CN114514677A - 具有可移动滚道的润滑剂支撑的电动机及其操作的优化方法 - Google Patents

Abstract

润滑剂支撑的电动机包括具有外滚道的定子，和沿着轴线延伸并可旋转地设置在所述定子内的转子。所述转子具有内滚道，所述内滚道与所述外滚道成间隔关系设置以在它们之间限定间隙。润滑剂设置在所述间隙中，用于在所述定子内支撑所述转子。所述外滚道或所述内滚道中的至少一个可朝向或远离另一个径向移动，以调节所述间隙并优化所述润滑剂支撑的电动机的操作。

Description

具有可移动滚道的润滑剂支撑的电动机及其操作的优化方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年9月25日提交的美国临时专利申请序列号62/905,487和2020年9月24日提交的美国专利申请序列号17/030,792的优先权，其全部公开内容通过引用其全部内容并入本申请。

技术领域

本公开总体上涉及润滑剂支撑的电动机。更具体地，本公开涉及具有可移动滚道的润滑剂支撑的电动机及其操作的优化方法。

背景技术

该部分提供背景信息的总体摘要，并且该部分中所提供的注释和示例不一定是本公开的现有技术。

汽车、卡车和某些非高速公路应用中的各种动力传动***从中央原动机获取动力，并且使用诸如变速器、变速差速器、传动轴和主动轴的机械设备将动力分配到车轮。当原动机可能庞大或笨重时，例如各种内燃机(“ICE”)，这些构造效果很好。然而，更多的注意力转向原动机的替代布置，其提供改进的环境性能、消除机械传动系组件，并且导致具有更多乘客和有效载荷空间的重量更轻的车辆。

“轮上”、“轮中”或“近轮”电动机构造是传统ICE原动机的一种替代布置，其经由设置在多个车轮上、车轮内或车轮附近的一个或多个电动机将原动机功能分配到多个车轮中的每个车轮或一些车轮。例如，在一个实例中，使用穿过转子和滚动元件轴承的中心轴来支撑转子的牵引电动机，可以用作“轮上”、“轮中”或“近轮”电动机构造。在另一实例中，诸如美国申请序列号第16/144，002号(其公开内容通过引用并入本申请)中描述的润滑剂支撑的电动机，可以用作“轮上”、“轮中”或“近轮”电动机构造。虽然与基于内燃机的原动机相比，这些电动机构造中的每个电动机构造的尺寸较小、重量较轻，但是它们各自具有某些缺点和不利。

例如，将牵引电动机用作“车轮上”、“车轮内”或“车轮附近”构造仍然会导致电动机过重，且不足以承受冲击载荷，不能用于车轮端应用。换句话说，目前的牵引电动机是由滚动元件轴承支撑的大型重型结构，这些结构太重、太大，不适合车轮端应用。类似地，在汽车或陆地车辆应用中，使用润滑剂支撑的电动机作为“车轮上”、“车轮内”或“车轮附近”电动机，当其在原动机应用中以较宽的速度范围运行时受到较宽范围的动力时，会产生一些性能问题。具体而言，当在车轮端应用中使用润滑剂支持的电动机时，所遇到的较宽的速度范围会产生许多动态效应，例如：偏转临界速度；扭转临界速度；转子上与转子磁极力相关的转矩和平移力；半速载荷矢量(例如，由于在转子质量不平衡力与转子重量匹配的速度下运行，由于在其他动力传动***设备产生了1/2阶次振动下运行)；转子以1/2转速涡动；其他也是如此。目前的润滑剂支撑的电动机构造不够坚固，不能在所有这些条件和车轮端电动机构造中遇到的动力下良好运行。此外，在“轮上”应用中，现有的润滑剂支撑的电动机构造无法实时优化，以在这些动态效应以及其他竞争因素(如效率、耐久性、净***功率、噪声、振动和粗糙度(NVH)、转子稳定性等)之间产生最佳折衷。因此，仍需要改进“车轮上”、“车轮内”或“车轮附近”电动机，特别是润滑剂支撑的电动机，这些电动机可在车轮端原动机应用中遇到的宽速度范围内改进性能，并能够实时优化性能，同时还能提供从该替代原动机实施中寻求的更轻和更小的占地面积。

