CN114051690A - 输送和存储能量的系统 - Google Patents

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雷蒙德·科尔斯
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Abstract

本申请描述了一种运行电动或者混合动力系统的方法，该方法包括连接到电动或混合传动系的同步磁阻电动机。该方法包括：(i)确定电动机所需的扭矩需求和(ii)所述电动机的转子的旋转速度，并且响应于(i)确定的所述扭矩需求低于选定的扭矩需求阈值和(ii)所述转子的速度低于选定的转子速度阈值的其中至少一个将来自所述传动系的动能存储在所述电动机的转子中。该方法还包括响应于以下至少一项：(i)确定的所述扭矩需求上升到选定的扭矩需求阈值以上和(ii)所述转子的速度低于选定的转子速度阈值而通过用电力为所述电动机提供动力以将能量输送到所述传动系来运行所述电动机。

Description

输送和存储能量的系统
技术领域
本申请涉及电动机，尤其涉及一种用于从电动或混合传动系输送和存储能量的系统和运行系统的方法，以及与这种系统一起使用的同步磁阻电动机，以及所述同步磁阻电动机的制造方法。
背景技术
最大限度地降低生命周期拥有成本和生命周期对环境和健康的影响的压力意味着材料和能源消耗的选择是制造和运行机电系统(如车辆)的关键考虑因素。在个人移动领域，这见证了混合动力汽车的兴起。
随着监管机构和用户对环保汽车的需求不断增长，以及对碳排放的规定越来越严格，混合动力汽车越来越受欢迎。如本领域技术人员所知，混合动力汽车使用两种或更多种不同动力源的组合来驱动车辆或者动力机械。在机动车辆领域，最常见的混合动力车是将内燃机(ICE)与一个或多个电动机相结合的混合动力电动汽车(HEV)。根据任何给定时间的电力需求，将内燃机和电动机之一或两者结合来为车辆的输出提供电力。
随着电动机转子的旋转，在恒定边界条件下，存储在气隙中的能量会发生变化。当被驱动时，这种能量的变化率因此定义了机器传递的功率。因此，机器传递的功率(P)与最大值和最小值之间的能量绝对变化有关，它定义了传递的扭矩(T)，以及这两个值之间的变化率，这两个值由旋转速度(ω)定义。换句话说，这种能量的变化率因此定义了机器可以提供的扭矩(T)。因此，机器传递的功率(P)与传递该扭矩时的转速(w)相关(参见下面的公式1)。
P＝T.ω (1)
为汽车等应用设计功率密集型电动机的传统方法是设计电动机以尽可能增加间隙中的磁通密度。这就是为什么传统上使用永磁材料来提高气隙磁通密度(β)的原因，因为气隙能量密度是β2的函数(参见下面的公式2)。然而，高通量密度的一个缺点是磁通量的大变化会导致大量损耗——尤其是热量的形式——来自定子齿中的涡流和磁滞。
Figure BDA0003443074510000021
如前所述，可以通过增加扭矩或速度来增加传递的机器功率。正如所讨论的，增加扭矩意味着更大的气隙磁通密度。替代方案是提高速度。通过提高速度，每单位时间的线圈激活次数将增加。如果可以容纳反电动势，以更高的速度运行电动机通常会更有效，因为对于给定的功率，所需的扭矩随速度下降。电流随转矩下降，电阻损耗随电流下降的平方而减小。然而，随着速度的增加，与绕组电感相关的电抗也会增加。其中：
XL＝2.π.f.L (3)
其中f是以赫兹为单位的信号频率，L是绕组电感。这种增加的电抗增加了绕组两端的压降，限制了电流进入定子绕组的能力。因此，需要减少绕组的匝数，这会增加电流或需要增加电压。
已知的混合系统存在问题，因为这样的系统可能经受高循环频率和相关的高功率流和由例如再生制动和恢复引起的热量产生，这可能加速电池健康的恶化，从而限制系统寿命。此外，如果将此类系统置于重复充电/放电循环中而几乎没有或没有机会发生热弛豫(即热扩散)，则该问题可能会加剧。因此，需要能量来冷却系统，否则该系统可用于推动车辆；从而限制范围或需要更大的电池。
本申请在多个方面试图解决这些问题。
发明内容
本申请的多个方面在独立权利要求中陈述并且可选特征在从属权利要求中陈述。本申请的多个方面可以彼此结合提供并且一个方面的特征可以应用于其它方面。
在目前的情况下，发明人已经认识到，通过以更高的旋转速度和电压运行，电动机可以主要以减小的电流在趋肤深度区域中运行。结果，可以使用具有更高电阻的材料，和/或，电动机可以在更高的温度下运行，因为更高的电阻和/或温度的影响被趋肤效应抵消了。结果，可以使用具有更高电阻率的(更便宜的)材料而不会影响电动机的效率。
此外，基于上述与功率、扭矩和转速相关的方程式，如果电动机以更高的速度运行，对于相同的功率输出，扭矩会减小。扭矩与通过定子绕组的电流成正比，因此以更高的速度运行电动机可以降低电流。减少电流可以减少I2R损耗，从而使电动机更有效地运行。此外，如果电流可以降低，那么(再次)可以使用具有更高电阻的(更便宜的)材料，而不会对电动机的效率产生不利影响。
发明人还认识到，通过使用电动机，例如在HEV中，具有非永磁场组件，例如具有非永磁体的转子，例如同步磁阻或电感电动机，所述电动机本身的转子可以用作飞轮以旋转动能的形式储存能量，从而回收可能以其它方式损失的能量，例如，作为热量。否则，如果动能被吸收到电池中(通过将动能转换为电能，然后通过将电能转换为化学能)，如果这些组件没有足够的时间冷却并且没有足够的热梯度来允许冷却，那么电力电子设备和电池(管理相关的电源/电流)将被加热，随着时间的推移可能会损坏这些组件。此外，因为热量需要时间消散，由于能量以旋转动能的形式储存(而在能量被电池吸收之前)，相反，热应力有时间消散。这反过来又有效地增加了传热的有效表面积。
因此，在本申请的第一方面，提供了一种用于向电动或混合传动系输送能量并存储来自电动或混合传动系的能量的系统，该系统包括：
一个同步磁阻电动机，可连接到所述传动系；和
控制器，用于控制所述同步磁阻电动机的运行，以将从所述传动系统接收的能量以动能的形式存储在所述同步磁阻电动机的转子中。
所述控制器用于控制所述同步磁阻电动机的运行以通过使用存储在所述转子中的动能将能量输送到所述传动系。例如，所述控制器可以用于确定所述系统所需的扭矩需求并且响应于所确定的扭矩需求达到选定的扭矩需求阈值来控制所述电动机的运行以使用存储在所述转子中的动能将能量输送到所述传动系。
所述控制器可以用于基于连接到所述控制器的传感器来确定扭矩需求。例如，所述控制器可以用于接收指示系统要求的扭矩水平的传感器信号，例如从所述电动机。例如，所述控制器可以用于从连接到油门/加速器踏板(和/或用于提供期望扭矩需求的指示的任何其它装置)的传感器接收传感器信号，例如由HEV的用户操作。在一些示例中，所述控制器可以用于确定所述系统的扭矩需求并确定要传递的扭矩以满足使用电动机和可选的另一个动力源(例如ICE)的需求。所述控制器可以用于基于连接到所述电动机的电池的充电状态和/或存储在所述飞轮中的动能的量的确定来确定使用所述电动机传递的扭矩。
在一些示例中，所述控制器用于测量作为时间的函数的扭矩需求以确定扭矩需求的变化率。所述控制器可以用于确定所述系统所需的扭矩需求的变化率，并响应于确定的扭矩需求变化率达到选定的扭矩需求变化率阈值而使用以下之一来控制所述电动机的运行以将能量输送到所述传动系：
(i)所述转子中储存的动能；或者
(ii)为所述同步磁阻电动机供电的电力。
在一些示例中，所述控制器可以用于基于所确定的扭矩需求和/或所确定的扭矩需求的变化率，从存储在所述转子中的动能和为所述同步磁阻电动机提供动力的电力中确定将被输送到所述传动系的能量的比率。例如，如果扭矩需求的变化率特别高，则所述控制器可以用于主要使用存储在所述转子中的动能来实现最大加速度，而如果扭矩需求的变化率低，则所述控制器可以用于主要使用电力为所述同步磁阻电动机提供动力。
