TW201607217A - 超流量飛輪馬達系統 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種超流量飛輪馬達系統，其包含一轉子總成及耦合至該轉子總成之多個永久磁鐵。一定子總成可旋轉地耦合至該轉子總成且具有一芯、自該芯徑向延伸之多個齒狀物、及一或多個繞組組，各繞組組包括纏繞在該等齒狀物上以與該等永久磁鐵相互作用之線圈。包含一框架及一或多個萬向架之一飛輪外殼容置一飛輪。此飛輪經安置鄰近該定子及該轉子總成，回應於該轉子總成之旋轉繞一自旋軸旋轉，且經由該一或多個萬向架進動。

Description

超流量飛輪馬達系統 優先權主張

此申請案主張2013年8月7日申請之美國臨時專利申請案第61/863,210號之權利。

本發明之實施例大體上係關於交通車輛，且更特定言之係關於車輛動力平衡及穩定系統。

隨著對替代車輛(諸如混合式、電動及燃料電池車輛)之需求增加，既有技術解決方案已成為車輛設計之效率中的限制因素。電動車輛(例如)利用電動馬達推進。一些車輛利用陀螺儀裝置以達穩定目的。然而，利用電動馬達及陀螺裝置兩者之車輛增加了其電源解決方案所需之空間。

100‧‧‧車輛

110‧‧‧車輛框架

120‧‧‧車輛主體

130‧‧‧車輛內部

140‧‧‧出入門

150‧‧‧鉸鏈機構

160‧‧‧座椅

170‧‧‧轉向單元

180‧‧‧加速器

190‧‧‧制動裝置

200‧‧‧第一驅動輪

210‧‧‧第二驅動輪

220‧‧‧第一驅動輪馬達發電機/飛輪馬達發電機

230‧‧‧驅動鏈

240‧‧‧驅動鏈

250‧‧‧第二驅動輪馬達發電機/飛輪馬達發電機

251‧‧‧轉子

252‧‧‧環形軸向磁鐵

253‧‧‧環形軸向磁鐵

254‧‧‧軸

255‧‧‧穩定環

270A‧‧‧第一陀螺總成容置飛輪

270B‧‧‧第二陀螺總成容置飛輪

420‧‧‧電池組

430‧‧‧電容器組

440‧‧‧系統控制器

450‧‧‧三軸定向感測器

460‧‧‧加速度計

470‧‧‧第一驅動輪速度感測器

480‧‧‧第二驅動輪速度感測器

500‧‧‧機械支撐機構

600‧‧‧飛輪馬達

602‧‧‧外部轉子總成

690‧‧‧先前技術馬達

695‧‧‧先前技術馬達

700‧‧‧雙模式馬達

702‧‧‧內部轉子總成

參考下列圖式描述本發明之非限制性且非詳盡性實施例，其中除非另有指定，否則貫穿各圖，相似參考數字指代相似部件。應明白下列圖式可不依比例繪製。

接著係某些細節及實施方案之描述，包含可描繪下文所述之一些或所有實施例之圖式之描述，以及本文提出之發明概念之其他潛在實施例或實施方案之討論。下文提供本發明之實施例之一綜述，其後係參考圖式之一更詳細儘描述，其中： 圖1繪示一直列式兩輪車輛，其可合併本發明之一實施例。

圖2A繪示根據本發明之一實施例之一超流量飛輪馬達系統。

圖2B繪示本發明之一實施例。

圖3繪示在根據本發明之一實施例之一超流量飛輪馬達系統中使用之一飛輪。

圖4繪示在根據本發明之一實施例之一超流量飛輪馬達系統中使用之一飛輪。

圖5繪示在根據本發明之一實施例之一超流量飛輪馬達系統中使用之一飛輪。

圖6繪示具有外部轉子總成之一雙模式馬達。

圖7繪示具有根據本發明之一實施例之一內部轉子總成之一雙模式馬達。

本發明之實施例描述利用一轉子總成、耦合至該轉子總成之複數個永久磁鐵及一定子總成之方法、設備及系統，該定子總成可旋轉地耦合至轉子總成且具有一芯、自該芯徑向延伸之複數個齒狀物、及一或多個繞組組，各繞組組包括纏繞在齒狀物上以與複數個永久磁鐵相互作用之線圈。包含一框架、一或多個萬向架及一自旋軸之一飛輪外殼容置一飛輪。此飛輪經安置鄰近定子總成及轉子總成，回應於轉子總成之旋轉繞自旋軸旋轉，且經由一或多個萬向架進動。

