四象限电机
再琐谈发动机的调速与调矩
—— 兼作答复周飞鲲博士给杨兴旺工程师的信
由吉林大学周飞鲲博士及其团队撰写的“双转子电机动力系统构型功能论证报告修正版20120925”(参见附件1),对本人提供的构型“发动机调速”工况评价说:“电机工作在电动状态不可行”。对此结论,本人提出异议,并与之进行了长达2个月的讨论与商榷。
2012年11月2?日,周博士通过给您复信又提出一些问题质疑(参见附件2)。现就有关问题做些分析回答。
众所周知,能量守恒定律是工程计算的最基本定律。它讲述在某一时刻对于系统某研究对象节点的功率流的平衡,可以写成:
ΣP入=ΣP出+ΣP耗
显然,系统效率 η=(ΣP出/ΣP入)×100%=(1-ΣP耗/ΣP入) ×100%
对于本构型转子M2而言,其输入功率ΣP入=PM2=PE +PB -Ps ,转子M2的输出为电磁功率ΣP出=Pm ;考虑其输出损失,电机转子间效率
ηm = (ΣP出/ΣP入) ×100%= Pm /(PE +PB -Ps) ;
其中,P M2为转子M2功率,P E 为发动机功率,Ps 太阳轮功率,P B 为蓄电池功率,P m 为转子间电磁功率。由此可得P m =ηm *(PE +PB -Ps) ;
对于转子M1而言,其输入功率ΣP入= Pm ;输出功率ΣP出=PM1。故得
P M1=Pm =ηm *(PE +PB -Ps)
ηm =PM1/(PE +PB -Ps)
当不考虑蓄电池功率P B 时,P B =0;转子M2上仅有功率P M2= PE -Ps ,则得
ηm =PM1/(PE -Ps)=PM1/P M2 (1)
因为P M1=TM1ωM1,P E =TE ωE ,Ps=TS ωS =TS ωE ,将上式代入(1),得
ηm =TM1ωM1/( TE ωE -T s ωE )
ηm =TM1ωM1/(( TE -T S ) ωE ) (2)
为分析简便,假定ηm =1,则有P M2=PM1。由公式(2)可得
T M1ωM1= ( TE -T S ) ωE
因为ωE =ωM2,则有T M1ωM1= ( TE -T S ) ωM2,进一步则有
( TE -T S ) =ωM1/ωM2*TM1=i*TM1 (3)
由行星齿轮转速平衡方程与转矩关系方程知, TM1=TR =pTS , 代入(3)式整理后得
T S = TE -i p*TS
(1+ i p) *TS =TE
又知T S =-T c /(1+p), 最终可得输出转矩Tc 与输入转矩T E 之关系:
所得结果,与前述“发动机的调速与调矩” 文件(参见附件3)结论一致! 结果商榷:
(1) 本构型有关电机功率推导公式,都是建立在能量守恒定律基础上的。只有在转速相同条件下,才能有转矩平衡。T M2=TM1,仅为其特例。因为没有转矩守恒定律作为基础,直接采用转矩平衡,容易为另一约束条件—转速所困扰,易犯方向上的错误。
对于“信”文提出“转矩关系不需要通过功率的关系得出”质疑“调”文推导过程,本文以上述不厌其繁的公式推导,算作是给他的答复。
(2)“信”文认为“PM2=PM1,因此,此时仅为一种特殊情况,不能以偏概全。所以该公式不普遍成立”。广义说,任何凌两系统的输入功率一定等于输出功率,亦即P 入=P 出。它且具有普遍意义。“该公式不普遍成立”命题,违背能量守恒定律!
狭义说,由于能量损耗存在,则P M2≠P M1。它应为:P M2=P M1+ΣP耗,而且
ΣP耗=P 鉄损+P 铜损+P 杂损+P 机械损,其量约占P M2的6-8%,甚至更多。此时,电机效率
ηm =( PM1/PM2)×100%=(1-ΣP耗/PM2)×100%;
其实,“调”文是按电机两种情况“效率η=1和η1)共6种工况讨论的。周博士所论内容,已被包含在η=1,i=1的六分之一状况中了。绝无“以偏概全”行为,更没有表达其能“普遍成立”的意思。反倒会令人觉得周博士是以一抵六、“以偏概全”。
(3)“信”文认为“ i实际上是不存在的”。按其意,即可推为ωM1=ωM2,T M1=TM2。“信”文一方面论断T M1=TM2,另一方面却又说i 不存在。这是明显的论点错位、逻
辑混乱。事实果真如此的话,则是完全否定了双转子电机最重要的特征参数—转速差Δω的存在。显然,这是犯了一个最具常识性的低级错误。
众所周知,当i=1(即转速差Δω=0)时,电机既不发电,也不电动,转子间似呈刚性连接的联轴节,类似汽车机械变速器的直接档(“信”文所论的情况,就归于此类) ;但更多的情况是i ≠1(即转速差Δω≠0),这样使输入输出转速不同(也因此产生输入输出转矩比的变化),从而可使电机具有发电/电动作用。
需要特别说明的是,运用双转子电机,必须考虑电机效率问题。因为不同的i 值(亦即不同的转速差Δω),传递的电磁转矩会有很大不同(参见附件3) ;
(4)“信”文说“TC 与电机转矩无关”。其实是一个伪命题。它只出现在前已经论及的i=1,η=1少数工况。多数工况因有转速差Δω,i ≠1, 亦即T M2≠T M1,所以T C ≠T E ,并随i 值变化,且通常T C >T E 。由此可定论,输出转矩T C 与i 有函数关系,并且与电机电磁转矩Tm 也有函数有关。这正是采用双转子电机变矩的缘由。它类似于液力变速器中的液力变矩器,只是传递能量的介质不同,那里是油液,这里是电磁;
(5)“修正报告”中,一方面认为电机可以工作在发电模式。另一方面却又说“电机工作在电动状态不可行”。
郑教授说:“发动机调速模式,是可以的。发动机作为动力源加入,发电状态能
做到的,电动状态也一定能做到。而不是看M 2转矩什么样的,(才) 是电动还是发电状态”(参见附件9,录音,第33分钟处)。
她还说:“宫老师方案的“发动机驱动调速”运行模式下,通过分析可知,双转子电机是可以工作在(我们所说的)电动状态也可以工作(在) 发电状态“(参见由周博士记录的附件6) “20121113郑教授答疑”。
郑教授已多次表态:发动机调速电机可以工作在电动模式。
然而,对于这个已是不争的事实,至今也没见周飞鲲博士有关于该问题的重新表述。
至此,“修正报告”所提出的几个问题,我都已多次做了书面和口头的正确解释。 然而,“修正报告”对这样一个并不复杂的常识问题,才仅做到初始评价阶段,耗时竟多达120余天,其中有60天是在争论中度过的。时至今日,仍有要继续争论下去的趋势,令人堪忧!
这到底是构型工况设计的问题,还是论证思想有问题,还是其他的什么„„。 这些,长时间困扰我,百思不得其解,难以获释!
我常在想,无谓争论何日休?
我常想说:直面修正几时有?
我想常说:白发等在黑发后!
欢迎批评指正!
宫维钧 23/11/2012