專利名稱：扭矩轉(zhuǎn)換可變的差速電力發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)動機，特別是一種扭矩轉(zhuǎn)換可變的差速發(fā)動機。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有電力發(fā)動機的一個主要問題是，發(fā)動機的峰值效率只出現(xiàn)在一個相對較小的輸出速度范圍內(nèi)，在低速或啟動速度時則不會出現(xiàn)峰值效率。圖1示出了一個典型發(fā)動機的速度-效率曲線A。由圖1所示可知，典型發(fā)動機在速度-效率曲線A上的B點達到了峰值效率的80％但小于100％，但在低輸出速度和啟動速度時(C點)，其效率只在20％至25％范圍內(nèi)。
如果一個負載，例如一輛汽車，需要在加速度的作用下達到其運行速度，那么這個效率問題就會由于對高啟動扭矩的需求而產(chǎn)生。其中啟動扭矩直接隨著加速度而變化，加速度越高，所需的啟動扭矩就越高。由于扭矩與發(fā)動機線圈中的電流是成比例的，則加速度扭矩(例如從一個停止位置開始的加速度或一個受控反向電動機扭矩下的減速度)將需要一個非常高的發(fā)動機線圈電流。這意味著在一個低速度或從一個停止位置啟動時，為電動機產(chǎn)生一個給定的扭矩所需的電流將遠遠高于在高速時產(chǎn)生相同的扭矩所需的電流，這是因為電動機在低速時的效率遠遠低于在高速時的效率，如圖1所示的效率-輸出速度曲線上的B點與C點所顯示的那樣。此外，電動機中的能量損失呈指數(shù)級地增長，因為電動機中的能量損失等于其電機繞組的電阻乘以其電流的平方。
在一個電動機能量系統(tǒng)的停止/啟動的運行過程中，特別是在相對較快的加速度和減速度出現(xiàn)的場合，該電動機的運行效率將大大低于峰值效率，正如圖1中的C點所指出的那樣，其典型的運行效率在20％到25％之間，在加速/減速情況下甚至可能更低。其結(jié)果是，電車在較長的公路上會比在城市中能行駛更遠的距離。
考慮到上述以及其他已知的不足，需要有一個這樣的發(fā)動機，它可改進現(xiàn)有設(shè)計的‘扭矩輸出-速度’特性并達到圖1(b)所示的理想的發(fā)動機運行特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種扭矩轉(zhuǎn)換可變的差速發(fā)動機。
一方面，本發(fā)明提供了一種扭矩輸出可變的差速發(fā)動機，它由以下部分組成(a)一個用于以一定旋轉(zhuǎn)速度驅(qū)動輸出軸并將輸入旋轉(zhuǎn)扭矩施加到所述輸出軸上的電動機；(b)一個連接到所述電動機、用于將所述輸入旋轉(zhuǎn)扭矩轉(zhuǎn)換成與負載的連接的輸出驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)扭矩的扭矩轉(zhuǎn)換單元；(c)所述扭矩轉(zhuǎn)換單元包括一個第一差速單元，所述第一差速單元有一個輸入軸連接到所述電動機的輸出軸，所述第一差速單元有一個用于將所述輸入軸的旋轉(zhuǎn)扭矩傳送到第一和第二輸出軸的齒輪機構(gòu)，且所述齒輪機構(gòu)可驅(qū)動每一個所述輸出軸以相同的速度和相反的方向旋轉(zhuǎn)；(d)所述扭矩轉(zhuǎn)換單元包括一個第二差速單元，所述第二差速單元有一個第一輸入軸連接到所述第一差速單元的第一輸出軸，還有一個第二輸入軸連接到所述第一差速單元的第二輸出軸，還包括一個用于在第二差速單元的第一和第二輸入軸的旋轉(zhuǎn)速度之間有差異產(chǎn)生時、施加一個旋轉(zhuǎn)扭矩到所述輸出驅(qū)動軸的齒輪機構(gòu)；(f)一個負載機構(gòu)，所述負載機構(gòu)連接到所述第二差速單元的其中一個輸入軸上，所述負載機構(gòu)響應(yīng)于一個控制輸入以對所述輸入軸加載，從而改變關(guān)聯(lián)輸入軸的旋轉(zhuǎn)速度。
另一方面，本發(fā)明提供一種輸出扭矩可變的差速發(fā)動機，由以下部分組成(a)一個可驅(qū)動輸出軸在預(yù)定方向按恒定速度旋轉(zhuǎn)的電動機；(b)一個轉(zhuǎn)換單元，它有一個輸入軸和一個用于驅(qū)動負載的輸出驅(qū)動軸，所述輸入軸連接到所述電動機的輸出軸；(c)一個再生充電單元，所述再生充電單元通過一個輸入端從所述轉(zhuǎn)換單元獲取能量，并給一個能量存儲裝置充電；(d)所述轉(zhuǎn)換單元由一個第一差速單元和一個第二差速單元組成，所述第一差速單元有一個驅(qū)動機構(gòu)連接到所述輸入軸，所述第二差速單元有一個驅(qū)動機構(gòu)連接到所述輸出驅(qū)動軸，所述第一差速單元的驅(qū)動機構(gòu)通過第一和第二差速軸連接到所述第二差速單元的驅(qū)動機構(gòu)，所述差速軸以相同的速度并按相反的方向旋轉(zhuǎn)；(e)所述轉(zhuǎn)換單元包括一個連接到其中一個所述差速軸的發(fā)電機，所述發(fā)電機響應(yīng)于所述控制輸入以產(chǎn)生供給所述再生充電單元的能量輸出，所述發(fā)電機的運行會加載于所述差速軸并使所述差速軸的速度產(chǎn)生差異，所述第二差速單元中的驅(qū)動機構(gòu)將所述的差速轉(zhuǎn)換為所述輸出驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)速度。
再一方面，本發(fā)明還提供一種輸出扭矩可變的差速發(fā)動機，由以下部分組成(a)一個用于以一定旋轉(zhuǎn)速度驅(qū)動輸出軸并將輸入旋轉(zhuǎn)扭矩施加到所述輸出軸上的第一電動機；(b)一個用于驅(qū)動輸出電動機軸按一定旋轉(zhuǎn)速度、并與所述第一電動機的輸出軸相同的方向旋轉(zhuǎn)的第二電動機；(c)一個連接到所述電動機的扭矩轉(zhuǎn)換單元，該扭矩轉(zhuǎn)換單元用于將所述第一電動機和第二電動機傳來的輸入旋轉(zhuǎn)扭矩轉(zhuǎn)換成與負載連接的輸出驅(qū)動軸上的旋轉(zhuǎn)扭矩；(d)所述扭矩轉(zhuǎn)換單元包括一個第一差速單元，所述第一差速單元有一個輸入軸，所述第一差速單元還有一個用于將所述輸入軸的旋轉(zhuǎn)扭矩傳送到第一和第二輸出軸的齒輪機構(gòu)，所述齒輪機構(gòu)以相同的速度及相反的旋轉(zhuǎn)方向驅(qū)動所述兩個輸出軸；(e)所述扭矩轉(zhuǎn)換單元還包括一個第二差速單元，所述第二差速單元有一個連接到所述第一差速單元的第一輸出軸的第一輸入軸，還有一個連接到所述第一差速單元的第二輸出軸的第二輸入軸，還包括一個用于在第二差速單元的第一和第二輸入軸的旋轉(zhuǎn)速度之間有差異產(chǎn)生時、施加一個旋轉(zhuǎn)扭矩到所述輸出驅(qū)動軸的齒輪機構(gòu)；(f)一個輸入單元，它有一個連接到所述第一電動機的輸出軸的第一輸入軸，還有一個連接到所述第二電動機的輸出電動機軸上的一個第二輸入軸，所述輸入單元有一個輸出軸，且該輸出軸連接到所述第一差速單元的輸入軸，所述輸入單元還包括一個用于將所述輸出電動機軸和所述輸出軸的旋轉(zhuǎn)扭矩傳送到所述輸入單元的輸出軸上的齒輪機構(gòu)；(g)一個負載機構(gòu)，所述負載機構(gòu)連接到所述第二差速單元的其中一個輸入軸，所述負載機構(gòu)響應(yīng)于一個控制輸入以對所述輸入軸加載，從而改變關(guān)聯(lián)輸入軸的旋轉(zhuǎn)速度。