在一些示例中，所述系统包括另一个动力源，例如，ICE。所述控制器可以用于基于所确定的扭矩需求和/或扭矩需求的变化率，来确定是否使用(i)存储在所述转子中的动能；和/或(ii)为所述同步磁阻电动机供电的电力；和/或(iii)另一个动力源(例如ICE)作为主要动力源，为所述系统提供动力。在一些示例中，所述控制器可以用于基于所确定的扭矩需求和/或扭矩需求的变化率来控制从动力源(即，电动机或ICE)输送到传动系的能量的比率。例如，如果确定的扭矩需求超过选定的阈值，所述控制器可以用于使用另一个动力源作为主要动力源来驱动所述传动系，但是如果扭矩需求的变化率超过选定的阈值，所述控制器可以用于使用存储在转子中的动能作为主要动力源来实现最大加速度。应当理解，在一些示例中，所述控制器还可以用于基于所述转子的速度进行上述确定。如果所述转子的速度太低(例如低于选定的阈值)，所述控制器将确定所述转子可能无法存储足够的动能来充当向所述传动系供能的动力源，而是必须决定是通过为电动机供电还是从其他电源(例如ICE)为所述传动系提供能量。
在一些示例中，所述控制器用于确定所述系统所需的扭矩需求并响应于所述扭矩需求下降到选定扭矩需求阈值以下来控制所述电动机的运行以将来自所述传动系的动能存储在所述电动机的转子中。例如，如果该系统用于正在制动的车辆，所述控制器将确定扭矩需求已经下降，并控制所述系统通过旋转电动机的转子作为飞轮来回收动能并储存回收的动能。除了防止不必要的热量产生(这会损坏电力电子设备和/或电池，如上所述)，通过将此能量作为动能回收而不是将其转换为电能然后用于快速充电，例如，电池(通过将电能转换为电化学能)这可能有助于防止电池和/或电力电子设备由于相关的高功率流和相关的从一种能量形式到另一种能量形式的低效转换而被不必要地加热。
在一些示例中，所述控制器用于基于转子的旋转速度和/或系统的确定的扭矩需求来确定是否以以下至少一种方式运行系统：
(i)第一运行模式，可运行以通过电力为所述电动机提供动力来向所述传动系统输送能量；
(ii)第二运行模式，可运行以通过使用存储在所述转子中的动能向所述传动系输送能量；和
(iii)第三运行模式，可运行以将从所述传动系接收的能量存储为动能；和(iv)第四运行模式，可运行以将所述转子中的动能转换为电能。
将所述转子中的动能转换为电能可以包括所述控制器控制所述电动机作为发电机，或者可以包括所述控制器控制所述系统以使用所述转子中的动能驱动单独的发电机来发电。产生的电能可以提供给与电动机连接的电池(例如，如果用于HEV)，或者可以提供给与所述电池连接的电网(例如，如果用于某些火车/机车)。通过这种方式，可以控制反馈到电池和/或电网的电能供应，这可以减少高电流峰值和瞬变，从而延长电子组件和电池的使用寿命。在考虑频繁的停-启行程时，这可能是一个特别相关的问题，例如由快递或公共交通工具(例如公共汽车、火车、地铁等)进行的行程。
在一些示例中，所述控制器可以用于在第五运行模式下运行系统。在所述第五运行模式中，所述系统可能处于空闲状态，此时没有能量传输到所述传动系和/或来自所述传动系的能量(例如，车辆已启动但在交通灯处等待)，例如当没有确定的扭矩需求时以及当所述转子以高于选定阈值的速度旋转。在一些示例中，第五运行模式可以包括由存储在转子中的动能提供动力的辅助系统(例如加热(Heating)、通风(Ventilation)和空调(AirConditioning)，HVAC)。在一些示例中，在第五运行模式中，如果存在另一个电源(例如ICE)，则所述控制器可以用于确定关闭另一个电源以提高效率并减少排放。
在一些示例中，所述控制器还可以用于在第六运行模式下运行所述系统。所述第六运行模式可以在“接通”时开始，例如当车辆从冷态启动时。例如，所述控制器可以用于在系统已经静止和/或关闭选定的关闭时间间隔之后以第六运行模式运行控制器。因此，所述第六种运行模式可以从所述转子空闲和冷态开始。控制器可以利用转子冷的事实，并使用这个事实将转子旋转到高速(例如，至少达到8,000rpm，或速度至少为18,000rpm的飞轮模式)时间短。因为转子是冷的，所述控制器可以在“超速驱动模式”下运行电动机一段选定的时间间隔和/或直到转子达到选定的转速。通过以这种方式在选定的时间间隔内快速旋转转子，所述控制器可以避免在转子以低速和高扭矩运行的情况下运行系统。所述控制器可以用于一旦转子已经达到选定的旋转速度就退出第六运行模式。
所述控制器可以用于响应于(i)所述转子的速度达到选定的最大速度阈值和(ii)确定的所述扭矩需求保持低于最小扭矩需求阈值且持续大于选定的时间间隔的时长中的至少一个以第四运行模式运行系统。例如，如果所述转子已经以最大速度或接近最大速度旋转，则所述控制器可以用于确定存储在所述转子中的动能应该被转换为电能，以便在所述转子中产生存储更多能量的能力。最大速度阈值可以基于所述转子的设计公差和/或所述转子能够承受的最大向心力来选择。
在一些示例中，例如当在HEV中使用时，该系统还包括连接到所述电动机的电池。在这样的示例中，所述控制器可以用于在第四运行模式下运行系统以基于以下条件控制能量从所述电动机到所述电池的流动：(i)所述电池的充电状态，(ii)所述转子的速度和可选的(iii)所述电动机所需的扭矩需求。例如，所述控制器可以用于仅在所述第四运行模式下运行以在系统上没有施加扭矩需求的情况下为所述电池充电。如果停车或处于“熄火”状态(当系统关闭时)。然而，可以理解的是，该特征是可选的，因为可能存在可以为车辆供电的辅助电源(例如ICE)，因此即使存在扭矩需求，只要扭矩需求满足，电池仍可充电由辅助电源(在本例中为ICE)满足。
在一些示例中，所述控制器用于当所述转子的速度低于选定的转子速度阈值时以第一运行模式运行系统。所述控制器可以用于当所述转子的速度高于选定的转子速度阈值时以第二运行模式运行系统。所述控制器可以用于响应于确定的扭矩需求达到或超过选定的扭矩需求阈值(例如，如果确定的扭矩需求大于作为动能存储在转子中的能量的量)，则以第一运行模式运行系统。)，并且响应于确定的扭矩需求下降到选定的扭矩需求阈值以下而在所述第二运行模式下运行所述系统。所述控制器可以用于响应于系统的扭矩需求下降到选定阈值以下以第三运行模式运行所述系统——例如，所述控制器可以用于响应于所述扭矩需求等于零或者小于零(即用户想要放慢速度)，而在所述第三运行模式下运行所述系统。在一些示例中，所述控制器用于响应指示减速超过选定的减速率阈值的扭矩需求率而以第三运行模式运行系统。
一些示例中，在第三运行模式下，所述控制器用于运行系统以将所述转子从当所述电动机由电力供电时所述转子运行的速度加速到飞轮速度以用于以动能的形式存储能量。换言之，所述控制器可以用于以“电动机模式”和“飞轮模式”运行所述电动机。在电动机模式下，所述控制器可以用于保持所述转子以至少8000rpm的速度旋转，例如在8000rpm和14,000rpm之间，从而避免在所述转子以低速运行和具有高扭矩。在飞轮模式下，所述转子将以高得多的速度旋转，例如以至少10,000rpm的速度旋转，例如至少14,000rpm，并且在一些示例中超过20,000rpm，例如高达40,000rpm。应当理解，可能存在“混合区域”，其中所述控制器可以在电动机模式或飞轮模式下运行所述电动机，例如所述控制器可以用于在混合区域中运行所述电动机，该混合区域包括至少用于电动机模式的一部分速度和用于飞轮模式的至少一部分速度，例如，所述控制器可以用于在转子以10,000rpm和14,000rpm之间的速度旋转的混合区域中运行所述电动机。
在一些示例中，所述系统包括连接在所述传动系和所述转子之间的变速器，例如，无级变速器，并且其中所述控制器用于控制所述电动机的运行以运行所述系统以加速转子，包括所述控制器用于控制所述变速器的运行以控制所述传动系和所述转子之间的能量供应。以这种方式，所述控制器可以使用所述变速器将所述传动系中的动能转换成存储在所述转子中的动能。以这种方式直接转换机械能可能比将所述传动系中的机械能转换为电能，然后使用电能为电动机提供动力以旋转飞轮更有效，因为在将机械能转换为电能时不可避免地会有损失反之亦然。
应当理解，变速器是可以在有效传动比范围内改变的变速器，并且包括无级变速器(CVT，Continuously Variable Transmission)或无级变速器(IVT，InfinitelyVariable Transmission)。在IVT中，输出轴速度与输入轴速度的比率范围包括可以从定义的“更高”比率连续接近的零比率。变速器可由控制器控制，例如，以允许电动机以产生最大功率或最有效运行的RPM转动。应当理解，在一些示例中，变速器可以包括离合器(例如离心式离合器)以促进空档和/或可以包括多速(例如两速)齿轮箱以扩展机器的有效范围。在一些示例中，变速器可以由离合器和/或多速变速箱代替。
