CN105637745A - 组合式电动和液压马达 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种通过共用或共享转子和定子元件将电动和液压动力生成技术组合或集成到单一的紧凑型马达中的组合式马达。本发明能够优化电动和电动混合动力车辆的动力、扭矩、性能和能量利用并且由于使用了共用或共享的元件而能够减小重量并且降低生产成本。所述组合式马达的电动和液压动力生成元件优选地为同轴和共面的，具有轴向紧凑性并且能够有效利用车辆的空间。在常规的电动车辆驱动循环中，在车辆扭矩需求的启动加速和刹车能量回收模式中发生不均衡的大量能量损失。所述组合式马达通过在这些过程中用高效液压扭矩替代低效电动扭矩来提高整体的效率。这些峰值效率替代在启动加速过程中储存电能，使充电状态最大化从而延长驱动范围或运行时间。

Description

组合式电动和液压马达
技术领域
本发明涉及一种将电动和液压动力产生特性结合在单一的装置中的马达。
背景技术
混合动力车使用两种不同的动力源来推动车辆，通常将电动系统或者液压系统作为内燃机的补充来降低燃油消耗。电动和液压混合系统目前都有适当的应用，每个系统的价值定位和峰值效率取决于车辆的占空比。
液压混合具有较高的功率容量，但是周期较短，并且与电动混合系统相比在刹车过程中通常再生出更多的动能，但是产生较少的功率,电动混合系统通常具有较大的储能容量。液压混合系统通常能回收高达75％的车辆动能，而电动混合系统为25％，并且与电池系统相比能够更快、更有效地充能和放能。
然而，液压车辆存在的问题在于需要交替的推动模式以提供对最优的功率和扭矩(尤其是在加速过程中)，以及刹车过程中的最大驱动范围和最大能量再生的多样需求。为了尝试解决这种问题，已经提交了很多专利申请，公开了在车辆中同时采用液压和电动系统以获取每种系统的最优性能特性的多种组合和结构。所述问题的一种解决方法还包括在电动车辆中设置作为电池续航历程扩充器的设备。
本发明的目标为一种在电动和电动混合车辆设备中用作主要或补充马达的组合式马达，所述车辆具有在推进和能量回收模式中均能在车辆的整个占空比上提供优化的性能和效率，并且提供重量、空间、成本和生产效率的能力。
现有技术
下面的专利，以及这些专利所引用或被引用的专利，确认了通常通过将电动和液压马达连接或定位在单一的轴上，在混合和电动车辆设备中同时使用两个马达。然而，没有一个专利公开了将两种马达类型的主要功能部件集成、组合或者连接到一起以降低部件数量、重量、大小和成本的组合式马达。
Lynn申请的美国专利No.7,841,432(用于机动车辆的液压-电动混合驱动系统)
Miller申请的美国专利No.7,689,341(双模混动汽车的加速过程中的优先化能量回收)
Hughey申请的美国专利No.7,201,095(回收动能的车辆系统)
Fukuchi申请的美国专利No.7,024,964(利用电动马达的液压驱动装置)
Bloxham申请的美国专利No.6,834,737(混动车辆和能量存储系统)
Nathan申请的美国专利No.6,454,033(具有能量再生的电动液压车辆)
Ferch申请的美国专利No.6,311,487(车辆的机电液压驱动系统)
Wickman申请的美国专利No.5,769,177(混合动力电动车辆驱动系统)
Clark申请的美国专利No.5,230,402(电动-液压汽车)。
Gardner,Jr申请的美国专利No.4,753,078(电动液压车辆驱动系统)
Cullin申请的美国专利No.4,663,937(机电液压动力生成系统)
下面的美国专利，以及这些专利引用或被引用的专利，公开了与径向活塞环凸轮液压马达相关的特征和功能，其为所述组合式马达发明的优选液压马达子系统。
Lemaire申请的美国专利No.7,225,721(液压马达)
Cunningham申请的美国专利No.6,494,127(具有导辊的径向活塞发动机)
Hallundbaek申请的美国专利No.5,391,059(径向活塞马达或泵)
发明内容
