專利名稱：發(fā)電機/電動機的組合機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及按權(quán)利要求1前序部分的一種發(fā)電機/電動機的組合機。
德國公開說明書DE-A 3041867揭示了電動車輛驅(qū)動裝置，其中一臺內(nèi)燃機驅(qū)動一臺能隨意選擇用于電動機或發(fā)電機方式的電機。在該電機的輸出側(cè)安置了一個機械傳動系，該傳動系可構(gòu)成一手動齒輪箱或自動齒輪箱。該傳動系又驅(qū)動一差動齒輪，由此啟動電動車輛的從動輪的驅(qū)動軸。
另一電動機/發(fā)電機組合揭示于US2，790，917中，它的公共定子包裹軸向位于它附近的電動機轉(zhuǎn)子和發(fā)電機轉(zhuǎn)子。
此外，GB457，972提出一種帶有兩臺D.C.電機和一個公共激勵繞組的電動機/發(fā)電機組合，該公共勵磁機繞組包圍兩臺電機的轉(zhuǎn)子被設(shè)置成借助一用于設(shè)定變速器傳動比的調(diào)節(jié)裝置軸向可相對轉(zhuǎn)子同軸移動。
US4，532，447揭示了一種帶有三個彼此同心地疊放的有源元件的電動機/發(fā)電機組合。中心元件RT支承由磁場檢測器以交變磁場的節(jié)奏被接通和斷開的繞組。
再者，人們已知當采用無級變速的傳動系時，內(nèi)燃機的扭矩和功率特性可按需要在一廣闊范圍內(nèi)與運行電阻(running resistances)匹配。因此，就車輛上的動力傳動裝置而言，最好為機械或自動多級傳動系。該已知多級傳動系的缺點是極低的分布系數(shù)(spread factor)和，特別是相當差的效率。再加，由于要容納該電機，增大了驅(qū)動組件的總長度，特別在將驅(qū)動組件的前部(front)橫向安裝的情況下，往往會產(chǎn)生空間等問題。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種能顯著縮短這種驅(qū)動組件總長度的電機。
該目的的解決方案由權(quán)利要求1的諸特點體現(xiàn)。本發(fā)明的有利改進和諸實施例描述于從屬權(quán)利要求中。此外，按本發(fā)明的發(fā)電機/電動機組合體作為電磁扭矩變換器的使用和操作描述于權(quán)利要求9至10。
本發(fā)明是基于認識到在電動機與發(fā)電機組合時，將一個定子如此設(shè)置于一個外殼中，使得在具備交替極性的永久磁鐵的發(fā)電機和電動機轉(zhuǎn)子下可軸向位移，并給該定子配置一個或多個短路繞組，使其足以提供無級變速控制的電傳動。這樣，發(fā)電機轉(zhuǎn)子和電動機轉(zhuǎn)子兩者與該定子的同一固定繞組相互作用。所以，這種D.C.電機的基本特點在于在發(fā)電機部件和電動機部件中流動著相同電流。
鑒于該定子因其短路繞組而具有的軸向可移動性，故可改變發(fā)電機部件和電動機部件中的有效導體的長度。而由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子和電動機轉(zhuǎn)子的磁場中導體長度的這種可變性，便使按本發(fā)明的發(fā)電機/電動機組合體的轉(zhuǎn)速和扭矩傳動比的開環(huán)與閉環(huán)可控性作為無級變速控制的電傳動成為可能。因此，可通過位移該定子在寬廣范圍內(nèi)設(shè)定傳動系的任何所需扭矩傳動比(即，節(jié)距spread)。
這種電機能發(fā)送的一般脈動轉(zhuǎn)矩可利用多個安裝在轉(zhuǎn)子上的輔助電動機(submotors)來均衡。為此，將多個導體長度偏置于該定子上以使轉(zhuǎn)矩波動降至最小。
