扭矩增强变速器及含其的系统和变速交流感应电动机的制作方法

本公开通常涉及电机。更具体地说，本公开涉及一种使用包括多个速度级的扭矩增强变速器产生电气和机械动力的系统和方法，每个速度级具有第二输出轴连接和连接到第二输出轴的辅助转矩增强变速器以存储动能。

背景技术：

1、美国专利第7108095号(专利'095)教导了一种使用扭矩增强齿轮箱(包括增速器、飞轮组件、离合器和减速器)发电的系统和方法。专利'095的扭矩增强齿轮箱使用增速器驱动飞轮组件的速度大于发电机的工作速度，然后随着减速器从输出轴上下来。专利'095的方法能够将较小的电机用于较大的负载。但是，专利'095不允许接受，存储和产生大量可变的电力。此外，专利'095的变速箱仅包括一个增速器。添加或具有多个增速器的一些优点包括允许在每个速度阶段连接多个输入输出连接，以便系统成为机械电池。

2、此外，专利'095教导使用感应电机的备用电源的发电机系统。发电机允许通过专利'095的方法增加机械能的存储。专利'095的系统消耗少量功率并运行较大的负载。但是，需要存储大量功率并释放确切的功率。由于专利'095的齿轮箱仅包括单减速器级，专利'095不允许驱动轴与辅助输出轴连接，因此具有有限的动力流路径。

3、传统风车中较大的齿轮比会导致许多问题。传统风车的运行经验表明，现代电力商用风力涡轮机的齿轮箱是与风力涡轮机发电相关的应用的传动系统中最薄弱的环节。1.5兆瓦(mw)功率范围内的大多数齿轮箱风力涡轮机使用单级或两级行星齿轮系统。风的随机性可能会在风力涡轮机的转子叶片上产生不均匀的负载，从而在转子轴上产生扭矩，从而使轴承负载不均匀并齿轮齿错位。齿轮的不对中会导致系统磨损不均匀，从而导致变速箱故障。这样的故障间隔导致资本和运营成本的显著增加，风力涡轮机的停机时间，同时大大降低其盈利能力和可靠性。

4、与行星齿轮系统相比，风力涡轮机设计中的扭矩分配变速箱使用外部双斜齿轮。扭矩分配变速器似乎是直接驱动机器的更便宜和替代方法。但是，扭矩分配变速器的可行上限可能低于直接驱动机器的上限。由于风的性质多样，很难围绕设计一个系统。占地面积增加了成本和维护问题的障碍。传动系的所有部件都无法实现系统应力的降低。随着风力涡轮机尺寸增加约3兆瓦，应力可能会再次降低。此外，当系统具有其他连接时，可能会出现对齐问题，从而使对齐变得至关重要。

5、变速器的另一个选择是无级变速器(cvt)。cvt允许连接到风力涡轮机发电机的轴连接具有传动灵活性，以在变化的输入角速度下保持恒定的旋转速率。cvt的一个缺点是它们处理扭矩的能力受到传动介质的强度以及所述介质与源皮带轮之间的摩擦的限制。配备cvt的涡轮机受到齿轮系统中能量损失的阻碍，并且限制通过皮带传动传递的扭矩量上限。cvt变速器可用于小型乘用车。然而，大型商用车需要经济的电力推进变速器。

6、风力涡轮机的另一种选择是直接驱动直流发电机。在这种直接驱动的直流发电机机器中，转子具有较大的直径，因此需要大量或稀土磁铁。此外，直流发电机机需要昂贵的逆变器。较大的转子直径需要更重的转子叶片，这增加了齿轮箱的压力，因为齿轮箱必须支撑显着增加的重量。直接驱动(无齿轮)发电机可以解决风车运行中的一些问题，因为直接驱动无齿轮发电机包括较少的运动部件。然而，直接驱动无齿轮发电机可能无法解决额定功率超过3mw的所有风力涡轮机的现有齿轮箱问题，因为较大的系统具有更高的重量并增加了系统成本。在3mw以上的涡轮机尺寸中遇到的复杂负载增加了另一组挑战，这些挑战可能会对此类发电机可以使用的应用尺寸设定上限。现有的风力涡轮机系统的运行时间约占安装总时间的30％。

技术实现思路

1、本实用新型提出了一种扭矩增强变速器，包括：输入轴；连接到输入轴和第一级轴的初始离合器；第一速度级包括：第一速度级输入轴；耦合到所述第一速度级输入轴的第一速度级调制器；与第一级增速器耦合的第一速度级飞轮；与所述第一速度级飞轮耦合的第一速度级离合器；和第一速度级输出轴，其耦合到所述第一速度级飞轮和第一速度级第二输出轴；第二速度级包括：耦合到第一速度级输出轴的第二速度级调制器；与第二级增速器耦合的第二速度级飞轮；第二速度级输出轴，其耦合到所述第二速度级飞轮和第二速度级第二输出轴；以及耦合到所述第二速度级输出轴的第二速度级离合器；和终端速度级包括：耦合到第二速度级输出轴的终端速度级调制器；终端级飞轮，其耦合到终端级减速器；终端输出轴和耦合到终端级飞轮的终端副轴；和耦合到所述终端级飞轮的终端离合器；连接到任何轴的电机；所述扭矩增强变速器进一步被描述为机电发电机。