本发明涉及一种通过使用共用或共享的转子和定子元件将两种不同的马达技术——电动和液压——组合、连接或集成到单一的马达装置中的组合式马达。本发明的电动和电动混合车辆具有优化的功率、扭矩、性能和能量利用，并且由于使用了共用或共享的部件能够提供减轻的重量、大小和部件数量以及较低的生产成本。共用的冷却系统同样也可以被所述组合式马达的电动和液压功率产生元件所共享。所述组合式马达的电动和液压产生元件优选地为同轴并且共面的，具有轴向紧密性并且能够有效利用车辆空间。在本发明的某些实施方案中，各个液压和电动马达的液压马达和电动马达元件可以是独立旋转的，并且是堆叠结构，其中优选的是液压和电动功率产生元件不是共面的。
本发明具有多个实施方案，其中液压马达和电动马达子系统以平行或串行结构配置。在平行结构中，优选的实施方案将所述液压元件同心地定位在大直径电动环形或电动盘式马达中。替代地，所述电动环形或电动盘式马达也可以同心地定位在液压马达中。在串行结构中，具有两种布置方式：电动马达壳体可以是固定的并且其转子被固定到液压马达壳体并且驱动液压马达壳体。替代地，所述液压马达壳体可以是固定的并且所述液压马达被固定到所述电动马达壳体并且驱动所述电动马达壳体。在两种布置中，每个马达或两个马达都可以被供电以提供组合的轴输出。输出轴的速度为两个马达速度的总和。这种串行结构同样允许一个马达来驱动另一个马达以使得被驱动的装置根据哪个是被驱动的装置而变成发电机或泵。
大直径电动马达，尤其是无刷永磁马达，设计成将两个转子磁体和定子芯以及绕组定位成朝向马达的外部或周边并且留出一个敞开的中间部分(例如但不限于由Applimotion,Inc.ofLoomis,CA,USA制造的环状和盘式类型的马达，以及在美国专利6,552,460；6,930,433；7,432,623和7,863,784中公开的马达)尤其适用于本发明，这是因为圆形或盘状液压马达，例如但不限于环状凸轮、内齿轮油泵齿轮以及齿轮和叶片马达，可以被集成、组合或连接到上述大直径电动环状或盘式马达的所述敞开的中心部分中。
电动和液压技术的混合使用能够优化每种技术各自的速度和扭矩要求，同时共享部件并且使物理体积和成本最小化。之前并没有将这种用于提供一系列的补充动力供应和效率的结构用于紧凑型装置的推进和能量回收，所述动力以低速高扭矩的形式被传递给所述车辆。系统控制器整合所述电动和液压子系统之间的扭矩共享和能量利用以使能量效率最大化。
在传统的电动车辆驱动循环中，在车辆扭矩需求的启动加速和刹车能量回收模式过程中发生不均衡的大量能量损失。所述组合式马达通过在这些模式中用高效液压扭矩替代低效电动扭矩来提高整体效率。这些峰值效率替代在启动加速过程中储存电能，使充电状态最大化，以延长驱动范围或运行时间。
本发明被设计成在启动加速和刹车能量回收动作过程中通过用高效液压能量替代在低效电动马达速度下的电动能量来传递最有效的电池能量使用。这种能效增益导致在特定的驱动循环或者使用期间中能量保存的范围和运行时间扩大，或者替代地，减小了用于这种驱动循环的电池大小或容量。
电动马达在从零到低马达转速的过程中由于在绕组中产生热量损失而能量使用低效，但是在较高速度时效率较高。液压马达在低速下格外地高效并且在较低速度下与电动马达相比具有高达3倍的启动加速效率。类似的，在从中等速度开始减速的过程中，它们的能量回收效率非常高。通过在低速下采用高效液压扭矩代替低效电动扭矩，所述组合式马达降低了对电池的要求，储存了能量用于续航里程。
所述马达能够适用于大范围的电动和电动混合动力车辆并且能够优化频繁启停驱动循环中的能量利用和再生，最大化电池的续航里程或运行时间和/或减小电池尺寸。这对电动车辆的可用性具有积极影响并且能够降低生产和运行成本。
所述组合式马达的一个优选实施方案包括包围并且与液压径向活塞环凸轮马达集成到一起的大直径电动环形马达，其具有将电动环形马达的电磁芯和绕组与液压马达轮毂(其包括径向活塞阵列以及能够使其具有液压供能和泵送功能的阀和流体通道构成的系统)组合到一起的共用定子，并且包括所述电动环形马达的永磁体和背部铁环的共用转子被附着到所述液压马达的环形凸轮或者与所述液压马达的环形凸轮集成到一起，所述转子组件通过轴承可旋转地位于所述定子组件上。该实施方案形成了一个同轴、共面以及轴向紧凑的大直径组合式电动和液压马达装置。在另一个优选的实施方案中，所述电动马达和液压马达子系统同轴布置并且彼此共面，具有共用的定子组件但是具有独立旋转的电动和液压转子，使得电动马达转子能够以与液压马达转子不同的转速(固定或者变化的速度)旋转。在本发明的某些实施方案中，堆叠结构是优选的，在该堆叠结构中液压和电动动力产生元件不是共面的。
