專利名稱：電磁減速器系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁減速器系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法使用渦電 流以便有助于車輛制動(dòng)。
背景技術(shù)：
利用減速系統(tǒng)補(bǔ)充機(jī)動(dòng)車輛的摩擦制動(dòng)系統(tǒng)從而延長摩擦制 動(dòng)系統(tǒng)的使用期限在本領(lǐng)域中是公知的。較大的機(jī)動(dòng)車輛經(jīng)常利用 減速器作為這樣的裝置每次車輛減速時(shí)，該裝置在不必應(yīng)用摩擦 制動(dòng)器的情況下減小車輛速度。
存在多種類型的可用來使大型機(jī)動(dòng)車輛減速的減速器，包括 限制發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量的減速器；變更一個(gè)或多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的正吋 的減速器；和使用磁力或者電磁力之間相互作用的減速器。每種類 型的減速器都起到以下作用減少運(yùn)動(dòng)的機(jī)動(dòng)車輛產(chǎn)生和包含的動(dòng) 能。對于本文檔的其余部分，除非特別說明，否則術(shù)語"減速器" 是指磁性或者電磁類型的減速器。磁性和電磁減速器通常包括一起在磁場中旋轉(zhuǎn)的軸和轉(zhuǎn)子。 通過轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的渦電流和磁場之間的相互作用而在轉(zhuǎn)子處產(chǎn)生 減速力。這種系統(tǒng)通常稱為"渦電流減速器"。轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的減速 力為阻力矩的形式，所述阻力矩反抗旋轉(zhuǎn)軸或者傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。
電磁減速器的基本原理是公知的。通常，存在兩種類型的電 磁減速器， 一種使用渦電流使運(yùn)動(dòng)減速， 一種使用磁阻。渦電流減 速器通常產(chǎn)生磁場，并且然后使金屬部件通過該磁場。當(dāng)磁性部件 通過該磁場時(shí)，金屬中的自由電子沿圓周運(yùn)動(dòng)，好象被捕獲在漩渦 中一樣，稱為渦電流。渦電流反抗導(dǎo)致它們的變化(公知為"楞次 定律"的反作用)，并且因而當(dāng)金屬部件進(jìn)入或者離開磁場時(shí)，感 應(yīng)的渦電流將會(huì)產(chǎn)生減速力。
被轉(zhuǎn)子中的渦電流吸收的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊?。因而，散熱?通常被增設(shè)到轉(zhuǎn)子上，以耗散由渦電流產(chǎn)生的熱量。由于產(chǎn)生大量 的熱量，所以需要從系統(tǒng)中去除足夠的熱量以防止制動(dòng)性能惡化。 該冷卻過程可由空氣或者流體冷卻實(shí)現(xiàn)。然而，渦電流通常產(chǎn)生在 旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子或制動(dòng)鼓中，并且如果希望采用流體冷卻，那么密封旋 轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子或鼓就會(huì)產(chǎn)生許多困難。
電磁渦電流減速器在本領(lǐng)域中是公知的。例如，發(fā)明人為
Yamamoto并且受讓人為Isuzu Motors Limited的美國專禾lj No. 6,176,355 (2001年1月23日)公開了一種用于車輛的渦電流制 動(dòng)系統(tǒng)。通常，這種渦電流電磁減速器通過使鼓旋轉(zhuǎn)穿過磁流場、 或者通過使線圈旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁通量場而產(chǎn)生所需的渦電流。例 如，'355專利使用當(dāng)制動(dòng)鼓旋轉(zhuǎn)穿過磁流場時(shí)在制動(dòng)鼓中產(chǎn)生的渦 電流。發(fā)明人為Raad并且受讓人為Pacific Scientific Electrokinetics Division的美國專利No. 6, 578， 681 (2003年6月17日)公開了一種電磁減速器，其中形成線圈的勵(lì)磁繞組安裝 在傳動(dòng)軸上，并且和傳動(dòng)軸一起旋轉(zhuǎn)。
