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CN106794752A - 带有存储器的数控马达装置 - Google Patents

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CN106794752A
CN106794752A CN201580044035.8A CN201580044035A CN106794752A CN 106794752 A CN106794752 A CN 106794752A CN 201580044035 A CN201580044035 A CN 201580044035A CN 106794752 A CN106794752 A CN 106794752A
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CN
China
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flywheel
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motor apparatus
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Application number
CN201580044035.8A
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M·J·厄奇
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Apex Hybrid Pte Ltd
Original Assignee
Apex Hybrid Pte Ltd
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Abstract

带有存储器的数控马达装置(1)包括定子和具有旋转轴线的飞轮(10)，飞轮可旋转地安装在旋转电机的轴(60)上，且具有安装于其上的至少第一组磁性线圈(13)；具有旋转轴线的感应转子(20)，其与飞轮的第一组磁性线圈磁性连通地安装在所述轴上，以便第一组磁性线圈处的磁通量的变化在感应转子中感应出电流。至少一组第二磁性线圈(12)与感应转子(20)磁性连通地布置在定子上。控制器(30)控制电功率从飞轮(10)向第二组磁性线圈(12)的供应，从而迫使感应转子(20)加速或减速，借此感应转子(20)适合于经第一组磁性线圈(13)接收来自飞轮(10)和来自第二组磁性线圈(12)的电功率。

Description

带有存储器的数控马达装置
技术领域
本发明涉及带有存储器的数控马达装置，它用于利用和储存来自减速旋转机械的能量，并且当旋转机械加速时再次以高容量供应能量。
本发明主要是为汽车比赛发动机(例如用在F1中的)而开发的，因此主要用这些术语来描述。但是，可以预见本发明还有其他应用，例如在混合动力汽车、运输设备(例如卡车，公共汽车，火车和飞机)中以及在风力涡轮机中的电力生产中。
本专利申请涉及申请人分别于2014年6月30日和2014年8月28日提交的相应的澳大利亚临时专利申请No.2014902498和No.2014903414，以及于2015年6月29日提交的名称为“An Internal Combustion Engine Heat Energy Recovery System(内燃机热能回收系统)”的相应的国际专利申请(PCT)，其全部内容通过引用被结合于此。
背景技术
能源、尤其是油基燃料(例如驱动大部分陆上、海上或空中交通工具的汽油和柴油)的价格正在稳定地增加。大部分经济受运输费上升的影响，并且政府不断地提出更严格的环境标准以控制排放。
因此，相当多的努力和投资进入混合动力交通工具的研发。这些交通工具使用内燃机作为主动力源，伴以电动机增强动力。近期的其他进展包括纯电动汽车，其性能目前堪比汽油车和柴油车。但是，用于驱动交通工具的电功率被储存在电池组中，而电池组笨重、昂贵且具有有限的存储容量。因此电动交通工具的工作范围受到限制，并且这限制了这些交通工具的主流应用。
大部分混合动力/电动交通工具在交通量大的城市环境中工作，导致交通工具有规律的停止和启动。使交通工具减速的常规方法是使用盘式或者鼓式制动器，该等制动器使用摩擦垫使交通工具减速。大量能源在减速过程中作为热量被消耗，实际上是被浪费。当交通工具减速并且使用再生制动以回收一定比例的在刹车时被浪费的能源时，混合动力交通工具能够将其电动机作为发电机来操纵，储存它，然后在交通工具加速时，用它来驱使交通工具。但是，储存的量受到电池组瞬时容量的限制，并且发电机中变化的磁通量以低速减小到无效的水平，这意味着只有较小比例的总热能可以被利用并且以较高的速度被储存。
一加速，电动机从静止起动时具有大的瞬时扭矩，这被称为“锁定转子”扭矩。这一起动扭矩大于从静止起动时由内燃机提供的扭矩。混合动力模式下交通工具最有效的操作配置是主要使用电动机以使交通工具从静止加速，然后切换到主要以高速使用发动机。然后电动机被调试到较低的速度，而发动机被调试到高速。结合使用时，内燃机和电动机可以产生燃料高效且具有甚高性能的交通工具。
