[实用新型]与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统

说明书

(一)技术领域

本实用新型涉及电机伺服系统，具体为一种与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统。

(二)背景技术

研究表明燃油发动机存在一条最佳效率运行曲线，若输出相同的机械功率，该曲线上的工作点效率最高，即获得的相同的机械能量消耗燃油最少。燃油发动机输出相同的功率可有多个乘积相等的不同转速和扭矩的组合，按最佳效率运行曲线的转速和扭矩组合运行，即可节能。因此依据燃油发动机的转速及最佳效率曲线的规律提供相应的扭矩设定值，通过加载装置将该扭矩设定值施加到燃油发动机轴上即可调整其工作点达到节能的目的。因此，要求加载装置能独立于外负载并准确、快速给发动机加载扭矩设定值，以调整工作点。另一方面还能将燃油发动机动能高效地传递给外负载。

目前纯燃油动力机构通常是采用有级变速或连续变速器通过调整变速比实现变矩的，即通过改变外负载折合到燃油发动机轴上的扭矩比例从而调节施加于发动机轴的扭矩，以调整发动机工作点。但因燃油发动机与外负载直接关联，加上现有的变速装置响应慢等因素，这类加载和变矩方式不易按最佳效率运行曲线要求的规律匹配扭矩，不易调整燃发动机工作点，燃油化学能转为机械能整体效率不高。

油电混合动力机构为了充分利用燃油化学能，引入发电机、电动机、储能单元等，目的为通过发动机、发电机、电动机的组合驱动，调整发动机工作点。

油电混合动力机构串联式的方案是通过安装于燃油发动机输出轴上的发电机将其动能全部转化为电能，经控制器调节，一部分电能用于驱动电动机带动传动轴，另一部分电能存储于蓄电池。蓄电池通过电动机也可驱动传动轴。此类油电混合动力机构的动力结构使发动机和负载隔离，发动机工况不受负载运行的影响，控制发电机的工作点即可按最佳效率曲线的要求给燃油发动机施加相应的扭矩，进而调节燃油发动机的工作点，使之运行于油耗低的高效率点。但燃油发动机功率传递的发电——用电过程中，能量有双重损失，因为发电机和电动机的效率都不可能是100％。假设发电机和电动机的效率都高达90％，则经过动能转化为电能、电能再转化为动能的转换过程，仅有81％的能量送达动力车的运动系统。再考虑到燃油发动机在低速运行时发电机及电动机的效率将更低，以及发电机发出的电能存入蓄电池和电动机从蓄电池取用电能时的能量损耗等因素，总的能量传送效率还要大打折扣。

油电混合动力机构并联式的方案中燃油发动机与电机通过联轴器共同驱动负载，电机工作在四象限状态，通过调整电机参与驱动和发电的程度来减少或增加施加到燃油发动机轴的扭矩、调节其工作点，达到节能的目的。由于燃油发动机转速仍随负载速度变化，通过电机调节发动机的工作点效果有限，燃油发动机难以工作于最佳效率状态，节能效果打折扣。

串并联混合式动力结构虽综合了串联式和并联式的特点结构更复杂、控制更复杂，成本也更高。

因此如何高效率地利用燃油化学能，即使燃油发动机高效产生机械动能、且机械动能高效传递和利用是目前油电混合动力机构研究的重点。

(三)实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统，按发动机最佳燃油效率运行要求的扭矩值实施对燃油发动机加载以调节其工作点使消耗等量燃油获得更大的机械动能；同时，使燃油发动机的部分机械动能直接送达负载，即不经动能——电能——动能转换直接驱动负载，燃油发动机其余的机械动能转换为电能，提高动能传递的总体效率。

本实用新型设计的与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统包括电机、伺服驱动器、控制单元、直流母线、储能和用电单元。所述电机为永磁同步伺服电机、或开关磁阻电机、或无刷直流电机。电机由内外两个转子构成，其外转子与燃油发动机轴直连，外转子轴为本系统输入轴，内转子轴为本系统的输出轴。外转子和内转子二者其一嵌有永磁磁极，另一个为绕制在铁芯上的绕组，嵌有永磁磁极的为另一个提供磁场，绕组通过集电环与伺服驱动器连接。电机的外转子轴上安装速度/位置传感器，该速度/位置传感器连接伺服驱动器和控制单元。电机的内转子轴上安装位置传感器，该位置传感器也连接伺服驱动器。伺服驱动器连接直流母线，直流母线一般接储能单元和用电单元。控制单元连接伺服驱动器，伺服驱动器内存储有电机驱动电流与扭矩设定值及电机内外转子相对位置的关系数据；控制单元内部存有发动机最佳经济运行线的转速-扭矩关系表或曲线，并根据燃油发动机转速向伺服驱动器提供扭矩设定值。

本实用新型与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统的调节方法为：