发明内容

本发明总体上涉及润滑剂支撑的电动机，该电动机包括具有外滚道的定子，沿着轴线延伸并可旋转地设置在所述定子内的转子。所述转子具有内滚道，所述内滚道与所述外滚道成间隔关系设置以在它们之间限定间隙，在所述间隙中设置有润滑剂，用于在所述定子内支撑所述转子。所述外滚道或所述内滚道中的一个可相对于另一个移动，以调节定子和转子之间的间隙，并实时优化润滑剂支持的电动机的运行和性能。更具体地说，所述外滚道或所述内滚道中的一个可朝向或远离另一个径向移动，以调节所述内滚道和外滚道之间的间隙，有利地解决并克服了在车轮端应用中使用润滑剂支撑的电动机时产生的许多动态效应。例如，在运行期间，定子或转子中的一个能够基于润滑剂支撑的电动机的实际性能特性而径向朝向或远离另一个移动，以调节内滚道和外滚道之间的间隙，其相应地调节布置在间隙内的润滑剂的性能特性，以帮助优化刚度，控制或改变电动机振动的临界速度，减少或控制电动机因半速载荷矢量效应而导致的容量损失，并在更宽的运行速度和动态载荷情况下控制或更改电动机的载荷容量，同时保持寄生损耗。因此，具有可移动内滚道或外滚道的润滑剂支撑的电动机提供了一种车轮端电动机，当其设置为“车轮上”、“车轮内”或“车轮附近”电动机构造时，可根据实际性能特征进行实时优化，因此适用于车轮端应用遇到的冲击载荷。具有可移动内滚道或外滚道的润滑剂支撑的电动机，重量轻且体积小，因此有助于从汽车和陆地车辆中消除重量和尺寸的总体设计策略。鉴于以下对本发明的更详细描述，将会理解其他优点。

附图说明

本申请中描述的附图仅用于所选实施例而不是所有可能实施方式的说明性目的，并且不旨在限制本公开的范用。

图1是根据本公开的一个方面的润滑剂支撑的电动机的示意图；以及

图2是沿图1中的线2-2截取的润滑剂支撑电动机的剖视图，示出了存在于定子上，并由多个可移动定子段组成的可移动滚道。

具体实施方式

现在将更全面地描述根据本公开的具有可移动滚道的润滑剂支撑的电动机的示例性实施例。提供这些示例性实施例中的每个示例性实施例，以使得本公开是透彻的，并且将本发明构思、特征和优点的范围全面地传达给本领域技术人员。为此，阐述许多具体细节，诸如与润滑剂支撑的电动机相关联的具体组件、设备和机构的示例，以提供对与本公开相关联的每个实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，并非本文中所描述的所有具体细节都需要被采用，示例性实施例可以以许多不同的形式被实施，并且因此不应该被理解或解释为限制本公开的范围。

图1-2示出了根据本发明的一个方面的润滑剂支撑的电动机10。如图1所示，润滑剂支撑的电动机10包括定子12和转子14，转子14沿着轴线A延伸并且可旋转地设置在定子12内，以在它们之间限定间隙16。润滑剂18设置在间隙16中，用于在所述定子12内支撑所述转子14，并提供这些部件之间的连续接触。因此，润滑剂18可用作转子14和定子12之间的缓冲器(例如，悬架)，以最小化或防止转子14和定子12之间的接触。换句话说，润滑剂18防止定子12和转子14之间的直接接触，并提供润滑剂支撑的电动机10，由于润滑剂18的存在，该润滑剂支撑的电动机10对于冲击和振动载荷具有鲁棒性。另外，或者，可以使用基本上不可压缩的润滑剂18，以便使定子12和转子14之间的间隙最小化。

如图1所示，定子12限定了通道20，设置为与间隙16流体连通，用于引入润滑剂18。然而，通道20可以设置在润滑剂支撑的电动机10的任何其它部件上，而不脱离本主题公开。根据一个方面，润滑剂18可以以各种方式被循环或泵送通过通道20，并进入间隙16。例如，润滑剂18的高压源(例如，泵)24可以流体地偶联至润滑剂18的低压源(例如，贮槽)26，其中润滑剂18可以从高压源移动到低压源，通过通道20并进入间隙16。转子14相对于定子12的旋转可作为自泵运行，以驱动润滑剂18通过通道20并且进入间隙16。