F1的2014新规则允许使用“MGU-K”和“MGU-H”系统以分别从减速的交通工具的传动中直接回收动能和从发动机排气中回收热能，并且使用该能源以直接驱动交通工具，直接或者电驱动涡轮增压器，并且与常规的涡轮增压器相比，提前将更多的空气引入到发动机内，以减少“涡轮延迟”。
这些新开发的赛车表现良好。但是，仍然需要以更高的容量回收损失的能量，同时提高交通工具的效率和性能。
发明内容
发明目的
本发明的目标在于基本上满足上述需要。
发明概要
此处公开了一种带有存储器的数控马达装置，包括：定子；具有旋转轴线的飞轮，所述飞轮可旋转地安装在旋转电机的轴上并且具有安装在其上的至少第一组磁性线圈；具有旋转轴线的感应转子，该感应转子与飞轮的第一组磁性线圈磁性连通地安装在该轴上，以便第一组磁性线圈处的磁通量的变化在感应转子中感应出电流；与感应转子磁性连通地安装在定子上的至少一组第二磁性线圈；以及第一控制器，其用于控制电功率从飞轮向第二组磁性线圈的供应，从而迫使感应转子加速或者减速；借此感应转子适合于经第一组磁性线圈接收来自飞轮和来自第二组磁性线圈的电功率。
优选，该轴是驱动轴。
因此该装置有利地利用旋转电机(即，高速旋转的飞轮)来储存能量(机械地和磁性地)，并用该能量提供明显更大的功率和扭矩给马达的感应转子和轴。当用在减速的交通工具中时，功率从马达的感应转子被直接馈送到飞轮以使之加速。当感应转子减速到非常低的水平时，飞轮仍然以高速旋转并且能提供大量的变化磁通量，根据再生制动或者交通工具加速，这可以转化为大量负的或者正的扭矩。在再生制动下，由于飞轮总在旋转并且不断地提供大量的变化磁通量，因此当交通工具减速到停下时，可以利用更多的制动能来停止。结果是常规的机械交通工具制动可以被小型化，甚至被主要用作该装置的备用装置，以保安全。在交通工具加速时，该装置能够以比常规马达高得多的爆发力提供扭矩和功率，所述常规马达以高锁定转子电流开始运转。相比之下，带有存储器的数控马达装置的功率输出增加，而没有过高的锁定转子电流以及与之相关的能量损耗和热量散发。
所述的第二组磁性线圈经受的磁通量和相关的电功率的角速度ωRF等于感应转子的速度ωR相对于飞轮的角速度ωF，并且取决于方程：
ωRF＝ωR-ωF
控制发送给第二组磁性线圈的功率的励磁频率，以控制在飞轮和感应转子之间传输的功率，从而如果可控功率的频率领先于第二组磁性线圈经受的功率，则加载(加速)飞轮，否则如果所述可控功率的频率滞后于第二组磁性线圈经受的功率，则释放(减速)飞轮。控制器在第二组磁性线圈馈送电压和频率电信号，例如10kW的功率，从而控制飞轮的加载或者释放的速度。包含在飞轮的旋转惯性和磁性场中的大容量存储器提供例如20kW的爆发容量，以使得在加速时，第一组飞轮线圈可以馈送20kW到转子内，而第二组磁性线圈可以馈送10kW到转子内，最终结果是30kW或者常规电动机可以提供的典型功率10kW的三倍，尤其是在以非常高的扭矩静止时。
当主要作为发电机工作时，机械功率以变速传输到转子。控制飞轮的速度确定了第二组磁性线圈所产生的功率的频率和角速度，从而以基本上固定的频率和电压提供电功率，以备消耗或者不用功率调节器连接到电网。这可以为发电潜在地提供好处，特别是在大的再生能源生成系统中。例如，与通常与切换的功率调节器有关的方法相比，可以以很小的谐频生产低成本、高质量的电，而不需要功率因数补偿。可以连接大型多兆瓦发电机的网络，并进行数字控制，以解决与电网有关的问题，例如电压下降、电压过低、停电和功率因数。
在一个实施方式中，驱动轴是交通工具的驱动轴。在另一个实施方式中，驱动轴适合于驱动压缩机。
优选，在飞轮上设置第三组磁性线圈，并且与第一控制器电连通，以向飞轮传输电功率和从飞轮传输电功率。
优选，该装置还包括外部电功率存储装置，所述第一控制器适合于将电功率从外部电功率存储装置供应到飞轮或者将储存在飞轮中的电功率传输到外部电功率存储装置，第一控制器适合于通过控制供应到第三组磁性线圈的功率的量来控制飞轮的转速。
优选，该装置还包括适合于经第二组磁性线圈向感应转子供应电功率的第二控制器。
优选，第一控制器和第二控制器中每一个都是数控切换无刷马达控制器。
优选，第一控制器和第二控制器都包括感应转子位置传感器和感应转子速度传感器。更优选，第一控制器和第二控制器都包括至少一个旋转编码器和/或磁性霍尔传感器。
优选，第一控制器和第二控制器相互电连通。
优选，该装置包括连接到定子的第四组磁性线圈，所述第四组磁性线圈与外部电功率存储装置电连通，以经第三组磁性线圈向飞轮传输电功率或者从飞轮传输电功率。
优选，外部电功率存储装置是电池组或者超级电容器。
优选，该装置包括至少一个连接到定子的轴承，用于支撑绕其旋转轴线受控制旋转的飞轮。
优选，磁性线圈是永磁体。备选地，磁性线圈是感应线圈。
优选，驱动轴具有旋转轴线，且该装置包括至少一个连接到定子的轴承，用于支撑绕其旋转轴线受控制地旋转的驱动轴。
优选，第一、第二、第三和第四组磁性线圈和感应转子布置成径向磁通结构。
备选地，第三和第四组线圈可以布置成横向磁通结构。
优选，定子包括围绕装置部件的外壳。优选，外壳和定子包括将感应转子、飞轮和驱动轴密封于其中的机械密封件。优选，该装置还包括适合于将外壳和定子放在完全或者部分真空下的真空泵和逆止阀。这降低了飞轮旋转时飞轮上的任何流体摩擦，从而增加了其能量储存的效率。优选，该装置包括安装在定子和外壳外侧的水套。水套吸收定子和外壳内由磁性线圈和感应转子产生的热量。备选地，外壳是气密的，并且使用磁耦合从外壳内部向外部轴传输功率，从而消除机械密封。
在一个实施方式中，感应转子与多个涡轮转子叶片操作性地关联，以在涡轮叶片因流体(例如空气(风)或者水)运动而旋转时随之旋转运动。