圖1繪示一直列式兩輪車輛，其可合併本發明之一實施例。在此實施例中，車輛100包括車輛框架110，圍封車輛內部130之車輛主體120及繞一鉸鏈機構150旋轉打開之出入門140。斜靠之操作者之座椅160可具有包含轉向單元170、加速器180及制動器190之驅動控制器。在此實施例中，該等驅動控制器以具有方向盤及踏板之習知汽車之熟悉佈局配置。

在此實施例中，車輛100進一步包含第一驅動輪200及第二驅動輪210。第一及第二驅動輪馬達發電機220及250分別透過驅動鏈240及230耦合至驅動輪200及210。如下所述，該等驅動輪馬達可包含轉子及定子。

在此實施例中，一陀螺穩定器透過車輛框架110耦合至車輛100。陀螺穩定器可包含在此實施例中實質上係相同之第一及第二陀螺總成容置飛輪270A及270B。應瞭解，在其他實施例中，第一及第二陀螺總成/飛輪之大小及材料組合物可不同。

如下所述，定子及轉子至飛輪馬達總成之外周邊的鄰近放置藉由該飛輪馬達之直接扭矩密度控制，透過加速及減速之最佳速率而達成冗餘度。

在此實施例中，車輛100進一步包含一能量儲存單元，該能量儲存單元具有電池組420、電容器組430及一電力開關電路，該電力開關電路與電池組420、電容器組430及驅動輪/飛輪馬達發電機220及250(或在本文中稱為一「超流量飛輪馬達系統」)電連通。在一實施例中，電池組420包含電池單元，該等電池單元位於沿車輛框架110散佈之位置上，以散佈重量且安裝在車輛之框架中。電池組420可藉由插入在一停車位或車庫之一充電站或壁式電插座中充電，或一或多個電池單元可經實體交換以提供一新的充電。

如繪示，車輛100可進一步包含一控制系統，該控制系統包含產生電信號之複數個感測器。該複數個感測器可指示車輛100及陀螺穩定器之至少絕對狀態及慣性狀態。此例示性控制系統進一步包含系統控制器440，該系統控制器440與複數個感測器、驅動輪/飛輪馬達發電機、能量儲存單元410、加速器180、制動器190及轉向單元170電連通(經由本技術中已知之任一通信構件)。複數個感測器至少包含耦合至車輛框架110提供指示車輛旋轉及角度之資料之三軸定向感測器 450、耦合至車輛框架110提供指示車輛線性加速之資料之加速度計460、第一及第二驅動輪速度感測器470及480、及一車輛傾斜感測器。

車輛100進一步包含機械支撐機構500(本文中稱為「起落裝置」)，當該陀螺穩定單元因陀螺穩定單元故障或因一正常指令之關閉以節省電力而無法在停止時維持車輛穩定時，包含在此實施例中之該機械支撐機構可延伸以支撐車輛100。

圖2A繪示根據本發明之一實施例之一超流量飛輪馬達系統中之一驅動輪/飛輪馬達發電機，例如驅動輪/飛輪馬達發電機250。圖2A繪示一控制力矩陀螺系統，其結合一飛輪總成利用一無刷、軸向磁場永久磁電動馬達以透過進動達成最佳自平衡能力及在一兩輪高級車輛平臺上之動能儲存及恢復。下文描述該超流量飛輪馬達系統之概念。

如本文使用之一力矩控制陀螺儀(CMG)描述包含在支撐一萬向架總成之一外殼中之陀螺儀裝置。該萬向架總成包含一轉子，該轉子具有耦合至一軸之一慣性元件(例如，一旋轉環或氣缸)。自旋軸承可繞軸末端安置以允許軸之旋轉移動，該軸可藉由一自旋馬達繞一自旋軸旋轉。萬向架總成繼而可藉由安裝至CMG外殼之一第一端之一扭矩模組總成繞一萬向架軸旋轉。為實現萬向架總成之旋轉移動，萬向架軸承被安置於萬向架總成與CMG外殼之間。電信號及電力可經由本技術中已知之任何電力控制器構件而由萬向架總成接收。CMG亦可包含適於判定萬向架總成之旋轉速率及位置之任何數目的感測器(例如，一編碼器、一分解器、一轉速計等等)。

CMG賦予一特定扭矩值給安裝其之車輛。本發明之實施例利用該CMG以獲得自平衡能力。例如，根據本發明之實施例之一車輛之飛輪可接收命令以起旋至「停懸速度」(即，允許圖1之車輛100在不借助起落裝置之情況下「停懸」在兩個輪子上)。系統控制器可致使 陀螺穩定單元使其等之飛輪繞其等之萬向架進動，以在維持主體車輛直立時補償不平衡之靜態負載及動態負載。

