陸地交通工具的驅動系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種陸地交通工具的驅動系統(tǒng)（DS），包括：用于驅動陸地交通工具的電機系統(tǒng)(Ml,M2)，電機系統(tǒng)包括作用于共同的驅動軸（S）上的用于驅動陸地交通工具的至少第一和第二電機(Ml,M2)，和控制裝置(PE,PE1,PE2)，其適用于控制電機系統(tǒng)在具有不同驅動軸（S）轉速的至少兩個轉速操作范圍（OR1，OR2）內運行。第一電機(M1)在兩個轉速操作范圍（OR1，OR2）內受控運行以提供第一驅動扭矩，第二電機(M2)僅在一個轉速操作范圍（OR1）內受控運行以提供除了第一驅動扭矩之外的第二驅動扭矩。
【專利說明】陸地交通工具的驅動系統(tǒng)【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有用于驅動陸地交通工具的電機系統(tǒng)的陸地交通工具的驅動系統(tǒng)以及用來控制電機系統(tǒng)的控制裝置。
【背景技術】
[0002]這類驅動系統(tǒng)會被利用在，例如，電動操作的車輛或者混合動力車輛上，如汽車、公交車、火車等，這些車輛行駛在陸地上的，并且通常被稱為陸地交通工具或陸地交通車輛。這類車輛一般具有一個或者多個驅動輪，驅動輪是由驅動系統(tǒng)驅動的，可以讓車輛或交通工具朝著預期的移動方向移動。例如，驅動所必須的電能是由內燃機帶動發(fā)電機、通過燃料電池，蓄電池提供的，或者是通過這類裝置的組合一起作為電源來提供的。電源與車輛的電機系統(tǒng)相連用以驅動的目的。電源的電能一般是供給包括電力電子設備在內的供電回路，比如說以兩側都具有變頻器電路的電動中間電路的形式，該供電回路與電源及電機相連。車輛的電機由供應回路供應電能，以驅動一根或者多根驅動軸，驅動軸驅動車輛的被動輪。在大部分的應用中，驅動系統(tǒng)還可以實現(xiàn)能夠回收能量的電剎車，以便將電能返回給供電回路。其它與供電回路相連的裝置可以利用這個能量。比如說，它可以被存儲在蓄電池中或者飛輪蓄電池中。
[0003]電操作車輛的驅動一般要求必須由具有雙曲線特性的高擴展電能產生的機械動力。這類雙曲線特性一般的特征是具有電力驅動裝置的最高轉速值和在低轉速下的高扭矩，每一個特征都定義了雙曲線特征點，其通過具有相等功率的雙曲線相連。在機械驅動車輛中，比如說通過內燃機直接驅動的，這個功能就由手動或者自動變速箱或齒輪箱來取代了。在行駛電動車輛時，這個功能必須由電力驅動系統(tǒng)來承擔，尤其是通過與電源及電機相連的電力電子設備的組合來實現(xiàn)。供應中間電路的變頻器電路一般不是問題，可以針對各種目的進行優(yōu)化。對于內燃機來說，越來越多地使用永磁發(fā)電機，永磁發(fā)電機與高效率的發(fā)動機直接集成在一起，并與 主動或者被動變頻器電路相連接。但是，發(fā)動機單元在這類驅動系統(tǒng)各種可能的應用與實現(xiàn)場合中都達到了其極限性能，尤其是在目前的機器大小，效率高低，以及關于最大電流及電壓值下對電力電子設備的電力要求情況下。
[0004]在最近的技術發(fā)展水平中，如上所列，有各種類型的電機可以應用在電力驅動系統(tǒng)中。比如說，可以采用由變頻器電路供電的永磁(PM)電機。PM可以提供非常高的扭矩/重量比，能夠直接驅動，但是另一方面，它對電力電子設備的要求又非常高。因為感應電壓(所謂的“電動勢(EMF)”電磁力或者“反電動勢”)與旋轉的轉速成正比，在最高速下會產生最高的電壓，另一方面，在低速下的高的驅動扭矩需要大的電流。電力電子設備必須能夠承受高速下的高壓，并且能夠為高扭矩提供大電流，這使得電力電子設備的功率需量很高并且非常昂貴。所謂的電角功率(electrical corner power)(最大電壓乘以最大電流)與機械的角功率(corner power)(最大旋轉速度乘以最大扭矩)是一致的。
[0005]這么高的角功率使得電力電子設備的功率需量非常高，也非常昂貴，因為它們必須能夠為電機提供高電壓以及高電流。另一方面，因為電機對最大電壓與最大電流的需求并不是同時的，因此，電力電子設備提供的是以角功率計量的過安裝，而不是驅動單元的標稱功率(雙曲線功率)。對電力電子設備的低要求相當于與標稱功率相等的角功率，對電力電子設備的高要求相當于與最大扭矩乘以最大轉速相等的角功率。在典型的應用中，這些極端值之間可能會有所不同，其因子在4-10之間。
[0006]關于永磁電機，電力電子設備的高要求一般都會隨著電機繞數(shù)的增加而降低，但是會導致電機感應電壓的升高。比如說，在700V的直流系統(tǒng)中，電機通常的配置為1500V的感應電壓。大約從一半的轉速開始，這些電機就必須在正確的相移下永久運行，以使終端的電壓低于臨界值，以能夠控制電機的運行。這個可以通過所謂的有功功率電子設備的磁場減弱操作實現(xiàn)，并且通過額外的安全回路方式實現(xiàn)，該安全回路可以確保當電力電子設備不能實現(xiàn)的時候，電機依然可以進行操作，以避免系統(tǒng)的高電壓荷載。這又讓驅動系統(tǒng)變得比較昂貴，要求也比較高。
