一种基于多转子发电机实现电源逆变的机电装置的制作方法

1.本实用新型涉及电源逆变的设计领域，具体涉及一种基于多转子发电机实现电源逆变的机电装置。


背景技术：

2.电源逆变器的使用功能是把直流电变换为交流电，行业通称dc-ac，在光伏发电和储能并网应用广泛，常规技术是采用高频电子开关电路制造。
3.针对电子逆变器的实用缺陷，不少技术人员开始尝试运用历史上的技术老线路，即采用直流电动机或附加飞轮直接驱动发电机旋转发交流电，该技术方向之所以电能转换效率不低，得益于永磁材料、数字控制技术的进步以及旋翼无人机的专用电动机技术成熟，基于数字控制技术和这类专用电动机更适合应用在具有旋转惯性的负载，人们很自然尝试回归驱动发电机旋转发交流电的技术老线路，意图在电源逆变器领域有所作为；该电源逆变的技术老线路之所以被充分重视，尤其得益于近年数字电流直接驱动的旋转电动机的技术进步，其供电非连续，转矩大，磁阻尼小，当负载为旋转体时更有利于发挥惯性，节省驱动电能。
4.机电逆变装置最大的优点是输出波形为正弦波，功率越大越显现技术优势。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的，在于弥补现有电子逆变器受限于功率元器件的固有缺陷，提供一种通过电动机消耗直流电源而联动多转子发电机发出正弦波交流电、实现高效率电源逆变的机电装置，电能转换效率高。
6.为实现上述技术目标，本实用新型提供了一种基于多转子发电机实现电源逆变的机电装置，该机电装置包括多转子发电机、单向轴承、电动机和电源调制器；所述的发电机和电动机为旋转式；所述的多转子发电机包括至少两个转子；所述多转子发电机转子的转轴通过单向轴承与电动机转子的转轴同轴心机械固连；电动机由电源调制器控制驱动，电动机的电源端连接或通过电源调制器连接直流电源；所述的直流电源包括光伏装置、一次电池或二次电池。
7.本实用新型所述的多转子发电机是一种特殊设计的发电机，特点是发电机系统具有至少两个转子；所述的一次电池例如锌空气电池、铝空气电池，所述的二次电池例如锂电池、锌镍电池、铅酸电池及其串并联组合的储能装置；电源调制器的基础功能是控制电动机的转速，包括把直流电源转换为脉冲电流。
8.上述技术方案中，所述的多转子发电机为盘式发电机，其包括n个定子、2n或 n+1个转子，n为≥1的正整数；定子和转子呈平面圆盘结构且轴向交替排布；定子包括定子铁芯和若干定子绕组，定子铁芯固定在座架上；转子包括磁轭和若干永磁体，转子的转轴通过轴承固定在座架上。盘式电机是近年技术成熟的一类特种电机，包括电动机和发电机，结构相对紧凑，机械能-电能之间转换效率较高；常规结构具有一个定子、两个转子，所述盘式发电
机不限于一个定子、两个转子结构。
9.上述技术方案包括设置飞轮；所述的飞轮为固体成形材料制成的环状大质量转盘，其内环以机械固定方式设置在多转子发电机与单向轴承之间的转轴部位。多转子发电机通常配合转轴加装飞轮应用，可充分利用飞轮的惯性动量，所述大质量是相对电动机转子而言，该技术优选可进一步发挥多转子发电机的特有技术优势；飞轮质量越大越有利于发挥转动惯量，但必须以电动机有效驱动飞轮为前提。
10.上述技术方案中，所述的电动机为脉冲数字电流驱动；电动机的电源端通过电源调制器连接直流电源。由脉冲数字电流控制驱动的旋转电动机，业内简称数控电动机，其驱动特点是非连续的脉冲数字电流，磁阻尼小，消耗同样的直流电可获得更大转矩；商品化的数控电动机通常配置专用的电源调制器(也称控制器)，该类专用调制器可视为本实用新型所述电源调制器的组成部分，甚至全部。
