一種儲能和驅動集成裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種儲能和驅動一體化的集成裝置。
【背景技術】
[0002]在機動車輛啟動、機動車輛沖擊試驗、移動機械加速試驗、電磁加速系統(tǒng)等快速運動領域，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換為機械加速運動，為此需要儲能裝置、能量轉換裝置以及驅動機械傳動裝置。上述運行方式的一個重要特點是間歇性工作，動作時間很短，瞬間輸出功率很高。與上述工作相對應的方法為儲能方法、發(fā)電方法和電機驅動方法。
[0003]目前儲能方法主要有基于電容器的電場儲能、基于電感的磁場儲能、基于電池的化學儲能、基于慣性的飛輪儲能，以及抽水蓄能、壓縮空氣儲能等等。飛輪儲能具有儲能密度大、效率高、功率強、響應速度快、使用壽命長、地理環(huán)境適應性好等諸多優(yōu)點，是目前最有發(fā)展前途的儲能技術之一。
[0004]目前的飛輪儲能系統(tǒng)是將電能或其他動能轉化為飛輪動能，然后再通過飛輪帶動發(fā)電機將動能轉化為電能，以此來調節(jié)輸出的電功率。飛輪儲能已經(jīng)開始應用于新能源電網(wǎng)調頻調峰、電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制、電能質量治理、軌道交通和電動汽車車輛供電、功率脈沖電源等領域。但是，上述應用比較關注飛輪儲能系統(tǒng)的儲能容量、自放電率以及發(fā)電電壓的穩(wěn)定性等，在將儲存的能量釋放時，都是以電能的形式輸出，若要驅動負載機械，必須再借助于電動機的輸出、將電能轉換為可控制的機械能，進行能量的二次轉化，即實施“慣性能—電能一機械能”的轉換過程，至少需要“飛輪儲能發(fā)電機”+ “驅動電動機”兩套獨立機構，使系統(tǒng)裝置復雜，不利于系統(tǒng)效率的提高。尤其是對于間歇性、短時沖擊型負載，若要將存儲的能量以電能的形式釋放，并將釋放的較大能量供給電動機以驅動機械負載，運行過程會給系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)造成比較嚴重的電氣和機械沖擊，同時龐大的體積和質量不適合于經(jīng)常移動場合的應用。
[0005]在工業(yè)調速領域得到應用的電磁耦合調速電機(也稱電磁滑差調速電機)是一種由主動轉子和從動轉子組成的雙轉子電機，由該電機組成的調速系統(tǒng)至少包括原電動機、電磁親合調速電機、輸出機械三部分，原電動機功率不小于電磁親合調速電機功率、外部電源持續(xù)提供調速需要的功率。通過調節(jié)電磁耦合調速電機的勵磁功率，實現(xiàn)將原電動機輸出軸和電磁親合調速電機的主動轉子的旋轉機械能轉換為從動轉子和負載旋轉機械能，實現(xiàn)對從動轉子和負載的調速。在調速過程中原電動機和與之聯(lián)接的電磁耦合調速電機的主動轉子轉速不變，從動轉子和輸出負載轉速改變。
[0006]王承煦等在清華大學學報1980年第20卷第31期中發(fā)表的“變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的理論分析及實驗研究”提出了將電磁耦合調速電機(文中稱為電磁滑差連接裝置)應用于風力發(fā)電中的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中。當風機的轉速由于風速的變化而改變時，與之聯(lián)接的電磁耦合調速電機的主動軸轉速將隨之改變，但與交流同步發(fā)電機硬性聯(lián)接的電磁耦合調速電機的從動軸轉速則可以通過調節(jié)電磁耦合調速電機的勵磁電流而維持不變。所以該變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)是在風機及發(fā)電機之間藉助電磁耦合調速電機的電磁聯(lián)系實現(xiàn)滑差聯(lián)接，在風機風速多變的情況下，保證電磁耦合調速電機輸出軸和發(fā)電機電樞的轉速不變、從而使發(fā)電機輸出穩(wěn)定頻率的電源。其系統(tǒng)組成至少包括風機、電磁耦合調速電機和發(fā)電機，輸出量為電能。