對于按本發(fā)明的D.C.電機結(jié)構(gòu)設(shè)計特別重要的一點是帶有其短路繞組的定子被安裝在一個滑動套筒上，該套筒可通過貫穿外殼一開口而伸出的棒作軸向位移。為此目的，該定子被裝在一中空園筒形滑套上，該滑套本身能在連接到外殼內(nèi)側(cè)面一中空園筒形定子載體(carrier)上相對于發(fā)電機/電動機組合體輸入軸與輸出軸的旋轉(zhuǎn)軸同軸地移動。
按本發(fā)明的電機的另一結(jié)構(gòu)設(shè)計特點是發(fā)電機轉(zhuǎn)子以這樣一種方式圍繞電動機轉(zhuǎn)子，以使電動機轉(zhuǎn)子的永久磁鐵沿輸出軸方向上排列在發(fā)電機轉(zhuǎn)子的永久磁鐵的后面。這樣，獲得一種特別節(jié)省空間的設(shè)計。另外，這使得發(fā)電機轉(zhuǎn)子的永久磁鐵和電動機部件的永久磁鐵有可能以離開定子繞組的等距方式排列。
被連接到驅(qū)動機，即通常所述的內(nèi)燃機的輸入軸僅通過一個軸承支承在電機外殼上。為支承輸出軸，該輸入軸被深度導入電機外殼并為位于輸出軸上的電動機轉(zhuǎn)子帶有兩個軸承。該輸出軸又借助另一軸承被支承在電機外殼內(nèi)。
最后，該發(fā)電機/電動機組合結(jié)構(gòu)包括至少兩個磁場檢測器，每個檢測器安置在電動機轉(zhuǎn)子和發(fā)電機轉(zhuǎn)子的永久磁鐵之間。借助每個轉(zhuǎn)子中的這些磁場檢測器，可測定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)期間轉(zhuǎn)子中相鄰永久磁鐵的極性。作為可這樣來確定的磁場檢測器信號的一個函數(shù)，定子的短路繞組可被轉(zhuǎn)接從而可控制連接到輸出軸的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向。這樣，按本發(fā)明的D.C.電機可在定子繞組被位移時用作電磁轉(zhuǎn)矩傳感器(或電磁傳輸-electro-magnetic transmission)。在所謂雙動力驅(qū)動的電動車輛中采用這種發(fā)電機/電動機組合是特別重要的。
借助例舉的一個實施例可闡明按本發(fā)明的發(fā)電機/電動機組合的結(jié)構(gòu)設(shè)計。


圖1表示通過該發(fā)電機/電動機組合體所作的簡要橫截面視圖;
圖2表示按圖1發(fā)電機和電動機的轉(zhuǎn)子永久磁鐵上重疊定子繞組的示意圖;
圖3表示按圖1一個定子沿輸出軸方向被位移的視圖;
圖4表示與根據(jù)圖3該定子繞組位置有關(guān)的按圖2的視圖;
圖5表示根據(jù)圖1該定子沿輸出軸方向位移的視圖;
圖6表示根據(jù)圖2但定子繞組按圖5位移時的視圖;
圖7表示用于激勵定子繞組的一個電路斷路器的電路圖;
圖8表示該發(fā)電機和電動機轉(zhuǎn)子上的磁場檢測器裝置的示意圖。
在圖1中，以簡略視圖方式示出了按本發(fā)明的發(fā)電機/電動機組合舉例性實施例的一個橫截面。一個被連接到驅(qū)動機(未示出)的輸入軸2導入由1表示的外殼。該輸入軸2通過軸承5支承在外殼1內(nèi)并支承一發(fā)電機轉(zhuǎn)子6。該發(fā)電機轉(zhuǎn)子是中空園筒式設(shè)計并在其縱向外端面上有向內(nèi)指向的永久磁鐵9，該永久磁鐵9沿發(fā)電機轉(zhuǎn)子的園周安裝并有交變極性。
在軸承5相對的外殼1的側(cè)面上，輸出軸3從外殼1伸出。該輸出軸3通過軸承4支承在外殼1內(nèi)并被連接到一基本為中空園筒式設(shè)計的電動機轉(zhuǎn)子7。該轉(zhuǎn)子7依靠軸承16，17安裝在被深度導入外殼的輸入軸2上。象發(fā)電機轉(zhuǎn)子6一樣，電動機轉(zhuǎn)子7也在其中空園筒形縱向范圍的末端支承帶交變極性的向內(nèi)指向的永久磁鐵。
