CN1289329C - 扭矩转换可变的差速电力发动机 - Google Patents

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Abstract

一种扭矩转换可变的差速电力发动机。该差速发动机包括一个马达，一个扭矩转换单元和一个负载机构。所述马达以一个恒定的速度运行并向扭矩转换单元提供输入旋转扭矩。所述扭矩转换单元将输入旋转扭矩转换成与负载(例如车轮)连接的输出轴上的旋转扭矩。扭矩转换单元中包括由一对轴连接在一起的第一和第二差速单元，这对轴以相反的方向旋转。第一差速单元包括一个连接到马达输出轴的输入轴，以及第一和第二输出轴。第一差速单元中有一个齿轮机构将马达的旋转扭矩传送到第一和第二输出轴。第二差速单元包括一个连接到输出驱动轴的输出轴，以及第一和第二输入轴。第二差速单元中有一个当第一和第二输入轴的旋转速度之间产生差异时可施加旋转扭矩到输出驱动轴上的齿轮机构。各轴的旋转速度随着施加在一个或两个轴上的负载而变化的。其中的负载机构包括电力或者机械负载。

Description

扭矩转换可变的差速电力发动机
技术领域
本发明涉及发动机，特别是一种扭矩转换可变的差速发动机。
背景技术
现有电力发动机的一个主要问题是，发动机的峰值效率只出现在一个相对较小的输出速度范围内，在低速或启动速度时则不会出现峰值效率。图1示出了一个典型发动机的速度-效率曲线A。由图1所示可知，典型发动机在速度-效率曲线A上的B点达到了峰值效率的80％但小于100％，但在低输出速度和启动速度时(C点)，其效率只在20％至25％范围内。
如果一个负载，例如一辆汽车，需要在加速度的作用下达到其运行速度，那么这个效率问题就会由于对高启动扭矩的需求而产生。其中启动扭矩直接随着加速度而变化，加速度越高，所需的启动扭矩就越高。由于扭矩与发动机线圈中的电流是成比例的，则加速度扭矩(例如从一个停止位置开始的加速度或一个受控反向马达扭矩下的减速度)将需要一个非常高的发动机线圈电流。这意味着在一个低速度或从一个停止位置启动时，为马达产生一个给定的扭矩所需的电流将远远高于在高速时产生相同的扭矩所需的电流，这是因为马达在低速时的效率远远低于在高速时的效率，如图1所示的效率-输出速度曲线上的B点与C点所显示的那样。此外，马达中的能量损失呈指数级地增长，因为马达中的能量损失等于其电机绕组的电阻乘以其电流的平方。
在一个马达能量系统的停止/启动的运行过程中，特别是在相对较快的加速度和减速度出现的场合，该马达的运行效率将大大低于峰值效率，正如图1中的C点所指出的那样，其典型的运行效率在20％到25％之间，在加速/减速情况下甚至可能更低。其结果是，电车在较长的公路上会比在城市中能行驶更远的距离。
考虑到上述以及其他已知的不足，需要有一个这样的发动机，它可改进现有设计的‘扭矩输出-速度’特性并达到图1(b)所示的理想的发动机运行特性。
发明内容
本发明提供一种扭矩转换可变的差速发动机。
一方面，本发明提供了一种扭矩输出可变的差速发动机，包括以下部分：(a)一个用于以一定旋转速度驱动输出轴并将输入旋转扭矩施加到所述输出轴上的马达；(b)一个连接到所述马达的扭矩转换单元、用于将所述输入旋转扭矩转换成与负载连接的输出驱动轴上的旋转扭矩；(c)所述扭矩转换单元包括一个第一差速单元，所述第一差速单元有一个输入轴连接到所述马达的输出轴，所述第一差速单元有一个用于将所述输入轴的旋转扭矩传送到第一和第二输出轴的齿轮机构，且所述齿轮机构可驱动每一个所述输出轴以相同的速度和相反的方向旋转；(d)所述扭矩转换单元包括一个第二差速单元，所述第二差速单元有一个第一输入轴连接到所述第一差速单元的第一输出轴，还有一个第二输入轴连接到所述第一差速单元的第二输出轴，还包括一个用于在第二差速单元的第一和第二输入轴的旋转速度之间有差异产生时、施加一个旋转扭矩到所述输出驱动轴的齿轮机构；(f)一个负载机构，所述负载机构连接到所述第二差速单元的其中一个输入轴上，所述负载机构响应于一个控制输入以对所述输入轴加载，从而改变关联输入轴的旋转速度。
另一方面，本发明提供一种输出扭矩可变的差速发动机，包括以下部分：
(a)一个可驱动输出轴在预定方向按恒定速度旋转的马达；(b)一个转换单元，它有一个输入轴和一个用于驱动负载的输出驱动轴，所述输入轴连接到所述马达的输出轴；(c)一个再生充电单元，所述再生充电单元通过一个输入端从所述转换单元获取能量，并给一个能量存储装置充电；(d)所述转换单元包括一个第一差速单元和一个第二差速单元，所述第一差速单元有一个驱动机构连接到所述输入轴，所述第二差速单元有一个驱动机构连接到所述输出驱动轴，所述第一差速单元的驱动机构通过第一和第二差速轴连接到所述第二差速单元的驱动机构，所述差速轴以相同的速度并按相反的方向旋转；(e)所述转换单元包括一个连接到其中一个所述差速轴的发电机，所述发电机响应于所述控制输入以产生供给所述再生充电单元的能量输出，所述发电机的运行会加载于所述差速轴并使所述差速轴的速度产生差异，所述第二差速单元中的驱动机构将所述的差速转换为所述输出驱动轴的旋转速度。