[0007]永磁電機在緊湊性方面的優(yōu)化，同時其在部分荷載時的效率僅可能在一定的范圍內，因為為了獲得電機的高的扭矩/重量比，相應地就會要求強磁性，在部分荷載的時候，也會產生一個恒定的高損失。
[0008]其它已知的驅動系統(tǒng)會采用異步電機，并結合變頻器電路。這個組合與雙曲線特征非常吻合，使得對電力電子設備的要求也非常低。但是，異步電機提供非常低的扭矩/重量比，因此它就無法作為直接驅動使用。出于這個原因，在很多情況下，異步電機都會與變速齒輪結合使用，這會導致額外的轉動損失。
[0009]驅動系統(tǒng)還會采用磁阻電機與變頻器電路相組合的方式，它們可以作為直接驅動使用。但是，在高轉速下，功率的下降超過了預期的等功率的雙曲線特征值。此外，緊湊性非常低(PM永磁電機的尺寸大概只有磁阻電機的一半)，效率是處在中等水平，它們對電力電子設備的要求也比較低。
[0010]還有一種電機類型，即所謂的由變頻器電路供應的IPM電機(內置式永磁電機)也會被利用在上面提到過的驅動系統(tǒng)里。IPM電機是永磁電機的衍生產物，它的磁體是嵌入在轉子上，因此就可以提供一種有槽或者鋸齒狀的轉子，在電機旋轉的時候，就可以產生額外的張力。另一方面，IPM電機的轉子結構相對來說是比較復雜的，因此與PM永磁電機相比，它就可以用比較少的極數(shù)得以實現(xiàn)。與PM永磁電機相比，對電力電子設備的要求可以降低大約20-30%，但是盡管如此，這個要求依然是非常高的。

【發(fā)明內容】

[0011]因此，本發(fā)明的目的是為了為陸地交通工具提供一個有效的驅動系統(tǒng)，其能夠為驅動陸地交通工具提供所需的驅動特征，但是對電力電子設備的要求就比較有限。
[0012]就本發(fā)明的某個方面來說，提供了一種用于陸地交通工具的驅動系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于驅動陸地交通工具的電機系統(tǒng)，電機系統(tǒng)包括至少一個第一和一個第二電機，這兩臺電機都作用在驅動陸地交通工具的共同的驅動軸上，和一個控制裝置，該控制裝置適用于控制電機系統(tǒng)在至少兩個操作范圍內運行，其中在第一個操作范圍內時，第一和第二電機都運行為驅動軸提供各自的驅動扭矩，在第二個操作范圍內時，只有一臺電機運行為驅動軸提供驅動扭矩。在第二個操作范圍內時，這臺電機也可以運行，但是不是提供除了另一臺電機的驅動扭矩以外的驅動扭矩。[0013]用這種方法，有可能優(yōu)化其中的一臺電機，尤其是在兩個操作范圍內都運行的那臺電機，可以使其達到更高的電機工作效率。例如，在兩個操作范圍內第一電機運行以提供第一驅動扭矩，例如，等于或者小于扭矩臨界值(比如說，是第一電機的標稱扭矩)，當驅動軸所需要提供的扭矩高于扭矩臨界值時(也就是說，在上面的例子中，是高于第一電機的標稱扭矩時)，那么第二電機只運行在一個操作范圍內，以提供除了第一驅動扭矩之外的第二驅動扭矩。兩臺電機都可以運行的第一操作范圍可以是驅動軸運行轉速比較低的范圍，而只有第一電機可以運行的第二操作范圍可以是驅動軸運行轉速比較高的范圍。只要在兩個操作范圍內，車輛的扭矩需求比較低時，那么第一電機運行以提供所需的扭矩，而第二電機可以保持關閉，從而只產生非常低的損失，如果有損失的話。在扭矩需求比較高的操作范圍內，第二電機運行以提供除了第一電機扭矩之外的扭矩，從而得到了在驅動軸上的比較高的扭矩。
[0014]驅動系統(tǒng)還可以采用兩臺以上的電機作用在共同的驅動軸上。本發(fā)明的概念是，當作用在共同的驅動軸上時，具有獨立轉子的多臺電機可以被組合，其中的電機也可以根據它們提供驅動扭矩時的各自的運轉轉速進行單獨地優(yōu)化。
[0015]根據本發(fā)明的一個實施例，控制裝置被配置成根據扭矩-轉速特征線操作電機系統(tǒng)，扭矩-轉速的特征線是在運行轉速的至少一個操作范圍內具有大體上恒定功率的雙曲線。采用本發(fā)明的電機系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)與雙曲線特征線會非常吻合，而不會增加對電力電子設備的要求，下面會更詳細地闡述。