在一个实施方式中，第一组磁性线圈中的线圈数不同于第三组磁性线圈中的线圈数，以便使安装在飞轮上的线圈产生传动比。优选，第三磁性线圈的数目是第一磁性线圈的数目的倍数。如此一来，飞轮被第四组磁性线圈励磁的频率可以不同于飞轮被第一组磁性线圈励磁的频率，这允许加大对飞轮速度的控制以及向飞轮传输或者从飞轮传输的功率的最佳化。
在一个实施方式中，感应转子具有与第一组磁性线圈电连通的飞轮侧和与第二组磁性线圈电连通的定子侧。优选，感应转子具有位于其飞轮侧的第一数目的感应线圈和位于其定子侧的第二数目的感应线圈。优选，定子侧上的感应线圈的数目不同于飞轮侧上的感应线圈的数目。优选，定子侧上的感应线圈的数目是飞轮侧上的线圈的数目的倍数。这允许感应转子从飞轮传输的电功率的频率与转子接收的电功率的频率相差一个大的系数，例如20倍，从而优化功率传输。如此一来，由于感应转子中的线圈的啮合，就可以在飞轮和转子之间传输大量电功率。
在一个实施方式中，该装置包括第一部分和分开的第二部分，其中第一部分包括第一外壳和飞轮，分开的第二部分包括第二外壳和感应转子。该装置还包括布置成与飞轮和感应转子中的每一个都电连通的连接电路板。优选，第一部分包括与飞轮的第一组磁性线圈磁性连通地安装在外壳上的第五组磁性线圈。优选，第二部分包括与感应转子磁性连通地安装在第二外壳上的第六组磁性线圈。优选，连接电路板适合于经第六组磁性线圈从第五组磁性线圈向感应转子传输电功率。在该结构中，飞轮可以独立于感应转子被定位在交通工具或者有待使用该装置的其他装置中的更合适的位置上，例如为了更好的重量分布。
在另一个实施方式中，该装置包括位于感应转子内的连接电路板，该连接电路板适合于经第二组磁性线圈在飞轮的第一组磁性线圈和感应转子之间传输电功率。因此该实施方式将感应转子分成飞轮侧线圈组，飞轮侧线圈组被电线连接到连接电路板，而连接电路板又被电线连接到定子侧线圈组。
优选，连接电路板由位于定子外侧的第二控制器或者第一控制器中的任何一个无线控制。
优选，连接电路板包括可编程逻辑控制器，其适合于调节在飞轮和感应转子之间传输的电功率。优选，可编程逻辑控制器适合于控制多个电和/或机械开关，以获得通过感应转子传输的电功率的频率和电压的变化。
该装置的这一方面具有如下优点：开关可以被设置成产生许多不同的传动比，具有用于电无极变速器(CVT)的潜力，其能够在飞轮和感应转子之间传输大量功率。
数控系统的精确性质和/或转子内的感应转子和飞轮之间相关的信号调节允许该装置充当使用连接电路板电子线路的电力变速箱，它具有静态传动比或者具有几乎无限可变的传动比的连续可变的传送，或者充当通过接通/关断信号调节的电离合器。
优选，可编程逻辑控制器适合于控制多个可变电容器，以获得感应转子处的电压、电流电平和频率的变化，从而使得电流领先于电压，以在频率和幅度可变的感应转子中产生磁通量。
在另一个实施方式中，可编程逻辑控制器具有多个可变电感器、可变电阻和可变电容器，并且适合于控制多个可变电感器、电阻和电容器的电流、电压电平和频率，从而使得感应转子处的电流领先或滞后于电压，以使得电流在频率和幅度可变的感应转子中产生磁通量。
优选，可变电容器和/或可变电感器还用以储存电功率。
这些结构的优势是该装置可以被设置成当飞轮在加载或者释放时以精确控制的高容量操作，或者当该装置充当发动机时，提供固定的频率和电压供给以备消耗或者电网连接。
附图说明
下面将参照附图通过举例描述本发明的优选形式，其中：
图1是具有存储器且具有径向磁通结构的数控马达的第一实施方式的半剖示意图；
图2是具有存储器且具有混合磁通结构的数控马达的第二实施方式的半剖示意图；
图3是第三实施方式的半剖示意图，其中装置由涡轮机驱动；
图4是具有固定传动比的飞轮和感应转子的半剖示意图；
图5是与感应转子分离的飞轮的半剖示意图；
图6是具有位于感应转子上的连接电路板的数控马达的示意图；
图7是具有转换开关的可编程逻辑控制器结构中的连接电路板的示意图；
图7a显示了图7的连接电路板3的例举的示意性的接线图；
图8是具有可变电容器的可编程逻辑控制器结构中的连接电路板的示意图；以及
图9是具有可变电感器、电阻和电容器的可编程逻辑结构中的连接电路板的示意图。
具体实施方式
图1显示了根据披露带有存储器的数控马达装置1的第一实施方式，装置1包括飞轮10、感应转子20、第一数字功率控制器30、第二数字功率控制器40和外部储能装置50。飞轮10和感应转子20被容纳在定子外壳70内，定子外壳可用于将该装置紧固到稳定的机座上。
飞轮10可旋转地安装在交通工具或者其他机械的驱动轴60上，以通过驱动轴60由装置1操纵。驱动轴60具有近端61和远端62。驱动轴60的近端61由一对轴承63支撑，轴承63被配置成允许该轴绕其轴线以受控的方式旋转。驱动轴的远端62被一对轴承64支撑。轴承63、64安装在定子壳体70上，以便驱动轴60被支撑在定子外壳70内。
飞轮10包括由一对轴承11可旋转地支撑向驱动轴60的近端61的中部5，所述的一对轴承11安装在定子壳体70上。飞轮还具有从中部5向前和向后延伸以形成定子侧8和转子侧9的外围凸缘7。飞轮凸缘7的定子侧8具有定子侧磁性线圈组12，例如安装在其上并且被配置成沿径向向内地朝向驱动轴60的永磁体或者感应线圈。一组飞轮磁性线圈13安装在定子壳体70上，它被配置成沿径向向外地靠近第一组磁性线圈12，并且与之磁性连通。
飞轮还包括安装在凸缘7的转子侧9的转子侧磁性线圈组14，它被配置成沿径向向内地朝向驱动轴60。
