本發(fā)明涉及低電壓大電流永磁dc(直流)電磁異極馬達。

背景技術：

隨著全球石油儲備的下滑，發(fā)展電池電動車輛的動力增加。因此，在經(jīng)濟上需要對電動車輛的里程和重量進行改進。

為了提高電力轉(zhuǎn)換效率，電池供電的電動車輛(bev)的系統(tǒng)電壓在過去十年中從約150v增加至600v以上。預計會出現(xiàn)電壓在800v以上的系統(tǒng)。存在這種高電壓時難以避免的電擊和火災安全風險可以通過比如底盤短路檢測及自動隔離、手動操作高壓隔離器和應急服務人員佩戴的絕緣手套等方法進行管理，但將表明消除這種問題的風險管理原則是比個人防護裝備(ppe)或工程解決方案更安全的解決方案。通過降低系統(tǒng)電壓可以實現(xiàn)消除由高壓(hv)電池引起的問題。然而，如上所述，bev的設計者通常會增加系統(tǒng)電壓，而不是降低系統(tǒng)電壓。增加系統(tǒng)電壓使導體尺寸和成本降低并提高了效率，這是由于電流較小時，整個igbt上的壓降較低，從而減少了損耗。

bev使用一個或更多個具有串聯(lián)的電池單元的電池。串聯(lián)的電池單元需要平衡電路來確保每個電池單元具有相同的電壓。通常，每個電池單元上需要一個電池單元平衡器電路。這意味著使用非常小的電池單元就導致昂貴的平衡器組。平衡器電路的作用對本領域技術人員而言是公知的并且不需要在本文詳細說明。平衡器對于可靠地實現(xiàn)電池的所需的充電—放電限度和長使用壽命而言至關重要。

即使使用電池單元電荷平衡器，電池的放電深度仍然隨電池單元的使用年限、溫度和其他因素而變化，因此，所有串聯(lián)連接的電池在其中一個電池單元失效的情況下最終在其他電池單元的作用下被迫成為反極性，從而導致電池組失效。

可以提供電池單元旁路來確保電池單元不被過充電或充電不足。然而，只有在非常小的電池單元中才可以經(jīng)濟地建立電池單元旁路電路。

對于bev而言，電池單元旁路是不經(jīng)濟的，并且在大約八年后必須更換整個電池。

所有串聯(lián)連接的電池都需要進行電池單元監(jiān)測，以檢測電池單元欠壓并斷開電池。因此，任何單個電池單元的欠壓都會導致電池失效，并且因此導致bev車輛故障。車輛的可靠性只能通過使用兩個或更多個電池來改善。

期望提供減輕現(xiàn)有技術的一個或更多個困難的電動馬達，或者至少提供有用的替代方案的電動馬達。

技術實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明，提供了一種低電壓大電流永磁直流電磁異極電動馬達，該低電壓大電流永磁直流電磁異極電動馬達包括：

(a)至少一個永磁轉(zhuǎn)子；

(b)軸，該軸與轉(zhuǎn)子機械連通，使得轉(zhuǎn)子的軸向旋轉(zhuǎn)引起該軸的軸向旋轉(zhuǎn)；

(c)至少一個定子繞組；

(d)多個開關，多個開關均用于為定子提供換向切換，以使得在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生扭矩，并且由此引起軸的所述軸向旋轉(zhuǎn)，

其中，所述電機的端子電壓等于一個電化學電池單元的電壓，并且

其中，所述電機的功率為至少1kw。

優(yōu)選地，開關包括多個晶體管半橋開關，這些半橋開關中的每一個半橋開關都連接至定子繞組的分開的點，其中，所述晶體管半橋開關用于提供換向切換并調(diào)節(jié)所述定子繞組中的電流，以使得在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生扭矩，并且由此引起軸的所述軸向旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，晶體管半橋開關位于定子繞組的相應的分開的點附近。

晶體管半橋開關優(yōu)選地定位成與定子繞組的相應的分開的點相距5mm內(nèi)。所述至少一個定子繞組中的每個定子繞組都優(yōu)選地僅包括一匝的一半，使得在使用中所述半橋中的兩個半橋被啟用，其中，一個半橋中的一個高側(cè)晶體管導通并且另一半橋中的一個低側(cè)晶體管半橋?qū)ǎ酝瓿捎靡孕纬梢辉牙@組的回路。

根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種電動車輛，該電動車輛包括：

(a)底盤；

(b)推進裝置，該推進裝置聯(lián)接至底盤；

(c)根據(jù)權利要求1至22中的任一項所要求保護的電動馬達，該電動馬達聯(lián)接至所述底盤并與所述推進裝置機械連接；以及

(d)電源，該電源包括與電動馬達的相應部分并聯(lián)連接的多個電池。

根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種用于電動車輛牽引的無刷永磁直流馬達，該無刷永磁直流馬達包括：

(a)至少一個永磁轉(zhuǎn)子；

(b)至少一個定子繞組；以及

(c)至少一個電池，

其中，所述電池的電壓等于一個電化學電池單元的電壓。

根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種包括并聯(lián)聯(lián)接的電池的電磁功率轉(zhuǎn)換無刷電機。

根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種用于電動馬達的電池系統(tǒng)，該電池系統(tǒng)包括：

(a)轉(zhuǎn)子；

(b)軸，該軸軸向地延伸穿過轉(zhuǎn)子，該軸與轉(zhuǎn)子機械連接，使得轉(zhuǎn)子的軸向旋轉(zhuǎn)引起軸的軸向旋轉(zhuǎn)；以及

(c)定子，

電池系統(tǒng)包括：

(i)直流(dc)電源，該直流電源包括與所述定子的相應扇區(qū)并聯(lián)電連接的多個電池；以及

(ii)多個驅(qū)動器開關，所述多個驅(qū)動器開關配置成產(chǎn)生交流(ac)信號，以使得在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生扭矩，并且由此引起軸的軸向旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種無刷直流馬達，該無刷直流馬達包括：

(a)轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子包括：

(i)轉(zhuǎn)子盤；以及

(ii)一圈間隔開的永磁體，該一圈間隔開的永磁體繞所述轉(zhuǎn)子盤的外周部分聯(lián)接；

(b)軸，該軸軸向地延伸穿過轉(zhuǎn)子盤，該軸與轉(zhuǎn)子盤機械連接，使得轉(zhuǎn)子盤的軸向旋轉(zhuǎn)引起軸的軸向旋轉(zhuǎn)；