利用磁場之傳統電動馬達將該磁場徑向且遠離馬達之旋轉軸而施加。其他設計具有沿著馬達之軸流動之該磁場，當轉子旋轉時轉子切割磁場線。此等設計在本文稱為「軸向磁場馬達」。此等馬達允許更強之磁場，其繼而將電力給予處於較低速度中之馬達。

一典型無刷馬達具有永久磁鐵(其等旋轉)及一固定電樞(例如，磁場繞組)。一電子控制器可持續切換繞組之相位以維持馬達轉動。該控制器藉由使用一固態電路而非電刷/換向器系統執行類似之定時電力分配。

如上所述，陀螺穩定器透過一車輛框架耦合至其主體車輛。陀螺穩定器可包含陀螺總成容置飛輪。應瞭解，該等陀螺總成/飛輪之大小及材料組合物可不同。更特定言之，陀螺穩定器可包含一飛輪、耦合至該飛輪之飛輪馬達發電機、耦合至該飛輪之一萬向架及一進動馬達，該進動馬達具有耦合至萬向架及車輛框架之一驅動部分。

包含在一陀螺外殼中之飛輪可具有提供一進動軸及支撐飛輪之一軸承外殼之部分，該進動軸用於使陀螺總成進動以產生可維持主體車輛穩定之反扭矩。該陀螺穩定器理論上可定位於車輛上之任一位置，只要其可耦合至車輛框架以傳輸進動馬達之反扭矩。例如，該陀螺穩定器可大約定位於處於標準狀況下之主體車輛的預期垂直前後重心(「CG」)。

該電動馬達包括一定子及為在定子中旋轉之一轉子。定子由纏繞在定子棒上軸向安置(圓周地間隔)之線圈組成，且轉子具有永久磁鐵以與定子線圈繞定子與轉子之間之一氣隙相互作用。

定子及轉子至飛輪馬達總成之外周邊的鄰近放置藉由該飛輪馬達之直接扭矩密度控制，透過加速及減速之最佳速率達成冗餘度。

直接扭矩控制係在變頻驅動中用於控制該等馬達之扭矩(及因此最終控制速度)之一方法。此涉及基於馬達之經量測電壓及電流計算馬達之磁流量及扭矩的一估計值。直接扭矩密度控制允許控制該飛輪馬達之扭矩承載能力。

透過將外轉子總成整合至萬向架外殼中之機械優勢加固了部件從而增加效率且減少複雜性。安裝至萬向架外殼的係一進動(扭矩)馬達，該馬達允許飛輪馬達繞萬向架軸之進動，從而向量正交力使兩輪前進車輛穩定。

本發明之實施例亦可包含一外殼(例如，定形為一圓柱形殼)，該外殼具有上述轉子總成、複數個永久磁體及一軸與轉子總成之間之一或多個徑向感應軸承。如在圖2B中所展示，軸254可用作一內部定子安裝桿。環形軸向磁鐵252及253可圍繞該軸及轉子251定位，且分隔開一給定距離。該等軸向磁鐵具有相反磁極(即，磁方向)。如上所述組態之此等軸向磁鐵可在本文中替代地稱為電動力軸承。上述之包括一被動磁鐵軸承之電動力軸承由本技術中已知的相對簡單之生產程序生產。

對不同於上述實施例之陀螺總成中之飛輪的空間約束限制可於一固定角速度產生之回復力矩。一旦全部可利用空間包絡被填滿，增加回復力矩即可涉及飛輪之角速度的增加。此角速度之限制由飛輪馬達速度之限制及軸承最大速度及負載之限制引起。

圖3、圖4及圖5繪示一飛輪，其用於根據本發明之實施例之一超流量飛輪馬達系統之一驅動輪/飛輪馬達發電機(例如，驅動輪/飛輪馬達發電機250)中。此等圖式繪示一一致性及穩定系統，其包括結合一平衡飛輪輪總成使用之一穩定環255。該穩定環255可包含任一合適液體或固體材料使得穩定環摧毀、吸收、衰減振動，包含由飛輪中之非一致性引起的振動。該穩定環255包括一固體環或具有至少一內部腔 室之一管殼，該內部腔室充滿一液體介質。該穩定環可結合平衡重量使用。

在一些實施例中，為使飛輪產生精確量之扭矩，利用包含一穩定環之飛輪，該穩定環含有當飛輪繞自旋軸旋轉時散佈在整個環中之一第二介質。該穩定環包括形成於飛輪中之一腔室。包含在穩定環中之介質可包括固體材料或液體材料。