2、扭矩增强变速器，还包括与电机和发电机连接的系统电池。

3、扭矩增强变速器，还包括一个或多个辅助扭矩增强变速器，连接到所述扭矩增强变速器的至少一个速度级。

4、扭矩增强变速器还具有第三速度级，还包括：第三增速器，其耦合到第二速度级输出轴；第三速度级飞轮，其与第三增速器耦合；和第三速度级输出轴，其耦合到第三速度级第二输出轴；和第三速度级离合器，其耦合到第三输出轴。

5、扭矩增强变速器，还具有第四速度级，还包括：第四增速器，其耦合到第三速度级输出轴；第四速度级飞轮，其与增速器耦合；以及第四速度级输出轴，其耦合到第四速度级第二输出轴；和第四速度级离合器，其耦合到第三速度级输出轴和终端速度级减速器。

6、一种用于机动车辆、船舶、机车或飞机的机电混合机器驱动轴能量回收、发电和推进系统，还包括所述扭矩增强变速器，其安装在磁力轴承壳体内，大尺寸电机转子、发电机转子充当储能装置，其中主驱动轴或副传动轴tet被配置为啮合或分离以形成单个多速度飞轮驱动轴，其中，所述驱动轴具有容纳机动车辆的旋转物体或被集成到机动车辆的旋转物体中的飞轮转子；其中所述机动车辆是汽车、机车、挖掘设备，并且还包括车辆上的车轮。

7、用于机动车辆、船舶、机车或飞机的机电混合机器驱动轴能量回收、发电和推进系统，所述旋转物体为用于内燃机的轮子、螺旋桨风扇、涡轮、驱动轴、曲轴。

8、用于机动车辆、船舶、机车或飞机的机电混合机器驱动轴能量回收、发电和推进系统，当所述tet被配置为电动机vs发电机并纳入和/或集成到机动车辆、船舶、机车推进器、潜艇中时，所述推进系统为机电混合动力驱动；当使用多种燃料来源时推进，通过将tet集成到压缩机、电机中或将机动车辆的部件安装在tet的转子中而产生机电混合驱动。

9、用于机动车辆、船舶、机车或飞机的机电混合机器驱动轴能量回收、发电和推进系统，还包括所述多种燃料来源为风力发电系统、地热发电、太阳能、波浪发电系统、高速电磁推进、水力发电风力涡轮机、风力涡轮机、海洋船舶海浪、地热、氢气产生、多燃料发电。

10、用于机动车辆、船舶、机车或飞机的机电混合机器驱动轴能量回收、发电和推进系统，还包括具有容纳在飞轮转子内的机动车辆的部件和/或容纳tet压缩机泵、水泵、空气涡轮、喷气式涡轮、风力涡轮、风扇、叶轮、螺旋桨、轮驱动轴的部件。

11、一种变速交流感应电动机，包括所述扭矩增强变速器，其与交流型发电机的电机副轴连接，该电机与多个副轴连接，发电机电机每速级至少一个，辅助扭矩增强变速器至少一个驱动轴连接到至少一个扭矩增强变速器轴上；并且每级具有至少一个具有与其他速度级不同的磁极数的电机；副轴发电机为具有不同磁极的交流感应或交流永磁型；电机以电气方式连接到其他速度级的发电机；和动能存储设备为允许存储电流的电机发电，是一种机电交流电机连续可变功率电机。

12、一种旋转电动不间断电源发电系统，包括所述的扭矩增强变速器，连接到多个副轴辅助扭矩增强变速器，所述辅助扭矩增强变速器具有安装在磁浮轴承内的超大转子，其中交流电动机和交流发电机与所有速度级电连接，并同时对机械和/或电气进行充电和放电。

13、旋转电动不间断电源发电系统，还包括主轴配置多个输出轴。

14、一种用于动能存储、交流电存储的动态旋转不间断电源动力系统，还包括所述扭矩增强变速器和连接到至少一个副轴的辅助扭矩增强变速器和连接到输出轴的发电机系统；系统电机连接到发电机，系统电池、电机、发电机和交流电源都连接到电池组，其中系统交流电机和交流发电机电气连接到所有速度级发电机并同时充电和放电机械和/或电力；通过速度级，电机和发电机，和连接到直流化学电池总线，并连接到系统电动机发电机，用于存储机械能量和交流电流。