本发明的应用
所述组合式电动和液压马达与电动或液压马达自身所能提供的效率相比具有明显更宽的效率范围。在电动车辆(EV)，混合动力电动车辆(HEV)以及插电式混合动力电动车辆(PHEV)应用中，所述组合式马达的液压部件与所述电动部分相比明显能够更加高效地回收动能并且将其重新用作加速或启动辅助，由此节约电池能量并且延长了车辆电动运行的范围或运行时间或者使用较小的电池也可以实现相同的范围或运行时间。
在EV和串联HEV应用中，所述组合式马达可以是主推进马达，其主要目的是电池续航里程扩充器，而在并联HEV应用中，所述组合式马达在加速或启动过程中将替代或者作为内燃机(ICE)的补充，减轻ICE的负载并且降低油耗。
将组合式马达结合到包括电动马达控制器、具有与其自身相关的管理系统的电池、包括蓄能器、蓄液器和阀控制模块的液压能量存储系统，以及协调和优化所有的部件以最大化车辆范围且最小化插电式电力消耗的总体系统控制器的EV或PHEV系统中实现了其自身的功效优化。
所述组合式马达的其它非车辆应用为那些具有高初始扭矩要求以克服高系统惯性，并且频繁启停的应用。具体设备例如是绞盘机、电梯、锯木厂设备、制造工具，以及其它通常采用电动马达作为组合式马达的备选的装置。
本发明的用在车辆中的组合式马达的一种实施方案包括如下的部件或子系统：
所述组合式马达；
电动马达驱动控制器；
液压阀控制器；
电动能量存储装置，例如电池或超级电容器；
电池管理系统；
高压液压能量存储装置，例如蓄能器；
低压液压流体蓄液器；
液压阀控制模块；
维持系统温度要求的冷却系统；
系统或者执行控制器；
所述系统控制器协调并且优化所有的部件和子系统以最大化车辆范围并且最小化电能消耗。所述控制器必须具有足够的传感器和控制系统响应能力，以允许其能够以平顺的方式(通常被看作是反馈回路中的迟滞现象)平衡所述组合式马达的电动和液压动力生成元件，用于最大化电动和液压效率贡献并且在能量源之间形成安全、无缝的过渡。在预定的条件下，所述控制器可以隔离或管理所述组合式马达使其以故障自趋模式运行。
所述控制器包括精细化控制算法或者简单的PID(比例积分微分)控制方法。对于特定的应用，尤其是集成的原始设备制造商(OEM)车辆应用，所述控制器通过CANbus或者其它车载系统和传感器与关键车辆子系统交接，以获取车辆信息或者提供与所述组合式马达系统相关的信息。
本发明的一个优选实施方案包括包围并且与液压径向活塞环凸轮马达集成到一起的大直径电动环形马达。这样形成一个同轴且共面的组合式液压和电动马达，使其具有轴向紧凑性并且具有大的有效直径。通过将所述马达的扭矩产生结构定位在最大可能半径处，或者尽可能接近于所述马达的周边的位置而获得大的有效直径，并且同时为电动和液压马达提供效率、扭矩、冷却和封装效益。所述组合式马达的集成体系结构允许对电磁定子芯中的结构进行冷却，例如槽和通道，其中被用于操作液压马达的液压流体可以被循环以冷却定子芯和绕组。
大直径、低高度的组合式马达可以通过如美国专利申请系列号为No.12/808,664的美国专利申请，现在为美国专利No.8,798,828的“车辆的动能回收和电动驱动”所公开的直角齿轮箱被固定或安装在车辆动力传动系统中，其中所述组合式马达被固定在车辆底盘或框架中，此时组合式马达轴基本上竖直定向并且垂直于车辆驱动轴。包括至少一个直角齿轮组的所述直角齿轮箱可以包括但不限于差速器、齿圈和小齿轮，螺旋和锥形齿轮组，将竖直组合式马达驱动力传递给车辆的水平驱动轴或传动轴。低高度的组合式马达的一个主要优点在于其“平整”和“薄”，使其能够被固定在车辆下方的底盘中，形成较低的重心，但是还没有明显侵犯车辆的离地间隙和内部或存储空间。
本发明可以被用在安装有轮毂的轮内应用以及用于内侧或外侧轴上应用，其中所述组合式马达的轴向紧凑性和“平整”可能是有利的。
附图说明
参照附图描述本发明示意性的实施方案。具有类似功能的部件在附图中采用相同的指示标记进行标注。