已知使用陀螺儀以藉由使用飛輪進動以產生反扭矩而維持一兩輪車輛直立之基本概念(儘管在此說明書中參考陀螺穩定兩輪車輛，然陀螺穩定之原理亦可用於具有一窄輪距之任一車輛中使得陀螺穩定用於穩定車輛，或加強其等之懸掛系統而提供穩定性)。然而，由於多種原因，此等系統尚不常見，包含缺乏為使一車輛在公路行駛速度及所有狀況中安全地操作之一合適的控制系統之一設計。

由於額外之機械驅動系、電力及燃料(或電池)需求，合併飛輪穩定之先前嘗試增加了巨大複雜性，且因此給車輛增加了重量。另外，飛輪本身消耗大量能量，且因此使兩輪車輛本身之固有效率優勢無效。然而，利用馬達發電機之電驅動系統之改進允許用於車輛之零排放電力，且提供當使車輛放慢速度時使用再生制動原理以恢復更大量之能量的能力。結合能量儲存密度之改進，此允許甚至額外電力用於陀螺穩定之一擴展範圍。

管理此等效應之基本方程式係已知且藉由方程式描述。一固態圓盤之慣性力矩(I)藉由I=¼ * m * r ² 給出，其中m係圓盤之質量，且r係半徑。因為一車輛重量及重心(CG)係給定的，所以一陀螺穩定器飛輪可經定大小使得當車輛停止時可無限期地控制車輛之垂直穩定。飛輪之半徑、質量及幾何形狀可經選擇以維持可安裝在車輛框架內之一緊湊大小且仍能夠提供一有效慣性力矩I。

致使一旋轉飛輪繞法向於飛輪旋轉軸之一軸進動將產生正交於 旋轉軸及進動軸兩者之一反扭矩。一萬向架飛輪總成之有用反扭矩τ可藉由方程式：τ=I _disk * ω _disk * ω _axis 給出。飛輪之旋轉速度對可用來穩定車輛之有用扭矩τ的量發揮很大作用。作為一經選擇之飛輪質量及幾何形狀之管理方程式中僅有的一個可控變數，飛輪旋轉速度可經控制以補償車輛之變化的靜態負載及負載散佈且因此補償一陀螺穩定器之修正能力。

使用於車輛之控制中之額外變數包含：θ _Vehicle 係車輛之傾角，其以弧度為單位自一側至另一側量測

V _Vehicle 係車輛之速度，其以米每秒為單位，在車輛沿道路移動時量測

ω _disk 係飛輪之旋轉速度，其以弧度每秒為單位量測

φ _axis 係飛輪之傾角，其以弧度單位，自垂直面量測

ω _axis 係飛輪之傾角的旋轉速度，其以弧度每秒為單位量測

θ _steering 係轉向輸入，其以弧度為單位量測

使用輸入θ _Vehicle 、V _Vehicle 、ω _Flywheel 、ω _axis 、φ _axis 、及θ _steering ,θ _Vehicle 可藉由改變ω _axis 控制，其輸出正交於φ _axis 之一扭矩以對抗或增加θ _Vehicle 之改變。當φ _axis 接近90°或弧度時，因為扭矩輸出正交於φ _axis ，所以改變θ _Vehicle 之陀螺效率減小。藉由致動ω _axis 控制φ _axis 及θ _Vehicle 可藉由使用包含大小迴路控制或狀態空間之一現代控制系統實現。因此，兩個輸出φ _axis 及θ _Vehicle 可在相同時間優先計算以確保θ _Vehicle 穩定。

飛輪之幾何形狀及材料及進動馬達之大小(其判定陀螺系統之修正能力)可取決於變數，諸如：預期之負載狀況下車輛之重量及重心、最大車輛速度、最大轉向速率及預期之環境狀況(例如側風，道路陡度之變化等等)。在一實施例中，陀螺總成之實體大小及質量可儘可能小以為封裝及效率之目的。本發明之實施例可進一步由實質上窄於一傳統汽車或卡車之兩輪車輛利用，因此遵守機車法規。飛輪質 量經選擇使得當在所要速度範圍中旋轉時，一單個飛輪能夠在一延長時段內修正整體車輛之一不穩定狀態及其內容物。飛輪材料選擇主要藉由材料密度(δ)、材料強度、能量儲存能力及整體重量之間之權衡驅動。藉由方程式：E _disk = * I _disk * ω _disk ² ，能量儲存(E)有關於慣性力矩及速度平方。更高密度之材料可允許一更小之整體封裝，而更大之飛輪質量要求更大之驅動馬達及因此更大之重量及空間需求。