(c)定子，該定子包括定子盤，該定子盤在其中具有周向分布且徑向指向的槽，所述槽限定相應的徑向指向的長形的導電條；以及

(d)驅(qū)動器開關，所述驅(qū)動器開關電耦接至定子的長形的條的徑向外端部并與定子的長形的條的徑向外端部位于同一位置，并且所述驅(qū)動器開關配置成產(chǎn)生沿著定子的長形的條在交變的徑向方向上流動的電流，以使得在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生扭矩，并且由此引起軸的軸向旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種低電壓大電流永磁直流電磁異極馬達，該低電壓大電流永磁直流電磁異極馬達包括：

(a)至少一個永磁轉(zhuǎn)子；

(b)軸，該軸與轉(zhuǎn)子機械連接，使得轉(zhuǎn)子的軸向旋轉(zhuǎn)引起該軸的軸向旋轉(zhuǎn)；

(c)至少一個定子繞組；

(d)多個開關，多個開關均用于為定子提供換向切換，以使得在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生扭矩，并且由此引起軸的所述軸向旋轉(zhuǎn)，

其中，所述電機的端子電壓等于一個電化學電池單元的電壓。

根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種低電壓大電流永磁直流電磁異極發(fā)電機，該低電壓大電流永磁直流電磁異極發(fā)電機包括：

(a)至少一個永磁轉(zhuǎn)子；

(b)軸，該軸與轉(zhuǎn)子機械連接，使得轉(zhuǎn)子的軸向旋轉(zhuǎn)引起該軸的軸向旋轉(zhuǎn)；

(c)至少一個定子繞組；

(d)多個開關，多個開關均用于根據(jù)由引起軸的所述軸向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的軸向旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的磁通為定子提供換向切換，

其中，所述電機的端子電壓等于一個電化學電池單元的電壓，并且

其中，所述電機的功率為至少1kw。

附圖說明

在下文中參照附圖僅通過示例的方式描述本發(fā)明的一些實施方式，在附圖中：

圖1是電動馬達的側(cè)視立體圖；

圖2a是圖1a中示出的馬達的側(cè)視圖；

圖2b是圖2a中示出的馬達的沿線a-a截取的截面圖；

圖2c是圖2b中示出的馬達的部分“b”的放大圖；

圖2d是圖2b中示出的馬達的部分“c”的放大圖；

圖3是圖1中示出的馬達的端視圖；

圖4是圖1中示出的馬達的部分分解圖；

圖5a是圖1中示出的馬達的轉(zhuǎn)子的側(cè)視立體圖；

圖5b是圖9中示出的轉(zhuǎn)子的磁體的側(cè)視立體圖；

圖6是圖1中示出的馬達的定子盤的側(cè)視立體圖；

圖7a至圖7c是示出了用于圖1中示出的馬達的一個條的驅(qū)動器的電路的原理圖；

圖8是另一電動馬達的側(cè)視立體圖；

圖9是圖1中示出的馬達的定子的側(cè)視圖；

圖10是圖9中示出的定子的扇區(qū)的側(cè)視立體圖；

圖11是圖9中示出的定子的印刷電路板的側(cè)視圖；

圖12是電池的側(cè)視立體圖；

圖13是圖1中示出的馬達的電源的原理圖；

圖14是電連接至電源系統(tǒng)的圖1中示出的馬達的側(cè)視立體圖；以及

圖15是電池供電的電動車輛的示意圖。

具體實施方式

圖1至圖4中示出的無刷直流(dc)馬達10包括轉(zhuǎn)子12，轉(zhuǎn)子12包括轉(zhuǎn)子盤14和以在圖5a和圖5b中示出的方式繞轉(zhuǎn)子盤14的外周部分18聯(lián)接的一圈間隔開的永磁體16。馬達10還包括沿“da”方向軸向延伸穿過轉(zhuǎn)子盤14的軸20。軸20與轉(zhuǎn)子盤14機械連接，使得轉(zhuǎn)子盤14的軸向旋轉(zhuǎn)引起軸20的軸向旋轉(zhuǎn)。如圖6中所示，馬達10還包括定子22，定子22包括定子盤24，該定子盤24在其中具有周向分布且徑向指向的槽26，槽26限定相應的徑向“dr”指向的長形的導電條28。馬達10還包括驅(qū)動器開關30，驅(qū)動器開關30如圖7a至7c中示出的那樣電耦接至定子22的長形條28的徑向外端部32并與定子22的長形條28的徑向外端部32位于同一位置，并且驅(qū)動器開關30配置成產(chǎn)生沿著定子22的長形條28在交變的徑向方向“dr”上流動的交流(ac)信號，以使得在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生扭矩，并且由此引起軸20的軸向旋轉(zhuǎn)。

如所示出的，馬達10包括兩個定子22和一個轉(zhuǎn)子12。然而，馬達10可以替代性地包括任何合適組合的定子22和轉(zhuǎn)子12，以適應任何特定應用的需要。例如，圖8中示出的馬達100包括四個定子22和三個轉(zhuǎn)子12。然而，為了便于描述，下面參照馬達10通過非限制性示例描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。

如圖4中特別示出的，馬達10還包括聯(lián)接至軸20的一對轉(zhuǎn)子端盤34a、34b，所述一對轉(zhuǎn)子端盤34a、34b將轉(zhuǎn)子12和定子22夾擋在所述一對轉(zhuǎn)子端盤34a、34b之間。馬達10還包括端板36a、36b，端板36a、36b使轉(zhuǎn)子12和定子22聯(lián)接在端板36a、36b之間。如所示出的，端板36a、36b是大致方形的平的構(gòu)件。然而，板36a、36b可以替代性地采取任何合適的形狀以適應馬達10的需要。板36a、36b包括用于將馬達10的組成部件固定在板36a與板36b之間的緊固件37。緊固件37包括例如延伸穿過板36a、36b的各個拐角部的螺栓37。替代性地，緊固件37包括用于將這兩個板聯(lián)接在一起的任何其他合適的裝置。

