CN102448820B - 结合了线性马达充电的电动车辆的输送系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于使车辆沿道路移动的系统和方法。所述系统包括具有多相绕组的至少一个动力部分。结构上，绕组嵌入道路内以与安装在车辆上的磁体系统相互作用。通过这种相互作用，在道路和车辆之间建立线性同步马达(LSM)，以驱动车辆沿道路移动。此外，车辆包括用于在一开始就同步多相绕组的波形速度和车辆的速度的机构。而且，车辆能够选择性地建立LSM，以在需要时使用。

Description

结合了线性马达充电的电动车辆的输送系统
技术领域
本发明一般地涉及用于驱动全电动车辆。尤其是，本发明涉及包括嵌入在道路中以由线性同步马达(LSM)推进车辆的绕组的系统。本发明尤其，但并非排他地用作当给已经移动的电动车辆提供驱动力的系统。
背景技术
众所周知的是，电动马达与发电机可以分别用于将电能转换为机械能和将机械能转换为电能。基本上，马达和发电机的运行都基于相关的物理原理。他们两者还包括相似的运行结构，即：导体、磁场和电流。一方面，对于马达(电能到机械能的转换)，导体位于磁场中，并且电流流过该导体。从而，磁场将力作用于该导体上。该力于是被机械地从该导体传输来工作(例如在车辆上旋转车轮)。另一方面，对于发电机(机械能到电能的转换)，导体物理地在磁场中移动。移动的结果是在导体中产生或感应电流。该感应电流然后被储存(例如再充电电池)。
线性同步马达(LSM)是一种特殊类型的电动马达，其中导体(例如三相绕组)以基本上线性结构布置。磁场然后沿着基本上与导体(绕组)的布局平行的路径移动。获得的力因此被施加以在沿着导体(绕组)的方向上移动车辆。
在其结构上，LSM显著地不同于更常规的具有相互作用的磁场和导体的电动马达。典型地，但不是必要地，在常规布置中的磁场保持静态，同时导体在磁场中旋转。尽管它们具有明显的构造差异，但是在全部其他重要的方面，线性同步马达的基础物理学和常规电动马达本质上相同。
对于许多应用，并且因为许多不同的理由，电动装置(即电动马达)可以优于其他类型的马达(例如矿物燃料内燃机)。尤其是，越来越多的陆地车辆装备了电动装置。例如，许多汽车制造厂提供电池供电的汽车。LSM也正越来越多地考虑用于在铁路线延长部分上运行的火车的推进单元。然而，将线性同步马达作为车辆的推进单元的一个重要考虑是它将车辆的行进有效地局限在已经预先放置了线性同步马达的固定构件(例如导体/绕组)的道路。然而，在某些应用中，可能需要避免这样的限制以有利于更灵活的行进轨迹。倘若如此，能量消耗要求将成为关注的问题。
鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种系统，该系统利用LSM来推进可以交替地由电池供电的电动马达推进的全电动车辆。本发明的另一个目的是提供一种LSM车辆推进系统，该系统一开始就同步多相绕组的波形速度与车辆的速度。本发明的又一个目的是提供一种全电动车辆推进系统，该系统易于使用、制造相对简单且性价比较高。
发明内容
根据本发明的LSM推进系统使全电动车辆沿道路移动。结构上，该系统包括具有嵌入道路内的多相绕组的至少一个动力部分。重要地，多相绕组与安装在车辆上的磁体系统相互作用，以在其间建立用于使车辆沿道路移动的线性同步马达(LSM)。
为了推进，该系统使车辆能够在一开始就同步多相绕组的波形速度与车辆的速度。此外，由于车辆可以在非LSM推进驱动下工作，因此该系统在车辆上设有开关，以选择性地建立LSM。
作为本发明的意图，车辆的非LSM推进驱动包括当车辆由LSM推进时能够用作发电机的马达。在马达模式下，车辆使用马达/发电机作为它的推进单元利用来自电池的电能来旋转车辆的车轮以进行推进。优选地，马达是同步永磁马达，其能够在大约每分钟1200转时产生大约125马力。或者，当车辆由线性同步马达推进时，马达/发电机可以在它的发电机模式下运行。在这种模式下，车辆旋转的车轮与马达/发电机相互作用来对电池再充电。
为了建立线性同步马达，车辆具有能够选择性地展开的车载磁体阵列。当展开时，磁体阵列邻近车辆行驶的道路定位，之间具有大约5厘米的空隙。这然后允许磁体的磁场与嵌入道路中的外部电源(动力)部分相互作用。为了线性同步马达的运行，线性同步马达的动力部分优选包括通过绕组的由外部电源提供电流的三相绕组。在这一点上，应注意的是，三相绕组只不过是示范性的。本领域技术人员可以理解，如果需要，能够使用不同的多相绕组。
