CN105637739A - 超通量飞轮马达系统 - Google Patents

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CN105637739A CN201480055398.7A CN201480055398A CN105637739A CN 105637739 A CN105637739 A CN 105637739A CN 201480055398 A CN201480055398 A CN 201480055398A CN 105637739 A CN105637739 A CN 105637739A
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Abstract

一种超通量飞轮马达系统包括转子组件和联接到所述转子组件的多个永磁体。定子组件被可旋转地联接到转子组件并且具有芯部、从所述芯部径向延伸的多个齿、以及一个或多个绕组，每个绕组包括缠绕在齿上以与永磁体相互作用的线圈。飞轮壳体容纳有飞轮，所述飞轮壳体包括框架、以及一个或多个常平架。所述飞轮设置成邻近于所述定子和所述转子组件，所述飞轮响应于所述转子组件的旋转，以围绕旋转轴旋转并经由一个或多个常平架进动。

Description

超通量飞轮马达系统
要求优先权
本申请要求2013年8月7日提交的美国临时专利申请号no.61/863,210的权益。
技术领域
本发明的实施方式总体涉及运输车辆，并且更具体地涉及车辆功率平衡和稳定系统。
背景技术
随着对如混合动力车、电动车和燃料电池车的替代车辆的需求增加，现有技术方案已经成为设计车辆效率的限制因素。例如，电动车利用用于推进的电动马达。一些车辆利用用于稳定目的的陀螺装置。然而，利用电动马达和陀螺装置的车辆增大了用于其电源方案所需要的空间。
附图说明
通过参照以下附图，对本发明的非限制性的且非穷尽的实施方式进行了描述，其中，除非另有说明，在各图中相似的附图标记指代相似的部件。应当理解的是，以下附图可以不按比例绘制。
如下为某些细节和实现方式的描述，其包括对可描绘下文中所描述的一些或所有的实施方式的附图的描绘，以及本文中所呈现的创新性概念的其它潜在的实施方式或实现方式的讨论。将在下文中提供本发明的实施方式的概述，随后参照附图进行更详细地描述，其中：
图1示出了可以包含本发明的实施方式的成直线的两轮车辆；
图2A示出了根据本发明的实施方式的超通量飞轮马达系统；
图2B示出了本发明的实施方式；
图3示出了根据本发明的实施方式的在超通量飞轮马达系统中使用的飞轮；
图4示出了根据本发明的实施方式的在超通量飞轮马达系统中使用的飞轮；
图5示出了根据本发明的实施方式的在超通量飞轮马达系统中使用的飞轮；
图6示出具有外部转子组件的双模式马达；
图7示出根据本发明的实施方式的具有内部转子组件的双模式马达。
具体实施方式
本发明的实施方式描述了利用转子组件、联接至转子组件的多个永磁体、以及定子组件的方法、设备和系统，所述定子组件可旋转地联接至转子组件并且具有芯部、从芯部径向地延伸的多个齿、以及一个或多个绕组，每一绕组包括缠绕在齿上以与多个永磁体相互作用的线圈。包括框架、一个或多个常平架、以及旋转轴的飞轮壳体容纳有飞轮。该飞轮设置成邻近于定子组件和转子组件，响应于所述转子组件的旋转而围绕旋转轴旋转，并且经由一个或多个常平架进动(precess)。
图1示出了可以包括本发明的实施方式的成直线的两轮车辆。在本实施方式中，车辆100包括车辆框架110、包围车辆内部130的车体120以及通道门140，通道门140围绕铰链机构150旋转打开。卧位操作者的座位160可以设置有驱动控制部，所述驱动控制部包括转向单元170、加速器180和制动器190。在本实施方式中，所述驱动控制部以具有方向盘和踏板的常规汽车的熟悉布局而布置。
在本实施方式中，车辆100还分别包括第一驱动轮200和第二驱动轮210。第一驱动轮电动发电机220和第二驱动轮电动发电机250分别通过驱动链240和驱动链230而分别联接到驱动轮200和驱动轮210。如下文中所描述的，所述驱动轮马达可以包括转子和定子。
在本实施方式中，陀螺稳定器通过车辆框架110联接到车辆100。陀螺稳定器可以包括在本实施方式中基本上相同的第一陀螺组件壳体飞轮270a和第二陀螺组件壳体飞轮270b。但是应该理解的是，在其它实施方式中，第一陀螺组件/飞轮和第二陀螺组件/飞轮在尺寸和材料组成上可以不同。
如下文所描述的，借由所述飞轮-马达的直接扭矩密度控制，定子和转子在飞轮马达组件的外圆周的邻近布置实现了通过最佳的加速度和减速度的冗余。
在本实施方式中，车辆100还包括能量储存单元以及驱动轮/飞轮电动发电机220和驱动轮/飞轮电动发电机250(在此可替选地被称为“超通量飞轮马达系统”)，所述能量储存单元具有电池组420、电容器组430、以及与电池组420、电容器组430电连接的电源转换电路。在一个实施方式中，电池组420包括位于沿着车辆框架110分布的多个位置中的蓄电池单元，以便分配重量并适配在车辆的框架内。电池组420可以通过插入到充电站或在停车位或车库处的电力壁式插座(electricalwalloutlet)中来进行充电，或者一个或多个蓄电池单元可进行物理交换以提供新的充电。