[0016]根據本發(fā)明的一個實施例，第一和第二電機都是永磁(PM)電機。其中的一臺永磁電機運行在兩個操作范圍內，并且可以被優(yōu)化以在整個轉速范圍內獲得比較低的標稱扭矩。另外一臺永磁電機只能運行在一個對扭矩需求比較高的操作范圍內。第二永磁電機可以在這個部分荷載的操作范圍內進行優(yōu)化，并且可以在轉速比較高的時候關閉，從而不會引起電機中由于電機旋轉所引起的所謂的補償損失(offset loss)。兩臺電機的組合使用，得到了高效率的驅動系統(tǒng)。例如，第一和第二電機之間通過空程離合器(free-wheelclutch)連接,這樣在不需要它的扭矩時其中的一臺電機停止旋轉。
[0017]根據另外一個實施例，第一電機和第二電機的類型是不一樣的，也就是說，根據不同的電磁原理進行工作。通過這種方式，不同的磁和電電機工作原理可組合使用，以獲得驅動系統(tǒng)的整體效率的提高，和/或降低對電力電子設備的要求。
[0018]例如，電機系統(tǒng)包括一臺永磁電機和一臺磁阻電機。尤其是，第一電機為永磁電機，而第二電機是磁阻電機。例如，這些電機都可以安裝在一根驅動軸上。例如，只要兩個操作范圍內車輛對扭矩僅有比較低的要求時，那么永磁電機運行以提供所需的扭矩，而磁阻電機可以保持關閉，從而只產生非常低的損失(假如它與永磁電機一起旋轉)，或者當其脫離永磁電機時，甚至于都不會產生損失。
[0019]永磁電機在這個比較低的扭矩范圍內可以對其效率進行優(yōu)化，并且可以只提供相對低的標稱扭矩。在驅動系統(tǒng)要求比較高的扭矩的操作范圍內時，磁阻電機可以運行以提供除了永磁電機扭矩之外的扭矩，獲得了在驅動軸處的比較高的合計扭矩。優(yōu)選地，磁阻電機具有高感應系數(shù)，也就是說具有高的扭矩電流比(例如:永磁電機在800A時，扭矩為2000Nm，磁阻電機在200A時扭矩為2000Nm)，以提供只有低電流下的高扭矩，從而導致了在比較高的轉速下的比較低的功率。但是，在比較高轉速下的操作范圍內，永磁電機本身就可以提供足夠的扭矩。
[0020]在組合使用永磁電機和磁阻電機時，可提供的驅動系統(tǒng)的雙曲線特征線根據電機的尺寸比例可調整。如果永磁電機的比例比較高，那么特征線會偏離雙曲線的軌跡，反之亦然。
[0021]根據另外一個實施例，電機系統(tǒng)包括一臺永磁電機和一臺異步電機，尤其是，其中的第一電機是永磁電機，而第二電機是異步電機。
[0022]就像是磁阻電機,異步電機不會像永磁電機一樣，對定子引起感應電壓(電動勢EMF),因為在轉子中并沒有永磁體存在。
[0023]因此，在驅動系統(tǒng)中采用除了永磁電機以外的電機作為第二電機，當?shù)诙姍C運行在轉速比較低的操作范圍內時，第二電機可被設計成在低電流下提供高扭矩，然而，其中的電機可以在比較高的轉速下旋轉，而不會在比較高轉速操作范圍內超出電壓的極限值，因為在高轉速下，由于轉子的磁場在定子內感應的電壓可以通過適當?shù)乜刂妻D子的磁場來進行控制與減少。在轉速高時，一般需要的扭矩也比較低，永磁電機可以有效地提供驅動所必需的扭矩，這樣第二電機可以空閑狀態(tài)與永磁電機一起轉動，而不會給軸增加驅動扭矩，或者可以在這個操作范圍內脫離永磁電機。
[0024]根據另一個實施例，電機系統(tǒng)包括一臺磁阻電機和一臺異步電機，尤其是其中的第一電機是磁阻電機，而第二電機是異步電機。
[0025]例如，第一電機和第二電機彼此固定連接。有利地是，它們連接的方式是它們的轉子系統(tǒng)是以一定角度扭曲。通過這種方式，定子系統(tǒng)的相位可以根據特殊的應用進行優(yōu)化，電機的交替扭矩可以減少。
[0026]根據一個實施例，第一電機和第二電機是通過一個變速齒輪彼此連接，這樣第一和第二電機以不同的轉速進行旋轉。通過這種方式，永磁電機可以在比較低的轉速下旋轉(在定子中誘發(fā)比較低的電動勢EMF)，第二電機可以在比較高的轉速下旋轉，并可以在重量與尺寸方面進行優(yōu)化，一般會隨著更高的轉速而有所減小。根據另一個實施例，兩臺電機可以分別通過各自的變速齒輪連接到驅動軸上。
[0027]例如，第一電機的第一轉子和第二電機的第二轉子相連，例如，安置于共同的軸上，其中提供的兩臺電機的公共定子系統(tǒng)是第一電機與第二電機共同的。通過這種方式，兩臺電機可以采用公共冷卻系統(tǒng)，從而可以減少電機系統(tǒng)的整體尺寸。
[0028]根據另一個實施例，第一電機與第二電機是通過聯(lián)軸器或者通過空程離合器相連。這樣，當?shù)诙姍C不需要運行時，通過將第二電機與第一電機脫離或者空轉就可以減少旋轉摩擦損失。
[0029]優(yōu)選地，第一電機可包括第一定子金屬片，第二電機可包括第二定子金屬片，第二定子金屬片的厚度比第一定子金屬片厚。更厚的金屬片在電機轉速比較低時的效率方面是比較有優(yōu)勢的。
[0030]根據一個實施例，控制裝置和兩臺電機共用的角度變送器(angulartransmitter)或者轉子定位感應器相連。
