超通量飛輪馬達系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001] 要求優(yōu)先權
[0002] 本申請要求2013年8月7日提交的美國臨時專利申請?zhí)杗o.61/863,210的權益。
技術領域
[0003] 本發(fā)明的實施方式總體設及運輸車輛，并且更具體地設及車輛功率平衡和穩(wěn)定系 統(tǒng)。
【背景技術】
[0004] 隨著對如混合動力車、電動車和燃料電池車的替代車輛的需求增加，現(xiàn)有技術方 案已經成為設計車輛效率的限制因素。例如，電動車利用用于推進的電動馬達。一些車輛利 用用于穩(wěn)定目的的巧螺裝置。然而，利用電動馬達和巧螺裝置的車輛增大了用于其電源方 案所需要的空間。
【附圖說明】
[0005] 通過參照W下附圖，對本發(fā)明的非限制性的且非窮盡的實施方式進行了描述，其 中，除非另有說明，在各圖中相似的附圖標記指代相似的部件。應當理解的是，W下附圖可 W不按比例繪制。
[0006] 如下為某些細節(jié)和實現(xiàn)方式的描述，其包括對可描繪下文中所描述的一些或所有 的實施方式的附圖的描繪，W及本文中所呈現(xiàn)的創(chuàng)新性概念的其它潛在的實施方式或實現(xiàn) 方式的討論。將在下文中提供本發(fā)明的實施方式的概述，隨后參照附圖進行更詳細地描述， 其中：
[0007] 圖1示出了可W包含本發(fā)明的實施方式的成直線的兩輪車輛；
[000引圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的超通量飛輪馬達系統(tǒng)；
[0009] 圖2B示出了本發(fā)明的實施方式；
[0010] 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的在超通量飛輪馬達系統(tǒng)中使用的飛輪；
[0011] 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的在超通量飛輪馬達系統(tǒng)中使用的飛輪；
[0012] 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的在超通量飛輪馬達系統(tǒng)中使用的飛輪；
[0013] 圖6示出具有外部轉子組件的雙模式馬達；
[0014] 圖7示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的具有內部轉子組件的雙模式馬達。
【具體實施方式】
[0015] 本發(fā)明的實施方式描述了利用轉子組件、聯(lián)接至轉子組件的多個永磁體、W及定 子組件的方法、設備和系統(tǒng)，所述定子組件可旋轉地聯(lián)接至轉子組件并且具有忍部、從忍部 徑向地延伸的多個齒、W及一個或多個繞組，每一繞組包括纏繞在齒上W與多個永磁體相 互作用的線圈。包括框架、一個或多個常平架、W及旋轉軸的飛輪殼體容納有飛輪。該飛輪 設置成鄰近于定子組件和轉子組件，響應于所述轉子組件的旋轉而圍繞旋轉軸旋轉，并且 經由一個或多個常平架進動(precess)。
[0016] 圖1示出了可W包括本發(fā)明的實施方式的成直線的兩輪車輛。在本實施方式中，車 輛100包括車輛框架110、包圍車輛內部130的車體120 W及通道口 140,通道口 140圍繞較鏈 機構150旋轉打開。邸位操作者的座位160可W設置有驅動控制部，所述驅動控制部包括轉 向單元170、加速器180和制動器190。在本實施方式中，所述驅動控制部W具有方向盤和踏 板的常規(guī)汽車的熟悉布局而布置。
[0017] 在本實施方式中，車輛100還分別包括第一驅動輪200和第二驅動輪210。第一驅動 輪電動發(fā)電機220和第二驅動輪電動發(fā)電機250分別通過驅動鏈240和驅動鏈230而分別聯(lián) 接到驅動輪200和驅動輪210。如下文中所描述的，所述驅動輪馬達可W包括轉子和定子。
[0018] 在本實施方式中，巧螺穩(wěn)定器通過車輛框架110聯(lián)接到車輛100。巧螺穩(wěn)定器可W 包括在本實施方式中基本上相同的第一巧螺組件殼體飛輪270a和第二巧螺組件殼體飛輪 270b。但是應該理解的是，在其它實施方式中，第一巧螺組件/飛輪和第二巧螺組件/飛輪在 尺寸和材料組成上可W不同。
[0019] 如下文所描述的，借由所述飛輪-馬達的直接扭矩密度控制，定子和轉子在飛輪馬 達組件的外圓周的鄰近布置實現(xiàn)了通過最佳的加速度和減速度的冗余。
[0020] 在本實施方式中，車輛100還包括能量儲存單元W及驅動輪/飛輪電動發(fā)電機220 和驅動輪/飛輪電動發(fā)電機250(在此可替選地被稱為"超通量飛輪馬達系統(tǒng)"），所述能量儲 存單元具有電池組420、電容器組430、W及與電池組420、電容器組430電連接的電源轉換電 路。在一個實施方式中，電池組420包括位于沿著車輛框架110分布的多個位置中的蓄電池 單元，W便分配重量并適配在車輛的框架內。電池組420可W通過插入到充電站或在停車位 或車庫處的電力壁式插座(electrical wall outlet)中來進行充電，或者一個或多個蓄電 池單元可進行物理交換W提供新的充電。