车辆100还可以包括控制系统，所述控制系统包括所示出的多个产生电信号的传感器。所述多个传感器可以至少指示车辆100和陀螺稳定器的绝对状态和惯性状态。本示例性的控制系统还包括与多个传感器、驱动轮/飞轮电动发电机、能量储存单元410、加速器180、制动器190和转向单元170电子通信(经由本领域中任何已知的通信装置)的系统控制器440。多个传感器至少包括联接到车辆框架110并提供指示车辆旋转和角度的数据的三轴方位传感器450、联接到车辆框架110并提供指示车辆线性加速度的数据的加速计460、第一驱动轮速度传感器470和第二驱动轮速度传感器480、以及车辆倾斜传感器。
车辆100还包括在本实施方式中所包括的机械支撑机构500(在本文中被称为“起落架”)，当所述陀螺稳定单元不能在停止点(stop)处维持车辆稳定性(无论是由于陀螺稳定单元故障还是由于正常有序关机以节约电力)时，可伸出该机械支撑机构500以支撑车辆100。
图2A示出根据本发明的实施方式的在超通量飞轮马达系统中的一个驱动轮/飞轮电动发电机(例如，驱动轮/飞轮电动发电机250)。图2A示出了控制力矩陀螺仪系统，该控制力矩陀螺仪系统利用无刷的、轴向场永磁体电动马达连同飞轮组件以在两轮前进车辆平台中通过进动以及动能的储存和恢复而实现最佳的自平衡能力。所述超通量飞轮马达系统的概念在下文中进行描述。
本文所使用的控制力矩陀螺仪(controlmomentgyroscope，CMG)描述了包括在支撑常平架组件的壳体中的陀螺仪装置。所述常平架组件包括具有连接至轴的惯性元件(例如，旋转环或圆柱体)的转子。旋转轴承可设置在轴端部的周围，以允许该轴的旋转运动，所述轴可以通过旋转马达而围绕旋转轴旋转。进而，该常平架组件可以通过安装至CMG壳体的第一端的扭矩模块组件而围绕常平架轴旋转。为了使常平架组件作旋转运动，常平架轴承设置在常平架组件和CMG壳体之间。经由本领域中已知的任何功率控制器装置，通过常平架组件可以接收电信号和功率。该CMG还可以包括适合确定常平架组件的旋转速率和位置的任何数目的传感器(例如，编码器、分解器、转速计等)。
该CMG将特定扭矩值赋予安装有该CMG的车辆。本发明的实施方式利用了用于自平衡能力的所述CMG。例如，根据本发明的实施方式的车辆的飞轮可以接收指令以旋转到“悬浮速度”(即，允许图1的车辆100无需起落架的协助而“悬浮”在两个车轮上)。系统控制器可能导致陀螺稳定单元围绕它们的常平架来进动它们的飞轮，以补偿不平衡的静态载荷和动态载荷，同时保持主车辆直立。
利用磁场的传统电动马达将所述场径向地施加在马达的旋转轴中或径向地远离马达的旋转轴施加所述场。其它设计使得所述场沿马达的轴流动，其中转子随着其旋转而切割场线。这样的设计在本文中被称为“轴向场马达”。这些马达允许强得多的磁场，这反过来，以较低速度给马达功率。
典型的无刷马达具有永磁体(永磁体旋转)和固定电枢(例如，磁场绕组)。电子控制器可连续不断地对绕组切换相位以保持马达转向。所述控制器通过使用固态电路(而不是电刷/换向器系统)来执行类似的定时配电。
如上所述，陀螺稳定器通过车辆框架而联接到其主车辆(hostvehicle)。陀螺稳定器可以包括陀螺组件壳体飞轮。但可以理解的是，所述陀螺组件/飞轮可以在尺寸和材料组成上不同。更具体地，陀螺稳定器可以包括飞轮、联接到所述飞轮的飞轮电动发电机、联接到飞轮的常平架、以及具有联接到所述常平架和车辆框架的驱动部的进动马达。
包括在陀螺壳体内的飞轮可具有提供用于进动该陀螺组件以形成所述反扭矩(counter-torque)的进动轴的部分、以及支撑飞轮的轴承壳体，所述反扭矩可以维持主车辆的稳定性。所述陀螺稳定器可以在理论上位于车辆上的任何地方，只要其能联接到车辆框架，以便传递进动马达的反扭矩。例如，在标准条件下，所述陀螺稳定器可以大约定位在主车辆的所期待的竖直和首尾重心(centerofgravity，“CG”)处。
所述电动马达包括定子和以便用于在定子中旋转的转子。定子包括缠绕在定子线棒上的轴向设置(周向间隔)的线圈，并且该转子设有永磁体，以与围绕定子和转子之间的空气的间隙的定子线圈相互作用。
通过所述飞轮马达的直接的扭矩密度控制，定子和转子在飞轮马达组件的外圆周的邻近布置实现了通过最佳的加速度和减速度的冗余。
直接扭矩控制是一种用在可变频率驱动器中以控制所述马达的扭矩(并因此最后的速度)的方法。这包括基于所测量到的所述马达的电压和电流，来计算马达的磁通量和扭矩的估值。直接扭矩密度控制允许控制所述飞轮马达的扭矩承载能力。
通过将外部转子组件集成到常平架壳体中的机械优点巩固了多个部件，从而提高效率并且减少了复杂度。进动(扭矩)马达安装到常平架壳体，进动(扭矩)马达允许飞轮马达围绕常平架轴进动，从而矢量正交迫使两轮前进车辆稳定。
