[发明专利]双机械双电气端口机电能量变换系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种机电能量变换系统，特别是一种双机械双电气端口机电能量变换系统。

背景技术

传统的机械传动系统中，原动机输出轴直接(或经齿轮箱)连接到负载机械，负载机械的运行工况随机变化时，需要实时调整原动机的运行工况。机械传动的电气实现往往取消齿轮箱，在原动机和负载机械间直接插入电动-发电机组，便于实现快速自动调节。这类传动方式的缺点是，由于原动机的效率随转速而变，最佳效率运行区域的转速范围很小，难以实现在负载机械工况随机变化时始终维持较高的运行效率，原动机的动力或燃料的利用率和整个传动系统的经济性难以提高。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺点，提供一种使原动机在各种工况下都能运行在最佳效率点的双机械双电气端口机电能量变换系统，以提高原动机的动力或燃料的利用率和整个传动系统的经济性。

为达到上述目的，本发明的构思是：

通过双机械双电气端口机电能量变换系统使原动机和负载机械实现机械上的解耦，原动机独立于负载机械运行。这样，在负载机械转速随机变化时，原动机始终都能够维持最高效率运行。

根据上述发明构思，本发明的技术方案是：

一种双机械双电气端口机电能量变换系统，包括一个机电能量变换器、两个静止双向变流器、一个能量存储器和一个控制器，其特征在于所述机电能量变换器为一体化的双机械双电气端口机电能量变换器，该一体化双机械双电气端口机电能量变换器的两个电气端口分别各通过一个静止双向变流器与所述能量存储器相连，所述控制器连接所述一体化双机械双电气端口机电能量变换器和两个静止双向变流器，控制两个电气端口电功率的流向和大小。

上述一体化双机械双电气端口机电能量变换器由一个径向磁场电机及其磁阻式旋转变压器位置/转速传感器和一个轴向磁场电机及其磁阻式旋转变压器位置/转速传感器集成。

上述径向磁场电机为无刷结构的转场式同步电机，其结构是：一个电枢铁心、上装有电枢绕组、而固定在机座内，并和左、右端盖构成定子(双机械双电气端口机电能量变换器的静止部件)；一个转轴、上固定安装一个转子铁心和永磁磁极构成转子。径向磁场电机转轴形成第一机械端口；径向磁场电机电枢绕组装有引出线形成第一电气端口。

上述轴向磁场电机为两侧电枢中夹磁场盘式永磁同步电机，其结构是：一个转子铁心和永磁磁极组件直接安装在径向电机转轴上，两个嵌有电枢绕组的电枢铁心分别固定在左、右两个同轴旋转的端盖内，此两端盖的旋转轴即为轴向磁场电机转轴，形成双机械双电气端口机电能量变换器的第二机械端口；轴向磁场电机电枢绕组经集电环由电刷引出，形成第二电气端口。

上述径向磁场电机的磁阻式旋转变压器位置/转速传感器的定子和转子分别安装在径向磁场电机的定子和转子上，测量其电枢和磁极间的相对位置和转速。上述轴向磁场电机的磁阻式旋转变压器位置/转速传感器的定子和转子分别安装在静止部件和轴向磁场电机的旋转端盖上，测量其电枢与静止部件间的相对位置和转速，结合径向磁场电机的电枢和磁极间的相对位置和转速，差分可得到轴向磁场电机电枢和磁极间的相对位置和转速。

双机械双电气端口机电能量变换器各端口能量流的方向和大小都可调控。由于轴向磁场电机和径向磁场电机在磁路上互不干扰，没有耦合，便于独立调控。

本发明的工作原理如下：

实际应用中，双机械双电气端口机电能量变换系统的任一个机械端口可作为输入机械端口，另一个机械端口作为输出机械端口。原动机直接联接到输入机械端口，始终运行在最佳效率点(恒定的功率、转速和转矩：P_m1＝P_m1r、n₁＝n_1r和T_m1＝T_m1r)。输出机械端口直接联接到负载机械，其转速和转矩决定于负载机械的工况(随机变化的功率、转速和转矩：P_m2、n₂和T_m2)。控制器根据各电枢绕组和磁阻式旋转变压器位置/转速传感器馈送的信号控制两个电气端口的电磁功率的流向和大小。

今以轴向磁场电机转轴作为输入机械端口，径向磁场电机转轴作为输出机械端口为例说明双机械双电气端口机电能量变换器的功率平衡关系。

为使关系表达式比较简洁，忽略各项损耗时，原动机输入到轴向磁场电机的功率P_m1可分解为转移功率P_d和转差功率P_e1