[發明專利]軸向磁通電動機和發電機總成

有效

• 申請號: 200980151828.4
• 申請日: 2009-12-16
• 公開（公告）號: CN102265483A
• 公開（公告）日: 2011-11-30
• 發明（設計）人: 蒂默希·理查德·克勞克
• 申請（專利權）人: 斯馬工程有限公司
• 主分類號: H02K1/27
• 分類號: H02K1/27;H02K3/12;H02K21/24
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務所有限公司 33100
• 代理人: 劉曉春

本發明涉及一種特別適用于現代電動和混合動力道路車輛的軸向磁通電動機和發電機總成。

當前，多數混合動力車輛屬于“并行”類，這類車輛的車輪受到電動和機械兩種驅動力的驅動。這樣就能夠在坡度較緩的城市道路上行駛時充分發揮電動優勢，而在坡度較陡及需要加速時轉換為機械驅動。

根據定義，純電動車輛和混合動力系列車輛應該能在單純電動機驅動下爬上所有斜坡。還有一方面的理解是，通過盡量簡化機械傳動機構能夠減輕重量，實現這一目標的一個有利方法是為每個車輪單獨安裝一個驅動電機。對于某一部給定車輛，其電動機總質量一定，因此當所有車輪均受到驅動時質量分布更加均勻，這就能夠進一步降低結構質量。然后就能通過快速電子控制來實現“免”操控效益，例如可以在ABS(防抱死制動系統)和分布式制動力系統中增加防偏和防旋轉控制。實踐證明上述系統具有優勢。如果各個車輪均受驅動，則電動機驅動系統不帶任何減速齒輪裝置，這是一個有利條件：如果內燃機噪音不能掩蓋齒輪噪音，則齒輪噪音十分突出，且減速齒輪的任何機械故障都可能釀成事故。所以，設計目標之一就是簡單的無齒輪直接驅動。

大多數電動機的運轉在速度更快時，其產生的功率也更大，這僅僅是因為：當導電材料和磁性材料的質量一定時，轉矩受到限制，所以功率與轉速成比例。當轉速導致機械應力過大或機械損耗(一定程度上與轉速成比例)超出所能接受的范圍時，達到功率上限。

與電動機的轉速相比，道路車輪的轉速較為適中。所需轉矩取決于車輛滿載(可能包括拖車)時加速和爬坡規格中要求較高者。加速要求取決于車輛的設計種類型，例如，對于跑車來說加速要求高于爬坡要求。但是，高加速或制動負載只出現在較短時間內，一般來說設計時考慮更多的是爬坡要求，因為爬坡所需時間較長。

一般而言，牽引電動機能夠在其額定轉速范圍內提供幾近恒定的轉矩。因此，用于無齒輪直接驅動型道路車輪的電動機理論上能夠在達到全滿速之前始終提供最大轉矩。但是從理論上講，這類電動機在全滿速時功率很高，提高了對儲能和控制系統的能力要求。因此，很可能多數車輛都被限制在一個范圍內(以圖1為典型)，其中在與設計峰值功率曲線的交點處可以獲得峰值轉矩。轉速更高時，電機控制器將把車輛的某些性能限制在一定范圍內，如圖1所示，表示為一條簡單的恒定功率曲線。

設計無齒輪驅動電機的目的是為了滿足這一最大轉矩要求，因此這比電機的所有其它驅動方面更為重要。與所有其它優點相比，這一成本還是可以接受的，尤其是省去傳統傳動結構后大大減輕了重量。如果使用一個固定減速裝置，可以減輕電機和車輛的重量，但是為實現下列所述目的，應當這樣理解：期望獲得轉矩-質量比最高的電機，該電機足以被用作無齒輪驅動電機，但是如果用在車輛設計中，還適用于齒輪電機。

用來提供牽引動力的電機有很多種，包括直流電機、感應電機和開關磁阻電機，而這些電機的重要工作原理各不相同。本發明介紹了一類新型電動機，其特點在于基本工作原理的不同。為便于理解，最好與先前的技術進行比較。

如圖2所示，在最簡單的兩極永磁(PM)直流電機中，磁極片3之間的永久磁場B徑向穿過定子1和轉子2之間的空隙，導體4沿轉子2軸向延伸，電流I通過一個換向器(未畫出)饋入導體4中。電流和磁場方向垂直，因此產生一個切向力。由于磁體和空氣存在這種磁性性質，相對來說穿過空氣間隙的磁通比較容易接近轉子鐵心鐵飽和磁通，因此磁通密度有一個很容易達到的實際上限。由于電流只存在于轉子徑向深度的一小部分內并且繞組發熱是實際極限，所以電流和磁場的相互作用受到幾何因素和材料性質的限制。

對于永磁直流電機，電氣特性和機械特性基本上是直線關系，因為磁場強度幾乎恒定：電機的“反電動勢”幾乎與轉速成正比關系，轉矩與電流成比例關系，直至達到某些限制條件。雖然永磁電機的轉矩-質量比較高且比較簡單，但是這些固定性質對電子控制器提出了要求：它們必須在低電壓條件下產生很高的電流，以便完成起動、加速和爬坡；在低電流條件下產生很高的電壓，用于高速巡航。

已知有各種磁場弱化技術(如GB2338117中披露的一種技術)，這些技術允許在低速時獲得最大磁通密度，但是速度較高時磁通密度出現衰減。

解決該問題的其它既定方案是使用勵磁繞組電機。此處磁場由一電磁鐵產生，電樞導體電流與磁場相互作用產生轉矩，這與上述永磁電機完全一樣。此處當只需要低轉矩時可以降低勵磁繞組電流，這又會在高轉速時降低電機的“反電動勢”。與影響速度的磁場弱化技術相比其控制度較大，這不適合用在以電池為動力的車輛上，因為勵磁繞組所用的能量白白丟失了。