本发明的实施方式还可以包括具有上述转子组件的壳体(例如，成形为圆柱形壳)、多个永磁体以及在轴和转子组件之间的一个或多个径向感应式轴承。如图2B所示，轴254可以作用为内部定子安装杆。环形轴向磁体252和环形轴向磁体253可以被定位在所述轴和转子251周围，并且间隔开给定距离。所述轴向磁体具有相反的磁极(即，磁方向)。如上所述而配置的这些轴向磁体在本文中可以可替选地被称作电动轴承。如上所述的包括被动磁体(passivemagnet)轴承的电动轴承由现有技术中已知的相对直接的制造工艺而制成。
不同于上述的实施方式，对在陀螺仪组件内的飞轮的空间约束限制了固定角速度可以生成的恢复力矩。一旦整个可用空间包络已被填充，增大恢复力矩可以包括飞轮的角速度的增大。对该角速度的限制源自对飞轮马达的速度的限制和对轴承的最大速度和载荷的限制。
图3、图4和图5示出了根据本发明的实施方式的用在超通量飞轮马达系统的一个驱动轮/飞轮电动发电机中的飞轮，所述一个驱动轮/飞轮电动发电机例如为驱动轮/飞轮电动发电机250。这些附图示出了均匀稳定系统(uniformityandstabilizingsystem)，所述均匀稳定系统包括连同平衡飞轮组件一起使用的止推环255。止推环255可包括任何合适的液体或固体材料，从而该止推环破坏、吸收、并抑制包括那些由飞轮中的非均匀性引起的振动。止推环255包括具有至少一个内部腔室的固态环或盒，该内部腔室填充有流体介质。止推环可以与平衡块组合使用。
在一些实施方式中，为了使飞轮产生精确的扭矩量，利用了包括止推环的飞轮，所述止推环包括第二介质，当飞轮围绕旋转轴旋转时所述第二介质被分布在环上。该止推环包括形成在飞轮中的腔室。包括在止推环中的介质可包括固体材料或液体材料。
利用陀螺仪来维持两轮车辆竖直(通过利用飞轮进动来生成反扭矩)的基本概念是已知的(尽管在本说明书中参考了陀螺稳定两轮车辆，但是陀螺稳定的原理还可以用在具有窄的轨道宽度的任何车辆中，从而陀螺稳定用于稳定车辆或用于增强其悬架系统提供的稳定性)；然而，出于多种原因该系统没有变得普及，原因包括缺乏用于车辆的合适的控制系统以在高速公路速度下并且在所有的路况下安全地运行的设计。
由于额外的机械传动系统、功率和燃料(或电池)需求，先前尝试集成飞轮稳定性增加了高复杂度并且因此给车辆增加了重量。此外，飞轮本身所消耗的较多的能量并且从而否定了两轮车辆本身的内在的效率优点。然而，利用电动发电机的电动驱动系统中的改进允许车辆的零排放功率，并提供了当使车辆减速时，使用再生制动原理以回收更大量的能量的能力。这样，与能量储存密度的改进相结合，这允许甚至具有额外的用于陀螺稳定的功率的扩展范围。
控制这些效果的基本方程是公知的并且由方程描述。用于硬磁盘的惯性矩(I)由I＝1/4*m*r2给出，其中，m是磁盘的质量以及r是半径。对于给定车辆的重量和重心(CG)，陀螺稳定器飞轮的尺寸可以设定成使得车辆在停止时车辆的竖直稳定性可以被无限地控制。飞轮的半径、质量和几何形状可以被选择成保持可以适配在车辆框架内的紧凑尺寸，并且仍然能够提供有效的惯性矩I。
使旋转飞轮围绕垂直于飞轮旋转轴的轴进动将形成正交于旋转轴和进动轴的反扭矩。常平架的飞轮组件的有用的反扭矩τ由以下方程给出：τ＝Idisk*ωdisk*ωaxis。飞轮的旋转速度对可用于稳定车辆的有用扭矩τ的量起着相当重要的作用。作为用于所选择的飞轮质量和几何形状的控制方程中仅仅可控的多个变量中的一个变量，飞轮旋转速度可以被控制以补偿所述车辆的不同的静态载荷和载荷分布，从而补偿陀螺稳定器的矫正能力。
在该车辆的控制中使用的其它变量包括：
θVehicle是测量到的从车辆的一侧到另一侧的倾角(以弧度为单位)；
VVehicle是测量到的车辆的在其沿着道路运动时的速度(以米/秒为单位)；
ωdisk是测量到的飞轮的旋转速度(以弧度/秒为单位)；
是测量到的所述飞轮与竖直方向的倾角(以弧度为单位)；
ωaxis是测量到的飞轮的倾斜的旋转速度(以弧度/秒为单位)；
θsteering是测量到的转向输入(以弧度为单位)。
使用输入θVehicle、VVehicle、ωFlywheel、ωaxis、和θSteering，θVehicle可以通过改变ωaxis来控制，其输出正交于的扭矩以便相反地改变θVehicle或增加地改变θVehicle。随着接近90°或弧度，在改变θVehicle中陀螺的效率降低，这因为扭矩输出正交于通过致动ωaxis而控制和θVehicle可以通过使用现代控制系统来完成，现代控制系统包括主要的闭环控制或状态空间和次要的闭环控制或状态空间。因此，在确保θVehicle的优先级是稳定的情况下可以同时做出两个输出和θVehicle。
