以下详细说明本质上仅仅是示例性的,并且不打算限制本发明或本 发明的应用和用途。此外,不意图受限于在前面的技术领域、背景技术、 发明内容或以下的具体实施方式中介绍的任何明示或暗示的理论。
在这里描述的示例性实施例提供一种用于评估双模、混合、复合分 流机电变速器内的永磁电机的方法。特别在变速器的制造之后或在变速 器的维修期间,通过基于在耦合到电机的逆变器处进行的电压测量来计 算电压常数并且将该电压常数与预定值相比较来提供评估方法。如果计 算的电压常数在距预定值的可接受的
阈值范围之内,则可以确定该电机 被适当地制造、安装和/或维护。
在以下描述中,首先描述变速器和电机的结构和功能构件,包括解量的电压之间的关系。然 后将更详细地提供用于评估电机的条件和方法。
根据示例性实施例,图l中描绘了双模、混合、复合分流机电变速
器10。混合变速器10具有诸如轴的输入部件12,其可以由发动机14
直接驱动。瞬时转矩阻尼器(未示出)可以被合并在发动机14和变速 器10的输入部件12之间。
发动机14可以是矿物
燃料发动机,诸如
柴油发动机。在示例性实 施例中,发动4几14在启动之后以及在它的大部分输入期间,工作在从 大约600 RPM到大约6000 RPM的速度范围内。尽管发动冲几14的特定速 度和马力输出可以变化,但是为了对混合变速器10有清晰的理解,将 假定来自发动机14的可用输出为约300马力,以便描述示例性设置 (installat ion )。
变速器10包括三个行星齿轮组24、 26和28。第一行星齿4仑组24 连接到输入部件12并且具有外接(circumscribe)太阳(或"内部") 齿轮部件32的环形(或"外部")齿轮部件30。任意数目的行星齿轮 部件34被可转动地安装在
支架36上,以使得每个行星齿轮部件34可 以转动并且与外部齿轮部件30和太阳齿轮部件32两者
啮合。
第二行星齿轮组26还具有外接太阳齿轮部件40的环形齿轮部件 38。若干行星齿轮部件42被可转动地安装在支架44上,以使得每个行 星齿轮42接合环形齿轮部件38和太阳齿轮部件40两者。
第三行星齿轮组28还具有外接太阳齿轮部件48的环形齿轮部件 46。若干行星齿轮部件50被可转动地安装在支架52上,以使得每个行 星齿轮50接合环形齿轮部件46和太阳齿轮部件48两者。
第一和第二行星齿轮组24和26被复合(compound),因为第一行 星齿轮组24的太阳齿轮部件32如通过毂村齿轮(或第一互连部件)54 结合到第二行星齿轮组26的环形齿轮部件38。结合的第一行星齿轮组 24的太阳齿轮部件32和笫二行星齿轮组26的环形齿轮部件38被连续 地耦合到第一电机56。这里所用的术语"电机"可以包括发电机。下面 将更详细地描迷笫一电机56。
第一和第二行星齿轮组24和26被进一步复合,因为第一行星齿轮 组24的支架36如通过轴60结合到第二行星齿轮组26的支架44。照此, 第一和第二行星齿轮组24和26的支架36和44分别被结合。轴60通过离合器(或"第二离合器"CL2) 62选择性地连接到笫三行星齿轮组 28的支架52,离合器62有助于混合变速器10的操作模式的选择。这 里使用的术语"离合器"是指能够传送转动的可以被接合和脱离的任何 设备,例如摩擦离合器、多片
湿式离合器、磁流变(MR)
流体离合器或 电动发电机离合器。
第三行星齿轮组28的支架52直接耦合到变速器输出部件64。当混 合变速器10用于陆地车辆时,输出部件64可以连接到车辆的车轴(未 示出),该车轴又可以终止于驱动部件(也未示出)。该驱动部件可以 是在其上采用它们的车辆的前轮或后轮,或者它们可以是
履带式车辆的 传动齿轮。
第三行星齿轮组28的环形齿轮部件46通过离合器(或"第一离合 器"CL1) 70选择性地耦合到由变速器
外壳68代表的地。第一离合器 70还帮助选择混合变速器10的工作模式,如将在下面更详细描述的。 太阳齿轮48连续地耦合到第二电机72。所有行星齿轮组24、 26和28 以及两个电机56和72 -故示出为同轴定向,如关于轴向布置的轴60同 ^由定向(as about the axially disposed shaft 60)。 在jt匕实施例中, 电机5 6和7 2两者被示出为是环形配置的,这允许它们外接三个行星齿 轮组24、 26和28以使得行星齿轮组24、 26和28被布置为电机56和 72的径向向内。此配置保证变速器10的总包络(即圆周尺寸)-陂最小 化。