電磁渦電流減速器通常包括定子，所述定子使用電磁體以產(chǎn) 生磁流場。定子通常是靜止的，同時(shí)可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子連接到扭矩傳輸 元件例如機(jī)動(dòng)車輛中的軸或傳動(dòng)系統(tǒng)。電磁渦電流減速器中的定子 通常具有由電磁繞組構(gòu)成的線圈，所述電磁繞組可被電池或交流發(fā) 電機(jī)系統(tǒng)提供的電流激勵(lì)。使電流流過線圈從而產(chǎn)生磁流場。當(dāng)轉(zhuǎn) 子穿過該場時(shí)，會(huì)產(chǎn)生阻力矩，從而提供適合的減速力。
在上述的減速器系統(tǒng)中可能出現(xiàn)若干困難。目前，渦電流減 速器使用通常公知的電刷。通常，電刷是滑動(dòng)連接器，所述連接器 完成固定和移動(dòng)的導(dǎo)體之間的回路。由于它們的特性，電刷經(jīng)常是 這種系統(tǒng)的故障來源。
另外，渦電流減速器通常產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在系統(tǒng)的大 部分部件旋轉(zhuǎn)(軸、轉(zhuǎn)子和/或鼓)的減速器系統(tǒng)中，所述很大的 慣量反抗系統(tǒng)自身的減速力，并且會(huì)降低系統(tǒng)的效率。
鑒于上述問題，需要這樣一種電磁渦電流減速器，該減速器 提供適合的減速力，同時(shí)有效地耗散產(chǎn)生的熱量，不必使用電刷， 并降低系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
在至少一些實(shí)施例中，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法能夠提供優(yōu)于已 知的減速器系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的一些而不是必須全部的實(shí)施例可 使用流體冷卻的靜止的鼓和靜止的線圈。這些元件的靜止特性可減 少通常與流體冷卻相聯(lián)系的困難。本發(fā)明的一些而不是必須全部的 實(shí)施例通過使用靜止的電源和靜止的線圈而不再使用電刷，從而增 加系統(tǒng)可靠性。本發(fā)明的一些實(shí)施例的另外的優(yōu)點(diǎn)在于提供這樣一 種減速器系統(tǒng)，該系統(tǒng)中，僅有的轉(zhuǎn)動(dòng)元件是爪極(claw pole)轉(zhuǎn)子，從而減小系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。本發(fā)明的各種實(shí)施例的另外的優(yōu) 點(diǎn)一部分在隨后的描述中闡明，另一部分根據(jù)本發(fā)明的描述和/或 實(shí)踐對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說是顯而易見的。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，申請人已經(jīng)開發(fā)出創(chuàng)新的電磁減速器系統(tǒng)， 該系統(tǒng)通常包括電源、控制器和電磁減速器。電源可包括但不限于 交流發(fā)電機(jī)、起動(dòng)機(jī)/交流發(fā)電機(jī)、或者電池?？刂破饔糜诳刂齐?源提供給電磁減速器的電流量。電磁減速器可包括軸；安裝在軸 上且相對于軸靜止的中空圓柱形線圈；具有兩個(gè)圓柱形表面的磁軛 (yoke),較小的圓柱形表面設(shè)置在線圈內(nèi)部并且與線圈同軸設(shè)置， 該線圈安裝在軸上且相對于軸靜止；至少一個(gè)爪極轉(zhuǎn)子，由磁性半 輪形成，該磁性半輪逐漸變細(xì)為點(diǎn)或爪，所述轉(zhuǎn)子安裝在軸上，并 且和軸一起旋轉(zhuǎn)；以及靜止的中空圓柱形電磁感應(yīng)鼓，所述鼓與軸 同軸，并且安裝成使得它圍繞線圈、磁軛和轉(zhuǎn)子。
應(yīng)該理解上述大致的說明和隨后詳細(xì)說明僅僅是示例性和解 釋性的，并不限制要求保護(hù)的本發(fā)明。此處引入作為參考并且構(gòu)成 說明書一部分的附圖和用于解釋本發(fā)明原理的詳細(xì)說明書一起闡 述本發(fā)明的若干實(shí)施例。


為了幫助理解本發(fā)明，下面將參考附圖，其中相同的附圖標(biāo) 記代表相同的元件。附圖僅是示例性的，并且不應(yīng)理解成限制本發(fā) 明。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的減速器系統(tǒng)的框圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的減速器系統(tǒng)的框圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的爪極電磁減速器的分解等
圖4是描繪本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的電磁感應(yīng)鼓中的磁通量 密度的計(jì)算機(jī)生成的圖像。
