CN101292411A - 具有去耦以消除磁感应转矩损失的轴向转子的无刷永磁电动机/发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种永磁电动机/发电机，包括：定子；转子，其周边表面处设置有多个永磁体且该转子具有与该定子的中心轴重合的中心轴线；可转动轴，其上连接有转子；以及致动器，用于使转子相对于定子沿可转动轴轴向移动足够距离以使转子从定子彻底去耦，以便消除磁感应转矩阻力。当该永磁电动机/发电机用于并联式混合动力汽车时，使转子从定子彻底去耦的能力极大地提高了变程和效率。另外，通过使转子与定子逐渐地啮合，在减速时可获得期望的电压输出。

Description

具有去耦以消除磁感应转矩损失的轴向转子的无刷永磁电动机/发电机
技术领域
本发明主要涉及用于并联式混合动力汽车系统中的电动机/发电机驱动系统。更具体地，本发明涉及一种用于消除寄生转矩损耗的方法和系统，该寄生转矩损耗在当电动机/发电机单元在汽车恒速运行过程中没有被通电的情况下转动的磁体经过铁芯硅钢时而产生。甚至更具体地，当用于并联式混合动力汽车以改善变速范围和效率时，本发明涉及一种用于当轴向转子用在并联式混合汽车中时，通过轴向转子去耦来减少磁阻力系数从而提高变程(range)和效率的方法和系统。
背景技术
许多机动混合动力电动车辆利用“并联式混合动力构造”，其中电动机/发电机用于车辆传动系统中。典型的电动机/发电机是永磁无刷类型，它经常被结合到变速箱壳体中。在汽车制动过程中，该单元作为发电机而运行或起作用，提供制动转矩并将汽车动能保存为电池或其他装置中的“再生能”或储备发电能量。当驾驶员在停止后需要加速时，这种储备电能使电动机运转以向车辆驱动系统提供额外转矩，同时节省燃料并允许使用较小的引擎。
当车辆以恒速运行时，电动机/发电机永磁电动机转动但通常被去激励并空转，并且车辆的内燃机是主要的能量源。这突出了并联式混合动力与串联式混合动力或纯电动车之间的电动机/发电机功能上的主要差异。典型的并联式混合动力系统间歇地运行电动机/发电机，并且在恒速运行(其中磁感应铁损引起针对车辆的寄生阻力转矩)过程中具有显著的静止期(inactivity period)。在串联式混合动力或纯电力驱动系统中，电动机/发电机是车辆的主要加速器，并且电动机/发电机的工作循环与车辆速度相应。在串联式混合动力或纯电动车辆情形中，当电动机/发电机是空转时，车辆处于静止。因此，在电动机/发电机是车辆的主要加速器时，显著的磁感应铁损阶段被消除。
本发明涉及一种消除用于并联式混合动力构造中的永磁电动机/发电机的磁感应转矩损耗的方法。
在恒速循环过程中，即使电动机/发电机的定子线圈是去激励的，但是电动机中的旋转高强度磁体在车辆上产生了寄生转矩阻力。每当转动磁场切割穿过铁芯硅钢和铁材料(定子通常由该铁芯硅钢和铁材料制成)时，磁通量密度产生使能量以热量形式散失的“铁损”。铁损通常作为频率和磁通量密度或强度的平方函数而变化。在高转速时，永磁机械的铁损可能需要相当大的功率电平，这导致产生寄生阻力和定子发热。这种寄生阻力减小了并联式混合动力系统的总体效率和燃料节约。由于电动机/发电机的铁损的显著功率消耗，所以涉及持久的恒速高速路驾驶和长距离驾驶的驱动循环将会损失燃料燃烧效率。
这种并联式混合动力车辆技术的许多实施例每当车辆移动时就转动电动机/发电机。在许多情形中，这样做仅仅是为了简易性和节省费用。用于改变和减小铁损的寄生阻力的方法必须改变磁体的转速或减小永磁转子的磁场强度。如果在长期恒速运行过程中可实现铁损的减少，则车辆上的寄生转矩阻力将减小并且燃料燃烧效率将被提高。
