個數(shù)可以多于繞組元件的個數(shù)，沿相對運動方向在整個運動行程內(nèi)分布。
在本三端互逆機/電換能器中，換能偶件付可以成倍增加，在與運動方向垂直的方向上排列多個，繞組元件可串聯(lián)或并聯(lián)后與AC/DC雙向可逆變換器的一相相接，不改變其控制相數(shù)，但增加能量轉(zhuǎn)換功率，適應大功率驅(qū)動的要求。
其中AC/DC雙向可逆變換器還可通過另一個雙向可逆變換器而與三相交流供電網(wǎng)絡相連接。
本發(fā)明是由微電子器件、大功率電力電子器件和泛能化的動力換能設備(又稱，力學電子器件)三種電子器件組成的復合設備。該發(fā)明充分利用換能偶件付具有電力/動力轉(zhuǎn)換特點的優(yōu)良特性，再輔以AC/DC雙向可逆變換器、微型計算機或可編程控制器，以及相應的軟件操作系統(tǒng)等高科技產(chǎn)品及手段，使之成為新一代的具有人工智能的機械能/電能雙向轉(zhuǎn)換功能的換能裝置。本發(fā)明不同于傳統(tǒng)的機電設備，它是一種實時可控設備，既可以將標準規(guī)范的電能按照信息指令通過動力換能端輸出而控制機器的工作狀態(tài)，也可以將動力換能端隨著驅(qū)動源動態(tài)無序變動的功(機械能)轉(zhuǎn)換成符合電網(wǎng)標準規(guī)范的電能而輸入供電網(wǎng)絡，例如可把原先牽引工作機械中用機械剎車、電阻、無功電流等熱耗損手段所白白消耗的能量再次開發(fā)轉(zhuǎn)變成電能，這樣，既可充分回收能量，提高電網(wǎng)功率因素及能量應用效率；又可減少大氣環(huán)境中的溫室效應污染，達到環(huán)保效果。本發(fā)明具有極其廣泛的應用前景，其中動力端的換能偶件可以植入到許多通用或?qū)Ｓ玫臋C電設備應用，是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的一項創(chuàng)新技術裝備。


圖1是本發(fā)明的結構組成示意圖；圖2是本發(fā)明的換能偶件付的一個實施例的結構示意圖；參見圖1，本發(fā)明是一種電能/機械能的相互轉(zhuǎn)換裝置，它包括有由繞組元件11和磁性元件12組成的換能偶件付1，以及對該換能偶件付1進行數(shù)字實時控制的電子控制裝置，其中換能偶件付1中的繞組元件11是由硅鋼片鐵芯和線圈繞組構成的部件，磁性元件12則是使用稀土類磁性材料經(jīng)磁化后作成的鑲塊，鑲塊的形狀可以是平面片狀，也可以條狀或圓弧塊狀的鑲塊，視其動力部件結構形狀而選定。實際上，磁性元件也是一種由無數(shù)個微電子“超異繞組”所構成的微電子元件，可以將其磁化后賦予設計規(guī)定的磁性特征性能?？梢詫Q能偶件付中的繞組元件11植入動力設備的運動部件而成為該動力設備的轉(zhuǎn)子，磁性元件12則植入該動力設備的靜止力學結構部件而成為動力設備的定子。也可以反過來，將換能偶件付中的磁性元件12植入動力設備的運動部件而成為該動力設備的轉(zhuǎn)子，將繞組元件11植入該動力設備的靜止力學結構部件而成為動力設備的定子。在繞組元件11上外接有由大功率電力電子開關組件構成的AC/DC雙向可逆變換器2，該雙向可逆變換器2與直流電力供電網(wǎng)絡4相連接，作為其電力主端口。同時，變換器2還可通過加接另一個雙向可逆變換器21而與三相交流供電網(wǎng)絡5相連接，作為其電力付端口，從而實現(xiàn)與交流電網(wǎng)的連接。