11.上述技术方案中，所述的电源调制器包括开关电路和逻辑模块；逻辑模块内贮有控制程序，其控制端连接开关电路；开关电路的输出端电连接电动机电源端，其输入端电连接所述的直流电源。该设计优选是运用电源调制器中逻辑模块对开关电路的控制，使所述的机电装置进一步节省直流电能。
12.上述技术方案中，所述逻辑模块的信号输入端通过外围电路连接多转子发电机的电源输出端，或连接监测飞轮转速的电信号装置。该设计优选是运用对发电机的电源输出或飞轮转速的监测，通过逻辑模块的编程控制使电动机节电运行。
13.上述的机电装置还包括整流电路；整流电路的控制端电连接逻辑模块，其输入端电连接多转子发电机的电源输出端，其输出端电连接所述的二次电池。机电装置的负载工况非绝对稳恒，存在功耗涨落，外部实时直流电源采用光伏装置同样存在供电涨落，该设计优选是配合二次电池的储能，通过逻辑模块的逻辑程序控制把发电机的实时富余电能暂存，使所述机电装置的交流电输出更稳定。
14.本实用新型的实质性特点是在电源调制器的控制下，通过电动机驱动多转子发电机旋转获得正弦波交流电，由于联动的飞轮具有可观的转动惯量，可以在一定时间间隔内控制电动机非连续消耗直流电，包括采用脉冲数字电流驱动的电动机；电动机转子通过单向轴承驱动多转子发电机的技术意义，正在于电动机在电源调制器控制间歇断电的状态下，单向轴承可充分发挥超越离合的功能，使发电机的转子在大质量飞轮的转动惯量作用下联动运行发电，节省消耗直流电；换言之本实用新型电源逆变效率较高的技术原因，在于单向轴承和电源调制器的组合运用。
15.本实用新型的电源调制器可通过外围电路或监测飞轮转速的电信号装置监察发电机的工况，控制电动机节能运行；在所述机电装置进一步设置整流装置可把多转子发电机的实时富余电能储存在二次电池，提高电能利用率；安装机电装置的机械架件只要实现有效支撑，材料和结构可以任意。
16.本实用新型的优点在于：通过电源调制器控制电动机和单向轴承的组合作用，可充分发挥飞轮的转动惯量，使多转子发电机高效率变换交流电，采用特种盘式发电机的转换效率更高，交流电波形好，尤其适合制造大功率机电装置。
附图说明
17.图1是本实用新型所述机电装置的一种机械结构局部示意图；
18.图2是增加设置飞轮的一种机械结构局部示意图；
19.图3是单向轴承部分嵌入电动机飞轮内部安装的一种局部结构示意图；
20.图4是所述特种盘式发电机的一种局部结构示意图；
21.图5是盘式发电机中定子的一种局部结构示意图；
22.图6是盘式发电机中转子的一种局部结构示意图；
23.图7是电动机转子通过单向轴承与盘式发电机转子安装的一种局部结构示意图；
24.图8是电源调制器的基础结构及控制关系的一种工作逻辑示意图；
25.图9是外围电路为逻辑模块提供信号的一种工作逻辑示意图；
26.图10是包括整流电路和二次电池的一种工作逻辑控制关系示意图。
27.附图标识：
28.1、发电机定子
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1a、定子铁芯
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1b、定子绕组2、电动机转子
29.3、发电机转子
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3a、磁轭
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3b、永磁体
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4、单向轴承
30.5、转轴
