改進的開關磁阻電機和用于混合動力汽車的開關磁阻裝置的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種改進的具有開關磁阻輪轂電機的混合驅動裝置。該開關磁阻電機通過在未被使用時關閉現有技術中使用的電機的存在的磁場來消除由該磁場造成的任何阻力。它還更清潔并且運行更有效，因為當磁場被關閉時，在運行期間被吸引來的任何磁路灰塵或碎片掉落或被排斥。一種改進的開關磁阻電機可以被使用，設計有定子環和轉子環，所以低磁阻通量路徑并不穿過轉子或轉子條的整個直徑。
【專利說明】改進的開關磁阻電機和用于混合動力汽車的開關磁阻裝置
[0001 ]本申請要求2013年9月16日提交的編號為5 61/878135的美國臨時專利申請的權益以及優先權，并且有權享有該申請日作為優先權日。編號61/878135的美國臨時專利申請的說明書、附圖以及完整的公開內容在此通過用于各種目的的具體參考被包含在內。
技術領域
[0002]本發明總地涉及混合動力汽車領域。更具體地，本發明涉及一種用于使用開關磁阻電機的內燃-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示出了依據本發明的實施例的一種系統的視圖；
[0004]圖2示出了依據本發明的實施例的一種裝置的視圖；
[0005]圖3示出了一種具有中心轉子的開關磁阻電機的視圖，該中心轉子具有轉子條(rotor bar)；
[0006]圖4示出了一種具有轉子環的開關磁阻電機的視圖；
[0007]圖5不出了圖4中的部分的近視圖；
[0008]圖6示出了圖4的開關磁阻電機的轉子移動至第二位置的視圖；
[0009]圖7示出了一種具有轉子環的開關磁阻電機的可替換配制；
[0010]圖8示出了一種具有轉子環的開關磁阻電機的另外的可替換配制。
【具體實施方式】
[0011]美國專利2012/0215389(Perry等，用于汽車動能的增加、儲存和守恒的機器)公開了一種能夠被改造和被安裝在內燃機驅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換成混合動力車的電機-發電機設備，該專利在此通過用于各種目的的具體參考被包含在內。更早的混合驅動系統在編號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。
[0012]本發明是一種改進的包括開關磁阻輪轂電機的混合驅動裝置，如圖1和圖2中所示。通過使用開關磁阻電機，本發明具有通過在未被使用時關閉現有技術中使用的電機的存在的磁場來消除由該磁場造成的任何阻力的優點。本發明還具有更清潔并且運行更有效的優點，其中在磁場被關閉時，運行期間被吸引來的任何磁路灰塵或碎片掉落或被排斥。
[0013]該開關磁阻電機是一種磁阻電機(S卩，通過磁阻轉矩來運行的電動機)。和常見的直流電機類型不同，電力被傳遞給定子中的繞組而不是轉子。因為電力不需要被傳遞給運動部分，這大大簡化了機械設計。然而，一些種類的開關系統需要被用來向不同的繞組傳遞電力。
[0014]在一些實施例中，該開關磁阻電機具有繞制的磁場線圈。然而，轉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)構成的實心凸極轉子(具有突出的磁極)。當電力被施加給定子繞組時，轉子的磁阻生成一個力來嘗試將轉子極與最近的定子極對齊。為了維持旋轉，電子控制系統依次接通連續的定子極的繞組，所以定子的磁場“引導”轉子極，將其向前推。該開關磁阻電機使用電子位置傳感器來確定轉子軸的角度和使用固態電子技術來切換定子線圈，這也為脈沖定時和成形的動態控制提供了機會，而不是如同傳統電機中的使用機械換向器來切換繞組電流。
[0015]—個開關磁阻電機的示例在圖3中示出。開關磁阻電機被設計來利用磁路中減少的磁阻。通常地，具有多個轉子條102的轉子100在定子環110內部旋轉。定子的內部包括多個鐵磁定子極112，該定子極112可以通過在該極周圍的磁線圈114被激勵，從而臨時地生成北極磁體和單極磁體。開關磁阻電機中的轉子由鐵磁性材料組成，該鐵磁性材料將產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的轉子條102從被激勵的北極到被激勵的南極。
[0016]以下是該開關磁阻電機的一個運轉示例。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，從定子環的圓周周圍的一個定子極到另一個定子極，并且返回通過相應的轉子條。