如圖5a和圖5b中特別示出的，轉(zhuǎn)子盤14的外周部分18包括多個槽38，所述多個槽38定形狀成在其中接納和安置磁體16中的相應磁體。轉(zhuǎn)子盤14包括中央轂部40，中央轂部40包括用于接納穿過中央轂部40的軸20的軸向延伸的槽。轉(zhuǎn)子盤14還包括在轂部40與外周部分18之間徑向延伸的多個支撐構(gòu)件42。支撐構(gòu)件42與外周部分18之間形成有槽43。槽43定形狀成協(xié)助空氣軸向抽吸穿過馬達10并且協(xié)助空氣從馬達10徑向排出。由槽43產(chǎn)生的氣流以這種方式使空氣移動穿過馬達有助于冷卻馬達10。這些槽還有助于減小馬達10的重量。

轂部40包括用于與軸20配合的緊固件44。如所示出的，緊固件44是定形狀成與軸20的凸形突起(未示出)配合的凹形槽。替代性地，緊固件44是用于將轉(zhuǎn)子12機械地聯(lián)接至軸20的任何其他合適的裝置。

如圖9至圖11中特別示出的，定子22包括繞定子盤24的相應條28周向地安裝的驅(qū)動器開關30。定子22包括匯流條46，匯流條46將安裝在定子印刷電路板(pcb)31上的驅(qū)動器開關30電耦接至定子盤24的相應的條38的外端部32。

如所示出的，驅(qū)動器開關30優(yōu)選地布置在繞定子盤24的扇區(qū)52中。在該實施方式中，繞定子盤24的扇區(qū)52由dc電源50驅(qū)動，dc電源50包括圖12中示出的類型的多個電池51(b1、b2、b3、b4)，所述多個電池51以圖13和圖14中示出的方式繞馬達10布置。如所示出的，電池b1、b2、b3、b4并聯(lián)地連接至馬達10的相應的扇區(qū)52。如相關領域的技術人員將理解的，馬達10可以針對特定應用而使用并聯(lián)連接的任意數(shù)目的電池51來服務于馬達10的扇區(qū)52。

如圖11中特別示出的，每個扇區(qū)52的驅(qū)動器開關30安裝在印刷電路板上。每個扇區(qū)52的pcb31包括用于電耦接至正匯流條48和負匯流條48中的相應一個匯流條的端子53a和53b，正匯流條48和負匯流條48又以圖12中示出的方式將驅(qū)動器開關30耦接至dc電源50。

dc電源50優(yōu)選地為包括并聯(lián)連接的多個電化學電池單元的電池。馬達10以超低電壓工作。在本說明書中，術語“超低電壓”(ulv)用來指由單個電化學電池單元產(chǎn)生的電壓。

并聯(lián)連接的電池50為現(xiàn)有的電動車輛系統(tǒng)提供了許多簡化。馬達10構(gòu)造起來是簡單的并且有利地從約3v起以最高可能的效率運行。這對于100kw的dc電機意味著電流為33ka。

電機10的發(fā)展來自于在3v時載有數(shù)萬安培電流的要求。從歷史上看，只有單極馬達被用于這種應用。帶槽的單極盤轉(zhuǎn)子被制成并通過使用電刷來迫使徑向電流穿過盤而使該轉(zhuǎn)子在恒定磁場中運行。由于不能制造出無刷單極電動馬達，并且為了滿足項目的要求而使得電刷被視為太低效且存在問題，因此開發(fā)了基于同一帶槽盤的異極馬達10。

異極馬達10基本上是具有常規(guī)的永磁轉(zhuǎn)子12的多相軸向磁通多定子22的電機。每個定子盤22隨后可以進一步分成由獨立的電池51驅(qū)動的扇區(qū)52，但是異極馬達10另外也可以是傳統(tǒng)的無刷dc電機，但要注意電流路徑長度。為此，控制器開關30優(yōu)選地與馬達10集成到一個組件中。

就效率而言，單極馬達的效率是驚人，特別是在可以忽略其電刷損耗的情況下，在扁平導體中具有徑向電流的概念不會在電能轉(zhuǎn)化為機械能方面出錯。單極電機具有雙氣隙和無鐵芯轉(zhuǎn)子盤的概念，因此盡管實心盤電機趨于在其周邊電刷與中心軸之間具有彎曲且擴展的電流路徑，但由于磁鏈而不會有效率損失。然而，由于由反向場引起的盤22中的渦流損耗，所以在異極電機中不能使用實心盤轉(zhuǎn)子。

在利用簡單的平的定子22的情況下，接下來的設計步驟是劃分電流并用半橋54驅(qū)動獨立的條28，以制造多相無刷dc電機10。

馬達10包括用以驅(qū)動半橋54的控制邏輯30。例如，用于驅(qū)動條28的方法使用較少數(shù)目的運算放大器(oppamps)和霍爾傳感器。

圖7a示出了用于馬達10的簡單的模擬電子控制器30的一個可能的實施方式。此處示意性地示出為l1、l2、l3等的每個定子條28優(yōu)選地設置有其自身的半橋fet(場效應晶體管)驅(qū)動器對54，特別地，其中馬達10定尺寸成使得條28中的最大電流與每個fet58的最大電流容量大致相同。在這種情況下，每個條28代表馬達10的一個相。這使每定子“匝”對應的反向電動勢最小，并且允許在一個電化學電池單元51的電壓下操作，甚至在使用鉛酸電池并經(jīng)受重負載的情況下也允許鉛酸電池在約1v的電壓下操作。

如果在每個轉(zhuǎn)子極下有三個條28，則半橋54的驅(qū)動器電路可以是任何傳統(tǒng)的三相馬達控制器。然而，該馬達10適用于具有多于三個的相，在這種情況下，不能直接應用傳統(tǒng)的三相馬達控制器。

每個fet58的柵極可以經(jīng)由100ω的串聯(lián)電阻器驅(qū)動，以限制柵極導通電流，并且每個fet58的柵極可以經(jīng)由1mω的分流電阻器在fet處局部地拉低，這用于確保在柵極與控制電路之間的連接斷開時fet不會導通。這在控制卡通過插頭和插座連接至fet58時是最有用的。在示出的實施方式中，這是較少需要的，因為fet58與控制邏輯被安裝在同一pcb上并且通過pcb跡線連接。

