改進(jìn)的開關(guān)磁阻電機(jī)和用于混合動力汽車的開關(guān)磁阻裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種改進(jìn)的具有開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)的混合驅(qū)動裝置。該開關(guān)磁阻電機(jī)通過在未被使用時(shí)關(guān)閉現(xiàn)有技術(shù)中使用的電機(jī)的存在的磁場來消除由該磁場造成的任何阻力。它還更清潔并且運(yùn)行更有效，因?yàn)楫?dāng)磁場被關(guān)閉時(shí)，在運(yùn)行期間被吸引來的任何磁路灰塵或碎片掉落或被排斥。一種改進(jìn)的開關(guān)磁阻電機(jī)可以被使用，設(shè)計(jì)有定子環(huán)和轉(zhuǎn)子環(huán)，所以低磁阻通量路徑并不穿過轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)子條的整個(gè)直徑。
【專利說明】改進(jìn)的開關(guān)磁阻電機(jī)和用于混合動力汽車的開關(guān)磁阻裝置
[0001 ]本申請要求2013年9月16日提交的編號為5 61/878135的美國臨時(shí)專利申請的權(quán)益以及優(yōu)先權(quán)，并且有權(quán)享有該申請日作為優(yōu)先權(quán)日。編號61/878135的美國臨時(shí)專利申請的說明書、附圖以及完整的公開內(nèi)容在此通過用于各種目的的具體參考被包含在內(nèi)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明總地涉及混合動力汽車領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于使用開關(guān)磁阻電機(jī)的內(nèi)燃-電力混合汽車的汽車動能的增大、儲存和守恒的裝置。
【附圖說明】
[0003]圖1示出了依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一種系統(tǒng)的視圖；
[0004]圖2示出了依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一種裝置的視圖；
[0005]圖3示出了一種具有中心轉(zhuǎn)子的開關(guān)磁阻電機(jī)的視圖，該中心轉(zhuǎn)子具有轉(zhuǎn)子條(rotor bar)；
[0006]圖4示出了一種具有轉(zhuǎn)子環(huán)的開關(guān)磁阻電機(jī)的視圖；
[0007]圖5不出了圖4中的部分的近視圖；
[0008]圖6示出了圖4的開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子移動至第二位置的視圖；
[0009]圖7示出了一種具有轉(zhuǎn)子環(huán)的開關(guān)磁阻電機(jī)的可替換配制；
[0010]圖8示出了一種具有轉(zhuǎn)子環(huán)的開關(guān)磁阻電機(jī)的另外的可替換配制。
【具體實(shí)施方式】
[0011]美國專利2012/0215389(Perry等，用于汽車動能的增加、儲存和守恒的機(jī)器)公開了一種能夠被改造和被安裝在內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動汽車上用于向汽車增加電動力和功率并且因此將該汽車轉(zhuǎn)換成混合動力車的電機(jī)-發(fā)電機(jī)設(shè)備，該專利在此通過用于各種目的的具體參考被包含在內(nèi)。更早的混合驅(qū)動系統(tǒng)在編號4，165，795的美國專利(Lynch等)和編號4，335，429的美國專利(Kawakatsu)中被公開，其也在此通過用于各種目的的具體參考被包含在內(nèi)。
[0012]本發(fā)明是一種改進(jìn)的包括開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)的混合驅(qū)動裝置，如圖1和圖2中所示。通過使用開關(guān)磁阻電機(jī)，本發(fā)明具有通過在未被使用時(shí)關(guān)閉現(xiàn)有技術(shù)中使用的電機(jī)的存在的磁場來消除由該磁場造成的任何阻力的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明還具有更清潔并且運(yùn)行更有效的優(yōu)點(diǎn)，其中在磁場被關(guān)閉時(shí)，運(yùn)行期間被吸引來的任何磁路灰塵或碎片掉落或被排斥。