[0031]例如，電機系統(tǒng)包括一臺永磁電機，其包括表面磁體，或者具有磁通量集中的結構，或者具有以海爾貝克(Halbach)方式排列的磁體。海爾貝克方式排列在本領域中是已知的，它包括中間磁體，其具有的磁場與永磁電機兩個磁極之間成直角，用以支持磁極的磁場。磁通量集中的結構在本領域中也是已知的,它包括中間磁體,其具有的磁場位于永磁電機用鐵形成的兩個磁極之間的直角上。
[0032]根據另外一個實施例,第一和第二電機被置于一個公共殼體內，或者置于獨立的殼體內。它們可以與一個公共冷卻系統(tǒng)相連。例如，冷卻系統(tǒng)間接地水冷第一和第二電機的定子系統(tǒng)。
[0033]優(yōu)選地，第一電機和第二電機至少是部分地由同樣的電機零件加工出來的，例如，在加工電機時，兩臺電機包括同樣的定子金屬片，以降低成本，因為同樣的零件可以使用在多種電機的加工中。
[0034]例如，第一電機和第二電機至少是部分地由同樣的軸向部分零件加工的，例如同樣的定子金屬片，其中的第一電機包括第一數(shù)量的軸向部分零件，第二電機包括第二數(shù)量的軸向部分零件。因此，電機的結構可以是，電機包括不同數(shù)量的軸向部分零件，導致不同的電機就具有不同的長度。因此，部分零件根據具體的應用，以一種模塊化的方式用以加工電機。通過這種方式，驅動系統(tǒng)可以根據整體的功率要求和具體的實施，以及所需的雙曲線特征線形狀進行調整。
[0035]根據一個實施例，齒輪裝置部分地集成在一臺電機內部自由空間之內的，或者兩臺電機的內部自由空間之內。齒輪可以是各臺電機的組成部分。
[0036]例如，電機系統(tǒng)可以設計成，其中的一臺電機，比如說第一電機，裝入空心軸設計中，而另一臺電機，比如說第二電機，可以設計成比該其中的一臺電機的直徑小，裝入在該其中的一臺電機之中。通過這種方式，可以提供一種緊湊型的電機系統(tǒng)。
[0037]優(yōu)選地，其中的一臺電機被設計成具有一個內轉子，而另一臺電機具有外轉子。
[0038]例如，具有外轉子的電機裝入具有內轉子的電機中，兩臺電機具有同一個轉子架。
[0039]根據一個實施例，具有外轉子的電機裝入具有內轉子的電機內，兩臺電機具有同一個轉子護鐵。例如，轉子護鐵是用復合層板制成的。
[0040]根據一個實施例，具有內轉子的電機裝入具有外轉子的電機內，兩臺電機具有同一個定子架和/或具有同一個公共定子冷卻系統(tǒng)。
[0041]例如，操作范圍為具有不同的驅動軸轉速的至少兩個轉速操作范圍，其中的操作范圍受限于表明轉速的臨界值。
[0042]在另外一個例子中，操作范圍為具有不同的驅動軸扭矩的至少兩個扭矩操作范圍，其中的操作范圍受限于表明扭矩的臨界值。
[0043]在進一步的實施例中，控制裝置根據扭矩-轉速關系進行調整來控制電機系統(tǒng)，其中的第一操作范圍覆蓋了大于第一臨界值的驅動軸轉速，以及大于第二臨界值的驅動軸扭矩。
[0044]在另外一個實施例中，控制裝置根據扭矩-轉速關系進行調整用以操作電機系統(tǒng)，其中的操作范圍受限于臨界值曲線，該臨界值曲線位于在第一轉速下的表明第一扭矩的第一臨界值與在第二轉速下的表明第二扭矩的第二臨界值之間。例如，臨界值曲線至少是部分橢圓形的，或者雙曲線或者直線。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0045]本發(fā)明將參考示出了本發(fā)明示例性的實施例的附圖進行解釋，其中:[0046]圖1A-E示出了示例性的雙曲線扭矩-轉速特征，本發(fā)明的驅動系統(tǒng)可根據該特征運行，以及根據各種操作范圍實施的控制電機系統(tǒng)的一些實施例，
[0047]圖2示出了本發(fā)明的驅動系統(tǒng)的一個實施例，
[0048]圖3示出了電機系統(tǒng)一個實施例，其中的兩臺電機的兩個轉子被封閉在公共定子中，
[0049]圖4示出了電機系統(tǒng)中兩臺獨立電機的一個實施例，
[0050]圖5-8示出了在各種結構設計中，電機系統(tǒng)的電機的一些示例性實施例。
【具體實施方式】
[0051]首先見圖1A，示出了一個示例性的雙曲線扭矩-轉速特征圖，本發(fā)明的驅動系統(tǒng)一般可以根據該特征圖運行。該特征圖描述了在轉速η(旋轉次數(shù))或者角速度C0(C0=2[圓周率pi]n)與作用在驅動軸上的扭矩Tq之間的關系。在這個例子中的扭矩-轉速特征線HY是雙曲線，在電機系統(tǒng)的大部分操作范圍內具有大體恒定的功率。在轉速比較低的范圍內，扭矩被限制在電機系統(tǒng)的最大扭矩內。圖1A還示出了角功率Pc，如前所述，其可用最大扭矩乘以最大角轉速計算得到。圖1A的特征將參考圖2進行詳細地解釋。