感应转子20连接到驱动轴60，靠近飞轮10，朝着驱动轴60的远端62，以便可以与之一起旋转。感应转子20具有邻近飞轮10的飞轮侧21和邻近定子壳体70的定子侧22，并且包括从飞轮侧21延伸到定子侧22的多个感应线圈16。感应转子21的飞轮侧21与飞轮10的转子侧磁性线圈组14磁性连通。感应转子的定子侧22与安装在定子壳体70上的一组转子线圈15磁性连通。
一个或多个机械密封件71将驱动轴60的远端62密封到定子壳体70上，从而提供围绕装置的零部件的密封外壳。逆止阀72和真空泵73安装在定子壳体70中，从而在定子壳体70内提供完全或者部分真空，以便作用于所有旋转部件上的空气阻力最小或者被减轻。因此机械密封件71使真空空间与环境大气隔离。
第一数字功率控制器30是数控无刷马达控制器，在图中仅仅是示意性地显示。第一数字功率控制器30适合于将电功率PF从外部储能装置50(例如，一个或多个电池组或者超级电容器)经定子侧磁性线圈组12传输到飞轮10，并且控制它的转速。该能量在飞轮线圈13中产生电流，如箭头IF所示，电流又产生磁通量，如箭头ΦF所示。该磁通量与飞轮定子侧线圈12相通，并且在它们上产生力，以加速飞轮10。第一数控装置30也可以被设置成反向(即按再生制动模式)操作装置1，以从飞轮10中抽出能量以提供磁通量，从而在飞轮线圈13中感应出电流，飞轮线圈将能量传输到第一数控装置30，并从那儿传输到外部储能装置50或者第二数控装置40，这将在下面解释。
第二数字功率控制器40还被适合将电功率PR传输到感应转子20以控制其转速。电功率PR在转子线圈16处产生电流ID，电流又产生磁通量，如箭头ΦR所示。该磁通量在转子感应线圈中感应出电流，如箭头IR所示。类似的磁通量ΦF产生在转子侧磁性线圈组14处。该磁通量ΦF还在转子感应线圈16中感应出电流，如箭头IR所示。是这些电流IR和功率之间的相互作用支配着感应转子20是加速还是减速与飞轮10的直接相互作用。即，如果来自飞轮10的电流和功率领先感应转子20中的电流和功率，那么电功率就从飞轮10传输到感应转子20。如果来自飞轮10的电流和功率滞后于感应转子20中的电流和功率，那么转子20就向飞轮20传输能量。
图1的装置可以被有利地操纵，以经驱动轴60向外部设备(例如交通工具或者压缩机)提供机械驱动PD，并且可用于加速或者减速驱动轴60。该装置也可以用来通过接收旋转驱动轴60的功率并将它转化成用于储存或者供应到电网的有用功率而产生电功率。
当驱动轴60需要机械功率时，例如当交通工具有待从静止被加速时，第一数字功率控制器30被设置成从外部储能装置50向飞轮10提供能量，以将它加速到高速。飞轮10通过磁性线圈14在感应转子20的转子线圈16中感应出电流。同时，第二数字功率控制器40被配置成传输电功率到感应转子20。因此，在加速之时，感应转子20从而还有驱动轴60可以从三个电源被同时提供电功率，与由单个电源驱动的标准电动机相比，有相应的潜力向驱动轴60提供高达三倍量的扭矩。
第一数控装置30和第二数控装置40被设置成彼此相通，以提供驱动轴60的平稳加速(进而加速交通工具或者有待加速的其他装置的驱动轴)。每个控制器30、40都用飞轮10的定子侧和转子20的定子侧上的磁极的数目和对齐(使它们对准反馈编码器)来编程。控制器30适合于接收涉及飞轮10的转子侧的角位置的反馈，以便该控制器可以精确地激发各飞轮线圈12、14和转子线圈15、16。控制器30，40可以被编程，以按要求的频率和电压提供电功率，从而保证飞轮10和感应转子20之间的磁通量ΦF和ΦR的相互作用提供结构干涉，借此来自飞轮10的功率和电流领先来自感应转子20的对应功率和电流，从而向感应转子20提供能量。其物理效应是让飞轮10从高速减速到中速，以便飞轮释放出储存于其中的动能，从而加速感应转子20，并向它提供扭矩。使用装置1的优点是当感应转子20静止且飞轮10被加载并高速旋转时，飞轮可以显著改变磁通量，从而非常快速地加速转子，相比之下，常规马达使用大量被称为锁定转子电流的能量来克服转子的惯性，导致用于使其转子从静止加速的磁通量变化较小。
为了减速驱动轴60，例如如果需要让交通工具减速到静止，第二数字功率控制器40按其再生制动模式操作，从而从转子20中提取能量，并将其作为发电机来操作。从感应转子20中提取的能量被传输到第一数字功率控制器30以加速飞轮10，以便它将加载的能量储存到外部储能装置50。这样，该装置还通过从三个功率源提取能量来减速转子20，进而减速驱动轴60——第一数字功率控制器30加载外部储能装置50，第二数字功率控制器40从感应转子20提取能量以储存在该外部储能装置50或者其他外部储能装置50中，第一和第二控制器30、40在将储存于其中的能量传输到外部存储器50中之前，可以使飞轮10加速和加载到其最高转速。转子20还经磁性线圈14将能量直接传输到飞轮10。
当充当如上所述的马达装置时，飞轮10通常以高速旋转，例如60,000转/分钟或者120,000转/分钟。感应转子20通常以例如10,000转/分钟或者20,000转/分钟的中速旋转。当磁通量以高频发生变化时，飞轮10通常具有2个或者4个磁极，而转子20通常具有12个或者24个磁极，以配合以6:1的速度比操作的飞轮的磁通量的变化频率。飞轮10通常以与感应转子20相同的方向旋转，以便它们之间的磁通量的变化和频率水平减小，并且经轴承63施加到驱动轴60上的飞轮10的旋转力会帮助拖动围绕它一起旋转的感应转子20。但是，低速转子和飞轮通常适合沿相反方向旋转，以增加感应转子20和飞轮10之间的磁通量的变化和频率。