本申请的另一方面提供一种混合动力电动车辆，HEV，包括上述用于输送能量的系统。
本申请的另一方面，提供了一种运行包括连接到电动或混合传动系的同步磁阻电动机的电动或混合动力系统的方法，该方法包括：
(i)确定所述电动机所需的扭矩需求和(ii)所述电动机的转子的旋转速度；
响应于(i)确定的扭矩需求低于选定的扭矩需求阈值和(ii)转子的速度低于选定的转子速度阈值中的至少一个，将来自所述传动系的动能储存在所述电动机的转子中；和
响应于(i)确定的扭矩需求上升到选定的扭矩需求阈值以上和(ii)转子的速度低于选定的转子速度阈值中的至少一个而通过向所述电动机供电的方式运行所述电动机以将能量传输至所述电动系中。
在一些示例中，该方法还包括响应于(i)所述扭矩需求上升到选定扭矩需求阈值以上，以及(ii)所述电动机的转子的速度低于选定的转子速度阈值，而用电力为所述电动机提供动力以将能量输送至所述传动系。
该方法还可以包括当转子的速度高于选定的速度阈值时，通过使用存储在转子中的动能来运行系统以将能量输送到所述传动系。在一些示例中，该方法还包括响应于：(i)转子的速度达到选定的最大速度阈值和(ii)确定的扭矩需求低于选定的最小扭矩需求阈值并持续超过选定的时间间隔的时长的至少一项运行系统以将所述转子中的动能转换为电能。
在一些示例中，该方法还包括确定系统所需的扭矩需求的变化率和响应于确定的扭矩需求变化率达到选定的扭矩需求变化率阈值而使用以下之一控制所述电动机的运行以将能量输送到传动系：
(i)转子中储存的动能；或者
(ii)为同步磁阻电动机供电的电力。
在本公开的另一方面，提供了一种计算机可读非暂时性存储介质，其包括用于计算机的程序，该程序用于被处理器运行而执行上述方法。
在本公开的另一方面，提供了一种用于同步磁阻电动机的转子，该转子包括非永磁体和由磁通引导支撑件支撑的多个磁通引导件，其中所述多个磁通引导件用于优先引导磁通量在其中通过。应当理解，转子和使用它的同步磁阻电动机可以是上文关于第一方面描述的用于输送能量的系统的一部分。
所述磁通引导件可以由高导磁率的磁性材料制成，例如电工钢、镍或压制烧结材料，例如软磁复合材料，例如
Figure BDA0003443074510000091
(
Figure BDA0003443074510000092
具有电阻，其中不会进行层压要求，例如
Figure BDA0003443074510000093
500、
Figure BDA0003443074510000094
130i、
Figure BDA0003443074510000095
7003P或
Figure BDA0003443074510000096
7005P)。所述磁通引导支撑件可以是以下任何一种：(i)用于限制转子的环；(ii)紧固装置，例如将磁通引导件的包固定在一起的铆钉；和/或(iii)用于将磁通引导件固定到位的铸件的接收部分。磁导支撑件可以是非磁性的。
与可包括由空气或导磁材料形成的磁通屏障的常规同步磁阻电动机不同，本申请的同步磁阻电动机使用磁通引导件来主动引导磁通通过。因此，可以减少形成这种转子所需的磁性材料的量。
所述多个磁通引导件可以包括由沿径向分层的磁性材料层形成的多个至少部分嵌套的磁通引导件。形成所述磁通引导件的所述磁性材料层连接在一起以形成分立的、层叠的磁通引导件包，每个分立的包用于在使用中提供所述转子中的电极。例如，磁通引导件的层可以通过诸如铆钉或支架之类的紧固装置联接在一起。紧固装置可用于承受当转子用作飞轮以存储动能时可能经历的高向心力。所述包可以围绕转子的边缘间隔开，并且转子的中心可以填充有诸如铝的非磁性材料。
形成磁通引导件的磁性材料层可以由非磁性复合材料隔开。非磁性复合材料可以是玻璃复合材料。非磁性复合材料可用作将磁通引导件层保持在一起的紧固装置。非磁性复合材料可以与填充转子中心的非磁性材料相同或不同。
在一些示例中，所述磁通引导件用于在所述转子中提供至少四个电极。每个所述磁通引导件是弓形的，每个所述磁通引导件的中点最靠近所述转子的中心，而每个磁通引导件的端部最靠近所述转子在径向上的边缘。
在一些示例中，所述转子由非磁性材料的外环界定。所述环可以用于承受来自以高速旋转的转子的向心力，例如至少40,000rpm。在一些例子中，所述环由铬镍铁合金制成；在其它示例中，所述环可以由诸如碳纤维绕组的绕组制成。所述环的相对磁导率可能为1。
在一些示例中，每个磁通引导件的靠近所述转子外围的至少一部分(例如，磁通引导件的邻近环的部分)由与磁通引导件的其余部分不同的材料形成，例如软磁复合材料，例如
Figure BDA0003443074510000101
500或
Figure BDA0003443074510000102
700。
在使用中，所述转子可以用于在至少300℃的温度下运行。所述转子可以用于作为飞轮运行以存储动能。例如，所述转子可以用于以至少40,000rpm的速度旋转。
在本申请的另一方面，提供了一种同步磁阻电动机，包括定子和上述方面的转子。定子可以包括铝绕组。定子的铝绕组可以通过焊接与双金属接头连接。定子可以包括多个齿，铝绕组围绕这些齿形成，并且其中每个齿是锥形的，使得齿的靠近转子的部分比远离转子的齿的部分窄。在一些示例中，定子的齿形成至少36个槽，例如至少48个槽。定子的每个齿可以仅包括一层绕组和绕组中的至少8匝。在一些示例中，同步磁阻电动机还包括围绕定子的冷却装置。冷却装置可包括充液夹套。在一些示例中，同步磁阻电动机还包括沿着所述转子的旋转轴线夹在所述转子和所述定子的任一侧的铝层，其中所述铝层用于为所述电动机提供鼠笼。
在本申请的另一方面，提供了一种制造用于同步磁阻电动机的转子的方法，该方法包括：
提供用于接收转子组件的铸件；
提供多个磁通引导件，所述多个磁通引导件用于优先引导磁通通过其流动；
将所述多个磁通引导件成组地插入所述铸件内部，其中所述组以圆形图案围绕所述铸件展开，从而在所述转子的中间产生空隙；
用非磁性材料填充所述转子中间的空隙。
非磁性材料可以是铝。
在一些示例中，用于接收所述转子组件的铸件包括一个环，所述环被构造成围绕所述转子的圆周环绕转子，并且其中该环被构造成将所述转子组件保持在其中。在一些示例中，所述铸件包括多个接收部分，所述接收部分用于在所述转子内接收和定位所述磁通引导件。
在本申请的另一方面，提供了一种制造用于同步磁阻电动机的转子的方法，该方法包括：
提供多个磁通引导件，所述多个磁通引导件用于优先引导磁通通过其流动；
将所述多个磁通引导件成组地与磁通引导支撑件连接，其中这些组用于围绕所述转子内部的边缘展开。
在一些示例中，将所述多个磁通引导件成组地与所述磁通引导支撑件连接，包括创建磁通引导支撑件的夹层，其中所述夹层包括夹在所述磁通引导支撑件的层之间的非磁性复合材料层。
在一些示例中，将所述多个磁通引导件成组地与所述磁通引导支撑件连接，包括将所述磁通引导件的层连接在一起以形成多个离散的磁通引导件的包，其中每个包包括多个磁通引导件的层。
在一些示例中，将所述磁通引导件的层连接在一起包括将所述磁通引导件的层与紧固装置紧固在一起，所述紧固装置至少部分地穿过所述磁通引导件的层。
在本申请的另一方面，提供了制造用于同步磁阻电动机的转子的方法，该方法包括：
提供多个磁通引导件，所述多个磁通引导件用于优先引导磁通通过其流动；
提供用于支撑所述多个磁通引导件的磁通引导支撑件；
将所述多个磁通引导件成组放置在所述磁通引导支撑件上，其中每组包括多个分层磁通引导件，形成一组磁通引导件；
用非磁性复合材料填充每组每层之间的空间形成一个包，以形成夹在磁通引导件的层之间的非磁性复合材料夹层。
在一些示例中，将所述多个磁通引导件成组放置，每组形成一个包，在所述磁通引导支撑件上，包括以圆形图案围绕所述支撑件放置所述磁通引导件包，进一步包括通过用非磁性材料填充每个磁通量引导件包之间的空隙来将每包的所述磁通引导件连接在一起。
在本申请的另一方面，提供一种制造同步磁阻电动机定子的方法，该方法包括：
提供磁性材料的细长条；
沿着所述细长条的一个边缘形成多个槽，从而形成多个定子齿，所述多个定子齿用于沿着所述细长条的边缘接收定子绕组，其中选择所述槽的深度，使得每个槽的底部和细长条的相对边缘之间的所述细长条的材料深度足以允许所述细长条充分弯曲，使得所述细长条的两端可以连接在一起；和
将所述细长条的两个相对端部连接在一起形成环，使得包括所述多个槽的所述细长条的边缘面向所述环的内侧。