[0052]圖2示出了本發(fā)明的驅動系統(tǒng)的一個示例性的實施例。驅動系統(tǒng)DS是用來驅動陸地交通工具的，例如汽車，只有它的某些部分被示意性地示出在圖1中，輪子Wl和W2分別由軸Al與A2驅動。差動傳動或者齒輪D用于傳輸來自具有電機Ml和M2的驅動軸S的扭矩，正如所公知的，電機Ml與M2是作為軸Al與A2的發(fā)動機。尤其是，驅動系統(tǒng)包括一個用于驅動陸地交通工具的電機系統(tǒng)，其中的電機系統(tǒng)包括第一電機Ml和第二電機M2,兩臺電機作為發(fā)動機均作用在共同的驅動軸S上，用以驅動陸地交通工具。例如，電機Ml和M2各自的轉子都置于共同的軸S上，或者以適當?shù)胤绞脚c該軸連接，以便兩臺電機的扭矩都能作用在驅動軸S上，使驅動軸旋轉以驅動車輛。一般而言，驅動系統(tǒng)還包括控制裝置，控制裝置包括用于驅動電機Ml的電力電子設備PEl和用于驅動電機M2的電力電子設備PE2。電力電子設備PEl和PE2與一個能源相連接，例如，一臺永磁發(fā)電機PMG，它是由內燃機CE驅動的，用以產生電能，并把電能供給電力電子設備PEl和PE2。例如，電力電子設備PEl和PE2都分別包括中間直流回路，每個中間直流回路與兩個變頻器電路(未示出)相連，在本領域中是已知的，用來將來自PMG的功率分別提供給中間回路和電機Ml與M2，反之亦然?？蛇x擇地，PMG也可以有自己的電力電子設備，將功率提供給一個單獨的中間直流回路，該中間直流回路是與電力電子設備PEl和PE2都連接在一起，PEl和PE2包括各自的變頻器電路用于供應電機Ml和M2。
[0053]電機Ml和M2可以通過軸S直接連接，因為兩臺電機的兩個轉子在軸上彼此相鄰放置，或者它們通過變速箱G (以便電機Ml與M2可以在不同的轉速下旋轉，但是具有固定的傳動比)，如上所述的聯(lián)軸器C或者空程離合器FW連接在一起。
[0054]電力電子設備PEl和PE2的控制方式是電機系統(tǒng)在至少兩個操作范圍ORl和0R2下運行，在圖1A的例子中，兩個操作范圍ORl和0R2具有具有不同的驅動軸S轉速。操作范圍ORl下，驅動軸S的運行轉速低于操作范圍0R2，在操作范圍0R2下的驅動軸S的運行轉速比較高。電機Ml受電力電子設備PEl控制的，以在操作范圍ORl與0R2下運行，也就是說，在驅動系統(tǒng)的整個操作范圍內運行。電機M2只能受控運行在操作范圍ORl下，也就是說，在圖1A的例子中，只能在比較低的轉速范圍內。通過這種方式，就有可能對電機Ml進行優(yōu)化，電機Ml在操作范圍ORl和0R2下均運行，可以讓驅動系統(tǒng)在較低的扭矩范圍內達到較高的效率。
[0055]尤其是，電機Ml運行在ORl和0R2兩個范圍內，以提供等于或者小于扭矩臨界值TqMl的驅動扭矩，例如，扭矩臨界值TqMl為電機Ml的標稱扭矩。第二電機只運行在操作范圍ORl內，當需要提供在驅動軸S上的扭矩高于電機Ml的標稱扭矩TqMl時，以向軸S提供除了電機Ml的驅動扭矩之外的驅動扭矩。如果車輛在兩個操作范圍ORl與0R2下僅需要低于TqMl的扭矩，那么電機Ml提供所需的扭矩，而電機M2可以通過，比如說聯(lián)軸器C關閉，從而不會產生損失。在分別小于轉速cog或者ng的操作范圍ORl內，一旦需要高于TqMl的扭矩時，電機M2提供除了電機Ml的扭矩以外的扭矩，得到了在驅動軸上的高于TqMl的合計扭矩。在操作范圍0R2內，電機M2原則上可以運行，因為其與電力電子設備PE2相連，并有電流供應，但是它的運行并不會在軸S上提供除了電機Ml的驅動扭矩以外的驅動扭矩。
[0056]例如，電機系統(tǒng)可遵循具有大體上恒定的功率P=常數(shù)的扭矩-轉速特征線運行。在轉速大于ng或者cog的操作范圍0R2內，因為所需的扭矩小于或者等于電機Ml的標稱扭矩TqMl，所以扭矩可以只由電機Ml來提供。在小于或者等于轉速ng或者cog時，當電機Ml在比較低的轉速下運行時，電機Ml達到其標稱扭矩TqMl，因此，它無法單獨提供所需的扭矩。因此，假如在驅動軸S上所提供的扭矩是高于扭矩TqMl時，那么電機M2會運行以向驅動軸提供額外的扭矩，以整體上向軸S提供所需的扭矩，使其傳輸?shù)捷喿覹l和W2上。
[0057]有利的是，電機M2可設計成在低電流下提供高扭矩，當在操作范圍ORl下運行時，其可增加到電機Ml的扭矩TqMl，以便驅動系統(tǒng)可以提供整體的驅動扭矩Tq。假如電機M2也可以在轉速大于ng或者cog的操作范圍0R2內運行，那么電力電子設備PE2被受控使得M2定子中的感應電壓降低，尤其是當電機M2不是PM永磁電機時的情況。因此，電力電子設備PEl和PE2的電壓需求就可以有利地被降低，也不需要額外的安全回路來使電壓低于電力電子設備的極限值。這可以有利地降低如上所述的驅動系統(tǒng)的角功率。
[0058]例如，電機Ml和M2分別為永磁電機。在這種情況下，就不需要解決角功率的問題，但是如上所述，整體驅動系統(tǒng)可以獲得比較高的效率。
[0059]根據另外一個例子，電機Ml是永磁電機，第二電機M2是磁阻電機。在另外一個實施例中，電機Ml可以是永磁電機，第二電機M2可以是異步電機。在進一步的變化中，電機Ml是磁阻電機，電機M2是異步(交流感應)電機。
