組合式電動和液壓馬達的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種將電動和液壓動力產(chǎn)生特性結(jié)合在單一的裝置中的馬達。
【背景技術(shù)】
[0002]混合動力車使用兩種不同的動力源來推動車輛，通常將電動系統(tǒng)或者液壓系統(tǒng)作為內(nèi)燃機的補充來降低燃油消耗。電動和液壓混合系統(tǒng)目前都有適當(dāng)?shù)膽?yīng)用，每個系統(tǒng)的價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，并且與電動混合系統(tǒng)相比在剎車過程中通常再生出更多的動能，但是產(chǎn)生較少的功率，電動混合系統(tǒng)通常具有較大的儲能容量。液壓混合系統(tǒng)通常能回收高達75%的車輛動能，而電動混合系統(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模式以提供對最優(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，公開了在車輛中同時采用液壓和電動系統(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車輛中設(shè)置作為電池續(xù)航歷程擴充器的設(shè)備。
[0005]本發(fā)明的目標為一種在電動和電動混合車輛設(shè)備中用作主要或補充馬達的組合式馬達，所述車輛具有在推進和能量回收模式中均能在車輛的整個占空比上提供優(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，確認了通常通過將電動和液壓馬達連接或定位在單一的軸上，在混合和電動車輛設(shè)備中同時使用兩個馬達。然而，沒有一個專利公開了將兩種馬達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。
[0008]Lynn申請的美國專利N0.7,841,432 (用于機動車輛的液壓-電動混合驅(qū)動系統(tǒng))
[0009]Mil Ier申請的美國專利N0.7,689,341 (雙?；靹悠嚨募铀龠^程中的優(yōu)先化能量回收)
[0010]Hughey申請的美國專利Νο.7，201，095(回收動能的車輛系統(tǒng))
[0011]Fukuchi申請的美國專利N0.7,024,964(利用電動馬達的液壓驅(qū)動裝置)
[0012]Bloxham申請的美國專利N0.6,834,737 (混動車輛和能量存儲系統(tǒng))
[0013]Nathan申請的美國專利Νο.6，454，033(具有能量再生的電動液壓車輛)
[0014]Ferch申請的美國專利N0.6，311，487 (車輛的機電液壓驅(qū)動系統(tǒng))
[0015]Wi ckman申請的美國專利N0.5,769,177(混合動力電動車輛驅(qū)動系統(tǒng))
[0016]Clark申請的美國專利N0.5,230,402(電動-液壓汽車)。
[0017]Gardner Jr申請的美國專利N0.4,753,078 (電動液壓車輛驅(qū)動系統(tǒng))
[0018]Cullin申請的美國專利Νο.4，663，937(機電液壓動力生成系統(tǒng))
[0019]下面的美國專利，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)凸輪液壓馬達相關(guān)的特征和功能，其為所述組合式馬達發(fā)明的優(yōu)選液壓馬達子系統(tǒng)。
[0020]Lemaire申請的美國專利N0.7,225,721 (液壓馬達)
[0021]Cunningham申請的美國專利N0.6，494，127(具有導(dǎo)輥的徑向活塞發(fā)動機)
[0022]Hallundbaek申請的美國專利Νο.5，391，059(徑向活塞馬達或栗)

【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技術(shù)一一電動和液壓一一組合、連接或集成到單一的馬達裝置中的組合式馬達。本發(fā)明的電動和電動混合車輛具有優(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的電動和液壓功率產(chǎn)生元件所共享。所述組合式馬達的電動和液壓產(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)明的某些實施方案中，各個液壓和電動馬達的液壓馬達和電動馬達元件可以是獨立旋轉(zhuǎn)的，并且是堆疊結(jié)構(gòu)，其中優(yōu)選的是液壓和電動功率產(chǎn)生元件不是共面的。
