CN104638823A

CN104638823A - 变速机电驱动器

Info

Publication number: CN104638823A
Application number: CN201410643894.6A
Authority: CN
Inventors: 乔恩·爱德华·凯恩
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2014-11-11
Publication date: 2015-05-20
Also published as: GB2520285A; US9729033B2; DE102014222932A1; GB201320095D0; US20150130316A1

Abstract

本发明提供了一种用于驱动马达的一个或多个辅助设备的电机(1)，电机(1)包括：配置成被旋转的定子(3)；以及相对于定子(3)可旋转地安装的转子(5)，并且电机(1)的转子(5)的转速取决于供给至电机(1)的电流和定子(3)的转速。

Description

变速机电驱动器

技术领域

本发明涉及一种用于驱动一个或多个辅助设备的电机，具体地但非唯一地，涉及一种包括转子和定子的电机，其中，该定子被配置成旋转且该转子的转速取决于供给至该电机的电流和该定子的转速。

背景技术

诸如内燃发动机的马达被用以驱动主要负载以及由辅助设备施加的一个或多个辅助负载，辅助设备例如为水泵、动力转向泵、真空泵、机油泵、压缩机和交流发电机。这些负载设备通常由马达的曲轴驱动，使得辅助设备的转速与马达速度成正比。这些辅助设备因此必须具有预定的传动装置以便在任意给定马达速度下达到最大负载标准。结果，辅助设备通常比所需地更快地驱动，这导致马达的燃料经济性的降低和/或马达性能的降低。

为避免这些损失，可以以适合马达运行条件的速度驱动辅助设备。例如，当马达起动机电池系统上的负载低时，可以以较低的速度驱动交流发电机，或者当负载高时以较高的速度驱动。通过相似的方式，可根据马达被如何操作或者环境条件来改变马达的冷却剂系统的要求。因此，期望驱动该辅助设备使得它们针对马达的操作要求以适当的能力运行。

众所周知，采用一个或多个独立的电动马达来以可变的速度驱动主驱动马达的辅助设备，使得辅助设备可以以适于其操作要求的速度运行。然而，在一些情况下，由于独立电动马达的发电、存储和马达循环，电动马达驱动辅助设备所需的功率会导致甚至更大的损失。通过比较，直接机械驱动可能更为高效。

以可变速度驱动辅助设备的替代方法为采用诸如齿轮箱的变速驱动器，其通过主驱动马达的输出轴机械驱动并连接至辅助设备。然而，在马达上配置辅助齿轮箱存在固有问题，诸如受限的封装要求、增加的复杂性、降低的整体可靠性及相关成本。此外，标准齿轮箱可能仅提供离散的传动比并因此不能对辅助设备提供完全变速驱动。

本发明旨在解决这些问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种电机，诸如车辆电机，用于驱动例如车辆的主驱动马达的马达上的一个或多个辅助设备。该电机包括配置成被转动的定子。该电机进一步包括相对于定子可旋转地安装的转子。电机的转子的转速取决于供给至该电机的电流和定子的转速。