飞轮几何形状和材料以及进动马达尺寸(其确定陀螺系统的矫正能力)可以取决于例如以下的变量：车辆重量和在预期负载条件下的重心、最大车辆速度、最大转弯速率以及预期的环境条件(如侧风、道路坡度的变化等等)。在一个实施方式中，为了包装和效率目的，陀螺组件的物理尺寸和质量可以尽可能地小。本发明的实施方式还可以被基本上比传统的汽车或卡车(其因此遵守摩托车法律)窄的两轮车辆利用。飞轮质量被选择成当在所需的速度范围内旋转时，单个飞轮可以能够校正整体车辆的不稳定状态及其用于延长的时间周期的内容。飞轮材料选择主要由材料密度(δ)、材料强度、能量储存能力和总重量之间的权衡来驱动。能量储存(E)通过以下方程关系到惯性矩和速度的平方：更大密度的材料可以允许更小的整体包装，但更大的飞轮质量需要较大的驱动马达，从而更大的重量和空间要求。
此外，具有较大质量的飞轮可以较少地响应于加速度请求(即旋转到给定的速度将需要花更长的时间)，或者可能需要大得多的驱动马达，以在给定时间内使飞轮加速。飞轮质量可被优化以提高车辆的效率，并使陀螺质量最小化有助于将整体车辆质量保持得更小，这意味着在操作车辆时较少的能量消耗。在一个实施方式中，飞轮材料是碳纤维或凯夫拉(Kevlar)，选择该材料的原因是对于它们的重量而高的拉伸强度，允许较高的旋转速度(即，大于10000rpm)，并且较大的响应加速度。还可以使用较高密度材料，如钢、黄铜、青铜、铅和贫化铀。然而应当理解的是，这些材料的拉伸强度不允许更高的旋转速度，这在将飞轮的尺寸和质量最小化中限制其有用性。
基于该磁盘的几何形状，惯性矩的范围可以从到由于进动陀螺的扭矩输出量由τ＝Idisk*ωdisk*ωaxis给出，通过将其它输入保持恒定而增大Idisk意味着更大的τ。因此，对于给定尺寸和重量限制，τ可被最大化以保持车辆可用和高效。然而，Idisk和ωdisk是相关的，这因为随着Idisk增大，使陀螺旋转的马达需要变得更强大，以在可接受的时间量中实现所需的ωdisk。
陀螺组件在X方向上的输出扭矩(τ)也依赖于陀螺的角位置当陀螺的旋转在竖直方向上指向下或指向上时，输出扭矩(τ)被最大化。随着ωaxis增大，陀螺磁盘的旋转方向将朝向或远离垂直位置而运动得更快。如果车辆需要稳定达较长的时间期间，则ωaxis可以被最小化以使产生的可接受的输出扭矩(τ)的时间量最大化。
当车辆即将停止并具有低的前进速度(并且由此车轮的低旋转速度)时，在前进方向上由车辆的倾斜所施加的扭矩由方程Mx＝r*f*Sin(θVehicle)来描述，其中r是车辆的重心的高度，f是车辆上的重力，以及θVehicle是距离竖直方向的倾斜量。由飞轮的进动所施加的力矩由方程Mx＝Idisk*ωdisk*ωaxis*Sin(θdiskaxis)来描述。对于以低速运动的标称500kg的车辆，重心在地面之上0.75m并且从竖直方向倾斜30°的车辆所施加的力矩为1131N·m。为使车辆保持稳定可能因此需要1131N·m的反扭矩，但为了使车辆移动到直立，可能需要更多的反扭矩。为了应对该种倾斜运动，力矩Mx可能需要通过进动陀螺稳定器飞轮而引入。如果利用多个飞轮，其力矩是附加的。
在现实生活中，倾斜30°超出一个人所能处理的且不涉及稳定系统故障的情况，因此具有竖直轴的飞轮磁盘应当施加1295N·m的力矩，这样的所述飞轮磁盘大约为7kg、半径为0.15m、惯性矩为0.070kg·m·m、以1570rad/s旋转、并且以10.47rad/s进动。在一个实施方式中，使用了两个相同的飞轮，该两个飞轮以相反的方向旋转并以相反的方向进动，从而在相同的方向上施加力矩，但是两个飞轮的横摆力矩Mz一起可能等于零。飞轮中的每一者的尺寸可能设定成在一个飞轮故障的情况下，剩余的飞轮能够在大多数情况下稳定车辆。因此，对于在上述状况下的标称500kg的车辆(具有1131N·m的滚动力矩)，两个飞轮将产生2590N·m的反扭矩，这将足以维持或校正车辆的倾斜，并在一个车轮部分故障的情况下，剩余飞轮可以提供足够的相关力矩来控制车辆以将其置于安全状态中。飞轮也可以是相同尺寸或不同尺寸。
因此，可以理解的是，至少根据上面的描述和下面的附图，本发明的实施方式描述了经由多个传感器来接收指示描述车辆状态的信息的数据的装置和方法。该信息可以包括但不限于车辆框架的取向、所述车辆的前轮相对于该框架的取向、包含在车辆中的陀螺仪飞轮(即，连接到车辆框架的陀螺仪)的取向和转速、以及车辆的当前速度。所述陀螺仪可以相对于车辆的前轮和后轮而纵向地对齐、相对于该车辆的框架(例如，并排的)在宽度方向上对齐、或相对于该车辆的框架在高度方向上(例如，堆叠的)对齐。
至少部分地基于从所述传感器接收到的数据，可以调整飞轮中的(至少)一者的取向或旋转速度。本发明的实施方式还基于输入，还调整飞轮中的(至少)一者的取向或旋转速度，以改变车辆的速度(例如，加速度或制动输入)或方向(转向轮输入)。例如，当检测到加速度输入时，本发明的实施方式还导致飞轮中的一者的旋转速度减小，或者，当检测到制动输入(即，接合前轮制动器或后轮制动器的输入)时，本发明的实施方式还导致飞轮中的一者的旋转速度增大；如果确定车辆将执行转弯(即，检测前轮相对于框架的取向)，本发明的实施方式可调节飞轮中的至少一者的取向或旋转速度以维持转弯期间的稳定性。
