阅读说明：本技术 用于非公路车辆的永磁电传动系统 (Permanent magnet electric transmission system for off-highway vehicles ) 是由 梁金成 蓝德劭 刘辉荣 刘猛 邱欣 张文进 龚毅 杨栋新 刘松柏 代宏泽 郭宁平 于 2019-02-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于非公路车辆的永磁电传动系统,其包括：永磁发电机,其与柴油机同轴连接,输出三相交流电；主整流器,其通过隔离开关与永磁电机连接,用以接收三相交流电,并将三相交流电转换为直流电能进行输出；主传动逆变器,其与主整流器连接,用以将主整流器输出的直流电能变换为变压变频电源进行输出；永磁牵引电机,其与主传动逆变器连接,用以接收主传动逆变器输出的变压变频电源,在变压变频电源的驱动下,带动非公路车辆轮毂旋转。本发明提出的驱动系统,采用永磁发电机和永磁电动机,提高了效率；采用与主传动逆变器共直流母线的辅助变流器,用来驱动交流风机,风量平滑可调,并最大程度利用制动能量。(The invention discloses a permanent magnet electric transmission system for an off-highway vehicle, which comprises: the permanent magnet generator is coaxially connected with the diesel engine and outputs three-phase alternating current; the main rectifier is connected with the permanent magnet motor through an isolating switch and used for receiving three-phase alternating current and converting the three-phase alternating current into direct current electric energy for output; the main transmission inverter is connected with the main rectifier and used for converting the direct current electric energy output by the main rectifier into a variable voltage variable frequency power supply for output; and the permanent magnet traction motor is connected with the main transmission inverter and used for receiving the variable voltage variable frequency power supply output by the main transmission inverter and driving the hub of the off-highway vehicle to rotate under the drive of the variable voltage variable frequency power supply. The driving system provided by the invention adopts the permanent magnet generator and the permanent magnet motor, so that the efficiency is improved; an auxiliary converter which shares a direct current bus with a main transmission inverter is adopted to drive an alternating current fan, the air quantity is smooth and adjustable, and the braking energy is utilized to the maximum extent.)

用于非公路车辆的永磁电传动系统

技术领域

本发明涉及一种非公路车辆，特别是涉及到采用电传动方式驱动的非公路车辆，进一步涉及到采用永磁电机的非公路车辆电传动系统。

背景技术

非公路车辆广泛应用于矿山、大型建筑工程、水电大坝工程、铁粉或煤炭堆场等需要大量运输工作的场合。非公路车辆配置的大型柴油机油耗惊人。根据具体载重吨位的不同，非公路车辆的油箱容积大约为千余升到数千升，每年耗油量折算达数百万元。据统计，非公路车辆运输成本约占矿石成本的45％～55％，非公路车辆能源消耗约占矿石总能耗的40％～60％。非公路车辆的排量非常大，也造成极大的大气污染物排放。

各个非公路车辆厂家一直在寻求各种可以降低油耗的驱动方式。传统的非公路车辆电驱动系统具有四个特点：(1)采用电励磁同步发电机和异步牵引电机。由于这两种电机的固有特点，额定运行效率较低，一般只有93％～95％，系统能效较低。(2)制动电阻采用串励直流电机驱动的风机。串励直流电机并联在电阻两端，制动时电阻通电，风机也同步转动，提供冷却风来冷却电阻。直流电机结构复杂、维护成本高、使用寿命短，且风量不能平滑大范围调节。(3)采用机械驱动的主风机。柴油机、发电机、主风机三者同轴连接，主风机的风量不能自主调节，也造成了较大的额外能耗。(4)制动能量完全靠制动电阻消耗。因此，传统电驱动系统的运行成本非常大、环境污染严重。