根据本发明的一个实施例，定子连接至马达的输出轴。

根据本发明的一个实施例，定子形成马达的输出轴的至少一部分。

根据本发明的一个实施例，转子连接至马达的辅助设备。

根据本发明的一个实施例，转子形成辅助设备的驱动元件的至少一部分。

根据本发明的一个实施例，定子由辅助驱动皮带或齿轮联轴器驱动。

根据本发明的一个实施例，转子的转速取决于供给至电机的交流电源的频率以及定子的转速。

根据本发明的一个实施例，交流电源的频率根据辅助设备和/或马达的需求进行调节。

根据本发明的一个实施例，当向电机提供直流电源时转子的转速与定子的转速同步。

根据本发明的一个实施例，当定子的转速大于供给至电机的电流的频率时电机用作发电机。

根据本发明的一个实施例，定子包括一个或多个电绕组且转子包括一个或多个永磁铁，或者，定子包括一个或多个永磁铁且转子包括一个或多个电绕组。

根据本发明的一个实施例，电机还包括配置成将定子和/或转子电连接至电机的电终端的一个或多个电连接器。

根据本发明的一个实施例，还包括可固定至马达的一部分的外壳。

根据本发明的一个实施例，外壳包括辅助设备的至少一部分和/或马达的一部分。

根据本发明的一个实施例，电机至少部分地设置在车辆的马达的外壳内。

根据本发明的一个实施例，转子延伸穿过马达的外壳。

根据本发明的一个实施例，还包括配置成根据辅助设备和/或马达的需求调节供给至电机的电流的控制设备。

根据本发明的第二方面，提供了一种车辆，包括根据本发明第一方面的马达和/或一个或多个电机。

根据本发明的一个实施例，车辆还包括配置成根据一个或多个辅助设备和/或马达的需求调节供给至一个或多个电机的电流的控制设备。

根据本发明的第三方面，提供了一种调节电机的转子的转速的方法，电机用于驱动马达上的一个或多个辅助设备，方法包括：

旋转电机的定子；以及

调节供给至电机的电流以达到转子的期望转速。

根据本发明的一个实施例，方法还包括：

采用控制设备控制供给至电机的电流，其中，控制设备配置成根据一个或多个辅助设备和/或马达的需求调节供给至电机的电流。

根据本发明的又一方面，提供了一种软件，软件在由计算装置执行时引起计算装置执行根据本发明第三方面所述的方法。

定子和转子可安装在电机的外壳中的轴承上。该外壳可固定在马达和/或车辆的一部分上。该外壳可固定至车辆的马达、车辆的子框架或车辆的任意合适部分。该外壳可至少部分地形成辅助设备的一部分、马达的一部分和/或车辆的一部分。

该定子可连接(例如，可旋转地连接)至马达的输出轴。该定子可由辅助驱动皮带、齿轮联轴器或任何其它合适的方式驱动，诸如直接连接至马达的输出轴。该定子可至少部分地形成马达的输出轴的输出元件。该定子可被连续地旋转。

该转子可连接(例如，可旋转地连接)至马达的辅助设备。该转子可至少部分地形成辅助设备的驱动元件。该转子可延伸穿过马达的外壳用于驱动马达内部的一个或多个设备，该设备例如为水泵、机油泵和/或交流发电机。该转子可设置在马达的外壳内用于驱动马达内部的一个或多个设备，该设备例如为水泵、机油泵和/或交流发电机。该转子可至少构成位于马达内部的该设备的一部分。例如，该转子可构成水泵和/或机油泵的转子。该转子可包括配置成以流体(例如，水或机油)工作的叶片。

转子的转速可取决于供给至电机的交流电源的频率及定子的转速。交流电源的频率可根据需求进行调节，例如辅助设备和/或马达的速度需求。

转子的转速可在提供直流电源至电机时与定子的转速同步。

定子和转子可配置成绕着相同轴转动。该转子和定子可配置成相对彼此沿相同方向和/或相反的方向旋转。电机可在定子的转速大于供给至电机的电流的频率时用作发电机。通过这种方式，将通过电机产生能量。

电机可进一步包括控制设备，其配置成根据辅助设备和/或马达的需求调节供给至电机的电流和/或电压。例如，该控制设备可配置成调节供给的电流和/或电压的频率。

电机可配置成使得该定子包括一个或多个电绕组且该转子包括一个或多个永磁铁。该电机可配置成使得该定子包括永磁铁且转子包括一个或多个电绕组。电机的定子和转子可以相似方式配置成变速电动马达，例如该转子和定子可各自包括一个或多个电绕组。在另一实例中，该转子可包括一个或多个电绕组且定子可包括感应鼠笼。在另一实例中，该定子可包括一个或多个电绕组且转子可包括感应鼠笼。

电机可进一步包括一个或多个电连接器，其配置成将旋转的定子和/或旋转的转子电连接至电机的电终端。例如，电连接器可将电终端连接至转子和/或定子，从而在电机的旋转部件与电机的静止部件之间转移电信号和/或电功率。电连接器可包括滑环或任何其它合适的电连接器。