一种离合器装置可用来使电动机/发电机在“去激励”过程中从车辆传动系统去耦。由于涉及费用和耐久性问题，所以这不是常用的。在电动车辆牵引电动机领域，若干专利教授了弱化永磁场以实现更广的速度范围的方法。Zepp等的美国专利第6,492,753和6,555,941号披露了一种磁场弱化方法，该方法使内部永磁转子自定子的铁芯硅钢叠片轴向偏移，以获得更广的速度范围。Zepp等的美国专利第6,943,478号也披露了一种磁场弱化方法，该方法使中心电机的外部永磁转子自内部定子的铁芯硅钢叠片轴向偏移，以获得更广的变速范围。
Horber的美国专利第6,844,647号披露了一种永磁转子，该转子包括具有可改变磁通量的变化位置关系的内套筒和外套筒。
Jermakian等的美国专利第6,137,203号披露了一种磁气隙调整方法以在轴隙(axial gap)类型电机中获得更广的速度。
这些专利主要关注点是改变永磁通量以扩大电机速度和恒定功率运行。当这些现有技术应用于并联式混合动力系统时，它们的磁场弱化将减小，但没有消除，在恒速运行过程中通常会发现寄生转矩阻力特性。
本发明涉及一种用于消除寄生转矩损耗的方法和系统，该寄生转矩损耗在当电动机/发电机单元在车辆恒速运转过程中没有被激励的情况下，转动的磁体通过铁芯硅钢时而被引起。
发明内容
根据本发明的各种特征、特性和实施方式(这些随后续的描述将变得明显)，本发明提供了一种永磁电动机/发电机，其包括：
定子，具有多个定子磁极和用于在定子磁极中产生旋转磁场的绕组，所述定子具有中心轴；
转子，在其周边表面处设置有多个永磁体并且该转子具有与定子的中心轴重合的中心轴线；
可转动轴，转子连接于其上，该可转动轴具有与定子的中心轴线重合的中心轴线；以及
致动器，用于使转子沿着可转动轴相对于定子轴向地移动足够的距离，以使转子从定子彻底去耦以便消除磁感应转矩阻力。
本发明进一步提供了一种操作永磁电动机/发电机以便消除磁感应转矩阻力的方法，该方法包括：
提供永磁电动机/发电机，该永磁电动机/发电机包括：定子，具有多个定子磁极和用于在定子磁极中产生旋转磁场的绕组，所述定子具有中心轴线；转子，其周边表面处设置有多个永磁体并且该转子具有与定子的中心轴线重合的中心轴线；以及可转动轴，转子连接于其上，该可转动轴具有与定子的中心轴线重合的中心轴线；以及
使转子沿着可转动轴相对于定子轴向地移动足够的距离，以使转子从定子彻底去耦以便消除磁感应转矩阻力。
本发明还提供了一种并联式混合动力汽车，该汽车包括内燃机和永磁电动机/发电机，其中永磁电动机/发电机包括：定子，具有多个定子磁极和用于在定子磁极中产生旋转磁场的绕组，所述定子具有中心轴线；转子，其周边表面处设置有多个永磁体并且该转子具有与定子的中心轴线重合的中心轴线；以及可转动轴，转子连接于其上，该可转动轴具有与定子的中心轴线重合的中心轴线；以及致动器，用于使转子沿着可转动轴相对于定子轴向地移动足够的距离，以使转子从定子彻底去耦以便消除磁感应转矩阻力。
附图说明
本发明将参照仅作为非限制性实例给出的附图进行描述，其中：
图1是示出了在使永磁转子从定子去耦和不去耦的情况下，永磁电动机中铁损转矩阻力与速度相对的曲线图。
图2是示出了根据本发明一个实施例的永磁电动机/发电机的横截面视图，其中永磁转子完全啮合于定子。
图3是图2的永磁电动机/发电机的横截面视图，其中转子50％脱离定子。
图4是图2的永磁电动机/发电机的横截面图，其中转子80％脱离定子。
图5是图2的永磁电动机/发电机的横截面图，其中转子100％脱离定子。
图6是穿过如图2上所示的剖面B-B的横截面端视图，示出转子与定子完全啮合。
图7是当被安装在卡车或公交车的传动轴上时，永磁电动机/发电机的横截面视图。
图8是当被安装在汽车、卡车或公交车的变速箱壳体中时，永磁电动机/发电机的替换实施例的横截面视图。