再一方面，本发明还提供一种输出扭矩可变的差速发动机，包括以下部分：(a)一个用于以一定旋转速度驱动输出轴并将输入旋转扭矩施加到所述输出轴上的第一马达；(b)一个用于驱动输出马达轴按一定旋转速度、并与所述第一马达的输出轴相同的方向旋转的第二马达；(c)一个连接到所述马达的扭矩转换单元，该扭矩转换单元用于将所述第一马达和第二马达传来的输入旋转扭矩转换成与负载连接的输出驱动轴上的旋转扭矩；(d)所述扭矩转换单元包括一个第一差速单元，所述第一差速单元有一个输入轴，所述第一差速单元还有一个用于将所述输入轴的旋转扭矩传送到第一和第二输出轴的齿轮机构，所述齿轮机构以相同的速度及相反的旋转方向驱动所述两个输出轴；(e)所述扭矩转换单元还包括一个第二差速单元，所述第二差速单元有一个连接到所述第一差速单元的第一输出轴的第一输入轴，还有一个连接到所述第一差速单元的第二输出轴的第二输入轴，还包括一个用于在第二差速单元的第一和第二输入轴的旋转速度之间有差异产生时、施加一个旋转扭矩到所述输出驱动轴的齿轮机构；(f)一个输入单元，它有一个连接到所述第一马达的输出轴的第一输入轴，还有一个连接到所述第二马达的输出马达轴上的一个第二输入轴，所述输入单元有一个输出轴，且该输出轴连接到所述第一差速单元的输入轴，所述输入单元还包括一个用于将所述输出马达轴和所述输出轴的旋转扭矩传送到所述输入单元的输出轴上的齿轮机构；(g)一个负载机构，所述负载机构连接到所述第二差速单元的其中一个输入轴，所述负载机构响应于一个控制输入以对所述输入轴加载，从而改变关联输入轴的旋转速度。
通过下面的对典型实施例的描述，并结合相应的附图，本领域的技术人员可对本发明的其他方面和特点有一个更清楚的了解。
附图说明
下面将结合附图对本发明的优选实施例进行说明：
图1(a)是一个典型的电动机输出效率-速度曲线的示意图；
图1(b)是一个理想的马达输出效率-速度曲线的示意图；
图2是本发明中一个扭矩转换可变的差速发动机的原理框图；
图3(a)是本发明的差速发动机的输出效率-速度曲线的示意图；
图3(b)是本发明的差速发动机的输出扭矩-速度曲线的示意图；
图4是本发明另一实施例中差速发动机的原理框图；
图5是本发明另一实施例中差速发动机的原理框图；
图6是本发明另一实施例中差速发动机的原理框图；
图7是给本发明的差速发动机提供化学负载的一个水电解系统的示意图。
具体实施方式
先参见图2，其中示出了本发明中的一个扭矩转换可变的差速发动机的原理框图，其标号为10。
从图2中可以看出，差速发动机10中包括一个电动机12，一个机械行星变速箱13以及一个电动机恒速控制器11。行星变速箱13包括第一差速齿轮箱14和第二差速齿轮箱16。第一差速齿轮箱14通过其输入轴20连接到电动机12的输出轴上。第一差速齿轮箱14有一个第一输出轴22和一个第二输出轴24。第一输出轴22连接到第一电动机/发电机26的转子上，从后面的详细叙述可知，这个电动机/发电机26将工作于发电机模式。相似地，第二输出轴24连接到第二电动机/发电机28的转子上，电动机/发电机28也工作于发电机模式。第二差速齿轮箱16有一个第一输入轴30，一个第二输入轴32以及一个输出轴34。其第一输入轴30连接到第一电动机/发电机26的转子上，第二输入轴32连接到第二电动机/发电机28的转子上。差速齿轮箱16的输出轴34给差速发动机10提供驱动输出，这一点将在后面详细叙述。输出轴34连接到并驱动一个负载36，例如一个车轮。
电动机12以连续的速度运行，并且有一个输出轴20按同一方向连续旋转，例如图中箭头21所指示的方向。电动机12的输出轴20连接到第一差速齿轮箱14的输入轴上。不管输出轴34是否动作，电动机12总是不停地旋转。然而，当不需要输出时，例如当车辆停止时，电动机12可被关闭或可减速运行。电动机12的速度由电动机恒速控制器11设定并受其控制。除了对电动机12进行较小的速度调整以使扭矩的效率最大化这种情况以外，恒速控制器11将使电动机12以一个连续的速度运行。如果一个燃气发动机用来代替电动机，或者使其与电动机12一起运行(如图6中所示)，则燃气发动机就能够在它的最佳效率速度(例如高速)下运行，此时即使负载在较宽范围变化，电动机速度也只需要有较小的变化即可维持最佳效率。
输出轴34以一个受控的速度旋转，其最大转速远低于电动机12的速度。对发动机10的这种安排在任一运动方向上提供了速度减少和扭矩转换。虽然电动机12持续地旋转，但是在不用离合器或其他相似机构将输出轴34与电动机12分开的情况下，输出轴34也可能完全静止。所以，可以预见的是，不管输出轴34是停止、正向旋转或反向旋转，电动机12都将工作于连续(相对固定的速度)旋转状态。
输出轴34的旋转速度是从零速度到一定的正向和反向速度范围内连续地变化的。忽略在两个差速齿轮箱14、16上损耗的效率，并忽略在电动机/发电机26、28，电池充电模块40、42，电动机恒速控制器11以及控制器70上产生的效率损失，则可在输出轴34产生(增加)一个扭矩转换，该扭矩转换是电动机12速度除以输出轴34速度所得比率的一个函数。
由于电动机12的效率与特定的速度和扭矩组合相关，那么电动机12必然有一个最佳速度以产生一个给定扭矩。通过改变电动机12的并将其速度作为测得的电动机扭矩的一个函数，则可将电动机12的运行效率维持在峰值水平，从而使其运行效率最大化。
再回到图2，电动机12的输出轴20连接到并驱动第一差速齿轮箱14的输入轴17。第一差速齿轮箱14的第一输出轴22以箭头23所指示的方向旋转，第二输出轴24以箭头25所指示的相反方向旋转。由于输出轴22是连接到第一发电机26的转子上的，所以第二差速齿轮箱16的第一输入轴30按箭头23所示作相同方向且相同速度的旋转。相似地，第二差速齿轮箱16的第二输入轴32按与输出轴24相同的方向和速度旋转。