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6、飞轮
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7、轴承
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8、轴心
31.9、支架
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10、法线方向
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。
33.图1是基于多转子发电机实现电源逆变的机电装置的一种机械结构局部示意图，包括具有两个转子3的发电机、单向轴承4、电动机和电源调制器；发电机两个转子 3的转轴、单向轴承4和电动机转子2的转轴分别通过外置的转轴5同轴心8机械固连；该示例只要外部直流电源在电源调制器控制下驱动电动机转子旋转，可通过单向轴承联动发电机的两个转子旋转，从而在发电机定子绕组获得交流电。
34.所述的多转子发电机是一种特殊设计的发电机，通常在转轴配合加装飞轮应用，所述飞轮为固体成形材料例如金属制成的环状大质量转盘，可充分利用飞轮的惯性动量；多转子发电机的设计形式可以有多种，例如设计为多台发电机的转轴同轴心机械固连的分体组合形式，飞轮附加在同轴心机械固连的转轴上；也可以一体化设计多转子发电机，把提升转子惯性动量的飞轮设计在座架内部；多转子发电机中有一种盘式发电机，其转子的惯性动量通常较大，当要进一步提升多转子发电机转子的惯性动量，可在多转子发电机与单向轴承4之间的转轴5部位增加设置飞轮6，图 2是在图1示例基础上增加设置飞轮6的一种机械结构的局部示意图。
35.单向轴承4与电动机转子2的同轴心8安装或与飞轮6的同轴心8安装并不限于在外部通过转轴5，包括把单向轴承的部分甚至全部嵌入电动机转子或飞轮的内部，其部分嵌入电动机转子2内部的一种局部结构示意如图3所示。
36.所述的盘式发电机是多转子发电机中的一种设计种类，虽然技术发展的历史并不长，但技术原理为本领域的技术人员所熟悉；本领域的技术人员都清楚，常规电机产品通常只有一个转子、一个定子，但常规设计的盘式电机通常是具有两个转子、一个定子，一种盘式发电机的局部结构示意如图4所示。
37.图4示例的盘式定子1和盘式转子3呈平面圆盘结构且轴向交替排布；盘式定子包括导磁体定子铁芯1a和若干定子绕组1b，定子铁芯固定在座架上，定子绕组方法和常规发电机的区别在于：在环型的定子铁芯沿其法线方向10环绕，其一种局部结构示意如图5所示；盘式转子3包括磁轭3a和永磁体3b，其转轴通过轴承7固定在座架上，其一种局部结构示意如图6所示，在定子的盘面一侧同轴心安装，在定子盘面另一侧同轴心安装的转子3结构类同，特点是永磁体3b的磁极性相反。
38.所述的盘式发电机不限于设计两个转子、一个定子，包括n个定子1、2n或(n+1) 个转子3，n为≥1的正整数；例如内部设置为2个转子配套1个定子，或(n+1)个转子3与n个定子同轴交替排布。当所述的多转子发电机采用盘式发电机，电动机转子通过单向轴承与盘式发电机转子安装的一种局部结构示意如图7所示。
39.所述的多转子发电机可以只有一个定子，也可以具有多个定子，同一定子中各个线圈绕组的组合电连接(单相或三相输出)同样为本领域的技术人员所熟悉；多个定子的线圈绕组组合可形成多路交流电输出，该多路交流电输出既可以电连接集电装置输出电源，也可以分别电连接不同的交流电负载。