在结构上，电动马达/发电机、电池(例如超级电容器)和用于使马达/发电机在马达模式或发电机模式下交替运行的系统控制装置全部安装在车辆的底盘上。另外，如前面所述，车辆还装备有磁体系统，其安装在底盘上以在缩回结构和展开结构之间移动。对于本发明，当磁体系统处于缩回结构时，车辆在上面公开的马达模式下运行。另一方面，当磁体阵列展开时，线性同步马达作为车辆的推进单元，并且马达发电机对电池再充电。
更详细地，磁体系统优选包括安装在支撑件上的永磁体的Halbach型阵列。另外，该支撑件优选地是背铁。重要的是，该Halbach型阵列(永磁体)被设置为建立与动力部分的三相绕组中的电流相互作用的磁场。优选地，线性同步马达以大约15赫兹运行并且绕组产生线性同步马达场，其具有沿着动力部分大约每小时15英里的波形速度。本领域技术人员应会理解，线性同步马达以15赫兹和每小时15英里的波形速度运行是示例性的。如果需要，能够使用相应地不同的线性同步马达频率和波形速度。另外，车辆的动力系统包括连接在车轮和电动马达之间的差动装置，该差动装置具有大约10.9比1的齿轮传动比。另外，可变频率逆变器-整流器连接在电动马达和电池之间，用于当马达/发电机在发电机模式下运行时利用直流电压给电池充电，并且用于在马达模式下运行时提供交流电压来给电动马达供电。
附图说明
关于结构和运行，本发明的新颖特征，以及发明本身，根据附图并结合说明书会得到更好的理解，其中相似的附图标记指代相似的部分，并且其中：
图1是根据本发明的全电动车辆的透视图，其中示出的车辆朝着嵌入到车辆行驶的道路内的动力部分行驶；
图2是本发明用于全电动车辆的电气系统的框图；
图3A是器磁体阵列处于缩回结构的全电动车辆的侧视图，并且如沿着图1中的线3-3看到的那样以剖面示出磁体阵列；
图3B是如图3A中所示的其中磁体阵列处于展开结构的车辆的视图；
图4是如沿着图1中的线3-3看到的那样的磁体阵列的一部分和动力部分的一部分的代表性横截面视图；
图5是动力部分的俯视图；以及
图6是沿图5中的线6-6截取的动力部分的剖视图。
具体实施方式
首先参考图1，示出了车辆移动系统并标记为10。在图1中，全电动车辆11被示出为轮式车辆，其典型地具有多个车轮，但是必须具有至少一个车轮12。本领域技术人员可以理解的是，车辆10本质上可以是现有技术中任何种类的轮式陆地车辆。图中示出的车辆(牵引车)11只是示范性的。图1还示出磁体系统14基本上如图所示地安装在车辆11上，并且车辆11带有至少一个电池16。为了本发明的目的，电池16优选地包括具有大约8兆焦耳电能容量的超级电容器。注意：实际上车辆11上可以装有多个电池16。图1还示出了其行驶时间的至少一部分，预计车辆11沿着道路18行驶，道路18包括优选嵌入其中的动力部分20。更具体地，动力部分20包括三相绕组22，其接收来自外部电源(未示出)的电流。
现在参考图2，示出了用于车辆11的部件的示意性框图，其中部件布置在车辆11的底盘24上。在这种布置中，车辆11的车轮12通过轮轴28连接到差动器26。接着，差动器26直接连到马达/发电机30。为了本发明的目的，差动器26优选地具有10.9比1左右的齿轮传动比，并且马达/发电机30优选地包括永磁马达，其在每小时15英里的速度时以大约每分钟1445转运行。图2还示出了马达/发电机30通过交流线路34连接到逆变器-整流器32，并且电池(超级电容器)16通过直流线路36连接到逆变器-整流器32。进一步地，图2通过虚线38表示，车辆11车载的控制系统40可用于交替操纵逆变器-整流器32，从而致使马达/发电机30在马达模式或者在发电机模式下运行。
为了在马达模式下运行马达/发电机30，控制系统40用来指示逆变器-整流器32将来自电池16的直流电压转换为交流电压，以使马达/发电机30作为马达运行。于是，马达/发电机30提供功率来旋转车轮12。因而，当马达/发电机30在马达模式下运行时，其作为车辆11的推进单元。或者，为了使马达/发电机30在发电机模式下运行，逆变器—整流器32由控制系统40控制，以将来自马达/发电机30的交流电压转换成直流电压，用于对电池16再充电。在该发电机模式下，车轮12的转动引起马达/发电机30产生交流电压，其由逆变器-整流器32转换为直流电压以对电池16再充电。
如上所述，车辆11交替地使用两种不同的推进单元。如上面公开的，当马达/发电机30在其马达模式下运行时，建立一个推进单元。另一推进单元是线性同步马达(LSM)。因而，本发明的一个重要的方面涉及线性同步马达(LSM)如何被建立作为车辆11的推进单元。参照图3A和3B能够更好地理解这是如何完成的。