[0024]本發(fā)明具有多個實施方案，其中液壓馬達和電動馬達子系統(tǒng)以平行或串行結(jié)構(gòu)配置。在平行結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選的實施方案將所述液壓元件同心地定位在大直徑電動環(huán)形或電動盤式馬達中。替代地，所述電動環(huán)形或電動盤式馬達也可以同心地定位在液壓馬達中。在串行結(jié)構(gòu)中，具有兩種布置方式:電動馬達殼體可以是固定的并且其轉(zhuǎn)子被固定到液壓馬達殼體并且驅(qū)動液壓馬達殼體。替代地，所述液壓馬達殼體可以是固定的并且所述液壓馬達被固定到所述電動馬達殼體并且驅(qū)動所述電動馬達殼體。在兩種布置中，每個馬達或兩個馬達都可以被供電以提供組合的軸輸出。輸出軸的速度為兩個馬達速度的總和。這種串行結(jié)構(gòu)同樣允許一個馬達來驅(qū)動另一個馬達以使得被驅(qū)動的裝置根據(jù)哪個是被驅(qū)動的裝置而變成發(fā)電機或栗。
[0025]大直徑電動馬達，尤其是無刷永磁馬達，設(shè)計成將兩個轉(zhuǎn)子磁體和定子芯以及繞組定位成朝向馬達的外部或周邊并且留出一個敞開的中間部分(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，以及在美國專利6,552，460;6，930，433;7，432，623和7，863，784中公開的馬達)尤其適用于本發(fā)明，這是因為圓形或盤狀液壓馬達，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，可以被集成、組合或連接到上述大直徑電動環(huán)狀或盤式馬達的所述敞開的中心部分中。
[0026]電動和液壓技術(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充動力供應(yīng)和效率的結(jié)構(gòu)用于緊湊型裝置的推進和能量回收，所述動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)的電動車輛驅(qū)動循環(huán)中，在車輛扭矩需求的啟動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。所述組合式馬達通過在這些模式中用高效液壓扭矩替代低效電動扭矩來提高整體效率。這些峰值效率替代在啟動加速過程中儲存電能，使充電狀態(tài)最大化，以延長驅(qū)動范圍或運行時間。
[0028]本發(fā)明被設(shè)計成在啟動加速和剎車能量回收動作過程中通過用高效液壓能量替代在低效電動馬達速度下的電動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)動循環(huán)或者使用期間中能量保存的范圍和運行時間擴大，或者替代地，減小了用于這種驅(qū)動循環(huán)的電池大小或容量。
[0029]電動馬達在從零到低馬達轉(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，但是在較高速度時效率較高。液壓馬達在低速下格外地高效并且在較低速度下與電動馬達相比具有高達3倍的啟動加速效率。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扭矩，所述組合式馬達降低了對電池的要求，儲存了能量用于續(xù)航里程。
[0030]所述馬達能夠適用于大范圍的電動和電動混合動力車輛并且能夠優(yōu)化頻繁啟停驅(qū)動循環(huán)中的能量利用和再生，最大化電池的續(xù)航里程或運行時間和/或減小電池尺寸。這對電動車輛的可用性具有積極影響并且能夠降低生產(chǎn)和運行成本。
[0031]所述組合式馬達的一個優(yōu)選實施方案包括包圍并且與液壓徑向活塞環(huán)凸輪馬達集成到一起的大直徑電動環(huán)形馬達，其具有將電動環(huán)形馬達的電磁芯和繞組與液壓馬達輪轂(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，并且包括所述電動環(huán)形馬達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的環(huán)形凸輪或者與所述液壓馬達的環(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。該實施方案形成了一個同軸、共面以及軸向緊湊的大直徑組合式電動和液壓馬達裝置。在另一個優(yōu)選的實施方案中，所述電動馬達和液壓馬達子系統(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立旋轉(zhuǎn)的電動和液壓轉(zhuǎn)子，使得電動馬達轉(zhuǎn)子能夠以與液壓馬達轉(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)中液壓和電動動力產(chǎn)生元件不是共面的。
[0032]本發(fā)明的應(yīng)用
[0033]所述組合式電動和液壓馬達與電動或液壓馬達自身所能提供的效率相比具有明顯更寬的效率范圍。在電動車輛(EV)，混合動力電動車輛(HEV)以及插電式混合動力電動車輛(PHEV)應(yīng)用中，所述組合式馬達的液壓部件與所述電動部分相比明顯能夠更加高效地回收動能并且將其重新用作加速或啟動輔助，由此節(jié)約電池能量并且延長了車輛電動運行的范圍或運行時間或者使用較小的電池也可以實現(xiàn)相同的范圍或運行時間。
[0034]在EV和串聯(lián)HE