发明内容

针对上述提到的技术问题，本发明提供了一种用于非公路车辆的永磁电传动系统，所述系统包括：

永磁发电机，其与柴油机同轴连接，输出三相交流电；

主整流器，其通过隔离开关与所述永磁电机连接，用以接收所述三相交流电，并将所述三相交流电转换为直流电能进行输出；

主传动逆变器，其与所述主整流器连接，用以将所述主整流器输出的所述直流电能变换为变压变频电源进行输出；

永磁牵引电机，其与所述主传动逆变器连接，用以接收所述主传动逆变器输出的变压变频电源，在所述变压变频电源的驱动下，带动非公路车辆轮毂旋转。

在一个实施例中，根据本发明的用于非公路车辆的永磁电传动系统，优选的是，所述系统还包括：

辅助传动逆变器，用以产生辅助变压变频电源，以驱动主风机和电阻风机。

在一个实施例中，根据本发明的用于非公路车辆的永磁电传动系统，优选的是，所述系统还包括：

设置在所述主传动逆变器与所述永磁牵引电机之间的接触器，其用以隔离所述永磁牵引电机产生的反电动势。

在一个实施例中，根据本发明的用于非公路车辆的永磁电传动系统，优选的是，所述系统还包括：

制动器，其包括斩波器，用以将制动产生的能量引导到制动电阻进行消耗。

在一个实施例中，根据本发明的用于非公路车辆的永磁电传动系统，优选的是，所述系统还包括：

电阻风机，其用以为所述制动电阻提供冷却风。

在一个实施例中，根据本发明的用于非公路车辆的永磁电传动系统，优选的是，所述系统还包括：

接地检测，其用以检测直流母线、辅助传动逆变器母线的接地情况。

在一个实施例中，根据本发明的用于非公路车辆的永磁电传动系统，优选的是，所述系统还包括：

DC/DC变换器，其用以将所述直流母线的高直流电压，变换为与所述辅助传动逆变器匹配的低直流电压。

在一个实施例中，根据本发明的用于非公路车辆的永磁电传动系统，优选的是，所述系统还包括：

主风机，用以向所述永磁法电机、所述主整流器、所述制动器、所述DC/DC变换器、所述主传动逆变器、所述永磁牵引电机、所述辅助传动逆变器提供冷却风。

本发明提出的驱动系统，采用永磁发电机和永磁电动机，提高了效率；采用与主传动逆变器共直流母线的辅助变流器，用来驱动交流风机，风量平滑可调，并最大程度利用制动能量。因此，能够节省非公路车辆运行成本，提高系统能效。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1显示了根据本发明的用于非公路车辆的永磁电传动系统的原理图；

图2显示了根据本发明的制动器和制动电阻的一个示例的原理图；

图3显示了根据本发明的DC/DC变换器的一个示例的原理图；

图4显示了根据本发明的接地检测装置的一个示例的原理图；

图5显示了根据本发明的DC/DC变换器的替代方案之一LLC谐振变换电路的一个示例的原理图；以及

图6显示了根据本发明的斩波器的一个示例的原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

如图1所示，其中显示了根据本发明的用于非公路车辆的永磁电传动系统的原理图。

图1中，永磁发电机1与柴油机同轴连接，输出三相交流电。由于永磁电机不需要提供励磁且不需要励磁控制，因此柴油机转动即可产生电能，本发明的系统的控制得到了简化。

永磁发电机的效率比电励磁同步发电机效率高，有助于降低车辆油耗。永磁发电机1和主整流器3之间配置了接触器2。在故障或维修情况下，接触器2分开，用以隔离永磁发电机的空载电动势，防止产生高压对传动系统产生有害的影响。主整流器3通过隔离开关与永磁电机连接，用以接收三相交流电，并将三相交流电转换为直流电能进行输出。

主整流器3为三相全桥二极管整流器，直流母线10连接到主整流器3的输出端。

主传动逆变器4和主传动逆变器5连接到直流母线10，以将主整流器输出的直流电能变换为变压变频电源进行输出。主传动逆变器4和主传动逆变器5提供变压变频电源，用以驱动永磁牵引电机8和永磁牵引电机9。永磁牵引电机8和9与主传动逆变器4和5连接，用以接收主传动逆变器输出的变压变频电源，并在变压变频电源的驱动下，带动非公路车辆轮毂旋转。主传动逆变器4和主传动逆变器5为三相全桥IGBT电压源型逆变器。

如图1所示，在主传动逆变器4和永磁牵引电机8之间，配置了接触器6。在主传动逆变器5和永磁牵引电机9之间，配置了接触器7。在故障或维修情况下，为防止永磁牵引电机8和永磁牵引电机9的反电势对系统产生有害影响，将接触器分开，从而隔离永磁电机反电势。

本发明的系统还配置了制动器12和制动电阻13。在制动情况下，制动能量导致直流母线电压升高，制动器12开通，将制动能量引导到制动电阻13，将制动能量消耗掉。

本发明的制动器12和制动电阻13的一种实施方案如图2所示，其采用IGBT作为控制开关，制动电阻13与二极管并联。

DC/DC变换器14连接到直流母线10，用于将电压较高的直流母线电压变换为较低的直流电压，从而匹配辅助负载的电机电压。所述的DC/DC变换器的一种实施方案如图3所示。图3中的DC/DC变换器采用两相桥式IGBT逆变器23，将直流母线10较高电压的直流电能变换为中频交流电，典型的中频交流电的频率为数百赫兹；由隔离变压器24将中频交流电变换为较低的电压，隔离变压器24也起到高压、低压隔离的作用，降低了风机电机的绝缘设计要求；采用两相IGBT桥式整流器25，将中频交流电变换为直流电，为辅助传动逆变器供电。