差速齿轮箱14包括一个差速齿轮驱动(图中未示出)，单输入轴17(它与轴20连接)，以及速度比为1∶1∶1的双输出轴(即轴22和24)。当然，也可以采用其他速度比。对差速齿轮箱14的一个适当的安排是，采用一个差速齿轮系统(图中未示出)，其中有一个轴连接到电动机的轴20上，并通过一个直角轴连接到两个斜齿轮，这两个斜齿轮再分别连接到输出轴22和24。除了齿轮的大小尺寸区别外，在第二差速齿轮箱16中可采用类似的差速齿轮系统，其中的两个斜齿轮分别连接到相应的输入轴30和32，该差速齿轮箱还通过一个直角轴连接到输出轴34。输入轴17(与电动机12的输出轴20连接)和第一差速齿轮箱14上的两个输出轴22及24遭遇到一个相当低的扭矩，该扭矩水平由轴30和32共享。对于第二差速齿轮箱16，由于其输出轴34承担了一个相当高的扭矩负载，因此该差速齿轮箱16的设计最好能比差速齿轮箱14更能承担负载。输入轴17上的扭矩是由输出速度(也就是输出轴34的速度)除以输入速度(也就是输入轴30的速度)的比率，再加上所有的损耗而确定的。
可以预见的是，如果差速齿轮箱14的输出轴22或24中，有一个输出轴上具有额外的反旋转负载力，那么另一个输出轴的旋转速度增加的程度将等于前一输出轴所减小的旋转速度。
如上所述，输出轴22和24分别驱动第二差速齿轮箱16的输入轴30和32。负载加在输出轴22或24中的任一输出轴上都会导致在两个输出轴22和24的旋转速度之间产生差异，这个旋转速度差异在第二差速齿轮箱16的输入轴30和32之间也将同样存在。由于输出轴34的较大速度降低与电动机12的速度，轴20，22的速度及轴30，32的速度有关，所以输出轴22和24中任一个的负载扭矩将远小于由负载在输出轴22和24上产生的输出扭矩。
轴30和32以相反的方向旋转(如箭头23和25所示)，从而提供了差速输入来驱动差速齿轮箱16中的旋转斜齿轮(图中未示出)。其中的斜齿轮(图中未示出)连接到输出轴34上。这种齿轮驱动安排列可确保：如果两个输入轴30和32以相同的速度旋转，则输出轴34的转速为零。然而，如果在两个输入轴30和32之间有一个相对的速度差，例如可能是轴30或32上有一个负载，又或者是轴30或32中的一个上有负载、另一个上加载有一个受控的工作于电动机状态的电力负载，则可为输出轴34提供所需的输出速度。这个负载导致轴30(或32)降低其旋转速度，并且通过差速齿轮系统的运行，使另一个轴32(或30)的速度得以增加，从而使两个输入轴30和32之间的差速通过差速齿轮箱16传输到输出轴34上。值得指出的是，除了斜齿轮系统外，也可以使用其它齿轮排列方式。
由上述可知，电动机12在电动机恒速控制器11的控制下运行于一个恒定速度。电动机12的恒定速度由恒速控制器11维持在发动机10的设计范围内，与负载能量(也就是扭矩需求)和输出轴34的速度都不相关。
在输入轴30和32之间产生一个差速的机制中，使用一个电动机/发电机26，28(按发电机模式运行，或如另一实施例中按电动机模式运行)在关联输入轴30或32上产生一个负载。如上所述，第一发电机26的转子的一端直接且紧密地连接到第一差速齿轮箱14的输出轴22，另一端连接到第二差速齿轮箱16的输入轴30。相似地，第二发电机28的转子的一端直接且紧密地连接到第一差速齿轮箱14的输出轴24，另一端连接到第二差速齿轮箱16的输入轴32。第一发电机26的转子、输出轴22、以及第二差速齿轮箱16的输入轴30都以相同的速度旋转。相似地，第二发电机28的转子、输出轴24、以及第二差速齿轮箱16的输入轴32都以相同的速度旋转。与齿轮箱14和16相同，发电机26，28被紧密地安装在一个固定机构中，以防止发电机26和28的机架旋转。
忽略在齿轮箱14和16中的损失，可以预见的是，用以减少输入轴30或32的旋转速度(或增加输入轴30或32的旋转速度)所需的反向旋转扭矩与输出扭矩是相关的，并且由电动机12的旋转速度除以输出轴34的旋转速度这样一个比率给定(当其中一个轴带负载、而另一个轴被驱动或由电动机带动时，每一个差速轴需要该扭矩的1/2)。基于这个关系，相对于输出轴34的最大旋转速度，电动机12所运行的这个高速度就有一个令人满意的效果，那就是降低为在输出轴34上产生所需旋转速度而需要的最大负载力，这样就能很方便地在发电机26和28上使用相当小的电动机。如果在每一个电动机/发电机26，28与两个相关联的轴22，30和24，32之间采用一个齿轮齿数比，则这种效果还可以得到更进一步的增强，从而使得电动机26，28以一个更高的速度运行。
由图2所示，差速发动机10中包括一个再生充电电流电路15。该再生充电电路15包括一对电池充电器模块40和42。第一电池充电器模块40连接到第一电动机/发电机26的输出端，相似地，第二电池充电器模块42连接到第二电动机/发电机28的输出端。电池充电器模块40和42都连接到一个能量存储装置50上，例如一块电池或如后面所描述的其他合适的装置，并且产生再生充电电流。再生充电电流是负载加到输出输入轴对22，30和24，32上的结果，例如在制动，加速，减速，或者在输出轴34的速度低于负载的速度时产生，其作用是可优化电动机12的效率。
再参照图2，第一电池充电模块40的输出端通过一个二极管60连接到电池50的一端。相似地，第二电池充电模块42的输出端通过一个二极管62连接到电池50的一端。电池50的另一端连接到电池充电器模块40和42的返回输入端。二极管60和62确保从相应电池充电器模块40和42流出的充电电流流向电池50，而不返回到电池充电器模块40和42中的任一个。值得指出的是，二极管60和62可由其他功能相等的元器件代替。
电池充电器模块40和42中的每一个连接到一个标注为70的控制器模块。控制器模块70的一个主要功能是独立地控制每个电池充电器模块40和42的运行，从而为输出轴34提供所需的速度输出和旋转方向，这一点将在后面详加叙述。除了控制电池充电器模块40和42外，还可对控制器70进行编程以完成其他的控制功能，下面将详加叙述。