另外，一具有大質量之飛輪可較少回應加速請求(即起旋至一給定速度將花費更長時間)或可要求一更大之驅動馬達以在一給定時間內加速飛輪。飛輪質量可經最佳化以增加車輛之效率，且最小化陀螺質量幫助保持整體車輛質量更低，此意謂在操作車輛時更少之能量消耗。在一實施例中，飛輪材料係碳纖維或Kevlar，其因針對飛輪重量之高拉伸強度被選擇，允許更高之旋轉速度(即大於10,000rpm)且對加速更具回應性。亦可使用更高密度之材料，諸如鋼、黃銅、青銅、鉛及空乏鈾；然而應瞭解此等材料之拉伸強度不允許更高之旋轉速度，此限制其等在最小化飛輪之大小及質量中之有用性。

基於圓盤之幾何形狀，慣性力矩可在自 * m _disk * r _disk ² 至 * m _disk * r _disk ² 之範圍內。因為藉由進動陀螺所得之扭矩輸出量藉由τ=I _disk * ω _disk * ω _axis 給出，所以增加I _disk 且其他輸入保持恆定意謂一更大之τ。因此τ可針對一給定大小及重量約束值最大化以保持車輛可用及有效。然而，因為當I _disk 增加時，自旋陀螺之馬達需變得更有力以在一可接受之時間量內達成所要ω _disk ，所以I _disk 及ω _disk 係相關。

X方向上之陀螺總成之輸出扭矩(τ)亦取決於陀螺之角度位置(φ _axis )。當陀螺之旋轉指向垂直向下或垂直向上時，輸出扭矩(τ)最大化。當ω _axis 增加時，陀螺圓盤之旋轉方向將朝向或遠離垂直面更快移動。若車輛需要穩定更長一段時間，則ω _axis 可經最小化以最大化產生一可接受之輸出扭矩(τ)的時間量。

當車輛將停止且前進速度低(及因此輪子旋轉速度低)時，在向前方向由車輛之傾斜施加之扭矩藉由方程式M _x =r * f *Sin(θ _Vehicle )描述，其中r係車輛重心之高度，f係在車輛上之重力，且θ _Vehicle 係自垂直面傾斜之量。由一飛輪之進動施加之力矩藉由方程式M _x =I _disk * ω _disk * ω _axis * Sin(θ _diskaxis )描述。對於低速移動之一標稱500kg車輛，力矩由具有一重心之一車輛施加。地面上方75m且自垂直面傾斜30度係1131N-m。因此將需要1131N-m之反扭矩以保持車輛穩定，但是可需要一額外反扭矩以直立移動車輛。為抵消該傾斜運動，一力矩M _x 可需藉由進動陀螺穩定器飛輪引入。若利用多個飛輪，則其等之力矩可增加。

因為30度之一傾斜超出吾人在不涉及穩定系統之一故障之現實世界情況下能夠處理之一傾斜，所以具有0.15m之一半徑及0.070kg-m-m之一慣性力矩，以1570弧度/秒自旋，且以10.47弧度/秒進動，其軸垂直之大約7kg之一飛輪圓盤應施加1295N-m之一力矩。在一實施例中，使用兩個相同飛輪，其等在相反方向上自旋且在相反方向上進動使得在相同方向上施加力矩，但是兩個飛輪之偏轉力矩M _z 合計將等於零。該等飛輪可各經定大小使得若一個飛輪出現故障，則剩餘之飛輪能在大多數情況下穩定車輛。因此，對於處在上述狀況下之標稱500kg車輛，由於具有1131N-m之一滾動力矩，故兩個飛輪將產生2590N-m之反扭矩，其將足以維持或修正車輛之傾斜，且在一飛輪之一部分發生故障時，剩餘之飛輪可提供足夠之修正力矩控制車輛以使其處於一安全狀況。該等飛輪亦可具有相同大小或不同大小。

因此，應瞭解，至少鑒於上文描述及下文圖式，本發明之實施例描述經由複數個感測器接收資料以指示描述一車輛狀態之資訊之一設備及方法。此資訊可包含但不限於車輛框架之定向、車輛之一前輪相對於框架之定向、包含在車輛中之陀螺儀飛輪(即，耦合至車輛框 架之陀螺儀)之定向及旋轉速度、及車輛之當前速度。該等陀螺儀可相對於車輛之前輪及後輪縱向對準，相對於車輛之框架橫向對準(例如，並排)，或相對於車輛之框架沿高度對準(例如，堆疊)。

