[发明专利]多感应电动机和车辆

说明书

技术领域

本发明总体涉及电动机，更具体地说涉及如在电动车辆中使用的感应电动机。

背景技术

对依赖不可再生能源来为我们的交通部门供能的反对，以及对依赖外来能源的反对，与日俱增。美国长期以来依赖于石油产品来为交通提供动力。然而，在最近60年，美国已从能源独立变成70％依赖于外来能源。出于环境和安全忧虑，一直在寻求降低对外来石油基产品的依赖的替代方案。完全或者部分地通过电力供能的车辆提供了对这些忧虑的一种解决方案。

设计大型电动道路车辆的一个主要障碍涉及牵引电动机。三相交流感应电动机是坚固和可靠的。它们能够高效地将电能转变成机械运动。然而，常规交流(AC)电动机需要高电压和电流水平来获得以令人满意的方式移动大型车辆所必需的输出扭矩。满足这些需求会增大安全风险，并且对电动机驱动控制器的保护电路提出较高要求。高的操作温度妨碍电流在定子和转子中的流动，导致低效率电动机操作。此外，电动机的铁芯和绝缘层的整个寿命在电动机的操作温度每降低10华氏度的情况下增大50％。

将多个较小交流感应电动机集成到公用轴上还不是解决大型交流感应电动机存在的问题的有效方案，原因是制造的精度以及避免引起反向扭矩脉冲和过度振动的集成电动机的相异行为所必需的控制。

电动道路车辆的另一问题是，在去除内燃机时，对大型车辆的安全操作比较关键的系统主驱动器被去除了，尤其是动力转向泵和空气制动器。内燃机还使用能量密集燃料来实现长途旅行。当前的电池技术不能挑战化石燃料中看见的能量密度，因此还没有电动车辆能达到与相似尺寸的汽油车辆相当的行驶里程。

电动机迄今已用作一些有轮车辆的主要推进器件达一个多世纪了，其中许多设计并入了多个电能源，以及多个推进源。混合动力车概念已不是新鲜的。相对于上一世纪发生了改变的是提供推进的电动机单元、驱动电动机单元的控制器、各种新能量存储器技术的能力以及协助现代车辆操作的装置。

颁发给Bryant的美国专利No.6,909,215描述了这样一种电动机，在其轴上安装有若干受阻操作的电动机模块，其每一个由夹持着圆盘形线圈的两个圆盘形转子构成，增大了电动机构造的复杂性，和用于增大的灵活性的控制系统，但未提供达到本发明提供的高电力水平的安全和超静定性(redundancy)好处。

颁发给Mukai等人的美国专利No.7,397,156描述了具有主转子和副转子的串列旋转电动机器。Mukai进一步描述了副转子以比主转子高得多的电压操作，并且只是间断地操作。Mukai描述的装置没有处理耦合电动机以生成具有安全性和超静定性的高电力水平的问题。

颁发给Osama等人的美国专利No.6,034,456描述了无轴承机器驱动器，其具有通过公用端环彼此电气地和机械地耦合的两个转子。Osama所公开的装置未处理耦合电动机以有效地生成高电力水平的问题，这通过本发明得到了处理。Osama所公开的装置相反是机械地和电气地耦合两个转子以获得稳定的悬浮。这并不提供高电力输出和增大的效率的好处。

颁发给Beach的1918年的专利，美国专利No.1,275,201，提供了混合动力车的历史的示例。Beach描述的车辆由通过电池和引擎发电机单元两者供能的电动机推进。因此Beach描述了具有混合动力源的单个驱动源。Beach使用了直流电动机，未提供安全的和超静定性的高电力电动机。

颁发给Waldorf的1974年的专利，美国专利No.3,792,327，描述了一种混合电动车辆驱动器。Waldorf的专利中描述的装置不同于在先设计的是他的引擎发电机单元的操作的精巧性。然而，Waldorf的设计局限于用于混合动力车中的发电机的控制系统，并未提供安全的和超静定性的高电力电动机。

颁发给Eastham的1975年的专利，美国专利No.3,866,703，包括了对车辆的变速器和控制踏板的改进。虽然Eastham包括了交流感应电动机和再生制动，但是他依赖于常规感应电动机。作为结果，Eastham的设计遭受到与在先设计相同的问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种新颖的车辆构造，其满足目前的大型公共交通车辆共同提出的要求。本发明的示例向电动机的构造中引入超静定性。例如，由导线绕组短路引起的限制只是电动机的总电力输出的50％。此外，本发明的示例利用大量较小的更便宜的电动机驱动控制器，呈模块化方式，允许两个电动机单元的合作操作从而用作一个大型的电气牵引电动机。