对输出轴34的旋转速度的控制是通过在差速齿轮箱16的两个输入轴30和32旋转速度间制造一个差异来完成的。在输入轴之间的速度差异是通过在输出轴22和输入轴30中的任一个、或者在输出轴24和输入轴32中的任一个加负载而产生的。现在予以更详细的阐述，输出轴30的负载通过电动机/发电机26的运行，在输入轴22和输出轴30上施加一个与旋转方向相反的作用力。相似地，输出轴32上的负载通过电动机/发电机28的运行，在输入轴24和输出轴32上施加一个与旋转方向相反的作用力。如果电池充电器模块40不需要发电机26提供电流，那么就没有负载施加在输出轴22上。相似地，对第二输出轴24，如果电池充电器模块42不需要发电机28的电流，那么就没有负载施加在输出轴24上。虽然发电机26和28的转子的旋转是由于电动机12输出轴20的旋转通过齿轮箱14传送到输出轴22和24而引起的，如果发电机26和28中没有电流流出，则仍然没有负载产生。从图2可以看出，输入轴30包含一个速度/扭矩传感器31，用于通过输出端F向控制器模块70输出其读出的速度和/或扭矩。相似地，输入轴32包含一个速度/扭矩传感器33，用于通过输出端G向控制器模块70输出其读出的速度和/或扭矩。
当控制器70激活电池充电器模块40或42中的一个以给电池50提供充电电流时，就需要从发电机26或28得到电流。当电池充电器模块40被控制器70激活时，电池充电器模块40开启并从发电机26获得电流，以产生充电电流并通过二极管60输出到电池50。相似地，当电池充电器模块42被控制器70激活时，电池充电器模块42开启并从发电机28获得电流，以产生充电电流并通过二极管62输出到电池50。作为这种电流获得的一个结果，发电机26产生一个与输出轴30的旋转方向相反的力，并且导致差速齿轮箱16的输入轴30的旋转速度改变。相似地，如果第二电池充电器模块42被激活，则发电机28产生一个与输出轴32的旋转方向相反的力，并且导致差速齿轮箱16的输入轴32的旋转速度改变。这个力的大小以及作为结果而产生的施加在输入轴30和32上的负载的大小、将随着在控制器70控制下所获得的电流的大小而变化。输入轴30和32在速度上的差异被差速齿轮箱16转送到输出轴34。输出轴34的箭头35所指示的旋转方向是由发电机26或28中的哪一个被加载来决定的。在这种情况下，由电池充电器模块40和42所产生的充电电流中，包括一个由于加载到发电机26和28上的负载力(能)，也就是对输入轴22，24和输出轴30，32的减速或制动而产生的再生充电电流。如果使输入轴22、24或者输出轴30、32慢下来，则会相应地增加输入轴24、22和输出轴32、30的速度，而输出轴34的速度则等于差异轴对22，30与24，32之间的速度差。
从图2中可以看出，差速发动机10中还包括一个速度传感器90和一个扭矩传感器91。速度传感器90中含有一个转速计并连接到输出轴34上，用于检测输出轴34的旋转速度和方向。扭矩传感器91用于检测输出轴34的扭矩输出。输出轴34的扭矩和速度读数通过一个反馈回路71提供给电池充电器控制器70。电池充电器控制器70包括一个用于接收速度控制输入信号的输入端74。电池充电器控制器70中最好还包含一个可编程装置，例如一个基于微处理器的控制器。微处理器被设计成可执行一个固化在其中的程序，而该程序中包含一系列用于控制电池充电器模块40和42按前述状态运行的指令。
参见图2，从电池充电器模块40，42输出的电压可控制充电的水平，即充电电压输出与电池50电压之间的电压差。这样一来，电池充电器模块40，42就像一个功率可变的电压源。本发明中，电池充电器模块40，42可能由一个单象限拓扑组成，这意味着电池充电器模块40，42只从电动机/发电机26，28获取能量并将能量传送到电池50，也就是只在发电机模式下使用电动机/发电机26，28。电池充电器模块40，42还可能由一个双象限拓扑组成，这意味着模块40，42能够从电动机/发电机26，28获取能量并将能量传送到电池50，另外，电池充电器模块40，42还能够从电池50或其它的来源获取能量并将能量传送回电动机/发电机26，28。这个双象限拓扑允许电动机/发电机26，28运行于电动机模式。
由图2所示，电池充电器控制器70分别通过控制输出端73，75连接到电池充电器模块40，42。控制器70通过其输出端73，75发出控制信号，从而分别设置电池充电器模块40，42的输出电压。在运行时，控制器70通过扭矩和速度传感器测量输出轴34的速度和旋转方向(箭头35)，并将所测得结果与从输入端74所输入的速度控制输入进行比较。控制器70还在分别通过其输入端76，78获得电池充电器模块40，42的电流输出，并通过输入端80获得电池50输到电动机12的电流。为了响应输入端74的速度控制输入信号，电池充电器控制器70激活电池充电器模块40或42，使其从发电机26或28获得电流，以分别对输入轴30或32加载，从而使输出轴34达到所需的旋转速度。电池充电器控制器70通过速度传感器90的输出来确定输出轴34的实际转速，如果实际速度不在速度控制输入74的想达到的范围内，则会对电池充电器模块40或42从发电机26或28所获得的电流进行调整，从而改变输入轴30或32上的负载。当控制器70通过其输入端80，82测得的电池充电器模块40或42的输出电压显示出电池50已经充满电时，控制器70会控制电池充电器模块40，42停止对电池50进行充电。此时，因电池充电器模块40或42而产生的负载不复存在，并且任何从电池50到电池充电器模块40或42的反向电流都将被二极管60，62阻挡住。
控制器70中最好包含一个合适的程序来控制电动机/发电机26的输出电压的利用水平，使之被施加于电动机/发电机28，从而使电动机/发电机26运行于发电机模式而电动机/发电机28运行于电动机模式。相似地，控制器70也可包含一个合适的程序来控制电动机/发电机28的输出电压的利用水平，使之被施加于电动机/发电机26，从而使电动机/发电机28运行于发电机模式而电动机/发电机26运行于电动机模式。