使用陀螺稳定器飞轮以接收能量并将能量传递回驱动系统提供了更轻量和更有效的两轮车辆的优点，所述两轮车辆可包括具有卧位座椅的全天候内部舱、具有高能量效率的再生制动系统和零排放推进。在车辆的加速和减速期间，通过能量储存单元，在一个或多个飞轮马达/一个或多个发电机和一个或多个驱动轮马达/一个或多个发电机之间的能量传递保持了高达95％的能量效率和车辆稳定性，从而基本上增加车辆的范围。相比于常规的非稳定性车辆，无该功率传输系统的陀螺稳定车辆可能由于陀螺稳定器的增加功率要求而有明显的缺陷。
对于常规的车辆，低速城市交通通常为能量最密集型领域，这由于频繁制动和加速中的能量损耗(两者均来自输入到制动器中的能量，并且用于使车辆加速的能量在后续的制动中损耗)。因此，可以理解的是，在能量效率的极大飞跃可以通过提供陀螺稳定性车辆来实现，所述陀螺稳定性车辆可以两轮行进、容纳卧式乘客布置、提供全天候封闭客舱的安全性、提供类似于常规汽车的驾驶控制，并且其通过将稳定飞轮集成到再生制动系统中，而可以很大程度上提高陀螺稳定性车辆的范围和效率。
在低速时，如当车辆从停止而加速或缓慢到停止，或者以城市区域中常见的速度或停停走走的交通情况下，车辆的自稳定性能不足以保持车辆的直立取向(uprightorientation)。因此，在现有技术中骑车人需要操作不稳定的车辆的更多的技能，并且骑车人可能需要使用他(或她)自己的体力在停止处平衡车辆，降低了实用性和相当的可用性。
在低速和在停止处的陀螺稳定性也出现比在更高的速度时所遇到的更为简单的控制问题。陀螺稳定器可以通过常平架安装件安装到车辆，利用常平架马达来进动陀螺以形成针对车辆滚转力矩的反扭矩。车辆状态可以通过安装在车辆上的惯性和绝对位置传感器来测量，所述惯性和绝对位置传感器随后可被用于确定提供足够的反扭矩维持车辆直立所需的进动量和进动速度。通常，陀螺稳定器的恢复能力能够使具有乘客的车辆稳定达足够的时间量，该时间量例如在停车灯或在停止标志处遇到的时间量。在一个实施方式中，当车辆停止达到延长的时间期间或熄火时，车辆可以通过自动展开机械支撑件来支撑其本身。
在一个实施方式中，一个或多个陀螺稳定器飞轮和一个或多个驱动轮联接到其各自的一个或多个电动发电机，该一个或多个电动发电机可以在马达模式下运行以驱动其各自的负载，或切换到发电机模式以使旋转负载减速并收获该能量而用于传输至其它负载。该电力系统包括能量储存单元以在驱动/制动系统和陀螺稳定器飞轮之间传输能量时提供暂时的电能储存，或当车辆断电时提供更长的持续时间的电能储存。
系统控制器从车辆的状态传感器(惯性和绝对传感器)、陀螺稳定器的状态传感器接收传感器数据、以及其它参数以控制由陀螺稳定器赋予的矫正扭矩的量和定时。
陀螺稳定器包括连接到车辆的至少一个主动常平架飞轮。在一个实施方式中，陀螺稳定器包括独立地用常平架固定的第一反向旋转飞轮和第二反向旋转飞轮。每一飞轮可以安装有处于空档位置中的竖直旋转轴，并且其中常平架轴彼此平行。在本实施方式中，反向旋转的飞轮在相反方向上进动，使得它们的反扭矩为附加的，但其在车辆上的偏航效果(yaweffect)相互抵消。
使用两个飞轮也允许每一单个飞轮制造得更为紧凑，以便适配在车辆的窄的框架内。此外，在一个飞轮故障的情况下，第二飞轮可以用于在车辆紧急停止期间提供足够的稳定性以将其置于安全的状态中。在任一飞轮故障或紧急平衡状况的情况下，将展开部接合到机械起落架的故障安全方案可用于保持车辆直立和维持驾驶员的安全。
本发明的实施方式还描述了转子组件和可旋转地联接到转子组件的定子组件。所述定子组件包括芯部、从芯部径向延伸的多个齿、以及至少两个绕组，每个绕组包括缠绕在齿上的线圈。所述至少两个绕组包括用于将所述转子组件驱动到第一可变操作范围的第一组，和用于将所述转子组件驱动到第二可变操作范围的第二组，所述第二可变操作范围不同于所述第一可变操作范围。所述转子组件可用在电动马达中(即，所述转子组件是飞轮)，或者可以用在驱动马达中。
在本发明的一些实施方式中，绕组的第一组包括缠绕在齿上的第一数目的线圈，并且绕组的第二组包括缠绕在齿上的第二数目的线圈，第二数目比第一个数目大。绕组的第一组和第二组可被缠绕在定子的交替齿上。所述定子齿可从芯部向外或向内延伸。
在一些实施方式中，上述的第一可变操作范围和第二可变操作范围包括转子速度(例如，第一范围可以是0-500RPM，而第二范围可以是500+RPM)。在其它实施方式中，第一操作范围和第二操作范围包括功率效率范围(例如，第一范围的功率输入/功率输出百分比可以是85％，而第二范围的功率输入/功率输出百分比可以是90％)。
在本说明书中，使用了数个术语。除非在本文中特别地限定或在它们使用的上下文可能清楚地暗示，这些术语采取了它们所来自的领域中的通常的含义。在以下的描述中，提出了许多具体细节以提供对多个实施方式的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文所描述的技术可在没有一个或多个具体细节的情况下、或通过其它方法、组件、材料等来实践。在其它情况下，公知的结构、材料或操作没有详尽地示出或详细描述，以避免模糊某些方面。