[0021] 車輛100還可W包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括所示出的多個產生電信號的傳 感器。所述多個傳感器可W至少指示車輛100和巧螺穩(wěn)定器的絕對狀態(tài)和慣性狀態(tài)。本示例 性的控制系統(tǒng)還包括與多個傳感器、驅動輪/飛輪電動發(fā)電機、能量儲存單元410、加速器 180、制動器190和轉向單元170電子通信(經由本領域中任何已知的通信裝置)的系統(tǒng)控制 器440。多個傳感器至少包括聯(lián)接到車輛框架110并提供指示車輛旋轉和角度的數(shù)據(jù)的=軸 方位傳感器450、聯(lián)接到車輛框架110并提供指示車輛線性加速度的數(shù)據(jù)的加速計460、第一 驅動輪速度傳感器470和第二驅動輪速度傳感器480、W及車輛傾斜傳感器。
[0022] 車輛100還包括在本實施方式中所包括的機械支撐機構500(在本文中被稱為"起 落架"），當所述巧螺穩(wěn)定單元不能在停止點（stop)處維持車輛穩(wěn)定性(無論是由于巧螺穩(wěn) 定單元故障還是由于正常有序關機W節(jié)約電力)時，可伸出該機械支撐機構500W支撐車輛 100。
[0023] 圖2A示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的在超通量飛輪馬達系統(tǒng)中的一個驅動輪/飛輪 電動發(fā)電機(例如，驅動輪/飛輪電動發(fā)電機250)。圖2A示出了控制力矩巧螺儀系統(tǒng)，該控制 力矩巧螺儀系統(tǒng)利用無刷的、軸向場永磁體電動馬達連同飛輪組件W在兩輪前進車輛平臺 中通過進動W及動能的儲存和恢復而實現(xiàn)最佳的自平衡能力。所述超通量飛輪馬達系統(tǒng)的 概念在下文中進行描述。
[0024] 本文所使用的控制力矩巧螺儀（con化〇1 moment gyroscope，CMG)描述了包括在 支撐常平架組件的殼體中的巧螺儀裝置。所述常平架組件包括具有連接至軸的慣性元件 (例如，旋轉環(huán)或圓柱體）的轉子。旋轉軸承可設置在軸端部的周圍，W允許該軸的旋轉運 動，所述軸可W通過旋轉馬達而圍繞旋轉軸旋轉。進而，該常平架組件可W通過安裝至CMG 殼體的第一端的扭矩模塊組件而圍繞常平架軸旋轉。為了使常平架組件作旋轉運動，常平 架軸承設置在常平架組件和CMG殼體之間。經由本領域中已知的任何功率控制器裝置，通過 常平架組件可W接收電信號和功率。該CMG還可W包括適合確定常平架組件的旋轉速率和 位置的任何數(shù)目的傳感器(例如，編碼器、分解器、轉速計等）。
[0025] 該CMG將特定扭矩值賦予安裝有該CMG的車輛。本發(fā)明的實施方式利用了用于自平 衡能力的所述CMG。例如，根據(jù)本發(fā)明的實施方式的車輛的飛輪可W接收指令W旋轉到"懸 浮速度"（即，允許圖1的車輛100無需起落架的協(xié)助而"懸浮"在兩個車輪上）。系統(tǒng)控制器可 能導致巧螺穩(wěn)定單元圍繞它們的常平架來進動它們的飛輪，W補償不平衡的靜態(tài)載荷和動 態(tài)載荷，同時保持主車輛直立。
[0026] 利用磁場的傳統(tǒng)電動馬達將所述場徑向地施加在馬達的旋轉軸中或徑向地遠離 馬達的旋轉軸施加所述場。其它設計使得所述場沿馬達的軸流動，其中轉子隨著其旋轉而 切割場線。運樣的設計在本文中被稱為"軸向場馬達"。運些馬達允許強得多的磁場，運反過 來，W較低速度給馬達功率。
[0027] 典型的無刷馬達具有永磁體(永磁體旋轉）和固定電樞(例如，磁場繞組）。電子控 制器可連續(xù)不斷地對繞組切換相位W保持馬達轉向。所述控制器通過使用固態(tài)電路(而不 是電刷/換向器系統(tǒng))來執(zhí)行類似的定時配電。
[00%]如上所述，巧螺穩(wěn)定器通過車輛框架而聯(lián)接到其主車輛化OSt vehicle)。巧螺穩(wěn) 定器可W包括巧螺組件殼體飛輪。但可W理解的是，所述巧螺組件/飛輪可W在尺寸和材料 組成上不同。更具體地，巧螺穩(wěn)定器可W包括飛輪、聯(lián)接到所述飛輪的飛輪電動發(fā)電機、聯(lián) 接到飛輪的常平架、W及具有聯(lián)接到所述常平架和車輛框架的驅動部的進動馬達。
[0029] 包括在巧螺殼體內的飛輪可具有提供用于進動該巧螺組件W形成所述反扭矩 (counter-torque)的進動軸的部分、W及支撐飛輪的軸承殼體，所述反扭矩可W維持主車 輛的穩(wěn)定性。所述巧螺穩(wěn)定器可W在理論上位于車輛上的任何地方，只要其能