如上所述，通过电池充电器模块40，42在相应的发电机26，28上引起的电流需求，在控制器70的控制下，可在为输出轴34产生旋转扭矩输出的同时，产生一个给电池50充电的再生充电电流。不管输出轴34何时旋转，是否以一个恒定的速度旋转，加速或减速，是正向旋转还是反向旋转，发动机10的这种安排都将为电池50产生一个再生充电电流。通过增加从发电机26或28中获得的电流，就可对发动机10进行制动。在制动过程中，通过发电机26或28分别在输入轴30或32上施加负载的结果是会对输出轴34产生一个制动力，同时会对电池50产生一个再生充电电流。
电池充电器控制器70还可能包括对其它参数进行监测的输入端，例如电池50的温度，周围环境的温度，电动机12的温度，环境湿度等。这些参数可用于优化与发动机10的运行有关的能量转换过程的效率。
针对以下情况，如电池50充满电，电动机12由一个燃气或其它非电或非电池能源的发动机代替，或者电能量的来源是一个没有电存储能力的燃料电池，或者连接到电池充电器40，42的负载是一个化学负载，例如图7所示的产生氢和氧的水电解系统400，差速发动机10中可包括一个电子功率模块92。电子功率模块92包括第一和第二电动机驱动模块27，29。第一电动机驱动模块27通过一根控制线连接到电动机/发电机26，相似地，第二电动机驱动模块29通过一根控制线连接到电动机/发电机28。第一电动机驱动模块27有一个控制输入端31连接到控制器70的控制信号输出端84上。第一电动机驱动模块27还有一个电源输入端33连接到电动机/发电机26，并且在输出点C接受从电动机/发电机26传来的电能。相似地，第二电动机驱动模块29有一个控制输入端33连接到控制器70的控制信号输出端86上，还有电源输入端37连接到电动机/发电机28，并且在输出点D接受从电动机/发电机28传来的电能。
在控制器70的控制下，电子功率模块92，也就是电动机驱动模块27，29控制电动机/发电机26，28运行于电动机和发电机模式，当电动机/发电机26，28中的一个作电动机运行时，另一个则作发电机运行。例如，如果电子功率模块92控制第一电动机/发电机26运行于发电机模式，第二电动机/发电机28运行于电动机模式，那么第一电动机/发电机26就对轴22/30加负载，并提供一个电能量的来源。由第一电动机/发电机26产生的电源输出到第一电动机驱动模块27的电源输入端33。第一电动机驱动模块27再将从第一发电机26获得的电源输出到运行于电动机模式的第二电动机/发电机28。第二电动机/发电机28运行于一个指定模式，这样就在两个轴对22/30和24/32之间产生了一个差速，从而在输出轴34上产生了适当的旋转。
可以预见的是，在相关联的电动机驱动模块27，29的控制下，由电动机/发电机26，28中的一个以发电机方式运行而产生的能量可提供给另一个，从而为驱动输出轴34提供了旋转能量来源。这样就产生了一个高效率的能量转换机制。虽然控制器70和电动机驱动模块27，29需要一些电能量来实现其控制功能，但这些电能量仅处在“信号电平”状态，不会构成明显的能量消耗。
在本发明中，电子功率模块92还可在控制器70的控制下与电池充电器模块40，42协同工作，以便进一步改进差速发动机10的能量转换机制。例如，控制器70可被适当编程来控制电池充电模块40，42，以对相关联的轴对22/30，24/32施加负载(如前所述，以获得速度差并导致输出轴34的旋转)，并且在需要时也能给电池50充电。一旦电池50已被充满电，如前所述，电子功率模块92就被用来控制电动机/发电机26，28运行于发电机和电动机模式，以便在轴对22/30和24/32之间产生前述的速度差。
再参见图2，控制器70还包括一个标注为94的高速网络总线。这个高速网络总线94由一个控制区域网络或称为CAN在多个差速发动机10之间为运行状态的通信提供通信路径。例如，如果每一个后轮(也就是图2中的负载36)都连接不同的差速电力发动机10，那么，总线94就允许各个发动机10的控制器70将各自的运行状态和参数及与每一个差速发动机相关联的一个转动监视器96的输出一起进行互相传送。转动监视器96连接到输出轴34上并检测输出轴34的回转半径和速度，以显示轮胎(也就是负载36)的最佳差速。另外，通过总线94高速共享的运行信息允许各个差速电力发动机10的控制器70共享效率数据、想得到的速度、输出速度、以及方向数据，这些数据可以被进一步地利用以提高运行效率。
另外，前述的差速电力发动机10提供了一个四象限运动模式。作为输入轴30，32中的一个被相连的发电机26或28加载的结果，当输出轴34在某一方向和速度下驱动一个负载时，通过从输入轴，例如被发电机26加载的输入轴30上移开负载，其速度能够在完全控制下被减少，同时另一个发电机28能够在另一个输入轴32产生一个负载，比如产生一个由差速齿轮箱16传送到输出轴34的受控减速力。可见，这种安排代表了两象限的控制。由于输出轴34能够以正向和反向两个方向旋转，对发动机10的安排可扩展到四象限运动控制系统。可以预见的是，通过安排电子功率模块92，差速电力发动机10仍可提供四象限运动控制。
如果连接到输出轴34的负载36包括汽车的一个轮胎(或多个轮胎)，那么，为输出轴34维持一个给定的旋转速度所需的扭矩量将会变化，并且依赖于负载36，例如，汽车轮胎所运行的道路的等级，汽车的风阻力等。在这个和其它的应用中，不管连接在输出轴34上的负载36如何，都可将车辆维持在想要的速度上。为维持速度恒定，负载发电机26或28所产生的负载(依赖于输出轴34的旋转方向)是变化的，从而可改变在输出轴34上所产生的旋转扭矩。发电机26或28也可以被控制而产生制动作用。例如，当汽车从山上往下走(或加了另一负载)时，如果将第一发电机上的电流需求减少到零，并将一个电流需求放到发电机28上，则可在输出轴34上产生一个减速或制动力，以便将轮胎/汽车的速度维持在所需水平。