[0017]控制電路關閉流向定子極(Al，A2)的電流，并且激勵在315度和135度位置(Cl，C2)處的定子極。可編程控制電路和機制是本領域眾所周知的，并且容易獲得。轉子條(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)牽引在逆時針方向旋轉。當轉子條(D)達到與定子極(Cl，C2)成直線的新位置時，控制電路關閉該電流并且接通O度和180度定子極位置的電流(El，E2)，導致轉子條(F)在逆時針方向中被牽引。在不同情況下，存在于兩個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子條被降低，就如在水平的轉子條(B)和定子極(Al，A2)的情況下。通過電力地順時針地激勵定子極，轉子條逆時針地旋轉，從而生成電機活動。當然，激勵方向(并且因此，旋轉方向)可以是反向的。
[0018]如上討論的，開關磁阻電機的顯著優點是電機并不需要永磁體(如DC無刷電機中的永磁體)。因而，它在臟的或包括鐵磁性粉塵顆粒的環境中建造簡單和經濟并且運行良好。然而，開關磁阻電機并不需要控制電路來在正確的時間激勵定子極，這可能是復雜的并且需要轉子位置反饋，例如光學傳感器或其他適當的方法。而且，開關磁阻電機可能因為相對的定子極被激勵和關閉而易于產生噪音，這是由于施加在定子環上的周期交替的開/關力以可聞頻率振動。
[0019]被設計來處理這些缺陷的一種改進的開關磁阻電機如下描述。在一些實施例中，該改進的電機包括轉子中的修改的磁通量路徑，如圖4中所見。該轉子是轉子環200，并且在定子環210內旋轉。該轉子環包括放置在外圓周上的多個轉子極202。定子環包括多個鐵磁的定子極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的相同區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被激勵的極行經穿過定子環上的短距離到其他的定子極，然后穿過兩個相應的轉子極穿過轉子環，如圖4和圖5中所見。
[0020]以下是該改進的開關磁阻電機的一個運轉示例。定子極(H)被其相應線圈激勵來產生北極電磁體，并且定子極(I)類似地被激勵來產生南極電磁體。轉子極(F)和(G)與定子極(H)和(I)分別成直線，有磁路流經穿過。轉子環(A)中被降低的磁阻的路徑通過箭頭(J)來示出，而定子環(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重復，所以許多低磁阻磁路(在該配置中是15個)可以圍繞電機的圓周生成。定子極電磁體對可以圍繞該環交替北極和南極指向。
[0021]控制電路關閉流向定子極(H，I)(和圍繞該環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部分和轉子環部分的低磁阻路徑。需注意的是，新的低磁阻磁路隨著類似的定子對的激勵，圍繞電機的圓周生成。
[0022]當那些定子極被再次激勵時，定子的這個運動將轉子極(P，Q)移動到隨后與定子極(H，I)成直線的位置。這描述了兩相開關磁阻電機，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。在這個配置中，每隔一個定子極同時被激勵(S卩，在被激勵的對中的每個被激勵的定子極之間存在有未被激勵的定子極)。需注意，根據極的間隔和激勵的定時，電機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磁阻電機的示例，其中存在依次被激勵的三對定子極。每隔兩個定子極同時被激勵(即，在被激勵的對中的每個被激勵的定子極之間存在有兩個未被激勵的定子極)。
[0024]中心區(R)可以是轉子環的機械支撐，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。它將轉子相對于定子極放置在正確的位置，并且幫助提供圍繞通過轉子組件的中心的軸的旋轉。
[0025]轉子極和定子極的數量能夠改變。在圖4中所示的實施例中，有45個被放置在轉子環的外圓周上的轉子極，和30個在定子環的內圓周上的定子極。每個的數量都能夠改變，如圖7中所見的，其中有60個轉子極和36個定子極。定子極和轉子極的數量存在許多種組合以能夠被配置來使轉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子極的數量僅僅是三種配置的示例。
[0026]本設計將允許非常簡單的驅動系統，在該系統中單相變頻交流信號將驅動該電機。驅動該具有單相交流信號的電機的能力并不限于將定子極和轉子極布置來驅動具有單相交流、兩相交流或三相交流的定子極電磁體的選項。