圖5是描繪本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的電磁感應(yīng)鼓中的渦電流 分布的計(jì)算機(jī)生成的圖像。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的減速器系統(tǒng)的框圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的減速器系統(tǒng)的框圖。
具體實(shí)施例方式
下面將詳細(xì)參考本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的實(shí)施例，本發(fā)明的示 例在附圖中示出。本發(fā)明的第一實(shí)施例在圖1中示為減速器系統(tǒng) 10。減速器系統(tǒng)IO包括電源100、爪極電磁減速器200、和控制器 300，該控制器用于控制從電源100到減速器200的功率輸出。
在第二實(shí)施例中，如圖2所示，電源100可包括交流發(fā)電機(jī) 110和整流器120。交流發(fā)電機(jī)IIO適合于產(chǎn)生交流電流(AC)，例 如三相AC電流。交流發(fā)電機(jī)110可電連接到整流器120，從而來 自交流發(fā)電機(jī)110的輸出電流被輸入到整流器120中。整流器120 適合于將來自交流發(fā)電機(jī)110的交流電流轉(zhuǎn)換成直流電流(DC)。 應(yīng)當(dāng)認(rèn)為，交流發(fā)電機(jī)IIO可用于與車輛蓄電池(未示出)連接， 或者可以是獨(dú)立的裝置。在可替換的實(shí)施例中，可以考慮電源IOO 可包括車輛起動(dòng)機(jī)、交流發(fā)電機(jī)、起動(dòng)機(jī)/交流發(fā)電機(jī)、和/或其它 用于為減速器200產(chǎn)生電力輸出的裝置。
繼續(xù)參考圖2，控制器300控制來自整流器120的DC輸出?？刂破?00可包括數(shù)字信號處理器(DSP)或者其它適合于調(diào)節(jié)從 整流器120到減速器200的輸出功率的裝置?？刂破?00可以包括 連接到其它發(fā)動(dòng)機(jī)部件(多個(gè))的微處理器或者類似裝置，以便確 定所需要的功率。這樣，控制器300可以在由微處理器從發(fā)動(dòng)機(jī)部 件(多個(gè))采集的信息的基礎(chǔ)上控制施加到車輛的減速力的大小。 所述信息可包括但不限于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車輛速度、冷卻劑溫度、 和/或操作者施加的制動(dòng)力?？刂破?00可以通過打開或關(guān)閉整流 器120的開關(guān)來啟動(dòng)和/或停止減速器200。
如圖3所示，減速器200連接到車輛的傳動(dòng)軸20。減速器200 可包括磁軛320、線圈340、爪極轉(zhuǎn)子332和334和電磁感應(yīng)鼓310。 磁軛320靜止地安裝在軸20上，并且可包括第一圓柱形表面321 和第二圓柱形表面322。第二圓柱形表面322可包括比第一圓柱形 表面321小的直徑，并且可布置在線圈340的內(nèi)徑中，并和線圈 340同軸布置。線圈340相對于軸20靜止。線圈340由具有內(nèi)徑 和外徑的中空圓柱形組成。線圈340的內(nèi)徑接觸磁軛320的第二圓 柱形表面322。磁軛320的第一圓柱形表面321與爪狀轉(zhuǎn)子332同 軸。
爪狀轉(zhuǎn)子332安裝成使得它與軸20 —起旋轉(zhuǎn)。爪狀轉(zhuǎn)子332 可包括磁性半輪，該磁性半輪逐漸變細(xì)為點(diǎn)或者爪。爪狀轉(zhuǎn)子332 布置成與磁軛320的第一圓柱形表面321在徑向上間隔微小的距 離。另外，爪狀轉(zhuǎn)子332的爪可沿軸向在線圈340和磁軛320的第 二圓柱形表面322上延伸。
爪狀轉(zhuǎn)子334安裝成使得它與軸20 —起旋轉(zhuǎn)。爪狀轉(zhuǎn)子332 可包括磁性半輪，該磁性半輪也逐漸變細(xì)為點(diǎn)或者爪。爪狀轉(zhuǎn)子 332和334布置成使得它們各自的尖端或者爪延伸到相對的爪的空隙中。
電磁感應(yīng)鼓310可包括中空圓柱形鼓，該鼓在爪狀轉(zhuǎn)子332 和334上方同軸安裝。電磁感應(yīng)鼓310相對于軸20靜止，并且可 以被流體冷卻。電磁感應(yīng)鼓310的內(nèi)徑安裝成與爪狀轉(zhuǎn)子332和 334的外表面沿徑向方向間隔一定距離。
電磁減速器200還可包括磁性非傳導(dǎo)保持器350，所述保持器 布置在線圈340和爪極轉(zhuǎn)子332和334中間。保持器350剛性連接 爪極轉(zhuǎn)子332和爪極轉(zhuǎn)子334，從而所述轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。保持器350 可防止產(chǎn)生的磁通量直接從北極爪極轉(zhuǎn)子332流通到南極爪極轉(zhuǎn) 子334。