15、一种用于多级压缩以储存空气、动能和交流电气的旋转式混合空气压缩机系统，包括所述扭矩增强变速器，具有与在每个速度级连接的辅助扭矩增强变速器的副轴连接，所述扭矩增强变速器具有压缩机风扇、叶轮、安装在发电机飞轮转子内的翼型、电机和辅助扭矩增强变速器的飞轮；每个速度级具有独立的压力和/或组合压力，具有共享齿轮，组合扭矩增强变速器的交流电机被配置为为压缩机充电或从压缩机接收，其中压缩机为用于制动系统的机电电位存储混合体。

16、一种用于机动车辆的风力涡轮机和机电混合动力驱动系统，具有可再生能源，多燃料源，包括所述的扭矩增强变速器，配置为交流电动机，具有连接到副轴的辅助扭矩增强变速器驱动轴，连接到轴的水螺旋桨，连接到轴的风扇，连接到轴的风力涡轮机，柴油发动机，热力发动机；第二扭矩增强变速器。

17、用于机动车辆的风力涡轮机和机电混合动力驱动系统，还包括用于船舶，其中所述船舶还包括螺旋桨，船上的叶轮、风扇和/或涡轮机集成到转子中。

18、用于机动车辆的风力涡轮机和机电混合动力驱动系统，还包括热力发动机连接到多燃料源电机，包括天然气氢液压变速器，可再生能源风，波浪，太阳能，地热或化学反应。

19、用于机动车辆的风力涡轮机和机电混合动力驱动系统，还包括第二扭矩增强变速器连接到车轮或螺旋桨，叶轮或驱动轴。

20、一种地热太阳能、水电、压缩空气的供暖通风与空气调节发电系统，包括所述的扭矩增强变速器，具有热力发动机、太阳能接收器、压缩空气罐、供暖通风与空气调节(hvac)压缩机系统、旋转压缩机系统集成在一起的tet，用于重新捕获要存储为电势的热能，用于压缩斯特林发动机、储罐、扭矩增强的第二输出轴扭矩发生器、飞轮、电池、压缩空气罐或热力发动机；反过来，此处列出的存储设备将放电到变速器中。

21、一种变速交流感应电动机和发电机动力传输系统，包括所述的扭矩增强变速器，用于或被集成在或容纳于以下中或者作为以下的组件：风力涡轮机系统、机动车辆推进系统、海洋或潜艇船舶推进系统、混合动力机动车辆推进系统或电力推进系统，破碎机、电动汽车系统、牵引系统、钻井、采矿、土方工程系统、油田设备、水泵、液压变速器、空气涡轮机、喷气涡轮机、风扇螺旋桨、空气压缩机、水力发电轮机、发电机系统、热力发动机、住宅暖通空调系统、电力系统、便携式和家用发电机、电动汽车充电站、电动汽车再生系统、无线电力传输、地热发电系统、波浪发电系统、机车再生和推进、电磁推进、电梯、升降机、逆变器、变压器、电相转换器、机械电池、旋转式ups系统、天然气发电、旋转设备、电动工具和远程发电厂、草坪和园艺设备、雪地摩托、越野车、全地形车、叉车、使用汽油或丙烷的电机、休闲船和个人船只，建筑和农业设备中的非道路柴油发动机，地面支持设备、重型叉车、飞机发动机、驱动系统、电机系统、破碎系统、水泵系统、液压系统、水力涡轮机系统、空气压缩机系统、备用电源系统、便携式发电机系统、家用发电机系统、电动汽车变速器、内燃机曲轴hev和ev变速器，核电系统，电梯系统，升降机系统，电气逆变器系统，变压器系统，ac-dc电动机系统和机械电池系统，钻井电机，风力发电系统，变速器、液压泵、功率逆变器、备用ups电源系统、电动汽车变速器、潜艇推进、使用磁力推进的高速推进、纳米技术、火车变速器、高速铁路系统、摩天轮、起重机、火车或多燃料汽车电动汽车电机。

22、在一些实施例中，本公开提出了一种包括多个转速级的扭矩增强变速器，每个转速级具有第二输出轴连接和连接到副轴的辅助转矩增强变速器以存储动能。

23、在一些具体实施方式中，扭矩增强变速器被集成到旋转物体中，例如磁浮轴承、电机组件、车轮、曲轴、用于机动车辆的驱动轴或取力器(pto)轴。集成扭矩增强变速器包括包裹在旋转物体中的多个旋转部分，其中扭矩增强变速器旋转旋转物体，旋转物体旋转扭矩增强变速器。在本公开的一个实施例中，扭矩增强变速器的功能是作为机械电池，其中电机和发电机具有超大的飞轮转子，其主要功能是储存机械能并具有用于连接动能存储设备的多个副轴连接。

