組合式電動(dòng)和液壓馬達(dá)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種將電動(dòng)和液壓動(dòng)力產(chǎn)生特性結(jié)合在單一的裝置中的馬達(dá)。
【背景技術(shù)】
[0002]混合動(dòng)力車使用兩種不同的動(dòng)力源來推動(dòng)車輛，通常將電動(dòng)系統(tǒng)或者液壓系統(tǒng)作為內(nèi)燃機(jī)的補(bǔ)充來降低燃油消耗。電動(dòng)和液壓混合系統(tǒng)目前都有適當(dāng)?shù)膽?yīng)用，每個(gè)系統(tǒng)的價(jià)值定位和峰值效率取決于車輛的占空比。
[0003]液壓混合具有較高的功率容量，但是周期較短，并且與電動(dòng)混合系統(tǒng)相比在剎車過程中通常再生出更多的動(dòng)能，但是產(chǎn)生較少的功率，電動(dòng)混合系統(tǒng)通常具有較大的儲(chǔ)能容量。液壓混合系統(tǒng)通常能回收高達(dá)75%的車輛動(dòng)能，而電動(dòng)混合系統(tǒng)為25%，并且與電池系統(tǒng)相比能夠更快、更有效地充能和放能。
[0004]然而，液壓車輛存在的問題在于需要交替的推動(dòng)模式以提供對(duì)最優(yōu)的功率和扭矩(尤其是在加速過程中)，以及剎車過程中的最大驅(qū)動(dòng)范圍和最大能量再生的多樣需求。為了嘗試解決這種問題，已經(jīng)提交了很多專利申請(qǐng)，公開了在車輛中同時(shí)采用液壓和電動(dòng)系統(tǒng)以獲取每種系統(tǒng)的最優(yōu)性能特性的多種組合和結(jié)構(gòu)。所述問題的一種解決方法還包括在電動(dòng)車輛中設(shè)置作為電池續(xù)航歷程擴(kuò)充器的設(shè)備。
[0005]本發(fā)明的目標(biāo)為一種在電動(dòng)和電動(dòng)混合車輛設(shè)備中用作主要或補(bǔ)充馬達(dá)的組合式馬達(dá)，所述車輛具有在推進(jìn)和能量回收模式中均能在車輛的整個(gè)占空比上提供優(yōu)化的性能和效率，并且提供重量、空間、成本和生產(chǎn)效率的能力。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)
[0007]下面的專利，以及這些專利所引用或被引用的專利，確認(rèn)了通常通過將電動(dòng)和液壓馬達(dá)連接或定位在單一的軸上，在混合和電動(dòng)車輛設(shè)備中同時(shí)使用兩個(gè)馬達(dá)。然而，沒有一個(gè)專利公開了將兩種馬達(dá)類型的主要功能部件集成、組合或者連接到一起以降低部件數(shù)量、重量、大小和成本的組合式馬達(dá)。
[0008]Lynn申請(qǐng)的美國(guó)專利N0.7,841,432 (用于機(jī)動(dòng)車輛的液壓-電動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))
[0009]Mil Ier申請(qǐng)的美國(guó)專利N0.7,689,341 (雙?；靹?dòng)汽車的加速過程中的優(yōu)先化能量回收)
[0010]Hughey申請(qǐng)的美國(guó)專利Νο.7，201，095(回收動(dòng)能的車輛系統(tǒng))
[0011]Fukuchi申請(qǐng)的美國(guó)專利N0.7,024,964(利用電動(dòng)馬達(dá)的液壓驅(qū)動(dòng)裝置)
[0012]Bloxham申請(qǐng)的美國(guó)專利N0.6,834,737 (混動(dòng)車輛和能量存儲(chǔ)系統(tǒng))
[0013]Nathan申請(qǐng)的美國(guó)專利Νο.6，454，033(具有能量再生的電動(dòng)液壓車輛)
[0014]Ferch申請(qǐng)的美國(guó)專利N0.6，311，487 (車輛的機(jī)電液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))
[0015]Wi ckman申請(qǐng)的美國(guó)專利N0.5,769,177(混合動(dòng)力電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))
[0016]Clark申請(qǐng)的美國(guó)專利N0.5,230,402(電動(dòng)-液壓汽車)。
[0017]Gardner Jr申請(qǐng)的美國(guó)專利N0.4,753,078 (電動(dòng)液壓車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))
[0018]Cullin申請(qǐng)的美國(guó)專利Νο.4，663，937(機(jī)電液壓動(dòng)力生成系統(tǒng))
[0019]下面的美國(guó)專利，以及這些專利引用或被引用的專利，公開了與徑向活塞環(huán)凸輪液壓馬達(dá)相關(guān)的特征和功能，其為所述組合式馬達(dá)發(fā)明的優(yōu)選液壓馬達(dá)子系統(tǒng)。
