专利名称：三端互逆机/电换能器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种具有三个互逆端口的电能-机械能量的转换装置，确切地说，涉及一种可根据随机条件的变化，而实时主动地改变自身的工作方式，成为可在输出电能(发电状态)或者输入电能(电力拖动状态)这两种状态之间变化的新型机电装置--三端互逆机/电换能器。
自从采用电力作为能源，驱动各种机械做功时，人们就一直在探索一种适用于驱动负载不断变化，特别是有时做正功，有时做负功情况下的驱动系统，它可以利用负载的变化，减少电能消耗，甚至是获得电能。例如直流电力机车的直流拖动系统，利用直流电机感生电动势与外供电电压的平衡关系，被动地调整它的输出工况或电力拖动与发电状态，以适应道路的起伏变化。例如抽油机中使用的惯性平衡系统，它利用惯性储能，利用速差，吸收往复运动中的活塞向下运动重力做功所提供的多余能量，在往复运动中的活塞处于向上运动高负载时释放，达到被动稳定工况的目的。但是，利用这些方法的设备装置结构相当复杂，如直流电机的电刷系统，为保证在大电流下的可靠低阻连接，必须有相应复杂结构；惯性平衡系统也需要增加一个庞大的配重。而且，更重要的是，现在已有的方法都是被动调整的，它们都是利用工况的变化来被动变换状态。这些系统基本上是“两端”的，它只有电端(作为电力拖动状态，它是电能输入端，作为发电状态，它是电力输出端)和机械端(作为电力拖动状态，它是机械能输出端，作为发电状态，它是机械能输入端)，而不能根据其它参数来主动控制改变工况。
在世纪相交的今天，信息技术、电力电子和其他尖端技术都在迅速发展，人们已经感觉到我们正生活在一个极其先进、发达的世界中。近年来，电子信息技术的迅猛发展对许多传统产业发生的深远影响，就是当代科技的重要成果之一。用电脑和新的信息传播与控制技术相结合的高科技已经渗透到传统产业的许多领域，并日益向更高层次的深度和广度开拓。而且，这种进展已经或即将对许多按传统概念设计的机电设备提出了更新改造乃至彻底改型重新设计的要求，人们开始期望能够有一种新型高效的能源产生及转换装置来替代传统的电能生产及电力拖动设备，它可以根据各种参数来实时主动控制自身运行工况，以满足保护环境和节约能源资源的需求。
本实用新型的目的是提供一种可以实现上述电能与机械能双向转换功能的新型机电设备--三端互逆机/电换能器。它由信息控制端输入的各种参数来控制电端和机械端的关系与工况。
本实用新型是这样实现的由一个绕组元件和一个磁性元件组成的换能偶件付，以及进行实时数字控制的电子控制装置所组成，其特征在于作为该装置动力换能端的换能偶件付中的绕组元件是由硅钢片铁芯和线圈绕组构成的部件，磁性元件则是使用稀土类磁性材料经磁化后制成的镶件，绕组元件和磁性元件两者其中之一固定于作为动力换能端装置之一部分、相对固定的机体中，另一个则固定于作为动力换能端装置之另一部分、用于机械输入/输出能的相对运动部件上在换能偶件付的绕组元件上外接有由大功率电力电子开关组件构成的AC/DC双向可逆变换器，该双向可逆变换器与直流电力供电网络相连接，作为该装置的电力主端口；有对该AC/DC双向可逆变换器和换能偶件付进行实时控制、并可与其他设备共有的可编程控制器，该可编程控制器设有标准规范的通信接口，作为该装置的信息控制端。
在本实用新型中，作为动力换能端的一部分--相对固定的机体可以是一个带圆柱体空腔的定子，而其另一部分--相对运动部件可以是一个与定子中圆柱体空腔相配合的、被支承并可相对转动的转子。由于分别固定其上面的绕组元件和磁性元件组成的换能偶件付的磁相互作用，实现永磁旋转电机的功能。
在本实用新型中，相对固定的机体可以是一个一端带一平面的线性定子，相对运动部件可以是一个与定子相对应的，可在其上相对移动的线性转子。由于分别固定其上面的绕组元件和磁性元件组成的换能偶件付的磁相互作用，实现永磁直线电机的功能。