參考圖2和圖3，下面將描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的操作。交 流發(fā)電機(jī)110通過本領(lǐng)域中公知的裝置產(chǎn)生三相交流電流(AC)。 交流發(fā)電機(jī)110產(chǎn)生的AC電流作為輸入提供給整流器120。整流 器120將AC轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娏?DC)，并且輸出該DC。控制器300 控制整流器120的輸出總量，該控制器可以是數(shù)字信號處理器 (DSP)?？刂破?00允許操作者控制供給到減速系統(tǒng)的電流大小， 并且因此控制產(chǎn)生的制動(dòng)力的大小。控制器300所允許的、來自整 流器120的輸出量被發(fā)送給電磁減速器200。位于電磁減速器200 內(nèi)部的線圈340接收來自整流器120的DC。當(dāng)電流流過線圈340 時(shí)就會(huì)產(chǎn)生磁場。磁場在閉合回路中的導(dǎo)磁材料中傳播，并且磁通 量在磁軛320中產(chǎn)生。磁軛320定位成與爪狀轉(zhuǎn)子332沿徑向方向 僅存在微小的空氣間隙，并且磁場躍過該空氣間隙，并且進(jìn)入爪狀 轉(zhuǎn)子332中。爪狀轉(zhuǎn)子332被極化為北極或南極，這取決于線圈 340中的DC電流的方向，同時(shí)爪狀轉(zhuǎn)子334被極化為相反的磁極。 爪狀轉(zhuǎn)子332和334通過軸20與保持器350 —起旋轉(zhuǎn)。承載爪狀轉(zhuǎn)子332的極化磁通量的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。
磁通量躍過從爪狀轉(zhuǎn)子332到電磁感應(yīng)鼓310的主要空氣間 隙。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電磁感應(yīng)鼓310中的磁通量密度如 圖4所示。電磁感應(yīng)鼓310和旋轉(zhuǎn)的爪狀轉(zhuǎn)子332和334之間的相 對運(yùn)動(dòng)使得在電磁感應(yīng)鼓310中產(chǎn)生渦電流。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí) 施例的電磁感應(yīng)鼓310中的渦電流的計(jì)算機(jī)生成的圖像如圖5所 示。應(yīng)該理解，圖4和圖5僅是為了示例的目的，并且正如對本領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員來說是顯而易見的，公開的真實(shí)值可依賴于種種 因素而變化。渦電流反抗造成它們的運(yùn)動(dòng)，從而反抗爪狀轉(zhuǎn)子332 和334的運(yùn)動(dòng)，并且提供使系統(tǒng)減速的阻力矩。磁通量然后從電磁 感應(yīng)鼓310進(jìn)入到爪狀轉(zhuǎn)子334，從而形成磁通量環(huán)，該爪狀轉(zhuǎn)子 334的極性與爪狀轉(zhuǎn)子332相反。
如圖6所示，其中相同的附圖標(biāo)記指示相同的元件，減速器 系統(tǒng)10還可包括連接到減速器200的冷卻裝置500。電磁感應(yīng)鼓 310中產(chǎn)生的渦電流將系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)能量耗散為熱能，并且同樣需要 冷卻裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，如圖3所示，電磁感應(yīng)鼓310被流體 冷卻。導(dǎo)管511將冷卻流體從冷卻流體供應(yīng)源(未示出)輸送到電 磁感應(yīng)鼓310。冷卻流體流動(dòng)通過電磁感應(yīng)鼓310中的通道，在導(dǎo) 管512將流體返回到冷卻流體供應(yīng)源之前吸收多余的熱量。因?yàn)殡?磁感應(yīng)鼓310是靜止的，所以與具有旋轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)的情況相比，與密 封所述系統(tǒng)相關(guān)的問題較少。
如圖7所示，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，電池600可電連接 到電磁減速器200。電磁減速器200可用于通過使磁通量反向而在 線圈340中產(chǎn)生電流。這樣，當(dāng)車輛處于正功率狀態(tài)并且電磁減速 器未啟動(dòng)時(shí)，減速器系統(tǒng)10可反向運(yùn)行，以便產(chǎn)生電流。產(chǎn)生的電流可存儲(chǔ)在電池600中，并且可用于驅(qū)動(dòng)車輛系統(tǒng)或部件。