在一些示例中，形成所述多个槽，包括形成多个锥形槽，从而形成多个锥形齿，基于所述细长条的长度选择锥形度，使得当所述细长条的两个相对端连接在一起形成一个环，所述多个锥形齿之间的间距沿所述槽的深度方向是均匀的。
附图说明
现在将参考附图，仅通过示例的方式，说明本申请的实施例，其中：
图1示出了用于向电动或混合传动系输送能量和存储来自电动或混合传动系的能量的示例系统的功能框图；
图2示出了用于向电动或混合传动系输送能量和存储来自电动或混合传动系的能量的另一个示例系统的功能框图。
图3示出了用于向电动或混合传动系输送能量和存储来自电动或混合传动系的能量的另一个示例系统的功能框图；
图4示出了运行一系统的示例方法的流程图，该系统用于向电动或混合传动系输送能量和存储来自电动或混合传动系的能量，例如图1至图3任何一个个所示的系统；
图5示出了示例同步磁阻电动机的透视图。
图6示出了图5的示例同步磁阻电动机的端视图。
图7示出了图5的示例同步磁阻电动机的转子的透视图。
图8示出了制造用于同步磁阻电动机的转子的示例方法的流程图，例如图6中所示的转子；
图9示出了制造用于同步磁阻电动机的转子的另一示例方法的流程图，例如图6所示的转子；
图10示出了制造用于同步磁阻电动机的转子的另一示例方法的流程图，例如图6所示的转子；和
图11A至11B示出了制造用于同步磁阻电动机的定子，例如图6所示的定子所涉及的一系列步骤。
具体实施方式
权利要求的实施例涉及一种用于向电动或混合传动系输送能量并存储来自电动或混合传动系的能量的系统。特别地，权利要求的实施例涉及一种系统，该系统可用于例如混合动力或电动传动系统中以回收动能(例如在制动时)但可控制反馈回电池的回收电能的供应和/或电力传输网络(例如国家电网)。因此，该系统可以帮助减少高电流峰值和瞬变，从而延长电子元件和电池的使用寿命。
图1示出了示例系统100的功能框图，用于向电动或混合动力传动系输送能量并存储来自电动或混合动力传动系的能量。图1示出了通过变速器105连接到传动系107的同步磁阻电动机101。应当理解，变速器105可以是可以在有效齿轮比范围内改变的传动装置，并且可以包括无级变速器(CVT)和/或无级变速器(IVT)。
在该示例中为内燃机的次级动力源109也与同步磁阻电动机101并联地连接到传动系107。将理解的是，次级动力源109也可经由变速器(未示出)连接到传动系107或者可以与电动机101共享变速器。在变速器105和次级动力源109中的每一个之间是离合器150。
控制器103连接到同步磁阻电动机101、变速器105和次级电源109，尽管应当理解控制器103可以仅连接到同步磁阻电动机101并且在一些示例中还可以连接到变速器105。在所示的示例中，传动系107是混合动力电动车辆的传动系，因此传动系107连接到四个相应的车轮175。在所示的示例中，可选择地，每个车轮175通过相应的离合器150连接到传动系107。
在图1所示的示例中，可选择地，同步磁阻电动机101也连接到电池111。
控制器103用于控制同步磁阻电动机101的运行以将从传动系107接收的能量以动能的形式存储在同步磁阻电动机101的转子中。控制器103还用于通过使用存储在转子中的动能来控制同步磁阻电动机101的运行以将能量输送到传动系107。
在图1所示的示例中，控制器103用于确定系统所需的扭矩需求，并响应确定的扭矩需求达到选定的扭矩需求阈值使用存储在转子中的动能控制电动机101的运行来向传动系107输送能量。可以基于次级动力源109的功率输出选择选定的扭矩需求阈值，例如次级动力源109的峰值功率输出。另外或替代地，可以基于可选电池111的容量或功率选择选定的扭矩需求阈值。例如，选定的扭矩需求阈值可以被选择，使得可选电池111不受极端放电情况的影响。
在图1所示的示例中，控制器103用于基于连接到控制器103的传感器确定扭矩需求。在图1所示的示例中，控制器103用于接收指示系统需求的扭矩水平的传感器信号，例如来自电动机101的扭矩。例如，控制器103可以用于从由HEV的用户运行的油门踏板接收传感器信号。
在图1所示的示例中，控制器103用于确定系统的扭矩需求，并使用电动机101和可选的次级动力源109确定要传递的扭矩以满足该需求。在图1中，控制器103用于基于连接到电动机101的可选电池111的充电状态和/或存储在电动机101中的动能的量的确定来确定使用电动机101传递的扭矩。电动机101的转子(可以从转子的旋转速度确定)，例如，可以使用存储在电动机101的转子中的动能和/或来自次级动力源109的能量的组合来满足扭矩需求。
在图1所示的示例中，控制器103用于基于转子的旋转速度和/或所确定的系统扭矩需求来确定是否在以下至少一种方式中运行系统：(i)第一运行模式可运行以通过电力为马达101提供动力来向传动系107输送能量；(ii)第二运行模式可运行以通过使用存储在转子中的动能向传动系107输送能量；(iii)第三运行模式可运行以将从传动系107接收的能量存储为动能；(iv)第四运行模式可运行以将转子中的动能转换为电能。
将转子中的动能转换为电能可以包括控制器103控制电动机作为发电机，或者可以包括控制器103控制系统使用转子中的动能驱动单独的发电机发电。产生的电能可以提供给与电动机101连接的电池111(例如，如果在HEV中使用)，或者可以提供给与电池连接的电网(例如，如果在一些火车/机车中使用)。以这种方式，可以控制反馈到电池111和/或电网的电能供应，这可以减少高电流峰值和瞬变，从而保持电气部件和电池的寿命。在考虑频繁的停-启行程时，这可能是一个特别相关的问题，例如由快递或公共交通工具(例如公共汽车、火车、地铁等)进行的行程。
图4示出了运行一系统的示例方法的流程图，该系统用于向电动或混合传动系输送能量和存储来自电动或混合传动系的能量，例如图1所示的系统。
在使用中，控制器103接收指示转子旋转速度的传感器信号，用于确定403存储在转子中的动能的量。控制器103还接收指示系统所需的扭矩水平的传感器信号并且确定405扭矩需求。控制器103还确定用户是否仍然希望系统运行——在图4所示的示例中，它通过确定407点火装置是否仍然打开或关闭(“熄火”)来实现这一点。
控制器103基于转子的旋转速度和所确定的系统扭矩需求确定409是否在以下中运行系统：(i)第一运行模式411，可运行以通过电为电动机101提供动力来将能量输送到传动系107；(ii)第二运行模式412，可运行以通过使用存储在转子中的动能向传动系107输送能量；(iii)第三运行模式413，可运行以将从传动系107接收的能量存储为动能；(iv)第四运行模式414，可运行以将转子中的动能转换成电能。
一旦控制器103以这些运行模式之一运行，它将周期性地确定它是否仍在以正确的运行模式运行；在图4中，它通过在再次重复该过程之前等待415选定的时间间隔并确定它是否仍在以正确的运行模式运行来做到这一点。
在控制器103确定存在断开(即用户不再希望系统可运行)的示例中，例如图4中所示的示例，控制器103将在第四运行模式下运行系统将转子中存储的动能转换为电能的运行，以便尽可能地保存能量(否则转子中存储的任何动能将随着时间的推移由于摩擦损失等而逐渐损失)。
在图1所示的示例中，控制器103还接收指示可选电池111的充电状态的传感器信号。控制器103基于连接到电动机101的可选电池111的充电状态和/或存储在电动机转子中的动能的量(其可以基于转子的旋转速度确定)的确定来确定使用电动机101传递的扭矩101，从而可以使用存储在电动机101的转子中的动能和/或来自为电动机101供电的可选电池111能量之一或组合来满足扭矩需求。
在图1所示的示例中，控制器103还接收指示次级动力源109的功率输出的传感器信号并且基于确定的扭矩需求、次级动力源109的功率输出、连接到电动机101的可选电池111的充电状态和存储在电动机101的转子中的动能的量的组合来控制从电动机101和次级动力源109输送到传动系107的能量的比率。
在一些示例中，控制器103用于测量作为时间的函数的扭矩需求以确定扭矩需求的变化率。控制器103可以用于确定系统所需的扭矩需求的变化率并使用以下之一来控制电动机101的运行以将能量输送到传动系107：(i)存储在转子中的动能；或(ii)响应于所确定的扭矩需求变化率达到选定的扭矩需求变化率阈值，为同步磁阻电动机101供电的电力。为同步磁阻电动机101供电的电力可由可选电池111和/或电力传输网络(例如国家电网)提供。