电机可至少部分地设置在马达的外壳内。定子可连接(例如，可旋转地连接)至马达内部的一个或多个部件。该定子可例如通过内链、皮带或齿轮组连接至马达的可旋转轴，或者可固定至或整合于马达的旋转轴。

根据本发明的另一方面，提供了一种诸如车辆电机的电机，用于驱动马达上的一个或多个辅助设备，例如车辆的主驱动马达。电机包括配置成被旋转的转子。该电机进一步包括相对于转子旋转安装的定子。电机的定子的转速取决于供给至电机的电流和转子的转速。

该转子和定子可安装在电机的外壳中的轴承上。该外壳可固定至马达和/或车辆的一部分。该外壳可固定至车辆的马达、车辆的子框架或车辆的任何其它合适的部分。该外壳可至少部分地形成辅助设备的一部分、马达的一部分和/或车辆的一部分。

该转子可连接(例如，可旋转地连接)至车辆的马达的输出轴。该转子可由辅助驱动皮带、齿轮联轴器或任何其它合适的方式驱动，诸如直接连接至马达的输出轴。该转子可至少部分地形成马达的输出轴的输出元件。该转子可被连续地旋转。

定子可连接(例如，可旋转地连接)至马达的辅助设备。该定子可至少部分地形成辅助设备的驱动元件。该定子可延伸穿过马达的外壳。该定子可设置在马达的外壳内用于驱动马达内部的一个或多个设备，例如水泵、机油泵和/或交流发电机。定子可构成马达内部的设备的至少一部分。例如，定子可包括水泵和/或机油泵的转子。定子可包括配置成以流体(例如，水或机油)工作的叶片。

定子的转速可取决于供给至电机的交流电源的频率及转子的转速。交流电源的频率可根据需求进行调节，例如辅助设备和/或马达的速度需求。

定子的转速可在提供直流电源至电机时与转子的转速同步。

该定子和转子可配置成绕着相同轴旋转。该定子和转子可配置成相对彼此沿着相同和/或相反的方向旋转。电机可在转子的转速大于供给至电机的电流的频率时用作发电机。通过这种方式，将由电机产生能量。

电机可配置成使得转子包括一个或多个电绕组且定子包括一个或多个永磁铁。该电机可配置成使得转子包括永磁铁且定子包括一个或多个电绕组。电机的转子和定子可以相似方式配置到变速电动马达，例如定子和转子可各自包括一个或多个电绕组。在另一实例中，定子可包括一个或多个电绕组且转子可包括感应鼠笼。在另一实例中，转子可包括一个或多个电绕组且定子可包括感应鼠笼。

电机可进一步包括一个或多个电连机器，其配置成将旋转的转子和/或旋转的定子电连接至电机的电终端。例如，电连机器可将电终端连接至转子和/或定子，从而在电机的旋转部件与电机的静止部件之间转移电信号和/或电功率。该电连机器可包括滑环或任何其它合适的电连机器。

该电机可至少部分地设置在马达的外壳内。该转子可连接(例如，可旋转地连接)至马达内部的一个或多个部件。

该转子可例如通过内链、皮带或齿轮组连接至马达的可旋转轴，或者可固定至或整合于马达的输出轴。车辆可包括根据本发明的马达和/或一个或多个电机。每个电机可被连接至不同的辅助设备。

该车辆可进一步包括控制设备，其配置成根据一个或多个辅助设备和/或马达的需求调节供给至一个或多个电机的电流和/或电压。

根据本发明的另一方面提供了一种调节电机的转子的转速以用于驱动马达的一个或多个辅助设备的方法。该方法包括：旋转电机的定子；以及调节供给至电机的电流和/或电压以达到转子的期望转速。