离合器(或"第三离合器"CL3)73选择性地将太阳齿轮40与地(即, 与变速器外壳68)耦合。离合器(或"第四离合器"CL4) 75可操作为
锁止离合器,其通过选择性地将太阳齿轮40与支架44耦合来锁定行星 齿轮组24、 26、电机56和输入12以作为整体转动。太阳齿轮40还耦 合到太阳齿轮48。尽管图2描绘了一个示例性变速器装置,但是这里公 开的系统和方法可以被提供用于任何传动装置和离合器配置。
变速器10工作为双模、复合分流、机电的车辆变速器。工作"模式 "是指其中变速器功能被一个离合器(例如离合器62或离合器70)以及
电机56和72的受控速度和转矩所控制的情况,这样的一个例子在1991 年4月23日4受^U合通用汽车爿^司的美国
专利No. 5, 009, 301中有所描述。 在一个示例性实施例中,当第一离合器70被致动以便将第三行星齿轮 组28的环形齿轮部件46"接地"时选择第一模式。当第一离合器70被释放并且第二离合器62同时被致动以将轴60连接到第三行星齿轮组 的支架52时选择第二模式。
另外,某些工作"范围"可以通过应用附加的离合器(例如,离合器 62、 73或75)来实现。当应用附加的离合器时(即,当应用两个离合 机构时),实现固定的输入输出速度比(即,固定的
传动比)。电机56 和72的转动则将取决于由离合装置定义的机构的内部转动并且与输入 速度成比例。在一个实施例中,当第一和第四离合器70和75接合时, 第一范围落入第一工作模式,而当第一和第二离合器62和70接合时, 第二范围落入第一工作模式。在笫二工作模式期间,当第二和第四离合 器62和75接合时,第三固定比范围有效,并且在第二工作模式期间, 当第二和第三离合器62和73接合时,第四固定比范围有效。
变速器10选择性地从发动机14接收功率。变速器10还从电存储 设备74接收功率。电存储设备74可以是一个或多个
电池或其他类型的 存储设备。电存储设备74通过传输导体78A和78B与电控制单元(ECU ) 76通信。ECU 76通过传输导体78C和78D与第一电才几56通信,而ECU 76 相似地通过传输导体78E和78F与第二电才几72通信。
ECU 76分别从第一和第二电机56和72 二者、发动机14和电存储 设备74获得信息。响应于(例如,来自于驱动范围选择器、
加速器踏 板和/或
制动踏板的)操作员的动作或"操作员要求",ECU 76确定需要 什么并且然后适当地操纵混合变速器10的选择性操作的部件以对操作 员要求做出响应。
图2示出了用在上述变速器10中的电机56的剖面图。描述电机56 以提供对下述示例性电机评估方法的更好理解。图2中所描绘的电机被 标记为第一电机56,但是它还可以表示第二电机72。
电机56可以是两极、三相、无刷永磁电机,但是以下描述可以适 用于任意数目的磁极。电机56包括轴202,用于将输入提供到电机56 并且从电机56接收输出。转子204耦合到轴202并且包括其上安装有
永磁体208的转子芯206。定子210通过空气隙212与转子204分开, 并且包括其上
定位有
电枢绕组216的定子芯214。
当转子204相对于定子210上的绕组214转动时,如法拉第定律所 规定的,在绕组216中感应电压,该电压被表示为下列等式(1 )。
formula see original document page 12( 1 )
其中入是链接定子绕组的总通量,以及eind是线圈上感应的电压。
假定》兹体208均匀分布在转子2 04周围,则磁链可以;故写成等式
formula see original document page 12^ (2)
其中Kv是电机的电压常数,以及co是电坤几的转动
频率。
电压常数Kv是电机设计的各种参数的函数,这些参数包括:定子 210的绕组216的匝数;转子204的
