一種儲(chǔ)能和驅(qū)動(dòng)集成裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種儲(chǔ)能和驅(qū)動(dòng)一體化的集成裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在機(jī)動(dòng)車輛啟動(dòng)、機(jī)動(dòng)車輛沖擊試驗(yàn)、移動(dòng)機(jī)械加速試驗(yàn)、電磁加速系統(tǒng)等快速運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，需要瞬間提供較大的能量和功率、并將該較大的能量和功率轉(zhuǎn)換為機(jī)械加速運(yùn)動(dòng)，為此需要儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置以及驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)裝置。上述運(yùn)行方式的一個(gè)重要特點(diǎn)是間歇性工作，動(dòng)作時(shí)間很短，瞬間輸出功率很高。與上述工作相對(duì)應(yīng)的方法為儲(chǔ)能方法、發(fā)電方法和電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法。
[0003]目前儲(chǔ)能方法主要有基于電容器的電場(chǎng)儲(chǔ)能、基于電感的磁場(chǎng)儲(chǔ)能、基于電池的化學(xué)儲(chǔ)能、基于慣性的飛輪儲(chǔ)能，以及抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能等等。飛輪儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能密度大、效率高、功率強(qiáng)、響應(yīng)速度快、使用壽命長(zhǎng)、地理環(huán)境適應(yīng)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前最有發(fā)展前途的儲(chǔ)能技術(shù)之一。
[0004]目前的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是將電能或其他動(dòng)能轉(zhuǎn)化為飛輪動(dòng)能，然后再通過(guò)飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，以此來(lái)調(diào)節(jié)輸出的電功率。飛輪儲(chǔ)能已經(jīng)開始應(yīng)用于新能源電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰、電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制、電能質(zhì)量治理、軌道交通和電動(dòng)汽車車輛供電、功率脈沖電源等領(lǐng)域。但是，上述應(yīng)用比較關(guān)注飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量、自放電率以及發(fā)電電壓的穩(wěn)定性等，在將儲(chǔ)存的能量釋放時(shí)，都是以電能的形式輸出，若要驅(qū)動(dòng)負(fù)載機(jī)械，必須再借助于電動(dòng)機(jī)的輸出、將電能轉(zhuǎn)換為可控制的機(jī)械能，進(jìn)行能量的二次轉(zhuǎn)化，即實(shí)施“慣性能—電能一機(jī)械能”的轉(zhuǎn)換過(guò)程，至少需要“飛輪儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)”+ “驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)”兩套獨(dú)立機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)裝置復(fù)雜，不利于系統(tǒng)效率的提高。尤其是對(duì)于間歇性、短時(shí)沖擊型負(fù)載，若要將存儲(chǔ)的能量以電能的形式釋放，并將釋放的較大能量供給電動(dòng)機(jī)以驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載，運(yùn)行過(guò)程會(huì)給系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)造成比較嚴(yán)重的電氣和機(jī)械沖擊，同時(shí)龐大的體積和質(zhì)量不適合于經(jīng)常移動(dòng)場(chǎng)合的應(yīng)用。
[0005]在工業(yè)調(diào)速領(lǐng)域得到應(yīng)用的電磁耦合調(diào)速電機(jī)(也稱電磁滑差調(diào)速電機(jī))是一種由主動(dòng)轉(zhuǎn)子和從動(dòng)轉(zhuǎn)子組成的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)，由該電機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)至少包括原電動(dòng)機(jī)、電磁親合調(diào)速電機(jī)、輸出機(jī)械三部分，原電動(dòng)機(jī)功率不小于電磁親合調(diào)速電機(jī)功率、外部電源持續(xù)提供調(diào)速需要的功率。通過(guò)調(diào)節(jié)電磁耦合調(diào)速電機(jī)的勵(lì)磁功率，實(shí)現(xiàn)將原電動(dòng)機(jī)輸出軸和電磁親合調(diào)速電機(jī)的主動(dòng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為從動(dòng)轉(zhuǎn)子和負(fù)載旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)對(duì)從動(dòng)轉(zhuǎn)子和負(fù)載的調(diào)速。在調(diào)速過(guò)程中原電動(dòng)機(jī)和與之聯(lián)接的電磁耦合調(diào)速電機(jī)的主動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，從動(dòng)轉(zhuǎn)子和輸出負(fù)載轉(zhuǎn)速改變。