通過下面的對典型實施例的描述，并結(jié)合相應(yīng)的附圖，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可對本發(fā)明的其他方面和特點有一個更清楚的了解。


下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明圖1(a)是一個典型的電動機輸出效率-速度曲線的示意圖；圖1(b)是一個理想的電動機輸出效率-速度曲線的示意圖；圖2是本發(fā)明中一個扭矩轉(zhuǎn)換可變的差速發(fā)動機的原理框圖；圖3(a)是本發(fā)明的差速發(fā)動機的輸出效率-速度曲線的示意圖；圖3(b)是本發(fā)明的差速發(fā)動機的輸出扭矩-速度曲線的示意圖；圖4是本發(fā)明另一實施例中差速發(fā)動機的原理框圖；圖5是本發(fā)明另一實施例中差速發(fā)動機的原理框圖；圖6是本發(fā)明另一實施例中差速發(fā)動機的原理框圖；圖7是給本發(fā)明的差速發(fā)動機提供化學(xué)負載的一個水電解系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
先參見圖2，其中示出了本發(fā)明中的一個扭矩轉(zhuǎn)換可變的差速發(fā)動機的原理框圖，其標號為10。
從圖2中可以看出，差速發(fā)動機10由一個電動機12，一個機械行星變速箱13以及一個電動機恒速控制器11組成。行星變速箱13由第一差速齒輪箱14和第二差速齒輪箱16組成。第一差速齒輪箱14通過其輸入軸20連接到電動機12的輸出軸上。第一差速齒輪箱14有一個第一輸出軸22和一個第二輸出軸24。第一輸出軸22連接到第一電動機/發(fā)電機26的轉(zhuǎn)子上，從后面的詳細敘述可知，這個電動機/發(fā)電機26將工作于發(fā)電機模式。相似地，第二輸出軸24連接到第二電動機/發(fā)電機28的轉(zhuǎn)子上，電動機/發(fā)電機28也工作于發(fā)電機模式。第二差速齒輪箱16有一個第一輸入軸30，一個第二輸入軸32以及一個輸出軸34。其第一輸入軸30連接到第一電動機/發(fā)電機26的轉(zhuǎn)子上，第二輸入軸32連接到第二電動機/發(fā)電機28的轉(zhuǎn)子上。差速齒輪箱16的輸出軸34給差速發(fā)動機10提供驅(qū)動輸出，這一點將在后面詳細敘述。輸出軸34連接到并驅(qū)動一個負載36，例如一個車輪。
電動機12以連續(xù)的速度運行，并且有一個輸出軸20按同一方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，例如圖中箭頭21所指示的方向。電動機12的輸出軸20連接到第一差速齒輪箱14的輸入軸上。不管輸出軸34是否動作，電動機12總是不停地旋轉(zhuǎn)。然而，當(dāng)不需要輸出時，例如當(dāng)車輛停止時，電動機12可被關(guān)閉或可減速運行。電動機12的速度由電動機恒速控制器11設(shè)定并受其控制。除了對電動機12進行較小的速度調(diào)整以使扭矩的效率最大化這種情況以外，恒速控制器11將使電動機12以一個連續(xù)的速度運行。如果一個燃氣發(fā)動機用來代替電動機，或者使其與電動機12一起運行(如圖6中所示)，則燃氣發(fā)動機就能夠在它的最佳效率速度(例如高速)下運行，此時即使負載在較寬范圍變化，電動機速度也只需要有較小的變化即可維持最佳效率。
輸出軸34以一個受控的速度旋轉(zhuǎn)，其最大轉(zhuǎn)速遠低于電動機12的速度。對發(fā)動機10的這種安排在任一運動方向上提供了速度減少和扭矩轉(zhuǎn)換。雖然電動機12持續(xù)地旋轉(zhuǎn)，但是在不用離合器或其他相似機構(gòu)將輸出軸34與電動機12分開的情況下，輸出軸34也可能完全靜止。所以，可以預(yù)見的是，不管輸出軸34是停止、正向旋轉(zhuǎn)或反向旋轉(zhuǎn)，電動機12都將工作于連續(xù)(相對固定的速度)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。
輸出軸34的旋轉(zhuǎn)速度是從零速度到一定的正向和反向速度范圍內(nèi)連續(xù)地變化的。忽略在兩個差速齒輪箱14、16上損耗的效率，并忽略在電動機/發(fā)電機26、28，電池充電模塊40、42，電動機恒速控制器11以及控制器70上產(chǎn)生的效率損失，則可在輸出軸34產(chǎn)生(增加)一個扭矩轉(zhuǎn)換，該扭矩轉(zhuǎn)換是電動機12速度除以輸出軸34速度所得比率的一個函數(shù)。
由于電動機12的效率與特定的速度和扭矩組合相關(guān)，那么電動機12必然有一個最佳速度以產(chǎn)生一個給定扭矩。通過改變電動機12的并將其速度作為測得的電動機扭矩的一個函數(shù)，則可將電動機12的運行效率維持在峰值水平，從而使其運行效率最大化。
再回到圖2，電動機12的輸出軸20連接到并驅(qū)動第一差速齒輪箱14的輸入軸17。第一差速齒輪箱14的第一輸出軸22以箭頭23所指示的方向旋轉(zhuǎn)，第二輸出軸24以箭頭25所指示的相反方向旋轉(zhuǎn)。由于輸出軸22是連接到第一發(fā)電機26的轉(zhuǎn)子上的，所以第二差速齒輪箱16的第一輸入軸30按箭頭23所示作相同方向且相同速度的旋轉(zhuǎn)。相似地，第二差速齒輪箱16的第二輸入軸32按與輸出軸24相同的方向和速度旋轉(zhuǎn)。
差速齒輪箱14由一個差速齒輪驅(qū)動(圖中未示出)，單輸入軸17(它與軸20連接)，以及速度比為1∶1∶1的雙輸出軸(即軸22和24)組成。當(dāng)然，也可以采用其他速度比。對差速齒輪箱14的一個適當(dāng)?shù)陌才攀牵捎靡粋€差速齒輪系統(tǒng)(圖中未示出)，其中有一個軸連接到電動機的軸20上，并通過一個直角軸連接到兩個斜齒輪，這兩個斜齒輪再分別連接到輸出軸22和24。除了齒輪的大小尺寸區(qū)別外，在第二差速齒輪箱16中可采用類似的差速齒輪系統(tǒng)，其中的兩個斜齒輪分別連接到相應(yīng)的輸入軸30和32，該差速齒輪箱還通過一個直角軸連接到輸出軸34。輸入軸17(與電動機12的輸出軸20連接)和第一差速齒輪箱14上的兩個輸出軸22及24遭遇到一個相當(dāng)?shù)偷呐ぞ兀撆ぞ厮接奢S30和32共享。對于第二差速齒輪箱16，由于其輸出軸34承擔(dān)了一個相當(dāng)高的扭矩負載，因此該差速齒輪箱16的設(shè)計最好能比差速齒輪箱14更能承擔(dān)負載。輸入軸17上的扭矩是由輸出速度(也就是輸出軸34的速度)除以輸入速度(也就是輸入軸30的速度)的比率，再加上所有的損耗而確定的。
可以預(yù)見的是，如果差速齒輪箱14的輸出軸22或24中，有一個輸出軸上具有額外的反旋轉(zhuǎn)負載力，那么另一個輸出軸的旋轉(zhuǎn)速度增加的程度將等于前一輸出軸所減小的旋轉(zhuǎn)速度。
如上所述，輸出軸22和24分別驅(qū)動第二差速齒輪箱16的輸入軸30和32。負載加在輸出軸22或24中的任一輸出軸上都會導(dǎo)致在兩個輸出軸22和24的旋轉(zhuǎn)速度之間產(chǎn)生差異，這個旋轉(zhuǎn)速度差異在第二差速齒輪箱16的輸入軸30和32之間也將同樣存在。由于輸出軸34的較大速度降低與電動機12的速度，軸20，22的速度及軸30，32的速度有關(guān)，所以輸出軸22和24中任一個的負載扭矩將遠小于由負載在輸出軸22和24上產(chǎn)生的輸出扭矩。
