带单极直流电磁传动机的燃料动力车辆动力系统的制作方法
【专利说明】
所属技术领域
[0001]本发明涉及一种车辆动力系统，特别是带有燃烧燃料发动机和无级变速传动的车辆动力系统。还涉及带这种动力系统的车辆。
【背景技术】
[0002]使用燃烧燃料的发动机并带有无级变速传动的车辆动力系统，目前主要应用机械无级变速器和液力变矩器。
[0003]机械无级变速器基本上是摩擦式的，靠传动元件间的摩擦力或油膜的切应力传动，包括刚性定轴式、刚性动轴式(行星式)、挠性带式、挠性链式。定轴式机械无级变速器又分为无中间滚动体的和有中间滚动体的，无中间滚动体的又分为改变主动轮工作直径调速的(I型)和改变从动轮工作直径调速的(II型)，有中间滚动体的又分为同时改变主从动轮工作直径调速的(III型)和改变中间滚动体工作直径调速的(IV型)。定轴式机械无级变速器的摩擦滑动率3%?5%，I型、III型和IV型功率小于40kW，传动效率I型仅有50%，II型约85%，III型75%?95%，IV型80%?93%，变速比(输入轴转速恒定时，输出轴转速的最大值与最小值之比)I型3?5，II型小于3，III型小于16或25，IV型小于17或20，III型和IV型不可以反转。行星式机械无级变速器的基本原理与定轴式相同，并利用了行星传动原理，扩大了传递功率和变速的范围，但功率也小于75kW，变速比也小于40，零转速附近的机械特性差，滑动率较大(7%?10% )，传动效率60%?80%，只能降速调速。带式和链式无级变速器的原理与定轴式基本相同，但采用了中间挠性构件(带、链)，单变径轮带式的传动效率不大于92%，变速比不大于2.5，功率不大于25kW，只用于降速；双变径轮带式的传动效率80%?90%，其普通V带型的变速比1.6?2.5，功率不大于40kW，宽V带型的变速比3?6，功率不大于55kW，块带型的变速比2?16，功率不大于44kW。链式无级变速器比带式的传递功率大，但结构也较复杂，齿链式功率0.75?22kW，变速比3?6，传动效率90%?95%;光面轮链式功率最大175kW，变速比2?10，传动效率不大于93%。机械无级变速器仅适用于中小功率传动，变速比有限，有滑动摩擦，传动效率低，对材料、热处理、加工精度、润滑油的要求高，轴及轴承载荷大，承受过载及冲击的能力差，寿命短，多数不可在停车时变速，有的只能降速调速，有的不可反转(本节上述资料来源于《机械工程手册》(第二版)传动设计卷)。机械无级变速器目前应用并不多见，但其中的V型推块金属带无级变速器已在汽车领域展开应用。
[0004]液力变矩器具有泵轮、涡轮和导轮，工作液体在其中依次循环流动，泵轮装在输入轴上，涡轮装在输出轴上，导轮与静子连接，产生变矩效果，泵轮均为离心式，涡轮有向心式、轴流式和离心式三种，导轮多为轴流式或向心式，广泛应用向心涡轮和轴流导轮结构。轴流或离心涡轮式液力变矩器具有良好的反转制动性能。在泵轮转速恒定时，泵轮转矩、涡轮转矩和传动效率均是涡轮转速的单变量函数，其中，泵轮转矩变化不大，涡轮转矩随涡轮转速的增加几乎呈线性下降，直至为零，传动效率在某一中间转速(涡轮设计转速附近，通常是右侧)处于最高值，最高效率约为85%?90%，在低转速区域和高转速区域效率下降较快，一直下降为零。在泵轮转矩恒定时，泵轮转速、涡轮转矩和传动效率也均是涡轮转速的单变量函数。由于受到上述这些关联作用的制约，液力变矩器只具有变矩作用，转速被限定只能跟随变化。为解决这个问题，增加辅助结构或措施的可调速型液力变矩器可实现无级调速，调速范围为3?5，效率为40%?85% (本节上述资料来源于《机械工程手册》(第二版)传动设计卷)。液力变矩器的主要问题是效率低，要提高其效率只能简化结构和降低变矩比(涡轮转矩与泵轮转矩之比)，将起动工况变矩比KO(涡轮转速为零时，变矩比最大值)降低到2左右，才能使效率接近90%左右。