相对固定的机体和相对运动部件，不管是平面的还是圆柱的，都可以是本三端互逆机/电换能器换能偶件付的一部分，使本三端互逆机/电换能器是一个独立可运行的机器；它们也可以作为被驱动设备的一部分，只把三端互逆机/电换能器的换能偶件付固定于其中，利用被驱动设备的支持，实现其功能。相对固定的机体可以是一个带圆柱体空腔的定子，相对运动部件可以是一个与定子中圆柱体空腔相配合的，被支承并可相对转动的转子，这样的结构中，绕组元件可以固定于定子的圆柱体空腔内壁，磁性元件可以固定于转子的外壁。由于绕组元件固定于定子的圆柱体空腔内壁，而磁性元件固定于转子的外壁，在转子中没有绕组元件，不存在与转子的电连接问题。而固定于定子中的绕组元件的电连接没有相对运动，因此可用一般的固接方法。
本三端互逆机/电换能器的换能偶件付的磁性元件可以是平面片状的镶块，也可以是条块状或圆弧块状的镶块。
在本三端互逆机/电换能器中，换能偶件付可有多对，如两对、三对、六对，沿相对运动方向分布。在动力换能端为旋转形式的情况中，形成多相，如两相，三相、六相驱动。在动力换能端为直线形式的情况中，换能偶件付中的绕组元件和磁性元件的个数可以不相等，绕组元件可以有多个，如两个、三个、六个，沿相对运动方向分布，磁性元件的个数可以多于绕组元件的个数，沿相对运动方向在整个运动行程内分布。
在本三端互逆机/电换能器中，换能偶件付可以成倍增加，在与运动方向垂直的方向上排列多个，绕组元件可串联或并联后与AC/DC双向可逆变换器的一相相接，不改变其控制相数，但增加能量转换功率，适应大功率驱动的要求。
其中AC/DC双向可逆变换器还可通过另一个双向可逆变换器而与三相交流供电网络相连接。
本实用新型是由微电子器件、大功率电力电子器件和泛能化的动力换能设备(又称，力学电子器件)三种电子器件组成的复合设备。该发明充分利用换能偶件付具有电力/动力转换特点的优良特性，再辅以AC/DC双向可逆变换器、微型计算机或可编程控制器，以及相应的软件操作系统等高科技产品及手段，使之成为新一代的具有人工智能的机械能/电能双向转换功能的换能装置。本实用新型不同于传统的机电设备，它是一种实时可控设备，既可以将标准规范的电能按照信息指令通过动力换能端输出而控制机器的工作状态，也可以将动力换能端随着驱动源动态无序变动的功(机械能)转换成符合电网标准规范的电能而输入供电网络，例如可把原先牵引工作机械中用机械刹车、电阻、无功电流等热耗损手段所白白消耗的能量再次开发转变成电能，这样，既可充分回收能量，提高电网功率因素及能量应用效率；又可减少大气环境中的温室效应污染，达到环保效果。本实用新型具有极其广泛的应用前景，其中动力端的换能偶件可以植入到许多通用或专用的机电设备应用，是改造传统产业的一项创新技术装备。
图1是本实用新型的结构组成示意图；图2是本实用新型的换能偶件付的一个实施例的结构示意图；参见图1，本实用新型是一种电能/机械能的相互转换装置，它包括有由绕组元件11和磁性元件12组成的换能偶件付1，以及对该换能偶件付1进行数字实时控制的电子控制装置，其中换能偶件付1中的绕组元件11是由硅钢片铁芯和线圈绕组构成的部件，磁性元件12则是使用稀土类磁性材料经磁化后作成的镶块，镶块的形状可以是平面片状，也可以条状或圆弧块状的镶块，视其动力部件结构形状而选定。实际上，磁性元件也是一种由无数个微电子“超异绕组”所构成的微电子元件，可以将其磁化后赋予设计规定的磁性特征性能。可以将换能偶件付中的绕组元件11植入动力设备的运动部件而成为该动力设备的转子，磁性元件12则植入该动力设备的静止力学结构部件而成为动力设备的定子。也可以反过来，将换能偶件付中的磁性元件12植入动力设备的运动部件而成为该动力设备的转子，将绕组元件11植入该动力设备的静止力学结构部件而成为动力设备的定子。在绕组元件11上外接有由大功率电力电子开关组件构成的AC/DC双向可逆变换器2，该双向可逆变换器2与直流电力供电网络4相连接，作为其电力主端口。同时，变换器2还可通过加接另一个双向可逆变换器21而与三相交流供电网络5相连接，作为其电力付端口，从而实现与交流电网的连接。这种实时控制的大功率可逆变换器的电路结构主要由若干组大功率电子开关所组成，其主要任务是承担直流与交流之间的可控电力转换(可以是单相，也可以三相的)。小批量试制生产时可用市售的变频器经二次开发改造替代之。