軸30和32以相反的方向旋轉(zhuǎn)(如箭頭23和25所示)，從而提供了差速輸入來驅(qū)動差速齒輪箱16中的旋轉(zhuǎn)斜齒輪(圖中未示出)。其中的斜齒輪(圖中未示出)連接到輸出軸34上。這種齒輪驅(qū)動安排列可確保如果兩個輸入軸30和32以相同的速度旋轉(zhuǎn)，則輸出軸34的轉(zhuǎn)速為零。然而，如果在兩個輸入軸30和32之間有一個相對的速度差，例如可能是軸30或32上有一個負載，又或者是軸30或32中的一個上有負載、另一個上加載有一個受控的工作于電動機狀態(tài)的電力負載，則可為輸出軸34提供所需的輸出速度。這個負載導(dǎo)致軸30(或32)降低其旋轉(zhuǎn)速度，并且通過差速齒輪系統(tǒng)的運行，使另一個軸32(或30)的速度得以增加，從而使兩個輸入軸30和32之間的差速通過差速齒輪箱16傳輸?shù)捷敵鲚S34上。值得指出的是，除了斜齒輪系統(tǒng)外，也可以使用其它齒輪排列方式。
由上述可知，電動機12在電動機恒速控制器11的控制下運行于一個恒定速度。電動機12的恒定速度由恒速控制器11維持在發(fā)動機10的設(shè)計范圍內(nèi)，與負載能量(也就是扭矩需求)和輸出軸34的速度都不相關(guān)。
在輸入軸30和32之間產(chǎn)生一個差速的機制中，使用一個電動機/發(fā)電機26，28(按發(fā)電機模式運行，或如另一實施例中按電動機模式運行)在關(guān)聯(lián)輸入軸30或32上產(chǎn)生一個負載。如上所述，第一發(fā)電機26的轉(zhuǎn)子的一端直接且緊密地連接到第一差速齒輪箱14的輸出軸22，另一端連接到第二差速齒輪箱16的輸入軸30。相似地，第二發(fā)電機28的轉(zhuǎn)子的一端直接且緊密地連接到第一差速齒輪箱14的輸出軸24，另一端連接到第二差速齒輪箱16的輸入軸32。第一發(fā)電機26的轉(zhuǎn)子、輸出軸22、以及第二差速齒輪箱16的輸入軸30都以相同的速度旋轉(zhuǎn)。相似地，第二發(fā)電機28的轉(zhuǎn)子、輸出軸24、以及第二差速齒輪箱16的輸入軸32都以相同的速度旋轉(zhuǎn)。與齒輪箱14和16相同，發(fā)電機26，28被緊密地安裝在一個固定機構(gòu)中，以防止發(fā)電機26和28的機架旋轉(zhuǎn)。
忽略在齒輪箱14和16中的損失，可以預(yù)見的是，用以減少輸入軸30或32的旋轉(zhuǎn)速度(或增加輸入軸30或32的旋轉(zhuǎn)速度)所需的反向旋轉(zhuǎn)扭矩與輸出扭矩是相關(guān)的，并且由電動機12的旋轉(zhuǎn)速度除以輸出軸34的旋轉(zhuǎn)速度這樣一個比率給定(當(dāng)其中一個軸帶負載、而另一個軸被驅(qū)動或由電動機帶動時，每一個差速軸需要該扭矩的1/2)?；谶@個關(guān)系，相對于輸出軸34的最大旋轉(zhuǎn)速度，電動機12所運行的這個高速度就有一個令人滿意的效果，那就是降低為在輸出軸34上產(chǎn)生所需旋轉(zhuǎn)速度而需要的最大負載力，這樣就能很方便地在發(fā)電機26和28上使用相當(dāng)小的電動機。如果在每一個電動機/發(fā)電機26，28與兩個相關(guān)聯(lián)的軸22，30和24，32之間采用一個齒輪齒數(shù)比，則這種效果還可以得到更進一步的增強，從而使得電動機26，28以一個更高的速度運行。
由圖2所示，差速發(fā)動機10中包括一個再生充電電流電路15。該再生充電電路15由一對電池充電器模塊40和42組成。第一電池充電器模塊40連接到第一電動機/發(fā)電機26的輸出端，相似地，第二電池充電器模塊42連接到第二電動機/發(fā)電機28的輸出端。電池充電器模塊40和42都連接到一個能量存儲裝置50上，例如一塊電池或如后面所描述的其他合適的裝置，并且產(chǎn)生再生充電電流。再生充電電流是負載加到輸出輸入軸對22，30和24，32上的結(jié)果，例如在制動，加速，減速，或者在輸出軸34的速度低于負載的速度時產(chǎn)生，其作用是可優(yōu)化電動機12的效率。
再參照圖2，第一電池充電模塊40的輸出端通過一個二極管60連接到電池50的一端。相似地，第二電池充電模塊42的輸出端通過一個二極管62連接到電池50的一端。電池50的另一端連接到電池充電器模塊40和42的返回輸入端。二極管60和62確保從相應(yīng)電池充電器模塊40和42流出的充電電流流向電池50，而不返回到電池充電器模塊40和42中的任一個。值得指出的是，二極管60和62可由其他功能相等的元器件代替。
電池充電器模塊40和42中的每一個連接到一個標注為70的控制器模塊。控制器模塊70的一個主要功能是獨立地控制每個電池充電器模塊40和42的運行，從而為輸出軸34提供所需的速度輸出和旋轉(zhuǎn)方向，這一點將在后面詳加敘述。除了控制電池充電器模塊40和42外，還可對控制器70進行編程以完成其他的控制功能，下面將詳加敘述。
對輸出軸34的旋轉(zhuǎn)速度的控制是通過在差速齒輪箱16的兩個輸入軸30和32旋轉(zhuǎn)速度間制造一個差異來完成的。在輸入軸之間的速度差異是通過在輸出軸22和輸入軸30中的任一個、或者在輸出軸24和輸入軸32中的任一個加負載而產(chǎn)生的?，F(xiàn)在予以更詳細的闡述，輸出軸30的負載通過電動機/發(fā)電機26的運行，在輸入軸22和輸出軸30上施加一個與旋轉(zhuǎn)方向相反的作用力。相似地，輸出軸32上的負載通過電動機/發(fā)電機28的運行，在輸入軸24和輸出軸32上施加一個與旋轉(zhuǎn)方向相反的作用力。如果電池充電器模塊40不需要發(fā)電機26提供電流，那么就沒有負載施加在輸出軸22上。相似地，對第二輸出軸24，如果電池充電器模塊42不需要發(fā)電機28的電流，那么就沒有負載施加在輸出軸24上。雖然發(fā)電機26和28的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)是由于電動機12輸出軸20的旋轉(zhuǎn)通過齒輪箱14傳送到輸出軸22和24而引起的，如果發(fā)電機26和28中沒有電流流出，則仍然沒有負載產(chǎn)生。從圖2可以看出，輸入軸30包含一個速度/扭矩傳感器31，用于通過輸出端F向控制器模塊70輸出其讀出的速度和/或扭矩。相似地，輸入軸32包含一個速度/扭矩傳感器33，用于通過輸出端G向控制器模塊70輸出其讀出的速度和/或扭矩。
當(dāng)控制器70激活電池充電器模塊40或42中的一個以給電池50提供充電電流時，就需要從發(fā)電機26或28得到電流。當(dāng)電池充電器模塊40被控制器70激活時，電池充電器模塊40開啟并從發(fā)電機26獲得電流，以產(chǎn)生充電電流并通過二極管60輸出到電池50。相似地，當(dāng)電池充電器模塊42被控制器70激活時，電池充電器模塊42開啟并從發(fā)電機28獲得電流，以產(chǎn)生充電電流并通過二極管62輸出到電池50。作為這種電流獲得的一個結(jié)果，發(fā)電機26產(chǎn)生一個與輸出軸30的旋轉(zhuǎn)方向相反的力，并且導(dǎo)致差速齒輪箱16的輸入軸30的旋轉(zhuǎn)速度改變。相似地，如果第二電池充電器模塊42被激活，則發(fā)電機28產(chǎn)生一個與輸出軸32的旋轉(zhuǎn)方向相反的力，并且導(dǎo)致差速齒輪箱16的輸入軸32的旋轉(zhuǎn)速度改變。這個力的大小以及作為結(jié)果而產(chǎn)生的施加在輸入軸30和32上的負載的大小、將隨著在控制器70控制下所獲得的電流的大小而變化。輸入軸30和32在速度上的差異被差速齒輪箱16轉(zhuǎn)送到輸出軸34。輸出軸34的箭頭35所指示的旋轉(zhuǎn)方向是由發(fā)電機26或28中的哪一個被加載來決定的。在這種情況下，由電池充電器模塊40和42所產(chǎn)生的充電電流中，包括一個由于加載到發(fā)電機26和28上的負載力(能)，也就是對輸入軸22，24和輸出軸30，32的減速或制動而產(chǎn)生的再生充電電流。如果使輸入軸22、24或者輸出軸30、32慢下來，則會相應(yīng)地增加輸入軸24、22和輸出軸32、30的速度，而輸出軸34的速度則等于差異軸對22，30與24，32之間的速度差。