至少部分基於自該等感測器接收之資料，可調整飛輪之(至少)一者之定向或旋轉速度。進一步基於用以改變車輛之速度(例如，加速或制動輸入)或方向(例如，方向盤輸入)之一輸入，本發明之實施例可進一步調整飛輪之(至少)一者之定向或旋轉速度。例如，本發明之實施例可在偵測到一加速輸入時致使飛輪之一者之旋轉速度減小，或在偵測到一制動輸入(即，參與一前輪或後輪制動之一輸入)時致使飛輪之一者之旋轉速度增大；若判定車輛將執行一轉向(即，偵測到前輪相對於框架之定向)，則本發明之實施例可調整飛輪之至少一者之定向或旋轉速度以在轉向期間維持穩定。

使用陀螺穩定器飛輪接收及傳送能量回至一驅動系統中提供一更輕重量及更高效之兩輪車輛之優勢，該兩輪車輛可包含具有斜靠座位的一適合各種天氣之內艙，具有一再生制動系統之高能量效率及零排放推進。在車輛加速及減速期間，透過能量儲存單元在(多個)飛輪馬達/(多個)發電機與(多個)驅動輪馬達及(多個)發電機之間傳送能量維持高達95%之能量效率及車輛穩定，從而實質上增加車輛之範圍。由於相較於一習知非穩定車輛陀螺穩定器之電力需求增加，故不具有此電力傳送系統之一陀螺穩定車輛顯著不利。

由於頻繁制動及加速中之能量損失(兩者皆來自輸入至制動器之能量，及用於加速車輛且在隨後制動中損失之能量)，低速城市道路行駛對於傳統車輛通常係能量最密集之體系。因此，應瞭解，能量效率之一大躍進可藉由提供一陀螺穩定車輛達成，該車輛可兩輪行駛，容納斜靠之乘客配置，提供一適合各種天氣且封閉之乘客艙之安全性，提供類似於一習知汽車之驅動控制，且其可藉由將穩定飛輪併入 至一再生制動系統中大幅改良一陀螺穩定車輛之範圍及效率。

在較低速度下，諸如當車輛自停止加速或減速至停止時，或在城市區域及停止-啟動交通情況中常見之速度下，車輛之自穩定性質不足以維持車輛之直立定向。因此，在先前技術中要求車手具有更多技巧以操作非穩定車輛，且可要求車手在停止時使用其本身之體力以平衡車輛而減小實用性及等同的可及性。

低速及停止中之陀螺穩定亦呈現一控制問題，其較在更高速度中遇到之控制問題簡單。一陀螺穩定器可透過萬向架安裝座安裝至一車輛，利用萬向架馬達進動陀螺以產生對抗車輛滾動力矩之反扭矩。車輛狀態可藉由安裝至車輛之慣性位置及絕對位置感測器量測，其可接著用於判定提供足夠反扭矩維持車輛直立所需的進動之量及速率。通常，陀螺穩定器之可儲存能力能夠在一足夠時間量內，諸如遇到一停車燈或停車信號時，穩定帶有一乘客之一車輛。在一實施例中，當車輛長時間停止或熄火時，車輛可藉由一自動部署之機械支撐體支撐其自身。

在一實施例中，(多個)陀螺穩定器飛輪及(多個)驅動輪耦合至其自身各自之(多個)馬達發電機，該(等)馬達發電機可在一馬達模式中操作以驅動其等之各自負載，或切換至一發電機模式以減慢旋轉負載且收穫此能量用以傳送至其他負載。電力系統包含一能量儲存單元，該能量儲存單元在傳送電能於驅動/制動系統與陀螺穩定器飛輪之間時，或在更長持續時間中諸如當車輛熄火時，提供電能之暫時儲存。

一系統控制器自車輛之狀態感測器(慣性及絕對)、陀螺穩定器之狀態感測器接收感測器資料及其他參數，以控制由陀螺穩定器賦予之修正扭矩之量及時序。

一陀螺穩定器包含耦合至一車輛之至少一主動萬向架飛輪。在一實施例中，一陀螺穩定器包含獨立裝有萬向架之第一及第二反向旋 轉飛輪。各飛輪可安裝有處於一中間位置之一垂直旋轉軸且萬向架軸彼此平行。在此實施例中，反向旋轉飛輪在相反方向上進動，使得其等之反扭矩增加，但其等對車輛之偏轉影響彼此消除。

使用兩個飛輪亦允許將各個別飛輪製作得更緊湊，以使其等安裝在車輛之窄框架中。另外，若一飛輪出故障，則第二飛輪可在車輛之一緊急停止期間用於提供足夠之穩定性，以使車輛處於一安全狀況。至於飛輪故障或緊急平衡情況，參與機械起落裝置部署之一故障保險協定可用於保持車輛直立且維護駕駛員之安全。