在图3A中，示出磁体系统14处于缩回结构，其中磁体系统14有效地离开道路18。图3A还示出了磁体系统14包括永磁体42，其安装在可作为永磁体42的背铁的支撑件44上。另外，可以看到磁体系统14包括多个离开地面的车轮，其中离开地面的车轮46是示范性的。在图3B中，示出磁体系统14的展开结构，其中磁体系统14朝着道路18展开(即降低)，直到离开地面的车轮46与道路18接触。随着这种接触，磁体系统14的永磁体42与道路18的表面相距距离48。优选地，该距离48是大约5厘米。为了本发明的目的，磁体系统14可以是现有技术中公知的任何类型的磁体，比如图4中示出的Halbach型阵列。在任何情况下，如图4中所示出，当磁体系统14已经展开使得其足够靠近三相绕组22时，永磁体42的磁场从而直接与三相绕组22的电场相互作用。这种相互作用然后提供车辆11的推进力。在这种线性同步马达的布置中，三相绕组22优选以大约15Hz运转，来产生大约每小时15英里的波形速度(即车辆11的速度)。
在它的运行中，车辆11可以通过选择性地使用两个推进单元中的其中任何一个沿着道路18行驶。然而，该选择取决于是否车辆11行驶在嵌入的动力部分20上。具体地，当车辆11行驶在动力部分20上时，能够在车辆11的磁体系统14和嵌入道路18中的三相绕组22之间建立线性同步马达推进单元。当车辆11接近动力部分20时使磁体系统14下降为展开结构(看图3B)来实现这一点。通过使车辆11的速度基本上与波形的速度(例如每小时15英里)对应来完成磁体系统14的磁场与三相绕组22的电波的契合。一旦建立，该线性同步马达就可以随后有效地用作车辆11的推进单元。
重要的是，对于本发明的目的，当车辆11正由线性同步马达在道路18上的动力部分20上推进时，电池16可以被再充电。具体地，当车辆11在线性同步马达的影响下沿着道路18向前移动时，车轮12通过与道路18的接触而旋转。车轮12的这种转动用于利用马达/发电机30产生交流电压(即马达/发电机30处于它的发电机模式)。交流电压然后被逆变器-整流器32变为直流电压，用于对电池16再充电。
当车辆11没有行驶在动力部分20上，因此不再能利用它的磁体系统14建立线性同步马达时，磁体系统14升高到它的缩回结构(看图3A)。在这种情况下，车辆11用电动马达作为它的另一个推进单元来运行。具体地，随着马达/发电机30现在由控制系统40指示以马达模式运行，电池16的电力通过逆变器-整流器32而到达马达/发电机30，来运行马达/发电机30作为马达(即马达/发电机30处于它的马达模式)。因而，马达/发电机30作为推进单元来旋转车轮12用于车辆11的推进。
现在参见图5，图中更详细地示出了动力部分20的结构。通过举例，在图5中，动力部分20包括三相绕组22。如图所示，绕组22提供推进电流以驱动车辆11移动(在图1中示出)。此外，绕组22连接到线性同步马达(LSM)的控制器50。更具体地，LSM控制器50用来使车辆11沿箭头51的方向以本领域熟知的方式移动。由于LSM控制器50和绕组22之间的连接使得能够实现车辆11的这种推进。对于本发明的系统10，LSM控制器50利用来自信号处理器52的输入进行工作。在图5中，通过信号处理器52和LSM控制器50之间的线路54来实现这种互连。
通过对照图5和图4可以知道，由于磁体系统14内的磁体42的布置使得磁场的取向(即场矢量)沿车辆11旋转。还可以知道，在页面所在平面内，磁场的垂直分量沿车辆11正弦地变化。图4示出了这种正弦变化的波长λ。
对于系统10，可使用多种构型来建立沿车辆11的磁场的一个或多个波长λ。例如，可以适当地布置4个、8个、12个、16个或4的某些其它倍数个磁体42，以沿车辆11建立具有通过一个波长λ正弦变化的垂直分量的磁场。另外，可以想象单个带状磁性材料，该磁性材料被磁化，以沿车辆11形成正弦变化的磁场的一个波长λ。替代地，可以通过使用非永久磁体(例如通电线圈)来沿车辆11建立正弦变化的磁场的一个波长λ。
此外，在图5中，绕组22示出为包括“N”个单独的线圈56且具有波长λ。如图所示，N＝3，并且三个线圈56a、56b、56c在道路18上线性对齐，从而在相邻线圈56之间存在“λ/N”或“λ/3”的相位差。
现在参见图6，可以更清楚地了解动力部分20的结构。如图6中所示，绕组22内的线圈56在转弯部分58内彼此竖向隔开。在道路18内，线圈56彼此平行且设置在平行于道路18的顶表面60的平面内。此外，如图所示，采用钢顶板62来覆盖绕组22。在钢顶板62下方，绕组22被嵌入钢筋混凝土64内。