辅助传动逆变器16和辅助传动逆变器17接到DC/DC变换器14输出端，辅助传动逆变器是三相全桥IGBT电压源型逆变器，将DC/DC变换器输出的直流电能变换为变压变频电源，驱动辅助负载。辅助负载包括主风机18、主风机19、电阻风机20、电阻风机21。

制动情况下，制动器12开通，制动电阻13消耗制动能量，产生大量的热量，电阻风机20和21为制动电阻提供冷却风。在制动电阻13工作的情况下，电阻风机20和21同步工作；在制动电阻13不工作的情况下，电阻风机20和21同步不工作。

主风机18和19为主辅一体永磁电传动系统提供冷却风，包括永磁发电机1、主整流器3、制动器12、DC/DC变换器14、主传动逆变器4和5、永磁牵引电机8和9、辅助传动逆变器16和17等。只要电传动系统正常工作，主风机18和19就一直保持工作状态。

主风机18和19采用交流风机。本发明采用交流风机作为主风机的好处是：永磁发电机1省去了同轴风机，减小了发电机的设计和组装工作量；可以根据环境、部件的温度情况，对风机进行调速控制，提高了系统的可靠性。

电阻风机20和21采用交流风机。本发明采用交流风机作为电阻风机的好处是：可以根据环境温度、电阻温度调节风机转速，从而调节冷却风量，提高了制动可靠性，提高了整车安全性。

制动情况下，直流母线10电压升高，主整流器3不处于整流工作状态，此时DC/DC变换器14将制动能量变换到辅助逆变器16和17的输入端，辅助逆变器16和17利用制动能量来驱动辅助负载，充分利用了制动能量。

主风机18、主风机19和电阻风机20、电阻风机21不需要同步工作，因此主风机18和主风机19为一组，电阻风机20和电阻风机21为一组，各自采用辅助传动逆变器16和17来分别控制。当然，本发明也可以根据实际情况，各个风机分别采用一个辅助逆变器来控制。

如图1所示，接地检测装置11、15分别检测各段直流母线接地情况。接地检测装置的一种实施方案如图4所示。31为固定放电电阻，用于车辆停机时的放电，在规定的时间范围内将直流电压降到安全范围以内；固定放电电阻两端的全电压由电压传感器34来采集；32、33为半压电阻，半压电阻32两端的半电压由电压传感器35来采集；由半电压、全电压的对比得出接地情况。

(1)DC/DC变换器替代方案。①两相桥式IGBT逆变器23可以改为三相桥式IGBT逆变器。②与①对应，两相隔离变压器24也可以采用三相变压器。③两相IGBT桥式整流器25也可以采用二极管整流器。④与②对应，两相IGBT桥式整流器25也可以采用三相整流器。⑤可以采用其它原理的变换器，如可以采用LLC谐振变换电路，如图5所示。显然，这些变换都在本发明的保护范围之内。

(2)斩波器替代方案。一个可行的替代方案如图6所示，其中将斩波器和三相逆变器集成到一起。

(3)除了本发明已经清楚描述的系统之外，并且除了上述替代方案以外，在系统方案中增加主逆变器数量或辅助逆变器数量，或采用其它方式的逆变器替代本方案描述的逆变器，或采用其它方式的接地检测装置，或采用技术人员都能普遍理解的受电装置、充电接口装置，或增加熔断器、电压电流传感器等优化、完善性质的部件或装置，或只采用本发明的主传动逆变器系统+永磁电机传动、而采用其它形式的共直流母线辅助负载系统，都属于本发明的权利范围。

本发明所带来的有益技术效果是：

(1)根据本发明的一种利用永磁电机作为发电机的方案，不需要提供励磁，也不需要控制励磁，简化了非公路车辆电传动的系统控制，提高了系统效率。

(2)根据本发明的一种利用永磁电机作为牵引电机的方案，解决牵引电机效率较低的问题，并提供一种了隔离永磁电机反电势的方法。

(3)根据本发明的一种辅助变流器直流取能方案和一种电压变换方案，辅助负载能够利用制动能量，简化了主电路设计，对高压、低压进行了隔离。

(4)根据本发明的一种辅助变流器驱动散热风机的方案，采用交流风机的优点是：发电机不需要同轴主风机，降低了发电机的设计、组装难度和工作量；解决风机平滑大范围调速、调节风量的问题；可以根据工作情况进行风速、风量调节。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。