该方法可进一步包括：采用控制设备控制供给至电机的电流。该控制设备可配置成根据一个或多个辅助设备和/或马达的需求调节供给至电机的电流。

本发明还提供了一种软件，诸如用于执行本文所述任一方法的计算机程序或计算机程序产品，以及储存有用于执行本文所述的任何方法的程序的计算机可读介质。实施本发明的计算机程序可储存在计算机可读介质上，或者其可能是信号形式，诸如由互联网提供的可下载数据信号，或者其可能为任何其它形式。

附图说明

为了更好地理解本发明并更清楚地示出可如何将其付诸实践，现通过实例参考附图，其中：

图1示出了穿过用于驱动车辆上的一个或多个辅助设备的电机的轴向截面；

图2A示出了穿过具有与定子的旋转同步的转子的电机的径向截面；

图2B示出了穿过具有与定子沿相同方向转动的转子的电机的径向截面；

图2C示出了穿过具有与定子沿相反方向转动的转子的电机的径向截面；

图2D示出了具有不转动的定子和转动的转子的电机的径向截面；以及

图3示出了用于驱动车辆上的一个或多个辅助设备的电机的立体图。

具体实施方式

图1至图3示出了用于驱动车辆上的一个或多个辅助设备的电机1。电机1包括配置成被旋转的定子3。电机1还包括相对于定子3可旋转地安装的转子5，其中，电机1的转子5的转速取决于向电机1供给的电流和定子3的转速。

根据本发明的一个或多个电机1可安装在车辆上用于驱动诸如水泵、交流发电机或压缩机等的辅助设备。然而，可以想到，在替代实施例中，电机1可被用以驱动任意包括马达的系统上的一个或多个辅助设备。例如，电机1可被用以驱动发电系统上的一个或多个辅助设备。

在图1至图3所示的实例中，定子3和转子5被支撑在安装于外壳7中的轴承上。外壳7可例如固定至车辆的马达、车辆的子框架或车辆的任意其它合适的安装点，使得该外壳不可旋转。转子5相对于定子3同心安装，使得定子3和转子5能绕着相同轴旋转。

电机1的定子3可连接至车辆的马达的输出轴。该输出轴可配置成借助连接而驱动定子3，使得定子3的转速与输出轴的转速成比例。在图1至图3中所示的实例中，定子3由连接至马达的输出轴的辅助驱动皮带8可旋转地驱动。然而，定子3可通过齿轮联轴器、粘性联轴器、磁力联轴器或任何其他合适类型的联轴器驱动。

电机1的转子5可配置成驱动辅助设备。转子5可直接连接至辅助设备，例如，电机1的转子5可至少部分地形成辅助设备的驱动轴。可选地，电机1的转子5可通过齿轮联轴器、粘性联轴器、磁力联轴器或任何其他合适类型的联轴器连接至辅助设备。

电机1可配置成作为电动马达进行操作，例如，同步电动马达、异步电动马达或能够实现速度控制的任何类型的电动马达。该电机1可配置成使得转子5包括一个或多个电绕组9且定子3包括一个或多个永磁铁11。可选地，定子3可包括一个或多个电绕组9且转子5包括一个或多个永磁铁11。该绕组可为以三角形结构或Y形结构的三相绕组并可被供给频率变化的交流(AC)供给电流。

在图1至图3中所示的实例中，电机1包括同步电动马达，其中，定子3包括两级永磁铁且转子5包括三个电绕组。然而，转子3和定子5可包括任何合适数目的电绕组9和永磁铁11。

对于常规的同步马达而言，AC供给电流的频率将决定转子5的转速，使得转子5的转速与AC供给电流的频率成比例。AC供给电流的频率可根据转子5的期望转速选择。此外，当转子连接至辅助设备时，AC供给电流的频率可根据辅助设备的需求进行改变。可选地，可以为电机供给直流(DC)供给电流。

电机1可在定子中包括多组永磁铁11，以便供给电流的频率与转子5的转速的比值可根据期望应用进行选择。

在图1至图3所示的实例中，电绕组9被固定至转子5，由此电绕组9随着转子5转动。电机1包括电连接器13，其配置成将转子5的电绕组9电连接至电机1的电终端15。电连接器13可为滑环式电连接器或者可为允许将从电机1的静止部分传输来的电力和/或电信号的转移至电机1的旋转部分的任何其它类型的合适的连接器。