图6是本发明的实施方式的示意图。在本实施方式中，飞轮马达600(如下文所描述的可以用于车辆的能量储存)具有多种工作模式。这些模式中的每种模式具有不同的要求，并且形成适当的单一设计以满足所有这些不存在于现有技术解决方案中的模式(即，可能必须使用分离马达，所述分离马达例如现有技术的马达690和马达695)。马达600包括一组以上的线圈绕组，每个线圈绕组具有不同的参数，以允许更好地满足这些模式中的每一个模式。
在本实施方式中，一种模式是启动/能量注入/能量恢复模式(即，由类似于马达695上的绕组完成的模式)。在这种模式下最佳工作要求包括快速传输大量功率的能力。实现这一点的一种方法是使用具有每个定子极较少匝数的更大直径的导线。第二种模式是低功耗、高速度、低改变模式。对于这种模式，具有较多绕组的较小直径的导线可能是最佳的(即，用类似于马达690上的绕组)。
通过使用围绕在相同的定子齿的多组绕组或通过使非连接的组围绕邻近的或非邻近的齿，可以实现在两个末端和某间隔尺寸级别之间的其它可能的模式。在一些实施方式中，多种模式可以形成在其定子齿的数量可被6除尽的车轮上(例如，如在马达600中所示，用于两种操作模式的十二个定子齿，用于三种操作模式的十八个定子齿等)。
根据本发明的实施方式，图6是具有外部转子组件602的双模式马达的示意图。图7是具有内部转子组件702的双模式马达700的示意图。可以理解的是，在图7中所示出的绕组不一定按比例绘制，并且它们可以在如上所述的各种实施方式中变化。
在本说明书中，使用了数个术语。除非在本文中特别地限定或在它们使用的上下文可能清楚地暗示，这些术语采取了它们所来自的领域中的通常的含义。在以下的描述中，提出了许多具体细节以提供对多个实施方式的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文所描述的技术可在没有一个或多个具体细节的情况下、或通过其它方法、组件、材料等来实践。在其它情况下，公知的结构、材料或操作没有详尽地示出或详细描述，以避免模糊某些方面。
本文中所描述的指代上文中的进动、服务器、或工具的各种组件可以是用于执行所描述的功能的装置。本文中所描述的每个组件包括软件或硬件，或者二者的组合。该组件可以被实现为软件模块、硬件模块、专用硬件(例如，应用特定硬件、ASIC、DSP等)、嵌入式控制器、固线式电路等。
软件内容(例如，数据、指令、配置)可以经由制造包括一个计算机储存可读介质的物品来提供，其提供了表示可被执行的指令的内容。该内容可以导致执行本文描述的各种功能/操作的计算机。计算机可读储存介质包括提供(即，储存和/或发送)由计算机可访问形式(例如，计算设备，电子系统等)的信息，诸如可记录/不可记录媒体的任何机构(例如，只读储存器(ROM)、随机存取储存器(RAM)、磁盘储存介质、光储存介质、闪存设备等)。所述内容可以是可直接执行的(“对象”或“可执行文件”形式)、源代码、或差分码(“delta”或“补丁”代码)。计算机可读储存介质还可以包括内容可从中被下载的储存或数据库。计算机可读储存介质还可包括具有在销售或传送时储存其上的内容的设备或产品。因此，使装置传送储存的内容，或者通过通信媒介提供用于下载的内容可以被理解为给所制造的物品提供本文所描述的该内容。
本领域技术人员将认识到，在不背离所要求保护的发明的范围下，可以对优选实施方式作出多种修改和改变。当然，可以理解的是，在其各个方面，对本发明的修改为本领域的技术人员所显而易见，一些仅仅在研究后是显而易见的，其它为常规的机械、化学和电子设计。优选的实施方式的非单个特征、功能或特性是必不可少的。其它实施方式是可能的，它们的具体设计取决于特定的应用。这样，本发明的范围不应由本文所描述的具体实施方式所限制，而是应该仅仅由所附权利要求及其等效变型限定。
虽然以特定的序列或顺序示出了方法和过程，但是除非另有说明，所述动作的顺序可以被修改。因此，上文所述的方法和过程应当仅仅被理解为示例，并且也可以以不同的顺序执行，一些动作可以并行地执行。此外，在本发明的各种实施方式中可以省略一个或多个动作；因此，在每一个实施方案中，并不是需要所有的动作。其它的过程流程也是可能的。

Claims (17)

1.一种设备，包括：
转子组件；
联接到所述转子组件的多个永磁体；
定子组件，所述定子组件可旋转地联接到所述转子组件且具有芯部、从所述芯部径向延伸的多个齿、以及一个或多个绕组，每个绕组包括缠绕在所述齿上以与所述多个永磁体相互作用的线圈；
飞轮壳体，所述飞轮壳体包括框架、一个或多个常平架、和旋转轴；以及
飞轮，所述飞轮设置成邻近于所述定子组件和所述转子组件，所述飞轮响应于所述转子组件的旋转，以围绕所述旋转轴旋转并经由所述一个或多个常平架进动。
2.根据权利要求2所述的设备，还包括：
壳体，所述壳体包括所述转子组件和所述多个永磁体，其中，所述多个永磁体包括环形轴向磁体以作用为所述转子组件的电磁轴承。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述飞轮还包括：