磁场强度;和电机56中的磁通路径 的磁导率(permeabi 1 i ty )。将等式(2 )代入等式(1 )中产生等式(3 )。
formula see original document page 12( 3 )
等式(3)表示在定子210的绕组216的相上感应的电压的大小与 电压常数L和电机56的转动速度成比例。
等式(4)示出了电压常数Kv是绕组216的匝数、磁通路径的磁导 率和磁体208的强度的函数,如下所示。
其中N是定子绕组中的匝数,iu是磁通路径的磁导率,①是转子磁体的 场强。
因而,感应电压的等式(3)可以被写成等式(5 ),如下所示。
formula see original document page 12( 5 )
如等式(5 )所示,感应电压的大小是转子204的
角速度与绕组216 的匝数、定子210的钢的磁导率和磁体208的强度的函数的乘积。如果 这些参数中的任意一个不匹配设计标准,则对于给定的速度,在电机56 上的感应电压将不会匹配基于设计值计算的值。
参考图3,电机56包括或者可以耦合到逆变器300,以促进到电机 300和来自电才几300的功率流动。在一个示例性实施例中,测量设备302测量逆变器300处的电压。如下所述,在一定条件下,逆变器300处测 量的电压对应于电才几56的定子210的绕组216上感应的电压。照此, 逆变器300处测量的电压可以用于评估电才几56。
逆变器300是耦合到电机(被描绘为第一电机56,但是它也可以是 第二电机72 )的三相
电路。逆变器300包括耦合到电池74和电机56的 三对
串联开关302、 304和306。第一对开关302在第一
端子308处耦合 到电机56的第一相314。第二对开关304在第二端子310处耦合到电机 56的第二相316。第三对开关306在第三端子312处耦合到电机56的 第三相318。
在工作期间,逆变器300通过改变这三对开关302、 304和306的 状态而在端子308、 310和312上产生
三相电压。例如,两个相(A和B) 之间的逆变器300 (假定从逆变器中流出的
电流为正)处的电压由等式
(6) 表示。
FaZ) = Z^r^^ + i?a/a + — £"力一——
力• A ( 6)
典型地,逆变器300致动开关302、 304和306以控制流入和流出 每个端子308、 310和312的电流。如果如上所述逆变器300被命令为 使
用例如闭环电流调节器来控制相端子中的零电流,则当Ia = Ib = dla/dt = dlb/dt = 0时,逆变器电压等式变为等式(7)。
F"6 = - £6 ( 7)
由于假定电流为零,因此等式(3)中的感应电压可以等同于等式
(7) 中给出的端子电压,从而产生等式(8)。
物理参考系和数学dq系中测量的各个量之间的关系示于等式(9 )中。
formula see original document page 13(9)
其中f可以:故替换为适当的物理量,例如电压、电流或者^兹通量。
基于上述等式(9)中的变换,控制开关302、 304和306的电流调节器可以用等式(10)的形式表示。
J^/ = /V (7 — J ) (I0)
电流调节器对测量的电流而不是命令的电流起作用。如上所述,命
令的电流被逆变器300指定为零。因此,等式(10)右侧的所有非零项 是可测量的,并且当电流调节器将测量的电流驱动到期望的电流时,计 算保持电流为零所需要的电压。所形成的电压的大小可以如等式(11) 所示进行计算。
应当在基本速度以下,即在逆变器
输出电压为最大时测量该电压。 换句话说,基本速度是电机56或72上的感应电压匹配可用于逆变器300 的
电源电压的点。比较等式(11)的Vref与等式(8)并且由测量已知 电机速度,则电机56和72中的任何一个的电压常数L可以被计算并且 与一组接受值相比较,从而评估电机56或72。
既然已描述了变速器IO、电才几56和72以及逆变器300,现在将讨 论用于利用逆变器300评估电机56和62的条件和方法。再次参考图1, 在本发明的一个实施例中,提供了一种在制造线末端(例如在制造商或 OEM)评估变速器10的第一和第二电机56和72的方法。首先将描述该 示例性方法的条件。