這種實時控制的大功率可逆變換器的電路結構主要由若干組大功率電子開關所組成，其主要任務是承擔直流與交流之間的可控電力轉(zhuǎn)換(可以是單相，也可以三相的)。小批量試制生產(chǎn)時可用市售的變頻器經(jīng)二次開發(fā)改造替代之。該裝置還設有一個對雙向可逆變換器2和換能偶件付件1進行實時控制、并可與其他設備共有的可編程控制器3，可編程控制器3設有標準規(guī)范的通信接口31，作為本發(fā)明的信息控制端，可編程控制器3與雙向可逆變換器2的連接端由可編程控制器3中的程序根據(jù)設定的時序和由可編程控制器3的其他信息輸入端輸入的各種環(huán)境及系統(tǒng)參數(shù)共同確定，輸出雙向可逆變換器2所需要的控制脈沖序列。控制脈沖序列決定了雙向可逆變換器2的工作狀況，從而也決定了動力換能端的換能偶件付的工況。綜上所述，本發(fā)明具有三個可逆端口一個與標準信息網(wǎng)絡接續(xù)的信息控制端口31，可以從該端口31實時控制本發(fā)明的運行狀態(tài)，也可同時實時反饋回本發(fā)明的各種運行參數(shù)；一個通用的電力端口直流供電網(wǎng)4(或)三相交流電網(wǎng)5與本發(fā)明的連接端，該端口可以從供電網(wǎng)4或5向本發(fā)明輸入電能通過動力端驅(qū)動機器運轉(zhuǎn)，也可以由本發(fā)明將從動力端轉(zhuǎn)換過來的電能向供電網(wǎng)輸出；還有一個可用于和各種通用或?qū)Ｓ脵C器的動力部件相嫁接的動力換能端一換能偶件付1，它既可消耗電能輸出動力驅(qū)動機器運轉(zhuǎn)，也可以由這個端口將來自機器的機械能(或稱功)轉(zhuǎn)換成電能進而輸入供電網(wǎng)絡。
本發(fā)明的工作原理是當其消耗電能作為電力拖動狀態(tài)工作時，從供電網(wǎng)絡4或5通過雙向可逆變換器2向換能偶件付1中的繞組元件11饋電，該雙向可逆變換器2把普通工頻交流電或直流電受控調(diào)變成頻率、相位和流量大小都可變的交流電輸出，籍此改變繞組元件11的饋電電流的頻率、相位和電流大小數(shù)值，從而改變動力端的輸出轉(zhuǎn)速、加速度、轉(zhuǎn)向和輸出扭矩、行程長短。即通過可編程控制器3或者遠端網(wǎng)絡設備通過信息端31，可使本發(fā)明對輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、加速度、行程和扭矩都實現(xiàn)精確的實時數(shù)字控制。而當其處于上述過程的逆狀態(tài)，即輸出電能而處于發(fā)電狀態(tài)工作時，由于動力端口的換能偶件付1中磁性元件12的主動旋轉(zhuǎn)運動，會在繞組元件11中的線圈繞組感應生成電動勢，該電動勢被雙向可逆變換器2受控引出形成電流，經(jīng)其內(nèi)部整流轉(zhuǎn)換成直流電而饋送回直流供電網(wǎng)絡4，也可經(jīng)另一雙向可逆變換器21轉(zhuǎn)換成三相交流電而饋送回交流三相供電網(wǎng)絡5，這些過程也是由可編程控制器3發(fā)出相應指令調(diào)整、控制相關裝置動作而完成的。所以說本發(fā)明是一種具有三個可逆端口的電能/機械能轉(zhuǎn)換裝置。