從圖2中可以看出，差速發(fā)動機10中還包括一個速度傳感器90和一個扭矩傳感器91。速度傳感器90中含有一個轉(zhuǎn)速計并連接到輸出軸34上，用于檢測輸出軸34的旋轉(zhuǎn)速度和方向。扭矩傳感器91用于檢測輸出軸34的扭矩輸出。輸出軸34的扭矩和速度讀數(shù)通過一個反饋回路71提供給電池充電器控制器70。電池充電器控制器70包括一個用于接收速度控制輸入信號的輸入端74。電池充電器控制器70中最好還包含一個可編程裝置，例如一個基于微處理器的控制器。微處理器被設(shè)計成可執(zhí)行一個固化在其中的程序，而該程序中包含一系列用于控制電池充電器模塊40和42按前述狀態(tài)運行的指令。
參見圖2，從電池充電器模塊40，42輸出的電壓可控制充電的水平，即充電電壓輸出與電池50電壓之間的電壓差。這樣一來，電池充電器模塊40，42就像一個功率可變的電壓源。本發(fā)明中，電池充電器模塊40，42可能由一個單象限拓撲組成，這意味著電池充電器模塊40，42只從電動機/發(fā)電機26，28獲取能量并將能量傳送到電池50，也就是只在發(fā)電機模式下使用電動機/發(fā)電機26，28。電池充電器模塊40，42還可能由一個雙象限拓撲組成，這意味著模塊40，42能夠從電動機/發(fā)電機26，28獲取能量并將能量傳送到電池50，另外，電池充電器模塊40，42還能夠從電池50或其它的來源獲取能量并將能量傳送回電動機/發(fā)電機26，28。這個雙象限拓撲允許電動機/發(fā)電機26，28運行于電動機模式。
由圖2所示，電池充電器控制器70分別通過控制輸出端73，75連接到電池充電器模塊40，42。控制器70通過其輸出端73，75發(fā)出控制信號，從而分別設(shè)置電池充電器模塊40，42的輸出電壓。在運行時，控制器70通過扭矩和速度傳感器測量輸出軸34的速度和旋轉(zhuǎn)方向(箭頭35)，并將所測得結(jié)果與從輸入端74所輸入的速度控制輸入進行比較?？刂破?0還在分別通過其輸入端76，78獲得電池充電器模塊40，42的電流輸出，并通過輸入端80獲得電池50輸?shù)诫妱訖C12的電流。為了響應(yīng)輸入端74的速度控制輸入信號，電池充電器控制器70激活電池充電器模塊40或42，使其從發(fā)電機26或28獲得電流，以分別對輸入軸30或32加載，從而使輸出軸34達到所需的旋轉(zhuǎn)速度。電池充電器控制器70通過速度傳感器90的輸出來確定輸出軸34的實際轉(zhuǎn)速，如果實際速度不在速度控制輸入74的想達到的范圍內(nèi)，則會對電池充電器模塊40或42從發(fā)電機26或28所獲得的電流進行調(diào)整，從而改變輸入軸30或32上的負載。當(dāng)控制器70通過其輸入端80，82測得的電池充電器模塊40或42的輸出電壓顯示出電池50已經(jīng)充滿電時，控制器70會控制電池充電器模塊40，42停止對電池50進行充電。此時，因電池充電器模塊40或42而產(chǎn)生的負載不復(fù)存在，并且任何從電池50到電池充電器模塊40或42的反向電流都將被二極管60，62阻擋住。
控制器70中最好包含一個合適的程序來控制電動機/發(fā)電機26的輸出電壓的利用水平，使之被施加于電動機/發(fā)電機28，從而使電動機/發(fā)電機26運行于發(fā)電機模式而電動機/發(fā)電機28運行于電動機模式。相似地，控制器70也可包含一個合適的程序來控制電動機/發(fā)電機28的輸出電壓的利用水平，使之被施加于電動機/發(fā)電機26，從而使電動機/發(fā)電機28運行于發(fā)電機模式而電動機/發(fā)電機26運行于電動機模式。
如上所述，通過電池充電器模塊40，42在相應(yīng)的發(fā)電機26，28上引起的電流需求，在控制器70的控制下，可在為輸出軸34產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩輸出的同時，產(chǎn)生一個給電池50充電的再生充電電流。不管輸出軸34何時旋轉(zhuǎn)，是否以一個恒定的速度旋轉(zhuǎn)，加速或減速，是正向旋轉(zhuǎn)還是反向旋轉(zhuǎn)，發(fā)動機10的這種安排都將為電池50產(chǎn)生一個再生充電電流。通過增加從發(fā)電機26或28中獲得的電流，就可對發(fā)動機10進行制動。在制動過程中，通過發(fā)電機26或28分別在輸入軸30或32上施加負載的結(jié)果是會對輸出軸34產(chǎn)生一個制動力，同時會對電池50產(chǎn)生一個再生充電電流。
電池充電器控制器70還可能包括對其它參數(shù)進行監(jiān)測的輸入端，例如電池50的溫度，周圍環(huán)境的溫度，電動機12的溫度，環(huán)境濕度等。這些參數(shù)可用于優(yōu)化與發(fā)動機10的運行有關(guān)的能量轉(zhuǎn)換過程的效率。
針對以下情況，如電池50充滿電，電動機12由一個燃氣或其它非電或非電池能源的發(fā)動機代替，或者電能量的來源是一個沒有電存儲能力的燃料電池，或者連接到電池充電器40，42的負載是一個化學(xué)負載，例如圖7所示的產(chǎn)生氫和氧的水電解系統(tǒng)400，差速發(fā)動機10中可包括一個電子功率模塊92。電子功率模塊92由第一和第二電動機驅(qū)動模塊27，29組成。第一電動機驅(qū)動模塊27通過一根控制線連接到電動機/發(fā)電機26，相似地，第二電動機驅(qū)動模塊29通過一根控制線連接到電動機/發(fā)電機28。第一電動機驅(qū)動模塊27有一個控制輸入端31連接到控制器70的控制信號輸出端84上。第一電動機驅(qū)動模塊27還有一個電源輸入端33連接到電動機/發(fā)電機26，并且在輸出點C接受從電動機/發(fā)電機26傳來的電能。相似地，第二電動機驅(qū)動模塊29有一個控制輸入端33連接到控制器70的控制信號輸出端86上，還有電源輸入端37連接到電動機/發(fā)電機28，并且在輸出點D接受從電動機/發(fā)電機28傳來的電能。
在控制器70的控制下，電子功率模塊92，也就是電動機驅(qū)動模塊27，29控制電動機/發(fā)電機26，28運行于電動機和發(fā)電機模式，當(dāng)電動機/發(fā)電機26，28中的一個作電動機運行時，另一個則作發(fā)電機運行。例如，如果電子功率模塊92控制第一電動機/發(fā)電機26運行于發(fā)電機模式，第二電動機/發(fā)電機28運行于電動機模式，那么第一電動機/發(fā)電機26就對軸22/30加負載，并提供一個電能量的來源。由第一電動機/發(fā)電機26產(chǎn)生的電源輸出到第一電動機驅(qū)動模塊27的電源輸入端33。第一電動機驅(qū)動模塊27再將從第一發(fā)電機26獲得的電源輸出到運行于電動機模式的第二電動機/發(fā)電機28。第二電動機/發(fā)電機28運行于一個指定模式，這樣就在兩個軸對22/30和24/32之間產(chǎn)生了一個差速，從而在輸出軸34上產(chǎn)生了適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)。