在系统包括诸如ICE的次级动力源109的一些示例中(例如在图1所示的示例中)，控制器103可以用于确定是否使用(i)存储在转子中的动能；和/或(ii)为同步磁阻电动机101提供动力的电力；和/或(iii)次级动力源109作为为系统提供动力的主要动力源，该系统基于确定的扭矩需求和/或扭矩需求的变化率。应当理解，在一些示例中，控制器103可以用于控制系统使用动力源的组合来向传动系107提供动力，并且控制器103可以用于控制从一个动力源到传动系107的能量比率以满足确定的扭矩需求。
在一些示例中，控制器103可以用于基于所确定的扭矩需求和/或扭矩需求的变化率来控制从动力源(即，电动机或ICE)输送到传动系107的能量的比率。例如，如果确定的扭矩需求超过第一选定阈值，则控制器103可以用于使用次级动力源109作为主要动力源来驱动传动系107，但是如果扭矩需求的变化率超过第二选定阈值时，控制器103可以用于使用存储在转子中的动能作为主要动力源来实现最大加速度。应当理解，在一些示例中，控制器103还可以用于基于转子的速度进行上述确定；如果转子的速度太低(例如低于一选定阈值)，则控制器103将确定转子可能无法存储足够的动能以能够充当为传动系107提供动力的动力源，而是必须决定是通过为电动机101提供动力的电力还是从次级动力源109向传动系107提供能量。
在一些示例中，控制器103用于响应扭矩需求低于所选扭矩需求阈值而确定系统所需的扭矩需求并控制电动机101的运行以将来自传动系107的动能存储在电动机101的转子中。例如，如果系统用于正在制动的车辆中，则控制器103将确定扭矩需求已经下降并控制系统通过旋转电动机101的转子来恢复动能(否则可能会作为热量损失)，以用作飞轮来存储回收的动能。
在一些示例中，控制器103可以用于基于所确定的扭矩需求和/或所确定的扭矩需求的变化率，从存储在转子中的动能和为同步磁阻电动机101提供动力的电力来确定将被输送到传动系的能量的比率。例如，如果扭矩需求的变化率特别高，则控制器103可以用于主要使用存储在转子中的动能来实现最大加速度，而如果扭矩需求的变化率低，则控制器103可以用于主要使用电力来为同步磁阻电动机101提供动力。
在一些示例中，控制器103用于当转子的速度低于选定的转子速度阈值时以第一运行模式运行系统。控制器103可以用于当转子的速度高于选定的转子速度阈值时以第二运行模式运行系统。控制器103可以用于响应于所确定的扭矩需求达到或超过选定的扭矩需求阈值(例如，如果所确定的扭矩需求大于作为动能存储在转子中的能量的量)而在第一运行模式下运行系统。控制器103还可以用于响应于确定的扭矩需求下降到选定的扭矩需求阈值以下而处于第二运行模式。控制器103可以用于响应于系统的扭矩需求下降到选定阈值以下以第三运行模式运行系统——例如控制器103可以用于响应于扭矩需求为零或小于零(即用户想要放慢速度)而以第三运行模式运行系统。在一些示例中，控制器103用于响应于指示超过选定减速率阈值的减速的扭矩需求率以第三运行模式运行系统。
在第三运行模式中的一些示例中，控制器103用于运行系统以将转子从由电力供电时转子运行的速度加速到飞轮速度以用于以动能的形式存储能量。换言之，控制器103可以用于在“电动机模式”和“飞轮模式”下运行电动机101。在飞轮模式下，转子将以更高的速度(例如，超过20,000rpm)旋转，而在电动机模式下，转子将以更低的速度，例如10,000rpm或更低，旋转。在一些示例中，如图1所示，系统包括连接在传动系107和电动机101之间的变速器105，例如，无级或无限变速器，并且其中控制器103用于控制电动机101的运行来运行系统以加速转子，包括控制器103，其用于控制变速器105的运行以控制传动系107和转子之间的能量供应。以这种方式，控制器103可以使用变速器105将传动系107中的动能转换成转子中存储的动能。以这种方式直接转换机械能可能比将传动系107中的机械能转换为电能然后使用电能为电动机提供动力以旋转飞轮更有效，因为在将机械能转换为电能时不可避免地存在损失能量，反之亦然。
控制器103可以用于响应于以下中的至少一个以在第四运行模式下运行系统：(i)转子的速度达到选定的最大速度阈值和(ii)确定的扭矩需求保持低于最小扭矩需求阈值的持续时长大于选定的时间间隔。例如，如果转子已经以最大速度或接近最大速度旋转，则控制器103可以用于确定存储在转子中的动能应该被转换成电能以便在转子中产生容量以再次存储再次的动能。最大速度阈值可以基于转子的设计公差和/或转子能够承受的最大向心力来选择。
在一些示例中，例如当在一HEV中使用时，系统进一步包括连接到电动机的可选电池111。在这样的示例中，控制器103可以用于在第四运行模式下运行系统以基于以下条件控制能量从电动机到电池111的流动：(i)电池111的充电状态，(ii)转子的速度和可选的(iii)电动机101所需的扭矩需求。例如，如果系统上没有扭矩需求，则控制器103可以用于仅在第四运行模式下运行以对电池111充电，例如，如果停车或处于关闭状态(当系统关闭时)。然而，应当理解，该特征是可选的，因为可能存在可以为车辆提供动力的次级动力源109(例如ICE)，因此即使存在扭矩需求，电池111仍然可以充电，只要扭矩需求由次级动力源109满足。
在一些示例中，控制器103可以用于在第五运行模式下运行系统。在第五运行模式中，系统可以是空闲的，其中没有能量被输送到和/或来自传动系107(例如，车辆开着但是在交通灯处等待)，例如当没有确定的扭矩需求并且当转子以高于选定阈值的速度旋转时。在一些示例中，第五运行模式可以包括由存储在转子中的动能提供动力的辅助系统(例如加热、通风和空调，HVAC)。在一些示例中，在第五运行模式中，如果存在另一个电源(例如次级动力源109)，则控制器103可以用于确定是否关闭另一个电源以提高效率并减少排放。可以理解的是，辅助系统也可以在上述第一、第二、第三和第四运行模式中的任一个中由可选电池111、次级动力源109和/或存储在转子中的动能中的任一个供电。在许多示例中，辅助传动系统将在第一、第二、第三和第四运行模式下由次级动力源109供电。辅助传动系统也可由次级动力源109在第五运行方式下供电。
图2示出了用于向电动或混合传动系输送能量和存储来自电动或混合传动系的能量的另一个示例系统200的功能框图。图2中所示的系统200在许多方面类似于图1中所示的系统100，并且共享图1中所示系统100的许多特征和许多功能。
与图1所示的系统100一样，图2所示的系统200是混合动力电动车辆并且包括经由变速器205连接到传动系207的同步磁阻电动机201。应当理解，变速器205可以是可以在有效齿轮比范围内改变的，并且可以包括无级变速器VT和/或无级变速器IVT。
在该示例中为内燃机的次级动力源209也与同步磁阻电动机201并联地连接到传动系207。可以理解的是，次级动力源209也可经由变速器(未示出)连接到传动系207或者可以与电动机201共享变速器。在每个变速器205和次级动力源209之间是离合器250。
控制器203连接到同步磁阻电动机201、变速器205和次级动力源209，但是应当理解控制器203可以仅连接到同步磁阻电动机201并且在一些示例中还可以连接到变速器205。在所示的示例中，传动系207是混合动力电动车辆的传动系，因此传动系107连接到四个相应的车轮275。在所示的示例中，每个车轮275通过相应的可选离合器250连接到传动系207。
在图2所示的示例中，同步磁阻电动机201也连接到可选的电池211，并且电池211通过发电机212连接到次级动力源209。
图2中所示的控制器203用于控制同步磁阻电动机201的运行以以与上面描述的图1中的控制器103几乎相同的方式将从传动系207接收的能量以动能的形式存储在同步磁阻电动机201的转子中。控制器203还用于控制同步磁阻电动机201的运行以通过使用存储在转子中的动能以与上面描述的图1中的控制器103几乎相同的方式将能量输送到传动系207。然而，因为图2中所示的系统200还包括在次级动力源209和电池211之间的发电机，所以次级动力源209可以用于为电池211充电以给所述电动机201供电.
