车轮驱动组件的制作方法

专利名称：车轮驱动组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括车轮和驱动装置的驱动组件，以及设置有至少一个这种驱动组件的车辆。
通常使用驱动装置驱动车轮，如内燃机、(燃气)涡轮机或者例如电动机。驱动器经过减速变速器连接到车轮上，该减速变速器通常是带有加速器的齿轮箱，或者连续变速传动(CVT)等等。
另一方面，如NL-A-1014182中所述，已知在车轮中安装有电动机。
在没有尺寸和细节的情况下，EP-A-0 588 478通过使用这种车轮的数个示意性附图描述了车轮中的电动机。
本发明的目的是实现具有改进效率和具有更多应用可能性的驱动系统。
为了实现这一目的，本发明提供了包括车轮和驱动装置的驱动组件，该车轮具有转动的轮轴，该驱动装置当在车轮上施加驱动力矩时，驱动比大于0.57，该驱动比为驱动力矩的臂除以车轮半径的尺寸。
通过选择臂与车轮半径的这种驱动比，可能一方面产生能够产生实际用车的可工作状态，另一方面达到最优效率。
如上述荷兰专利文件中所述的那样，关于电动机的测试和研究发现和认识到，当驱动力矩的臂尽可能接近车轮半径时，可以进一步提高NL-A-1014182中所描述实施例的效率。
它进一步证明，通过使用部件，明显减小其他能量的净损失的额外效果。由于可以将具有比预期容量更小的电机。于是，能够减小所需的电池容量。除了如充电器之类的几个部件之外，其他电子装置都能够设计得更轻。结果，可以进一步减小所需的电机容量。最后，证明比理论计算值明显更加有效的驱动是可能的。
结果，可以实现比迄今为止已经计算出来并已知的更大的效率提高。
此处，臂由转子转动轴的中央与驱动装置为了使其转动而施加到驱动轴或转子上的力的作用线之间的距离限定。
本发明所述的驱动装置已经证明，当使用电动机时易于实现技术构造。
当例如使用设置有定子和转子的电动机时，臂将是转子内径的一半，例如转子的内半径，该定子具有线圈，转子在定子周围安装有永磁体(所谓的外部运转的转子；“buitenloper”)，其中定子是固定的并连接到车辆上，转子具有环绕定子旋转的永磁体，并连接到车轮的轮轴和车轮上。这种设置使得可能实现本发明所述的高效驱动装置。
由于转子和永磁体可以固定地安装在定子外侧，所以电动机也可以包括安装到驱动轴上的线圈。此处，臂是转子直径的一半。也可能进行变型。
在一实施例中，驱动装置包括电动机，其定子将包括线圈，转子将包括永磁体。结果，不需要复杂的电力供应，并且电动机的结构简单。而且，可以简单地连接或装入到车辆中。此处也可以再次选择转子在线圈中旋转的内部运转转子(“binnenloper”)，和转子绕着线圈旋转的外部运转转子(“buitenloper”)。为了实现尽可能大的驱动比，优选地采用外部运转转子(“buitenloper”)。
在一实施例中，车轮设置有轮胎，优选地是充气轮胎。车轮的半径也包括轮胎的厚度。对于设置有轮胎的车辆，选择本发明所述驱动组件是非常明显的。
在简单安装的另一实施例中，驱动装置利用连接装置安装，该连接装置允许轮轴和驱动装置的驱动轴之间角度的存在。这种连接装置的例子是使用所谓的相同动力学的(homokinetic)联接器或类似装置的差动变速器。
在一实施例中，线圈固定地连接到车辆上，并且永磁体环绕线圈设置并连接到驱动轴上。结果，由于电力供应简单，所以构造可能简单。另外，永磁体已经安装到该转子上故转子可以设计得较轻。
在本发明所述驱动组件的实施例中，驱动比大于0.65。驱动装置的正确选择明显可以使该比例可行。在另一实施例中，驱动比大于0.7。然而，这意味着对于驱动装置的设计具有较高的要求。
在一实施例中，驱动比小于1.0，优选地小于0.95。此处，已经正确选择了车轮的材料和类型。例如，当使用充气轮胎时，将不得不选择例外的轮胎和充气轮胎的模型。