該示例實施方式中示出的驅(qū)動器是基于ir2127電流感測單通道驅(qū)動器的。該低壓馬達10的另一優(yōu)點在于，高側(cè)fet58和低側(cè)fet58兩者可以由同一柵極源電壓軌來驅(qū)動，這是由于高側(cè)的供電軌僅比低側(cè)高供電軌的一半。

這避免了用于高側(cè)的升壓驅(qū)動器的需要，因此我們可以將圖7a中示出的相同的電路用于低側(cè)fet58和高側(cè)fet58兩者。用于高側(cè)fet58的電路與圖示30中示出的用于低側(cè)fet的電路相同。這兩個電路一起形成一個半橋驅(qū)動器。

每一相都需要一個半橋驅(qū)動器。如果馬達10是四相馬達，則馬達10具有八個ir2127驅(qū)動器，所述八個ir2127驅(qū)動器驅(qū)動相a、b、c、d及其補體a’、b’、c’和d’。要觸發(fā)ir2127驅(qū)動器，只要將ir2127驅(qū)動器連接至霍爾開關即可。該示例中示出了模擬霍爾傳感器而不是開關，該模擬霍爾傳感器被饋送至簡單的運算放大器比較器，該運算放大器比較器允許相對于轉(zhuǎn)子磁體所在位置來調(diào)整觸發(fā)點。這允許電機時序的微調(diào)。

馬達將使用直接連接至ir2127驅(qū)動器的簡單霍爾開關來工作，但為了允許馬達保護，在霍爾傳感器與柵極驅(qū)動器之間添加了外部停止按鈕、節(jié)流控制、反向以及更多的模塊。由于我們已經(jīng)使用了lm339比較器，因此有利的是使用相同的芯片來提供這些功能。反向/正向選擇可以通過如圖5a中示出的ic3a和ic4a那樣將lm339接線為與門來完成。北極脈沖序列或南極脈沖序列通過這些門，從而根據(jù)可能是電動車輛應用中對變速條的反向/正向選擇開關的設定而向驅(qū)動器發(fā)送正向脈沖序列或反向序列。ic2a被接線為或門，以允許這些序列通過而到達驅(qū)動器。

在序列能夠發(fā)送至驅(qū)動器之前，存在一個最后的用于保護的與門。這再次使用了比較器。該示例中的保護包括過溫、緊急停止、用于任何給定條的高側(cè)驅(qū)動器與低側(cè)驅(qū)動器之間的交叉互鎖以及節(jié)流脈沖序列。將lm339作為與門的優(yōu)點是可以通過使用附加的二極管來添加任何數(shù)目的條件，其中，已經(jīng)示出了三個備用二極管。

lm339是集電極開路運算放大器，因此我們需要將輸出端上的電阻器上拉，這些電阻器示出為r3、r4、r12和r16。ir2127是電流感測驅(qū)動器，當感測到過電流時，ir2127將flt引腳降低至地。ir2127在內(nèi)部具有用于在fet導通時測量整個fet上的壓降的運算放大器比較器。由于源極/漏極電阻相當恒定，因此壓降與電流成正比。另外的好處是，該電壓隨著fet溫度的升高而增加，從而提供了過溫保護，因此如果fet在接近其過流跳閘限值的電流下變熱，則fet將不起動。

為了提供馬達的安全隔離，我們可以打開隔離器62以將柵極供電軌從驅(qū)動器分出。

由于沒有柵極電壓，因此fet形成與馬達電壓的有效隔離，而不需要大電流電開關。

當然，任何其他控制邏輯平臺、常規(guī)的基于微控制器的、或現(xiàn)場可編程門陣列、或者其任何組合也可以同樣良好地使用。然而，模擬控制是簡單、穩(wěn)固且成本低的并且不需要固件或軟件。

為了消除磁滯損耗，定子22的磁路優(yōu)選地不包括鐵芯。定子盤24優(yōu)選地由不具有鐵芯的單件導電材料片材如銅片材制成，因此定子22不會發(fā)生鐵損。在圖1至圖4中示出的雙定子22單永磁轉(zhuǎn)子裝置中，使用鋼制轉(zhuǎn)子端板34a、34b形成用于磁通的返回路徑確保了有效磁場形狀不會產(chǎn)生磁滯或渦流損耗，這是由于鋼制件與轉(zhuǎn)子是一起旋轉(zhuǎn)的，并且磁通不會有任何變化。

有效氣隙是定子盤24的導體寬度即厚度加上兩個機械間隙氣隙的厚度。在軸向磁通實施方式中，這些間隙可以非常小、通常為0.3mm。在定子盤24的厚度為1.5mm的情況下，有效氣隙僅在2mm以上。通過在轉(zhuǎn)子中使用n52磁體可以實現(xiàn)間隙中1.0t的磁通密度。

以前，最高效率的電機設計是lynch馬達，lynch馬達通常在定子上使用鐵素體環(huán)氧樹脂合金。馬達10通過使定子繞組自支撐來避免這種情況。lynch馬達會在定子磁滯和端匝電阻損耗方面損失一些效率，但這兩方面的損失在馬達10中都被消除。通過使轉(zhuǎn)子磁體16與轉(zhuǎn)子磁軛齊平而不是凸出并且通過使用薄的實心轉(zhuǎn)子磁軛而不是輻條，可以使高速電機的風阻損耗最小化；或者，對于速度較低的電機，可以有意地使磁體16凸出以形成直葉片冷卻風扇并將磁體16用作直葉片冷卻風扇，從而冷卻定子條28。

轉(zhuǎn)子磁體16和轉(zhuǎn)子磁軛是常規(guī)技術，并且簡單地由通過減料銑削或者通過機械銑削或水射流切割而切割的鋁板制成。

從由轉(zhuǎn)子12產(chǎn)生的氣隙排出的排出空氣使電路板和匯流條46、48冷卻。空氣被抽吸穿過輻條(即，徑向?qū)实臉?gòu)件42)的中央部并穿過端板36a、36b中的槽56。