图9是转子的部分横截面视图，其中转子完全与壳体的其他零件去耦以减小转矩和涡流阻力。
具体实施方式
本发明涉及一种无刷永磁电动机/发电机设计，该设计被构造以用于机动车辆中传动轴或变速箱的定位。电动机/发电机包括在车辆系统中使得能够具有并联式混合驱动能力，该混合驱动能力可捕获并保存或储存一部分车辆减速能量并将该储存的能量再应用于下一次车辆加速。这种保存电能的应用减少了车辆加速过程中的燃料消耗和污染物排放，并且增加车辆的每加仑额定里程。燃料利用和排放的最显著降低在频繁的启动/停止循环的驱动循环中得以实现。
本发明的永磁转子通过恒速轴承连接于传动轴，该恒速轴承允许转子在电动机轴和定子轴转动的同时相对于它们轴向地移动。在作为电动机运行过程中，增加永磁转子的轴向位移减少了定子磁场线圈上的磁通量，减小了限制电动机最大转速的感应反电动势并允许更高速度的运行。当作为发电机运行时，增加永磁转子的轴向位移减少了定子磁场线圈上的磁通量并减小了所产生的电压，以保持在系统电压极限内。当车速以发电机模式降低时，减小永磁转子的轴向位移增加了在定子磁场线圈上的磁通量并增加了所产生的电压，以使减速过程中的能量捕获最大化。当车辆达到恒速或储存的电能被耗尽时，旋转的转子轴向移动，以便在系统没有被激励时使转子磁体从定子铁芯完全去耦。这消除了当系统没有启动时由于恒速驱动过程中的铁损所导致的磁感应转矩阻力。当车辆电动机发动、发电机发动和空转模式之间转换时，电动机控制器提供转子位置的主动控制。
图1是示出了当电动机/发电机线圈没有被激励时，铁损转矩阻力和转速之间的关系的曲线图。标有“转子啮合”的曲线示出了铁损转矩阻力随着转速的增加效应。这图解说明了在持久的高速路驾驶过程中有损于总体燃料节省的寄生阻力。标有“转子脱离”的曲线图解说明了磁转子从定子叠层的去耦减少了转矩阻力从而其可仅受限制于轴承摩擦。在“转子脱离”位置，通过在启动/停止驱动过程中再生的制动能而获得的燃料节省被保存，并且系统的总体燃料效率被保持。
图2是根据本发明的一个实施例的永磁电动机/发电机的横截面视图，其中转子完全啮合于定子。该永磁电动机/发电机包括两端连接于用标号2标识的结构的电动机轴1，标号2标识的结构表示万能接头轭，或者连接至传动轴或给车辆驱动轮传送转动功率的其他结构。电动机轴1由在电动机轴1相对端上的伸长的壳体3和壳体4支撑。电动机轴1通过轴承组件5支撑在壳体3和4中，该轴承组件可包括径向球轴承6或可包括任何其他适合类型的轴承结构/组件。电动机轴1以允许电动机轴1在壳体3和4内转动，但限制电动机轴1在壳体3和壳体4之间的轴向移动的方式被支撑。
图2所描述的电动机轴1可在任一端处包括阶梯部(未示出)，该阶梯部超出转子沿轴1的移动范围，如以下更详细地论述的那样，轴1被构造成允许球轴承19被置于电动机轴1和转子轴环8之间。
定子10被支撑在壳体3和4中，以便在定子10内径与转子15外径之间存在容许可移动定位的环状空间。
定子10包括定子环11，该定子环包括或支撑沿着定子环11内周边的多个定子齿12。定子齿12具有凹入的内表面13(参见图6)，并且沿着定子环11的内周边均匀地间隔开。围绕定子齿12缠绕的金属丝线圈14可选择性地被激励，以产生使转子15、转子轴环8和电动机轴1转动的磁力。
转子15包括围绕转子轴环8的层压钢元件16并具有多个永磁体17，该永久磁体附着于层压钢元件16的外表面从而与定子齿12相对。永磁体17可利用任何合适的粘合剂、胶水、环氧树脂等附着于层压钢元件16的外表面。永磁体17的面向定子齿12的凹入内表面13的表面18是凸起的，以便针对定子齿12的凹入外表面13互补地成形。