止推环，所述止推环包括当所述飞轮围绕所述旋转轴旋转时在所述止推环上分布的介质。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述止推环包括形成在所述飞轮中的腔室。
5.根据权利要求3所述的设备，其中，所述止推环的所述介质包括固体材料。
6.根据权利要求3所述的设备，其中，所述止推环的所述介质包括液体材料。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述飞轮包括碳纤维、凯芙拉、钢、黄铜、青铜、铅和贫化铀中的至少一者。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述定子组件包括至少两个绕组，所述至少两个绕组包括用于将所述转子组件驱动到第一可变操作范围的第一组，和用于将所述转子组件驱动到第二可变操作范围的第二组，所述第二可变操作范围不同于所述第一可变操作范围。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，绕组的所述第一组包括缠绕在所述齿上的第一数量的线圈，并且绕组的所述第二组包括缠绕在所述齿上的第二数量的线圈，所述第二数量比所述第一个数量大。
10.根据权利要求8所述的设备，其中，绕组的所述第一组和所述第二组缠绕在所述定子的交替齿上。
11.根据权利要求8所述的设备，其中，所述第一可变操作范围和所述第二可变操作范围包括转子速度。
12.根据权利要求8所述的设备，其中，所述第一可变操作范围和所述第二操作范围包括功率效率范围。
13.根据权利要求8所述的设备，其中，所述转子组件包括电动马达飞轮。
14.根据权利要求8所述的设备，其中，所述转子组件包括驱动马达轮。
15.根据权利要求8所述的设备，其中，所述定子齿从所述芯部向外延伸。
16.根据权利要求8所述的设备，其中，所述定子齿从所述芯部向内延伸。
17.一种车辆，所述车辆包括：
框架；
联接到所述框架的前轮和后轮；
如由权利要求1至15中任一项限定的超通量飞轮马达系统；
多个传感器，所述多个传感器检测所述框架的取向、所述前轮相对于所述框架的取向、所述飞轮的取向和旋转速度、以及所述车辆的速度；以及
电子控制系统，所述电子控制系统至少部分地基于来自所述多个传感器和输入的数据来调节所述飞轮的取向和旋转速度中的至少一者，以改变所述车辆的速度和方向中的至少一者。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160315521A1 (en) * 2015-04-26 2016-10-27 Arik Donde Transportation device with reciprocating part and kinetic storage
GB2531623B (en) * 2015-05-29 2017-11-29 Artemev Timur Hub motor design
CN105438172A (zh) * 2015-12-22 2016-03-30 郑州飞轮威尔实业有限公司 一种具有左右自平衡功能的智能电动汽车
DE102016214830A1 (de) * 2016-08-10 2018-02-15 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben einer Drehmasseneinrichtung eines Zweiradfahrzeugs, Drehmasseneinrichtung und Zweiradfahrzeug
US9787156B1 (en) * 2016-08-18 2017-10-10 Rigel Scientific Research Inc. Energy storage apparatus for storing electrical energy generated by an energy source
CN107313885A (zh) * 2017-07-07 2017-11-03 龚治俊 一种小型发动机电启动及发电装置
DE102019203180A1 (de) * 2019-02-25 2020-08-27 Robert Bosch Gmbh Bürstenloser Gleichstrommotor einer Handwerkzeugmaschine
CN114701578A (zh) * 2022-03-28 2022-07-05 浙江大学 一种用于无人摩托自主平衡的控制力矩陀螺装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2720602A (en) * 1953-04-28 1955-10-11 Summers Gyroscope Company Symmetrical, temperature-compensated, direct-current motor