匯流條48形成用于功率晶體管的散熱器，這些功率晶體管可以在兩側(cè)被冷卻。irl6283是目前可用的允許從兩側(cè)冷卻的一種封裝件。

用于半橋54的驅(qū)動器晶體管58需要物理地安裝成接近導體條28，以消除任何連接引線上的壓降引起的功率損耗，因此開發(fā)了將控制邏輯板30正好安裝在定子條的端部32的概念。如圖10中所示，條的端部32具有用以接納鉚釘、螺栓的孔60或過孔，以確保條的端部32被夾緊至電路板30。

使用于將電池50連接至電路板30的匯流條48盡可能地大以傳導電流，并且使匯流條48盡可能地短。因此，匯流條48優(yōu)選地以圖10中示出的夾置構(gòu)型與電路板30成一體，其中，匯流條48在側(cè)部48a、48b中的一個側(cè)部上為正，另一側(cè)部上為負。匯流條48延伸穿過馬達殼體并從馬達殼體延伸出，以允許電池50的直接連接。

沒有使用電池隔離器。fet借助于對其柵極電源的隔離來執(zhí)行充分的隔離以防止機械旋轉(zhuǎn)，并且不需要在ulv電機中為提高電氣安全性而提供充分的電流隔離。

為了安全地執(zhí)行對馬達10的任何操作，人可以簡單地將柵極驅(qū)動電源隔離器62的掛鎖打開。

最后，為了增加模塊性，可以針對每個定子的任意數(shù)目——通常為兩個或四個——的扇區(qū)52來劃分電路板30。

為了提供重量輕的電機，圍封件36a、36b可以是鋁、纖維板或塑料。由于定子22很輕，因此圍封件僅用以支撐定子pcb并提供扭矩反作用。

馬達10的有益特征：

1.一種具有高極數(shù)的異極電機，其中，極數(shù)通常大于24。

較低的極數(shù)對于高速馬達而言是有利的，但需要穿過圍繞轉(zhuǎn)子12和定子22兩者的路徑的一半路徑的較大的磁通路徑；這意味著鐵芯必須較大。高極數(shù)使磁通路徑最小，并且因此使鐵或釹的重量最小，這是由于需要使空氣的磁通路徑最小以獲得最大的磁通密度。

2.一種高效且可靠的無刷dc馬達10。

所有大功率高效率ev都使用無刷馬達，這些無刷馬達是由直流至交流變頻器饋電的同步pm馬達。

3.采用了無鐵芯定子而實現(xiàn)了高效率和高功率重量比。

印刷電路板(pcb)轉(zhuǎn)子馬達具有無鐵芯轉(zhuǎn)子以及零轉(zhuǎn)子鐵損和低成本電樞。當pcb是轉(zhuǎn)子時，馬達需要電刷。然而，馬達10通過使帶槽的盤作為定子14而實現(xiàn)了相同的零鐵損，并且如例如在常規(guī)的“外轉(zhuǎn)式”無刷型飛行器馬達中進行的那樣通過使流過盤24的條28的電流換向來致使磁體16旋轉(zhuǎn)。

4.提供了可選的模塊性，因為定子條28可以連接到成組的扇區(qū)52中。

成組的扇區(qū)52的數(shù)目將是除了1之外的極對數(shù)目的因子。構(gòu)造馬達10時允許扇區(qū)52冗余，這是由于每個扇區(qū)將具有其自身的pcb31和匯流條48、46。每個扇區(qū)52可以串聯(lián)連接或串聯(lián)/并聯(lián)連接，其中，一些扇區(qū)52能夠旁路、并聯(lián)或串聯(lián)連接，以在低于額定輸出功率的情況下實現(xiàn)更高的電機效率，從而使其余定子以更高的效率運行。

使用兩個或更多個扇區(qū)52允許在不需要將轉(zhuǎn)子12的磁體16組件分開的情況下使定子22機械地分開以便于組裝和拆卸。例如，具有6個極對、12個磁體16的轉(zhuǎn)子12可以具有成組的2個、3個或6個扇區(qū)52。

可選地，成組的扇區(qū)52可以串聯(lián)連接以實現(xiàn)比單個條對單獨實現(xiàn)的電壓更高的電壓。這允許用以適合給定系統(tǒng)電壓的電機設計的靈活性。

5.一種具有氣隙精度和高效率的軸向磁通電機。

馬達10的典型實施方式將被構(gòu)造成軸向磁通電機。馬達10也可以被構(gòu)造為筒形徑向磁通電機，但進入徑向磁通(筒形)電機的兩側(cè)是更困難的。

6.一種允許使用共用模塊的不同構(gòu)型的軸向磁通電機。

將多個轉(zhuǎn)子12/定子22的組件沿著共用的軸20配裝也可以用來實現(xiàn)所需的輸出功率并匹配所需的端子電壓。使軸向磁通電機堆疊比將筒形電機的轉(zhuǎn)子長度延長更容易，這是由于筒形電機必須被制成為更重以確保其足夠堅固以保持氣隙容差。

7.采用了平的定子盤以使磁損耗最小化。

馬達10的一個關鍵特征是平的定子盤24，該平的定子盤24具有電連通的一圈條28。pcb轉(zhuǎn)子先前已經(jīng)由雙面板或多層板制造，并且通過使用過孔或端部連接部來形成回路。制造簡單的平的電樞意味著玻璃纖維或其他非磁性、非導電材料的空氣間隙不會浪費。馬達10的平的定子盤24的設計給出了大尺寸電機的最大功率重量比和最小的氣隙。

10.具有非常低的繞組阻抗。

因此，馬達10與單極電機相類似地具有超低的電感和繞組電阻，這允許馬達10以超低的電壓且非常高的電流操作。

11.具有非常低的磁漏電感。

低繞組電感的另一益處在于非常低的磁漏電感，即少量磁通線不能聯(lián)接定子和轉(zhuǎn)子。這提供了更高的效率和功率。

10.具有低切換損耗。

低電感定子允許更高的切換頻率以及更低的切換損耗，從而進一步提高了效率。

11.能夠承受高起動電流。

馬達10的非絕緣平定子24允許非常高的起動電流，并且因此允許高起動扭矩，這是由于與需要繞組絕緣的常規(guī)無刷馬達相比，馬達10的冷卻得到改善因而繞組可以過載。

