专利名称：电磁减速器系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种电磁减速器系统和方法，所述系统和方法使用涡电 流以便有助于车辆制动。
背景技术：
利用减速系统补充机动车辆的摩擦制动系统从而延长摩擦制 动系统的使用期限在本领域中是公知的。较大的机动车辆经常利用 减速器作为这样的装置每次车辆减速时，该装置在不必应用摩擦 制动器的情况下减小车辆速度。
存在多种类型的可用来使大型机动车辆减速的减速器，包括 限制发动机排气流量的减速器；变更一个或多个发动机气门的正吋 的减速器；和使用磁力或者电磁力之间相互作用的减速器。每种类 型的减速器都起到以下作用减少运动的机动车辆产生和包含的动 能。对于本文档的其余部分，除非特别说明，否则术语"减速器" 是指磁性或者电磁类型的减速器。磁性和电磁减速器通常包括一起在磁场中旋转的轴和转子。 通过转子中产生的涡电流和磁场之间的相互作用而在转子处产生 减速力。这种系统通常称为"涡电流减速器"。转子中产生的减速 力为阻力矩的形式，所述阻力矩反抗旋转轴或者传动系统的运动。
电磁减速器的基本原理是公知的。通常，存在两种类型的电 磁减速器， 一种使用涡电流使运动减速， 一种使用磁阻。涡电流减 速器通常产生磁场，并且然后使金属部件通过该磁场。当磁性部件 通过该磁场时，金属中的自由电子沿圆周运动，好象被捕获在漩涡 中一样，称为涡电流。涡电流反抗导致它们的变化(公知为"楞次 定律"的反作用)，并且因而当金属部件进入或者离开磁场时，感 应的涡电流将会产生减速力。
被转子中的涡电流吸收的旋转能量转变为热。因而，散热片 通常被增设到转子上，以耗散由涡电流产生的热量。由于产生大量 的热量，所以需要从系统中去除足够的热量以防止制动性能恶化。 该冷却过程可由空气或者流体冷却实现。然而，涡电流通常产生在 旋转的转子或制动鼓中，并且如果希望采用流体冷却，那么密封旋 转的转子或鼓就会产生许多困难。
电磁涡电流减速器在本领域中是公知的。例如，发明人为
Yamamoto并且受让人为Isuzu Motors Limited的美国专禾lj No. 6,176,355 (2001年1月23日)公开了一种用于车辆的涡电流制 动系统。通常，这种涡电流电磁减速器通过使鼓旋转穿过磁流场、 或者通过使线圈旋转以产生旋转磁通量场而产生所需的涡电流。例 如，'355专利使用当制动鼓旋转穿过磁流场时在制动鼓中产生的涡 电流。发明人为Raad并且受让人为Pacific Scientific Electrokinetics Division的美国专利No. 6, 578， 681 (2003年6月17日)公开了一种电磁减速器，其中形成线圈的励磁绕组安装 在传动轴上，并且和传动轴一起旋转。
电磁涡电流减速器通常包括定子，所述定子使用电磁体以产 生磁流场。定子通常是静止的，同时可旋转的转子连接到扭矩传输 元件例如机动车辆中的轴或传动系统。电磁涡电流减速器中的定子 通常具有由电磁绕组构成的线圈，所述电磁绕组可被电池或交流发 电机系统提供的电流激励。使电流流过线圈从而产生磁流场。当转 子穿过该场时，会产生阻力矩，从而提供适合的减速力。
在上述的减速器系统中可能出现若干困难。目前，涡电流减 速器使用通常公知的电刷。通常，电刷是滑动连接器，所述连接器 完成固定和移动的导体之间的回路。由于它们的特性，电刷经常是 这种系统的故障来源。
另外，涡电流减速器通常产生很大的转动惯量。在系统的大 部分部件旋转(轴、转子和/或鼓)的减速器系统中，所述很大的 惯量反抗系统自身的减速力，并且会降低系统的效率。
鉴于上述问题，需要这样一种电磁涡电流减速器，该减速器 提供适合的减速力，同时有效地耗散产生的热量，不必使用电刷， 并降低系统的转动惯量。