在本发明所述驱动组件的实施例中，驱动装置包括电动机。已经证明，电动机特别适合于在本发明所述驱动组件中使用。例如，电动机在低速时提供高扭矩。而且，细心的设计将实现与本发明在驱动比方面的要求相吻合的驱动。
在其另一实施例中，电动机为设置有永磁体的同步电机。用这种方法，该电机能够具有简单的设计。而且由于使用永磁体，所以该电机能够制造的足够紧凑。
在本发明所述驱动组件的实施例中，驱动装置为电动机，所述电动机包括设置有线圈的定子和设置有永磁体的转子，该定子固定设置在车辆中。结果，电动机可以制造得足够紧凑，以在本发明中使用。
在一实施例中，该驱动装置在定子中包括用于电动机操作的操作装置和控制装置，该驱动装置优选地抵靠在定子上。
在另一实施例中，转子与定子同轴设置，并连接到电动机(外部转动转子；“buitenloper”)的驱动轴上。
在一实施例中，该驱动装置靠近车轮安装。
在一实施例中，该驱动装置包括驱动轴，并且驱动轴和轮轴成一直线对齐。
在一实施例中，该驱动轴和轮轴连接用于直接驱动。
在一实施例中，该驱动装置包括驱动轴，该驱动轴直接驱动轮轴。在其特定实施例中，该驱动轴为轮轴。
在驱动组件的实施例中，该驱动装置为设置有永磁体的电动机，该永磁体连接到轮轴上。
可选的是，轮轴和驱动轴可以利用连接器进行连接，该连接器允许轮轴的纵向轴线和驱动轴的纵向轴线成不等于180°的角度。这种连接器的例子为差动变速器和相同动力学的(homokinetic)联接器。
在一实施例中表明，甚至可以进一步提高效率，并且特别是当驱动装置包括提供小于0.3Nm/kg车辆质量的扭矩的电动机时，可以进一步改进设置有本发明所述或上述驱动组件的车辆的能量消耗。可能获得至少0.4Nm/kg车辆质量的更好性能。该扭矩为最大额定扭矩。例如，电动机可以短时间提供最大(额定)扭矩两倍的扭矩。然而，已经证明，乍一看就可以获得所述的大的、超尺寸的高效优点。
本发明的另一方面关注车辆的驱动组件，该驱动组件包括设置有轮轴的车轮，和包括驱动轴、转子和定子的电动机，其中驱动轴连接到轮轴上，用于直接驱动，该电动机紧邻车轮设置。
这导致了令人惊讶的能量效率的驱动。
在其实施例中，轮轴和驱动轴设置成一直线。而且，上述其他实施例也是可能实现的。
本发明涉及特殊的电动机，和使用电动机以特殊方法驱动的车辆。
在实际中，电动机在各实施例中都是已知的。已知电动机的问题在于，所提供的扭矩量经常难以设定。另外，几个电动机的工作经常难以彼此适应。而且，难以使电动机所提供的扭矩适合于所需的应用，难以使电动机的尺寸适合于各种应用。
本发明的目的是至少部分克服所述缺陷。
本发明的另一目的是提供多用途的和易于按比例扩大并配置在例如车辆中的电动机。
本发明的另一目的是提供具有有利燃油消耗的改进车辆。
为了实现这些目的，本发明提供包括外壳的电动机，该电动机设置有定子，该定子连接到外壳上并包括至少两组物理分离的线圈；转子，该转子可同轴转动地安装在定子中，并包括永磁体；控制装置，用于控制电源及其在线圈中的相位；测量装置，用于测量通过线圈的电流和转子相对于定子的角位置；
操作装置，连接到控制装置和测量装置上，用于操作电动机，及数据通信装置，连接到操作装置上，用于将数据传输到外壳的外部。本发明还涉及设置有车轮的车辆，该车轮具有轮轴，该轮轴具有转动轴，还涉及电动机，该电动机设置有具有转动的电动机轴的转子，其中电动机放置在车辆中，使转动的电动机轴安装在车轮的转动轴上方。
通过选择本发明所述的电动机，可以获得具有可调节扭矩的电动机。而且，可能将几个电动机彼此连接。为了实现这些目的，该外壳设置有连接装置。
电动机在车辆中的放置使得车辆可能具有排气管的直径与车轮的直径之间的有利比例。结果，可以获得高能量效率的车辆。尤其是与本发明第一方面所述的电动机相结合，可以获得具有有利性能的车辆。尤其是，电动机的驱动轴直接驱动轮轴。