[0005]多种设备的组合使用是目前无级变速变矩传动装置的常见方式，其目的是弥补不足、增加功能。在汽车上应用的V型推块金属带无级变速器，与起步装置部分和前进/后退换向机构部分组合形成传动系统，起步装置有三种形式:电磁离合器、电子控制式湿式摩擦离合器、液力变矩器，目前比较倾向于采用液力变矩器作为起步装置。目前应用于汽车自动变速器的主流是液力机械变矩器，它由液力变矩器和电子控制动力换档机械变速器组成，后者结构大多是行星齿轮传动机构，传动速比档位多的有6?7档，液力变矩器绝大多数采用结构简单的对称型三元件单级两相形式，一般KO在2左右，变矩器主要是在起步加速和换档时起作用。
[0006]但是，在轿车、客车、货车、工程车辆、作业车辆、履带车辆、有轨车辆等应用领域，存在着对无级变速变矩传动的较高要求和更多的功能需求，需要几百、几千千瓦的传动功率，需要大范围的无级变速(如转速从零至最大值，变速比为无穷大)，需要带有无级变速反转功能，需要大范围的无级变矩(如从零至最大转矩)，需要转矩不依赖于转速而独立地全范围调节，需要两轴转速无关联而各自独立自由变化(两端的转子系统由动力学定律决定其自身转速变化)，需要尽量高的传动效率(如95%?98% )，需要高功率密度，需要结构简单、成本低、可靠性高、寿命长，需要隔离机械振动和冲击在两轴之间的传递，需要低噪声、振动小。对于上述这些要求，现有的无级变速变矩传动装置都难以满足，有的只是在局部个别方面有所满足，至今还没有一种能够全面满足上述要求的设备，目前采取的策略多是组合多个不同类型特点的设备，以争取满足较多的功能要求，但总是不尽如人意。
[0007]另外，现有的使用燃烧燃料发动机的车辆，其中包括带有无级变速传动的车辆，行驶时发动机的燃料效率总体上不高，高效率区域运行占比小，高效运行的控制手段缺乏或不具备。
【发明内容】
[0008]本发明车辆动力系统采用单极直流电磁传动机(HET—HomopolarElectromagnetic Transmiss1n)作为无级变速变矩传动系统的核心设备，避免了使用现有无级变速变矩传动装置的上述缺点和不足，可以满足上述在功能和性能等方面的需求。
[0009]HET应用了单极直流电机的电磁作用原理，可以抽象看作是两个单极直流电机的组合，一个发电，一个电动，可以互换改变功率流向，两个转子之间的大电流以最短的导体路径传输，回避掉单极直流电机的外部大电流损耗问题，同时充分利用单极直流电机的技术优点，实现所求目标的功能和性能。更进一步，由于传动的转矩、功率、功率流向、转向均可由HET调节控制，使其超越了常规变速传动装置只能“被动”传输动力的局限，具备了按意愿控制“主动”传输动力的能力。
[0010]由于HET的加入，以及其独特功能的利用，使得车辆动力的操控使用在某些方面不同于以往传统，其中的一个重要改变是发动机变为“随动”调节，只需满足于供应所需的功率，而不论其转速和转矩的路径如何变化，这就为选择最佳燃料效率运行路径提供了前提条件，使得发动机高效运行成为可能。
[0011]下面对本发明的技术方案及原理进行详细说明。
[0012]一种车辆动力系统,包括:一个燃烧燃料输出轴功的发动机(46)，一套传输发动机动力至驱动桥主减速器的传动系，以及它们的控制系统，其基本特征是:传动系含有一个单极直流电磁传动机(HET) (48)。
[0013]燃烧燃料输出轴功的发动机，是指燃烧液体或气体燃料，将燃料潜热能转换为机械能，并输出转矩和轴功率的热机。
[0014]在这种车辆动力传动系统中，两轮驱动结构不需要设置离合器，四轮驱动结构至少在发动机与分动器或轴间差速器之间不需要设置离合器。
