超通量飞轮马达系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 要求优先权
[0002] 本申请要求2013年8月7日提交的美国临时专利申请号no.61/863,210的权益。
技术领域
[0003] 本发明的实施方式总体设及运输车辆，并且更具体地设及车辆功率平衡和稳定系 统。
【背景技术】
[0004] 随着对如混合动力车、电动车和燃料电池车的替代车辆的需求增加，现有技术方 案已经成为设计车辆效率的限制因素。例如，电动车利用用于推进的电动马达。一些车辆利 用用于稳定目的的巧螺装置。然而，利用电动马达和巧螺装置的车辆增大了用于其电源方 案所需要的空间。
【附图说明】
[0005] 通过参照W下附图，对本发明的非限制性的且非穷尽的实施方式进行了描述，其 中，除非另有说明，在各图中相似的附图标记指代相似的部件。应当理解的是，W下附图可 W不按比例绘制。
[0006] 如下为某些细节和实现方式的描述，其包括对可描绘下文中所描述的一些或所有 的实施方式的附图的描绘，W及本文中所呈现的创新性概念的其它潜在的实施方式或实现 方式的讨论。将在下文中提供本发明的实施方式的概述，随后参照附图进行更详细地描述， 其中：
[0007] 图1示出了可W包含本发明的实施方式的成直线的两轮车辆；
[000引图2A示出了根据本发明的实施方式的超通量飞轮马达系统；
[0009] 图2B示出了本发明的实施方式；
[0010] 图3示出了根据本发明的实施方式的在超通量飞轮马达系统中使用的飞轮；
[0011] 图4示出了根据本发明的实施方式的在超通量飞轮马达系统中使用的飞轮；
[0012] 图5示出了根据本发明的实施方式的在超通量飞轮马达系统中使用的飞轮；
[0013] 图6示出具有外部转子组件的双模式马达；
[0014] 图7示出根据本发明的实施方式的具有内部转子组件的双模式马达。
【具体实施方式】
[0015] 本发明的实施方式描述了利用转子组件、联接至转子组件的多个永磁体、W及定 子组件的方法、设备和系统，所述定子组件可旋转地联接至转子组件并且具有忍部、从忍部 径向地延伸的多个齿、W及一个或多个绕组，每一绕组包括缠绕在齿上W与多个永磁体相 互作用的线圈。包括框架、一个或多个常平架、W及旋转轴的飞轮壳体容纳有飞轮。该飞轮 设置成邻近于定子组件和转子组件，响应于所述转子组件的旋转而围绕旋转轴旋转，并且 经由一个或多个常平架进动(precess)。
[0016] 图1示出了可W包括本发明的实施方式的成直线的两轮车辆。在本实施方式中，车 辆100包括车辆框架110、包围车辆内部130的车体120 W及通道口 140,通道口 140围绕较链 机构150旋转打开。邸位操作者的座位160可W设置有驱动控制部，所述驱动控制部包括转 向单元170、加速器180和制动器190。在本实施方式中，所述驱动控制部W具有方向盘和踏 板的常规汽车的熟悉布局而布置。
[0017] 在本实施方式中，车辆100还分别包括第一驱动轮200和第二驱动轮210。第一驱动 轮电动发电机220和第二驱动轮电动发电机250分别通过驱动链240和驱动链230而分别联 接到驱动轮200和驱动轮210。如下文中所描述的，所述驱动轮马达可W包括转子和定子。
[0018] 在本实施方式中，巧螺稳定器通过车辆框架110联接到车辆100。巧螺稳定器可W 包括在本实施方式中基本上相同的第一巧螺组件壳体飞轮270a和第二巧螺组件壳体飞轮 270b。但是应该理解的是，在其它实施方式中，第一巧螺组件/飞轮和第二巧螺组件/飞轮在 尺寸和材料组成上可W不同。
[0019] 如下文所描述的，借由所述飞轮-马达的直接扭矩密度控制，定子和转子在飞轮马 达组件的外圆周的邻近布置实现了通过最佳的加速度和减速度的冗余。
[0020] 在本实施方式中，车辆100还包括能量储存单元W及驱动轮/飞轮电动发电机220 和驱动轮/飞轮电动发电机250(在此可替选地被称为"超通量飞轮马达系统"），所述能量储 存单元具有电池组420、电容器组430、W及与电池组420、电容器组430电连接的电源转换电 路。在一个实施方式中，电池组420包括位于沿着车辆框架110分布的多个位置中的蓄电池 单元，W便分配重量并适配在车辆的框架内。电池组420可W通过插入到充电站或在停车位 或车库处的电力壁式插座(electrical wall outlet)中来进行充电，或者一个或多个蓄电 池单元可进行物理交换W提供新的充电。
