专利名称：动力系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及动力系统，特别涉及包括一个或多个轴向磁通电机/发电机 的动力系统。
背景技术：
许多动力系统包括与一个或多个其它部件驱动连接的轴向磁通电机/ 发电机。例如，许多移动式机械有一动力系统，该动力系统包括与推进装 置例如轮子驱动连接的轴向磁通电机/发电机。为推进该移动式机械，动力 系统可向轴向磁通电机/发电机供电，使得该轴向磁通电机/发电机用作驱动 推进装置的电动机。这类动力系统可使用各种装置向轴向磁通电机/发电机 供电以推进该移动式机械。在某些情况下，电池向轴向磁通电机/发电机供 电。然而，电池只能短时供电以推进移动式机械。
授予Marshall等人的美国专利No.5,214，368 (，358专利)展示了一种 机动车辆，该机动车辆包括与车轮驱动连接的电动机和与内燃机驱动连接
的交流发电机。该内燃机驱动该交流发电机并发电。，358专利的电动机使 用交流发电机生成的电驱动车轮，从而推进该机动车辆。
尽管，358专利所示车辆包括一内燃机和一向电动机供电以推进机动车 辆的交流发电机，但仍存在一些缺点。例如，独立的电动机和交流发电机 会占据不希望地过大的空间，这些空间否则可用于其它部件。此外，包括 独立的电动机与交流发电机可能会不希望地增加机动车辆部件的成本。
本发明的动力系统和方法解决了 一个或多个上述问题
发明内容
本发明公开的一个实施例涉及包括一轴向磁通电机/发电机的动力系 统。该轴向》兹通电机/发电机可包括一壳体、至少部分由壳体支承的第一转 子和至少部分由壳体支承的第二转子。第二转子在机械上可与第一转子分 离。该动力系统还可包括一与第一转子驱动连接的机械动力源。此外，该 动力系统可包括动力系统控制装置。该动力系统控制装置可操作成选择性 地使机械动力源驱动第一转子，同时轴向磁通电机/发电机用第一转子从该 机械动力源接收的机械能发电。该动力系统控制装置还可操作成选择性地 使轴向磁通电机/发电机用作旋转第二转子的电动机。此外，该动力系统控 制装置也可操作成独立控制第一转子上的转矩和第二转子上的转矩。
另 一 实施例涉及一种操作动力系统的方法。该方法可包括使轴向磁通 电机/发电机的第一转子至少部分地由该轴向磁通电机/发电机的壳体支承。 该方法还可包括使该轴向磁通电机/发电机的第二转子至少部分地由该壳 体支承，第二转子可在机械上与第一转子分离。该方法还包括选择性地向 该轴向磁通电机/发电机的第一电绕组供电，以把该轴向磁通电机/发电机用 作驱动第一转子的电动机。此外，该方法可包括选择性地用一机械动力源 驱动第二转子，同时使用该轴向磁通电机/发电机用第二转子从该机械动力 源接收的机械能发电。
另一实施例涉及包括一个或多个推进装置和一动力系统的移动式机 械。该动力系统可包括一机械动力源和一轴向磁通电机/发电机。该轴向磁 通电机/发电机可包括一壳体。该轴向磁通电机/发电机还可包括至少部分由 该壳体支承的第一转子，该第一转子可与该机械动力源驱动连接。此外， 该轴向磁通电机/发电机可包括至少部分由该壳体支承的第二转子，第二转 子可在机械上与第 一转子分离而与 一个或多个推进装置中的 一个或多个驱 动连接。该轴向磁通电机/发电机还可包括与第一转子和第二转子中的至少 一个邻近布置的定子。
图l为本发明的动力系统一实施例的示意图；图2为本发明的轴向磁通电机/发电机的一实施例的放大图；以及 图3为本发明的轴向磁通电机/发电机的另一实施例的放大图。
具体实施例方式
图1示出了一包括本发明的动力系统12的机械IO。机械10可为移动 式机械，其具有与动力系统12连接的一个或多个推进装置14。动力系统 12可包括一机械动力源16、 一电力传输网络19、 一个或多个电力源和/或 负载、动力系统控制装置20和一轴向磁通电机/发电机18 (通常也可有其 它称谓，例如轴向气隙电机/发电机、轴向间隙电机/发电机和盘式电机/发 电机)。机械动力源16可为构造成产生机械动力的任何类型的装置，包括 但不限于柴油发动机、汽油发动机、气体燃料驱动的发动机和燃气轮机发 动机。