还应理解的是，虽然图2中将次级动力源209示出为连接到传动系207，但在一些示例中，次级动力源209可以仅连接到发电机212以便提供用于为电动机201提供动力。——换言之，在一些示例中，次级动力源209可能根本不直接连接传动系207，而是可以仅用作为电动机201提供动力的电源。
应当理解，次级动力源109、209是可选的。图3示出了另一个示例系统300的功能框图，该系统用于向不包括次级动力源的电力传动系输送能量和从该电力传动系存储能量。图32中所示的系统300在许多方面类似于图1中所示的系统100和图2中所示的系统200，并且共享图1中所示的系统100以及图2所示的系统200的许多特征和许多功能。
图3中所示的系统300是电动车辆(例如火车或有轨电车)并且包括经由变速器305连接到传动系307的同步磁阻电动机301。应当理解，变速器305可以是一个可以通过一系列有效齿轮比改变，并且可以包括无级变速器(CVT)和/或无级变速器(IVT)。在变速器305和电动机301之间是离合器350。
控制器303连接到同步磁阻电动机301和变速器305。在所示示例中，传动系307是电动车辆的传动系，因此传动系307连接到四个相应的车轮375。在示例中，每个车轮375都通过相应的可选离合器350连接到传动系307。
在图3所示的示例中，同步磁阻电动机301还连接到电力传输网络311。在图3所示的示例中，传动系307还通过变速器305连接到与电动机301并联的发电机312。发电机312通过可选的超级电容器310连接到电力传输网络311。以这种方式，传动系307用于将能量返回到电力传输网络311，例如当车辆制动时(也称为作为“再生制动”)。超级电容器310可以用于消除由系统产生并反馈到电力传输网络311的电力，这可以用于保持连接到电力传输网络311的部件的寿命。还应当理解，超级电容器310是可选的和/或可以由提供类似功能的部件代替，或者可以根本不存在(例如，可以控制发电机312以调节其电能输出)。
与图1和图2中描述的控制器103、203类似，图3中所示的控制器303用于控制同步磁阻电动机301的运行以将从传动系307接收的能量以动能的形式存储在同步磁阻电动机301的转子中。与图1和图2中描述的控制器103、203类似，控制器303还用于控制同步磁阻电动机301的运行以通过使用存储在转子中的动能而将能量输送到传动系307。
尽管未在图3中示出，控制器303也可以连接到发电机312以控制发电机312的运行，例如，可以控制，例如在再生制动条件下，由发电机312产生的电力的供应。
还将理解的是，虽然图3中示出的发电机312与同步磁阻电动机301并联，但是发电机和/或超级电容器310可以与电动机301串联布置(例如，在电力传输网络311和电动机301之间)。还可以理解的是，在其它示例中，发电机312可以是完全可选的并且可以不存在——在这样的示例中，电动机301本身可以用于通过将转子中的动能转换为电能而作为发电机运行。
图5至图7示出了示例同步磁阻电动机的示例的不同视图，例如图1至图3中所示的同步磁阻电动机101、201和301。
如图5至图7所示，同步磁阻电动机包括定子525和转子550。转子550与定子525同轴并位于定子525的内侧。因为转子550用于同步磁阻电动机，所以它不包含任何永磁体。转子500包括圆形外壳575，其包含多个磁通引导件555，每个磁通引导件由各自的磁通引导支撑件557支撑。在所示的示例中，转子550由形成外壳的一部分的非磁性材料的外环界定575。在一些示例中，外环的相对磁导率为1。在所示示例中，每个磁通引导件555的厚度为8.5毫米，并且相邻磁通引导件555之间的间距为1.5毫米。
定子525包括多个齿535，铝绕组围绕这些齿形成，尽管在其它示例中，绕组可以使用不同的材料——例如可以使用铜绕组。定子525的铝绕组可以通过焊接连接，例如使用双金属接头。绕组可用于处理10A的峰值电流并由三相交流电流激励。每个齿535是锥形的，使得齿535靠近转子500的部分比齿535远离转子550的部分窄。在所示的例子中，定子的齿535形成至少36个槽530，并且可以形成至少48个槽530。定子525的每个齿535仅包括一层绕组并且可以在每个齿535上的每个绕组中包括至少8匝。定子525中的槽530的深度被选择使得每个槽530的底部和定子525的背离转子550的外周之间的“护铁”深度527相对较小，例如小于每个槽530的深度。示出的示例中，每个槽530至少23mm深(例如27mm深)和至少4mm宽(例如至少8mm宽)。定子525内径为200mm，定子525外径为300mm。转子550外径为198毫米，内径为50毫米。因此转子550和定子525之间的气隙是2mm。
多个磁通引导件535包括多个至少部分嵌套的磁通引导件535，其由沿径向分层的磁性材料层形成。在所示示例中，形成磁通引导件555的磁性材料层连接在一起以形成分立的、层叠的磁通引导件包555，每个分立的包在使用中用于在转子550中提供电极。围绕转子550的外壳575的周缘被所述组间隔开，其中转子550的中心填充有铝。
形成磁通引导件555的磁性材料层被非磁性材料隔开，例如非磁性复合材料，该非磁性复合材料可以是铝合金、玻璃复合材料例如M19_24G、聚酯树脂例如
Figure BDA0003443074510000211
芳族聚酰胺聚合物，如
Figure BDA0003443074510000212
陶瓷和/或树脂环氧树脂。每个磁通引导件555是弧形的，每个磁通引导件555的中点最靠近转子550的中心，而每个磁通引导件555的端部在径向上最靠近转子550的边缘。
多个磁通引导件555用于优先引导磁通量流过其中。在所示的示例中，磁通引导件555用于在转子550中提供至少四个电极。
转子550在使用中用于在高温下运行——例如在至少300℃的温度下，例如至少400℃。在一些示例中，定子525在使用中可以用于在高温下运行——例如在高于转子550的温度下，例如在至少480℃的温度下。转子550还用于作为飞轮运行以存储动能——例如，转子550用于当作为飞轮运行以存储动能时以至少40,000rpm的速度旋转。
在一些示例中，靠近转子550的外围(例如，靠近外环)的每个磁通引导件535的至少一部分由与磁通引导件555的其余部分不同的材料形成，例如软磁复合材料，例如
Figure BDA0003443074510000221
500或
Figure BDA0003443074510000222
700。
在一些示例中，同步磁阻电动机还包括围绕定子525的冷却装置。冷却装置可以包括充液夹套。
在一些示例中，同步磁阻电动机还包括沿着转子550的旋转轴线将转子550和定子525的任一侧夹在中间的铝层，其中铝层用于为电动机提供鼠笼。
转子550的外壳575可以用于用作制造转子550的铸件。因此，用于接收转子550的部件的铸件575还包括外环，该外环用于围绕转子550的圆周环绕并且其中，环被构造成将转子550的部件保持在其中。铸件575包括多个接收部分557，该接收部分557用于将磁通引导件555接收并定位在转子550内。铸件575还包括一系列内孔590和外孔577，用于接收用于形成转子550的材料。在示例中示出了围绕转子550的中心轴线间隔开并且布置在每个磁通引导件55包的内部的四个内孔590，但是应当理解，可以有更多或更少的孔并且它们不需要是圆形的。外孔577布置在磁通引导件555的组的外部，但在外壳575的外围内部。
制造用于同步磁阻电动机的转子550的示例方法800，例如图1和2中所示的转子550。参照图5至图7，在图8中示出并且包括以下步骤：803，提供用于接收转子组件的铸件575；以及805，提供多个磁通引导件555，其用于优先引导磁通通过其流动；807，将多个磁通引导件555成组地插入在铸件575内部，其中这些组以圆形图案围绕铸件575展开，从而在转子550的中间产生空隙；809，并且用非磁性材料填充转子550中间的空隙。在一些示例中，一旦制造了转子，就可以移除铸件575，但在其它示例中，铸件575可以保留在原位。在一些示例中，铸件575可以包括由不同材料制成的部分——例如磁性材料和非磁性材料。例如，铸件575的形成外环的部分可由非磁性材料制成，而不是由磁性材料制成。在一些示例中，铸件575的形成转子550的任一端(在轴向方向上)的部分可以用于充当鼠笼。
809填充转子550中间的空隙可以包括通过内孔590将材料(例如熔融铝)浇注或注入转子550的外壳575中。此外，在一些示例中，材料也可以被浇注或注入外孔577以填充磁通引导件555的组和转子550的外围之间的空隙，该空隙可以由外壳575的外环界定。填充每个磁通引导件555的组和转子550的外围之间的空隙有助于增加转子550的结构完整性，特别是如果它像飞轮一样用于储存动能时。
如图9所示，用于同步磁阻电动机的转子550的另一示例制造方法900包括以下步骤：903，提供多个磁通引导件555，所述多个磁通引导件555用于优先引导磁通量流过其中；以及905，将多个磁通引导件555连接成组，每个组具有各自的磁通引导支撑件557，其中这些组用于围绕转子550的内部的外围展开。