[0021] 车辆100还可W包括控制系统，所述控制系统包括所示出的多个产生电信号的传 感器。所述多个传感器可W至少指示车辆100和巧螺稳定器的绝对状态和惯性状态。本示例 性的控制系统还包括与多个传感器、驱动轮/飞轮电动发电机、能量储存单元410、加速器 180、制动器190和转向单元170电子通信(经由本领域中任何已知的通信装置)的系统控制 器440。多个传感器至少包括联接到车辆框架110并提供指示车辆旋转和角度的数据的=轴 方位传感器450、联接到车辆框架110并提供指示车辆线性加速度的数据的加速计460、第一 驱动轮速度传感器470和第二驱动轮速度传感器480、W及车辆倾斜传感器。
[0022] 车辆100还包括在本实施方式中所包括的机械支撑机构500(在本文中被称为"起 落架"），当所述巧螺稳定单元不能在停止点（stop)处维持车辆稳定性(无论是由于巧螺稳 定单元故障还是由于正常有序关机W节约电力)时，可伸出该机械支撑机构500W支撑车辆 100。
[0023] 图2A示出根据本发明的实施方式的在超通量飞轮马达系统中的一个驱动轮/飞轮 电动发电机(例如，驱动轮/飞轮电动发电机250)。图2A示出了控制力矩巧螺仪系统，该控制 力矩巧螺仪系统利用无刷的、轴向场永磁体电动马达连同飞轮组件W在两轮前进车辆平台 中通过进动W及动能的储存和恢复而实现最佳的自平衡能力。所述超通量飞轮马达系统的 概念在下文中进行描述。
[0024] 本文所使用的控制力矩巧螺仪（con化〇1 moment gyroscope，CMG)描述了包括在 支撑常平架组件的壳体中的巧螺仪装置。所述常平架组件包括具有连接至轴的惯性元件 (例如，旋转环或圆柱体）的转子。旋转轴承可设置在轴端部的周围，W允许该轴的旋转运 动，所述轴可W通过旋转马达而围绕旋转轴旋转。进而，该常平架组件可W通过安装至CMG 壳体的第一端的扭矩模块组件而围绕常平架轴旋转。为了使常平架组件作旋转运动，常平 架轴承设置在常平架组件和CMG壳体之间。经由本领域中已知的任何功率控制器装置，通过 常平架组件可W接收电信号和功率。该CMG还可W包括适合确定常平架组件的旋转速率和 位置的任何数目的传感器(例如，编码器、分解器、转速计等）。
[0025] 该CMG将特定扭矩值赋予安装有该CMG的车辆。本发明的实施方式利用了用于自平 衡能力的所述CMG。例如，根据本发明的实施方式的车辆的飞轮可W接收指令W旋转到"悬 浮速度"（即，允许图1的车辆100无需起落架的协助而"悬浮"在两个车轮上）。系统控制器可 能导致巧螺稳定单元围绕它们的常平架来进动它们的飞轮，W补偿不平衡的静态载荷和动 态载荷，同时保持主车辆直立。
[0026] 利用磁场的传统电动马达将所述场径向地施加在马达的旋转轴中或径向地远离 马达的旋转轴施加所述场。其它设计使得所述场沿马达的轴流动，其中转子随着其旋转而 切割场线。运样的设计在本文中被称为"轴向场马达"。运些马达允许强得多的磁场，运反过 来，W较低速度给马达功率。
[0027] 典型的无刷马达具有永磁体(永磁体旋转）和固定电枢(例如，磁场绕组）。电子控 制器可连续不断地对绕组切换相位W保持马达转向。所述控制器通过使用固态电路(而不 是电刷/换向器系统)来执行类似的定时配电。
[00%]如上所述，巧螺稳定器通过车辆框架而联接到其主车辆化OSt vehicle)。巧螺稳 定器可W包括巧螺组件壳体飞轮。但可W理解的是，所述巧螺组件/飞轮可W在尺寸和材料 组成上不同。更具体地，巧螺稳定器可W包括飞轮、联接到所述飞轮的飞轮电动发电机、联 接到飞轮的常平架、W及具有联接到所述常平架和车辆框架的驱动部的进动马达。
[0029] 包括在巧螺壳体内的飞轮可具有提供用于进动该巧螺组件W形成所述反扭矩 (counter-torque)的进动轴的部分、W及支撑飞轮的轴承壳体，所述反扭矩可W维持主车 辆的稳定性。所述巧螺稳定器可W在理论上位于车辆上的任何地方，只要其能