[0060]例如，齒輪裝置，如變速齒輪G，是部分地區(qū)集成在電機Ml或者M2之一的內部自由空間內。
[0061]如圖3所示，電機Ml包括一個轉子Rl，電機M2包括一個轉子R2，它們均放置于共同的軸S上。在這個實施例中，電機Ml與M2共用一個公共定子系統(tǒng)ST，也就是說，公共定子系統(tǒng)ST對轉子Rl和R2均起作用。例如，根據電機Ml和M2的類型，轉子可以具有不同的長度和不同的類型。假如電機Ml是PM永磁電機，電機M2是磁阻電機，那么轉子Rl可以使用永磁體，轉子R2可以設計成磁阻電機的轉子。電機Ml和M2被置于在共同的殼體H內。這么做的優(yōu)勢是公共定子ST可以由公共冷卻系統(tǒng)CS冷卻，優(yōu)選地通過水WT進行間接水冷。另外的一個優(yōu)勢是只需要一個公共電力電子設備PE，來替代單獨的電力電子設備PEl和 PE2。[0062]圖4示出了電機系統(tǒng)的兩臺獨立的電機的實施例，電機Ml包括轉子Rl和定子STl，電機M2包括轉子R2和定子ST2。通過這種方式，兩臺電機Ml和M2都可以分別在各自的操作范圍內進行優(yōu)化，可以獲得最佳組合的驅動系統(tǒng)。例如，電機Ml包括定子金屬片MSl，電機M2包括定子金屬片MS2，定子金屬片MS2的厚度比定子金屬片MSl的厚，這樣有利于電機M2運行在比電機Ml轉速低的情況下。
[0063]例如，也如圖4所示，電力電子設備PEl和PE2可以與一個角度變送器或者轉子定位感應器AT相連，它是電機Ml和M2共用的，也就是說，提供一個公共的角信號給PEl和PE2用于控制電機Ml與M2的換相。在這個實施例中，電機Ml和M2置于在單獨的殼體Hl和H2中，它們與一個共同的冷卻系統(tǒng)CS相連，其中的冷卻系統(tǒng)是間接地對定子系統(tǒng)STl和ST2進行水冷。在一個實施例中，金屬片MSl和MS2是等厚度的，電機Ml和M2可以用相同的定子金屬片加工。例如，電機Ml的定子STl和/或電機M2的定子ST2是間接水冷的。
[0064]圖5到圖8示出了以各種結構方式實現(xiàn)的，有利于創(chuàng)造一種緊湊型和高效的電機系統(tǒng)的，一些電機系統(tǒng)的電機的示例性實施例。
[0065]如圖5所示，其中的一臺電機，比如說帶有轉子Rl與定子STl的電機Ml是裝入在包括有空心軸HS的空心軸設計內，其中的轉子Rl和定子STl是被安裝在空心軸HS內。另一臺電機，在這個例子中是帶有轉子R2和定子ST2的電機M2，其被設計成直徑小于電機Ml，被裝入在電機Ml中，以便定子ST2和轉子R2都被安裝在電機Ml中。
[0066]例如，如圖6所示，其中的一臺電機(在這個例子中是電機Ml)被設計成具有內轉子(轉子R1)，另外一臺電機(在這個例子中是電機M2)被設計成具有外轉子(轉子R2)，這樣外轉子位于在電機的定子(定子ST2)的外部邊緣上。
[0067]如圖7所示，帶有外轉子的電機(例如如圖6所示的電機M2)是被裝入在帶有內轉子的電機(電機Ml)內，兩臺電機使用同一個轉子架，比如說如圖7所示的公共轉子R的轉子架RG。例如，兩臺電機具有同一個用于磁體的轉子護鐵，在本例子中是由轉子架RG形成的。例如，轉子護鐵是由復合層板制成的。
[0068]根據圖8的實施例，帶有內轉子(轉子Rl)的一臺電機(在本例子中，是電機Ml)被裝入具有外轉子(轉子R2)的電機(電機M2)內，其中的兩臺電機具有同一個定子架，例如如圖8所示，兩臺電機Ml與M2具有共用的定子ST，定子ST被位于公共的架子上。在這個例子中，不論兩臺電機是否具有公共定子架，兩臺電機的架構方式都可以使它們具有公共定子冷卻系統(tǒng)。
[0069]根據圖1B-1E，描述了根據本發(fā)明的原理用來控制電機系統(tǒng)的進一步的實施例。尤其是，圖1A-1E示出了驅動系統(tǒng)的控制裝置所實施的操作范圍的各種實施例，比如說，由如圖2所示的電力電子設備所實施的。
[0070]如圖1A，如上所述，操作范圍ORl和0R2為具有不同的驅動軸轉速的至少二個轉速操作范圍，其中的操作范圍受限于特定的轉速，即表明轉速的臨界值cog或ng。在操作范圍ORl中，在第一個例子中，PM永磁電機和磁阻電機可運行以給驅動軸提供各自的驅動扭矩。在第二個例子中，第一 PM永磁電機和第二 PM永磁電機可運行以給驅動軸提供各自的驅動扭矩。在操作范圍0R2中，只有PM永磁電機(第一個例子)和第一 PM永磁電機(第二個例子)可獨自地運行以給驅動軸提供驅動扭矩。