为了按发电机模式操作装置1以产生电功率，驱动轴60通常变速旋转，以向感应转子20提供能量。第一数字功率控制器30和第二数字功率控制器40相互作用，以控制感应转子20和飞轮10的相对速度，以确保飞轮10以受控制的恒速旋转。飞轮10产生的电PF从而以例如50赫兹或者60赫兹的固定频率供应。装置1产生的电压也保持恒定在例如230伏或者110伏。这通过使用外部数字储能装置50作为平衡加载和输入到感应转子20内和从感应转子20输出的功率的装置来实现。装置1这方面的优势是可以以基本上固定的频率和电压产生电功率，不使用外部电力变换器，例如整流器。飞轮10可以被用作负载调平装置，且系统的复杂性得以减小，产生潜在的成本效益。
转子20包括位于其飞轮侧21和转子侧22之间的切换机构(未显示且优选在感应转子内)，有效地将感应转子分成两个分开的线圈(一个在飞轮侧，一个在转子侧)，它可以通过第一数字功率控制器30和/或第二数字功率控制器40来操作，以充当电离合器而断开感应转子20，以便在通常短路的感应转子20内流动的电流不能流动。当开关闭合时，电流在短路的感应转子20内流动，以允许能量在转子20和飞轮10之间传输。当转子静止或者以恒速旋转时，切换机构可以被打开，以防转子20与飞轮10相互作用，使之减速，以便它释放和消耗能量。如此一来，该装置也可以被设置成充当电离合器，并且这一精确控制的机械功率有潜力改进许多交通工具系统，例如防抱死制动器(ABS)和牵引控制。
图2显示了图1的装置1的变型，其中飞轮线圈13沿轴向设置在飞轮中部5的定子侧上。磁性线圈12按轴向结构被定位在定子外壳70的近端74。在该结构中，飞轮凸缘8的定子侧在尺寸上可以被大大减小，从而沿轴向减小装置1的尺寸。此外，飞轮线圈13和磁性线圈12之间的空气间隙6在使用飞轮10期间在轴向上更易于控制，并且外壳70通常会发热并沿径向膨胀，从而改变图1的结构中空气间隙6的尺寸。
图3显示了图1的装置的另一个变型，其中多个转子叶片80(诸如，涡轮叶片)被布置成与感应转子20的周缘磁性连通。驱动轴60被不可旋转的轴90代替，在其近端91由轴承63支撑，而在其远端92由轴承64支撑。轴90被封闭在定子壳体70内。飞轮10连接到轴承63、64，以绕轴90旋转。在该实施方式中，一组磁性线圈17按径向结构连接到转子20的周缘。该组磁性线圈17呈U形，它的一个臂连接到感应转子20，它的另一个臂连接到转子叶片80。定子壳体70具有一组按径向结构连接到其的磁性线圈23，以便线圈23被布置成延伸到那组U形的磁性线圈17内，以与之磁性连通。那组磁性线圈17还包括一组沿纵向延伸的线圈24，它从U形线圈17的底部沿轴向向飞轮10延伸，并且随磁性线圈17旋转。
飞轮10的外围凸缘7包括两个凸缘7A和7B，两者以相互间隔的关系布置，以在飞轮10的转子侧9在其中形成环形槽25，而在飞轮10的定子侧形成环形槽26。凹槽25容纳两组磁性线圈14a、14b，两者按径向结构布置成在凹槽25内彼此面对并在之间形成一个空间，磁性线圈24延伸到该空间内。磁性线圈24从而与飞轮线圈14a、14b磁性连通。凹槽26容纳两组磁性线圈12a，12b，两者按径向磁通结构布置在飞轮10的定子侧8。该组定子线圈13按径向磁通结构布置成在两组飞轮线圈12a和12b之间延伸，以便与之磁性连通。
感应转子20绕其轴线由轴承64控制自由旋转，轴承64的中心连接到轴90。在使用期间，转子叶片80的旋转在产生磁通量ΦR的磁性线圈17中产生电流IR。磁通量ΦR使感应转子20以约70转/分钟的可变低速旋转。磁性线圈24随线圈17旋转，并产生电流ID和磁通量ΦF。磁通量ΦF与飞轮线圈14a、14b磁性连通，在它们上产生力，并加速飞轮10。储存在加载飞轮10中的能量在第一实施方式中被传输到第一数字功率控制器30。
图3的实施方式通常被用于低速转子，例如风力涡轮机。飞轮10和感应转子20被设置成沿相反方向旋转，以增加它们之间的磁通量的频率和变化，而没有任何飞轮能量通过轴承63并经静止轴90被传输到转子20。
图4显示图1的装置的一个实施方式，其中为清晰起见，只显示了飞轮10和感应转子20。该实施方式可以用在图1-3的任意结构中。飞轮10和转子20被设置成静态传动结构。飞轮10的定子侧上的第一组磁性线圈12具有12个磁极。飞轮10的转子侧上的那组磁性线圈14只有4个磁极。因此在飞轮10的定子侧8和转子侧9之间建立起1:3的传动比。感应转子20的感应线圈16在其飞轮侧设置有3个线圈，而在其定子侧上设置有18个线圈充当带有18个磁极的电磁体，从而在转子的飞轮侧和定子侧之间产生1:6的静态传动比。这些静态传动比允许飞轮10和感应转子20以极其不同的速度工作，同时保持相同的或者类似的频率和磁通量变化。
图5示意性地描绘了图1的装置的变型，它也可以应用图2、3或者4的结构上。飞轮10和感应转子20被定位成装置1的两个分开的部分1a、1b。装置的两个部分1a、1b可以处于不同位置，两者用电线2和连接电路板3电连接在一起。飞轮10被放在第一定子外壳70a内。感应转子20被放在第二定子外壳70b内。一组分开的飞轮线圈95被布置在定子壳体70a上，与飞轮10的永磁体12磁性连通。那组分开的飞轮线圈95用于通过电线2传输来自于永磁体12的感应电流IS，感应电流然后激励安装在定子壳体70b的飞轮侧上的一组分开的转子线圈96，从而在转子线圈15中产生磁通量ΦT并感应出电流IT。连接电路板3包括至少一个或多个继电器、晶体管、可变电容器、可变电阻或者可变电感器或者其组合。在别的方面，图5的装置等同于图1的装置，并且按同样的方式工作。