本發明之實施例進一步描述一轉子總成及可旋轉地耦合至該轉子總成之一定子總成。該定子總成包含一芯、自該芯徑向延伸之複數個齒狀物、及至少兩個繞組組，各繞組組包括纏繞在齒狀物上之線圈。該至少兩個繞組組包含一第一組繞組以驅動轉子總成至一第一可變操作範圍，及一第二組繞組以驅動轉子總成至不同於第一可變操作範圍之一第二可變操作範圍。該轉子總成可用於一電動馬達中(即，該轉子總成係一飛輪)，或可用於一驅動馬達中。

在本發明之一些實施例中，第一組繞組包括第一數目之纏繞在齒狀物上之線圈，且第二組繞組包括大於第一數目之第二數目的纏繞在齒狀物上之線圈。第一及第二組繞組可纏繞在定子之交替齒狀物上。該等定子齒狀物可自芯向外或向內延伸。

在一些實施例中，上述第一及第二可變操作範圍包括轉子速度(例如，第一範圍可係0-500RPM，而第二範圍可係500+RPM)。在其他實施例中，第一及第二可變操作範圍包括功率效率範圍(例如，第一範圍之電力輸入/電力輸出之百分率可係85%，而第二範圍之電力輸入/電力輸出之百分率可係90%)。

貫穿此說明書，使用若干個技術術語。除非本文特定定義或其使用之背景明確表明，否則此等術語將採用出自此項技術之普通意 義。在下列描述中，大量具體細節經說明以提供對實施例之一全面瞭解。然而，熟習相關技術者將認識，本文描述之技術可不結合具體細節之一或多者實踐，或結合其他方法、組件、材料等等實踐。在其他實例中，為人熟知之結構、材料或操作未被展示或詳細描述以避免混淆某些態樣。

圖6係本發明之一實施例之一繪示。在此實施例中，如下所述可用於車用能量儲存之飛輪馬達600具有多個操作模式。此等模式之各者具有不同需求，且產生一合適之顯著設計以符合所有此等模式在先前技術解決方案中不存在(即，單獨馬達，諸如先前技術馬達690及695將不得不被利用)。馬達600包括超過一組之線圈繞組，各線圈繞組具有不同參數以允許更好地符合此等模式之各者。

在此實施例中，一模式係一啟動/能量注入/能量恢復模式(即，該模式藉由與馬達695上之繞組類似之繞組實現)。此模式中之最佳運作之需求包含快速傳輸極大量之電力之能力。達成此之一方法係使用每一定子極具有更少圈數之較大直徑的導線。一第二模式係一低電力、高速、少變化模式。對於此模式，具有更多繞組之更小直徑之導線可係最佳的(即，藉由與馬達690上之繞組類似之繞組)。

在兩個極端之間具有其他可能之模式，且可藉由使用圍繞相同定子齒狀物之多組繞組，或藉由使未連接之繞組組圍繞鄰近或非鄰近之齒狀物實現間隔尺寸位準。在一些實施例中，多個模式可在具有大量被分成六部分之定子齒狀物之一輪上形成(例如，如在馬達600中所展示，十二個定子齒狀物係針對兩個操作模式，十八個定子齒狀物係針對三個操作模式等等)。

當圖6係具有外部轉子總成602之一雙模式馬達之一繪示時，圖7係具有根據本發明之一實施例之內部轉子總成702之一雙模式馬達700之一繪示。應瞭解，在圖7中繪示之繞組不一定依比例繪製，且如上 所述在各種實施例中其等可不同。

貫穿此說明書，使用若干個技術術語。除非本文特定定義或其使用之背景明確表明，否則此等術語將採用出自此項技術之普通意義。在下列描述中，大量具體細節經說明以提供對實施例之一全面瞭解。然而，熟習相關技術者將認識，本文描述之技術可不結合具體細節之一或多者實踐，或結合其他方法、組件、材料等等實踐。在其他實例中，為人熟知之結構、材料或操作未展示或詳細描述以避免混淆某些態樣。

上文被稱作本文描述之程序、伺服器或工具之各種組件可係用於執行所描述之功能之一構件。本文描述之各組件包含軟體或硬體，或此等之一組合。此等組件可作為軟體模組、硬體模組、專用硬體(例如，特定應用硬體、ASIC、DSP等等)、嵌入式控制器、硬接線電路等等實施。