[0013]該開關(guān)磁阻電機(jī)是一種磁阻電機(jī)(S卩，通過磁阻轉(zhuǎn)矩來運(yùn)行的電動機(jī))。和常見的直流電機(jī)類型不同，電力被傳遞給定子中的繞組而不是轉(zhuǎn)子。因?yàn)殡娏Σ恍枰粋鬟f給運(yùn)動部分，這大大簡化了機(jī)械設(shè)計(jì)。然而，一些種類的開關(guān)系統(tǒng)需要被用來向不同的繞組傳遞電力。
[0014]在一些實(shí)施例中，該開關(guān)磁阻電機(jī)具有繞制的磁場線圈。然而，轉(zhuǎn)子沒有附接的磁體或線圈。它典型地包括由軟磁材料(例如，層壓鋼)構(gòu)成的實(shí)心凸極轉(zhuǎn)子(具有突出的磁極)。當(dāng)電力被施加給定子繞組時(shí)，轉(zhuǎn)子的磁阻生成一個(gè)力來嘗試將轉(zhuǎn)子極與最近的定子極對齊。為了維持旋轉(zhuǎn)，電子控制系統(tǒng)依次接通連續(xù)的定子極的繞組，所以定子的磁場“引導(dǎo)”轉(zhuǎn)子極，將其向前推。該開關(guān)磁阻電機(jī)使用電子位置傳感器來確定轉(zhuǎn)子軸的角度和使用固態(tài)電子技術(shù)來切換定子線圈，這也為脈沖定時(shí)和成形的動態(tài)控制提供了機(jī)會，而不是如同傳統(tǒng)電機(jī)中的使用機(jī)械換向器來切換繞組電流。
[0015]—個(gè)開關(guān)磁阻電機(jī)的示例在圖3中示出。開關(guān)磁阻電機(jī)被設(shè)計(jì)來利用磁路中減少的磁阻。通常地，具有多個(gè)轉(zhuǎn)子條102的轉(zhuǎn)子100在定子環(huán)110內(nèi)部旋轉(zhuǎn)。定子的內(nèi)部包括多個(gè)鐵磁定子極112，該定子極112可以通過在該極周圍的磁線圈114被激勵，從而臨時(shí)地生成北極磁體和單極磁體。開關(guān)磁阻電機(jī)中的轉(zhuǎn)子由鐵磁性材料組成，該鐵磁性材料將產(chǎn)生從定子極到定子極的低磁阻路徑。磁通量路徑是穿過相應(yīng)的轉(zhuǎn)子條102從被激勵的北極到被激勵的南極。
[0016]以下是該開關(guān)磁阻電機(jī)的一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)示例。定子極在90度和270度位置(Al，A2)通過鐵磁極周圍的磁線圈被激勵從而生成磁體的南極和北極。磁通量路徑穿過轉(zhuǎn)子條(B)從北極到南極，與定子極(Al，A2)成直線，是低磁阻路徑。該磁通量的路徑是圓形的，從定子環(huán)的圓周周圍的一個(gè)定子極到另一個(gè)定子極，并且返回通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)子條。
[0017]控制電路關(guān)閉流向定子極(Al，A2)的電流，并且激勵在315度和135度位置(Cl，C2)處的定子極?？删幊炭刂齐娐泛蜋C(jī)制是本領(lǐng)域眾所周知的，并且容易獲得。轉(zhuǎn)子條(D)稍微從定子極(Cl，C2)偏移，然后被剛剛激勵的北極定子極和南極定子極(Cl，C2)牽引在逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子條(D)達(dá)到與定子極(Cl，C2)成直線的新位置時(shí)，控制電路關(guān)閉該電流并且接通O度和180度定子極位置的電流(El，E2)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子條(F)在逆時(shí)針方向中被牽引。在不同情況下，存在于兩個(gè)被激勵的定子極之間的高磁阻通過與該定子極精確對齊的轉(zhuǎn)子條被降低，就如在水平的轉(zhuǎn)子條(B)和定子極(Al，A2)的情況下。通過電力地順時(shí)針地激勵定子極，轉(zhuǎn)子條逆時(shí)針地旋轉(zhuǎn)，從而生成電機(jī)活動。當(dāng)然，激勵方向(并且因此，旋轉(zhuǎn)方向)可以是反向的。