在图6所示的图5的实施方式的备选实施方式中，装置1像在图1中一样被布置在单个位置上。但是，它包括位于感应转子20内、靠近其旋转轴线的连接电路板3，以便它随转子20旋转。连接电路板包括转子信号装置101。定子外壳70包括外壳信号装置102。转子信号装置101和外壳信号装置102适合于发送与接收无线信号，例如无线国际互连网、蓝牙或者磁性信号，以用从转子感应线圈15直接提取的电功率启动连接电路板3上的开关、可变电容、可变电阻和可变电感装置。备选地，信号装置101、102使用磁感应从外壳70向感应转子20无线传输能量。
图5和6的连接电路板3的实施例示意性地显示在图7中。在连接电路板3的电力线圈侧，显示了来自48个飞轮电力线圈(例如，磁性线圈14)的96个电源连接，标记为P1+，P1-，直到P48+和P48-。在连接电路板3的励磁线圈侧，显示了来自48个转子励磁线圈(例如，磁性线圈15)的相应的96个连接，标记为E1+，E1-，直到E48+和E48-。电路板中的开关110被布置成矩阵结构，其中水平连接切换到垂直连接。开关110由可编程逻辑控制器(例如数控装置40或者50)无线控制，以产生许多接线组合。开关110通常是一个或多个带有本领域已知的机械触点的继电器和/或MOSFETS或者IGBT。
图7所示的开关110的切换构造表明，矩阵中的连接产生了每个电力线圈P1+、P1-、P2+、P2-等等直接连接到每个励磁线圈E1+、E1-、E2+、E2-等等的接线组合，从而在线圈组之间产生简单的1:1的传动比，如在如图7a所示的接线图115中所示。通过控制接通和关断，连接电路板3充当电离合器，以打开或者关闭转子感应线圈16中的电路连接。备选地，通过将电力线圈P1+、P1-、P4+、P4-连接到励磁线圈E1+、E1-、E2+、E2-，开关可以连接成2:1的传动比。图7a所示的接线图显示了2:1的传动比的构造。在该实施方式中，有9.83×10299种以上的接线组合可以利用。因此，预计特定的接线组合将能执行许多有用功能，例如差不多具有数以亿计的传动比的无极变速器(CVT)。
图8示意性地描绘了连接电路板3的备选实施方式，其中只显示了如7所示的连接电路板的顶部。不用通过开关110连接电力线圈14和励磁线圈15，图8的连接电路板3使用可变电容器(例如超级电容器C1、C2)，可变电容器可以储存额外能量，同时改变领先于交流电压的交流电流频率和波长。这些交流电波形显示在图8底部的曲线图中，第一部分125显示当电容为0时，电流和电压之间的波长无变化。曲线图右侧的部分130显示当电容增加时，它逐渐减小或者缩短领先于电压的电流的波长(逐渐增加频率)。超级电容器C1、C2等由一个或多个数控装置40、50控制，以控制电压和电流电平，以便转子中的电流领先电压，电流在感应转子20中产生频率和幅度可变的磁通量。感应转子20与第二组磁性线圈15磁性连通。电力频率和电压控制允许该装置的马达根据飞轮加载或者释放以精确控制的高容量工作，或者当以发电机模式工作时，提供频率和电压固定的电力供应PR以备消耗，而不用使用功率变换器。
该实施方式的一大优点是交流电流的波形和频率可以改变，以在通常高达180°异相的几乎任何范围内领先电压。这能更好地控制电力传输，以执行高级功能，例如连续可变离合器，其可以更精确地且更慢地与无极变速器一起传输能量。电容器或者超级电容器会储存额外的能量，以增加数控马达响应时间的灵活性，以便飞轮储存最短期的储能，但能够提供巨大的能量或者加速容量，超级电容器提供具有中等功率容量的中等储能时间，而电池组提供具有最小功率容量的最长期储能。当所有三种类型的存储器协调工作时，短存储时间或者小功率容量的任何缺点都可以减少，从而提供成熟且增加的能力来以大功率容量更长期地储存并提供能量。
图9显示了图8的电路板的实施方式的变型，其中，除了可变电容器C1、C2等之外，功率线圈14和励磁线圈15之间的连接用可变电阻R1、R2等和可变电感器L1、L2等来实现，可变电阻R1、R2等和可变电感器L1、L2等如图所示通常是串联连接的，但也可以并联或者混合连接(未显示)。在该接线构造中，交流电流的频率和波长可以因应用的电容、电阻和电感的量而领先或滞后于交流电压。这些交流电波形显示在图9底部的曲线图中，其中左侧的第一部分140显示当电容、电阻和电感为0时，电流和电压之间的波长无变化。挨着曲线图中部的部分150显示当电容的增加小于相应的电感时，它逐渐增加或者延长电流的波长(逐渐减小频率)，使之滞后于电压。电阻值也影响这一点，但没有显示，因为它们的影响较小，并且以本领域技术人员公知的方式根据典型的数学公式工作。曲线图右侧的部分160显示当电容的增加超过相应的电感时，它逐渐减小或者缩短电流的波长(逐渐增加频率)，使之领先于电压。
与图8的实施方式相比，该实施方式的另一优点在于交流电流波形和频率可以变化到在通常高达180度异相的几乎任何范围内都领先或者滞后于电压。这为通过连接电路板传输的电源电压和频率提供了最大的灵活性控制。