[0071]如圖1B所示,操作范圍Orl和0R2為具有不同的驅動軸扭矩的至少兩個扭矩操作范圍，其中的操作范圍受限于扭矩臨界值Tqg (即，受限于在扭矩-轉速關系中的帶有臨界值Tqg的直臨界值線)。在操作范圍ORl中，在第一個例子中，PM永磁電機和磁阻電機可運行以給驅動軸提供各自的驅動扭矩。在第二個例子中，第一 PM永磁電機和第二 PM永磁電機可運行以給驅動軸提供各自的驅動扭矩。在操作范圍中0R2，只有PM永磁電機(第一個例子)和第一 PM永磁電機(第二個例子)可獨自地運行以給驅動軸提供驅動扭矩。
[0072]如圖1C，示出了操作電機系統(tǒng)的進一步的實施例。同樣，控制裝置根據扭矩-轉速關系操作電機系統(tǒng)，如圖1A和圖1B，例如，根據前文所述的扭矩-轉速特征線HY。在圖1C的實施例中,操作范圍Orl包含大于表明轉速的臨界值COg或者ng的驅動軸轉速,和大于扭矩臨界值Tqg并且驅動軸扭矩。在第二操作范圍0R2中，電機系統(tǒng)在轉速和扭矩低于cog或ng和Tqg下運行，其中只有一臺電機提供驅動扭矩給驅動軸。例如，在操作范圍ORl內，第一 PM永磁電機和第二 PM永磁電機可運行以提供各自的驅動扭矩給驅動軸。在操作范圍0R2內，只有第一 PM永磁電機運行以提供驅動扭矩給驅動軸。
[0073]在圖1D和IE中，示出了操作電機系統(tǒng)的進一步的實施例。同樣，控制裝置根據扭矩-轉速關系操作電機系統(tǒng)，正如圖1A-C所示，例如，根據如前所述的扭矩-轉速特征線HY。在圖1D和IE中，操作范圍ORl和0R2受限于臨界值曲線TC，其位于在第一轉速下的表明第一扭矩的第一臨界值Tqg和在第二轉速cog、ng下的表明第二扭矩的第二臨界值之間。
[0074]在圖1D的例子中，臨界值Tqg設置在轉速為零(即靜止狀態(tài))時，并且第二臨界值被設置成在轉速cog、ng時零扭矩(S卩，空載運轉)。如圖1D所示，臨界值曲線TC至少為部分橢圓。例如，在操作范圍ORl中，第一 PM永磁電機和第二 PM永磁電機可運行以給驅動軸提供各自的驅動扭矩。在操作范圍0R2中，只有第一 PM永磁電機運行以給驅動軸提供驅動扭矩。
[0075]在圖1E的例子中，臨界值Tqg也設置在轉速為零(即靜止狀態(tài))時，而第二臨界值被設置成在轉速cog、ng時非零的扭矩,在這個例子中轉速cog、ng為驅動軸的最大轉速。圖1E中的臨界值曲線TC至少為部分橢圓。例如，在操作范圍ORl中，第一磁阻電機和第二磁阻電機可運行以給驅動軸提供各自的驅動扭矩。在操作范圍0R2中，只有第一磁阻電機運行以給驅動軸提供驅動扭矩。
【權利要求】
1.一種陸地交通工具的驅動系統(tǒng)(DS)，包括: 用于驅動陸地交通工具的電機系統(tǒng)(Ml, M2),電機系統(tǒng)包括作用于共同的驅動軸(S)上的用于驅動陸地交通工具的至少第一和第二電機(Ml，M2)， 控制裝置(PE，PE1，PE2)，其適用于控制電機系統(tǒng)在至少兩個操作范圍(0R1，0R2)內運行，其中，在第一操作范圍(ORl)中，第一和第二電機(M1，M2)運行以給驅動軸(S)提供各自的驅動扭矩，而在第二操作范圍(0R2)中，只有其中的一臺電機(Ml)運行以給驅動軸(S)提供驅動扭矩。
2.根據權利要求1所述的驅動系統(tǒng)，其特征在于，控制裝置(PE，PE1，PE2)適用于根據扭矩-轉速特征線(HY)操作電機系統(tǒng)(Ml，M2)，該扭矩-轉速特征線為在操作轉速(ω)的至少一個操作范圍內具有大體上恒定功率的雙曲線。
3.根據權利要求1-2之一所述的驅動系統(tǒng)，其特征在于，第一和第二電機(Μ1，Μ2)分別為永磁電機，尤其是其中的第一和第二電機通過空程離合器(FW)彼此連接。
4.根據權利要求1-2之一所述的驅動系統(tǒng),其特征在于，電機系統(tǒng)包括一臺永磁電機和一臺磁阻電機，尤其是其中的第一電機(Ml)為永磁電機且第二電機(M2)為磁阻電機。
5.根據權利要求1-2之一所述的驅動系統(tǒng),其特征在于，電機系統(tǒng)包括一臺永磁電機和一臺異步電機，尤其是其中的第一電機(Ml)為永磁電機，且第二電機(M2)為異步(交流感應)電機。
6.根據權利要求1-2之一的驅動系統(tǒng),其特征在于，電機系統(tǒng)包括一臺磁阻電機和一臺異步電機，尤其是其中的第一電機(Ml)為磁阻電機，且第二電機(M2)為異步電機。
7.根據權利要求1-6之一所述的驅動系統(tǒng),其特征在于,第一電機(Ml)和第二電機(M2)彼此固定連接,尤其是以他們的轉子系統(tǒng)以一定角度扭曲(twisted in angle)的方式，或其中的第一電機(Ml)和第二電機(M2)通過變速齒輪(G)彼此連接使得第一和第二電機以不同的轉速旋轉。
8.根據權利要求1-7之一所述的驅動系統(tǒng)，其特征在于，包括連接于共同的軸(S)上的第一電機的第一轉子(Rl)和第二電機的第二轉子(R2)，和對于第一和第二電機(Ml,M2)公用的公共定子系統(tǒng)(ST)。