[0018]如上討論的，開關(guān)磁阻電機(jī)的顯著優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)并不需要永磁體(如DC無刷電機(jī)中的永磁體)。因而，它在臟的或包括鐵磁性粉塵顆粒的環(huán)境中建造簡單和經(jīng)濟(jì)并且運(yùn)行良好。然而，開關(guān)磁阻電機(jī)并不需要控制電路來在正確的時(shí)間激勵定子極，這可能是復(fù)雜的并且需要轉(zhuǎn)子位置反饋，例如光學(xué)傳感器或其他適當(dāng)?shù)姆椒?。而且，開關(guān)磁阻電機(jī)可能因?yàn)橄鄬Φ亩ㄗ訕O被激勵和關(guān)閉而易于產(chǎn)生噪音，這是由于施加在定子環(huán)上的周期交替的開/關(guān)力以可聞頻率振動。
[0019]被設(shè)計(jì)來處理這些缺陷的一種改進(jìn)的開關(guān)磁阻電機(jī)如下描述。在一些實(shí)施例中，該改進(jìn)的電機(jī)包括轉(zhuǎn)子中的修改的磁通量路徑，如圖4中所見。該轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)子環(huán)200，并且在定子環(huán)210內(nèi)旋轉(zhuǎn)。該轉(zhuǎn)子環(huán)包括放置在外圓周上的多個(gè)轉(zhuǎn)子極202。定子環(huán)包括多個(gè)鐵磁的定子極212，該定子極212可以通過在該極周圍的磁線圈214被激勵，從而臨時(shí)地生成北極電磁體和單極電磁體。相對的定子極不成對地一起被激勵;相反地，北極和南極通過激勵在定子環(huán)的相同區(qū)域中的定子極來生成。被降低的磁阻的磁通量路徑因而從一個(gè)被激勵的極行經(jīng)穿過定子環(huán)上的短距離到其他的定子極，然后穿過兩個(gè)相應(yīng)的轉(zhuǎn)子極穿過轉(zhuǎn)子環(huán)，如圖4和圖5中所見。
[0020]以下是該改進(jìn)的開關(guān)磁阻電機(jī)的一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)示例。定子極(H)被其相應(yīng)線圈激勵來產(chǎn)生北極電磁體，并且定子極(I)類似地被激勵來產(chǎn)生南極電磁體。轉(zhuǎn)子極(F)和(G)與定子極(H)和(I)分別成直線，有磁路流經(jīng)穿過。轉(zhuǎn)子環(huán)(A)中被降低的磁阻的路徑通過箭頭(J)來示出，而定子環(huán)(D)中的路徑通過箭頭(K)來示出。要注意的是定子對的激勵圍繞定子環(huán)重復(fù)，所以許多低磁阻磁路(在該配置中是15個(gè))可以圍繞電機(jī)的圓周生成。定子極電磁體對可以圍繞該環(huán)交替北極和南極指向。
[0021]控制電路關(guān)閉流向定子極(H，I)(和圍繞該環(huán)的其他的被激勵的定子極對)的電流，并且激勵定子極(N，0)。這使轉(zhuǎn)子極(L，M)與定子極(N，0)成直線，如圖6中所見，形成新的穿過L、N、0、M以及介于中間的定子環(huán)部分和轉(zhuǎn)子環(huán)部分的低磁阻路徑。需注意的是，新的低磁阻磁路隨著類似的定子對的激勵，圍繞電機(jī)的圓周生成。
[0022]當(dāng)那些定子極被再次激勵時(shí)，定子的這個(gè)運(yùn)動將轉(zhuǎn)子極(P，Q)移動到隨后與定子極(H，I)成直線的位置。這描述了兩相開關(guān)磁阻電機(jī)，具有包括第一相的(H，I)的激勵，以及包括第二相的(N，0)的激勵。在這個(gè)配置中，每隔一個(gè)定子極同時(shí)被激勵(S卩，在被激勵的對中的每個(gè)被激勵的定子極之間存在有未被激勵的定子極)。需注意，根據(jù)極的間隔和激勵的定時(shí)，電機(jī)還可以包括三相配置，或更多相的配置。
[0023]圖7示出了一種三相開關(guān)磁阻電機(jī)的示例，其中存在依次被激勵的三對定子極。每隔兩個(gè)定子極同時(shí)被激勵(即，在被激勵的對中的每個(gè)被激勵的定子極之間存在有兩個(gè)未被激勵的定子極)。
[0024]中心區(qū)(R)可以是轉(zhuǎn)子環(huán)的機(jī)械支撐，并且包括非鐵磁材料，例如，但不限于，鋁、黃銅、碳纖維或其他適合的材料。它將轉(zhuǎn)子相對于定子極放置在正確的位置，并且?guī)椭峁﹪@通過轉(zhuǎn)子組件的中心的軸的旋轉(zhuǎn)。