在图7、8和9的任一实施方式中，连接电路板3可以被控制，以为汽车、卡车或者运输设备提供更高级的功能，例如电离合器、无极变速器(具有几乎无限的传动)、牵引控制、电子稳定性程序和防抱死制动器(通常称为ABS)。使用连接电路板3的优点是更精确地控制输送到驱动轴或者驱动轮的机械功率，并且快速而高效地连接到其他网络系统和汽车用计算机，其他网络系统例如可以安装在交通工具每个轮子上的其他类似的数控马达装置，汽车用计算机例如混合动力交通工具上控制内燃机的发动机控制单元(ECU)。在发电模式下，可以产生其他高级特征，例如负载平衡、功率因数补偿以及电压和频率峰值减小，从而控制多个发电装置(例如，风电场中的多个风力涡轮机或者电网中不同位置的许多发电机)一起工作，以通过远程通信(例如国际互连网)控制整个电网和局部的能量需要。连接电路板3采用大量的可能的控制算法，这进一步增加了作为单个装置或者一系列彼此靠近或者远离的联网装置的数控马达或者发电机的灵活性和精确控制。
此处描述的每组磁性线圈可以是永磁体或感应线圈。
定子/外壳70可以被环绕以水套(图中未显示)，以便冷却装置1。
虽然已经参照特定实施例描述了本发明，但本领域技术人员不难理解本发明可以用许多其他形式来实现。

Claims (44)

1.带有存储器的数控马达装置，包括：
定子；
具有旋转轴线的飞轮，所述飞轮可旋转地安装在旋转电机的轴上，并且具有安装在其上的至少第一组磁性线圈；
具有旋转轴线的感应转子，所述感应转子与飞轮的第一组磁性线圈磁性连通地安装在所述轴上，以便第一组磁性线圈处的磁通量的变化在感应转子中感应出电流；
与感应转子磁性连通地安装在定子上的至少一组第二磁性线圈；和
第一控制器，用于控制电功率从飞轮向第二组磁性线圈的供应，从而迫使感应转子加速或减速；借此感应转子适合于经第一组磁性线圈接收来自飞轮的电功率，并适合于接收来自第二组磁性线圈的电功率。
2.如权利要求1所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述轴是驱动轴。
3.如权利要求1或2所述的带有存储器的数控马达装置，其中，由所述第二组磁性线圈经受的磁通量和相关的电功率的角速度ωRF等于感应转子的速度ωR相对于飞轮的角速度ωF，并取决于方程：
ωRF＝ωR-ωF。
4.如权利要求1-3中任一项所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述驱动轴是交通工具的驱动轴。
5.如权利要求1-3中任一项所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述驱动轴适合于驱动压缩机。
6.如权利要求1-5中任一项所述的带有存储器的数控马达装置，其中，第三组磁性线圈设置在所述飞轮上并且与第一控制器电连通，以向所述飞轮传输电功率和从所述飞轮传输电功率。
7.如权利要求1-6中任一项所述的带有存储器的数控马达装置，还包括外部电功率存储装置，所述第一控制器适合于将电功率从外部电功率存储装置供应到飞轮或者将储存在飞轮中的电功率传输到外部电功率存储装置，所述第一控制器适合于通过控制供应到第三组磁性线圈的功率的量来控制飞轮的转速。
8.如权利要求1-7中任一项所述的带有存储器的数控马达装置，还包括适合于经第二组磁性线圈向感应转子供应电功率的第二控制器。
9.如权利要求8所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述第一控制器和所述第二控制器中每一个都是数控转换无刷马达控制器。
10.如权利要求8或9中任一项所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述第一控制器和所述第二控制器都包括感应转子位置传感器和感应转子速度传感器。
11.如权利要求8-10中任一项所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述第一控制器和所述第二控制器包括至少一个旋转编码器和/或磁性霍尔传感器。
12.如权利要求8-11中任一项所述的带有存储器的数控马达装置，其中所述第一控制器和所述第二控制器相互电连通。
13.如权利要求6所述的带有存储器的数控马达装置，还包括连接到定子的第四组磁性线圈，所述第四组磁性线圈与所述外部电功率存储装置电连通，以经所述第三组磁性线圈向飞轮传输电功率或者从飞轮传输电功率。
14.如权利要求7所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述外部电功率存储装置是电池组或者超级电容器。
15.如权利要求1-14中任一项所述的带有存储器的数控马达装置，还包括至少一个连接到定子的轴承，用于支撑绕其旋转轴线受控制地旋转的飞轮。
16.如权利要求1-15中任一项所述的带有存储器的数控马达装置，其中，磁性线圈是永磁体。
17.如权利要求1-15中任一项所述的带有存储器的数控马达装置，其中，磁性线圈是感应线圈。
18.如权利要求2所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述驱动轴具有旋转轴线，并且该装置包括至少一个连接到定子的轴承，用于支撑绕其旋转轴线受控制地旋转的驱动轴。
19.如权利要求13所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述第一组磁性线圈、所述第二组磁性线圈、所述第三组磁性线圈和所述第四组磁性线圈以及所述感应转子布置成径向磁通结构。
20.如权利要求13所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述第三组线圈和所述第四组线圈能够布置成横向磁通结构。
21.如权利要求1-20中任一项所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述定子包括围绕装置部件的外壳。