在至少一些实施例中，本发明的系统和方法能够提供优于已 知的减速器系统的优点。本发明的一些而不是必须全部的实施例可 使用流体冷却的静止的鼓和静止的线圈。这些元件的静止特性可减 少通常与流体冷却相联系的困难。本发明的一些而不是必须全部的 实施例通过使用静止的电源和静止的线圈而不再使用电刷，从而增 加系统可靠性。本发明的一些实施例的另外的优点在于提供这样一 种减速器系统，该系统中，仅有的转动元件是爪极(claw pole)转子，从而减小系统的转动惯量。本发明的各种实施例的另外的优 点一部分在随后的描述中阐明，另一部分根据本发明的描述和/或 实践对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。
发明内容
针对上述问题，申请人已经开发出创新的电磁减速器系统， 该系统通常包括电源、控制器和电磁减速器。电源可包括但不限于 交流发电机、起动机/交流发电机、或者电池。控制器用于控制电 源提供给电磁减速器的电流量。电磁减速器可包括轴；安装在轴 上且相对于轴静止的中空圆柱形线圈；具有两个圆柱形表面的磁轭 (yoke),较小的圆柱形表面设置在线圈内部并且与线圈同轴设置， 该线圈安装在轴上且相对于轴静止；至少一个爪极转子，由磁性半 轮形成，该磁性半轮逐渐变细为点或爪，所述转子安装在轴上，并 且和轴一起旋转；以及静止的中空圆柱形电磁感应鼓，所述鼓与轴 同轴，并且安装成使得它围绕线圈、磁轭和转子。
应该理解上述大致的说明和随后详细说明仅仅是示例性和解 释性的，并不限制要求保护的本发明。此处引入作为参考并且构成 说明书一部分的附图和用于解释本发明原理的详细说明书一起阐 述本发明的若干实施例。
为了帮助理解本发明，下面将参考附图，其中相同的附图标 记代表相同的元件。附图仅是示例性的，并且不应理解成限制本发 明。
图1是根据本发明的第一实施例的减速器系统的框图。图2是根据本发明的第二实施例的减速器系统的框图。
图3是根据本发明的一个实施例的爪极电磁减速器的分解等
图4是描绘本发明的一个实施例中的电磁感应鼓中的磁通量 密度的计算机生成的图像。
图5是描绘本发明的一个实施例中的电磁感应鼓中的涡电流 分布的计算机生成的图像。
图6是根据本发明的第三实施例的减速器系统的框图。
图7是根据本发明的第四实施例的减速器系统的框图。
具体实施例方式
下面将详细参考本发明的系统和方法的实施例，本发明的示 例在附图中示出。本发明的第一实施例在图1中示为减速器系统 10。减速器系统IO包括电源100、爪极电磁减速器200、和控制器 300，该控制器用于控制从电源100到减速器200的功率输出。
在第二实施例中，如图2所示，电源100可包括交流发电机 110和整流器120。交流发电机IIO适合于产生交流电流(AC)，例 如三相AC电流。交流发电机110可电连接到整流器120，从而来 自交流发电机110的输出电流被输入到整流器120中。整流器120 适合于将来自交流发电机110的交流电流转换成直流电流(DC)。 应当认为，交流发电机IIO可用于与车辆蓄电池(未示出)连接， 或者可以是独立的装置。在可替换的实施例中，可以考虑电源IOO 可包括车辆起动机、交流发电机、起动机/交流发电机、和/或其它 用于为减速器200产生电力输出的装置。
继续参考图2，控制器300控制来自整流器120的DC输出。控制器300可包括数字信号处理器(DSP)或者其它适合于调节从 整流器120到减速器200的输出功率的装置。控制器300可以包括 连接到其它发动机部件(多个)的微处理器或者类似装置，以便确 定所需要的功率。这样，控制器300可以在由微处理器从发动机部 件(多个)采集的信息的基础上控制施加到车辆的减速力的大小。 所述信息可包括但不限于发动机转速、车辆速度、冷却剂温度、 和/或操作者施加的制动力。控制器300可以通过打开或关闭整流 器120的开关来启动和/或停止减速器200。