對該發(fā)電機/電動機組合的短設(shè)計有特殊意義的是發(fā)電機轉(zhuǎn)子以這樣一種方式圍繞電動機轉(zhuǎn)子7以使轉(zhuǎn)子7的永久磁鐵9沿輸出軸3的方向設(shè)置在轉(zhuǎn)子7的永久磁鐵8的后面。
也為中空園筒式設(shè)計并圍繞輸入和輸出軸2，3的定子載體12從外殼1的內(nèi)側(cè)延伸到發(fā)電機和電動機轉(zhuǎn)子的中空園筒形空間內(nèi)。一個支承電機定子10的滑動套筒13被安置在該定子載體12上。
至少一個可開關(guān)(switchable)的短路繞組11被安裝在定子10上，所述短路繞組11可操作地連接到該發(fā)電機部件和電動機部件的轉(zhuǎn)子6，7的永久磁鐵8，9上。
定子10可依靠一棒15與滑動套筒13一起相對于輸入和輸出軸2，3同軸地位移，棒15通過開口25伸入外殼1中。
定子10之繞組11的軸向可位移性使發(fā)電機部件和電動機部件中的有效導體長度可變。由于電動機部件和發(fā)電機部件之磁場中導體長度的這種變化使得按本發(fā)明D.C.電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩傳輸比的可控性成為可能。
在圖2中，簡要示出了在發(fā)電機轉(zhuǎn)子和電動機轉(zhuǎn)子6，7上永久磁鐵8，9的布置。箭頭標示了轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向，并示出僅僅部分示出的短路繞組11處于與圖1定子位置相對應的定子位置上。短路繞組11中的開關(guān)18表示短路繞組(例如)可依靠雙極性晶體管來短路。
若發(fā)電機磁鐵裝置(magnet set)是由帶轉(zhuǎn)子6的內(nèi)燃機在繞組短路(開關(guān)18閉合)情況下被驅(qū)動，則由于永久磁鐵9的運動在繞組11中感應出一個電壓，該電壓導致該導體回路中的電流流動。只要在轉(zhuǎn)子6，7上有相反極性的永久磁鐵，該電流便會對電動機轉(zhuǎn)子7產(chǎn)生具有與驅(qū)動裝置(發(fā)電機轉(zhuǎn)子6)的旋轉(zhuǎn)運動相同方向的一作用力。若同一符號的兩極彼此相對安置，則該力沿相反方向起作用。
若繞組是永久性短路的，則當發(fā)電機側(cè)旋轉(zhuǎn)時，對輸出的作用力具有繼續(xù)不斷變化的方向。因此，即使在輸出側(cè)空載也不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。視乎輸出端也就是說在電動機轉(zhuǎn)子處所需力的方向而定，因此對彼此相對的兩組永久磁鐵總是存在一個“正確”和一個“不正確”位置。
所以本文所提出的本發(fā)明的一個基本特點是對磁鐵的“正確”位置(圖2中的開關(guān)18閉合)而言允許該電流流動并避免在永久磁鐵的“不正確位置”時流過電流(開關(guān)18打開)。若始終貫徹該功能性原理，則能將一種脈動扭矩用作對輸出側(cè)的車輛推進動作。該脈沖頻率由繞組的激勵和去激勵(deactivation)的周期給定。從理論上講，當輸出側(cè)處于恒定而驅(qū)動側(cè)處于其最大轉(zhuǎn)速時，出現(xiàn)最大頻率。一臺汽油機的最大轉(zhuǎn)速在任何情況下為6000rpm，對應于100Hz。這對一臺28極電機中所加電壓而言，產(chǎn)生近似1.4KHz的頻率現(xiàn)代半導體元件能完美地適應這些值。
當輸出軸3的輸出端被加載時，繞組11中將得到一個其有效值正比于輸出側(cè)負載轉(zhuǎn)矩的電流。若發(fā)電機部件和電動機部件(圖1，圖2)中的有效導體長度相同，則得到對于輸出側(cè)空載時的輸出速度，該速度等于輸入速度。這理論極限情況的電流為零。當加載發(fā)生時，轉(zhuǎn)速根據(jù)該負載下降，也就是說，該輸出側(cè)具有一D.C.并激電動機或一外激勵D.C.電機的特性。在此情況下，兩轉(zhuǎn)子的可傳輸轉(zhuǎn)矩相同，對應于1∶1的變速器傳動比。