轴向磁通电机/发电机18可包括一壳体22、 一转子24和一转子26。 转子24、 26可分别由壳体22支承成可围绕一公共轴线28旋转。壳体22 可直接支承转子24、 26，和/或由壳体22支承的一个或多个部件例如支承 件可支承转子24、 26。转子24、 26可在机械方面相互分离。转子24可与 机械动力源16驱动连接，转子26可与推进装置14驱动连接。
轴向磁通电机/发电机18还可包括一能量转换系统27,该能量转换系 统构造成在转子24、 26上的机械能与电力传输网络19中的电能之间进行 转换。能量转换系统27可包括各种磁通源如电绕组(图1中未示出)和/ 或永久磁体(图1中未示出)。能量转换系统27可包括一个或多个旋转部 件和/或一个或多个固定部件。能量转换系统27的一些电绕组和/或永久》兹 体可位于转子24和/或转子26上，能量转换系统27的一些电绕组和/或永 久》兹体可邻近转子24、 26布置。能量转换系统27的一个或多个电绕组可 与电力传输网络19连接，从而它们可从中接收电和/或向其供电。能量转 换系统27的两个示例性实施例在下文结合图2和图3详述。在包括图1-3所示实施例在内的一些实施例中，轴向磁通电机/发电机18的壳体22可电力传输网络19可电连接能量转换系统27和动力系统12的其它各种 电气部件。电力传输网络19可包括一能量调节器30、 一能量调节器32和 连接能量调节器30、 32与能量转换系统27及其它各种电气部件的各种导 电体。能量调节器30、 32可构造成通过调节能量转换系统27的一个或多 个部件的电气行为来调节轴向磁通电机/发电机18的运行的一个或多个方 面。这可包括调节能量转换系统27的一个或多个部件中的电气行为的各种 时间方面，例如交流电的相位和/或频率。能量调节器30、 32还可构造成 调节能量转换系统27的不同部件之间的能量传输和/或调节能量转换系统 27与动力系统12的其它电气部件之间的能量传输。此外，能量调节器30、 32之一或两者都可构造成当能量在能量转换系统27与其它电气部件之间 流动时使能量在不同形式之间转换，例如交流电与直流电。
与电力传输网络19连接的电力源和/或负载可包括一电池34、附件36、 38、 40、 一操作界面42和控制器44、 46。附件36、 38、 40可包括例如灯、 风挡刮水器、电动窗、自动座椅、无线电、送风机、加热器等装置和/或方 <更机械10运行的其它各种电气部件。
动力系统控制装置20可包括能量调节器30、能量调节器32、操作界 面42、控制器44和控制器46。操作界面42可包括构造成把操作员输入传 送给机械IO的其它部件的任何类型的部件。例如，操作界面42可包括一 加速踏板47和用于从操作员接收加速请求并把这类加速请求传送给机械 10的其它部件的各种有关部件。类似地，操作界面42可包括一制动P务板 49和用于从操作员接收制动请求并把这类制动请求传送给机械10的其它 部件的各种有关部件。此外，操作界面42可包括一起动开关51和用于从 操作员接收起动机械动力源16的请求并把该请求传送给机械10的其它部 件的各种有关部件。
每一控制器44、 46可以是构造成控制机械10的运行的一个或多个方 面的任何类型的装置。每一控制器44、 46可包括一个或多个处理器(未示 出)和一个或多个存储装置(未示出)。控制器44可与才几械动力源16、 操作界面42、控制器46和其它各种信息源(未示出)可操作地连接。控
8制器44可根据来自操作界面42、控制器46和其它信息源的输入来控制机 械动力源16的运行的 一个或多个方面。控制器46可与能量调节器30 、 32 、 操作界面42和控制器44可操作地连接。此外，信息通道48可向控制器 46提供关于能量转换系统27的部件中的电气化状态的信息。类似地，信 息通道50可向控制器46提供关于电力传输网络19中的电气化状态的信 息。根据从操作界面42、控制器44、信息通道48、信息通道50和/或其它 各种信息源接收的信息，控制器46可控制能量调节器30、 32,以控制轴 向磁通电机/发电机18的运行的一个或多个方面。