[0006]王承煦等在清華大學(xué)學(xué)報(bào)1980年第20卷第31期中發(fā)表的“變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的理論分析及實(shí)驗(yàn)研究”提出了將電磁耦合調(diào)速電機(jī)(文中稱為電磁滑差連接裝置)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中。當(dāng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由于風(fēng)速的變化而改變時(shí)，與之聯(lián)接的電磁耦合調(diào)速電機(jī)的主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速將隨之改變，但與交流同步發(fā)電機(jī)硬性聯(lián)接的電磁耦合調(diào)速電機(jī)的從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速則可以通過(guò)調(diào)節(jié)電磁耦合調(diào)速電機(jī)的勵(lì)磁電流而維持不變。所以該變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)是在風(fēng)機(jī)及發(fā)電機(jī)之間藉助電磁耦合調(diào)速電機(jī)的電磁聯(lián)系實(shí)現(xiàn)滑差聯(lián)接，在風(fēng)機(jī)風(fēng)速多變的情況下，保證電磁耦合調(diào)速電機(jī)輸出軸和發(fā)電機(jī)電樞的轉(zhuǎn)速不變、從而使發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)定頻率的電源。其系統(tǒng)組成至少包括風(fēng)機(jī)、電磁耦合調(diào)速電機(jī)和發(fā)電機(jī)，輸出量為電能。
[0007]陳基和等在清華大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版2011年第51卷第3期中發(fā)表的文章“基于電磁耦合器調(diào)速的新變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組”提出采用變頻器供電的三相交流繞組取代上述王承煦提出的電磁耦合調(diào)速電機(jī)中的直流勵(lì)磁繞組，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)主動(dòng)轉(zhuǎn)子(外轉(zhuǎn)子)三相勵(lì)磁繞組中電流，從而控制電磁耦合器傳遞的轉(zhuǎn)矩、使電磁耦合調(diào)速電機(jī)輸出軸和發(fā)電機(jī)電樞轉(zhuǎn)速不變。該文章涉及的系統(tǒng)組成也至少包括風(fēng)機(jī)、電磁耦合調(diào)速電機(jī)和發(fā)電機(jī)，輸出量為電能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有儲(chǔ)能和驅(qū)動(dòng)分離裝置系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性低、抗沖擊性弱的缺點(diǎn)，提出一種儲(chǔ)能和驅(qū)動(dòng)集成裝置。本發(fā)明將慣性儲(chǔ)能與電磁耦合調(diào)速電機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)將慣性儲(chǔ)能直接轉(zhuǎn)化成機(jī)械能輸出。
[0009]本發(fā)明的儲(chǔ)能和驅(qū)動(dòng)集成裝置具有加速儲(chǔ)能和驅(qū)動(dòng)負(fù)載兩種工作模式，在加速儲(chǔ)能模式中，變流器控制較小功率的儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主動(dòng)轉(zhuǎn)子和飛輪在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)從靜止逐漸加速到較高的轉(zhuǎn)速，將電能量以動(dòng)能形式存儲(chǔ)起來(lái)；在驅(qū)動(dòng)負(fù)載模式中，勵(lì)磁電源向勵(lì)磁繞組提供需要的勵(lì)磁電流，在儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主動(dòng)轉(zhuǎn)子和從動(dòng)轉(zhuǎn)子之間的氣隙中建立磁場(chǎng)并在儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的兩個(gè)轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使從動(dòng)轉(zhuǎn)子和負(fù)載加速、主動(dòng)轉(zhuǎn)子減速，將儲(chǔ)存的能量在較短時(shí)間內(nèi)直接以從動(dòng)轉(zhuǎn)子的機(jī)械能形式釋放出去。
[0010]本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、系統(tǒng)能效指標(biāo)好，同時(shí)極大降低對(duì)外部動(dòng)力源供給功率的要求，適用于機(jī)動(dòng)車輛啟動(dòng)、機(jī)動(dòng)車輛沖擊試驗(yàn)、移動(dòng)機(jī)械加速試驗(yàn)、電磁加速系統(tǒng)等需要瞬間提供較大的功率、并將該較大的功率轉(zhuǎn)換為機(jī)械加速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，以及需要系統(tǒng)輕量化、便于系統(tǒng)移動(dòng)的領(lǐng)域。由于系統(tǒng)可以循環(huán)工作，加速儲(chǔ)能時(shí)間比驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作時(shí)間長(zhǎng)，外部電源和儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)功率很小，可設(shè)計(jì)為為儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的10%或更低。
[0011]本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案如下:
[0012]本發(fā)明的儲(chǔ)能和驅(qū)動(dòng)集成裝置由變流器、勵(lì)磁電源、儲(chǔ)能開關(guān)、勵(lì)磁開關(guān)、儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)、入端聯(lián)軸器、儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)電機(jī)、出端聯(lián)軸器、負(fù)載轉(zhuǎn)軸、負(fù)載傳動(dòng)輪、以及轉(zhuǎn)速傳感器組成；所述的變流器通過(guò)儲(chǔ)能開關(guān)與儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)電氣連接，儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)的輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器與儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主動(dòng)軸聯(lián)接、同速旋轉(zhuǎn)，勵(lì)磁電源通過(guò)勵(lì)磁開關(guān)與儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電刷電氣連接，負(fù)載傳動(dòng)輪與儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的從動(dòng)轉(zhuǎn)子通過(guò)聯(lián)軸器聯(lián)接，同速轉(zhuǎn)動(dòng)；轉(zhuǎn)速傳感器安裝在負(fù)載轉(zhuǎn)軸的伸出端；轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量得到的負(fù)載傳動(dòng)輪轉(zhuǎn)速信息傳至勵(lì)磁電源，用來(lái)閉環(huán)控制勵(lì)磁電流的大小。
[0013]所述的變流器用來(lái)控制儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，所述的勵(lì)磁電源根據(jù)負(fù)載傳動(dòng)輪轉(zhuǎn)速指令和轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量得到的負(fù)載傳動(dòng)輪轉(zhuǎn)速信息，閉環(huán)調(diào)節(jié)饋入到儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)電機(jī)勵(lì)磁繞組中的電流；根據(jù)所述的儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的勵(lì)磁繞組是直流勵(lì)磁繞組還是交流勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁電源輸出的電流可以是直流電或交流電；所述的儲(chǔ)能開關(guān)將變流器與儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)接通或斷開；所述的勵(lì)磁開關(guān)將勵(lì)磁電源與儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電刷進(jìn)而與儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的勵(lì)磁繞組接通或斷開，兩個(gè)開關(guān)不能同時(shí)閉合；所述的儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)可以選擇交流異步電機(jī)，也可以選擇交流同步電機(jī)，直流電機(jī)或其他可以調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)輸出功率與儲(chǔ)能過(guò)程時(shí)間有關(guān)，本發(fā)明中儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)輸出功率大大小于所述的儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率。
[0014]儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)電機(jī)包括主動(dòng)軸、電刷、滑環(huán)、飛輪、主動(dòng)轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子鐵芯、勵(lì)磁繞組、從動(dòng)轉(zhuǎn)子、導(dǎo)電層、從動(dòng)軸以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件；飛輪與主動(dòng)轉(zhuǎn)子同軸安裝，主動(dòng)軸和從動(dòng)軸安裝在同一軸線，主動(dòng)轉(zhuǎn)子和從動(dòng)轉(zhuǎn)子能夠分別獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)；主動(dòng)轉(zhuǎn)子固定在主動(dòng)軸上，從動(dòng)轉(zhuǎn)子固定在從動(dòng)軸上，主動(dòng)軸和從動(dòng)軸通過(guò)各自的軸承安裝在機(jī)座上；電刷與滑環(huán)摩擦接觸，滑環(huán)安裝在主動(dòng)軸上或從動(dòng)軸上，將來(lái)自于勵(lì)磁電源的電流引入電機(jī)勵(lì)磁繞組。
[0015]所述的儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)置主動(dòng)轉(zhuǎn)子和從動(dòng)轉(zhuǎn)子，兩套轉(zhuǎn)子之間有數(shù)毫米長(zhǎng)的氣隙、沒有機(jī)械上的聯(lián)接，在空間位置上為同一軸線裝配，可以分別獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)。為了滿足儲(chǔ)能要求，在主動(dòng)轉(zhuǎn)子上設(shè)置一副飛輪。為了減小從動(dòng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、使系統(tǒng)能以較小的功率快速提高從動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，主動(dòng)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為外轉(zhuǎn)子、從動(dòng)轉(zhuǎn)子為內(nèi)轉(zhuǎn)子為優(yōu)先選擇；也可以根據(jù)實(shí)際要求將主動(dòng)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為內(nèi)轉(zhuǎn)子、從動(dòng)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為外轉(zhuǎn)子。
[0016]所述的勵(lì)磁繞組可以設(shè)置在主動(dòng)轉(zhuǎn)子上、也可以設(shè)置在從動(dòng)轉(zhuǎn)子上。勵(lì)磁繞組所在的轉(zhuǎn)子設(shè)置轉(zhuǎn)子鐵芯。由于勵(lì)磁繞組通常由銅導(dǎo)線繞制而成，質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，將勵(lì)磁繞組設(shè)置在主動(dòng)轉(zhuǎn)子上為優(yōu)選方案。
[0017]所述的轉(zhuǎn)子鐵芯可以是凸極結(jié)構(gòu)、也