在该方法的此实施例中,变速器10在输入部件12处附接到输入测 功机82,并且在输出部件64处附接到输出测功机84。输入和输出机82 和84可以以规定的速度和/或转矩分别旋转变速器10的输入和输出部 件1G和64。
在各个实施例中,变速器10的模式和/或齿轮配置中的任何一种可 以被用于生产线末端变速器评估。在一个实施例中,使用第一模式来模 拟第一固定齿轮(fixed gear),其中第一离合器70和第四离合器75 闭合,而第二离合器62和第三离合器73断开。在第一固定齿轮中,输 入测功器82、第一电机56和第二电机72的速度相等,并且输出测功器 84的速度与之不同,系数为第一齿轮组24的比(the speed of the output dynamometer 84 is the different by the ratio of the first gear set 24)。第一模式通过选择输入速度和输出速度以使得输入速度等于输出速度乘以第一传动比来模拟第一固定齿轮。这将导致第四离合器62
的滑动速度(slip speed)为零,而不需要实际接合该离合器。
第一模式用来模拟第一固定齿轮,因为如果输入测功器82和输出
测功器84 二者在由固定齿轮连接的同时都控制速度的话,则这两个测
功器82和84将彼此相反(oppose)。
在此实施例中,还可能有利的是断开到连接到变速器10的逆变器
300 (图3)的
接触器或将相绕组216 (图2)与逆变器300切断以防止
逆变器300中的整流在测试期间允许电流流动。可替换地,逆变器300 (图3)的DC电压大于从电机56或72产生的预期最大峰值电压,以避
免整流电流。
既然已经描述了生产线末端制造评估的条件,现在将讨论用于在制 造之后评估电机的示例性方法400的步骤。参考图4,在方法400的第 一步骤410,输入测功机82被旋转到可接受的速度以进行测试。在示例 性实施例中,该可接受的速度可以是例如大约2000 rpm。 一^:来说,输 入测功机82的速度应当是刚好低于弱磁(flux weakening)速度,或 者根据设计参数确定的电机56或72的基本速度。此外, 一般来说,该 速度应当使得产生的电压小于逆变器DC电压,并且足够使变速器10中 的主
泵提供足够的液压,从而使得第一离合器70能够接合。
在第二步骤420,输出测功机84被调节以保持第一离合器70滑动 速度为零。当输入测功器82旋转时,电机56或电机72通过行星齿轮 组24和26旋转。当电机72旋转时,仅有一个输出速度会将第三行星 齿轮28的环形齿轮46保持在零速度。由于第一离合器70的一侧连接 到变速器壳体68以实现离合器70两端的零滑动速度,即离合器70的 两侧以相同的速度旋转,因此齿轮28的环形48应当被保持在零速度。
在第三步骤430,第一离合器70被接合,以及在第四步骤440,以 适当的速度旋转输出测功机84,以同步第四离合器75并且匹配第一和 第二电才几56和72的速度。作为此旋转的结果,在每个电机56和72的 绕组上感应电压,如上所述,该电压由等式(5)表示。在第五步骤450, 利用测量设备302 (图3)测量第一和第二电机56和72的每一个的每 相上产生的电压。在第六步骤460,将每个电机56和72的测量电压的 大小除以每个电才几56和72的转动速度,以产生每一个电才几56和72的 电压常数。在第七步骤470,可以将第一和第二电机56和72的电压常数与设计规范值相比较,以确定第一和笫二电机56和72是否已被适当 地制造并安装。如果电压常数在可接受的公差范围之外,则可以推断所 测试的电机56和72不满足设计标准并且不应该纟皮使用。
根据另 一个示例性实施例,提供了 一种用于在维修环境中评估变速 器10的方法。在维修期间,输入和输出测功机82和84可能不可用, 因而,生产线末端变速器测试可能不可行。但是,由于变速器10的传 动配置,可以提供一种在维修环境中评估电机56和72的方法的示例性 实施例。
在输入部件12的输入速度与第一和第二电机56和72的速度之间 存在一致的关系,如下面等式(12)所示:
formula see original document page 16在空挡(neutral )条件下,使输入部件12的输入转矩与第一和第 二电机56和72的转矩联系的转矩等式如下面等式(13)所示:
formula see original document page 16可以作为第二电机72上的转矩(Tb)的函数,对于第一电机56的 转矩(Ta)和来自输入部件l2的转矩(Ti)来求解等式(13),如以 下等式(IO所示。
formula see original document page 16照此,命令对第一电机56的速度控制导致对第一电机56的转矩命 令,其具有为维持希望速度所必需的大小。由于在这个测试环境下第一 电机56上没有负载,因此维持希望速度所需要的转矩将低至克服变速 器10中的摩擦所需要的转矩(即"起步(breakaway)转矩")。由于发 动机14的起步转矩将明显大于变速器10上的起步转矩,因此变速器输 入端12处产生的转矩将不足以旋转发动机14。
因此,如果发动机14的速度被保持为零,并且发动机14的负载不 超过起步转矩,则等式(14)产生如下所示的等式(15)。
formula see original document page 16可以对等式(15)求解,如以下等式U6)所示。
& (16)
由于变速器10的齿轮系数(gear coefficient ),等式(16 )可 以被改写为等式(17),如下所示。
(17)
等式(17)表示第一电机56在与第二电机72相反的方向上并且以 与第二电机72相同的速度空载旋转,或者至少具有线性关系(the first motor 56 spins unloaded in the opposite direction and at the same speed as the second motor 72, or at least has a linear relationship)。因此,第一电机56可以用于旋转第二电机72,并且 然后第二电机72的相电压可以被测量以确定关联的电压常数。相似地, 第二电才几72可以用于旋转第一电机56,并且第一电机56的相电压可以 被测量以确定关联的电压常数。
参考图5,在方法500的第一步骤510,使用来自于ECU 76的设备 控制消息来命令第一电机56的速度。如上所述,这还导致第二电机72 在相反的方向并且以相同的速度旋转。
在第二步骤520,第二电机72的每相上产生的电压被测量。在耦合 到第二电机72的逆变器302 (图3)处测量该电压。
在第三步骤530,将测量的电压的大小除以第二电冲几72的转动速 度,以产生第二电机72的电压常数。
在第四步骤540,将第二电机72的电压常数与设计规范值相比较。 然后重复上述步骤,除了第二电机7 2被控制到旋转第 一 电机5 6以使得 第一电机56可以相似地被评估的速度。同样,在第五步骤550,给第二 电机72命令导致第一电机56旋转的速度。同样,在第六步骤560,测 量第一电机56的每相上产生的电压。
在第七步骤570,将测量的电压的大小除以第一电机56的转动速 度,以产生电压常数。
在第八步骤580,将第一电机56的电压常数与设计规范中的预定值 相比较,以评估第一电机56。如果根据第一和笫二电机56、 72的电压 测量所导出的电压常数在预定值的可接受阈值之内,则认为电机56、 72
17被适当地制造、安装并且维护。相反,如果电压常数在该阈值之外,则
可能表示电机56、 72存在问题。
因此,提供了在双模、复合分流、机电变速器中评估第一和第二电 机的示例性方法。在特定的示例性实施例中,可以在生产线末端变速器 测试时以及在维修期间评估电机。
虽然在上述详细说明中已经提出了至少一个示例性实施例,但是应 当理解,存在许多变化。还应该理解, 一个或多个示例性实施例仅仅是 示例,并且不意欲以任何方式限制本发明的范围、应用性或配置。相反, 上述详细说明将为本领域技术人员提供实现该一个或多个示例性实施 例的便利路线图。应当理解,在不脱离由所附权利要求书及其法律等价 物所限定的本发明的范围的情况下,可以对元件的功能和布置进行各种 变化。