推进装置14可以是构造成从动力系统12接收能量并通过把该能量作 用于机械10的周围环境而推进机械10的任何类型的装置。例如，如图1 所示，推进装置14可为车轮。可选择地，推进装置14可为轨道装置、构 造成把能量传送到地面上的其它类型的装置、推进器或构造成使流体运动 以推进机械IO的其它类型的装置。
机械10不限于图l所示的构造。例如，尽管图l示出了两个转子24、 26的公共轴线28，但转子24、 26可具有单独的旋转轴线。此外，机械动 力源16、轴向磁通电机/发电机18和推进装置14可以不同的方式连接。尽 管图1示出了机械动力源16与转子24直接连接，但是，动力系统12可包 括各种连接在机械动力源16与转子24之间的动力传输部件，例如轴、齿 轮、离合器、带与滑轮、链轮与链条和/或流体耦合器。动力系统12可包 括连接在转子26与推进装置14之间的类似部件。此外，动力系统12可包 括用于选择性分离转子24与机械动力源16和/或选择性分离转子26与推 进装置14的各种机构。
此外，动力系统控制装置20除了控制器44、 46外还可包括其它控制 器。可选择地，动力系统控制装置20也可用控制机械动力源16和能量调 节器30、 32的单个控制器取代控制器44、 46。在某些实施例中，动力系 统控制装置20可用硬连线控制电路或其它类似的控制部件取代控制器44、 46。
图2为轴向磁通电机/发电机18的放大图，示出了其能量转换系统27的一实施例的细节。在图2所示的实施例中，能量转换系统27有5个磁通 源，包括多个永久磁体52、 一电绕组54、多个永久磁体56、多个永久磁 体58和一电绕组60。电绕组54可为定子64的一部分，电绕组54可与能 量调节器30电连接。多个永久磁体52可安装在转子24上，在多个永久磁 体52与电绕组54之间设置有一轴向界面62。在本文中，术语"轴向界面，， 是指这样的界面，在该界面中，转子24、 26的基本朝向其旋转轴线28方 向上的那部分面对着一相邻部件的基本朝向相反方向上的那部分。多个永 久磁体52可具有基本朝向轴向界面62的磁极，从而多个永久磁体52把磁 通经轴向界面62传到电绕组54。类似地，电绕组54可构造成使得，向其 供电会造成电绕组54生成流经轴向界面62到达多个永久磁体52的磁通。 电绕组54可为任何类型的电绕组，其用作(包括但不限于)槽绕 (slot-wound)电绕组和环型(Gramme-type)电绕组。
多个永久》兹体56可位于电绕组54的与多个永久i兹体52相对的一侧附 近。多个永久》兹体56可装在转子24上，多个永久》兹体56与电绕组54之 间有一轴向界面66。多个永久磁体56的磁极一般朝向轴向界面66，从而 多个永久磁体56把磁通经轴向界面66传输到电绕组54。此外，电绕组54 可构造成使得向电绕组54供电造成电绕组54生成经轴向界面66流向多个 永久》兹体56的/f兹通。
多个永久》兹体58和电绕组60可电万兹耦合转子24与转子26。多个永 久磁体58可装在转子24上。电绕组60可装在转子26上，多个永久磁体 58与电绕组60之间有一轴向界面68。多个永久磁体58的磁极可一般朝向 轴向界面68，从而多个永久f兹体58可把磁通传送经过轴向界面68。此外， 电绕组60构造成使得向电绕组60供电造成电绕组60生成经轴向界面68 流向多个永久磁体58的磁通。电绕组60可为任何类型的电绕组，其用作 (包括但不限于)槽绕电绕组和环型电绕组。电绕组60可经接触转子26 的电刷61与能量调节器32电连接。
成对磁通源的磁极数可相同。例如，多个永久磁体52和电绕组54的 磁极数可相同。类似地，多个永久磁体56的磁极数可与电绕组54的磁极数相同。此外，多个永久磁体58和电绕组60的磁极数可相同。