22.如权利要求21所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述外壳包括将感应转子、飞轮和驱动轴密封于其中的机械密封件。
23.如权利要求21或22所述的带有存储器的数控马达装置，其中，该装置还包括适合于将定子和外壳放在完全或者部分真空下的真空泵和逆止阀。
24.如权利要求1-23中任一项所述的带有存储器的数控马达装置，其中，该装置包括安装在定子和外壳外侧的水套，该水套吸收定子和外壳内由磁性线圈和感应转子产生的热量。
25.如权利要求1-20中任一项所述的带有存储器的数控马达装置，其中，外壳是气密的，并且使用磁耦合从外壳内部向外部轴传输功率，从而消除机械密封。
26.如权利要求1-25中任一项所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述感应转子与多个涡轮转子叶片操作性关联，以在涡轮叶片因流体运动而旋转时随之旋转运动。
27.如权利要求6所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述第一组磁性线圈中的线圈数不同于第三组磁性线圈中的线圈数，以便使安装在飞轮上的线圈产生传动比。
28.如权利要求27所述的带有存储器的数控马达装置，其中，第三磁性线圈的数目是第一磁性线圈的数目的倍数。
29.如权利要求1-28中任一项所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述感应转子具有与第一组磁性线圈电连通的飞轮侧和与第二组磁性线圈电连通的定子侧。
30.如权利要求1-29中任一项所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述感应转子具有位于其飞轮侧的第一数目的感应线圈和位于其定子侧的第二数目的感应线圈。
31.如权利要求30所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述定子侧上的感应线圈的数目不同于飞轮侧上的感应线圈的数目。
32.如权利要求31所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述定子侧上的感应线圈的数目是飞轮侧上的线圈的数目的倍数。
33.如权利要求1-32中任一项所述的带有存储器的数控马达装置，还包括第一部分和分开的第二部分，所述第一部分包括第一外壳和飞轮，所述第二部分包括第二外壳和感应转子。
34.如权利要求33所述的带有存储器的数控马达装置，还包括布置成与飞轮和感应转子中的每一个都电连通的连接电路板。
35.如权利要求34所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述第一部分包括与飞轮的第一组磁性线圈磁性连通地安装在外壳上的第五组磁性线圈。
36.如权利要求35所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述第二部分包括与感应转子磁性连通地安装在第二外壳上的第六组磁性线圈。
37.如权利要求36所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述连接电路板适合于经第六组磁性线圈从第五组磁性线圈向感应转子传输电功率。
38.如权利要求1-33中任一项所述的带有存储器的数控马达装置，还包括位于感应转子内的连接电路板，该连接电路板适合于经第二组磁性线圈在飞轮的第一组磁性线圈和感应转子之间传输电功率。
39.如当引用权利要求8时的权利要求38所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述连接电路板由位于定子外侧的第二控制器或者第一控制器中的任何一个无线控制。
40.如权利要求34或38或39所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述连接电路板包括适合于调节在飞轮和感应转子之间传输的电功率的可编程逻辑控制器。
41.如权利要求40所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述可编程逻辑控制器适合于控制多个电和/或机械开关，以获得通过感应转子传输的电功率的频率和电压的变化。
42.如权利要求40或41所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述可编程逻辑控制器适合于控制多个可变电容器以获得感应转子处的电压、电流电平和频率的变化，从而使得电流领先于电压，以在频率和幅度可变的感应转子中产生磁通量。
43.如权利要求40或41所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述可编程逻辑控制器具有多个可变电感器、可变电阻和可变电容器，并且适合于控制所述多个可变电感器、电阻和电容器的电流、电压电平和频率，从而使得感应转子处的电流领先或滞后于电压，以使得电流在频率和幅度可变的感应转子中产生磁通量。
44.如权利要求42或43所述的带有存储器的数控马达装置，其中，所述可变电容器和/或可变电感器还用以储存电功率。
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