40.所述脉冲数字电流驱动的电动机的技术特点是：电动机的电源端通过电源调制器连接直流电源，电源调制器提供给电动机定子绕组的不是常规电子换向器变换的交流电，而是时序脉冲电流，因此定子不产生旋转磁场，而是产生时序脉冲电磁极，通过与转子相应排布的永磁体作用而驱动转子旋转，直流电能-机械能转换效率高于常规直流电动机，转矩大，磁阻尼小，更有利于发挥负载的旋转惯量作用，通常见诸于旋翼无人机应用。商品化的数字控制式电动机通常配置有专用控制器，是一种脉冲强度、频率可控的控制器，频率越高，电机转速越快，具体应用可视为本实用新型所述电源调制器的组成部分，与电源调制器分立设计或一体化集成。
41.飞轮可明显增加发电机转子的转动惯量，当飞轮达到一定转速，即使电动机间隔性断电(此时单向轴承4自动断开与发电机转子的机械联动关系)，飞轮也会联动发电机的转子惯性旋转，因此一定时间的间隔断电并不会明显影响发电机的工况；电动机通过电源调制器电连接直流电源的技术意义，在于可充分利用飞轮的转动惯量，运用对电动机的供电逻辑控制节省直流电源。
42.单向轴承扮演的角色是超越离合器，是本领域技术人员公知的一种特种轴承，其金属外壳内部包含很多个滚轴、滚针或者滚珠，运行特点只能向一个方向转动，而在另一个方向上会产生很大阻力(锁死)，故称单向；当电动机在电源调制器的控制下停止旋转，等价于飞轮与电动机的转子机械分离，使飞轮与电动机的转子分置于两个不同的惯性系统，从而得予充分发挥飞轮的转动惯量作用。
43.电源调制器的基础结构及控制关系的一种逻辑示意如图8所示，包括开关电路和逻辑模块；逻辑模块内贮有逻辑控制程序，其控制端电连接开关电路；开关电路的输入端电连接直流电源，其输出端电连接电动机电源端。
44.逻辑模块对电动机的间隔性断电控制程序在内贮设定，其逻辑程序执行需要控制信号，其一种技术优选如图9所示，逻辑模块的信号输入端通过外围电路连接发电机电源输出端，通过对发电机的工况监察，例如发电机实时输出的交流电频率、电压或功率等实时数据，从而使逻辑模块根据所编制的程序执行控制逻辑。该控制信号也可以通过监测飞轮的
转速获取，例如在飞轮的轮缘部位设置磁体，周期性感应连接逻辑模块信号输入端的磁电线圈，使逻辑模块获得飞轮实时转速的电信号，间接了解发电机的工况，通过逻辑模块的编程控制优化利用直流电源。
45.所述的整流电路可视为电源调制器的一个组成部分，与电源调制器分立设计或一体化集成，优选配合二次电池储能；机电装置的负载工况非绝对稳恒，存在功耗涨落，当外部直流电源采用光伏装置时同样存在电能涨落，通过逻辑模块的逻辑控制可把发电机的实时富余电能暂存，使交流电输出更稳定。所述整流电路与二次电池配合应用的一种工作逻辑控制关系示意，如图10所示。
46.以下优选例仅为推荐，若干技术方案可部分使用，也可组合并用其他成熟技术。
47.实施例1、
48.设计一种本实用新型所述的基于多转子发电机实现电源逆变的机电装置，包括一个盘式结构的多转子发电机、单向轴承4、电动机和电源调制器。
49.所述的盘式发电机包括一个定子1、两个转子3，其中，定子包括定子铁芯1a 和若干定子绕组1b，定子铁芯为硅钢片材料制成的环形盘状结构，其中沿法线方向 10设计有若干嵌线槽，若干定子绕组1b沿该嵌线槽环绕并电串联连接，结构示意如图5所示；转子3包括磁轭3a和若干永磁体3b，其中一个转子的结构示意如图6所示，另一个转子3的磁轭3a和永磁体3b结构类同，但永磁体的磁极性相反。
50.该盘式发电机的定子1和转子3呈平面圆盘结构，安装时定子1和转子3轴向交替排布，两个转子3分别位于定子1盘面的两侧，结构示意如图6所示，其中，定子铁芯1a固定在座架上，转子3通过轴承7固定在座架上。