在某些实施例中，和转子24有关的磁通源的磁极数可与和转子26有 关的磁通源不同。例如，在某些实施例中，多个永久磁体52、电绕组54 和多个永久磁体56的磁极数可分别比多个永久磁体58和电绕组60的磁极 数多。
轴向磁通电机/发电机18不限于图2所示的构造，例如，在某些实施 例中，图2所示的轴向磁通电机/发电机18的构造可省略多个永久磁体58。 在这类实施例中，多个永久磁体56可装在转子24上并构造成除了把J兹通
绕组60。
此外，在某些实施例中，轴向磁通电机/发电机18的转盘和/或定子的 数量可与图2所示的不同。例如，转子24可只包括单个转盘或包括两个以 上的转盘。此外，轴向磁通电机/发电机18除了定子64外还可包括与转子 24的转盘邻近布置的其它定子。类似地，转子26可有不止一个转盘，轴 向磁通电机/发电机18可包括与转子26的转盘邻近布置的一个或多个定 子。
图3示出了能量转换系统27另一实施例。图3所示的能量转换系统 27的实施例可与图2所示的实施例大致相同。但是，电绕组60可为定子 70的一部分，转子26上可装有附加的多个永久磁体72，多个永久磁体72 与电绕组60之间有一轴向界面74。多个永久磁体72的磁极可一般朝向轴 向界面74的方向，从而多个永久磁体72把J兹通经轴向界面74传输到电绕 组60。此外，电绕组60可构造成在被供电时使磁通传输经过轴向界面74。 多个永久》兹体58、电绕组60和多个永久》兹体72可有相同数量的磁极，且 它们的磁极数可分别比多个永久磁体52、电绕组54和多个永久磁体56的 磁极数少。
在图3所示的实施例中，多个永久磁体58、电绕组60和多个永久磁 体72可在组合时电磁耦合转子24与转子26。来自永久磁体58的磁通可 影响电绕组60中的电气行为，从而可影响电绕组60与多个永久磁体72之间的电磁相互作用。
轴向磁通电机/发电机18的能量转换系统27不限于图2和3所示的构 造。例如，尽管图2和3示出了所有永久磁体装在转子24、 26的外表面上， 但某些或所有永久磁体也可插入或完全置于转子24、 26内。此外，能量转 换系统27的磁通源可比图2和3所示的多或少。此外，能量转换系统27 可包括一个或多个电绕组来取代多个永久磁体52、多个永久磁体56、多个 永久磁体58和/或多个永久磁体72。类似地，能量转换系统27可包括永久 磁体来取代多个电绕组54和/或电绕组60。
此外，在某些实施例中，轴向磁通电机/发电机18中的转盘和/或定子 的数量可与图3所示的不同。例如，转子24可只包括单个转盘，也可包括 两个以上的转盘。此外，轴向磁通电机/发电机18除了定子64之外还可包 括与转子24的转盘邻近布置的其它定子。类似地，转子26可有不止一个 转盘，轴向磁通电机/发电机18除了定子70之外还可包括与转子26的转 盘邻近布置的其它定子。
工业适用性
机械10和动力系统12可用于需要动力执行一项或多项任务的任何场 合。动力系统控制装置20可使动力系统12用轴向磁通电机/发电机18发 电。例如，动力系统控制装置20可^f吏机械动力源16驱动转子24，同时轴 向磁通电机/发电机18用从机械动力源16接收的机械能发电。当机械动力 源16驱动转子24围绕旋转轴线28旋转时，从多个永久磁体52流过轴向 界面62的磁通和从多个永久磁体56流过轴向界面66的磁通会在电绕组 54中生成感应电流。
除了使动力系统12用轴向磁通电机/发电机18发电之外，动力系统控 制装置20在某些情况下也可使轴向磁通电机/发电机18用作驱动转子26 的电动机。例如，当机械10的操作员用加速踏板47发出加速请求时，动 力系统控制装置20可作出响应，使轴向磁通电机/发电机18用作驱动转子 26、从而驱动推进装置14和推进机械10的电动机。在某些情况中，动力系统控制装置20可使轴向磁通电机/发电机18用作驱动转子26的电动机， 同时使机械动力源16驱动转子24和使轴向磁通电机/发电机18用转子24 发电。