支撑转子15的转子轴环8通过多个球轴承19连接于电动机轴1，球轴承19容纳于设置在转子轴环8内表面上的多个凹部或凹槽20中。这些凹部或凹槽20的端部可通过扣环或其他结构元件封锁，以防止球轴承19从凹处或凹槽20中出来。球轴承19被允许在形成于电动机轴1中的凹槽7与转子轴环8中的凹部20之间的多个轴向凹槽21中轴向移动。球轴承19将电动机轴1和转子轴环8连接在一起，以在电动机轴1与转子15之间提供恒速线性轴承。通过定位电动机轴1，可在组装过程中将球轴承插入到相对的凹槽7和20中，从而使上述的电动机轴的阶梯部与转子轴环8上的凹部或凹槽20对准。
通过沿电动机轴1轴向地移动转子轴环8，恒速线性轴承允许转子15相对于定子10轴向地移动。转子轴环8沿电动机轴1的移动借助于致动机构实现。
图2中的致动机构22包括电动机和减速器23，该致动机构转动滚珠螺杆机构24以产生杆25的线性运动。滚珠螺杆24被可逆电动机和减速器23转动地驱动，以伸出或收回杆25。致动器22的一端通过销钉连接件26或其他装置连接至电动机结构。致动器22的杆25通过销钉连接件27或其他装置连接至变速臂28。变速臂28连接至推力套筒29，该推力套筒容纳具有径向球轴承31的一对轴承组件30。在转子轴环8和电动机轴1转动的同时变速臂28保持静止。两个轴承组件30允许来自致动器杆25的推力被传递通过臂28并进入推力套筒29和转子轴环8中。当致动器22伸出杆25时，变速臂28作用于转子轴环8和转子组件15上以将转子组件15拉出定子组件。在可替换实施方式中，可使用其他类型的致动器，诸如气动致动器、液压致动器、其他类型的机电致动器、甚至手动致动器。
在运行中，如图2所示的电动机具有转子15，该转子完全与定子10啮合以获得永磁体17对多个定子齿12和定子线圈14的全部效应。在这种构造中，电动机将产生最大转矩但将具有有限的基本速度。
图3是根据本发明一个实施方式的永磁电动机/发电机的横截面视图，其中转子15大约50％脱离定子10。图2和图3之间的比较揭示了圆筒形转子轴环8和推力套筒29如何利用变速臂28和致动器杆25轴向移动以使转子15沿着电动机轴1相对于定子10偏移。在图3所示的构造中，电动机/发电机将产生比图2所示构造更低的转矩，但将具有更高的基本速度。
图4是根据本发明一个实施方式的永磁电动机/发电机的横截面视图，其中转子15大约80％脱离定子10。图2和图4之间的比较揭示了圆筒形转子轴环8和推力套筒29如何利用变速臂28和致动器杆25轴向移动以使转子15沿着电动机轴1相对于定子10偏移。在图4所示的构造中，电动机/发电机将产生比图3和图2中所示构造更低的转矩，但具有在高速路驾驶速度情况下的电动机/发电机所需的更高基本速度。
图5是根据本发明一个实施方式的永磁电动机/发电机的横截面视图，其中转子15完全(100％)脱离定子10。图2、3和4之间的比较表明了圆筒形转子轴环8和推力套筒29如何利用变速臂28和致动器杆25轴向移动以使转子15沿着电动机轴1相对于定子10偏移。在图5所示的构造中，转子组件15上的永磁体17从定子组件10中的多个定子齿12磁性地去耦。这消除了当转子15的旋转磁场影响定子齿12的层压钢结构时所导致的转矩阻力(引起“铁损”转矩阻力)。其他现有技术的永磁电动机/发电机不具有这种磁去耦特征，因而不能避免与铁损相关的转矩阻力。根据本发明，当具有永磁电动机/发电机的车辆在高速路上运行或以持续速度模式运行时，电动机/发电机处于图5所示的完全脱离位置，以消除由于铁损导致的寄生转矩损耗。该特征通过减少车辆驱动系统上的寄生转矩阻力增加了混合动力电车的燃料节省并减少排放。
图6示出了沿图2中剖面线B-B截取的横截面端视图。中央的电动机轴1具有多个凹槽7，这些凹槽与转子轴环8中的凹部或凹槽20对准以形成用于球轴承19的多个沟道或凹槽。转子15的层压钢元件16安装在转子轴环8上。永磁体17粘性地结合到层压钢构件16的截面上，以形成多个均匀间隔开的北磁极和南磁极。