在电动机的实施例中，测量装置包括至少两个用于测量磁场的装置，它们设置在两个永磁体之间。特别地，利用测量装置的测量值向控制装置的直接或间接反馈，该控制装置能够优化电流或电压的相位，以实现最大效率。
在电动机的实施例中，转子的两端都包括与驱动轴的连接装置。尤其是，一端包括能够与另一端的连接装置合作的连接装置。用这种方法，这种类型的电动机的转子可以彼此连接。该转子例如可以设置有连续孔。当两个以上类似电动机首尾相接地放置，使得转子彼此成一直线时，转子可以利用驱动轴穿过该孔彼此连接。在另一实施例中，其中一个连接装置包括一轴衬，轴的末端可以在该轴衬中可操作地连接到转子上。另一连接装置也可以适用于将轴固定到其上。
在另一实施例中，该操作装置具有所谓的“主动”和“从动”设置，在动力需要，或转子的转速，或经过数据通信装置的影响下，该操作装置可以从所谓的“主动”设置转换成“从动”设置，反之亦然。在至少两个这种电动机的组件中，一个设置为所谓的“主动”，另一个或另几个设置成所谓的“从动”，并且其中的数据通信装置彼此手动连接，以与其它电动机交换数据。
在本发明所述电动机的实施例中，转子的末端设置有相同动力学的(homokinetic)联接器。
在本发明所述车辆的实施例中，转动的电动机轴基本平行于车轮转动的轴。
在一实施例中，转子利用一个或多个相同动力学的(homokinetic)联接器联接到轮轴上。
将以本发明所述直接驱动的车轮的示意性实施例为基础，进一步阐述本发明，其中附

图1示出了具有本发明所述驱动单元的车轮的侧视图；附图2示出了附图1的车轮的横截面的侧视图；附图3示出了本发明的另一方面所述的特殊电动机；附图4示出了附图3的电动机在本发明所述驱动组件中的应用。
附图1示出了本发明所述直接驱动轮1的侧视图。此处，轮胎2安装到轮辋3上，该轮辋连接到轮轴4上。车轮自身具有外径D1。
在轮轴4上安装有电动机5，其中驱动轴8连接到轮轴4上。在本实施例中所示的驱动轴和轮轴形成整体。
此处，电动机设置有所谓的同步电机，该同步电机设置有具有永磁体10的转子6，该永磁体中具有带线圈7的定子。此处，该永磁体10经过转子6连接到驱动轴8上，并且线圈7相对于车辆固定连接，形成定子，其中转子6绕着定子运转。结果，获得了简单、重量轻并且可靠的结构，并且以简单的方式实现了本发明所述的驱动装置。
该线圈也可以连接到驱动轴和与车辆固定在一起的永磁体上。另外，当然也可能将永磁体安装在线圈中，并可能将永磁体或线圈固定安装。
在附图1所示的电动机中，电力在距离驱动轴8的中央D2/2的距离处啮合。D2是转子的内径。这意味着电动机所产生的转矩的臂为D2/2。
根据本发明，D2/D1大于0.57。很明显，D2越接近D1，效率将越大，并且不断减小损失(ever-reducing loss)的附加效果越大。
附图2示出了附图1的车轮的横截面的侧视图。在该侧视图中表示出了永磁体10和线圈7之间的排气管11。为了明确本发明，电动机直径用D2表示。所述直径为转子的内径。
与充气轮胎的厚度和最大电动机直径有关，下述表达式是优选的1＞D2/D1＞0.65，该轮胎优选地用于通过公路运送材料和人员的车辆。
优选的是，关于电动机的装配几乎与WO-A1-01/54939中所述的电动机是相同的，在此将其通过引用合并到本说明书中。如所述专利申请中所描述的那样，各种从动轮也可以合并到一个车辆中。
车轮与轮胎2一起行驶过表面9。
附图3示出了设置有外壳402的电动机401，它分成用于操作装置和控制装置的第一舱403，及设置有实际电动机的第二舱，和线缆405的通道，该线缆向第一舱403中的电子元件供给测量数据。在一实施例中，电动机设置在车轮外侧。