该装置还设有一个对双向可逆变换器2和换能偶件付件1进行实时控制、并可与其他设备共有的可编程控制器3，可编程控制器3设有标准规范的通信接口31，作为本实用新型的信息控制端，可编程控制器3与双向可逆变换器2的连接端由可编程控制器3中的程序根据设定的时序和由可编程控制器3的其他信息输入端输入的各种环境及系统参数共同确定，输出双向可逆变换器2所需要的控制脉冲序列。控制脉冲序列决定了双向可逆变换器2的工作状况，从而也决定了动力换能端的换能偶件付的工况。综上所述，本实用新型具有三个可逆端口一个与标准信息网络接续的信息控制端口31，可以从该端口31实时控制本实用新型的运行状态，也可同时实时反馈回本实用新型的各种运行参数；一个通用的电力端口直流供电网4(或)三相交流电网5与本实用新型的连接端，该端口可以从供电网4或5向本实用新型输入电能通过动力端驱动机器运转，也可以由本实用新型将从动力端转换过来的电能向供电网输出；还有一个可用于和各种通用或专用机器的动力部件相嫁接的动力换能端一换能偶件付1，它既可消耗电能输出动力驱动机器运转，也可以由这个端口将来自机器的机械能(或称功)转换成电能进而输入供电网络。
本实用新型的工作原理是当其消耗电能作为电力拖动状态工作时，从供电网络4或5通过双向可逆变换器2向换能偶件付1中的绕组元件11馈电，该双向可逆变换器2把普通工频交流电或直流电受控调变成频率、相位和流量大小都可变的交流电输出，籍此改变绕组元件11的馈电电流的频率、相位和电流大小数值，从而改变动力端的输出转速、加速度、转向和输出扭矩、行程长短。即通过可编程控制器3或者远端网络设备通过信息端31，可使本实用新型对输出转速、转向、加速度、行程和扭矩都实现精确的实时数字控制。而当其处于上述过程的逆状态，即输出电能而处于发电状态工作时，由于动力端口的换能偶件付1中磁性元件12的主动旋转运动，会在绕组元件11中的线圈绕组感应生成电动势，该电动势被双向可逆变换器2受控引出形成电流，经其内部整流转换成直流电而馈送回直流供电网络4，也可经另一双向可逆变换器21转换成三相交流电而馈送回交流三相供电网络5，这些过程也是由可编程控制器3发出相应指令调整、控制相关装置动作而完成的。所以说本实用新型是一种具有三个可逆端口的电能/机械能转换装置。
本实用新型为了能与现有的各种机电设备尽可能兼容，以便推广应用，其每一个端口都最大程度地选用市场上的通用产品作为结构部件，尤其是与传统设备接轨的动力端口，考虑到应用本实用新型之后，原来设备上的许多功能都将由信息系统管理，而原设备中承担这些功能的硬件装置也就不再需要了，从而使设备的机械结构大大简化。实际上，动力换能端就是一对换能偶件付，只要将其安装到原来机器的动力部位，并拆除原来机器上动力部分前的相关系统(例如机械传动系统、自动控制及保护系统等)，就完成了“嫁接”。这样就使该机电设备结构非常简洁，原来上述硬件上的故障隐患也随之排除而使工作更加可靠稳定。由于现有的动力设备中感应电机应用最广泛，所以本实用新型的动力换能端可以与现在使用的电机标准系列相嫁接，成为外观与机械结构都和电机几乎完全相同的形式参见图2，再辅以AC/DC双向可逆变换器和可编程控制器，就可以赋予该电机具有电能/机械能转换的新功能。所以选择这种设计思想，是为了在硬件设备更新换代时，能最大程度地保留传统“遗产”。当然这也是一种权宜之计，如果能与机器合为一体，则在设备造价、安装、维护和能耗上都会更加明显见效。
本实用新型的换能关键部件--换能偶件付1的两个元件(绕组元件11和磁性元件12)的工作机理是相同的，其中一个用作电能转换接口，另一个则作为机械能(功)的转换接口，而且，两者是互逆的。又由于其结构组成极其简洁，只有两个主要部件，其中一个磁性元件又是呈超导形态，因此本实用新型的系统消耗极小，并具有其他换能手段无可比拟的高能量转换效率(通常可达90％以上)。再者，一般换能设备只有运行在额定工况时才能达到其标准效率，实际运行时往往相差甚大，其效率曲线呈驼峰状。而本实用新型的效率曲线基本呈水平状，因此它又是一种具有广谱特性的动力设备。