图7示出了安装在典型车辆中的电动机/发电机32。前传动轴33将传动装置34连接至电动机/发电机单元32。电动机/发电机32的相对端连接于后传动轴35，然后连接于后轴36和后轮37。当具有处于完全脱离状态(图5)的这种电动机/发电机并以恒定高速运行的车辆感测到节流位置降低时，变速致动器22中的致动电动机23释放能量并沿相反方向转动，以收回杆25并部分地使转子组件15和多个永磁体17与定子组件10中的多个定子齿12和线圈14再啮合，如图4所示。多个永磁体17的转动在线圈14中产生可储存在电容器组、电池或其他装置中的电流。这种初始电平的再生电能(或再生能)在车辆传动轴上产生适度制动转矩，同时减小速度。当采用车辆制动器时，电动机/发电机控制系统感测制动系统的压力并增大再生电流，以增加车辆传动轴上的制动转矩。当车速降低时，变速致动器22中的致动电动机23释放能量并以相反方向转动，以收回杆25并且增进转子组件15的啮合，如图3和2所示，以保持系统电压处于最大电平以便最有效地捕获再生能量。以这种方式，车辆驾驶员需要的制动转矩主要通过电动机/发电机提供，其次通过车辆制动器提供。
图8示出了本发明的一个可替换实施方式，其中电动机/发电机32容纳在传动装置34中并连接于后传动轴35、后轴36和后轮37。
应该注意到，永磁电动机/发电机的独特构造被用来在作为电动机运行时使转矩和速度范围最大化，以及在作为发电机运行时被用来优化再生能量和电压的捕获。在减速过程中，发电机提供制动转矩并保存被储存以用于下一次加速循环的电能。因为车辆速度降低，所以发电机输出通常会与速度成比例地降低，对效率和总体能量储存产生不利影响。通过在减速过程中利用永磁转子相对于定子的轴向移动，转子可逐渐地啮合于定子以产生恒定电压周期，因而使能量保存最大化。另外，在高速路驾驶阶段的过程中，利用永磁转子从定子的完全脱离使得能够显著地节省能量和燃料，这是因为铁损转矩阻力减少。
图9是转子的部分横截面视图，该转子与壳体的其他零件完全去耦以减小转矩和涡流阻力。为了减小总体尺寸，壳体部3(转子可在其中移动)可具有比壳体部4更小的直径。由于当永磁转子非常接近壳体转动时壳体通常可有助于产生涡流损耗，所以图9所示的壳体部3已被设计和构造成减小或阻止涡流损耗。在这方面，壳体形成有多个狭槽40，该狭槽起到叠片的作用并且极大地增加通路长度。另外，壳体部3(和壳体部4，如果需要的话)由具有低导电性或高电阻的材料(诸如非磁性不锈钢)制成。作为一个实例，发现300个串联的非磁性不锈钢减小涡流损耗并提供降低嵌齿(cogging torque)转矩驱动力的额外益处。减小涡流损耗有助于减少壳体发热，由此减少额外的能耗。
除了在并联式混合动力车辆中有用之外，本发明的永磁电动机/发电机在风力发电机中也很有用，在该风力发电机中使用永磁电动机/发电机可作为电动机而起作用，以提供用于使风力机或涡轮转动启动的转矩，并且之后的完全去耦会消除磁感应的转矩阻力以极大地提高风力发电的效率。进一步，转子可响应于风速的变化而逐渐地啮合于定子，以影响期望的电压输出。
尽管已经参考具体装置、材料和实施方式描述本发明，但是根据所进行的描述，本领域的技术人员可轻易确定本发明的基本特征，并且在不背离如上所述的本发明的精神和范围的情况下，可作出各种变化和更改以适合于不同应用和特性。

Claims (20)

1.一种永磁电动机/发电机，其包括：
定子，具有多个定子磁极和用于在所述定子磁极中产生旋转磁场的绕组，所述定子具有中心轴线；
转子，在其周边表面处设置有多个永磁体并且所述转子具有与所述定子的中心轴线重合的中心轴线；
可转动轴，所述转子连接于其上，所述可转动轴具有与所述定子的中心轴线重合的中心轴线；以及