可以預(yù)見的是，在相關(guān)聯(lián)的電動機驅(qū)動模塊27，29的控制下，由電動機/發(fā)電機26，28中的一個以發(fā)電機方式運行而產(chǎn)生的能量可提供給另一個，從而為驅(qū)動輸出軸34提供了旋轉(zhuǎn)能量來源。這樣就產(chǎn)生了一個高效率的能量轉(zhuǎn)換機制。雖然控制器70和電動機驅(qū)動模塊27，29需要一些電能量來實現(xiàn)其控制功能，但這些電能量僅處在“信號電平”狀態(tài)，不會構(gòu)成明顯的能量消耗。
在本發(fā)明中，電子功率模塊92還可在控制器70的控制下與電池充電器模塊40，42協(xié)同工作，以便進一步改進差速發(fā)動機10的能量轉(zhuǎn)換機制。例如，控制器70可被適當(dāng)編程來控制電池充電模塊40，42，以對相關(guān)聯(lián)的軸對22/30，24/32施加負載(如前所述，以獲得速度差并導(dǎo)致輸出軸34的旋轉(zhuǎn))，并且在需要時也能給電池50充電。一旦電池50已被充滿電，如前所述，電子功率模塊92就被用來控制電動機/發(fā)電機26，28運行于發(fā)電機和電動機模式，以便在軸對22/30和24/32之間產(chǎn)生前述的速度差。
再參見圖2，控制器70還包括一個標注為94的高速網(wǎng)絡(luò)總線。這個高速網(wǎng)絡(luò)總線94由一個控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)或稱為CAN在多個差速發(fā)動機10之間為運行狀態(tài)的通信提供通信路徑。例如，如果每一個后輪(也就是圖2中的負載36)都連接不同的差速電力發(fā)動機10，那么，總線94就允許各個發(fā)動機10的控制器70將各自的運行狀態(tài)和參數(shù)及與每一個差速發(fā)動機相關(guān)聯(lián)的一個轉(zhuǎn)動監(jiān)視器96的輸出一起進行互相傳送。轉(zhuǎn)動監(jiān)視器96連接到輸出軸34上并檢測輸出軸34的回轉(zhuǎn)半徑和速度，以顯示輪胎(也就是負載36)的最佳差速。另外，通過總線94高速共享的運行信息允許各個差速電力發(fā)動機10的控制器70共享效率數(shù)據(jù)、想得到的速度、輸出速度、以及方向數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以被進一步地利用以提高運行效率。
另外，前述的差速電力發(fā)動機10提供了一個四象限運動模式。作為輸入軸30，32中的一個被相連的發(fā)電機26或28加載的結(jié)果，當(dāng)輸出軸34在某一方向和速度下驅(qū)動一個負載時，通過從輸入軸，例如被發(fā)電機26加載的輸入軸30上移開負載，其速度能夠在完全控制下被減少，同時另一個發(fā)電機28能夠在另一個輸入軸32產(chǎn)生一個負載，比如產(chǎn)生一個由差速齒輪箱16傳送到輸出軸34的受控減速力?？梢姡@種安排代表了兩象限的控制。由于輸出軸34能夠以正向和反向兩個方向旋轉(zhuǎn)，對發(fā)動機10的安排可擴展到四象限運動控制系統(tǒng)。可以預(yù)見的是，通過安排電子功率模塊92，差速電力發(fā)動機10仍可提供四象限運動控制。
如果連接到輸出軸34的負載36包括汽車的一個輪胎(或多個輪胎)，那么，為輸出軸34維持一個給定的旋轉(zhuǎn)速度所需的扭矩量將會變化，并且依賴于負載36，例如，汽車輪胎所運行的道路的等級，汽車的風(fēng)阻力等。在這個和其它的應(yīng)用中，不管連接在輸出軸34上的負載36如何，都可將車輛維持在想要的速度上。為維持速度恒定，負載發(fā)電機26或28所產(chǎn)生的負載(依賴于輸出軸34的旋轉(zhuǎn)方向)是變化的，從而可改變在輸出軸34上所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩。發(fā)電機26或28也可以被控制而產(chǎn)生制動作用。例如，當(dāng)汽車從山上往下走(或加了另一負載)時，如果將第一發(fā)電機上的電流需求減少到零，并將一個電流需求放到發(fā)電機28上，則可在輸出軸34上產(chǎn)生一個減速或制動力，以便將輪胎/汽車的速度維持在所需水平。
在上述的行星變速箱13安排中，有兩個用于產(chǎn)生負載的電動機/發(fā)電機26和28。這兩個獨立的發(fā)電機26和28可在輸出軸34的任一方向上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩。如果變速箱13只在其中一個輸出輸入軸對上設(shè)有單個發(fā)電機26或28，則變速箱13只能在一個方向上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩。在這種情況下，當(dāng)單發(fā)電機26中的負載電流減至零時，降低輸出軸34旋轉(zhuǎn)速度的力可能是與輸出軸34連接的負載36的摩擦力，也可以是差速發(fā)動機10內(nèi)部的摩擦力。
本發(fā)明差速電力發(fā)動機10的典型效率-輸出速度的曲線如圖3(a)所示，而該差速電力發(fā)動機10的典型輸出扭矩-輸出速度的曲線如圖3(b)所示。參見圖3(a)，在正向(曲線EF)和反向(曲線ER)兩個方向上，差速電力發(fā)動機10的輸出效率是電動機12的峰值效率(當(dāng)它在控制器70和11控制下運行于它的峰值效率點，并忽略在各組件14，16，30，70，40，42，27和29中的任何損耗，則電動機的峰值效率可以期望達到80％至小于100％的范圍內(nèi))。參見圖3(b)，可以預(yù)見的是，在正向(曲線TF)和反向(曲線TR)的所有速度下，差速電力發(fā)動機10都可提供峰值輸出扭矩并施加到負載(既圖2中的輪胎36)上。
另一方面，本發(fā)明中的輸出軸22和輸入軸30中內(nèi)嵌有高電流導(dǎo)體，從而成為感應(yīng)式鼠籠電動機/發(fā)電機的轉(zhuǎn)子。輸出軸22和輸入軸30連接在一起，組成發(fā)電機26的轉(zhuǎn)子，從而提供一個感應(yīng)式鼠籠發(fā)電機。相似地，可將輸出軸24和輸入軸32連接在一起，并在軸24和32上組成一個感應(yīng)式鼠籠電動機/發(fā)電機來替代第二電動機/發(fā)電機28。
另一方面，本發(fā)明圖2中的能量存儲裝置可以是電池50以外的其它類型電能量存儲裝置，例如一個燃料電池，一個電能驅(qū)動的飛輪，一個大容量電容器。當(dāng)采用一個電能驅(qū)動飛輪時，電池充電器模塊40，42給電動機/發(fā)電機提供電源，電動機/發(fā)電機再驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)件以增加其旋轉(zhuǎn)速度，從而將電能以動能形式存儲起來。通過在發(fā)電機模式下運行電動機/發(fā)電機，又可將動能轉(zhuǎn)化為電能。發(fā)電機模式下的運行可減少存儲在旋轉(zhuǎn)飛輪中的動能，并減慢飛輪的旋轉(zhuǎn)速度。