根据本发明的电机1的配置使得转子5的转速为定子3的转速和供给电流的频率的函数，其中，定子3由马达的输出轴机械地驱动，供给电流被供给至转子5的电绕组9用于使转子5相对于定子3旋转。本发明可因此被用以根据车辆的辅助设备和/或马达的需求通过调节供给至电机1的电流的频率而相对于输出轴的转速调节转子5的转速。通过这种方式，电机1可针对给定的操作条件以适当的速度驱动一个或多个辅助设备。

电机可进一步包括控制设备，其配置成根据车辆的辅助设备和/或马达的需求调节供给至电机的电流。例如，电机1可配置成驱动车辆的增压设备(诸如机械增压器)。该控制设备可配置成确定该机械增压器是否以高于所需增压压力的状态运行并因此调节供给至该机械增压器的电流。另外地和/或可选地，该车辆可包括一个或多个控制设备，其中，该车辆的控制设备至少部分地配置成调节供给至电机1中的一个或多个的电流。

本发明提供了一种调节电机1的转子5的转速以用于驱动车辆上的一个或多个辅助设备的方法。该方法包括旋转该电机1的定子3并调节供给至电机1的电流以获得转子5的期望转速。通过这种方式，转子的转速可针对运行需求进行选择以用于以恰当的速度驱动一个或多个辅助设备。

该方法可进一步包括采用如上所述的控制设备来控制供给至电机1的电流。

示例性操作模式

在第一实例中，例如，当车辆静止且马达怠速时，该马达的输出轴以10Hz(600rpm)旋转。定子3通过辅助驱动皮带8被机械地连接至该马达的输出轴。输出轴与定子3之间的传动比为1:1。因此，定子3同样以10Hz(600rpm)旋转。然而，可以想到，定子3的转速可以不同于马达的输出轴的转速。参照图2A，如果DC供给电流被供给至绕组A以便绕组A1为磁北且绕组A2为磁南，且无供给电流被供给至绕组B和绕组C，则转子5的角定向可相对于定子3固定。因此，转子5以与定子3相同的转速转动，即10Hz(600rpm)。在该第一实例中，车辆的马达提供功率来驱动辅助设备，并且，对于因辅助设备的负载而施加至转子5的给定阻力矩，DC供给电流的大小足以使转子5的角定向相对于定子3固定。通过这种方式，在向电机1供给DC供给电流时，转子5的转速与定子3的转速同步。

在第二实例中，马达的输出轴和定子3如上所述以10Hz(600rpm)旋转。参照图2B，如果具有10Hz(600rpm)的频率的三相AC供给电流被供给至电绕组9，使得在该电循环的一个实例中，绕组B1为磁北且绕组B2为磁南，则在电绕组9中感应的相应磁场起作用来将绕组B1和B2与永磁铁11的相应的磁极对齐。通过这种方式，由于三相AC供给电流围绕着电绕组9循环，所以电绕组9不断地与永磁铁11对齐，且转子5比定子3转动得更快。在该第二实例中，转子5的转速为定子3的转速及供给至电绕组9的AC供给电流的频率的函数。实际上，转子的转速是这两个速度之和，即20Hz(1200rpm)，其中，车辆的马达提供驱动辅助设备所需的功率的一半，电机1提供另一半。

在第三实例中，马达的输出轴和定子3如上所述以10Hz(600rpm)旋转。参照图2C，当具有-5Hz(-300rpm)的频率的三相AC供给电流被供给至电绕组9时，转子5沿与定子3相反的方向旋转。在该电循环的一个实例中，绕组C1是磁南且绕组C2是磁北，且在电绕组9中产生的相应磁场起作用来将电绕组9与永磁铁11的相应的磁极对齐。通过这种方式，当三相AC供给电流围绕着电绕组9循环时，电绕组9沿与第二实例中的描述相反的方向不断地与永磁铁11对齐。在该第三实例中，转子5的转速为定子3的转速和供给至电绕组9的AC供给电流的频率的函数。实际上，转子的转速为这两个速度之和，即5Hz(300rpm)。在这种情况下，电机的转子5比定子3转动得慢。在这种操作模式中，电机1用作发电机且能够使原本将损失的能量返回到车辆的电系统中。