在上述的行星变速箱13安排中，有两个用于产生负载的电动机/发电机26和28。这两个独立的发电机26和28可在输出轴34的任一方向上产生旋转扭矩。如果变速箱13只在其中一个输出输入轴对上设有单个发电机26或28，则变速箱13只能在一个方向上产生旋转扭矩。在这种情况下，当单发电机26中的负载电流减至零时，降低输出轴34旋转速度的力可能是与输出轴34连接的负载36的摩擦力，也可以是差速发动机10内部的摩擦力。
本发明差速电力发动机10的典型效率-输出速度的曲线如图3(a)所示，而该差速电力发动机10的典型输出扭矩-输出速度的曲线如图3(b)所示。参见图3(a)，在正向(曲线EF)和反向(曲线ER)两个方向上，差速电力发动机10的输出效率是电动机12的峰值效率(当它在控制器70和11控制下运行于它的峰值效率点，并忽略在各组件14，16，30，70，40，42，27和29中的任何损耗，则电动机的峰值效率可以期望达到80％至小于100％的范围内)。参见图3(b)，可以预见的是，在正向(曲线TF)和反向(曲线TR)的所有速度下，差速电力发动机10都可提供峰值输出扭矩并施加到负载(既图2中的轮胎36)上。
另一方面，本发明中的输出轴22和输入轴30中内嵌有高电流导体，从而成为感应式鼠笼电动机/发电机的转子。输出轴22和输入轴30连接在一起，组成发电机26的转子，从而提供一个感应式鼠笼发电机。相似地，可将输出轴24和输入轴32连接在一起，并在轴24和32上组成一个感应式鼠笼电动机/发电机来替代第二电动机/发电机28。
另一方面，本发明图2中的能量存储装置可以是电池50以外的其它类型电能量存储装置，例如一个燃料电池，一个电能驱动的飞轮，一个大容量电容器。当采用一个电能驱动飞轮时，电池充电器模块40，42给电动机/发电机提供电源，电动机/发电机再驱动飞轮旋转件以增加其旋转速度，从而将电能以动能形式存储起来。通过在发电机模式下运行电动机/发电机，又可将动能转化为电能。发电机模式下的运行可减少存储在旋转飞轮中的动能，并减慢飞轮的旋转速度。
如果用一个燃料电池、或一个如图7所示的可产生燃料电池所用氢气的氢气发生器来代替电池50，则通过电池充电器模块40，42产生的电能可通过为燃料电池产生第二燃料或者其它能量产生过程而产生一个有效、可逆的化学反应。例如，如果将电能用来产生氢气(或其它可用于再生能量的化学物质)，则所产生的氢气又能由燃料电池通过化学方法转化成电能。可以预见的是，燃料电池所产生的废物是水，从而可补充燃料电池中的水，当然，这一再生循环的效率是小于100％的。作为选择，电能可以用来产生化学能，而这种化学能又能产生一种适于机械能转换的燃料，例如一个燃气发动机。另外，上述过程中产生的氢也可以用于一个燃气发动机中，将其与从进气口进来的空气混合，可以提高发动机的效率，增加功率输出并减少有毒物的排放。
下面参见图4，其中显示了本发明差速发动机的一个变化例子。从图4中可以看出，电动机/发电机26，28和再生充电电流电路15由一个标注为300的机械负载和动能存储系统所代替。其中，机械负载系统300包括通过各自的机械连接器304和306连接到轴22/30，24/32的机械飞轮存储装置302。该机械飞轮存储装置可以由一个单飞轮组成，或者像图4所示的那样，有一个针对第一轴对22/30的机械飞轮308，及另一个针对第二轴对24/32的机械飞轮310。其中的机械连接器可以包括机械机构(例如齿轮和驱动轴)，或者作为选择的磁力或流体驱动连接机构。
在图5所示的另一个变化例子中，电动机/发电机26，28不是被连接到一个再生充电电流电路15或者其它类型的能量存储装置。取而代之的是，电动机/发电机26，28中的一个连接到一个受控制器70控制的可变电力负载320。该电力负载320可以是一个电子可控的电阻、或者一个可变的电路(例如脉冲宽度调制)。电力负载320受控制器70控制，控制器70基于输出轴34的实际速度及想要输出的速度(在前面已有详细的叙述)发出适当的控制信号，以改变电力负载所施加在轴对22/30或24/32上的负载。在另一个变化例子中，轴对22/30，24/32上的负载可以是一个机械负载，例如一个制动摩擦机构322(图5中虚线所示)、或者一个水力或流体驱动机构。机械负载322也是受控制器70控制的。值得指出的是，这样的负载机构可有效地在轴对22/30，24/32之间产生速度差异，但其能量是不可循环的。
下面再参见图6，其中显示了本发明差速发动机的另一个实施例并且标注为100。该差速发动机100包括一个燃气发动机110或者其它可提供旋转运动的来源，该燃气发动机110通过其输出轴111提供旋转扭矩输出。燃气发动机110像一个辅助电动机一样运行，能够补充，或者暂时地或永久地取代由单个电动机12提供的旋转扭矩。从前面参照图2的描述中可知，该单个电动机12通过其输出轴20提供旋转扭矩输出。
除电动机12和燃气发动机外，该差速发动机100中包括一个差速齿轮箱112，一个行星变速箱13(如前面参照图2所述)，和一个再生充电电流电路15(如前面参照图2所述)。除了差速齿轮箱112的轴20和111的运行旋转是在同一方向，且各自的扭矩是附加的之外，差速齿轮箱112与前面所述的行星变速箱13中的差速齿轮箱16是相似的。差速齿轮箱112有第一输入轴114、第二输入轴116以及一个输出轴118。第一输入轴114连接到电动机12的输出轴20上，相似地，第二输入轴116连接到燃气发动机110的输出轴111上。差速齿轮箱112的输出轴118连接到行星变速箱13中差速齿轮箱14的输入轴21上(图2)。差速发动机100通过其输出轴34提供旋转扭矩输出，并可按箭头35所指示的任一方向旋转。