图1A和1B分别是示意性地显示包括同心地定位在电动环形或盘式马达内部并且与其共面的液压径向活塞环凸轮马达的组合式电动和液压马达的横截面侧视图和平面视图。
图1C为图1B所示的组合式马达的放大视图，显示出活塞处于缩回模式，被压力推入到气缸中以使得位于所述活塞顶部的辊子没有与所述环形凸轮的波纹状多叶瓣内表面滚动接触。
图2A和2B分别为示意性地描绘包括同心地定位在美国专利6,552,460；6,930,433；7,432,623和7,863,784中公开的电动轴向通量环形类型马达内部并且与其共面的液压径向活塞环凸轮马达的组合式电动和液压马达的横截面侧视图和平面视图。
图3示意性地示出本发明的一个实施方案，其中组合式马达与直角齿轮箱集成、接合、组合或连接到一起。
图4A和4B分别为图3描述的安装在装配有作为主推进马达的组合式马达的后部供能的巴士的实施方案的示意性下侧视图和侧部视图。
图4C和4D分别为图3描绘的安装在装配有作为主推进马达的组合式马达的前轴供能的铲车车辆的实施方案的示意性下侧视图和侧部视图。
图5A和5B分别为图3描绘的安装在前部供能的内燃机载重汽车底盘中的组合式马达的示意性下侧视图和侧部视图，其中组合式马达作为所述内燃机的混合动力补充。
图6,7和8分别为在电动城市巴士应用中，液压和电动的组合效率以及新型马达所获得效率；所述组合式马达和具有类似功率的电动马达的净能量需求的对比；以及标准化的驱动循环，显示出由组合式马达供能的城市巴士与常规的电动马达供能的类似的巴士相比效率提高。
图9A和9B为本发明的另一个实施方案的示意性图示，其中电动马达子系统与液压马达子系统相邻堆叠并且不共面，并且定子和转子组件彼此同轴布置。在图9A中，电动马达子系统为环形马达设计，在图9B中，电动马达子系统不是环形马达设计并且没有被配置成包围液压马达子系统。
图10A示意性地示出本发明的一个实施方案，其中电动和液压马达子系统同轴布置并且彼此共面，具有共用的定子组件但是具有独立旋转的转子以使得电动马达转子能够以与液压马达转子不同的旋转速度(固定或变化的速度)转动。
图10B示意性地示出本发明的一个实施方案，其中电动和液压马达子系统同轴布置且彼此共面，具有共用的定子组件但是具有独立旋转的转子以使得电动马达转子能够以与液压马达转子不同的旋转速度(固定或变化的速度)旋转。本实施方案包括脱离机构以使得液压马达子系统能够与电动马达子系统脱离并重新接合。
图11A示意性地示出安装在前轮驱动车辆中的组合式马达，所述马达通过图3所示的直角齿轮箱与所述前轴传动接合。
图11B示意性地示出安装在后轮驱动车辆中的组合式马达，所述马达通过图3所示的直角齿轮箱与所述后轴传动接合。
图11C示意性地示出安装在四轮驱动车辆中的两个组合式马达，所述马达通过图3所示的直角齿轮箱与所述前轴和后轴传动接合。
具体实施方式
现在参照附图描述本发明的优选实施方案。
在优选的实施方案中，为了使液压和电动扭矩最大化并且使整体的轴向长度最小化，即液压环凸轮与活塞的交界面和电磁永磁体交界面被定位成尽可能地接近所述组合式马达的周边，以使得作用力被施加到其上的半径最小化。因此，事实上，对于马达总直径相同的情况来说，为了获得最大的有效扭矩半径，电动环状马达必须围绕液压环状凸轮马达同心地定位而不是液压马达围绕电动马达定位。
在本发明的第一典型实施方案中，图1A和1B所示的为示意性地示出包括同心地定位在电动环状或盘式马达内部并且与其共面的液压径向活塞环凸轮马达的组合式电动和液压马达的横截面侧视图和平面视图。
定子组件21包括定子结构1和定子组件3，液压马达轮毂组件23被附着到定子结构1，其中定子组件3包括定子芯42和线圈绕组43。液压马达轮毂组件23包括液压马达轮毂6，液压马达轮毂6包括一个径向的气缸7阵列，活塞8被设置在气缸7中，每个活塞8均固定有辊子9。活塞8被增压以向外推动使得辊子9与环状凸轮5的波纹状、多叶瓣状内表面滚动接合从而致动气缸7内部的活塞8。
液压马达轮毂组件23还包括未示出的阀和液压流体通道组成的系统，该系统能够使所述液压马达轮毂组件23具有液压供能和泵送功能。