电动机设置有线圈406，该线圈在电动机的电动机舱中，该电动机舱固定到外壳上。电动机还设置有转子407，该转子可转动地安装在外壳的电动机部分中，并与定子线圈406同轴。转子设置有永磁体408。
为了将两个以上的电动机彼此相连，外壳设置有用于将外壳彼此相连的连接装置。另外，转子的轴端设置有用于将转子驱动连接到其它这种电动机的转子上的装置。例如，该转子可以设置有孔，该孔轴向贯通整个转子。然后，长轴可以贯通所有转子，将转子彼此连接。例如，该轴可以设置有凸轮，该凸轮与孔中的凹槽相合作，使得轴与转子共同转动。
此处，特别的是，该转子设置有转子轴409，该转子轴设置有轴衬410，轴的末端可以在该轴衬中容纳成可选择地连接到转子轴上，并且在轴的另一端上具有连接装置，用于将相同动力学的(homokinetic)联接器411连接到转子的另一端上。外壳402还设置有连接装置，以将类似的外壳连接到该外壳上。
当随后彼此连接电子部件，尤其是数据通信装置，尤其是可选择地用无线或经过线缆连接，或在(数字)网络中经过TCP/IP协议通信的传送和接收数字数据的数据通信装置时，就产生了关于功能的一个单个电动机。
附图4示出了车辆419的一部分，该车辆设置有如附图3中所示的两个电动机401，该电动机利用连接轴420可操作地彼此连接到一起。容纳在舱403中的用于两个电动机操作的电子元件利用连接器422彼此连接。尤其是，数据通信装置彼此连接，从而两个电动机关于功能形成一个电动机。外壳与转子的连接和联接使得，任意数量的相同电动机都可以彼此连接成运行的整体，它们作为一个单个电动机相互配合。利用设置有两个柔性弯曲点的轴411，例如相同动力学的(homokinetic)联接器或双相同动力学的(homokinetic)联接器，电动机连接到设置有轮轴424的车轮423上。该车轮具有直径D1。排气管426具有直径D2。作为此处所示设置的结果，可能选择与车轮直径相比非常大的排气管直径，排气管D2的直径甚至可以大到比车轮的直径D1更大。作为这种直接驱动方式的结果，可以获得非常大的能量增益。通过将如上所述的两个电动机连接，可能进行驱动，该驱动能够利用本发明的另一方面所述的标准电动机。所述电动机在附图3中进行了描述。例如，重量轻的客车可以在一个车轮的任意一侧上设置有附图3所述的电动机，并且例如卡车或较大客车可以在每个车轮上设置有附图4中所示的两个相互连接的电动机。
如附图3所示本发明所述电动机的电子控制用几个元件模制形成。各元件彼此分层调节。下述元件可以是特定的。
1.电源模块在第一步中已经使用了IGBT主电流模块。这些IGBT主电流模块中的结构使它们本身高度可靠，并保证低发热量和最佳效率。主电流模块调节电流通过线圈。线圈分成三组，每组都具有不同相位。每个线圈都是两个主电流模块。该主电流模块由后面的步骤控制，即
2.节流器在第二步中，两个IGBT主电流模块连接到节流器上，并由节流器控制。与根据霍耳原理工作的单独电流传感器(霍尔传感器)一起，它们形成了独立的终端步骤，控制伴随的电动机线圈中的电流。在该步骤中，模块和节流器已经与操作电子元件电流分离。具有两个主电流模块的节流器和霍尔传感器进一步被称为4Q模块。主电流模块与节流器形成了控制系统。每个线圈都有控制系统。
3.矢量发生器该矢量发生器向所谓的4Q模块提供控制值(步骤1和2)，从而利用同步电机的线圈产生磁场矢量，并限定扭矩的力距。
所谓的编码器或解码器，高度精确的测量设备测量旋转的角度和转数，使矢量发生器知道转子相对于定子的实际位置。转子位置的快速计算，和连接到它的反馈值，确保了电动机与可编程逻辑模块，即所谓的FPGA一起的磁场矢量的最佳设置。该转子位置也可以进行记录。