对于差速齿轮箱112，其输入轴114和116与输出轴118以相同的速度旋转。输出轴118以与图2中所示电动机12的输出轴20相似的方式，向行星变速箱13提供旋转扭矩输出。对于差速发动机100，为了增加或减少燃气发动机110的有效速度，燃气发动机110的输出轴111的速度与差速齿轮箱112的输出轴118的速度之间的比率可能不是1∶1。通过减少或增加燃气发动机110的有效速度，输出轴118能以与电动机12的输出轴20相同的速度旋转(如箭头119所示)。
图6所示的这种安排使得燃气发动机110可与电动机12一起使用，从而可优化整个差速发动机100的效率。如果差速电力发动机100提供的能量多于损失在连接到输出轴34的无效负载上的能量，则燃气发动机110可提供一个额外的旋转扭矩输入，从而可形成对电池充电的再生充电电流，最终使电池50中可存储一个净结余能量。另一方面，燃气发动机110可以作为驱动行星变速箱13的旋转扭矩的唯一来源，并且也通过包括充电系统的再生充电电流电路15给电池50充电，在充电电池条件或者非电池系统情况下，燃气发动机110如前面所描述的那样给发动机驱动27，29提供能量。在只有燃气发动机110的这种安排中，燃气发动机110可被控制而旋转于其最佳效率速度(也就是峰值效率点)，并且在负载改变时通过速度的微小变化来维持发动机运行的峰值效率。
在不背离本发明的精神或者基本特点的情况下，本发明还可以有其它的具体实施方式。对本领域的技术人员来说，对本发明的改变和修改都是显而易见的。因此，本发明的实施例是起说明作用而不是限制性的，本发明的范围是由权利要求而不是前面的描述来限定的，因此，在权利要求的等同的内涵和范围内所作的所有变化都包含于本发明范围内。

Claims (25)

1、一种扭矩输出可变的差速发动机，其特征在于，包括以下部分：
(a)一个用于以一定旋转速度驱动输出轴并将输入旋转扭矩施加到所述输出轴上的马达；
(b)一个连接到所述马达的扭矩转换单元、用于将所述输入旋转扭矩转换成与负载连接的输出驱动轴上的旋转扭矩；
(c)所述扭矩转换单元包括一个第一差速单元，所述第一差速单元有一个输入轴连接到所述马达的输出轴，所述第一差速单元有一个用于将所述输入轴的旋转扭矩传送到第一和第二输出轴的齿轮机构，且所述齿轮机构可驱动每一个所述输出轴以相同的速度和相反的方向旋转；
(d)所述扭矩转换单元包括一个第二差速单元，所述第二差速单元有一个第一输入轴连接到所述第一差速单元的第一输出轴，还有一个第二输入轴连接到所述第一差速单元的第二输出轴，还包括一个用于在第二差速单元的第一和第二输入轴的旋转速度之间有差异产生时、施加一个旋转扭矩到所述输出驱动轴的齿轮机构；
(e)一个负载机构，所述负载机构连接到所述第二差速单元的其中一个输入轴上，所述负载机构响应于一个控制输入以对所述输入轴加载，从而可改变关联输入轴的旋转速度。
2、根据权利要求1所述的差速发动机，其中，所述马达是一个电动机，所述电动机中包括一个可控制该其在预定方向上以一个恒定旋转速度运行的恒速控制器。
3、根据权利要求2所述的差速发动机，其中，所述负载机构包括一个发电机，所述发电机的转子的一端连接到所述第一差速单元的输出轴，所述转子的另一端连接到所述第二差速单元的输入轴，所述负载机构还包括一个可响应所述控制输入而从所述发电机获取电流的负载。
4、根据权利要求3所述的差速发动机，其中，所述负载包括一个电池充电电路和一个储能电池，所述电池充电电路响应于所述控制输入以产生一个给所述电池充电的再生充电电流，所述电池连接到所述电动机以组成一个能量存储装置。
5、根据权利要求4所述的差速发动机，其中，还包括一个有转子的第二发电机，所述转子的一端连接到所述第一差速单元的另一个输出轴，所述转子的另一端连接到所述第二差速单元的另一个输入轴，所述发电机可响应于所述输入轴和输出轴施加到所述转子的旋转扭矩，以产生一个输出。
6、根据权利要求5所述的差速发动机，其中，还包括一个第二电池充电电路，所述第二电池充电电路有一个输入端连接到所述第二发电机的输出端，所述第二电池充电电路可响应于所述控制输入以产生一个给所述电池充电的再生充电电流。
7、根据权利要求3所述的差速发动机，其中，所述第一差速单元的输出轴与所述第二差速单元的输入轴是连接在一起的，所述输出轴和输入轴间包括有一个嵌入式感应鼠笼并成为发电机的转子。
8、根据权利要求3所述的差速发动机，其中，所述负载包括一个可变电阻负载，所述可变电阻负载可响应于所述控制输入以改变所施加的负载。
9、根据权利要求3所述的差速发动机，其中，所述负载包括一个电解化学单元。
10、根据权利要求1所述的差速发动机，其中，所述负载机构包括一个机械制动装置，所述机械制动装置连接到所述第二差速单元的其中一个输入轴，所述机械制动装置响应于所述控制输入以改变施加到输入轴上的制动负载。
11、根据权利要求2所述的差速发动机，其中，还包括一个驱动机构，所述驱动机构连接到所述第二差速单元的另一个输入轴，所述驱动机构响应于一个驱动控制输入以按一个可变的旋转速度驱动所述输入轴旋转。
12、根据权利要求11所述的差速发动机，其中，所述负载机构包括一个发电机，所述发电机的转子的一端连接到所述第一差速单元的输出轴，所述转子的另一端连接到所述第二差速单元的输入轴，所述发电机还包括一个连接到负载的输出端，该负载可响应所述控制输入而从所述发电机获取电流。
13、根据权利要求12所述的差速发动机，其中，所述驱动机构包括一个电动机，所述电动机的转子的一端连接到所述第一差速单元的输出轴，所述转子的另一端连接到所述第二差速单元的输入轴，所述电动机包括一个连接到所述发电机的输出端的输入端，并且可响应于所述驱动控制输入而从所述发电机获取电流。