虽然如本文所详细示出和公开的特定的“结合了线性马达充电的电动车辆的输送系统”完全能够实现上述目的和提供前述的优点，但应当理解，示出的优选的实施例只是示例性的，并且并不意在对除随附权利要求中所描述的之外的本文所示构造或设计的细节施加任何限制。此外，应当注意的是，虽然插图中描述了具有三个线圈的绕组，但其他多个线圈的使用也是可以想到的。

Claims (20)

1.一种用于使车辆沿道路移动的系统，包括：
至少一个动力部分，所述至少一个动力部分具有多相绕组，所述多相绕组嵌入道路内以与安装在所述车辆上的磁体系统相互作用，从而在所述多相绕组和所述磁体系统之间建立用于使所述车辆沿所述道路移动的线性同步马达LSM；
所述车辆上的用于在一开始就同步所述多相绕组的波形速度与所述车辆的速度的装置；和
所述车辆上的用于通过将所述磁体系统下降为展开结构来配置所述车辆以建立所述LSM并且在当所述车辆的速度与所述波形速度同步时推进所述车辆的装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述波形速度为恒定的。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述波形速度为约15mph。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述LSM以约15Hz工作。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述多相绕组结合了三相。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括覆盖所述动力部分的不锈钢顶板。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述绕组嵌入钢筋混凝土内。
8.一种用于使包含磁体系统的车辆沿道路移动的系统，包括：
至少一个动力部分，所述至少一个动力部分具有多相绕组，所述多相绕组嵌入所述道路内以与所述磁体系统相互作用，从而在所述多相绕组和所述磁体系统之间建立用于使所述车辆沿所述道路移动的线性同步马达LSM；
所述车辆上的用于在一开始就同步所述多相绕组的波形速度与所述车辆的速度的装置；和
所述车辆上的用于通过将所述磁体系统下降为展开结构来配置所述车辆以建立所述LSM并且在当所述车辆的速度与所述波形速度同步时推进所述车辆的装置。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述波形速度为恒定的。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述波形速度为约15mph。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述LSM以约15Hz工作。
12.根据权利要求8所述的系统，其中所述多相绕组结合了三相。
13.根据权利要求8所述的系统，还包括覆盖所述动力部分的不锈钢顶板。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述绕组嵌入钢筋混凝土内。
15.一种用于使包含磁体系统的车辆沿道路移动的方法，所述方法包括以下步骤：
将具有多相绕组的至少一个动力部分嵌入所述道路内；
使所述动力部分与所述磁体系统相互作用，以在所述动力部分和所述磁体系统之间建立线性同步马达LSM，以使所述车辆沿所述道路移动；
在一开始就同步所述多相绕组的波形速度与所述车辆的速度；以及
通过将所述磁体系统下降为展开结构来配置所述车辆以建立所述LSM并且在当所述车辆的速度与所述波形速度同步时推进所述车辆。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述波形速度为恒定的。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述波形速度为约15mph。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述LSM以约15Hz工作。
19.根据权利要求15所述的方法，还包括用不锈钢顶板覆盖所述动力部分的步骤。
20.根据权利要求19所述的方法，其中嵌入步骤包括将所述绕组嵌入所述道路内的钢筋混凝土中。
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