将多个磁通引导件555与磁通引导支撑件557连接成组可以包括创建磁通引导支撑件557的夹层，其中夹层包括夹在磁通引导件555的层之间的非磁性复合材料层。另外或替代地，连接多个磁通引导件555与磁通引导支撑件557一起包括将磁通引导件555的层连接在一起以形成多个离散的磁通引导件555的包，其中每个包包括多个磁通引导件555的层。将磁通引导件555的层连接在一起的一些示例包括将磁通引导件555的层通过一紧固装置紧固在一起，其中，该紧固装置至少部分地穿过磁通引导件555的层以将磁通引导件555的层紧固在一起。例如，紧固装置可以是螺栓或铆钉。
如图10所示，用于同步磁阻电动机的转子的另一示例制造方法1000包括以下步骤：1003，提供多个磁通引导件555，所述多个磁通引导件555用于优先引导磁通量流过其中；以及1005，提供用于支撑多个磁通引导件555的磁通引导支撑件557；1007，将多个磁通引导件555成组地放置在磁通引导支撑件557上，其中每个组包括形成磁通引导件555的包的多个分层磁通引导件555；1009，并且用非磁性复合材料填充形成所述包的每个组的每层之间的空间以形成夹在磁通引导件555之间的夹层非磁性复合材料。
在一些示例中，将多个磁通引导件555成组地放置，每组形成一个包，在磁通引导支撑件557上包括将磁通引导件555的包以圆形图案围绕磁通引导支撑件557放置，还包括用非磁性材料(例如铝和/或玻璃复合材料)填充每个磁通引导件555的包之间的空隙，以将每个包的磁通引导件555连接在一起。
用于同步磁阻电动机的定子525的示例制造方法示于图11A至11D。该方法包括以下步骤：提供磁性材料的细长条1151(如图11A所示)；沿着细长条1150的一个边缘1151形成多个槽1173(如图11A和11B所示，这是沿着细长条1150的上边缘1151)，从而形成多个定子齿1173，所述多个定子齿1173用于沿着细长条1150的边缘1151接收定子绕组，其中槽1173的深度被选择为使得在每个槽1173的底部和细长条1150的相对边缘1153之间的细长条1150的材料深度足以允许细长条1150充分弯曲，使得细长条1150的两端可以连接在一起；并且将细长条1150的两个相对端1190、1192连接在一起形成环，使得包括多个槽1173的细长条的边缘1151面向环的内侧(如图11C和11D所示)。
形成多个槽1173可以包括形成多个锥形槽1173从而形成多个锥形齿1170。可以基于细长条1150的长度来选择锥形度，使得当细长条1150的两个相对端1190，1192连接在一起形成一个环，多个锥形齿1170之间沿着槽1173的深度的间距是均匀的。
转子550或其任何部件(例如磁通引导件555或磁通引导支撑件557)可以通过减法或增材工艺制造。例如，磁通引导支撑件557如图5至图7所示，可以使用3D打印制造，例如使用PLA热塑性材料。转子550或其任何部件也可以通过将预制部件组装在一起，例如通过将片状元件粘附到基板来制造。这可以通过铺设材料的预成型轨道来完成，或者通过铺设更大的片材然后将其蚀刻掉来完成。该片状元件可以作为层生长或沉积在衬底上。如果沉积，则可以使用掩模，因此沉积仅发生在承载轨道的区域和/或可以允许在更大的区域上发生，然后选择性地蚀刻掉。
也可以使用其它制造方法。例如，转子550或其任何部件可通过“3D打印”制造，由此转子550或其任何部件的三维模型以机器可读形式提供给适于制造转子550或其任何部件的“3D打印机”。这可以通过添加方式进行，例如挤出沉积、电子束自由成型制造(EBF)、颗粒材料粘合、层压、光聚合或立体光刻或其组合。机器可读模型包括要打印的对象的空间图，通常采用定义对象表面的笛卡尔坐标系的形式。该空间图可以包括可以以多种文件约定中的任何一种提供的计算机文件。文件约定的一个示例是STL(STereoLithography)文件，它可以采用ASCII(美国信息交换标准代码)或二进制的形式，并通过具有定义的法线和顶点的三角化表面来指定区域。另一种文件格式是AMF(增材制造文件)，它提供了指定每个表面的材料和纹理以及允许弯曲三角表面的工具。然后可以根据所使用的打印方法将转子550或其任何部件的映射转换为将由3D打印机执行的指令。这可以包括将模型分成多个切片(例如，每个切片对应一个x-y平面，连续的层构建z维度)并将每个切片编码为一系列指令。发送到3D打印机的指令可以包括数控(NC)或计算机NC(CNC)指令，最好采用G代码(也称为RS-274)的形式，其中包括关于3D打印机应该如何执行的一系列指令行为。执行因所使用的3D打印机类型而异，但在移动打印头的示例中，执行包括：打印头应如何移动、何时/何地沉积材料、要沉积的材料类型以及流速沉积的材料。
在本申请的上下文中，本文描述的装置和方法的其它示例和变型对于本领域技术人员将是显而易见的。从上面的讨论中可以理解，图中所示的实施例仅仅是示例性的，并且包括可以如本文所述和根据权利要求中陈述的一般化、去除或替换的特征。还应当理解，这里描述的方法，例如上面关于图1和图2描述的运行控制器103、203、303的方法。或者，参照图8至图11D的制造方法，可以在计算机可读非暂时性存储介质上提供，例如以用于计算机的程序的形式用于使处理器执行该方法。

Claims (53)

1.一种用于向电动或混合传动系输送能量和存储来自电动或混合传动系的能量的系统，该系统包括：
一同步磁阻电动机，可连接到所述传动系；和
一控制器，用于控制所述同步磁阻电动机的运行，以将从所述传动系接收的能量以动能的形式存储在所述同步磁阻电动机的转子中。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器用于控制所述同步磁阻电动机的运行以通过使用存储在所述转子中的动能将能量输送到所述传动系。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制器用于确定所述系统所需的扭矩需求并响应于所确定的扭矩需求达到选定的扭矩需求阈值以使用存储在所述转子中的动能来控制所述电动机的运行以将能量输送到所述传动系。
4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述控制器用于确定系统所需的扭矩需求的变化率并响应于确定的扭矩需求变化率达到选定的扭矩需求变化率阈值而使用以下之一来控制所述电动机的运行以将能量输送到所述传动系：
(i)所述转子中储存的动能；或者
(ii)为所述同步磁阻电动机供电的电力。
5.根据权利要求2、3或4所述的系统，其特征在于，所述控制器用于确定系统所需的扭矩需求，并响应于所述扭矩需求低于选定的扭矩需求阈值而控制所述电动机的运行以将来自所述传动系的动能储存在所述电动机的转子中。
6.如前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器用于基于所述转子的旋转速度和/或所述系统的所确定的扭矩需求来确定是否以以下至少一种方式运行所述系统：
(i)第一运行模式，可运行以通过电力为所述电动机提供动力来向所述传动系输送能量；
(ii)第二运行模式，可运行以通过使用存储在所述转子中的动能向所述传动系输送能量；
(iii)第三运行模式，可运行以将从所述传动系接收的能量存储为动能；和
(iv)第四运行模式，可运行以将所述转子中的动能转换为电能。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制器用于响应于以下至少一项以在所述第四运行模式下运行所述系统：(i)所述转子的速度达到选定的最大速度阈值和(ii)所确定的扭矩需求低于最小扭矩需求阈值并持续超过选定的时间间隔的时长。
8.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括连接到所述电动机的电池，其中所述控制器用于在所述第四运行模式下运行所述系统以基于条件(i)所述电池的充电状态，(ii)所述转子的速度和可选的(iii)所述电动机所需的扭矩需求，来控制从所述电动机到所述电池的能量流动。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的系统，其特征在于，当所述转子的速度低于选定的转子速度阈值时，所述控制器用于以所述第一运行模式运行所述系统。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的系统，其特征在于，当所述转子的速度高于选定的转子速度阈值时，所述控制器用于以所述第二运行模式运行所述系统。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器用于响应于所确定的扭矩需求达到或超过选定的扭矩需求阈值而在所述第一运行模式中运行所述系统，并且响应于所确定的扭矩需求低于选定的扭矩需求阈值而在所述第二运行模式中运行所述系统。
12.根据权利要求6至11中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器用于响应于所述系统的扭矩需求下降到选定阈值以下而以所述第三运行模式运行所述系统。
13.根据权利要求6至12中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器用于响应于指示减速超过选定的减速率阈值的扭矩需求率以所述第三运行模式运行所述系统。