由于辅助设备通常以高于所需运行速度的状态运行以便在给定马达速度下达到最大负载标准，第三种示例性操作模式可为主要操作模式，因为期望驱动该辅助设备使得它们对于车辆的操作需求以适当的能力运行，从而最大化马达性能及车辆的整体燃料经济性。

第三操作模式尤其可在混合动力车辆和电动车辆中使用，其中，电机1可用作发电机来为车辆的电池系统充电。

如图2D中的第四实例所示，马达的输出轴和定子3并不旋转，例如当车辆的马达关闭时。在这种情形下，电机1可用作标准同步马达，且三相AC供给电流可被供给至电设备用于驱动该辅助设备。这种操作模式在需要采用一个或多个辅助设备而同时马达关闭时尤其有用。例如，一旦马达被关闭，可能期望维持水泵和/或空调压缩机的功能。

Claims

1.一种电机，所述电机用于驱动马达的一个或多个辅助设备，所述电机包括：

配置成被旋转的定子；以及

相对于所述定子可旋转地安装的转子，所述电机的所述转子的转速取决于供给至所述电机的电流和所述定子的转速。

2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述定子连接至所述马达的输出轴。

3.根据权利要求2所述的电机，其中，所述定子形成所述马达的所述输出轴的至少一部分。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述转子连接至所述马达的所述辅助设备。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述转子形成所述辅助设备的驱动元件的至少一部分。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述定子由辅助驱动皮带或齿轮联轴器驱动。

7.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述转子的转速取决于供给至所述电机的交流电源的频率以及所述定子的转速。

8.根据权利要求7所述的电机，其中，所述交流电源的频率根据所述辅助设备和/或所述马达的需求进行调节。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，当向所述电机提供直流电源时所述转子的转速与所述定子的转速同步。

10.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，当所述定子的转速大于供给至所述电机的电流的频率时所述电机用作发电机。

11.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述定子包括一个或多个电绕组且所述转子包括一个或多个永磁铁，或者，所述定子包括所述一个或多个永磁铁且所述转子包括所述一个或多个电绕组。

12.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述电机还包括配置成将所述定子和/或所述转子电连接至所述电机的电终端的一个或多个电连接器。

13.根据前述权利要求中任一项所述的电机，还包括可固定至所述马达的一部分的外壳。

14.根据权利要求13所述的电机，其中，所述外壳包括所述辅助设备的至少一部分和/或所述马达的所述一部分。

15.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述电机至少部分地设置在所述车辆的所述马达的外壳内。

16.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述转子延伸穿过所述马达的所述外壳。

17.根据前述权利要求中任一项所述的电机，还包括配置成根据所述辅助设备和/或所述马达的需求调节供给至所述电机的电流的控制设备。

18.一种车辆，包括权利要求1至17中所述的马达和/或一个或多个电机。

19.根据权利要求18所述的车辆，其中，所述车辆还包括配置成根据所述一个或多个辅助设备和/或所述马达的需求调节供给至所述一个或多个电机的电流的控制设备。

20.一种调节电机的转子的转速的方法，所述电机用于驱动马达上的一个或多个辅助设备，所述方法包括：

旋转所述电机的定子；以及

调节供给至所述电机的电流以达到所述转子的期望转速。

21.根据权利要求20所述的方法，所述方法还包括：

采用控制设备控制供给至所述电机的电流，其中，所述控制设备配置成根据所述一个或多个辅助设备和/或所述马达的需求调节供给至所述电机的电流。

22.一种软件，所述软件在由计算装置执行时引起所述计算装置执行根据权利要求20或21所述的方法。

23.一种参照附图在本文中描述并如所述附图中所示的电机。

24.一种参照附图在本文中描述并如所述附图中所示的方法。