如图3所示，减速器200连接到车辆的传动轴20。减速器200 可包括磁轭320、线圈340、爪极转子332和334和电磁感应鼓310。 磁轭320静止地安装在轴20上，并且可包括第一圆柱形表面321 和第二圆柱形表面322。第二圆柱形表面322可包括比第一圆柱形 表面321小的直径，并且可布置在线圈340的内径中，并和线圈 340同轴布置。线圈340相对于轴20静止。线圈340由具有内径 和外径的中空圆柱形组成。线圈340的内径接触磁轭320的第二圆 柱形表面322。磁轭320的第一圆柱形表面321与爪状转子332同 轴。
爪状转子332安装成使得它与轴20 —起旋转。爪状转子332 可包括磁性半轮，该磁性半轮逐渐变细为点或者爪。爪状转子332 布置成与磁轭320的第一圆柱形表面321在径向上间隔微小的距 离。另外，爪状转子332的爪可沿轴向在线圈340和磁轭320的第 二圆柱形表面322上延伸。
爪状转子334安装成使得它与轴20 —起旋转。爪状转子332 可包括磁性半轮，该磁性半轮也逐渐变细为点或者爪。爪状转子 332和334布置成使得它们各自的尖端或者爪延伸到相对的爪的空隙中。
电磁感应鼓310可包括中空圆柱形鼓，该鼓在爪状转子332 和334上方同轴安装。电磁感应鼓310相对于轴20静止，并且可 以被流体冷却。电磁感应鼓310的内径安装成与爪状转子332和 334的外表面沿径向方向间隔一定距离。
电磁减速器200还可包括磁性非传导保持器350，所述保持器 布置在线圈340和爪极转子332和334中间。保持器350刚性连接 爪极转子332和爪极转子334，从而所述转子一起旋转。保持器350 可防止产生的磁通量直接从北极爪极转子332流通到南极爪极转 子334。
参考图2和图3，下面将描述本发明的一个实施例的操作。交 流发电机110通过本领域中公知的装置产生三相交流电流(AC)。 交流发电机110产生的AC电流作为输入提供给整流器120。整流 器120将AC转变为直流电流(DC)，并且输出该DC。控制器300 控制整流器120的输出总量，该控制器可以是数字信号处理器 (DSP)。控制器300允许操作者控制供给到减速系统的电流大小， 并且因此控制产生的制动力的大小。控制器300所允许的、来自整 流器120的输出量被发送给电磁减速器200。位于电磁减速器200 内部的线圈340接收来自整流器120的DC。当电流流过线圈340 时就会产生磁场。磁场在闭合回路中的导磁材料中传播，并且磁通 量在磁轭320中产生。磁轭320定位成与爪状转子332沿径向方向 仅存在微小的空气间隙，并且磁场跃过该空气间隙，并且进入爪状 转子332中。爪状转子332被极化为北极或南极，这取决于线圈 340中的DC电流的方向，同时爪状转子334被极化为相反的磁极。 爪状转子332和334通过轴20与保持器350 —起旋转。承载爪状转子332的极化磁通量的旋转产生旋转磁场。
磁通量跃过从爪状转子332到电磁感应鼓310的主要空气间 隙。根据本发明的一个实施例的电磁感应鼓310中的磁通量密度如 图4所示。电磁感应鼓310和旋转的爪状转子332和334之间的相 对运动使得在电磁感应鼓310中产生涡电流。根据本发明的一个实 施例的电磁感应鼓310中的涡电流的计算机生成的图像如图5所 示。应该理解，图4和图5仅是为了示例的目的，并且正如对本领 域的普通技术人员来说是显而易见的，公开的真实值可依赖于种种 因素而变化。涡电流反抗造成它们的运动，从而反抗爪状转子332 和334的运动，并且提供使系统减速的阻力矩。磁通量然后从电磁 感应鼓310进入到爪状转子334，从而形成磁通量环，该爪状转子 334的极性与爪状转子332相反。
如图6所示，其中相同的附图标记指示相同的元件，减速器 系统10还可包括连接到减速器200的冷却装置500。电磁感应鼓 310中产生的涡电流将系统的旋转能量耗散为热能，并且同样需要 冷却装置。在一个实施例中，如图3所示，电磁感应鼓310被流体 冷却。导管511将冷却流体从冷却流体供应源(未示出)输送到电 磁感应鼓310。冷却流体流动通过电磁感应鼓310中的通道，在导 管512将流体返回到冷却流体供应源之前吸收多余的热量。因为电 磁感应鼓310是静止的，所以与具有旋转鼓系统的情况相比，与密 封所述系统相关的问题较少。