致动器，用于使所述转子沿着所述可转动轴相对于所述定子轴向地移动足够的距离，以使所述转子从所述定子彻底去耦以便消除磁感应转矩阻力。
2.根据权利要求1所述的永磁电动机/发电机，进一步包括将所述转子连接于所述可转动轴的恒速轴承。
3.根据权利要求1所述的永磁电动机/发电机，进一步包括在所述转子与所述可转动轴之间的多个球轴承。
4.根据权利要求3所述的永磁电动机/发电机，其中，所述可转动轴设置有多个轴向凹槽，所述多个凹槽用于将所述多个球轴承容纳在其中。
5.根据权利要求1所述的永磁电动机/发电机，进一步包括将所述致动器连接至所述转子的推力轴承组件。
6.根据权利要求1所述的永磁电动机/发电机，进一步包括用于容纳所述定子和转子的壳体，其中所述壳体的至少一部分由具有高电阻的材料制成，以便减小涡流损耗电流并降低嵌齿转矩驱动力。
7.根据权利要求6所述的永磁电动机/发电机，其中，所述具有高电阻的材料包括非磁性不锈钢。
8.根据权利要求6所述的永磁电动机/发电机，其中，所述壳体进一步设置有减少涡流损耗电流的狭槽。
9.根据权利要求1所述的永磁电动机/发电机，与并联式混合动力车辆结合。
10.根据权利要求1所述的永磁电动机/发电机，与风力发电机结合。
11.一种操作永磁电动机/发电机的方法，该方法用以消除磁感应转矩阻力，所述方法包括：
提供永磁电动机/发电机，该永磁电动机/发电机包括：定子，具有多个定子磁极和用于在所述定子磁极中产生旋转磁场的绕组，所述定子具有中心轴线；转子，其周边表面处设置有多个永磁体并且所述转子具有与所述定子的中心轴线重合的中心轴线；以及可转动轴，所述转子连接于其上，所述可转动轴具有与所述定子的中心轴线重合的中心轴线；以及
使所述转子沿着所述可转动轴相对于所述定子轴向地移动足够的距离，以使所述转子从所述定子彻底去耦以便消除磁感应转矩阻力。
12.根据权利要求11所述的操作永磁电动机/发电机的方法，其中，所述永磁电动机/发电机被结合到车辆中。
13.根据权利要求12所述的操作永磁电动机/发电机的方法，其中，当所述车辆减速时，所述转子与所述定子逐渐地啮合以便控制所产生的电压输出。
13.根据权利要求11所述的操作永磁电动机/发电机的方法，其中，所述永磁电动机/发电机被结合到风力发电机中。
14.一种并联式混合动力车辆，其包括内燃机和永磁电动机/发电机，其中，所述永磁电动机/发电机包括：定子，具有多个定子磁极和用于在所述定子磁极中产生旋转磁场的绕组，所述定子具有中心轴线；转子，其周边表面处设置有多个永磁体并且所述转子具有与所述定子的中心轴线重合的中心轴线；以及可转动轴，所述转子连接于其上，所述可转动轴具有与所述定子的中心轴线重合的中心轴线；以及致动器，用于使所述转子沿着所述可转动轴相对于所述定子轴向地移动足够的距离，以使所述转子从所述定子彻底去耦以便消除磁感应转矩阻力。
15.根据权利要求14所述的并联式混合动力车辆，进一步包括提供转子位置的主动控制的控制器。
16.根据权利要求15所述的并联式混合动力车辆，其中，当所述车辆减速时，所述控制器使所述转子与所述定子逐渐地啮合以便控制所产生的电压输出。
17.根据权利要求15所述的并联式混合动力车辆，其中，所述控制器在车辆恒速运行过程中使所述转子从所述定子彻底去耦。
18.根据权利要求14所述的并联式混合动力车辆，其中，所述车辆进一步包括传动装置和传动轴，并且所述永磁电动机/发电机连接在所述传动装置与所述传动轴之间。
19.根据权利要求14所述的并联式混合动力车辆，其中，所述车辆进一步包括传动轴和具有壳体的传动装置，并且所述永磁电动机/发电机容纳于所述传动装置的壳体中。
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