US4296344A (en) * 1979-03-13 1981-10-20 General Electric Company Multi-speed motor
CN1224892A (zh) * 1997-12-16 1999-08-04 三星电子株式会社 自补偿动态平衡装置
US6249069B1 (en) * 1999-11-22 2001-06-19 Bomardier Motor Corporation Of America Output regulation of internal combustion engine alternator by mechanical means
JP2007215388A (ja) * 2006-02-13 2007-08-23 Yoshiji Kondo ワープモータ自動車
CN101055185A (zh) * 2007-05-31 2007-10-17 上海交通大学 流体与旋转驱动挠性硬磁软磁补偿式静电加矩微陀螺仪
CN103189267A (zh) * 2010-03-16 2013-07-03 Lit汽车公司 陀螺稳定式车辆

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5660780A (en) * 1979-10-24 1981-05-25 Tsutomu Sato Gyroscopic two-wheeled vehicle stably standing even at rest
US5969446A (en) * 1998-03-26 1999-10-19 Satcon Technology Corporation Flywheel permanent magnet machine
US7006901B2 (en) * 2002-11-18 2006-02-28 Wang Everett X Computerized automated dynamic control system for single-track vehicles
US20080271550A1 (en) * 2004-04-02 2008-11-06 Daniel Muessli Gyroscope Apparatus
US7658251B2 (en) * 2006-09-20 2010-02-09 James Harry K Direct drive electric traction motor
US20090033162A1 (en) * 2007-08-03 2009-02-05 Dugas Patrick J Variable Inertia Flywheel
WO2010056155A1 (ru) * 2008-11-12 2010-05-20 Nadaraia Tsezari Georgievich Электродвигатель - маховик
RU2439394C1 (ru) * 2010-05-12 2012-01-10 Геннадий Георгиевич Смердов Маховик

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2720602A (en) * 1953-04-28 1955-10-11 Summers Gyroscope Company Symmetrical, temperature-compensated, direct-current motor
US4296344A (en) * 1979-03-13 1981-10-20 General Electric Company Multi-speed motor
CN1224892A (zh) * 1997-12-16 1999-08-04 三星电子株式会社 自补偿动态平衡装置
US6249069B1 (en) * 1999-11-22 2001-06-19 Bomardier Motor Corporation Of America Output regulation of internal combustion engine alternator by mechanical means
JP2007215388A (ja) * 2006-02-13 2007-08-23 Yoshiji Kondo ワープモータ自動車
CN101055185A (zh) * 2007-05-31 2007-10-17 上海交通大学 流体与旋转驱动挠性硬磁软磁补偿式静电加矩微陀螺仪
CN103189267A (zh) * 2010-03-16 2013-07-03 Lit汽车公司 陀螺稳定式车辆

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