动力系统控制装置20可使轴向磁通电机/发电机18用作电动机，向电 绕组60供电，从而使电绕组60产生一旋转磁场。在图2所示实施例的情 况下，该旋转磁场可与来自多个永久磁体58的磁通相互作用，从而在电绕 组60与多个永久磁体58之间传输能量以驱动转子26。在图3所示实施例 的情况下，电绕組60产生的该旋转磁场可与来自多个永久磁体72的磁通 相互作用，从而在电绕组60与多个永久磁体72之间传输能量以驱动转子 26。
此外，在某些情况下，动力系统控制装置20还可使轴向磁通电机/发 电机18用来自转子26的机械能发电。例如，当机械10运动和操作员用制 动踏板49发出一制动请求时，动力系统控制装置20可使轴向磁通电机/ 发电机18用推进装置14传输给转子26的能量在电绕组60中发电，从而 制动机械IO。动力系统控制装置20可为此调节电绕组60中的电气行为， 使得来自多个7^C久磁体58或来自多个永久磁体72的磁通在电绕组60中生 成感应电流。
此外，在某些情况下，动力系统控制装置20可使轴向磁通电机/发电 机18用作旋转转子24的电动机。例如，当机械动力源16不运转、操作员 操^动开关51以请求起动机械动力源16时，动力系统控制装置20可使 轴向磁通电机/发电机18用作驱动转子24、从而驱动机械动力源16的电动 机。
所公开的各实施例可允许动力系统控制装置20完全独立地控制转子 24、 26，从而利用轴向磁通电机/发电机18有效地起到两轴向磁通电机/发 电机的作用。由于转子24、 26在机械上分离，因此动力系统控制装置20 可独立控制每一转子24、 26的速度和旋转方向。动力系统控制装置20可 控制轴向磁通电机/发电机18用转子24发电或驱动转子24，而与轴向磁通 电机/发电机18用转子26发电还是驱动转子26无关。此外，通过为转子子64可允许动力系统控制装置20独立 于转子26上的转矩控制转子24上的转矩。
所公开的动力系统12的实施例能效高、节省空间且不昂贵。由于能独 立控制转子24、 26的速度和转矩，因此动力系统12可在很大的速度和转 矩范围内高能效地供应机械能。当才咸动力源16驱动转子24、轴向磁通 电机/发电才几18用转子24发电时，动力系统控制装置20可控制转子24的 速度和转矩以便以最大能效发电。同时，使用该高效生成的电，轴向磁通 电机/发电机18可在其很大的速度和转矩范围内用作电动机来驱动转子 26。使用单个轴向磁通电机/发电机18同时发电和驱动一机械动力负载可 节省出空间用于动力系统12和机械10的其它部件。类似地，为此使用单 个轴向磁通电机/发电机18有助于降低动力系统12的部件成本。
此外，如果把与转子26有关的磁通源构造成其磁极比与转子24有关 的磁通源的磁极少，则在某些应用和/或情况下可提高动力系统12的能效。 在某些情况下，在用作驱动转子26的电动机时，轴向磁通电机/发电机18 可通过以较高速度驱动转子26来最高效地把电能转换成机械能。把与转子 26有关的磁通源构造成有较少数量的磁极可使轴向磁通电机/发电机18能 以较高速度驱动转子26。相反，当用转子24发电时，如果与转子24有关 的磁通源有较大数量的磁极且转子24的转速较低，则轴向磁通电机/发电 机18可最高效地把机械能转换成电。
本领域普通技术人员显然可在本发明范围内对该动力系统和方法作出 各种修改和变型。所公开的动力系统的其它实施例对阅读了本说明书和实
的。本说明书和各示例只应看成是示例性的，本发明的真正范围由所附权 利要求及其等同方案给出。
1权利要求
1.一种动力系统(12)，包括一电机/发电机(18)，包括一壳体(22)；至少部分由所述壳体支承的第一转子(24)，至少部分由所述壳体支承的第二转子(26)，第二转子在机械上与第一转子分离；一与第一转子驱动连接的机械动力源(16)，和动力系统控制装置(20)，该动力系统控制装置可操作成用于选择性地使所述机械动力源驱动第一转子，同时所述电机/发电机用第一转子从所述机械动力源接收的机械能发电，选择性地使所述电机/发电机用作旋转第二转子的电动机，和独立控制第一转子上的转矩和第二转子上的转矩。