转子组件22包括环状凸轮5附着到其上的转子结构2。背部铁环15被附着到环状凸轮5的外表面。一个阵列的永磁体4与定子组件3(包括定子芯42和线圈绕组43)电磁接合，并且被附着到背部铁环15。如果环状凸轮5由合适的黑色金属制成，那么永磁体4可以被直接附着到环状凸轮5并且不需要背部铁环15。马达轴11被附着到转子结构2。转子组件22通过轴承10被可旋转地安装到定子组件21。在图1B中，没有示出定子结构1，这样可以显示出内部部件。
由于流体流动的限制，液压马达的旋转速度受到限制。超出特定的旋转速度，它们会停止产生扭矩并且变得不工作。电动马达与液压马达相比，具有高得多的旋转速度。由于组合式马达的某些实施方案将液压子系统的元件与电动子系统的元件组合或集成到一起，因此电动马达子系统的旋转速度，甚至组合式马达，会受到液压子系统的最大旋转速度的限制，除非液压马达子系统能够在特定的旋转速度或速度范围下与电动马达子系统分开或脱离电动马达子系统。
径向活塞环凸轮液压马达的一个特性在于其能够在预定的旋转速度之上与扭矩产生相脱离并且在预定转速以下与扭矩产生相接合。在一个实施方案中，所述脱离与接合功能通过使用控制阀产生压力差而实现，所述压力差为所述活塞的上方和下方区域之间的压力差。
所述脱离功能推动活塞8进入气缸7，以使得位于活塞8顶部的辊子9没有与环状凸轮5的波纹状、多叶瓣内表面增压滚动接触。通过使用未示出的控制阀，活塞8被推动进入气缸7，由此在增大活塞8的阵列上方区域中的压力的同时释放了活塞8下方区域中的压力，致使活塞8被重新收回到气缸7中。一旦环状凸轮5的波纹状、多叶瓣内表面没有与活塞8的阻力接触，则可以在电动马达子系统的速度下自由旋转。所述辊子的重新接合使得与环状凸轮5的波纹状、多叶瓣内表面的增压滚动接合受到释放活塞8的阵列上方区域中的压力同时增大活塞8下方区域中的压力的影响，推动活塞8在气缸7中向外移动。
图1C示意性地示出如图1B所示的组合式马达的放大横截面视图，其中示出的活塞8处于缩回模式，由压力推入到气缸7中以使得位于活塞8顶部上的辊子9不会与环状凸轮5的波纹状内表面滚动接触，从而在辊子9和环状凸轮5的所述波纹状内表面之间形成空间39。通过使用控制阀来触发与滚动接触的脱离从而在增大活塞8的阵列上方区域37中的压力的同时释放活塞8下方区域38中的压力，致使活塞8缩回到气缸7中。辊子9的重新接合以与环状凸轮5的波纹状内表面滚动接触受到释放活塞8的阵列上方区域37中的压力同时增大活塞8下方区域38中的压力的影响。
在本发明的第二个典型实施方案中，图2A和2B为示意性地示出包括同心地定位于美国专利6,552,460；6,930,433；7,432,623和7,863,784公开的电动轴向通量环类型的马达中并且与该马达共面的液压径向活塞环凸轮马达的组合式电动及液压马达的横截面侧视图和平面视图。
定子组件21包括定子结构1以及液压马达轮毂组件23，一组等距分布的环行线圈状的电磁芯13被附着到定子结构1，每个芯13包括线圈或绕组(未示出)。液压马达轮毂组件23包括液压马达轮毂6，其包括径向的气缸7阵列，活塞8位于上述阵列中，每个活塞8装配有辊子9，辊子9与环状凸轮5的波纹状内表面滚动地接合，用于致动气缸7内部的活塞8。液压马达轮毂组件23还包括未示出的阀和液压流体通道构成的一个系统，该系统使所述液压马达轮毂组件23具有液压供能和泵送功能。
转子组件22包括环状凸轮5附着到其上的转子结构2。转子法兰12被附着或集成到转子结构2中。转子法兰12由有色金属材料制成并且可以直接附着到环状凸轮5的外表面。一组等距分布的交替极性永磁体14与环行铁芯和绕组13电磁接合并且设置在转子法兰12上。马达轴11被附着到转子结构2。转子组件22通过轴承10可旋转地安装到定子组件21上。在图2B中，未示出定子结构1以更清楚地显示内部部件。
在运行中，与径向活塞环凸轮马达的常规结构一致，当工作流体在压力下被插入到气缸7的空隙中时，活塞8被径向向外推动并且辊子9凭借抵靠环状凸轮5的波纹状多个凸轮叶瓣的径向力和切向力的合力作用施加由此产生的旋转力，致使轮毂组件23与转子组件22一起相对于定子组件21旋转，其中轮毂组件23被集成或附着到转子组件22上。
图3示出本发明的一个实施方案，其中组合式马达与图1A和1B所示的类似，同样与直角齿轮箱组件24相集成、接合、组合或连接以使得来自于竖直马达轴11的驱动力被传递给水平齿轮箱轴29。齿轮箱轴29可以被连接到车辆的驱动轴或传动轴或与车辆的驱动轴或传动轴集成到一起，所述车辆例如是汽车、货车、公共汽车或者轨道车辆(未示出)。