如图7所示，在本发明的一个实施例中，电池600可电连接 到电磁减速器200。电磁减速器200可用于通过使磁通量反向而在 线圈340中产生电流。这样，当车辆处于正功率状态并且电磁减速 器未启动时，减速器系统10可反向运行，以便产生电流。产生的电流可存储在电池600中，并且可用于驱动车辆系统或部件。
对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的范围或实 质的情况下对本发明的结构、构造、和/或操作作出各种修改和变 化是显而易见的。
权利要求
1. 一种用于具有传动轴的车辆的电磁减速系统，包括电源；电连接到所述电源的线圈；和至少一个可操作地连接到传动轴的爪极转子。
2. —种用于使具有传动轴的车辆减速的电磁减速系统，包括: 交流发电机；电连接到所述交流发电机的整流器；电连接到所述整流器的控制器，所述控制器适用于控制所述 整流器的输出；和可操作地连接到传动轴的电磁减速器。
3. 如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电磁减速器 包括爪极电磁减速器。
4. 一种用于使车辆减速的无电刷电磁减速器，包括 轴；静止地设置在所述轴上的线圈；静止地设置在所述轴上的磁轭，所述磁轭与所述线圈同轴设置；至少一个安装在所述轴上的转子；和电磁感应鼓，与所述轴同轴设置，并且安装成使得围绕所述 线圈、所述磁轭和所述至少一个转子。
5. 如权利要求4所述的无电刷电磁减速器，其特征在于，所 述至少一个转子包括爪极转子。
6. 如权利要求4所述的无电刷电磁减速器，其特征在于，所述至少一个转子包括两个爪极转子。
7. 如权利要求4所述的无电刷电磁减速器，其特征在于，还 包括可操作地连接到所述电磁感应鼓的流体冷却系统。
8. 如权利要求7所述的无电刷电磁减速器，其特征在于，所 述流体冷却系统包括冷却剂供应源；第一导管，将所述冷却剂供应源连接到所述电磁感应鼓，所 述第一导管适用于将来自所述冷却剂供应源的液流提供给所述电 磁感应鼓；和第二导管，将所述电磁感应鼓连接到所述冷却剂供应源，所 述第二导管适用于将来自所述电磁感应鼓的液流提供给所述冷却 剂供应源。
9. 一种爪极电磁减速器，包括 轴；线圈，静止地设置在所述轴上，并具有中空圆柱形形状；磁轭，静止地设置在所述轴上，所述磁轭具有第一圆柱形表 面和第二圆桂形表面，第二圆柱形表面与所述线圈同轴设置；至少一个爪极转子，安装在所述轴上，所述至少一个爪极转 子由磁性半轮形成，所述磁性半轮逐渐变细为爪；和电磁感应鼓，与所述轴同轴设置，并且安装成使得围绕所述 线圈、所述磁轭和所述至少一个转子。
10. 如权利要求9所述的爪极电磁减速器，其特征在于，还包括冷却剂供应源；第一导管，将所述冷却剂供应源连接到所述电磁感应鼓，所 述第一导管适用于将来自所述冷却剂供应源的液流提供给所述电 磁感应鼓；和第二导管，将所述电磁感应鼓连接到所述冷却剂供应源，所 述第二导管适用于将来自所述电磁感应鼓的液流提供给所述冷却剂供应源。
全文摘要
公开了一种电磁减速器系统。在一个实施例中，减速器系统包括轴；线圈，静止地设置在轴上，并且具有中空圆柱形形状；磁轭，静止地设置在轴上，所述磁轭具有第一圆柱形表面和第二圆柱形表面，第二圆柱形表面与所述线圈同轴设置；至少一个爪极转子，安装在轴上，所述至少一个爪极转子由磁性半轮形成，磁性半轮逐渐变细为爪；和电磁感应鼓，与轴同轴设置，并且安装成使得围绕线圈、磁轭和所述至少一个转子。
文档编号H02K49/02GK101421129SQ200480040836
公开日2009年4月29日 申请日期2004年11月23日 优先权日2003年11月24日
发明者史蒂文·N·欧内斯特, 布伦特·N·亚伯拉汉森, 华 白, 约翰·J·莱斯特 申请人:雅各布斯车辆系统公司