在圖3中，示出了根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電機/電動機組合，其定子10沿電動機轉(zhuǎn)子的永久磁鐵方向被位移，棒15的位移方向由19表示。在此情況下，短路繞組11按圖4在其電動機轉(zhuǎn)子7的永久磁鐵8區(qū)域內(nèi)的有效導體長度比在發(fā)電機轉(zhuǎn)子6的永久磁鐵9區(qū)域內(nèi)中更深的情況下定位，以使輸出側(cè)轉(zhuǎn)矩增大而輸出速度減小。
當短路繞組11按圖5，6沿箭頭20的方向位移時，即產(chǎn)生相反效果;輸出軸3的輸出速度增大而輸出扭矩減小。
當短路繞組11隨定子10沿發(fā)電機轉(zhuǎn)子方向位移時，驅(qū)動部件中的有效導體長度變得較長而，相反，輸出部件中的有效導體長度變得較短。由于電流有效值大致僅取決于負載轉(zhuǎn)矩，故此處可將其看作常數(shù)。輸出部件中導體長度的減小使得可傳輸轉(zhuǎn)矩減小。相反，發(fā)電機部件中的再生轉(zhuǎn)矩增大。由于不考慮損耗時，所施加功率必須與輸出功率相同，其結(jié)果是輸出側(cè)的轉(zhuǎn)速增大，驅(qū)動側(cè)的轉(zhuǎn)速減小。
因此顯然作為定子位移的結(jié)果;有可能構(gòu)造一種很大范圍內(nèi)無級變速的電傳動系(electric transmission)。這樣，該發(fā)電機/電動機組合可用于取代一種，例如包括象本文開始描述的那種驅(qū)動結(jié)構(gòu)的變換器的行星齒輪等，傳統(tǒng)式傳動系。此外，由于該定子的適當位移，按本發(fā)明的D.C電機也能用作電動車輛的啟動器或直流電機(dynamo)。
如已解釋過和已在諸附圖中以開關(guān)符號18所表示的，定子繞組必須隨彼此相對的磁鐵8，9的各極位置不同而被接通和斷開。如圖7所示，半導體開關(guān)，例如廉價的開關(guān)晶體管21，22可有利地用作電路斷路器。
如前已述并示于圖8中的，在發(fā)電機和電動機轉(zhuǎn)子6，7上永久磁鐵8，9之間的每一情況下安置有磁場檢測器23，24，用于啟動這些開關(guān)18。這些磁場檢測器檢測與它們相對的永久磁鐵的磁場極性并因此使開關(guān)18能被致動。借助于繞組的開關(guān)-開和開關(guān)-關(guān)的時間隨彼此相對的磁極位置的變化，有可能按要求獲得這種電磁轉(zhuǎn)矩變換器的旋轉(zhuǎn)兩種方向。以簡化形式應用于這方面的一個規(guī)則是若兩檢測器23，24感測不同的磁場極性同時開關(guān)18為接通時，則兩轉(zhuǎn)子在同一方向旋轉(zhuǎn)，而若檢測器23，24感測同一磁場極性并開關(guān)18被接通時，則使轉(zhuǎn)子6，7以相反方向旋轉(zhuǎn)。這樣，就可能在評定來自磁場檢測器23，24的信息之后，去以使輸出轉(zhuǎn)子(電動機轉(zhuǎn)子7)的旋轉(zhuǎn)方向相對輸入轉(zhuǎn)子(發(fā)電機轉(zhuǎn)子6)能按需要被選擇的方式，借助電路斷路器21，22去轉(zhuǎn)換定子10的短路繞組11的開關(guān)。
權(quán)利要求