参见图2，该图是本实用新型中换能偶件付1构成电机结构的一个实施例的示意图，这里的绕组元件11成为嵌装在电机定子机座10中的定子线圈，而磁性元件12则是由若干个圆弧形稀土材料永磁体镶块所构成，安装在该电机转轴13的外缘，构成电机的转子。稀土材料永磁体外侧套有护环14，以加强转子的强度，使之可以承受高速旋转的作用力，图示的转子磁极12为四极，也可成构成六极、八极的磁极。本实用新型也可以将绕组元件11构成电机的转子，而将磁性元件12则作为该电机的定子磁极，这样就能构成本实用新型换能偶件付1的另一种结构形式的实施例。
本实用新型作为带有智能的电能/机械能双向转换的基础装置，可以方便地直接嫁接到各种机械或动力设备上，使机器和动力设备结合一体。作为起步，可以先嫁接到电机和车轮上作成电机形式和车轮式的泛能动力部件。例如将绕组元件嫁接到电机的转子或车轮的轮壳，将磁性元件嫁接到电机的定子或车轮的轮网上，再用这种经过改装的电机和车轮改造现有机电设备及车辆，就会取得突破性的性能改进。例如，应用本实用新型改造捷达轿车，其动力体系就由原来的单一热机动力驱动改造成由热机和本实用新型构成的能源再生装置联合驱动了，其最大输出功率由原来的105马力提高到128马力，百公里油耗、废气排放和加速时间都有明显的改进和提高。在城市中低速行驶时，可以用零排放方式运行；而在高速公路行驶时，可以比原型车具有更高的动力性能，因为本实用新型的能源再生装置与热机同时作为驱动动力，且一次加油后，能行驶更长的路程，在恶劣条件下行驶时通过能力也有所改善。应用本实用新型改造后的泛能轿车，虽然不能达到象电动汽车那样的全零排放的要求，但在城市里慢速行驶时也可以用零排放方式运行，这样至少可使泛能轿车在城市中的排放量减少一半。重要的是这种泛能轿车是以提高其性能价格比的方式引导人们自发履行环保义务，而这一切只要在原型车上嫁接本实用新型的三端换能器就可以做到了，从而使环保公益工程成为切实可行之举。
权利要求1.一种三端互逆机/电换能器，包括有由一个绕组元件和一个磁性元件组成的换能偶件付，以及进行实时数字控制的电子控制装置，其特征在于作为该装置动力换能端的换能偶件付中的绕组元件是由硅钢片铁芯和线圈绕组构成的部件，磁性元件则是使用稀土类磁性材料经磁化后制成的镶件，绕组元件和磁性元件两者其中之一固定于相对固定的机体中，另一个则固定于用于机械输入/输出能的相对运动部件上；在换能偶件付的绕组元件上外接有由大功率电力电子开关组件构成的AC/DC双向可逆变换器，该双向可逆变换器与直流电力供电网络相连接，作为该装置的电力主端口；有对该AC/DC双向可逆变换器和换能偶件付进行实时控制、并可与其他设备共有的可编程控制器，该可编程控制器设有标准规范的通信接口，作为该装置的信息控制端。
2.如权利要求1所述的三端互逆机/电换能器，其特征在于作为动力换能端的一部分--相对固定的机体是一个带圆柱体空腔的定子，而其另一部分--相对运动部件是一个与定子中圆柱体空腔相配合的、被支承并可相对转动的转子。
3.如权利要求1所述的三端互逆机/电换能器，其特征在于作为动力换能端的一部分--相对固定的机体是一个一端带一平面的线性定子，而其另一部分一相对运动部件是一个与定子相对应的，可在其上相对移动的线性转子。
4.如权利要求2所述的三端互逆机/电换能器，其特征在于绕组元件固定于定子的圆柱体空腔内壁，磁性元件固定于转子的外壁。
5.如权利要求1所述的三端互逆机/电换能器，其特征在于其中换能偶件付的磁性元件可以是平面片状的镶块，也可以是条块状或圆弧块状的镶块。
6.如权利要求1所述的三端互逆机/电换能器，其特征在于其中AC/DC双向可逆变换器还可通过另一个双向可逆变换器而与三相交流供电网络相连接。
专利摘要一种三端互逆机/电换能器,包括有作为动力端的换能偶件副,在换能偶件副的绕组元件上外接有大功率电力电子开关组件构成的双向可逆变换器,该可逆变换器与直流供电网络相连接,作为其电力主端口,有对可逆变换器和换能偶件付进行控制的可编程控制器,该可编程控制器的通信接口,则为其信息端。该装置利用换能偶件付具有电力/动力转换特点,再辅以数字电子控制装置和相应软件构成了新一代具有智能的机械能/电能转换功能的换能装置。
文档编号H02K57/00GK2313329SQ97228138
公开日1999年4月7日 申请日期1997年10月9日 优先权日1997年10月9日
发明者华宏荪 申请人:华宏荪