12.采用簡單的常規(guī)電子器件。

馬達控制的一個實施方式是使每個條28由一個半橋54單獨控制。

13.導體損耗被最小化。

每個半橋54優(yōu)選地徑向地設置在每個條28的端部處，從而使控制器與馬達之間的線纜長度減小為零。

14.是固有冗余的。

如此設計的馬達10使各個定子條28顯現(xiàn)出冗余。

15.可以使用混合動力源、電池和化學物質(zhì)。

馬達10的構(gòu)型允許其從包括使用不同電池化學物質(zhì)的電壓源在內(nèi)的不同的電壓源50同時供給。電壓源50可以包括超級電容器組、或光伏陣列、燃料電池和其他低電壓電源。

16.可以同時進行運轉(zhuǎn)和發(fā)電。

dc馬達10能夠在被一些電池帶動運轉(zhuǎn)的同時對其他電池充電。

17.可以以最小的構(gòu)型同時進行運轉(zhuǎn)和發(fā)電。

dc馬達10即使使用單個轉(zhuǎn)子也能夠同時進行運轉(zhuǎn)和發(fā)電。

18.設計允許在運行時進行監(jiān)測。

所構(gòu)造的馬達10的構(gòu)型還允許在電機運行時通過測量條28處于開路時的電阻來監(jiān)測定子條的溫度和開路電壓。

19.使用低電阻匯流條和導體。

馬達的電力供給匯流條48和定子的內(nèi)環(huán)形匯流條46可以非常大，從而消除傳統(tǒng)的端匝會引起的并會使ulv20ka電機的效率極低的浪費的功率損耗及相關聯(lián)的重量。

20.沒有層壓結(jié)構(gòu)和有效的磁通路徑。

與傳統(tǒng)的無刷馬達不同，電樞反作用不會使層壓硅鋼極靴去磁，因為沒有極靴。電樞電流只能試圖使釹磁體去磁；鋼返回磁通路徑的任意飽和對馬達的扭矩幾乎沒有影響。因此，可以使用非常高的電流。

21.非常高的效率和功率重量比

由于在定子22中不存在鐵芯，因此馬達10可以構(gòu)造成重量較輕，并且由于繞組沒有被絕緣而使得銅中的電流密度高于常規(guī)電機的五倍以上，因此改善了繞組條的冷卻。馬達10有利地使最高功率重量比成為可能，這可以應用于比如航天器、飛機和輕量型電動車輛的許多領域中。

22.模塊性和工作電壓

馬達10的模塊性也意味著定子扇區(qū)匯流條48可以可選地串聯(lián)連接，從而允許使用更高電壓的電源。

這種構(gòu)型將消除并聯(lián)電池系統(tǒng)的許多優(yōu)點，但仍能構(gòu)造出用于lv應用的輕量高效的馬達。

電池供電的電動車輛

圖15中示出的bev100至少包括：

1.底盤102；

2.地面接合裝置104(比如輪、軌道、推進器等)；

3.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(未示出)；

4.制動系統(tǒng)(未示出)；以及

5.驅(qū)動系統(tǒng)106。

底盤102、地面接合裝置104、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)全部都按照已知的原理操作。來自現(xiàn)有技術的已知特征的任何合適的組合都可以用于bev100，因此此處不再進一步詳細描述。

驅(qū)動系統(tǒng)106包括：

a.電池系統(tǒng)200；

b.電池匯流條300；

c.隔離器400；

d.馬達500；以及

e.切換裝置600。

下面詳細闡述bev100的這些組成部件的操作。

a.電池系統(tǒng)200

電池系統(tǒng)200被分成兩組：

i.主電池202；以及

ii.輔助電池204。

主電池202由以圖14中示出的方式圍繞馬達500的圓周定位的多個電池51組成，以使匯流條電阻損耗最小。主電池202以與圖13中示出的dc電源50類似的方式操作，并且主電池202包括多個具有單電池單元的電池b1至b4。每個電池51對馬達500的扇區(qū)52供電，而不是連接至公共總線。這使故障級別最低，并且增加了容錯性和冗余性。

主電池202、電力電子器件、控制系統(tǒng)和馬達500優(yōu)選地以作為完整組件在發(fā)動機隔室中配裝至車輛100，以進行工廠組裝和測試。這確保了高電流接頭的完整性。將該完整的馬達組件配裝到車輛中能夠使常規(guī)的組裝裝置適用于bev的生產(chǎn)。

主電池202的電池51圍繞電動馬達500以星形構(gòu)型布置確保了系統(tǒng)損耗被最小化。還確保了最高的可靠性，這是由于車輛后部的輔助電池204的長導體對于車輛的操作并不是至關重要的，而只有輔助電池204的范圍的一小部分對于車輛的操作是至關重要的。

于是可以以類似的方式用馬達500更換常規(guī)車輛的整個“發(fā)動機”。發(fā)動機500可以在托盤上運輸、由發(fā)動機起重機提起并由常規(guī)車庫技術人員更換?！鞍l(fā)動機”500的重量有利地為與其更換的ice相似，從而確保車輛100的操縱和底盤不需要修改，并且不需要重復碰撞測試。工程證書將更容易獲得。

輔助電池204優(yōu)選地位于車輛100周圍的多個便利位置處，比如：

i.位于貨車的托盤下方；

ii.位于后部座椅下方；

iii.位于燃油箱位置處；

iv.位于保護罩中；以及

v.甚至位于掛車中。

輔助電池204相比于主電池202可以具有不同的化學物質(zhì)和電壓。輔助電池204的作用是根據(jù)需要或要求將電荷轉(zhuǎn)移至主電池202。電荷轉(zhuǎn)移可以由dc至dc轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)，以限制電荷在線纜中的損耗。輔助電池204可以是使用者可更換的或可交換的。

主電池202優(yōu)選地由8個至12個電池構(gòu)成。這些電池優(yōu)選地針對大量的循環(huán)和更高的功率來選擇，這使得電池對于使用者交換而言太重。于是整個“發(fā)動機”組件的重量為約380kg，這與常規(guī)的較長發(fā)動機——即ice/變速箱/起動器電池/交流發(fā)電機/水泵——相當。與所有bev一樣，將需要用于制動助力器、電動馬達驅(qū)動空氣調(diào)節(jié)器和電加熱器的電動真空泵。