[0007]陳基和等在清華大學學報自然科學版2011年第51卷第3期中發(fā)表的文章“基于電磁耦合器調速的新變速恒頻風力發(fā)電機組”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速電機中的直流勵磁繞組，實時調節(jié)主動轉子(外轉子)三相勵磁繞組中電流，從而控制電磁耦合器傳遞的轉矩、使電磁耦合調速電機輸出軸和發(fā)電機電樞轉速不變。該文章涉及的系統(tǒng)組成也至少包括風機、電磁耦合調速電機和發(fā)電機，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)有儲能和驅動分離裝置系統(tǒng)復雜、可靠性低、抗沖擊性弱的缺點，提出一種儲能和驅動集成裝置。本發(fā)明將慣性儲能與電磁耦合調速電機相結合，實現(xiàn)將慣性儲能直接轉化成機械能輸出。
[0009]本發(fā)明的儲能和驅動集成裝置具有加速儲能和驅動負載兩種工作模式，在加速儲能模式中，變流器控制較小功率的儲能電動機帶動儲能驅動電機的主動轉子和飛輪在較長的時間內(nèi)從靜止逐漸加速到較高的轉速，將電能量以動能形式存儲起來；在驅動負載模式中，勵磁電源向勵磁繞組提供需要的勵磁電流，在儲能驅動電機的主動轉子和從動轉子之間的氣隙中建立磁場并在儲能驅動電機的兩個轉子中產(chǎn)生電磁轉矩，使從動轉子和負載加速、主動轉子減速，將儲存的能量在較短時間內(nèi)直接以從動轉子的機械能形式釋放出去。
[0010]本發(fā)明結構簡單、可靠性高、系統(tǒng)能效指標好，同時極大降低對外部動力源供給功率的要求，適用于機動車輛啟動、機動車輛沖擊試驗、移動機械加速試驗、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換為機械加速運動的場合，以及需要系統(tǒng)輕量化、便于系統(tǒng)移動的領域。由于系統(tǒng)可以循環(huán)工作，加速儲能時間比驅動負載工作時間長，外部電源和儲能電動機功率很小，可設計為為儲能驅動電機功率的10%或更低。
[0011]本發(fā)明解決技術問題采用的技術方案如下:
[0012]本發(fā)明的儲能和驅動集成裝置由變流器、勵磁電源、儲能開關、勵磁開關、儲能電動機、入端聯(lián)軸器、儲能驅動電機、出端聯(lián)軸器、負載轉軸、負載傳動輪、以及轉速傳感器組成；所述的變流器通過儲能開關與儲能電動機電氣連接，儲能電動機的輸出軸通過聯(lián)軸器與儲能驅動電機的主動軸聯(lián)接、同速旋轉，勵磁電源通過勵磁開關與儲能驅動電機的電刷電氣連接，負載傳動輪與儲能驅動電機的從動轉子通過聯(lián)軸器聯(lián)接，同速轉動；轉速傳感器安裝在負載轉軸的伸出端；轉速傳感器測量得到的負載傳動輪轉速信息傳至勵磁電源，用來閉環(huán)控制勵磁電流的大小。
[0013]所述的變流器用來控制儲能電動機的旋轉速度，所述的勵磁電源根據(jù)負載傳動輪轉速指令和轉速傳感器測量得到的負載傳動輪轉速信息，閉環(huán)調節(jié)饋入到儲能驅動電機勵磁繞組中的電流；根據(jù)所述的儲能驅動電機的勵磁繞組是直流勵磁繞組還是交流勵磁繞組，勵磁電源輸出的電流可以是直流電或交流電；所述的儲能開關將變流器與儲能電動機接通或斷開；所述的勵磁開關將勵磁電源與儲能驅動電機的電刷進而與儲能驅動電機的勵磁繞組接通或斷開，兩個開關不能同時閉合；所述的儲能電動機可以選擇交流異步電機，也可以選擇交流同步電機，直流電機或其他可以調速的電動機。儲能電動機輸出功率與儲能過程時間有關，本發(fā)明中儲能電動機輸出功率大大小于所述的儲能驅動電機功率。
[0014]儲能驅動電機包括主動軸、電刷、滑環(huán)、飛輪、主動轉子、轉子鐵芯、勵磁繞組、從動轉子、導電層、從動軸以及相應的結構件；飛輪與主動轉子同軸安裝，主動軸和從動軸安裝在同一軸線，主動轉子和從動轉子能夠分別獨立轉動；主動轉子固定在主動軸上，從動轉子固定在從動軸上，主動軸和從動軸通過各自的軸承安裝在機座上；電刷與滑環(huán)摩擦接觸，滑環(huán)安裝在主動軸上或從動軸上，將來自于勵磁電源的電流引入電機勵磁繞組。
[0015]所述的儲能驅動電機設置主動轉子和從動轉子，兩套轉子之間有數(shù)毫米長的氣隙、沒有機械上的聯(lián)接，在空間位置上為同一軸線裝配，可以分別獨立轉動。為了滿足儲能要求，在主動轉子上設置一副飛輪。為了減小從動轉子的轉動慣量、使系統(tǒng)能以較小的功率快速提高從動轉子轉速，主動轉子設計為外轉子、從動轉子為內(nèi)轉子為優(yōu)先選擇；也可以根據(jù)實際要求將主動轉子設計為內(nèi)轉子、從動轉子設計為外轉子。
[0016]所述的勵磁繞組可以設置在主動轉子上、也可以設置在從動轉子上。勵磁繞組所在的轉子設置轉子鐵芯。由于勵磁繞組通常由銅導線繞制而成，質量和轉動慣量較大，將勵磁繞組設置在主動轉子上為優(yōu)選方案。
[0017]所述的轉子鐵芯可以是凸極結構、也