軟體內容物(例如，資料、指令、組態)可經由包含一電腦儲存可讀媒體之一製造品提供，該製造品提供呈現可執行之指令的內容物。該內容物可致使一電腦執行本文描述之各種功能/操作。一電腦可讀儲存媒體包含提供(即，儲存及/或傳輸)可由一電腦(例如，計算裝置、電子系統等等)存取之一形式之資訊的任一機構，諸如可記錄/非可記錄媒體(例如，唯讀記憶體(ROM)、隨機存取記憶體(RAM)、磁碟儲存媒體、光學儲存媒體、快閃記憶體裝置等等)。該內容物可係可直接執行(「目標」或「可執行」形式)、源代碼或差代碼(「增量」或「補丁」代碼)。一電腦可讀儲存媒體亦可包含可自其下載內容物之一儲存器或資料庫。一電腦可讀儲存媒體亦可包含在銷售或交付時具有儲存在其上之內容物之一裝置或產品。因此，交付具有經儲存內容物之一裝置，或經由一通信媒體提供下載內容物可理解為提供具有此本文描述之內容物之製造品。

熟習此項技術者將認識，可對較佳實施例作出大量修改及改變而不背離本發明之範疇。當然，應瞭解，熟習此項技術者將明白對本發明之各個態樣上的修改，一些僅在研究後明白，另一些則係常規機械、化學及電子設計事項。較佳實施例之特徵、功能或性質中沒有單個係必要的。其他實施例係可行的，其等之特定設計取決於特定應用。如此，本發明之範疇不應被本文描述之特定實施例限制而是應僅被隨附申請專利範圍及其等效物界定。

雖然方法及程序以一特定序列或順序展示，但是除非另有指定，否則動作之順序可修改。因此上述之方法及程序應瞭解為僅係實例，且可以一不同順序執行，且一些動作可平行執行。另外，一或多個動作可在本發明之各種實施例中省略；因此，並非每一實施方案中需要所有動作。其他處理流程係可行的。

250‧‧‧第二驅動輪馬達發電機/飛輪馬達發電機

Claims (17)

1. 一種設備，其包含：一轉子總成；複數個永久磁鐵，其等耦合至該轉子總成；一定子總成，其可旋轉地耦合至該轉子總成且具有一芯、自該芯徑向延伸之複數個齒狀物、及一或多個繞組組，各繞組組包括纏繞在該等齒狀物上以與該複數個永久磁鐵相互作用之線圈；一飛輪外殼，其包含一框架、一或多個萬向架、及一自旋軸；及一飛輪，其經安置鄰近該定子及該轉子總成，以回應於該轉子總成之旋轉繞該自旋軸旋轉且經由該一或多個萬向架進動。
2. 如請求項1之設備，其進一步包括：一外殼，其包含該轉子總成及該複數個永久磁鐵，其中該複數個永久磁鐵包括環形軸向磁鐵以用作該轉子總成之電磁軸承。
3. 如請求項1之設備，其中該飛輪進一步包括：一穩定環，其包含當該飛輪繞該自旋軸旋轉時散佈在該環中之一介質。
4. 如請求項3之設備，其中該穩定環包括形成於該飛輪中之一腔室。
5. 如請求項3之設備，其中該穩定環之該介質包括固體材料。
6. 如請求項3之設備，其中該穩定環之該介質包括液體材料。
7. 如請求項1之設備，其中該飛輪由碳纖維、Kevlar、鋼、黃銅、青銅、鉛及空乏鈾之至少一者組成。
8. 如請求項1之設備，其中該定子總成包括至少兩個繞組組，該至少兩個繞組組包含一第一組以驅動該轉子總成至一第一可變操作範圍，及一第二組以驅動該轉子總成至不同於該第一可變操作範圍之一第二可變操作範圍。
9. 如請求項8之設備，其中該第一組繞組包括纏繞在該等齒狀物上之一第一數目之線圈，且該第二組繞組包括纏繞在該等齒狀物上之大於該第一數目之一第二數目之線圈。
10. 如請求項8之設備，其中該第一組及該第二組繞組纏繞在該定子之交替齒狀物上。
11. 如請求項8之設備，其中該第一及該第二可變操作範圍包括轉子速度。
12. 如請求項8之設備，其中該第一及該第二可變操作範圍包括功率效率範圍。
13. 如請求項8之設備，其中該轉子總成包括一電動馬達飛輪。
14. 如請求項8之設備，其中該轉子總成包括一驅動馬達輪。
15. 如請求項8之設備，其中該等定子齒狀物自該芯向外延伸。
16. 如請求項8之設備，其中該等定子齒狀物自該芯向內延伸。
17. 一種車輛，其包含：一框架；耦合至該框架之一前輪及一後輪；如請求項1至15中任一項之一超流量飛輪馬達系統；複數個感測器，其用於偵測該框架之定向、該前輪相對於該框架之定向、該飛輪之定向及旋轉速度、及該車輛之速度；及一電子控制系統，其用於至少部分基於來自該複數個感測器之資料及一輸入調整該飛輪之該定向及該旋轉速度之至少一者，以改變該車輛之速度及方向之至少一者。