由于微处理器和FPGA的组合，矢量发生器的整个功能完全可以对光纤或电缆进行编程，这是所期望的。优选地是，每个电动机都设置有网络功能，以能够经过TCP/IP协议通信，并能够成为计算机网络的一部分。这意味着特殊应用所需要的新数据或修正可以直接(经过电话或互联网)实施到本发明所述的已经操作的车轮中。这些修正不仅涉及FPGA的软件，还涉及模块的硬件。
例如，当线圈或模块要失灵时，可能改变电动机自身的比例，从而保持车轮运行。矢量发生器形成操作系统。编码器和霍尔传感器及所述实施例中的伴随电子元件形成测量系统。
4.CPU或中央处理单元三个步骤中的第一步是一起容纳在电动机中。CPU位于电动机的外侧，并与本发明的各种电动机通信，该电动机可以利用光环数据总线(ORDABUL)或其他计算机网络连接线连接到车辆上。也能够对AGV(自动导向车辆)进行关于道路覆盖当转弯和分析整个驱动概念时的里程表所需要的计算。每个步骤都将把工作状态非常重要的信息导向和报告给CPU。错误报告会立即报告给上一个步骤，上一步骤会在损伤发生之前通过采取必要的措施立即作出响应。上一步骤能够激活应急程序，该应急程序对错误作出正确响应。结果，一个模块中的错误几乎不会影响整个车辆。
该模块化系统能够进行简单的错误诊断，并且在不需要随后进行困难的调节或设置的情况下，快速对相关部件进行定位。
异步/同步电机的集中控制之间的重要差别在于，在分成三个组的优选实施例中，所有电机的线圈都彼此电分离，并且每个线圈都由其自己的4Q模块进行控制，电机的这些线圈中的每一个都优选地包括30个单独绕组。该4Q模块只利用电源电压彼此连接，这导致了下述的优点。
1常规三相控制中只有两相受到导向和控制。第三相中的电流从其它两相的情况进行计算。这意味着在操作电子元件时具有更大的自由度，例如当偏移一个或多个模块的故障时。
2可以准确调整当前分布，使得每个电机线圈准确地产生相同的电场强度。结果，由电场在每个线圈中所产生的扭矩的实际力矩都是可调节的，并独立于单独线圈的电变化中的偏差。
3每个线圈的磁公差都可以利用矢量发生器进行单独校正。
4当4Q模块失灵或其中一个线圈短路时，电动机仍然保持运转。保险丝或继电器能够在不影响其它两个4Q模块或相位的情况下，将故障模块或相位与它们分离开。于是，电动机仍然能够制动，或者当几个车轮使用时仍然能够支承它们。此处，尤其能够显示步进式结构的优点。
非常清楚的是，上述描述仅仅包括对优选实施例的操作的说明，而不是对本发明的保护范围进行限制。本领域技术人员非常清楚，上述描述中所讨论的实施例的变型和设计也是落入本发明的保护范围内的。
权利要求
1.驱动组件，包括具有转动轮轴的车轮和驱动装置，该驱动装置工作时向车轮上施加驱动力矩，其中驱动比大于0.57，该驱动比为驱动力矩的臂除以车轮半径的尺寸。
2.如权利要求1所述的驱动组件，其特征在于，该驱动比大于0.65。
3.如权利要求1或2所述的驱动组件，其特征在于，该驱动比大于0.7。
4.如权利要求1、2或3所述的驱动组件，其特征在于，该驱动比小于1.0，优选地小于0.95。
5.如前述权利要求中的一个或多个所述的驱动组件，其特征在于，该驱动装置包括电动机。
6.如权利要求5所述的驱动组件，其特征在于，该电动机为设置有永磁体的同步电机。
7.如权利要求5至6中任一项所述的驱动组件，其特征在于，该电动机包括设置有线圈的定子和设置有永磁体的转子，该线圈相对于车辆固定设置在车辆中。
8.如权利要求7所述的驱动组件，其特征在于，用于操作电动机的操作装置和控制装置设置在定子中。
9.如权利要求8所述的驱动组件，其特征在于，该转子围绕定子同轴设置，并连接到电动机的驱动轴上。
10.如前述任一权利要求所述的驱动组件，其特征在于，该驱动装置安装在车轮外侧，并与车轮相邻。
11.如前述任一权利要求所述的驱动组件，其特征在于，该驱动装置包括驱动轴和车轮轮轴，并且驱动轴和轮轴成一直线对齐。