定子组件21包括定子结构1、液压马达轮毂组件23和定子组件3，定子组件3包括定子芯42和线圈绕组43。液压马达轮毂组件23包括液压马达轮毂6，其包括径向的气缸7阵列，活塞8位于所述径向阵列中并且每个活塞8均装配有与环状凸轮5的波纹状多叶瓣内表面滚动地接合以致动所述气缸内部的活塞的辊子9。液压马达轮毂组件23还包括未示出的阀和液压流体通道组成的系统，该系统使所述液压马达轮毂组件23具有液压供能和泵送功能。
转子组件22包括环状凸轮5附着到其上的转子结构2。背部铁环15被附着到环状凸轮5的外表面。一组永磁体4与定子芯42电磁接合并且绕组43被附着到背部铁环15。如果环状凸轮5由合适的黑色经书制造而成，那么永磁体4能够直接附着到环状凸轮5并且不需要背部铁环15。马达轴11被附着到转子结构2。转子组件22通过轴承10被可旋转地安装到定子组件21。
直角(90度)齿轮箱壳体25与定子结构1集成、接合、连接或组合到一起。齿轮箱壳体25包含直角齿轮组26，直角齿轮组26包括锥齿轮27和锥齿轮28。锥齿轮27被附着到支撑在轴承10中的竖直马达轴11并且锥齿轮28被附着到支撑在轴承30中的水平齿轮箱轴29。
图4A和4B分别为图3所描绘的安装在后部供能的运输巴士中的组合式马达的示意性底部视图和侧部视图，所述巴士装配有作为主推进马达的组合式马达。组合式马达109被附着到直角齿轮箱108。所述巴士底盘装配有前轮101和后轮102。直角齿轮箱108与组合式马达109相组合。齿轮箱轴110通过万向节111将驱动力从直角齿轮箱108传递给差速器105。后轴107将驱动力从差速器105传递给后轮102。
图5A和5B分别为图3所描绘的组合式马达安装在前部供能的内燃机载重汽车底盘中的示意性底部视图和侧部视图，其中所述组合式马达作为所述内燃机的混合动力补充。所述载重汽车底盘装配有前轮101和后轮102。内燃机103经过变速器104将动能通过驱动轴106传递给差速器105。后轴107将所述驱动力从差速器105传递给后轮102。直角齿轮箱108被附着到组合式马达109。齿轮箱轴110穿过直角齿轮箱108并且通过万向节111与驱动轴106连接。
图6为显示在电动城市巴士应用中，液压和电动能量的组合总效率以及获得的效率的图表。由过渡区域描绘的从一种能量源到另一种能量源的过渡通过控制软件进行管理以优化系统效率。电动马达效率曲线采用液压马达效率曲线作为补充，而虚线表示新马达组合后的总效率。
图7为所述组合式马达与电动城市巴士设备中类似功率电动马达的净能量需求的对比图表。
图8为标准化驱动循环，Manhattan巴士驱动循环(ManhattanBusDriveCycle)的图表，显示出由组合式马达提供动力的城市巴士与由类似功率的常规电动马达提供动力的类似城市巴士相比效率提高。
在图9A所示的本发明的另一个实施方案中，所述液压和电动马达组件彼此相邻堆叠布置，形成同轴不共面的结构。所述堆叠布置允许所述组合式马达使用和/或集成非环形永磁体结构的电动马达并且由此可以不被安装或配置成如图1A和1B所示的那样包围液压马达。这种非环形电动马达包括但不限于感应马达和磁阻马达。
图9A显示出使用堆叠在径向活塞环凸轮液压马达上方的永磁体环形电动马达的堆叠马达布置，并且显示出彼此同轴布置的定子组件21和转子组件22。电磁芯和绕组3以及液压马达轮毂组件23以堆叠、非共面的形式设置在共用的定子结构1上；类似地，环状凸轮5和永磁体4阵列以堆叠、非共面形式设置在共用的转子结构2上。
图9B示出可以被用于安装或定位不是环形永磁体马达结构并且可以不被安装或配置成包围液压马达的电动马达子系统的区域33，，其中所述区域33包括敞开区域32和被定子芯和绕组3、永磁体4和背部铁环15所占据的区域。
所述堆叠的、非共面结构允许多个电动和液压马达子系统彼此被同轴地组合或集成，以优化和最大化所述组合式马达的扭矩和功率范围。