如果用一個燃料電池、或一個如圖7所示的可產(chǎn)生燃料電池所用氫氣的氫氣發(fā)生器來代替電池50，則通過電池充電器模塊40，42產(chǎn)生的電能可通過為燃料電池產(chǎn)生第二燃料或者其它能量產(chǎn)生過程而產(chǎn)生一個有效、可逆的化學(xué)反應(yīng)。例如，如果將電能用來產(chǎn)生氫氣(或其它可用于再生能量的化學(xué)物質(zhì))，則所產(chǎn)生的氫氣又能由燃料電池通過化學(xué)方法轉(zhuǎn)化成電能?？梢灶A(yù)見的是，燃料電池所產(chǎn)生的廢物是水，從而可補充燃料電池中的水，當(dāng)然，這一再生循環(huán)的效率是小于100％的。作為選擇，電能可以用來產(chǎn)生化學(xué)能，而這種化學(xué)能又能產(chǎn)生一種適于機械能轉(zhuǎn)換的燃料，例如一個燃氣發(fā)動機。另外，上述過程中產(chǎn)生的氫也可以用于一個燃氣發(fā)動機中，將其與從進氣口進來的空氣混合，可以提高發(fā)動機的效率，增加功率輸出并減少有毒物的排放。
下面參見圖4，其中顯示了本發(fā)明差速發(fā)動機的一個變化例子。從圖4中可以看出，電動機/發(fā)電機26，28和再生充電電流電路15由一個標注為300的機械負載和動能存儲系統(tǒng)所代替。其中，機械負載系統(tǒng)300由通過各自的機械連接器304和306連接到軸22/30，24/32的機械飛輪存儲裝置302組成。該機械飛輪存儲裝置可以由一個單飛輪組成，或者像圖4所示的那樣，有一個針對第一軸對22/30的機械飛輪308，及另一個針對第二軸對24/32的機械飛輪310。其中的機械連接器可以包括機械機構(gòu)(例如齒輪和驅(qū)動軸)，或者作為選擇的磁力或流體驅(qū)動連接機構(gòu)。
在圖5所示的另一個變化例子中，電動機/發(fā)電機26，28不是被連接到一個再生充電電流電路15或者其它類型的能量存儲裝置。取而代之的是，電動機/發(fā)電機26，28中的一個連接到一個受控制器70控制的可變電力負載320。該電力負載320可以是一個電子可控的電阻、或者一個可變的電路(例如脈沖寬度調(diào)制)。電力負載320受控制器70控制，控制器70基于輸出軸34的實際速度及想要輸出的速度(在前面已有詳細的敘述)發(fā)出適當(dāng)?shù)目刂菩盘枺愿淖冸娏ω撦d所施加在軸對22/30或24/32上的負載。在另一個變化例子中，軸對22/30，24/32上的負載可以是一個機械負載，例如一個制動摩擦機構(gòu)322(圖5中虛線所示)、或者一個水力或流體驅(qū)動機構(gòu)。機械負載322也是受控制器70控制的。值得指出的是，這樣的負載機構(gòu)可有效地在軸對22/30，24/32之間產(chǎn)生速度差異，但其能量是不可循環(huán)的。
下面再參見圖6，其中顯示了本發(fā)明差速發(fā)動機的另一個實施例并且標注為100。該差速發(fā)動機100包括一個燃氣發(fā)動機110或者其它可提供旋轉(zhuǎn)運動的來源，該燃氣發(fā)動機110通過其輸出軸111提供旋轉(zhuǎn)扭矩輸出。燃氣發(fā)動機110像一個輔助電動機一樣運行，能夠補充，或者暫時地或永久地取代由單個電動機12提供的旋轉(zhuǎn)扭矩。從前面參照圖2的描述中可知，該單個電動機12通過其輸出軸20提供旋轉(zhuǎn)扭矩輸出。
除電動機12和燃氣發(fā)動機外，該差速發(fā)動機100中包括一個差速齒輪箱112，一個行星變速箱13(如前面參照圖2所述)，和一個再生充電電流電路15(如前面參照圖2所述)。除了差速齒輪箱112的軸20和111的運行旋轉(zhuǎn)是在同一方向，且各自的扭矩是附加的之外，差速齒輪箱112與前面所述的行星變速箱13中的差速齒輪箱16是相似的。差速齒輪箱112有第一輸入軸114、第二輸入軸116以及一個輸出軸118。第一輸入軸114連接到電動機12的輸出軸20上，相似地，第二輸入軸116連接到燃氣發(fā)動機110的輸出軸111上。差速齒輪箱112的輸出軸118連接到行星變速箱13中差速齒輪箱14的輸入軸21上(圖2)。差速發(fā)動機100通過其輸出軸34提供旋轉(zhuǎn)扭矩輸出，并可按箭頭35所指示的任一方向旋轉(zhuǎn)。
對于差速齒輪箱112，其輸入軸114和116與輸出軸118以相同的速度旋轉(zhuǎn)。輸出軸118以與圖2中所示電動機12的輸出軸20相似的方式，向行星變速箱13提供旋轉(zhuǎn)扭矩輸出。對于差速發(fā)動機100，為了增加或減少燃氣發(fā)動機110的有效速度，燃氣發(fā)動機110的輸出軸111的速度與差速齒輪箱112的輸出軸118的速度之間的比率可能不是1∶1。通過減少或增加燃氣發(fā)動機110的有效速度，輸出軸118能以與電動機12的輸出軸20相同的速度旋轉(zhuǎn)(如箭頭119所示)。
圖6所示的這種安排使得燃氣發(fā)動機110可與電動機12一起使用，從而可優(yōu)化整個差速發(fā)動機100的效率。如果差速電力發(fā)動機100提供的能量多于損失在連接到輸出軸34的無效負載上的能量，則燃氣發(fā)動機110可提供一個額外的旋轉(zhuǎn)扭矩輸入，從而可形成對電池充電的再生充電電流，最終使電池50中可存儲一個凈結(jié)余能量。另一方面，燃氣發(fā)動機110可以作為驅(qū)動行星變速箱13的旋轉(zhuǎn)扭矩的唯一來源，并且也通過包括充電系統(tǒng)的再生充電電流電路15給電池50充電，在充電電池條件或者非電池系統(tǒng)情況下，燃氣發(fā)動機110如前面所描述的那樣給發(fā)動機驅(qū)動27，29提供能量。在只有燃氣發(fā)動機110的這種安排中，燃氣發(fā)動機110可被控制而旋轉(zhuǎn)于其最佳效率速度(也就是峰值效率點)，并且在負載改變時通過速度的微小變化來維持發(fā)動機運行的峰值效率。
在不背離本發(fā)明的精神或者基本特點的情況下，本發(fā)明還可以有其它的具體實施方式
。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，對本發(fā)明的改變和修改都是顯而易見的。因此，本發(fā)明的實施例是起說明作用而不是限制性的，本發(fā)明的范圍是由權(quán)利要求而不是前面的描述來限定的，因此，在權(quán)利要求的等同的內(nèi)涵和范圍內(nèi)所作的所有變化都包含于本發(fā)明范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種扭矩輸出可變的差速發(fā)動機，由以下部分組成(a)一個用于以一定旋轉(zhuǎn)速度驅(qū)動輸出軸并將輸入旋轉(zhuǎn)扭矩施加到所述輸出軸上的電動機；(b)一個連接到所述電動機、用于將所述輸入旋轉(zhuǎn)扭矩轉(zhuǎn)換成與負載的連接的輸出驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)扭矩的扭矩轉(zhuǎn)換單元；(c)所述扭矩轉(zhuǎn)換單元包括一個第一差速單元，所述第一差速單元有一個輸入軸連接到所述電動機的輸出軸，所述第一差速單元有一個用于將所述輸入軸的旋轉(zhuǎn)扭矩傳送到第一和第二輸出軸的齒輪機構(gòu)，且所述齒輪機構(gòu)可驅(qū)動每一個所述輸出軸以相同的速度和相反的方向旋轉(zhuǎn)；(d)所述扭矩