[0020]Lemaire申請(qǐng)的美國(guó)專利N0.7,225,721 (液壓馬達(dá))
[0021]Cunningham申請(qǐng)的美國(guó)專利N0.6，494，127(具有導(dǎo)輥的徑向活塞發(fā)動(dòng)機(jī))
[0022]Hallundbaek申請(qǐng)的美國(guó)專利Νο.5，391，059(徑向活塞馬達(dá)或栗)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0023]本發(fā)明涉及一種通過使用共用或共享的轉(zhuǎn)子和定子元件將兩種不同的馬達(dá)技術(shù)一一電動(dòng)和液壓一一組合、連接或集成到單一的馬達(dá)裝置中的組合式馬達(dá)。本發(fā)明的電動(dòng)和電動(dòng)混合車輛具有優(yōu)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夠提供減輕的重量、大小和部件數(shù)量以及較低的生產(chǎn)成本。共用的冷卻系統(tǒng)同樣也可以被所述組合式馬達(dá)的電動(dòng)和液壓功率產(chǎn)生元件所共享。所述組合式馬達(dá)的電動(dòng)和液壓產(chǎn)生元件優(yōu)選地為同軸并且共面的，具有軸向緊密性并且能夠有效利用車輛空間。在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，各個(gè)液壓和電動(dòng)馬達(dá)的液壓馬達(dá)和電動(dòng)馬達(dá)元件可以是獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的，并且是堆疊結(jié)構(gòu)，其中優(yōu)選的是液壓和電動(dòng)功率產(chǎn)生元件不是共面的。
[0024]本發(fā)明具有多個(gè)實(shí)施方案，其中液壓馬達(dá)和電動(dòng)馬達(dá)子系統(tǒng)以平行或串行結(jié)構(gòu)配置。在平行結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選的實(shí)施方案將所述液壓元件同心地定位在大直徑電動(dòng)環(huán)形或電動(dòng)盤式馬達(dá)中。替代地，所述電動(dòng)環(huán)形或電動(dòng)盤式馬達(dá)也可以同心地定位在液壓馬達(dá)中。在串行結(jié)構(gòu)中，具有兩種布置方式:電動(dòng)馬達(dá)殼體可以是固定的并且其轉(zhuǎn)子被固定到液壓馬達(dá)殼體并且驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)殼體。替代地，所述液壓馬達(dá)殼體可以是固定的并且所述液壓馬達(dá)被固定到所述電動(dòng)馬達(dá)殼體并且驅(qū)動(dòng)所述電動(dòng)馬達(dá)殼體。在兩種布置中，每個(gè)馬達(dá)或兩個(gè)馬達(dá)都可以被供電以提供組合的軸輸出。輸出軸的速度為兩個(gè)馬達(dá)速度的總和。這種串行結(jié)構(gòu)同樣允許一個(gè)馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)另一個(gè)馬達(dá)以使得被驅(qū)動(dòng)的裝置根據(jù)哪個(gè)是被驅(qū)動(dòng)的裝置而變成發(fā)電機(jī)或栗。
[0025]大直徑電動(dòng)馬達(dá)，尤其是無刷永磁馬達(dá)，設(shè)計(jì)成將兩個(gè)轉(zhuǎn)子磁體和定子芯以及繞組定位成朝向馬達(dá)的外部或周邊并且留出一個(gè)敞開的中間部分(例如但不限于由Applimot1n, Inc.0f Loomis ,CA,USA制造的環(huán)狀和盤式類型的馬達(dá)，以及在美國(guó)專利6,552，460;6，930，433;7，432，623和7，863，784中公開的馬達(dá))尤其適用于本發(fā)明，這是因?yàn)閳A形或盤狀液壓馬達(dá)，例如但不限于環(huán)狀凸輪、內(nèi)齒輪油栗齒輪以及齒輪和葉片馬達(dá)，可以被集成、組合或連接到上述大直徑電動(dòng)環(huán)狀或盤式馬達(dá)的所述敞開的中心部分中。
[0026]電動(dòng)和液壓技術(shù)的混合使用能夠優(yōu)化每種技術(shù)各自的速度和扭矩要求，同時(shí)共享部件并且使物理體積和成本最小化。之前并沒有將這種用于提供一系列的補(bǔ)充動(dòng)力供應(yīng)和效率的結(jié)構(gòu)用于緊湊型裝置的推進(jìn)和能量回收，所述動(dòng)力以低速高扭矩的形式被傳遞給所述車輛。系統(tǒng)控制器整合所述電動(dòng)和液壓子系統(tǒng)之間的扭矩共享和能量利用以使能量效率最大化。