對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的范圍或?qū)?質(zhì)的情況下對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、和/或操作作出各種修改和變 化是顯而易見的。
權(quán)利要求
1. 一種用于具有傳動(dòng)軸的車輛的電磁減速系統(tǒng)，包括電源；電連接到所述電源的線圈；和至少一個(gè)可操作地連接到傳動(dòng)軸的爪極轉(zhuǎn)子。
2. —種用于使具有傳動(dòng)軸的車輛減速的電磁減速系統(tǒng)，包括: 交流發(fā)電機(jī)；電連接到所述交流發(fā)電機(jī)的整流器；電連接到所述整流器的控制器，所述控制器適用于控制所述 整流器的輸出；和可操作地連接到傳動(dòng)軸的電磁減速器。
3. 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電磁減速器 包括爪極電磁減速器。
4. 一種用于使車輛減速的無電刷電磁減速器，包括 軸；靜止地設(shè)置在所述軸上的線圈；靜止地設(shè)置在所述軸上的磁軛，所述磁軛與所述線圈同軸設(shè)置；至少一個(gè)安裝在所述軸上的轉(zhuǎn)子；和電磁感應(yīng)鼓，與所述軸同軸設(shè)置，并且安裝成使得圍繞所述 線圈、所述磁軛和所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)子。
5. 如權(quán)利要求4所述的無電刷電磁減速器，其特征在于，所 述至少一個(gè)轉(zhuǎn)子包括爪極轉(zhuǎn)子。
6. 如權(quán)利要求4所述的無電刷電磁減速器，其特征在于，所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)子包括兩個(gè)爪極轉(zhuǎn)子。
7. 如權(quán)利要求4所述的無電刷電磁減速器，其特征在于，還 包括可操作地連接到所述電磁感應(yīng)鼓的流體冷卻系統(tǒng)。
8. 如權(quán)利要求7所述的無電刷電磁減速器，其特征在于，所 述流體冷卻系統(tǒng)包括冷卻劑供應(yīng)源；第一導(dǎo)管，將所述冷卻劑供應(yīng)源連接到所述電磁感應(yīng)鼓，所 述第一導(dǎo)管適用于將來自所述冷卻劑供應(yīng)源的液流提供給所述電 磁感應(yīng)鼓；和第二導(dǎo)管，將所述電磁感應(yīng)鼓連接到所述冷卻劑供應(yīng)源，所 述第二導(dǎo)管適用于將來自所述電磁感應(yīng)鼓的液流提供給所述冷卻 劑供應(yīng)源。
9. 一種爪極電磁減速器，包括 軸；線圈，靜止地設(shè)置在所述軸上，并具有中空圓柱形形狀；磁軛，靜止地設(shè)置在所述軸上，所述磁軛具有第一圓柱形表 面和第二圓桂形表面，第二圓柱形表面與所述線圈同軸設(shè)置；至少一個(gè)爪極轉(zhuǎn)子，安裝在所述軸上，所述至少一個(gè)爪極轉(zhuǎn) 子由磁性半輪形成，所述磁性半輪逐漸變細(xì)為爪；和電磁感應(yīng)鼓，與所述軸同軸設(shè)置，并且安裝成使得圍繞所述 線圈、所述磁軛和所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)子。
10. 如權(quán)利要求9所述的爪極電磁減速器，其特征在于，還包括冷卻劑供應(yīng)源；第一導(dǎo)管，將所述冷卻劑供應(yīng)源連接到所述電磁感應(yīng)鼓，所 述第一導(dǎo)管適用于將來自所述冷卻劑供應(yīng)源的液流提供給所述電 磁感應(yīng)鼓；和第二導(dǎo)管，將所述電磁感應(yīng)鼓連接到所述冷卻劑供應(yīng)源，所 述第二導(dǎo)管適用于將來自所述電磁感應(yīng)鼓的液流提供給所述冷卻劑供應(yīng)源。
全文摘要
公開了一種電磁減速器系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，減速器系統(tǒng)包括軸；線圈，靜止地設(shè)置在軸上，并且具有中空圓柱形形狀；磁軛，靜止地設(shè)置在軸上，所述磁軛具有第一圓柱形表面和第二圓柱形表面，第二圓柱形表面與所述線圈同軸設(shè)置；至少一個(gè)爪極轉(zhuǎn)子，安裝在軸上，所述至少一個(gè)爪極轉(zhuǎn)子由磁性半輪形成，磁性半輪逐漸變細(xì)為爪；和電磁感應(yīng)鼓，與軸同軸設(shè)置，并且安裝成使得圍繞線圈、磁軛和所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)子。
文檔編號H02K49/02GK101421129SQ200480040836
公開日2009年4月29日 申請日期2004年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月24日
發(fā)明者史蒂文·N·歐內(nèi)斯特, 布倫特·N·亞伯拉漢森, 華 白, 約翰·J·萊斯特 申請人:雅各布斯車輛系統(tǒng)公司