本發(fā)明為了能與現(xiàn)有的各種機電設備盡可能兼容，以便推廣應用，其每一個端口都最大程度地選用市場上的通用產(chǎn)品作為結構部件，尤其是與傳統(tǒng)設備接軌的動力端口，考慮到應用本發(fā)明之后，原來設備上的許多功能都將由信息系統(tǒng)管理，而原設備中承擔這些功能的硬件裝置也就不再需要了，從而使設備的機械結構大大簡化。實際上，動力換能端就是一對換能偶件付，只要將其安裝到原來機器的動力部位，并拆除原來機器上動力部分前的相關系統(tǒng)(例如機械傳動系統(tǒng)、自動控制及保護系統(tǒng)等)，就完成了“嫁接”。這樣就使該機電設備結構非常簡潔，原來上述硬件上的故障隱患也隨之排除而使工作更加可靠穩(wěn)定。由于現(xiàn)有的動力設備中感應電機應用最廣泛，所以本發(fā)明的動力換能端可以與現(xiàn)在使用的電機標準系列相嫁接，成為外觀與機械結構都和電機幾乎完全相同的形式參見圖2，再輔以AC/DC雙向可逆變換器和可編程控制器，就可以賦予該電機具有電能/機械能轉(zhuǎn)換的新功能。所以選擇這種設計思想，是為了在硬件設備更新?lián)Q代時，能最大程度地保留傳統(tǒng)“遺產(chǎn)”。當然這也是一種權宜之計，如果能與機器合為一體，則在設備造價、安裝、維護和能耗上都會更加明顯見效。
本發(fā)明的換能關鍵部件——換能偶件付1的兩個元件(繞組元件11和磁性元件12)的工作機理是相同的，其中一個用作電能轉(zhuǎn)換接口，另一個則作為機械能(功)的轉(zhuǎn)換接口，而且，兩者是互逆的。又由于其結構組成極其簡潔，只有兩個主要部件，其中一個磁性元件又是呈超導形態(tài)，因此本發(fā)明的系統(tǒng)消耗極小，并具有其他換能手段無可比擬的高能量轉(zhuǎn)換效率(通?？蛇_90％以上)。再者，一般換能設備只有運行在額定工況時才能達到其標準效率，實際運行時往往相差甚大，其效率曲線呈駝峰狀。而本發(fā)明的效率曲線基本呈水平狀，因此它又是一種具有廣譜特性的動力設備。
參見圖2，該圖是本發(fā)明中換能偶件付1構成電機結構的一個實施例的示意圖，這里的繞組元件11成為嵌裝在電機定子機座10中的定子線圈，而磁性元件12則是由若干個圓弧形稀土材料永磁體鑲塊所構成，安裝在該電機轉(zhuǎn)軸13的外緣，構成電機的轉(zhuǎn)子。稀土材料永磁體外側套有護環(huán)14，以加強轉(zhuǎn)子的強度，使之可以承受高速旋轉(zhuǎn)的作用力，圖示的轉(zhuǎn)子磁極12為四極，也可成構成六極、八極的磁極。本發(fā)明也可以將繞組元件11構成電機的轉(zhuǎn)子，而將磁性元件12則作為該電機的定子磁極，這樣就能構成本發(fā)明換能偶件付1的另一種結構形式的實施例。
本發(fā)明作為帶有智能的電能/機械能雙向轉(zhuǎn)換的基礎裝置，可以方便地直接嫁接到各種機械或動力設備上，使機器和動力設備結合一體。作為起步，可以先嫁接到電機和車輪上作成電機形式和車輪式的泛能動力部件。例如將繞組元件嫁接到電機的轉(zhuǎn)子或車輪的輪殼，將磁性元件嫁接到電機的定子或車輪的輪網(wǎng)上，再用這種經(jīng)過改裝的電機和車輪改造現(xiàn)有機電設備及車輛，就會取得突破性的性能改進。例如，應用本發(fā)明改造捷達轎車，其動力體系就由原來的單一熱機動力驅(qū)動改造成由熱機和本發(fā)明構成的能源再生裝置聯(lián)合驅(qū)動了，其最大輸出功率由原來的105馬力提高到128馬力，百公里油耗、廢氣排放和加速時間都有明顯的改進和提高。