轉(zhuǎn)換單元包括一個第二差速單元，所述第二差速單元有一個第一輸入軸連接到所述第一差速單元的第一輸出軸，還有一個第二輸入軸連接到所述第一差速單元的第二輸出軸，還包括一個用于在第二差速單元的第一和第二輸入軸的旋轉(zhuǎn)速度之間有差異產(chǎn)生時、施加一個旋轉(zhuǎn)扭矩到所述輸出驅(qū)動軸的齒輪機構(gòu)；(e)一個負載機構(gòu)，所述負載機構(gòu)連接到所述第二差速單元的其中一個輸入軸上，所述負載機構(gòu)響應(yīng)于一個控制輸入以對所述輸入軸加載，從而可改變關(guān)聯(lián)輸入軸的旋轉(zhuǎn)速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差速發(fā)動機，其中，所述電動機是一個電力電動機，所述電力電動機中包括一個可控制該電動機在預(yù)定方向上以一個恒定旋轉(zhuǎn)速度運行的恒速控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的差速發(fā)動機，其中，所述負載機構(gòu)由一個帶轉(zhuǎn)子的發(fā)電機組成，所述轉(zhuǎn)子的一端連接到所述第一差速單元的輸出軸，所述轉(zhuǎn)子的另一端連接到所述第二差速單元的輸入軸，所述負載機構(gòu)還包括一個可響應(yīng)所述控制輸入而從所述發(fā)電機獲取電流的負載。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的差速發(fā)動機，其中，所述負載由一個電池充電電路和一個儲能電池組成，所述電池充電電路響應(yīng)于所述控制輸入以產(chǎn)生一個給所述電池充電的再生充電電流，所述電池連接到所述電動機以組成一個能量存儲裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的差速發(fā)動機，其中，還包括一個有轉(zhuǎn)子的第二發(fā)電機，所述轉(zhuǎn)子的一端連接到所述第一差速單元的另一個輸出軸，所述轉(zhuǎn)子的另一端連接到所述第二差速單元的另一個輸入軸，所述發(fā)電機可響應(yīng)于所述輸入軸和輸出軸施加到所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)扭矩，以產(chǎn)生一個輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的差速發(fā)動機，其中，還包括一個第二電池充電電路，所述第二電池充電電路有一個輸入端連接到所述第二發(fā)電機的輸出端，所述第二電池充電電路可響應(yīng)于所述控制輸入以產(chǎn)生一個給所述電池充電的再生充電電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的差速發(fā)動機，其中，所述第一差速單元的輸出軸與所述第二差速單元的輸入軸是連接在一起的，所述輸出軸和輸入軸間包括有一個嵌入式感應(yīng)鼠籠并成為發(fā)電機的轉(zhuǎn)子。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的差速發(fā)動機，其中，所述負載由一個可變電阻負載組成，所述可變電阻負載可響應(yīng)于所述控制輸入以改變所施加的負載。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的差速發(fā)動機，其中，所述負載由一個電解化學(xué)單元組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差速發(fā)動機，其中，所述負載機構(gòu)由一個機械制動裝置組成，所述機械制動裝置連接到所述第二差速單元的其中一個輸入軸，所述機械制動裝置響應(yīng)于所述控制輸入以改變施加到輸入軸上的制動負載。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的差速發(fā)動機，其中，還包括一個驅(qū)動機構(gòu)，所述驅(qū)動機構(gòu)連接到所述第二差速單元的另一個輸入軸，所述驅(qū)動機構(gòu)響應(yīng)于一個驅(qū)動控制輸入以按一個可變的旋轉(zhuǎn)速度驅(qū)動所述輸入軸旋轉(zhuǎn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的差速發(fā)動機，其中，所述負載機構(gòu)由一個具有轉(zhuǎn)子的發(fā)電機組成，所述轉(zhuǎn)子的一端連接到所述第一差速單元的輸出軸，所述轉(zhuǎn)子的另一端連接到所述第二差速單元的輸入軸，所述發(fā)電機還包括一個連接到負載的輸出端，該負載可響應(yīng)所述控制輸入而從所述發(fā)電機獲取電流。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的差速發(fā)動機，其中，所述驅(qū)動機構(gòu)由一個有轉(zhuǎn)子的電動機組成，所述轉(zhuǎn)子的一端連接到所述第一差速單元的輸出軸，所述轉(zhuǎn)子的另一端連接到所述第二差速單元的輸入軸，所述電動機包括一個連接到所述發(fā)電機的輸出端的輸入端，并且可響應(yīng)于所述驅(qū)動控制輸入而從所述發(fā)電機獲取電流。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的差速發(fā)動機，其中，還包括一個用于產(chǎn)生所述控制輸入和所述驅(qū)動控制輸入的控制器，所述控制器中有一個連接到所述發(fā)電機的發(fā)電機驅(qū)動器，該發(fā)電機驅(qū)動器響應(yīng)于所述控制輸入以運行所述發(fā)電機從而對所述輸入軸加載，所述控制器還包括一個連接到所述電動機的電動機驅(qū)動器，該電動機驅(qū)動器響應(yīng)于所述驅(qū)動控制輸入以運行所述電動機從而驅(qū)動另一輸入軸旋轉(zhuǎn)，所述控制器還包括一個連接到所述輸出驅(qū)動軸以確定該輸出驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)速度的速度傳感器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的差速發(fā)動機，其中，所述控制器還包括一個網(wǎng)絡(luò)通信總線，所述網(wǎng)絡(luò)通信總線提供了與其它差速發(fā)動機通信的接口。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的差速發(fā)動機，其中，所述控制器還包括一個連接到所述輸出驅(qū)動軸以確定該輸出驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)扭矩的扭矩傳感器。