[0025]轉(zhuǎn)子極和定子極的數(shù)量能夠改變。在圖4中所示的實(shí)施例中，有45個(gè)被放置在轉(zhuǎn)子環(huán)的外圓周上的轉(zhuǎn)子極，和30個(gè)在定子環(huán)的內(nèi)圓周上的定子極。每個(gè)的數(shù)量都能夠改變，如圖7中所見的，其中有60個(gè)轉(zhuǎn)子極和36個(gè)定子極。定子極和轉(zhuǎn)子極的數(shù)量存在許多種組合以能夠被配置來使轉(zhuǎn)子中的圓形磁通量路徑工作，如圖8中所見。如本文中所公開的定子極和轉(zhuǎn)子極的數(shù)量僅僅是三種配置的示例。
[0026]本設(shè)計(jì)將允許非常簡單的驅(qū)動系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中單相變頻交流信號將驅(qū)動該電機(jī)。驅(qū)動該具有單相交流信號的電機(jī)的能力并不限于將定子極和轉(zhuǎn)子極布置來驅(qū)動具有單相交流、兩相交流或三相交流的定子極電磁體的選項(xiàng)。
[0027]這個(gè)配置能夠通過正弦波、方形波或其他適合的波形的單相交流信號交替地激勵該定子極來驅(qū)動。定子極(Η，Ν，Ι，0)組成完整集合用于該電機(jī)的360度電周期的完整集合。電機(jī)的360度電周期是完整的電周期已完成并且電氣操作重復(fù)自身的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角度。在如圖4中所示的電機(jī)設(shè)計(jì)中，在轉(zhuǎn)子環(huán)旋轉(zhuǎn)24度中存在有完整的360度電周期。這意味著在360度的轉(zhuǎn)子環(huán)旋轉(zhuǎn)中，存在360度電旋轉(zhuǎn)的15個(gè)周期。四個(gè)定子極允許兩相的完整周期來作用于轉(zhuǎn)子極。該電機(jī)將隨著北極-南極中的定子極(H)和(I)的激勵運(yùn)行，然后隨后隨著北極-南極中的定子極(N)和(O)的激勵運(yùn)行。兩組定子極之間依次地交替將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子環(huán)依次地隨著僅四個(gè)定子極順時(shí)針地或逆時(shí)針地旋轉(zhuǎn)。該開關(guān)磁阻電機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)從而允許有部分?jǐn)?shù)量的極在定子環(huán)上?，F(xiàn)有技術(shù)中沒有開關(guān)磁阻電機(jī)具有這個(gè)能力。
[0028]本設(shè)計(jì)的另一個(gè)應(yīng)用是開關(guān)磁阻步進(jìn)電機(jī)的作用。在圖4中，如上討論的，轉(zhuǎn)子極(F)和(G)與定子極(H)和(I)成直線，并且轉(zhuǎn)子極(L)和(M)在將被牽引至與定子極(N)和(O)成直線的位置處。如果定子極(H)和(I)中的電流是DC電流，轉(zhuǎn)子將被保持在一個(gè)固定位置中。如果定子極(H)和(I)中的DC電流被關(guān)閉，并且DC電流被施加給定子極(N)和(O)，則轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)4度并且停止。由于轉(zhuǎn)子極和定子極的適當(dāng)?shù)拈g距和幾何結(jié)構(gòu)，以及恰當(dāng)定時(shí)的電流的適當(dāng)應(yīng)用，該開關(guān)磁阻電機(jī)能夠用作步進(jìn)電機(jī)以及可變速電機(jī)。
[0029]雖然圖4和圖5示出了徑向通量路徑，但本發(fā)明包括其中通量通路并不穿過轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)子條的整個(gè)直徑的其他的可能的配置。例如，圖2示出了具有軸向通量配置的開關(guān)磁阻電機(jī)。在這個(gè)實(shí)施例中的轉(zhuǎn)子極是磁性鋼并且不是永久性磁體(表示顯著優(yōu)于DC無刷設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，如本文中他處所描述的)。
[°03°]以上描述的該改進(jìn)的開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)特別地適合用于低轉(zhuǎn)速(例如，約2000rpm或以下)、高扭矩應(yīng)用，包括，但不限于，輪轂電機(jī)。轉(zhuǎn)速較低因?yàn)殡姍C(jī)直接驅(qū)動車輪。高起動扭矩是期望的。