通過將所有電池單元接線成并聯(lián)，較弱的電池單元也不會被迫成為反極性的，并且還消除了電池單元監(jiān)測的需要。

對于所有并聯(lián)的電池單元，所有的電池單元電壓必須相同，因此即使電池單元的溫度和使用年限不同，這些電池單元也不會在其他電池單元的作用下被迫成為反極性的。

b.電池匯流條300

例如將使用八個主電池202的陣列。也就是說8x1000ah。由于主電池單元不互相連接，因此這些主電池單元不需要處于相同的電壓、充電狀態(tài)或循環(huán)壽命。電池匯流條300將盡可能地短(通常只有100mm長，并且優(yōu)選地由銅或鋁制成)。匯流條300以與匯流條48類似的方式操作。

c.隔離器400

由于最大系統(tǒng)電壓是一個電池的電壓，且lifepo4的電壓為約3.4v，因此不需要用以防止電擊的隔離。電池202與馬達500之間的隔離優(yōu)選地通過用來控制流入繞組的電流的相同的fet功率晶體管來執(zhí)行。不需要單獨的全電流電池隔離器。隔離優(yōu)選地通過電子裝置來進行，該電子裝置關斷通向晶體管的柵極電力。這確保了不使用產(chǎn)生可能導致馬達旋轉(zhuǎn)的扭矩的裝置，并且允許在需要隔離的情況下對轉(zhuǎn)子的機械鎖定。

ulvbev100不需要用以檢測底盤故障的高電壓安全系統(tǒng)，或者在發(fā)生這種或其他種類的故障或車輛事故時自動使電池隔離。這降低了系統(tǒng)的成本，并且消除了對任何應變測試的需要。預計未來這些規(guī)定將增加bev所需的安全系統(tǒng)的內(nèi)容。在這些安全系統(tǒng)涉及hv電池的情況下，可以在ulv系統(tǒng)中消除這些安全系統(tǒng)。

ulv系統(tǒng)不需要hv接觸器并且沒有hv隔離器。相比之下，fet晶體管可以被關斷以提供隔離。

d.馬達500

馬達500優(yōu)選地包括馬達10的所有特征，并且相同的部件由相同的附圖標記表示。替代性地，馬達500是構(gòu)造成由主電池202驅(qū)動的任何其他電動馬達，其中，主電池202具有并聯(lián)連接的多個電池單元。

馬達500優(yōu)選地配裝有用于匯流條48的獨立的端子連接件，例如有圍繞其本體間隔開的八個端子。這些端子中的每個端子將為獨立的條扇區(qū)52提供電力，從而提供了冗余。有可能在不是所有條和所有扇區(qū)通電的情況下運行；任何組合是可能的。

在替代性實施方式中，馬達500是：

(i)通過齒輪或類似裝置機械聯(lián)接在同一軸或相聯(lián)接的軸上的多l(xiāng)v馬達；

(ii)類似于馬達10的其中定子由pcb或低電感繞組制成而不是由單個帶槽的板制成的馬達；

(iii)類似于馬達10的其中定子被制成為單個部分的馬達；

(iv)類似于馬達10的由水冷卻或者整個在所容納的流體而不是空氣中運行的馬達；

(v)具有液態(tài)金屬或電刷的單極馬達；或者

(vi)具有銅繞組的異極馬達，其中，該銅繞組具有或不具有鐵層片或鐵粉末。

改進的里程估計

使一個電池202運行直到其沒電，隨后運行下一電池，以此類推，這將允許測量充電量和可用運行時間，因此允許車輛100的改進的里程估計或“燃料表”。改進的里程估計減輕了里程憂慮，從而提供bev100的可銷售益處。改進的里程計算允許精確的燃料表，因此使用者不需要保留約20％或30％的里程，這會有效地浪費提供該里程所需的所有資源：資金成本、車輛重量、電池更換成本等。僅僅通過提供改進的燃料表和公里剩余估計，就可以通過該“里程憂慮因子”增加車輛的實際可用里程。

非常低的自由滑行功率損耗：

由于沒有鐵磁定子并且沒有齒槽，因此下坡時的自由滑行將不會產(chǎn)生磁滯馬達損耗，從而減小了阻力。輪與馬達之間不需要離合器。

另一優(yōu)點是可以通過測試每個單獨的銅條來確定其性能狀況。對于傳統(tǒng)的三相定子，該測試僅限于每個繞組的短路、開路和接地故障。不能測試匝間短路。

在常規(guī)的馬達中，任何一個繞組的銅的單個斷裂會使繞組不起作用，并且通常由于可用扭矩的顯著減小而導致機器故障。對于該馬達，單個條的故障對馬達性能的影響可以忽略不計。

該馬達500便于對各個條及其半橋進行自動診斷測試(可以在馬達運行時運行)，以檢查馬達的所有典型的故障模式。測試可以包括開路故障、短路故障、接地故障、匝間短路、匝間開路和短路晶體管。這些測試是不可能對傳統(tǒng)的繞線銅馬達進行的，這是由于繞組匝不能單獨使用。

還可以監(jiān)測條溫度，這是由于條是熱聯(lián)接至pcb的，并且可以在板上進行溫度感測。

可以類似地測試來自各個條的條扭矩貢獻。

e.切換裝置600

換向策略和條切換系統(tǒng)由圖7a至圖7c中示出的電路30控制。用于條28的切換系統(tǒng)的包括條28的時序、相位角和使能在內(nèi)的控制策略將被完成以實現(xiàn)用于高加速度的最大扭矩或最長里程的最大效率。條28、扇區(qū)52和多盤定子馬達500的所有盤可以被禁用以使剩余的條28提供更高的效率。