2. 按权利要求l所述的动力系统，其特征在于，所述动力系统控制 装置还操作成用于选择性地使所述电机/发电机用第二转子接收的机械能 发电。
3. 按权利要求l所述的动力系统，其特征在于， 所述电机/发电机还包括一电绕组(54)，一与所述电绕组邻近布置的磁通源(52); 所述电绕组和所述磁通源其中之一安装在第一转子上，而其中之另一 个设置成不在第一转子上；以及轴向界面(62)。
4.按权利要求l所述的动力系统，其特征在于 所述电机/发电机还包括第一电绕组(54)和第一磁通源(52),第二电绕组(60)和第二磁通源(58),第二磁通源的磁极比所 ii^通源的少；所述电机/发电机用第一转子从机械动力源接收的机械能发电包括所 i^磁通源在电绕组中生成感应电流；以及选择性地使得电机/发电机用作旋转第二转子的电动机包括选择性地 通过磁通在第二磁通源与第二电绕组之间传输能量。
5. 按权利要求l所述的动力系统，其特征在于； 所述电机/发电机还包括与第一转子邻近设置的第一电绕组(54);和 所述电机/发电机还包括装在第一转子上的第一多个永久磁体(52),所述第 一 多个永久磁体把磁通传输过笫 一转子与第 一 电绕组之间的一轴向 界面(62)。
6. 按权利要求l所述的动力系统，其特征在于； 所述电机/发电机还包括第二电绕组(60);和 所述电机/发电机还包括装在第二转子上的第二多个永久磁体(72 )，所述第二多个永久磁体把磁通传输过第二转子与第二电绕组之间的一轴向 界面(74)。
7. —种操作动力系统(12)的方法，包括使一电机/发电机(18)的第一转子(26)至少部分地由所述电机/发电 机的壳体(22)支承；使所述电机/发电机的笫二转子(24)至少部分地由所述壳体支承，第 二转子在机械上与第 一转子分离；选择性地向所述电机/发电机的第一电绕组(60)供电，以把所述电机 /发电机用作驱动第一转子的电动机；和选择性地用一机械动力源(16)驱动第二转子，同时使用所述电机/ 发电机用第二转子从所述机械动力源接收的机械能发电。
8. 按权利要求6所述的方法，其特征在于 所述动力系统为一移动式机械(10)的一部分；和 选择性地向所述电机/发电机的第一电绕组供电以把所述电机/发电机用作驱动第 一转子的电动机包括选择性地驱动第 一转子和与第 一转子驱动连接的一个或多个推进装置(14)，以推进所述移动式机械。
9. 按权利要求6所述的方法，其特征在于，选择性地向所述电机/发 电机的第一电绕组供电以把所述电机/发电机用作驱动第一转子的电动机 包括选择性地如此的同时用所述机械动力源驱动第二转子和使用所述电机 /发电机用第二转子从所述机械动力源接收的机械能发电。
10. 按权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括独立地控制第一 转子上的转矩和第二转子上的转矩。
全文摘要
本发明涉及一种包括电机/发电机(18)动力系统(12)。该电机/发电机可包括一壳体(22)、至少部分由该壳体支承的第一转子(24)和至少部分由该壳体支承的第二转子(26)。第二转子在机械上可与第一转子分离。该动力系统还可包括与第一转子驱动连接的机械动力源(16)。此外，该动力系统可包括动力系统控制装置(20)。该动力系统控制装置可操作成选择性地使该机械动力源驱动第一转子，同时该电机/发电机用第一转子从该机械动力源接收的机械动力发电。该动力系统控制装置还可操作成选择性地使该电机/发电机用作旋转第二转子的电动机。此外，该动力系统控制装置可操作成独立地控制第一转子上的转矩和第二转子上的转矩。
文档编号B60K6/26GK101516709SQ200780035589
公开日2009年8月26日 申请日期2007年6月8日 优先权日2006年7月31日
发明者M·K·古文, M·艾丁 申请人:卡特彼勒公司