[0027]在傳統(tǒng)的電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)循環(huán)中，在車輛扭矩需求的啟動(dòng)加速和剎車能量回收模式過程中發(fā)生不均衡的大量能量損失。所述組合式馬達(dá)通過在這些模式中用高效液壓扭矩替代低效電動(dòng)扭矩來提高整體效率。這些峰值效率替代在啟動(dòng)加速過程中儲(chǔ)存電能，使充電狀態(tài)最大化，以延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)范圍或運(yùn)行時(shí)間。
[0028]本發(fā)明被設(shè)計(jì)成在啟動(dòng)加速和剎車能量回收動(dòng)作過程中通過用高效液壓能量替代在低效電動(dòng)馬達(dá)速度下的電動(dòng)能量來傳遞最有效的電池能量使用。這種能效增益導(dǎo)致在特定的驅(qū)動(dòng)循環(huán)或者使用期間中能量保存的范圍和運(yùn)行時(shí)間擴(kuò)大，或者替代地，減小了用于這種驅(qū)動(dòng)循環(huán)的電池大小或容量。
[0029]電動(dòng)馬達(dá)在從零到低馬達(dá)轉(zhuǎn)速的過程中由于在繞組中產(chǎn)生熱量損失而能量使用低效，但是在較高速度時(shí)效率較高。液壓馬達(dá)在低速下格外地高效并且在較低速度下與電動(dòng)馬達(dá)相比具有高達(dá)3倍的啟動(dòng)加速效率。類似的，在從中等速度開始減速的過程中，它們的能量回收效率非常高。通過在低速下采用高效液壓扭矩代替低效電動(dòng)扭矩，所述組合式馬達(dá)降低了對(duì)電池的要求，儲(chǔ)存了能量用于續(xù)航里程。
[0030]所述馬達(dá)能夠適用于大范圍的電動(dòng)和電動(dòng)混合動(dòng)力車輛并且能夠優(yōu)化頻繁啟停驅(qū)動(dòng)循環(huán)中的能量利用和再生，最大化電池的續(xù)航里程或運(yùn)行時(shí)間和/或減小電池尺寸。這對(duì)電動(dòng)車輛的可用性具有積極影響并且能夠降低生產(chǎn)和運(yùn)行成本。
[0031]所述組合式馬達(dá)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案包括包圍并且與液壓徑向活塞環(huán)凸輪馬達(dá)集成到一起的大直徑電動(dòng)環(huán)形馬達(dá)，其具有將電動(dòng)環(huán)形馬達(dá)的電磁芯和繞組與液壓馬達(dá)輪轂(其包括徑向活塞陣列以及能夠使其具有液壓供能和栗送功能的閥和流體通道構(gòu)成的系統(tǒng))組合到一起的共用定子，并且包括所述電動(dòng)環(huán)形馬達(dá)的永磁體和背部鐵環(huán)的共用轉(zhuǎn)子被附著到所述液壓馬達(dá)的環(huán)形凸輪或者與所述液壓馬達(dá)的環(huán)形凸輪集成到一起，所述轉(zhuǎn)子組件通過軸承可旋轉(zhuǎn)地位于所述定子組件上。該實(shí)施方案形成了一個(gè)同軸、共面以及軸向緊湊的大直徑組合式電動(dòng)和液壓馬達(dá)裝置。在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述電動(dòng)馬達(dá)和液壓馬達(dá)子系統(tǒng)同軸布置并且彼此共面，具有共用的定子組件但是具有獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)和液壓轉(zhuǎn)子，使得電動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)子能夠以與液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)子不同的轉(zhuǎn)速(固定或者變化的速度)旋轉(zhuǎn)。在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，堆疊結(jié)構(gòu)是優(yōu)選的，在該堆疊結(jié)構(gòu)中液壓和電動(dòng)動(dòng)力產(chǎn)生元件不是共面的。
[0032]本發(fā)明的應(yīng)用
[0033]所述組合式電動(dòng)和液壓馬達(dá)與電動(dòng)或液壓馬達(dá)自身所能提供的效率相比具有明顯更寬的效率范圍。在電動(dòng)車輛(EV)，混合動(dòng)力電動(dòng)車輛(HEV)以及插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車輛(PHEV)應(yīng)用中，所述組合式馬達(dá)的液壓部件與所述電動(dòng)部分相比明顯能夠更加高效地回收動(dòng)能并且將其重新用作加速或啟動(dòng)輔助，由此節(jié)約電池能量并且延長(zhǎng)了車輛電動(dòng)運(yùn)行的范圍或運(yùn)行時(shí)間或者使用較小的電池也可以實(shí)現(xiàn)相同的范圍或運(yùn)行時(shí)間。
[0034]在EV和串聯(lián)HE