如图1中进一步示出的，转子14互连到驱动组件22，用于将润滑剂支撑的电动机10偶联到车辆的多个车轮中的一个车轮。例如，在一个实例中，驱动组件22可包括行星齿轮***。或者，驱动组件22可包括一个或多个平行轴齿轮。定子12和转子14被构造成在它们之间施加电磁力以将电能转换为机械能，移动转子14并最终驱动经由驱动组件22偶联至润滑剂支撑的电动机10的车轮。驱动组件20可响应于转子14的运动而在润滑剂支撑的电动机10与车轮之间提供一个或多个减速比。

如图2所示，转子10具有内滚道28，定子12具有外滚道30。内滚道28或外滚道30中的一个可相对于另一个是可移动的，以实时调节间隙16并优化润滑剂支撑的电动机10的性能。例如，内滚道28和外滚道30之间的间隙16确定当润滑剂支撑的电动机10处于流体动力学模式时产生的动压。内滚道28和外滚道30之间的间隙16还确定了当润滑剂支撑的电动机10处于静力学模式时轴承座(余隙面积(clearance area))中的压力。基于这两个原因，并且如下面将更详细描述的，通过使内部或外部滚道28、30中的一个相对于另一个移动(即，通过使定子12或转子14朝向或远离另一个径向移动)来控制间隙16，从而使润滑剂支撑的电动机10的性能得到优化。

在优选的设置中，定子12可朝向或远离转子14径向移动，以相应地朝向或远离内滚道28径向移动外滚道30，并调节间隙16。至少一个致动器32可操作地偶联至定子12，以实现定子12的所述径向运动。例如，致动器32可以是液压致动器，其向定子12的背部或后部施加或释放液压，以使定子12朝向或远离转子14径向移动。或者，致动器32可以是压电致动器，其向定子12的背部或后部施加或释放压电力。此外，致动器32可以磁性致动器，其向定子12的背部或后部施加或释放磁力。

在致动器32的每种设置中，定子12朝向或远离转子14的径向运动是响应于润滑剂支撑的电动机10的多个不同实时操作条件而实现的。例如，如图2所示，润滑剂支撑的电动机10还包括控制器34，该控制器34设置成与致动器32电连通，被构造成监控所述润滑剂支撑的电动机10的至少一个操作条件，包括但不限于：

·电动机速度；

·润滑剂性质-例如粘度、压缩性(夹带空气)；

·电动机径向静载荷-例如转子重量；

·与转子角位置相关的电动机径向动载荷-例如，来自齿轮等连接机械的载荷；

·与转子角位置无关的电动机径向动载荷-例如，施加在润滑剂支撑的电动机上的外部冲击或振动；

·在给定操作条件下润滑剂的稳定性-例如，在定子-润滑剂-转子***的临界谐振速度附近的操作(扭矩、位移或半速载荷矢量驱动)；

·轴承的载荷角度-峰值动力矢量和载荷矢量之间的角度差；以及

·转子涡动-即转子在定子内圆周内略微旋转。

然后，控制器34被构造成，响应于润滑剂支撑的电动机10的任何或所有这些实时操作条件，例如通过致动致动器32以使定子12朝向或远离转子14径向移动，来调节内滚道28和外滚道30之间的间隙16。如引言部分所述，实时调整内滚道28、外滚道30之间的间隙16，导致润滑剂支撑的电动机10运行，以产生正确的载荷能力、正确的刚度、最小润滑剂剪切损耗、受控的润滑剂稳定性和正确的转子稳定性。

在一个优选的设置中，如图2所示，定子12由多个定子段36组成，这些定子段共同限定了外滚道30，并且每个定子段可以朝向或远离转子14的内滚道24独立地径向移动，以调节间隙16。换句话说，定子12的外滚道30能够以分段的方式朝向或远离转子14的内滚道28径向移动。虽然多个定子段36被示出为跨越定子12的整个外滚道30，但是多个定子段36也可以是仅覆盖外滚道30的较小子集或部分的局部小段，而不脱离本主题公开的范围。如图2最佳示出的，至少一个致动器32包括多个致动器32，每个致动器32与定子段36中的一个相关联，并且可单独致动，以使定子段36中的相应一个朝向或远离转子14的内滚道28以单独的方式径向移动。