17.根據(jù)權(quán)利要求2所述的差速發(fā)動機，其中，還包括一個輸入單元和一個驅(qū)動輸出電動機軸的第二電動機，所述輸入單元有一個第一輸入軸連接到所述第一電動機的輸出軸，并有一個第二輸入軸連接到所述第二電動機的輸出電動機軸，所述輸入單元有一個輸出軸、且該輸出軸連接到所述第一差速單元的輸入軸，所述輸入單元還包括一個齒輪機構(gòu)以將從所述輸出電動機軸和所述輸出軸傳來的旋轉(zhuǎn)扭矩傳送到所述輸入單元的輸出軸，所述第二電動機的輸出電動機軸的旋轉(zhuǎn)方向與第一電動機的輸出軸相同。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的差速發(fā)動機，其中，所述第一電動機是一個電力電動機，所述第二電動機是一個燃氣發(fā)動機，所述電力電動機包括一個可控制電動機在預(yù)定方向上恒速旋轉(zhuǎn)的恒速控制器。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的差速發(fā)動機，其中，所述負載機構(gòu)是一個具有轉(zhuǎn)子的發(fā)電機，所述轉(zhuǎn)子的一端連接到所述第一差速單元的輸出軸，所述轉(zhuǎn)子的另一端連接到所述第二差速單元的輸入軸，所述負載機構(gòu)包括一個可響應(yīng)所述控制輸入而從所述發(fā)電機獲取電流的負載。
20.根據(jù)權(quán)利要求20所述的差速發(fā)動機，其中，所述負載由一個電池充電電路和一個儲能電池組成，所述電池充電電路響應(yīng)于所述控制輸入以產(chǎn)生一個給所述電池充電的再生充電電流，所述電池連接到所述電動機以組成一個能量存儲裝置。
21.一種輸出扭矩可變的差速發(fā)動機，由以下部分組成(a)一個可驅(qū)動輸出軸在預(yù)定方向按恒定速度旋轉(zhuǎn)的電動機；(b)一個轉(zhuǎn)換單元，它有一個輸入軸和一個用于驅(qū)動負載的輸出驅(qū)動軸，所述輸入軸連接到所述電動機的輸出軸；(c)一個再生充電單元，所述再生充電單元通過一個輸入端從所述轉(zhuǎn)換單元獲取能量，并給一個能量存儲裝置充電；(d)所述轉(zhuǎn)換單元由一個第一差速單元和一個第二差速單元組成，所述第一差速單元有一個驅(qū)動機構(gòu)連接到所述輸入軸，所述第二差速單元有一個驅(qū)動機構(gòu)連接到所述輸出驅(qū)動軸，所述第一差速單元的驅(qū)動機構(gòu)通過第一和第二差速軸連接到所述第二差速單元的驅(qū)動機構(gòu)，所述差速軸以相同的速度并按相反的方向旋轉(zhuǎn)；(e)所述轉(zhuǎn)換單元包括一個連接到其中一個所述差速軸的發(fā)電機，所述發(fā)電機響應(yīng)于所述控制輸入、以產(chǎn)生提供給所述再生充電單元的能量輸出，所述發(fā)電機的運行會加載于所述差速軸并使所述差速軸的速度產(chǎn)生差異，所述第二差速單元中的驅(qū)動機構(gòu)將所述的差速轉(zhuǎn)換為所述輸出驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)速度。
21.一種輸出扭矩可變的差速發(fā)動機，由以下部分組成(a)一個用于以一定旋轉(zhuǎn)速度驅(qū)動輸出軸并將輸入旋轉(zhuǎn)扭矩施加到所述輸出軸上的第一電動機；(b)一個用于驅(qū)動輸出電動機軸按一定旋轉(zhuǎn)速度、并與所述第一電動機的輸出軸相同的方向旋轉(zhuǎn)的第二電動機；(c)一個連接到所述電動機的扭矩轉(zhuǎn)換單元，該扭矩轉(zhuǎn)換單元用于將所述第一電動機和所述第二電動機傳來的輸入旋轉(zhuǎn)扭矩轉(zhuǎn)換成與負載連接的輸出驅(qū)動軸上的旋轉(zhuǎn)扭矩；(d)所述扭矩轉(zhuǎn)換單元包括一個第一差速單元，所述第一差速單元有一個輸入軸，所述第一差速單元還有一個用于將所述輸入軸的旋轉(zhuǎn)扭矩傳送到第一和第二輸出軸的齒輪機構(gòu)，所述齒輪機構(gòu)以相同的速度及相反的旋轉(zhuǎn)方向驅(qū)動所述兩個輸出軸；(e)所述扭矩轉(zhuǎn)換單元包括一個第二差速單元，所述第二差速單元有一個連接到所述第一差速單元的第一輸出軸的第一輸入軸，還有一個連接到所述第一差速單元的第二輸出軸的第二輸入軸，還包括一個用于在第二差速單元的第一和第二輸入軸的旋轉(zhuǎn)速度之間有差異產(chǎn)生時、施加一個旋轉(zhuǎn)扭矩到所述輸出驅(qū)動軸的齒輪機構(gòu)；(f)一個輸入單元，它有一個連接到所述第一電動機的輸出軸的第一輸入軸，還有一個連接到所述第二電動機的輸出電動機軸上的一個第二輸入軸，所述輸入單元有一個輸出軸，且該輸出軸連接到所述第一差速單元的輸入軸，所述輸入單元還包括一個用于將所述輸出電動機軸和所述輸出軸的旋轉(zhuǎn)扭矩傳送到所述輸入單元的輸出軸上的齒輪機構(gòu)；(g)一個負載機構(gòu)，所述負載機構(gòu)連接到所述第二差速單元的其中一個輸入軸，所述負載機構(gòu)響應(yīng)于一個控制輸入，以對所述輸入軸加載，從而改變關(guān)聯(lián)輸入軸的旋轉(zhuǎn)速度。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的差速發(fā)動機，其中，所述第一電動機是一個電力電動機，所述第二電動機是一個燃氣發(fā)動機，所述電力電動機中包括一個可控制該電動機在預(yù)定方向上以一個恒定旋轉(zhuǎn)速度運行的恒速控制器。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的差速發(fā)動機，其中，所述負載機構(gòu)由一個帶轉(zhuǎn)子的發(fā)電機組成，所述轉(zhuǎn)子的一端連接到所述第一差速單元的輸出軸，所述轉(zhuǎn)子的另一端連接到所述第二差速單元的輸入軸，所述負載機構(gòu)還包括一個可響應(yīng)所述控制輸入而從所述發(fā)電機獲取電流的負載。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的差速發(fā)動機，其中，所述負載由一個電池充電電路和一個儲能電池組成，所述電池充電電路響應(yīng)于所述控制輸入以產(chǎn)生一個給所述電池充電的再生充電電流，所述電池連接到所述電動機以組成一個能量存儲裝置。
全文摘要
一種扭矩轉(zhuǎn)換可變的差速電力發(fā)動機。該差速發(fā)動機由一個電動機，一個扭矩轉(zhuǎn)換單元和一個負載機構(gòu)組成。所述電動機以一個恒定的速度運行并向扭矩轉(zhuǎn)換單元提供輸入旋轉(zhuǎn)扭矩。所述扭矩轉(zhuǎn)換單元將輸入旋轉(zhuǎn)扭矩轉(zhuǎn)換成與負載(例如車輪)連接的輸出軸上的旋轉(zhuǎn)扭矩。扭矩轉(zhuǎn)換單元中包括由一對軸連接在一起的第一和第二差速單元，這對軸以相反的方向旋轉(zhuǎn)。第一差速單元由一個連接到電動機輸出軸的輸入軸，以及第一和第二輸出軸所組成。第一差速單元中有一個齒輪機構(gòu)將電動機的旋轉(zhuǎn)扭矩傳送到第一和第二輸出軸。第二差速單元由一個連接到輸出驅(qū)動軸的輸出軸，以及第一和第二輸入軸所組成。第二差速單元中有一個當(dāng)?shù)谝缓偷诙斎胼S的旋轉(zhuǎn)速度之間產(chǎn)生差異時可施加旋轉(zhuǎn)扭矩到輸出驅(qū)動軸上的齒輪機構(gòu)。各軸的旋轉(zhuǎn)速度隨著施加在一個或兩個軸上的負載而變化的。其中的負載機構(gòu)包括電力或者機械負載。
文檔編號B60K6/365GK1524044SQ02813611
公開日2004年8月25日 申請日期2002年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月26日
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