液压马达通常在低速范围内更高效而电动马达在较高转速下更有效。在某些应用中，希望电动马达子系统能够比液压马达子系统具有更高的旋转速度。在本发明的另一个实施方案中，所述电动和液压马达子系统同轴布置并且彼此共面，具有共用的或共享的定子组件但是具有独立的旋转转子，所述旋转转子通过动力传递机构彼此旋转接合，所述动力传动机构选自于包括齿轮驱动和摩擦传动在内的一组，所述齿轮传动和摩擦传动包括差速器、齿圈和小齿轮、螺旋和锥形齿轮组，具有单一的传动比、多个可变传动比或者连续变化传动比以使得电动马达转子能够相对于液压马达转子以更快的旋转速度或者以固定或可变速度旋转。
图10A为同轴布置且彼此共面以及具有共享或共用定子组件21的液压和电动马达的示意性横截面侧视图，其中电动转子组件40通过齿轮组组件60与液压转子组件50旋转地接合。共用的定子组件21包括定子结构1，液压马达轮毂组件23和定子芯组件3被附着到定子结构1。定子芯组件3包括定子芯42和线圈绕组43。液压马达轮毂组件23包括液压马达轮毂6，液压马达轮毂6包括径向的气缸7阵列，活塞8位于所述径向阵列中，每个活塞8均装配有辊子9。活塞8被增压以向外推动使得辊子9与环状凸轮5的波纹状、多叶瓣内表面滚动接合，从而致动气缸7内部的活塞8。液压马达组件23还包括未示出的阀和液压流体通道组成的系统，该系统使所述液压马达轮毂组件23具有液压供能和泵送功能。液压马达组件50包括液压马达端板51和液压马达轴52，环状凸轮5被附着到液压马达端板51。齿轮62被附着到液压马达轴52。电动转子组件40包括背部铁环15被附着到其上的电动转子端板2。一组永磁体4与定子组件3电磁接合并且被附着到背部铁环15，定子组件3包括定子芯42和线圈绕组43。如果电动马达端板2由合适的黑色金属制成，那么永磁体4可以直接附着到电动转子端板2并且不需要背部铁环15。电动马达轴41被附着到电动马达结构2，并且齿轮61被附着到电动马达轴41。由轴承10支撑的电动马达轴41具有管状横截面以使得液压马达轴52可以旋转地装配在电动马达轴41内部。齿圈53附着到电动转子组件40并且与附着到与车辆传动系统(未示出)相连的驱动轴55的小齿轮54接合。齿轮组组件60包括附着到电动马达轴41的齿轮61，附着到液压马达轴52的齿轮62，以及一起被附着并且可旋转地安装到齿轮轴66上的中间齿轮63和64。齿轮轴66附着到组合式马达壳体(未示出)。
通过与中间齿轮63啮合的齿轮61传递来自于电动马达轴41的旋转驱动力。齿轮63具有比齿轮61更大的直径并且由此比齿轮61旋转得慢。中间齿轮63被附着到齿轮64并且与其一起旋转，齿轮64与齿轮62啮合。齿轮62具有比齿轮64更大的直径并且由此比齿轮64旋转得慢。齿轮62附着到液压马达轴52。例如，如果齿轮63的直径是齿轮61的两倍并且齿轮62的直径是齿轮64的两倍，那么液压马达轴52将按照电动马达轴41的旋转速度的四分之一进行旋转。
在前述齿轮组或驱动传动装置中或者在所述电动和液压马达子系统之间可以包括有脱离机构，使得液压马达子系统可以与电动马达子系统脱离并且与之重新接合。所述脱离机构包括但不限于摩擦和滑动离合器以及同步齿轮脱离机构，并且可以通过多种方式被致动，例如包括机械，电动和液压致动。
图10B为图10A描绘的实施方案的示意性横截面侧视图，其中液压马达轴52具有花键部分65，并且齿轮62b具有对应的花键中心孔以使得其可以被轴向移动离开齿轮组组件60。齿轮62b被示出已经沿着花键部分65从其采用虚线62a表示的接合位置被轴向移动到脱离位置，齿轮62a的这种轴向移动由合适的致动机构(未示出)实现。
前述实施方案中描述的独立旋转的电动和液压马达以及脱离机构同样能够适用于前面描述的本发明的堆叠或者不共面的实施方案中。下面总结了可以用于所述组合式马达的优选的马达结构：
集成或组合的电动和液压马达：参见图1A。因为永磁体被附着到液压环状凸轮的外侧，因此电动马达子系统与液压马达子系统按照相同的旋转速度运行。
独立的电动和液压转子：参见图10A和10B。这种转子实施方案具有彼此分开但是通过动力传递机构彼此旋转接合的电动转子40和液压转子50，使得所述电动转子可以以比所述液压转子更快的速度(固定的或变化的速度)旋转，所述动力传递机构例如为齿轮组60。
独立并且可脱离的电动和液压转子：这种转子实施方案包括能够使独立的电动和液压转子彼此完全脱离从而在任意一个转子停止的同时另一个转子产生扭矩的脱离机构。