該切換優(yōu)選地由安裝在電機500周邊的電路板上的微控制器來完成。

改進的車輛里程

對于給定重量的電池單元而言，為了改進車輛的里程，期望如下因素：

a.可感知的可用里程提高了30％，這是由于分段電池單元排放所允許的里程不確定性(“里程憂慮”)的減少；并且是由于消除了對電池單元故障的任何敏感性，這與串聯(lián)連接的電池不同。電池容量可以通過簡單地測量一個電池的放電時間，然后乘以剩余電池的數(shù)目來估算。不需要電化學電池單元的復雜且不準確的模型。

b.實際物理里程提高了20％，這是由于消除了bms，使得每個電池單元可以從其最佳充電電壓到其所需的dod的整個設計容量運行，而不是僅由最弱的電池單元限值確定電池總?cè)萘?。由于每個電池都可以借助于其自身充電器單獨充電并且借助于自身繞組群集單獨放電，因此每個電池的充電狀態(tài)、壽命、溫度等因素與系統(tǒng)的其余部分的性能沒有任何差別；并且每個電池都會貢獻其可以貢獻的全部。

c.由于消除了任何電壓轉(zhuǎn)換而有利地獲得的進一步改進：電池與繞組之間沒有電感器和電壓轉(zhuǎn)換。

d.由于定子繞組沒有磁滯或鐵損而獲得的進一步改進。

e.由于使用了超低導通電阻fet而不是常規(guī)的igbt而獲得的效率提高。

f.由于電池與馬達之間的較短電力總線而獲得的效率提高。

g.由于隔離器與接觸器開關損耗的消除而獲得的效率提高。

一體的12v電源

由于扇區(qū)52機械并電氣地分開，其中，每個扇區(qū)一個電池單元，因此可以在外部對發(fā)動機的電池單元單獨充電，并將這些電池單元用作串聯(lián)串。因此，一組3.4v的lifepo4電池可以在外部用作12v電池，但是每個電池單元都由馬達扇區(qū)充電或放電。這允許沒有損耗的電池單元平衡和電壓轉(zhuǎn)換：沒有電壓升壓。因而可以使用常規(guī)的12v車輛系統(tǒng)。

與“發(fā)動機”電池成一體的12v電源確保能夠獲得12v，而不需要任何600v至12v降壓轉(zhuǎn)換器，也不需要任何專用12v充電器。

渦流制動

馬達500的另一優(yōu)點在于非絕緣繞組允許熱量的大量提取，從而使渦流制動成為可能。這能夠允許馬達用作真正的防抱死制動器。

在一個實施方式中，條28是彎曲的。使條28彎曲允許由于不同的溫度而在相鄰的條之間出現(xiàn)有差異的膨脹，從而不會對接頭或條產(chǎn)生機械應力。

電池結(jié)構(gòu)

電池結(jié)構(gòu)被簡化、特別地是柱形電池，由于只需要兩個端板，因此這兩個端板可以形成電池圍封件并且用作連接匯流條。由于電池電壓非常低，因此電池或?qū)w只需要非常低的成本和簡單的絕緣。氧化物層、薄非導電膜和涂層就可以足以作為絕緣體。

即使在存在易燃燃料的情況下，由于短路導致的火災風險也被極大降低，這是由于ulv電池不會發(fā)生火花也不會維持電弧。

電池單元可以被分成更小的電池，因為此處不需要扇區(qū)具有任何特定尺寸來形成電路，扇區(qū)最小包括兩個條。不同尺寸的電池單元可以連接在一個電池中。這在任何其他電池中是不可行的。

在一個電池中可以使用在壽命、溫度、類型、外殼和循環(huán)次數(shù)方面不同的電池單元，只要這些電池單元足夠接近電池端子電壓即可，以使得這些電池單元接收或給予電池的初始充電或放電在這些電池單元的額定值內(nèi)。

該馬達500的使用實際上允許僅替換本申請的電池的一部分的可能性。bev可以設計成使得放電的輔助電池能夠被使用者更換為充電的輔助電池。

目前對于任何其他電池供電的馬達不可能進行部分電池更換。

不需要針對每個電池的電子器件。于是由數(shù)千個電池單元構(gòu)成的電池是可行的。

對于微型馬達，馬達和整個電路可以通過常規(guī)的光刻裝置構(gòu)造在一個硅襯底上。由于定子是平的，因此基于該設計的馬達的小型化更加容易。這致使馬達在消費性電子產(chǎn)品中的應用，比如用作電話機中的振動器馬達以及相機聚焦馬達。對于需要容錯性的生物醫(yī)學應用，微型馬達用于心臟更換。

與其他軸向磁通電機一樣，該架構(gòu)自身可以通過添加定子模塊來擴展。然而，由于該馬達具有這種薄定子，因此比較而言在軸彎曲成為設計問題之前可以將更多個定子軸向地堆疊。

在串聯(lián)連接的電池中，每個電池單元為電路提供兩個導體接頭。每個接頭都有電阻損耗，該電阻損耗隨著接頭使用年限的延長而增加。此外，接頭出現(xiàn)故障的概率也隨著使用年限的延長而增大。在傳統(tǒng)的由lifepo4電池單元構(gòu)成的600v電池中，意味著存在約800個接頭。這些接頭中的任何單個接頭的故障都會導致整個電池的故障。并聯(lián)連接的電池中的一個接頭出現(xiàn)故障，只會導致單個電池的損耗。

發(fā)電

在一個實施方式中，馬達10被修改成能夠進行發(fā)電。這種電機10也可以用于發(fā)電，比如風力或水力應用中的發(fā)電，其中并聯(lián)連接的電池提供下述優(yōu)點：即消除對任何電池管理系統(tǒng)的需要。

對于本領域技術人員而言，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，許多改型將是顯而易見的。

部件列表

10馬達

12轉(zhuǎn)子

14轉(zhuǎn)子盤

16磁體

18轉(zhuǎn)子盤的外周部分

20軸

22定子

24定子盤

26槽

28導電條

30驅(qū)動器開關

31定子印刷電路板

32條的端部

34a、34b轉(zhuǎn)子端盤

36a、36b端板

37緊固件

38槽

40轂部

42支撐構(gòu)件

43槽

44緊固件

46用于將驅(qū)動器開關30電耦接至定子盤24的相應的條38的外端部32的匯流條

48用于將驅(qū)動器開關30耦接至dc電源的匯流條48

48a正匯流條

48b負匯流條

50dc電源

51電池

52扇區(qū)

54半橋

56槽

58驅(qū)動器晶體管

60孔

62柵極驅(qū)動電源隔離器

100電池供電的電動車輛

102底盤

104地面接合裝置

106驅(qū)動系統(tǒng)

200電池系統(tǒng)

202主電池

204輔助電池

300電池總線

400隔離器

500馬達

600切換裝置

700電池監(jiān)測系統(tǒng)