[0031]依據(jù)本發(fā)明的改進(jìn)的開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的噪音將低于現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)。作用在定子上的力將一直恒定，因?yàn)楸患畹亩ㄗ訕O和相應(yīng)的轉(zhuǎn)子極之間的磁吸引力將因?yàn)殡姍C(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式永遠(yuǎn)不會徹底地歸零。這將減少定子環(huán)中振動的傾向。
因此，應(yīng)當(dāng)理解的是本文中所描述的實(shí)施例和示例已被選擇和描述以便最佳地說明本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠最好地將本發(fā)明運(yùn)用在各種實(shí)施例中和作出適合于預(yù)期的特定用途的各種修改。盡管本發(fā)明的特定的實(shí)施例已進(jìn)行了描述，但是實(shí)施例并未窮盡。多種變化對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種開關(guān)磁阻電機(jī)，包括 具有內(nèi)圓周的定子環(huán)； 位于所述內(nèi)圓周上的多個(gè)定子極，所述定子極被磁線圈激勵變成電磁體； 具有外圓周的轉(zhuǎn)子環(huán)，所述轉(zhuǎn)子環(huán)位于所述定子環(huán)內(nèi)；以及 位于所述轉(zhuǎn)子的外圓周上的多個(gè)轉(zhuǎn)子極，所述轉(zhuǎn)子極靠近所述定子極； 其中，低磁阻磁通量路徑在定子極對被激勵時(shí)穿過所述定子極對和鄰近的轉(zhuǎn)子極形成;并且 進(jìn)一步地其中，所述低磁阻磁通量路徑穿過所述定子極對之間的所述定子環(huán)部分并且穿過所述轉(zhuǎn)子極對之間的所述轉(zhuǎn)子部分形成。2.根據(jù)權(quán)利要求1的電機(jī)，其中所述低磁阻磁通量路徑并不穿過所述轉(zhuǎn)子的中心。3.根據(jù)權(quán)利要求1的電機(jī)，其中所述低磁阻磁通量路徑并不穿過所述轉(zhuǎn)子的直徑。4.根據(jù)權(quán)利要求1的電機(jī)，其中所述電機(jī)是兩相電機(jī)。5.根據(jù)權(quán)利要求1的電機(jī)，其中所述電機(jī)是三相電機(jī)。6.根據(jù)權(quán)利要求1的電機(jī)，其中所述定子極對的激勵使所述轉(zhuǎn)子極對與所述定子極對準(zhǔn)。7.根據(jù)權(quán)利要求1的電機(jī)，其中所述定子極對順序地被激勵以使所述轉(zhuǎn)子環(huán)旋轉(zhuǎn)。8.根據(jù)權(quán)利要求1的電機(jī)，其中所述電機(jī)是變速電機(jī)。9.根據(jù)權(quán)利要求1的電機(jī)，其中所述電機(jī)是步進(jìn)電機(jī)。10.根據(jù)權(quán)利要求1的電機(jī)，其中所述電機(jī)是車輛上的輪轂安裝式電機(jī)。11.根據(jù)權(quán)利要求1的電機(jī)，其中所述轉(zhuǎn)子環(huán)被布置在所述轉(zhuǎn)子環(huán)的中心處的非鐵磁體的機(jī)械支撐上。12.根據(jù)權(quán)利要求1的電機(jī)，其中存在45個(gè)轉(zhuǎn)子極和30個(gè)定子極。13.根據(jù)權(quán)利要求12的電機(jī)，其中每隔一個(gè)的定子極在特定時(shí)間被激勵。14.根據(jù)權(quán)利要求1的電機(jī)，其中存在60個(gè)轉(zhuǎn)子極和36個(gè)定子極。15.根據(jù)權(quán)利要求14的電機(jī)，其中每隔兩個(gè)的定子極在特定時(shí)間被激勵。16.根據(jù)權(quán)利要求14的電機(jī)，其中所述電機(jī)通過單相變頻交流信號來驅(qū)動。
【文檔編號】H02P25/08GK105940596SQ201480062546
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2014年4月24日
【發(fā)明人】查爾斯·漢普頓·佩里
【申請人】查爾斯·漢普頓·佩里