9.根據權利要求1-8之一所述的的驅動系統(tǒng),其特征在于,第一電機(Ml)和第二電機(M2)通過聯(lián)軸器(C)或者通過空程離合器(FW)彼此連接。
10.根據權利要求1-9之一所述的驅動系統(tǒng),其特征在于,第一電機(Ml)包括第一定子金屬片(MSl)，第二電機(M2)包含第二定子金屬片(MS2)，該第二定子金屬片(MS2)的厚度大于第一定子金屬片(MSl)的厚度。
11.根據權利要求1-10之一所述的驅動系統(tǒng)，其特征在于，控制裝置(PE，PE1，PE2)與兩臺電機(Ml，M2)公用的角度變送器或轉子定位傳感器(AT)相連。
12.根據權利要求1-11之一所述的驅動系統(tǒng)，其特征在于，電機系統(tǒng)包括一臺永磁電機，該永磁電機包括表面磁體或具有磁通量集中的結構，或者具有海爾貝克(Halbach)排列的磁體。
13.根據權利要求1-12之一所述的驅動系統(tǒng)，其特征在于，第一和第二電機(M1，M2)置于公共殼體(H)內，或者其中的第一和第二電機(Ml, M2)置于獨立的殼體(H1,H2)內，其與公共冷卻系統(tǒng)(CS)相連，尤其是其中的冷卻系統(tǒng)對第一和第二電機的定子系統(tǒng)(ST1，ST2)間接水冷卻。
14.根據權利要求1-13之一所述的的驅動系統(tǒng),其特征在于,第一電機(Ml)和第二電機(M2)至少部分地由相同的電機零件制造，尤其是包括相同的定子金屬片(MS)。
15.根據權利要求1-14之一所述的驅動系統(tǒng),其特征在于,第一電機(Ml)和第二電機(M2)至少部分地由相同的軸向部分零件(MS)制造，尤其是相同的定子金屬片(MS)，其中的第一電機(Ml)包括第一數(shù)量的軸向部分零件(MSI)，第二電機(M2)包括第二數(shù)量的軸向部分零件(MS2)。
16.根據權利要求1-15之一所述的驅動系統(tǒng),其特征在于,第一(Ml)和/或第二電機(M2)的定子是間接地水冷卻。
17.根據權利要求1-16之一所述的驅動系統(tǒng)，其特征在于，齒輪裝置部分地集成于一臺電機(Ml或者M2)內部的自由空間內。
18.根據權利要求1-16之一所述的驅動系統(tǒng)，其特征在于，其中的一臺電機(Ml)裝入空心軸設計內，而另一臺電機(M2)被設計成具有比所述其中的一臺電機更小的直徑并且裝入所述其中的一臺電機(Ml)內。
19.根據權利要求1-18之一所述的驅動系統(tǒng)，其特征在于，其中的一臺電機被設計成具有內轉子，而另一臺電機具有外轉子。
20.根據權利要求19所述的驅動系統(tǒng)，其特征在于，帶內轉子的電機裝入帶外轉子的電機內，兩臺電機具有同一個定子支架和/或具有同一個定子冷卻系統(tǒng)。
21.根據權利要求19 所述的驅動系統(tǒng)，其特征在于，帶外轉子的電機裝入帶內轉子的電機內，兩臺電機具有同一個轉子支架。
22.根據權利要求19或20所述的驅動系統(tǒng)，其特征在于，帶外轉子的電機裝入帶內部轉子的電機內，兩臺電機具有同一個轉子護鐵。
23.根據權利要求21所述的驅動系統(tǒng)，其特征在于，轉子護鐵由復合層板(Iaminatedsheet)制成。
24.根據權利要求1-23之一所述的驅動系統(tǒng)，其特征在于，操作范圍(ORl，OR2)為具有不同的驅動軸轉速的至少兩個轉速操作范圍，其中的操作范圍受限于表明轉速的臨界值(cog, ng)。
25.根據權利要求1-23之一所述的驅動系統(tǒng)，其特征在于，操作范圍(0R1，0R2)為具有不同的驅動軸扭矩的至少兩個扭矩操作范圍，其中的操作范圍受限于表明扭矩的臨界值(Tqg)0
26.根據權利要求1-23之一所述的驅動系統(tǒng)，其特征在于，控制裝置(PE，PE1，PE2)適用于根據扭矩-轉速關系操作電機系統(tǒng)(M1，M2)，其中的第一操作范圍(ORl)覆蓋大于第一臨界值(cog，ng)的驅動軸轉速，和大于第二臨界值(Tqg)的驅動軸扭矩。
27.根據權利要求1-23之一所述的驅動系統(tǒng)，其特征在于，控制裝置(PE，PE1，PE2)適用于根據扭矩-轉速關系操作電機系統(tǒng)(M1，M2)，其中的操作范圍(0R1，0R2)受限于臨界值曲線(TC)，該臨界值曲線(TC)位于在第一轉速下的表明第一扭矩的第一臨界值(Tqg)與在第二轉速(cog，ng)下的表明第二扭矩的第二臨界值之間，尤其是，其中的臨界值曲線(TC)至少為部分的橢圓形或雙曲線或直線。
【文檔編號】H02P5/46GK103493360SQ201280014350
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年3月14日 優(yōu)先權日:2011年3月23日
【發(fā)明者】延斯·斯蒂芬, 羅蘭·哈根洛赫, 彼得·埃爾哈特, 哈拉爾德·塔姆 申請人:L-3通信磁電機股份有限公司