在城市中低速行駛時，可以用零排放方式運行；而在高速公路行駛時，可以比原型車具有更高的動力性能，因為本發(fā)明的能源再生裝置與熱機同時作為驅(qū)動動力，且一次加油后，能行駛更長的路程，在惡劣條件下行駛時通過能力也有所改善。應用本發(fā)明改造后的泛能轎車，雖然不能達到象電動汽車那樣的全零排放的要求，但在城市里慢速行駛時也可以用零排放方式運行，這樣至少可使泛能轎車在城市中的排放量減少一半。重要的是這種泛能轎車是以提高其性能價格比的方式引導人們自發(fā)履行環(huán)保義務，而這一切只要在原型車上嫁接本發(fā)明的三端換能器就可以做到了，從而使環(huán)保公益工程成為切實可行之舉。
權利要求
1.一種三端互逆機/電換能器，包括有由一個繞組元件和一個磁性元件組成的換能偶件付，以及進行實時數(shù)字控制的電子控制裝置，其特征在于作為該裝置動力換能端的換能偶件付中的繞組元件是由硅鋼片鐵芯和線圈繞組構成的部件，磁性元件則是使用稀土類磁性材料經(jīng)磁化后制成的鑲件，繞組元件和磁性元件兩者其中之一固定于相對固定的機體中，另一個則固定于用于機械輸入/輸出能的相對運動部件上；在換能偶件付的繞組元件上外接有由大功率電力電子開關組件構成的AC/DC雙向可逆變換器，該雙向可逆變換器與直流電力供電網(wǎng)絡相連接，作為該裝置的電力主端口；有對該AC/DC雙向可逆變換器和換能偶件付進行實時控制、并可與其他設備共有的可編程控制器，該可編程控制器設有標準規(guī)范的通信接口，作為該裝置的信息控制端。
2.如權利要求1所述的三端互逆機/電換能器，其特征在于作為動力換能端的一部分——相對固定的機體是一個帶圓柱體空腔的定子，而其另一部分——相對運動部件是一個與定子中圓柱體空腔相配合的、被支承并可相對轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子。
3.如權利要求1所述的三端互逆機/電換能器，其特征在于作為動力換能端的一部分——相對固定的機體是一個一端帶一平面的線性定子，而其另一部分一相對運動部件是一個與定子相對應的，可在其上相對移動的線性轉(zhuǎn)子。
4.如權利要求2所述的三端互逆機/電換能器，其特征在于繞組元件固定于定子的圓柱體空腔內(nèi)壁，磁性元件固定于轉(zhuǎn)子的外壁。
5.如權利要求1所述的三端互逆機/電換能器，其特征在于其中換能偶件付的磁性元件可以是平面片狀的鑲塊，也可以是條塊狀或圓弧塊狀的鑲塊。
6.如權利要求1所述的三端互逆機/電換能器，其特征在于其中AC/DC雙向可逆變換器還可通過另一個雙向可逆變換器而與三相交流供電網(wǎng)絡相連接。
全文摘要
一種三端互逆機/電換能器,包括有作為動力端的換能偶件副,在換能偶件副的繞組元件上外接有大功率電力電子開關組件構成的雙向可逆變換器,該可逆變換器與直流供電網(wǎng)絡相連接,作為其電力主端口,有對可逆變換器和換能偶件副進行控制的可編程控制器,該可編程控制器的通信接口,則為其信息端。該裝置利用換能偶件副具有電力/動力轉(zhuǎn)換特點,再輔以數(shù)字電子控制裝置和相應軟件構成了新一代具有智能的機械能/電能轉(zhuǎn)換功能的換能裝置。
文檔編號H02P7/00GK1214563SQ9711911
公開日1999年4月21日 申請日期1997年10月9日 優(yōu)先權日1997年10月9日
發(fā)明者華宏蓀 申請人:華宏蓀