双机械双电气端口机电能量变换系统技术方案

本发明专利技术涉及一种双机械双电气端口机电能量变换系统。它包括机电能量变换器、静止双向变流器、能量存储器和控制器，所述机电能量变换器为一体化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，可控制两个电气端口电功率的流向和大小，使原动机在负载机械工况随机变化的情况下都能够维持最高效率运行，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术的构思是 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。 根据上述专利技术构思，本专利技术的技术方案是 —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3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。 本专利技术的工作原理如下 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^二P^、r^二r^和L二TmJ。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Pm2、n2和Tm2)。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 Pml可分解为转移功率Pd和转差功率Pel Pmi = Pd+Pel (1)p _ 2;r("。) 转差功率P^即为轴向磁场电机电枢的电功率输出(负值为输入)。转移功率Pd 由轴向磁场电机传递给径向磁场电机，其与负载机械功率P^的差值即为径向磁场电机电 枢的电功率输入(负值为输出)Pe2 Pe2 = Pm2-Pd (4) 显然功率平衡关系为 Pm「Pel = Pm2-Pe2 (5) 当ni > n2时，P^ > O，轴向磁场电机电枢输出电功率，否则输入电功率。若Tm2 >Tml， Pe2 > O，径向磁场电机电枢输入电功率，否则输出电功率(具体见图3)。 径向磁场电机轴作为输入机械端口 ，轴向磁场电机轴作为输出机械端口时，双机械双电气端口机电能量变换器的功率平衡情况相似，不再赘述。 由于转移功率Pd是直接传递的，双机械双电气端口机电能量变换器的效率较高。 双机械双电气端口机电能量变换器可使用各种调节策略。就各端口运行参数的独 立性而言，上述调节策略，调节很方便。 双机械双电气端口机电能量变换器内部有多个热源，主要热源是两个电机的电枢 绕组及其铁心，它们的冷却是个很重要的问题。本结构中轴向磁场电机端盖外表面大，并可 分布适当形状的散热筋，旋转时自然形成强迫风冷散热方式将电枢发热导出；径向磁场电 机静止机座可内置水道采用液冷散热方式将电枢发热导出。 本专利技术与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点 1)双机械双电气端口机电能量变换系统使原动机与负载机械在机械上解耦，通过 其各端口的协调工作，在负载机械工况随机变化时，原动机始终都能够维持最高效率运行， 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。 2)双机械双电气端口机电能量变换器的轴向磁场电机和径向磁场电机一体化结 构中，两个电机的磁路互相独立，有利于两个电机的独立控制。 3)双机械双电气端口机电能量变换器的轴向磁场电机与径向磁场电机可分别采 用适当的冷却方式，增大系统的散热面积，提高系统的冷却效果。 4)双机械双电气端口机电能量变换器中，两个磁阻式旋转变压器位置/转速传感 器集成安装在径向磁场电机内和轴向磁场电机和径向磁场电机之间，安装方便，而且可以 在严酷的环境下运行，性能稳定，可靠性高。 5)双机械双电气端口机电能量变换器的轴向磁场电机的磁阻式旋转变压器位置 /转速传感器不需要滑环_电刷。轴向磁场电机的电枢和磁极间的相对位置和转速，可由两 个磁阻式旋转变压器位置/转速传感器信号差分得到，算法简单。 6)采用上述的调节策略时，双机械双电气端口机电能量变换器各端口运行参数的 独立性好，调节很方便。附图说明 图1是双机械双电气端口机电能量变换系统结构框图。图2是一体化双机械双电气端口机电能量变换器的结构示意图。 图3是双机械双电气端口机电能量变换器的工作特性图。具体实施例方式下面结合附图和具体实施方案对本专利技术的双机械双电气端口机电能量变换系统 作进一步说明。 实施例一 参见图l，本双机械双电气端口机电能量变换器系统，包括一个机电能 量变换器1、两个静本文档来自技高网...

【技术保护点】
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（１）、两个静止双向变流器（２，３）、一个能量存储器（４）和一个控制器（５），其特征在于所述机电能量变换器（１）为一体化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（２３，２８）分别各通过一个静止双向变流器（２，３）与所述能量存储器（４）相连，所述控制器（５）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（２，３），控制两个电气端口（２３，２８）电功率的流向和大小。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄苏融，张琪，谢国栋，张云环，赵佳蓉，刘长瑞，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]