51.所述的发电机和电动机为旋转式，电动机由脉冲数字电流控制驱动，安装时，单向轴承4的固定端部分嵌入电动机转子2的内部，其旋转端与电动机转子2的转轴通过外置的转轴5同轴心8机械固连。机械部分安装完成后，把电动机1的电源端通过电源调制器连接光伏装置形式直流电源。
52.所述电源调制器的基础结构及逻辑控制关系如图8所示，当采用商品化的数字控制式旋转电动机系统，其专用控制器置换图8所示的开关电路；当电源调制器控制驱动电动机旋转，会通过单向轴承4联动发电机旋转，实现dc-ac电源逆变，交流电的输出功率、频率由发电机的转矩、转速和发电机的设计功率共同决定。
53.本实施例中，由于选用脉冲数字电流控制驱动的电动机，直流电能-机械能的转换效率较高；同时，选用了机械能-交流电能转换效率较高的盘式发电机，通过电动机消耗光伏直流电源而在发电机获得正弦波交流电，实现了电能转换效率不低的电源逆变，是区别于高频电子电路制造的电源机电装置。当直流电源置换为电压相对稳定的二次电池组(其容量足够大时通常称为储能电库)，电源调制器还可进一步扮演智能利用直流电源的角色，通过逻辑模块的内贮设定控制开关电路通电、间歇断电的逻辑控制程序，可根据工况要求确定间歇断电时间；当电源调制器控制电动机间歇断电时，超越离合功能的单向轴承等价于把电动机的转子机械分离，使盘式发电机内部的两个转子在转动惯量作用下维持设定工况。
54.实施例2、
55.实施例1的逻辑控制程序是可在逻辑模块的内贮设定，本实施例改为设定逆变功
率的实时控制，电源调制器的逻辑结构及其控制关系如图9所示。
56.电源调制器中的逻辑模块内贮有动态逻辑控制程序，当逻辑模块通过外围电路监测到盘式发电机达到设定的工况，控制开关电路间隔断电，利用盘式发电机内部的两个转子的转动惯量维持惯性旋转；当监测到盘式发电机的功率输出降至设定工况下限(例如输出电压下限)，控制开关电路通电重启电动机旋转，使盘式发电机维持在设定的工况范围。
57.本实施例的其余机械结构与实施例1类同，更有利于节省直流电源；由于脉冲数字电流控制驱动的电动机非连续消耗的光伏直流电源，有利于在同一光伏直流电源电连接多台本实施例的机电装置，达到充分利用光伏直流电源的设计目标。
58.实施例3、
59.将实施例1的盘式发电机置换为一种分体组合形式的多转子发电机，组合形式为两台发电机转子3的转轴同轴心机械固连，即发电机子系统的结构特征同样是具有两个转子3；此外增加设置一个飞轮6，所述飞轮为固体成形材料例如合金制成的环状大质量转盘，所述的大质量，是飞轮6的质量要大于两个转子3的质量，其内环套装在所述具有两个转子3的发电机与单向轴承4之间的转轴5部位。
60.本实施例的机械结构局部示意如图3所示，两台发电机转子3组合的多转子发电机可充分利用飞轮的惯性动量，当电源调制器控制电动机间歇断电时，超越离合功能的单向轴承4等价于把电动机的转子机械分离，使发电机的两个转子3在飞轮6 的转动惯量作用下维持一定时间间隔的惯性旋转。
61.本实施例中，安装具有更大惯性质量的飞轮更有利于增加发电机两个转子3的转动惯量，通过电源控制器的控制可取得更好的电源逆变效果。
62.实施例4、
63.在实施例3的基础上设置整流电路，配置锌镍电池的二次电池组；其中，整流电路的控制端电连接电源调制器的逻辑模块，其电源输入端电连接发电机电源输出端，其电源输出端电连接所述的二次电池组；电源调制器的开关电路设置两路输入，分别电连接二次电池和外部光伏装置的实时直流电源。本实施例设置有整流电路和的二次电池组的工作逻辑结构和控制关系如图10所示。
64.本实施例利用二次电池组作为储能，通过逻辑模块的控制程序把发电机的实时富余电能暂存在二次电池组，有效克服了由于光伏直流电源实时波动对电源逆变的波动影响，使本实施例机电装置的交流电输出更稳定。