在另外的实施例中，通过控制通过通道20供应到间隙16的润滑剂18，还可以实时优化润滑剂支撑的电动机10的操作和性能。例如，供应到间隙16的润滑剂18的状态确定了润滑剂支撑的电动机10的流体动力学和流体静力特性。润滑剂18的特性，例如压力、流动阻力、压力供应的刚度，和惯性或流动稳定效应，决定了润滑剂支撑的电动机10在运行中的表现。因此，如图1最佳示出的，控制器34被设置成与泵24和贮槽26电连通，并且还被构造成使用多种不同的技术来控制供应到间隙16的润滑剂18的状态，从而控制供应到润滑剂支撑的电动机10的润滑剂18的状态：

·向所有的多个定子段36提供均匀的压力，其中润滑剂的低阻力源流过通道20；

·向所有的多个定子段36提供均匀的压力，其中润滑剂的高阻力源流过通道20；

·向由多个定子段36限定的外滚道30提供不均匀供应，其中润滑剂供应压力和流动阻力逐段变化；以及

·控制通过通道20供应到间隙18的润滑剂18的压力、流动阻力、供应压力刚度、供应惯性因子(类似物R、C、L)。

因此，如上列举的例子所示，润滑剂18可以作为一个整体被供应到润滑剂支撑的电动机10，或者可选地，可以被供应到图2所示的选择定子段36和转子14的内滚道28的相应部分之间。润滑剂对流动的限制可以采用设置在通道20内的孔的形式，产生阻塞流或毛细管，从而形成对流动的表面摩擦限制。也可以使用不同尺寸的液压蓄能器来改变压力刚度。也可以通过改变在润滑剂支撑的电动机10中流动的润滑剂18的质量，来控制供应惯性因素。

在另外的实施例中，通过控制供应到间隙16的润滑剂18的性质，润滑剂支撑的电动机10的操作和性能也被实时优化。润滑剂18的性质决定了润滑剂支撑的电动机10的流体动力学、流体静力和共振特性。润滑剂的主要特性是粘度、压缩性和污染。润滑剂的粘度由润滑剂18的化学成分、润滑剂的添加剂包和润滑剂18的温度决定。润滑剂的可压缩性主要是润滑剂18中存在的夹带气体的量的函数。此外，润滑剂污染由过滤器、化学吸气器和水/油分离器控制。因此，通过与泵24和贮槽26连通，控制器34还被构造成基于润滑剂支撑的电动机10的操作条件来调节润滑剂18的状态。

转子上的净力定义所谓的载荷矢量。此载荷矢量具有方向和大小。在正常运行中，载荷矢量主要受重力下拉的转子的质量的影响。在某些情况下，可以通过车轮端运动或通过定子施加在转子上的磁力的小不平衡，来改变载荷矢量。在替代实施例中，以这样的方式控制载荷矢量，改善润滑剂支撑的电动机10的流体动力操作范围。这是通过控制载荷矢量相对于转子旋转角度的角度来实现的。例如，在与转子14的旋转方向相同的方向上以1/2旋转速度移动载荷矢量角度，将大大降低流体动力轴承压力。或者，沿转子旋转的相反方向移动载荷矢量，会增加流体动力压力。因此，在一个实施例中，流体动力压力可与峰值流体动力压力区域中产生的寄生载荷一起被控制。例如，可以通过以协调方式使用致动器32，来增加或去除转子上的力。如上所述，当与转子旋转运动同步协调时，执行器的这些协调运动可能具有增加或降低轴承的流体动力压力的效果。

控制润滑剂支撑的电动机10的每个上述实施例，提供了润滑剂支撑的电动机10的优化操作方法，其产生正确的载荷能力、正确的刚度、最小润滑剂剪切损耗、受控/受限的润滑剂稳定性，和正确的转子稳定性。这些操作程序是基于模型的，并基于润滑剂支撑的电动机10的实际现场性能进行学习和调整。换句话说，上述技术是响应于实时操作条件的润滑剂支撑的电动机10的动态元件。在一些应用中，润滑剂支撑的电动机可能具有多种直径以及多种流体静力学和流体动力学表面。