[0027]這個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動。定子極(Η，Ν，Ι，0)組成完整集合用于該電機的360度電周期的完整集合。電機的360度電周期是完整的電周期已完成并且電氣操作重復自身的轉子旋轉的角度。在如圖4中所示的電機設計中，在轉子環旋轉24度中存在有完整的360度電周期。這意味著在360度的轉子環旋轉中，存在360度電旋轉的15個周期。四個定子極允許兩相的完整周期來作用于轉子極。該電機將隨著北極-南極中的定子極(H)和(I)的激勵運行，然后隨后隨著北極-南極中的定子極(N)和(O)的激勵運行。兩組定子極之間依次地交替將導致轉子環依次地隨著僅四個定子極順時針地或逆時針地旋轉。該開關磁阻電機的改進設計從而允許有部分數量的極在定子環上。現有技術中沒有開關磁阻電機具有這個能力。
[0028]本設計的另一個應用是開關磁阻步進電機的作用。在圖4中，如上討論的，轉子極(F)和(G)與定子極(H)和(I)成直線，并且轉子極(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，轉子將被保持在一個固定位置中。如果定子極(H)和(I)中的DC電流被關閉，并且DC電流被施加給定子極(N)和(O)，則轉子將逆時針旋轉4度并且停止。由于轉子極和定子極的適當的間距和幾何結構，以及恰當定時的電流的適當應用，該開關磁阻電機能夠用作步進電機以及可變速電機。
[0029]雖然圖4和圖5示出了徑向通量路徑，但本發明包括其中通量通路并不穿過轉子或轉子條的整個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磁阻電機。在這個實施例中的轉子極是磁性鋼并且不是永久性磁體(表示顯著優于DC無刷設計的優點，如本文中他處所描述的)。
[°03°]以上描述的該改進的開關磁阻電機設計特別地適合用于低轉速(例如，約2000rpm或以下)、高扭矩應用，包括，但不限于，輪轂電機。轉速較低因為電機直接驅動車輪。高起動扭矩是期望的。
[0031]依據本發明的改進的開關磁阻電機設計所產生的噪音將低于現有技術的設計。作用在定子上的力將一直恒定，因為被激勵的定子極和相應的轉子極之間的磁吸引力將因為電機的運轉方式永遠不會徹底地歸零。這將減少定子環中振動的傾向。
因此，應當理解的是本文中所描述的實施例和示例已被選擇和描述以便最佳地說明本發明的原理及其實際應用，從而使本領域的普通技術人員能夠最好地將本發明運用在各種實施例中和作出適合于預期的特定用途的各種修改。盡管本發明的特定的實施例已進行了描述，但是實施例并未窮盡。多種變化對于本領域的技術人員來說是顯而易見的。
【主權項】
1.一種開關磁阻電機，包括 具有內圓周的定子環； 位于所述內圓周上的多個定子極，所述定子極被磁線圈激勵變成電磁體； 具有外圓周的轉子環，所述轉子環位于所述定子環內；以及 位于所述轉子的外圓周上的多個轉子極，所述轉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穿過所述定子極對和鄰近的轉子極形成;并且 進一步地其中，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部分并且穿過所述轉子極對之間的所述轉子部分形成。2.根據權利要求1的電機，其中所述低磁阻磁通量路徑并不穿過所述轉子的中心。3.根據權利要求1的電機，其中所述低磁阻磁通量路徑并不穿過所述轉子的直徑。4.根據權利要求1的電機，其中所述電機是兩相電機。5.根據權利要求1的電機，其中所述電機是三相電機。6.根據權利要求1的電機，其中所述定子極對的激勵使所述轉子極對與所述定子極對準。7.根據權利要求1的電機，其中所述定子極對順序地被激勵以使所述轉子環旋轉。8.根據權利要求1的電機，其中所述電機是變速電機。9.根據權利要求1的電機，其中所述電機是步進電機。10.根據權利要求1的電機，其中所述電機是車輛上的輪轂安裝式電機。11.根據權利要求1的電機，其中所述轉子環被布置在所述轉子環的中心處的非鐵磁體的機械支撐上。12.根據權利要求1的電機，其中存在45個轉子極和30個定子極。13.根據權利要求12的電機，其中每隔一個的定子極在特定時間被激勵。14.根據權利要求1的電機，其中存在60個轉子極和36個定子極。15.根據權利要求14的電機，其中每隔兩個的定子極在特定時間被激勵。16.根據權利要求14的電機，其中所述電機通過單相變頻交流信號來驅動。
【文檔編號】H02P25/08GK105940596SQ201480062546
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2014年4月24日
【發明人】查爾斯·漢普頓·佩里
【申請人】查爾斯·漢普頓·佩里