图11A,B和C为包含所述组合式马达的车辆布局的示意性平面视图和侧视图。在每种变形中，所述组合式马达通过如图3A所示的直角齿轮箱与从动轴接合，其中轴29被可驱动地连接到车辆的从动轴。在图11A,11B和11C中，组合式马达109通过直角齿轮箱108被驱动地接合至后轴107或者前轴112。直角齿轮箱108包括或结合一个差速器机构，以使得直角齿轮箱108可以与从动前轴107和/或从动后轴112直接接合。直角齿轮箱108按照2010年6月16日申请的美国专利申请No.12/808,664，现在为美国专利No.8,798,828中公开的方式被组合、连接或集成在组合式马达109的上方或下方。
已经在本发明的优选实施方案中描述和图示了本发明的原理，显然，可以按照不脱离这些原理的范围的布置和细节对本发明进行修改。要求保护位于本发明的精神和范围之内的全部修改和变化。前面的描述仅仅是本发明原理的典型实例。本发明的多种修改和变形都可能源于上述教导。虽然已经公开了本发明的优选和替代实施方案，然而本领域技术人员可以认识到这些修改和变形均位于本发明的范围之内。

Claims (20)

1.一种组合式电动-液压马达，包括：
电动马达子系统；
液压马达子系统；以及
接合所述电动马达子系统和所述液压马达子系统的定子组件；
其中所述电动马达子系统和所述液压马达子系统被配置成形成单一的组合式马达，并且
其中所述电动马达子系统和所述液压马达子系统通过所述定子组件被接合。
2.根据权利要求1所述的组合式电动-液压马达，进一步包括接合所述电动马达子系统和所述液压马达子系统的转子组件，
其中所述电动马达子系统和所述液压马达子系统通过所述转子组件和所述定子组件被接合。
3.根据权利要求1所述的组合式电动-液压马达，其中所述电动马达子系统被布置成与所述液压马达子系统同轴。
4.根据权利要求1所述的组合式电动-液压马达，其中所述电动马达子系统被布置成与所述液压马达子系统共面。
5.根据权利要求1所述的组合式电动-液压马达，还包括一个系统控制器，该系统控制器协调并且管理所述电动马达子系统和所述液压马达子系统之间的扭矩共享和能量使用。
6.根据权利要求1所述的组合式电动-液压马达，其中所述液压马达子系统包括径向活塞环凸轮马达，其中一个可伸缩的活塞阵列使所述液压马达子系统和所述电动马达子系统在预定旋转速度下接合和脱离。
7.根据权利要求1所述的组合式电动-液压马达，还包括可脱离地连接所述电动马达子系统和所述液压马达子系统的至少一个脱离机构。
8.根据权利要求7所述的组合式电动-液压马达，其中所述脱离机构包括所述径向活塞环凸轮马达的活塞缩回。
9.根据权利要求7所述的组合式电动-液压马达，其中所述脱离机构包括至少一个离合机构。
10.根据权利要求2所述的组合式电动-液压马达，其中所述转子组件包括电动马达子系统转子组件和液压马达子系统转子组件。
11.根据权利要求10所述的组合式电动-液压马达，其中所述电动马达子系统转子组件独立于所述液压马达子系统转子组件而旋转。
12.根据权利要求10所述的组合式电动-液压马达，其中所述电动马达子系统转子组件与所述液压马达子系统转子组件旋转接合。
13.根据权利要求12所述的组合式电动-液压马达，其中所述转子组件通过动力传递机构被旋转接合。
14.根据权利要求10所述的组合式电动-液压马达，其中所述电动马达子系统转子组件相对于所述液压马达子系统转子组件旋转。
15.根据权利要求13所述的组合式电动-液压马达，其中所述动力传递机构包括至少一个齿轮传动。
16.根据权利要求13所述的组合式电动-液压马达，其中所述动力传递机构包括至少一个摩擦传动。
17.根据权利要求1所述的组合式电动-液压马达，其中所述电动马达子系统包括环形马达。
18.根据权利要求1所述的组合式电动-液压马达，其中所述电动马达子系统包括盘式马达。
19.根据权利要求1所述的组合式电动-液压马达，其中所述电动马达子系统包括无刷、永磁马达。
20.根据权利要求1所述的组合式电动-液压马达，其中所述液压马达子系统包括径向活塞环凸轮马达。
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