14、根据权利要求13所述的差速发动机，其中，还包括一个用于产生所述控制输入和所述驱动控制输入的控制器，所述控制器中有一个连接到所述发电机的发电机驱动器，该发电机驱动器响应于所述控制输入以运行所述发电机从而对所述输入轴加载，所述控制器还包括一个连接到所述电动机的电动机驱动器，该电动机驱动器响应于所述驱动控制输入以运行所述电动机从而驱动另一输入轴旋转，所述控制器还包括一个连接到所述输出驱动轴以确定该输出驱动轴的旋转速度的速度传感器。
15、根据权利要求14所述的差速发动机，其中，所述控制器还包括一个网络通信总线，所述网络通信总线提供了与其它差速发动机通信的接口。
16、根据权利要求14所述的差速发动机，其中，所述控制器还包括一个连接到所述输出驱动轴以确定该输出驱动轴的旋转扭矩的扭矩传感器。
17、根据权利要求2所述的差速发动机，其中，还包括一个输入单元和一个驱动输出马达轴的第二马达，所述输入单元有一个第一输入轴连接到所述第一马达的输出轴，并有一个第二输入轴连接到所述第二马达的输出马达轴，所述输入单元有一个输出轴、且该输出轴连接到所述第一差速单元的输入轴，所述输入单元还包括一个齿轮机构以将从所述输出马达轴和所述输出轴传来的旋转扭矩传送到所述输入单元的输出轴，所述第二马达的输出马达轴的旋转方向与第一马达的输出轴相同。
18、根据权利要求17所述的差速发动机，其中，所述第一马达是一个电动机，所述第二马达是一个燃气发动机，所述电动机包括一个可控制其在预定方向上恒速旋转的恒速控制器。
19、根据权利要求18所述的差速发动机，其中，所述负载机构包括一个发电机，所述发电机的转子的一端连接到所述第一差速单元的输出轴，所述转子的另一端连接到所述第二差速单元的输入轴，所述负载机构包括一个可响应所述控制输入而从所述发电机获取电流的负载。
20、根据权利要求19所述的差速发动机，其中，所述负载包括一个电池充电电路和一个储能电池，所述电池充电电路响应于所述控制输入以产生一个给所述电池充电的再生充电电流，所述电池连接到所述电动机以组成一个能量存储装置。
21、一种输出扭矩可变的差速发动机，其特征在于，包括以下部分：
(a)一个可驱动输出轴在预定方向按恒定速度旋转的马达；
(b)一个转换单元，它有一个输入轴和一个用于驱动负载的输出驱动轴，所述输入轴连接到所述马达的输出轴；
(c)一个再生充电单元，所述再生充电单元通过一个输入端从所述转换单元获取能量，并给一个能量存储装置充电；
(d)所述转换单元包括一个第一差速单元和一个第二差速单元，所述第一差速单元有一个齿轮机构连接到所述输入轴，所述第二差速单元有一个齿轮机构连接到所述输出驱动轴，所述第一差速单元的齿轮机构通过第一和第二差速轴连接到所述第二差速单元的齿轮机构，所述差速轴以相同的速度并按相反的方向旋转；
(e)所述转换单元包括一个连接到其中一个所述差速轴的发电机，所述发电机响应于所述控制输入、以产生提供给所述再生充电单元的能量输出，所述发电机的运行会加载于所述差速轴并使所述差速轴的速度产生差异，所述第二差速单元中的齿轮机构将所述的差速转换为所述输出驱动轴的旋转速度。
22、一种输出扭矩可变的差速发动机，其特征在于，包括以下部分：
(a)一个用于以一定旋转速度驱动输出轴并将输入旋转扭矩施加到所述输出轴上的第一马达；
(b)一个用于驱动输出马达轴按一定旋转速度、并与所述第一马达的输出轴相同的方向旋转的第二马达；
(c)一个连接到所述马达的扭矩转换单元，该扭矩转换单元用于将所述第一马达和所述第二马达传来的输入旋转扭矩转换成与负载连接的输出驱动轴上的旋转扭矩；
(d)所述扭矩转换单元包括一个第一差速单元，所述第一差速单元有一个输入轴，所述第一差速单元还有一个用于将所述输入轴的旋转扭矩传送到第一和第二输出轴的齿轮机构，所述齿轮机构以相同的速度及相反的旋转方向驱动所述两个输出轴；
(e)所述扭矩转换单元包括一个第二差速单元，所述第二差速单元有一个连接到所述第一差速单元的第一输出轴的第一输入轴，还有一个连接到所述第一差速单元的第二输出轴的第二输入轴，还包括一个用于在第二差速单元的第一和第二输入轴的旋转速度之间有差异产生时、施加一个旋转扭矩到所述输出驱动轴的齿轮机构；
(f)一个输入单元，它有一个连接到所述第一马达的输出轴的第一输入轴，还有一个连接到所述第二马达的输出马达轴上的一个第二输入轴，所述输入单元有一个输出轴，且该输出轴连接到所述第一差速单元的输入轴，所述输入单元还包括一个用于将所述输出马达轴和所述输出轴的旋转扭矩传送到所述输入单元的输出轴上的齿轮机构；
(g)一个负载机构，所述负载机构连接到所述第二差速单元的其中一个输入轴，所述负载机构响应于一个控制输入，以对所述输入轴加载，从而改变关联输入轴的旋转速度。
23、根据权利要求22所述的差速发动机，其中，所述第一马达是一个电动机，所述第二马达是一个燃气发动机，所述电动机中包括一个可控制该其在预定方向上以一个恒定旋转速度运行的恒速控制器。
24、根据权利要求23所述的差速发动机，其中，所述负载机构包括一个发电机，所述发电机的转子的一端连接到所述第一差速单元的输出轴，所述转子的另一端连接到所述第二差速单元的输入轴，所述负载机构还包括一个可响应所述控制输入而从所述发电机获取电流的负载。
25、根据权利要求24所述的差速发动机，其中，所述负载包括一个电池充电电路和一个储能电池，所述电池充电电路响应于所述控制输入以产生一个给所述电池充电的再生充电电流，所述电池连接到所述电动机以组成一个能量存储装置。
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