12.如前述任一权利要求所述的驱动组件，其特征在于，该驱动装置包括驱动轴和车轮轮轴，该驱动轴直接驱动轮轴。
13.如权利要求12所述的驱动组件，其特征在于，该驱动轴为轮轴。
14.如权利要求7所述的驱动组件，其特征在于，该车轮包括轮轴，并且永磁体连接到该轮轴上。
15.前述任一权利要求所述的驱动组件，用于具有车辆质量的车辆和具有轮轴的车轮，其中该驱动装置包括具有驱动轴的电动机，该驱动轴直接驱动轮轴，该电动机具有至少0.3Nm/kg车辆质量的最大额定扭矩，优选地至少0.4Nm/kg车辆质量。
16.用于车辆的驱动组件，包括设置有轮轴的车轮，和包括驱动轴、转子和定子的电动机，其中该驱动轴连接到轮轴上，用于直接驱动，并且电动机与车轮相邻设置。
17.如权利要求16所述的驱动组件，其特征在于，该轮轴和驱动轴成一直线设置。
18.如权利要求16或17所述的驱动组件，用于具有车辆质量的车辆，其中电动机的驱动比大于0.57，该驱动比为驱动力矩的臂除以车轮半径的尺寸，并且电动机具有至少0.3Nm/kg车辆质量的最大额定扭矩，优选地至少0.4Nm/kg车辆质量。
19.电动机，适合于前述任一权利要求所述的驱动组件。
20.包括外壳的电动机，设置有-定子，连接到外壳上，并包括至少两组物理分离的线圈；-转子，同轴可转动地安装在定子中，并包括永磁体；-控制装置，用于控制电力和线圈中的相位；-测量装置，用于测量通过线圈的电流和转子相对于定子的角位置；-操作装置，连接到控制装置和测量装置上，用于操作电动机，及-数据通信装置，连接到操作装置上，用于将数据传输到外壳的外侧。
21.如权利要求20所述的电动机，其特征在于，该测量装置包括设置在两个永磁体之间的至少两个用于测量磁场的装置。
22.如权利要求20或21所述的电动机，其特征在于，转子的两个轴端包括连接装置，尤其用于驱动轴。
23.如权利要求22所述的电动机，其特征在于，其中一个连接装置包括一轴衬，一个轴的末端可以在该轴衬中可操作地连接到转子上。
24.如前述任一权利要求所述的电动机，其特征在于，该操作装置具有所谓的“主动”和“从动”设置，根据动力的需要或转子转速，或借助数据通信装置，该操作装置可以从所谓的“主动”设置转换成“从动”设置，反之亦然。
25.至少两个如权利要求24所述的电动机的组件，其中一个设置为所谓的“主动”设置，另一个或另几个设置为所谓的“从动”设置，该数据通信装置彼此相互连接，以便使每个电动机与其它电动机交换数据。
26.如前述任一权利要求所述的电动机，其特征在于，转子的轴端设置有相同动力学的(homokinetic)联接器。
27.设置有车轮和电动机车辆，该车轮具有轮轴，该轮轴具有转动轴，该电动机设有转子，该转子具有电动机的转动轴，其中该电动机放置在车辆中，使得电动机的转动轴安装在车轮的转动轴上方。
28.如权利要求27所述的车辆，其特征在于，电动机的转动轴基本平行于车轮的转动轴。
29.如权利要求27或28所述的车辆，其特征在于，该转子利用一个或多个相同动力学的(homokinetic)联接器联接到轮轴上。
30.如前述任一权利要求所述的车辆，设置有如前述任一权利要求所述的电动机。
31.包括一个或多个说明书中所描述和/或附图中所示的特殊特性的装置。
全文摘要
本发明涉及包括车轮的驱动组件，该车轮包括轮轴和驱动装置，该驱动装置可向轮轴上施加驱动力矩，其中驱动比大于0.57，该驱动比为驱动力矩的臂除以车轮半径的尺寸。这导致了提高的效率。除了电动机自身的效率提高之外，还导致上述的额外效果，该额外效果是比已经预测的电动机的效率提高更加显著的效率提高的结果。
文档编号B60L11/18GK1777521SQ200480010543
公开日2006年5月24日 申请日期2004年3月8日 优先权日2003年3月7日
发明者A·J·海嫩 申请人:电子牵引欧洲有限公司