[發明專利]陸地交通工具的驅動系統

有效

• 申請號: 201280014350.2
• 申請日: 2012-03-14
• 公開（公告）號: CN103493360A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 延斯·斯蒂芬;羅蘭·哈根洛赫;彼得·埃爾哈特;哈拉爾德·塔姆
• 申請（專利權）人: L-3通信磁電機股份有限公司
• 主分類號: H02P5/46
• 分類號: H02P5/46;H02K16/02
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司 11129
• 代理人: 周曉娜

技術領域

本發明涉及一種具有用于驅動陸地交通工具的電機系統的陸地交通工具的驅動系統以及用來控制電機系統的控制裝置。

背景技術

這類驅動系統會被利用在，例如，電動操作的車輛或者混合動力車輛上，如汽車、公交車、火車等，這些車輛行駛在陸地上的，并且通常被稱為陸地交通工具或陸地交通車輛。這類車輛一般具有一個或者多個驅動輪，驅動輪是由驅動系統驅動的，可以讓車輛或交通工具朝著預期的移動方向移動。例如，驅動所必須的電能是由內燃機帶動發電機、通過燃料電池，蓄電池提供的，或者是通過這類裝置的組合一起作為電源來提供的。電源與車輛的電機系統相連用以驅動的目的。電源的電能一般是供給包括電力電子設備在內的供電回路，比如說以兩側都具有變頻器電路的電動中間電路的形式，該供電回路與電源及電機相連。車輛的電機由供應回路供應電能，以驅動一根或者多根驅動軸，驅動軸驅動車輛的被動輪。在大部分的應用中，驅動系統還可以實現能夠回收能量的電剎車，以便將電能返回給供電回路。其它與供電回路相連的裝置可以利用這個能量。比如說，它可以被存儲在蓄電池中或者飛輪蓄電池中。

電操作車輛的驅動一般要求必須由具有雙曲線特性的高擴展電能產生的機械動力。這類雙曲線特性一般的特征是具有電力驅動裝置的最高轉速值和在低轉速下的高扭矩，每一個特征都定義了雙曲線特征點，其通過具有相等功率的雙曲線相連。在機械驅動車輛中，比如說通過內燃機直接驅動的，這個功能就由手動或者自動變速箱或齒輪箱來取代了。在行駛電動車輛時，這個功能必須由電力驅動系統來承擔，尤其是通過與電源及電機相連的電力電子設備的組合來實現。供應中間電路的變頻器電路一般不是問題，可以針對各種目的進行優化。對于內燃機來說，越來越多地使用永磁發電機，永磁發電機與高效率的發動機直接集成在一起，并與主動或者被動變頻器電路相連接。但是，發動機單元在這類驅動系統各種可能的應用與實現場合中都達到了其極限性能，尤其是在目前的機器大小，效率高低，以及關于最大電流及電壓值下對電力電子設備的電力要求情況下。

在最近的技術發展水平中，如上所列，有各種類型的電機可以應用在電力驅動系統中。比如說，可以采用由變頻器電路供電的永磁（PM）電機。PM可以提供非常高的扭矩/重量比，能夠直接驅動，但是另一方面，它對電力電子設備的要求又非常高。因為感應電壓（所謂的“電動勢（EMF）”電磁力或者“反電動勢”）與旋轉的轉速成正比，在最高速下會產生最高的電壓，另一方面，在低速下的高的驅動扭矩需要大的電流。電力電子設備必須能夠承受高速下的高壓，并且能夠為高扭矩提供大電流，這使得電力電子設備的功率需量很高并且非常昂貴。所謂的電角功率（electrical?corner?power）（最大電壓乘以最大電流）與機械的角功率(corner?power)（最大旋轉速度乘以最大扭矩）是一致的。

這么高的角功率使得電力電子設備的功率需量非常高，也非常昂貴，因為它們必須能夠為電機提供高電壓以及高電流。另一方面，因為電機對最大電壓與最大電流的需求并不是同時的，因此，電力電子設備提供的是以角功率計量的過安裝，而不是驅動單元的標稱功率（雙曲線功率）。對電力電子設備的低要求相當于與標稱功率相等的角功率，對電力電子設備的高要求相當于與最大扭矩乘以最大轉速相等的角功率。在典型的應用中，這些極端值之間可能會有所不同，其因子在4-10之間。

關于永磁電機，電力電子設備的高要求一般都會隨著電機繞數的增加而降低，但是會導致電機感應電壓的升高。比如說，在700V的直流系統中，電機通常的配置為1500V的感應電壓。大約從一半的轉速開始，這些電機就必須在正確的相移下永久運行，以使終端的電壓低于臨界值，以能夠控制電機的運行。這個可以通過所謂的有功功率電子設備的磁場減弱操作實現，并且通過額外的安全回路方式實現，該安全回路可以確保當電力電子設備不能實現的時候，電機依然可以進行操作，以避免系統的高電壓荷載。這又讓驅動系統變得比較昂貴，要求也比較高。

永磁電機在緊湊性方面的優化，同時其在部分荷載時的效率僅可能在一定的范圍內，因為為了獲得電機的高的扭矩/重量比，相應地就會要求強磁性，在部分荷載的時候，也會產生一個恒定的高損失。

其它已知的驅動系統會采用異步電機，并結合變頻器電路。這個組合與雙曲線特征非常吻合，使得對電力電子設備的要求也非常低。但是，異步電機提供非常低的扭矩/重量比，因此它就無法作為直接驅動使用。出于這個原因，在很多情況下，異步電機都會與變速齒輪結合使用，這會導致額外的轉動損失。