实施例的上述描述已经被提供以用于说明和描述。其不旨在穷举或限制本公开。即使未具体示出或描述，特定实施例的单独元件或特征通常不限于该特定实施例，而是在适用的情况下可互换并且可被用在选定实施例中。同样也可以以多种方式被变型。这样的变型不被认为是背离本公开，并且所有这样的变型旨在被包括在本公开的范围内。

Claims (14)

1.一种润滑剂支撑的电动机，其特征在于，所述润滑剂支撑的电动机包括：

定子，具有外滚道；

转子，沿着轴线延伸并可旋转地设置在所述定子内；

所述转子具有内滚道，所述内滚道与所述外滚道成间隔关系设置以在它们之间限定间隙；

润滑剂，设置在所述间隙中，用于在所述定子内支撑所述转子，以及

所述外滚道或所述内滚道中的至少一个可朝向或远离另一个径向移动，以调节所述间隙并优化所述润滑剂支撑的电动机的操作。

2.根据权利要求1所述的润滑剂支撑的电动机，其特征在于，所述定子可朝向或远离所述转子径向移动，以相应地调节所述内滚道和所述外滚道之间的所述间隙。

3.根据权利要求2所述的润滑剂支撑的电动机，其特征在于，所述润滑剂支撑的电动机还包括致动器，所述致动器可操作地偶联至所述定子，以实现所述定子的所述径向运动。

4.根据权利要求3所述的润滑剂支撑的电动机，其特征在于，所述致动器包括液压致动器，所述液压致动器被构造成向所述定子施加或释放液压，以实现所述径向运动。

5.根据权利要求3所述的润滑剂支撑的电动机，其特征在于，所述致动器包括压电致动器，所述压电致动器被构造成向所述定子施加或释放压电力，以实现所述径向运动。

6.根据权利要求3所述的润滑剂支撑的电动机，其特征在于，所述致动器包括磁性致动器，所述磁性致动器被构造成向所述定子施加或释放磁力，以实现所述径向运动。

7.根据权利要求2所述的润滑剂支撑的电动机，其特征在于，所述定子包括多个定子段，所述多个定子段共同限定所述外滚道，并且所述多个定子段可朝向或远离所述转子的所述内滚道独立地径向移动，以调节所述间隙。

8.根据权利要求7所述的润滑剂支撑的电动机，其特征在于，所述润滑剂支撑的电动机还包括致动器，所述致动器可操作地偶联至所述多个定子段中的每一个定子段，以实现所述定子段中的每一个定子段的所述独立地径向移动。

9.根据权利要求8所述的润滑剂支撑的电动机，其特征在于，所述润滑剂支撑的电动机还包括控制器，所述控制器被设置成与所述致动器中的每一个电连通，并且被构造成响应于所述至少一个操作条件，监控所述润滑剂支撑的电动机的至少一个操作条件并调节所述内滚道和所述外滚道之间的所述间隙。

10.根据权利要求9所述的润滑剂支撑的电动机，其特征在于，所述润滑剂支撑的电动机的所述至少一个操作条件包括：所述润滑剂支撑的电动机的速度、所述润滑剂的性质、电动机径向静载荷、与转子角位置相关的电动机径向动载荷、与转子角位置无关的电动机径向动载荷、所述润滑剂支撑的电动机的载荷角，或转子涡动。

11.根据权利要求9所述的润滑剂支撑的电动机，其特征在于，所述定子限定被设置成与所述间隙以及所述润滑剂的高压源和低压源流体连通的通道，所述控制器被设置成与所述高压源和低压源电连通，并且被构造成，基于所述润滑剂支撑的电动机的所述操作条件，来控制供应到所述间隙的所述润滑剂的性质。

12.根据权利要求11所述的润滑剂支撑的电动机，其特征在于，所述控制器被构造成，基于所述润滑剂支撑的电动机的所述操作条件，来控制所述润滑剂的粘度、温度、添加剂包或可压缩性中的至少一个。

13.根据权利要求11所述的润滑剂支撑的电动机，其特征在于，所述控制器进一步被构造成，基于所述润滑剂支撑的电动机的所述操作条件，来调节所述润滑剂到所述间隙的供应。

14.根据权利要求1所述的润滑剂支撑的电动机，其特征在于，所述转子可操作地连接到最终驱动装置，所述最终驱动装置与车辆的车轮互连。

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