1.發(fā)電機/電動機組合機，包括其內(nèi)安置發(fā)電機和電動機兩者的轉(zhuǎn)子和定子的外殼(1)，安裝在一輸入軸(2)上的中空園筒形發(fā)電機轉(zhuǎn)子(6)，安裝在輸出軸(3)上的中空園筒形電動機轉(zhuǎn)子(7)，這兩種轉(zhuǎn)子(6，7)彼此軸向鄰近定位并在其內(nèi)側(cè)有沿園周方向分布的帶交變極性的永久磁鐵(8，9)，一中空園筒形定子(10)，該定子以軸向可位移的方式安置在中空園筒形轉(zhuǎn)子(6，7)的內(nèi)側(cè)面并有至少一個短路繞組(11)，該繞組隨彼此間相對的兩轉(zhuǎn)子的永久磁鐵位置的變化而被開關(guān)轉(zhuǎn)換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的組合機，其特征在于所述定子(10)安裝在一滑套(13)上，借助于一根穿過一開口(25)伸入外殼并結(jié)合在滑套(13)上的棒(15)，可在連接到外殼(1)內(nèi)側(cè)面的中空圓筒形定子載體(12)上相對于軸(2，3)的旋轉(zhuǎn)軸線作同軸位移。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2的組合機，其特征在于所述發(fā)電機轉(zhuǎn)子(6)圍繞電動機轉(zhuǎn)子(7)以使電動機轉(zhuǎn)子(7)的永久磁鐵(9)在輸出軸(3)方向上安置在轉(zhuǎn)子(7)的永久磁鐵(8)的后面。
4.根據(jù)1至3任一權(quán)利要求的組合機，其特征在于所述轉(zhuǎn)子(6，7)的永久磁鐵(8，9)安置在離開定子繞組(11)的等距處。
5.根據(jù)1至4任一權(quán)利要求的組合機，其特征在于所述轉(zhuǎn)子(7)被連接到輸出軸(3)，借助軸承(16，17)支承在輸入軸(2)上。
6.根據(jù)1至4任一權(quán)利要求的組合機，其特征在于磁場檢測器(23，24)被設(shè)置在轉(zhuǎn)子(6，7)上永久磁鐵(8，9)之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1和2的組合機，其特征在于所述定子(10)配置有多個獨立短路繞組(11)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一組合機用作一電磁轉(zhuǎn)矩變換器。
9.用于控制具有權(quán)利要求8特性的電動轉(zhuǎn)矩變換器的方法，其特征在于連接到輸出軸(3)的定子(7)的旋轉(zhuǎn)方向是通過隨磁場檢測器(23，24)的信號變化轉(zhuǎn)接定子(10)的繞組(11)來控制的。
10.用于控制具有權(quán)利要求8特性的電磁轉(zhuǎn)矩變換器的方法，其特征在于輸出軸(3)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩是通過沿電動機和發(fā)電機轉(zhuǎn)子(6，7)的永久磁鐵(8，9)位移定子繞組來控制的。
全文摘要
一種如用在雙動力驅(qū)動結(jié)構(gòu)的電動車輛中的發(fā)電/電動組合機，包括安置轉(zhuǎn)子和定子的外殼(1)，安裝在一輸入軸(2)上的中空圓筒形發(fā)電機轉(zhuǎn)子(6)，安裝在輸出軸(3)上的圓筒形電動機轉(zhuǎn)子(7)，兩轉(zhuǎn)子彼此軸向鄰近定位并在其內(nèi)側(cè)有沿圓周方向分布的帶交變極性的永久磁鐵(8，9)，一圓筒形定子(10)，以軸向可位移的方式安置在圓筒形轉(zhuǎn)子(6，7)的內(nèi)側(cè)面并有至少一個短路繞組(11)，隨彼此間相對的兩轉(zhuǎn)子的永久磁鐵位置的變化而被開關(guān)轉(zhuǎn)換。
文檔編號H02K51/00GK1111849SQ9510311
公開日1995年11月15日 申請日期1995年3月13日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月15日
發(fā)明者B·G·舒爾茨, A·迪特納 申請人:大眾汽車有限公司