14.根据权利要求6至13中任一项所述的系统，其特征在于，在所述第三运行模式中，所述控制器用于运行系统以将所述转子从所述电动机由电力供电时所述转子运行的速度加速到飞轮速度以用于以动能的形式存储能量。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述系统包括连接在所述传动系和所述转子之间的的变速器，例如，无级变速器，并且其中所述控制器用于控制所述电动机的运行以运行所述系统来加速所述转子，包括所述控制器用于控制所述变速器的运行以控制所述传动系和所述转子之间的能量供应。
16.一种运行包括连接到电动或混合动力传动系的同步磁阻电动机的电动或混合动力系统的方法，该方法包括：
确定(i)所述电动机所需的扭矩需求和(ii)所述电动机的转子的旋转速度；
响应于(i)确定的所述扭矩需求低于选定的扭矩需求阈值和(ii)所述转子的速度低于选定的转子速度阈值中的至少一个，将来自所述传动系的动能储存在所述电动机的转子中；和
响应于(i)确定的所述扭矩需求上升到选定的扭矩需求阈值以上和(ii)所述转子的速度低于一选定的转子速度阈值，中的至少一个而通过向所述电动机供电的方式运行所述电动机以将能量传输到所述传动系。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括响应于(i)所述扭矩需求上升到一选定的扭矩需求阈值，和(ii)所述电动机的转子的速度低于选定的转子速度阈值，为所述电动机供电而将能量输送到所述传动系。
18.根据权利要求16或17所述的方法，还包括：
当所述转子的速度高于选定的速度阈值时，运行所述系统以通过使用存储在所述转子中的动能向所述传动系输送能量。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，还包括：
响应(i)所述转子的速度达到选定的最大速度阈值和(ii)确定的所述扭矩需求保持在选定的最小扭矩需求阈值以下并持续大于选定的时间间隔的时长中的至少一个来运行所述系统以将所述转子中的动能转换为电能。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，还包括确定所述系统所需的扭矩需求的变化率并且响应于确定的扭矩需求变化率达到选定的扭矩需求变化率阈值，而使用以下之一来控制所述电动机的运行以将能量输送到所述传动系：
(i)所述转子中储存的动能；或者
(ii)为所述同步磁阻电动机供电的电力。
21.一种用于同步磁阻电动机的转子，包括非永磁体和由磁通引导支撑件支撑的多个磁通引导件，其中所述多个磁通引导件用于优先引导磁通量流过。
22.根据权利要求21所述的转子，其特征在于，所述多个磁通引导件包括由沿径向分层的磁性材料层形成的多个至少部分嵌套的磁通引导件。
23.根据权利要求22所述的转子，其特征在于，形成所述磁通引导件的所述磁性材料层连接在一起以形成分立的、层叠的磁通引导件包，每个分立的包用于在使用中提供所述转子中的电极。
24.根据权利要求22或23所述的转子，其特征在于，形成所述磁通引导件的磁性材料层被非磁性复合材料间隔开。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的转子，其特征在于，所述磁通引导件用于在所述转子中提供至少四个电极。
26.根据权利要求21至25中任一项所述的转子，其特征在于，每个所述磁通引导件是弓形的，每个所述磁通引导件的中点最靠近所述转子的中心，而每个磁通引导件的端部最靠近所述转子在径向上的边缘。
27.根据权利要求21至26中任一项所述的转子，其特征在于，所述转子由非磁性材料的外环界定。
28.根据权利要求27所述的转子，其特征在于，所述外环的相对磁导率为1。
29.根据权利要求23或其从属的任何权利要求所述的转子，其特征在于，所述包环绕所述转子的外围而间隔设置，并且其中所述转子的中心填充有铝。
30.根据权利要求21至29中任一项所述的转子，其特征在于，每个磁通引导件的靠近所述转子的外围的至少一部分由与磁通引导件的其余部分不同的材料形成，例如软磁复合材料，例如
Figure FDA0003443074500000041
500或
Figure FDA0003443074500000042
700。
31.根据权利要求21至30中任一项所述的转子，其特征在于，所述转子用于在使用中在至少300℃的温度下运行。
32.根据权利要求21至31中任一项所述的转子，其特征在于，所述转子用于作为飞轮运行以存储动能。
33.根据权利要求32所述的转子，其特征在于，所述转子被当作飞轮运行时以至少40,000rpm的速度旋转以储存动能。
34.一种同步磁阻电动机，包括定子和根据前述权利要求中任一项所述的转子，所述定子包括铝绕组。
35.根据权利要求34所述的同步磁阻电动机，其特征在于，所述定子的铝绕组通过焊缝与双金属接头连接。
36.根据权利要求34或35所述的同步磁阻电动机，其特征在于，所述定子包括多个齿，所述铝绕组围绕所述多个齿形成，并且其中每个齿是锥形的，使得所述齿的靠近所述转子的部分比所述齿的远离所述转子的部分更窄。
37.根据权利要求36所述的同步磁阻电动机，其特征在于，所述定子的齿形成至少36个槽，例如至少48个槽。
38.根据权利要求34至37中任一项所述的同步磁阻电动机，其特征在于，所述定子的每个齿仅包括一层绕组并且所述绕组中的匝数为至少8匝。
39.根据权利要求34至38中任一项所述的同步磁阻电动机，还包括围绕所述定子的冷却装置。
40.根据权利要求39所述的同步磁阻电动机，其特征在于，所述冷却装置包括充液夹套。
41.根据权利要求34至40中任一项所述的同步磁阻电动机，还包括沿着所述转子的旋转轴线夹在所述转子和所述定子的任一侧的铝层，其中所述铝层用于为所述电动机提供鼠笼。
42.一种制造用于同步磁阻电动机的转子的方法，该方法包括：
提供用于接收转子组件的铸件；
提供多个磁通引导件，所述多个磁通引导件用于优先引导磁通通过其流动；
将所述多个磁通引导件成组地插入所述铸件内部，其中所述组以圆形图案围绕所述铸件展开，从而在所述转子的中间产生空隙；
用非磁性材料填充所述转子中间的空隙。
43.根据权利要求42所述的方法，其特征在于，用于接收所述转子组件的铸件包括一个环，所述环被构造成围绕所述转子的圆周环绕转子，并且其中该环被构造成将所述转子组件保持在其中。
44.根据权利要求42或43所述的方法，其中，所述铸件包括多个接收部分，所述接收部分用于在所述转子内接收和定位所述磁通引导件。
45.一种制造用于同步磁阻电动机的转子的方法，该方法包括：
提供多个磁通引导件，所述多个磁通引导件用于优先引导磁通通过其流动；
将所述多个磁通引导件成组地与磁通引导支撑件连接，其中这些组用于围绕所述转子内部的边缘展开。
46.根据权利要求45所述的方法，其特征在于，将所述多个磁通引导件成组地与所述磁通引导支撑件连接，包括创建磁通引导支撑件的夹层，其中所述夹层包括夹在所述磁通引导支撑件的层之间的非磁性复合材料层。
47.根据权利要求45或46所述的方法，其特征在于，将所述多个磁通引导件成组地与所述磁通引导支撑件连接，包括将所述磁通引导件的层连接在一起以形成多个离散的磁通引导件的包，其中每个包包括多个磁通引导件的层。
48.根据权利要求47所述的方法，其特征在于，将所述磁通引导件的层连接在一起包括将所述磁通引导件的层与紧固装置紧固在一起，所述紧固装置至少部分地穿过所述磁通引导件的层。
49.一种制造用于同步磁阻电动机的转子的方法，该方法包括：
提供多个磁通引导件，所述多个磁通引导件用于优先引导磁通通过其流动；
提供用于支撑所述多个磁通引导件的磁通引导支撑件；
将所述多个磁通引导件成组放置在所述磁通引导支撑件上，其中每组包括多个分层磁通引导件，形成磁通引导件的包；
用非磁性复合材料填充每组每层之间的间隙形成一个包，以形成夹在磁通引导件的层之间的非磁性复合材料夹层。
50.根据权利要求49所述的方法，其特征在于，将所述多个磁通引导件成组放置，每组形成一个包，在所述磁通引导支撑件上，包括以圆形图案围绕所述支撑件放置所述磁通引导件包，进一步包括通过用非磁性材料填充每个磁通量引导件的包之间的空隙来将每包的所述磁通引导件连接在一起。
51.一种制造同步磁阻电动机定子的方法，该方法包括：
提供磁性材料的细长条；
沿着所述细长条的一个边缘形成多个槽，从而形成多个定子齿，所述多个定子齿用于沿着所述细长条的边缘接收定子绕组，其中选择所述槽的深度，使得每个槽的底部和细长条的相对边缘之间的所述细长条的材料深度足以允许所述细长条充分弯曲，使得所述细长条的两端可以连接在一起；和
将所述细长条的两个相对端部连接在一起形成环，使得包括所述多个槽的所述细长条的边缘面向所述环的内侧。
52.根据权利要求51所述的方法，其特征在于，形成所述多个槽，包括形成多个锥形槽，从而形成多个锥形齿，基于所述细长条的长度选择锥形度，使得当所述细长条的两个相对端连接在一起形成一个环，所述多个锥形齿之间的间距沿所述槽的深度方向是均匀的。
53.一种计算机可读非暂时性存储介质，包括用于计算机的程序，所述程序由一计算机的处理器运行而执行根据权利要求16至20中任一项所述的方法。
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