[0015]HET的输入轴与发动机的输出轴可以直接连接，也可以在二者之间设置固定速比机械传动装置(47)，以适应两轴转速设计值或最大值的不同。固定速比机械传动装置包括齿轮、带、链、蜗杆传动等形式。在此一般使用单级齿轮传动装置。
[0016]在两轮驱动结构中，HET的输出轴与驱动桥主减速器可以直接连接，也可以在二者之间设置固定速比机械传动装置(49)，也可以在二者之间设置有级变速机械传动装置，或者其中还可设置一个万向传动轴。按照轿车的典型设计参数，HET的输出轴与主减速器之间一般应加一级减速器。设置有级变速器可使低速驱动转矩增大。
[0017]在四轮驱动结构中，HET的输出轴与分配前后轴驱动力的分动器或轴间差速器连接，或通过一个固定速比机械传动装置连接，或通过一个有级变速比机械传动装置连接，分动器或轴间差速器再与前后两个驱动桥主减速器连接，或者其中还设置有万向传动轴。
[0018]上述“输入轴”和“输出轴”是指驱动车辆运动时的定义名称，当功率流反向时各轴功能调换。
[0019]HET所应用的单极直流电机的电磁作用原理如下:
[0020]由轴对称环形直流励磁线圈产生单一极性的轴对称磁场，其磁通密度B没有周向分量Bt,只有子午面分量Bm, Bm由径向分量Br和轴向分量Bz合成。转子上有一段轴对称导体，磁密B的磁场磁力线穿过该导体，该导体具有旋转线速度Vt，切割磁力线，产生单一极性的感应电动势E = VXB.L，其中的黑体字母代表矢量(下同)。E也没有周向分量，只有子午面分量Em,且Em的方向与Bm的方向垂直，Em = Vt.Bm.L,其中，L为Em方向上的转子导体长度。在该长度两端的转子导体上设置电刷，引出两极连接外电路，转子导体上就有直流电流1通过，当电机发电时，1方向与电动势Em的方向相同，当电机作为电动机时，1方向与Em方向相反。
[0021]作用在转子导体上的电磁力(安培力)F= 1XB吨，由于1方向与Em方向相同或相反，而Em方向与Bm方向垂直,可知F只有周向分量Ft,且Ft = 1.Bm.L。
[0022]经过推导，可得到如下公式:
[0023]转子导体的电动势:
[0024]E = Em = ω.Φπι/ (2 π )
[0025]ω为转子角速度，Φι?为穿过转子导体的磁通量，即子午面分量磁密Bm的磁通量。由于存在漏磁现象，对于有一定厚度的转子导体，属于电流边界的导体表面的射入磁通与射出磁通有差别，Φπι取二者平均值。
[0026]转子导体所受的电磁转矩:
[0027]Me =-10.Φπι/(2 JT)
[0028]转矩矢量Me的正方向与角速度矢量ω的正方向相同，1的正方向与E的正方向相同。
[0029]转子导体所接受或输出的电磁功率:
[0030]Pe = Me.ω = -E.1 = - ω.1.Φπι/ (2 η )
[0031]标量Pe为正值或负值时,表TJK转子导体接受或输出电磁功率。
[0032]当电磁转矩Me的矢量方向与角速度ω的矢量方向相同时，处于电动工况，表不转子接受电磁功率Pe，再经由转动轴向外传输机械功率Pm。当Me与ω的矢量方向相反时，处于发电工况，表不机械功率Pm由转动轴端输入，再由转子导体向外输出电磁功率。
[0033]在电磁功率Pe与轴端机械功率Pm之间的传递过程中，存在机械损耗，包括:电刷的摩擦功率，转子的鼓风摩擦功率，轴承摩擦功率，转子动密封摩擦功率。
[0034]本发明产品上的单极直流电磁传动机(HET)，原理上是两个单极直流电机的组合，具有两个转子及其转动轴，每个转子与静子之间都有上述单极直流电磁作用。每个转子上至少有一个轴对称形状的导磁和导电性能均良好的导磁导电体(3)，材料可以选择电磁纯铁、低碳钢、20#钢、45#钢等，以强度够用的较高磁导率材料为佳。导磁