24、在一些具体实施方式中，扭矩增强变速器从各种原动机产生动力。使用多个速度级，并且每个速度级上至少连接一个副轴，使辅助扭矩增强变速器能够安装在旋转物体内部。集成的扭矩增强变速器主要存储动能。

25、扭矩增强变速器可以在接受电机输入的同时实现产生电气和机械动力的最佳输出速度。在运行期间，扭矩增强的变速器加速以存储最大动能，并以高效速度释放存储的能量。扭矩增强变速器的能量存储功能可最大限度地延长发电机的运行时间，并允许使用更小的较便宜的发电机。

26、在一些实施例中，多个增速器使机械电池单元能够达到单倍增速器无法达到的速度，而无需昂贵的齿轮。在扭矩增强变速器的部件中使用不同的单元或飞轮可以减少单个部件的应力，从而实现更具成本效益的传动装置，同时还可以通过共享其他速度级的齿轮来达到扭矩增强变速器内的输入速度和最大速度。在扭矩增强变速器中使用不同的速度级允许从峰值充电或放电进行大扭矩传递，能量流向副轴动能存储设备，然后以扭矩的形式返回主轴。在这方面，副轴设计至关重要，因为扭矩增强变速器的动力流允许存储能量，同时还履行充当扭矩溢流泄压阀的基本职责。此外，如果其中一个副轴发电机发生故障，扭矩增强变速器通过断开故障直轴发电机和主轴发电机的持续输出来运行。

27、储能装置可以连接到每个速度级副轴，从而允许多个点接收机械能并将其输送到集成的电动发电机轴承飞轮转子组件的每个辅助输出轴。在一些具体实施方式中，电动发电机磁浮轴承飞轮转子组件主要用于存储动能。

28、在一些具体实施方式中，扭矩增强变速器的部件被组合成扭矩增强变速器以形成驱动轴。驱动轴的每个部分都可以独立于所有其他部件旋转。

29、在一些实施例中，每个速度级都有一个垂直的副轴，其允许每个速度部分连接到输入或输出设备。根据实施例，多个速度级和多个副轴具有超大转子的电机和发电机，以高于应用所需的速度存储动能。多个速度级允许将主轴连接到带有超大转子的发电机，这些转子用作飞轮。扭矩增强变速器集成在汽车的驱动轴、电机、发电机或车轮中。

30、在一些实施例中，扭矩增强变速器包括多个速度级和多个速度增加器，每个速度级可以具有至少一个与辅助扭矩增强变速器连接的副轴。扭矩增强变速器可用作旋转不间断电源(ups)。

31、根据实施例，扭矩增强变速器具有多个速度级，每个速度级具有连接到辅助转矩增强变速器的副轴，使得扭矩增强变速器能够少量地释放作为动能存储的能量并以高速存储在电动发电机存储设备中，从而使扭矩增强变速器能够作为机械电池发挥作用并更有效地释放能量。扭矩增强型变速器改善了电网中的峰值负载，并为可再生能源提供了储能解决方案。

32、在一些实施例中，扭矩增强变速器通过接受低转数每分钟(rpm)输入速度并达到第二输出轴的高速以最大化动能存储来充当机械电池传动系。每个速度级可能至少有一个具有辅助扭矩增强变速器的副轴，该传动装置存储动能并将其传递回副轴。第二输出轴可降低扭矩增强变速器中的应力，从而实现从辅助输出轴到主驱动轴的高效动力传递。

33、在一些实施例中，本公开提出了一种使用扭矩增强变速器产生动力的方法，方法是实现高于应用所需的副轴输出速度，同时成倍增加动能，然后通过减慢副轴输出速度将多余的动能返回到主轴，使用减速器，作为可用速度并增加扭矩，通过减速齿轮。

34、在一些实施例中，本公开提供了一种在风车中发电的方法，其中风车叶片驱动扭矩增强变速器以操作恒速感应发电机。扭矩增强的传动速度高达高于应用要求的rpm，同时主轴输出保持相对恒定，并且连接到辅助轴的电动机保持怠速。连接到发电机和化学电池的电动机。

35、根据实施例，扭矩增强变速器在不同阶段以不同的速度运行，以便以恒定输出操作恒速感应发电机，从而减少具有转矩增强变速器的系统上的压力，同时提高系统效率。

36、在一些实施例中，扭矩增强变速器是动态旋转ups，从而使得系统能够更有效地充电和放电。副轴连接允许以多种方式配置系统。多速度级是本公开中体现的有用改进。

37、在一些实施例中，主要，尺寸为具有超大转子的能量存储设备和电动机发电机的部件存储机械扭矩。

38、根据实施例，扭矩增强变速器是包括多个速度级的旋转ups系统，每个速度级在每个级具有至少一个辅助输出副轴连接到辅助转矩增强变速器，从而允许存储为动能的能量被接受、存储、传递到主轴，然后以精确的量放电并允许扭矩增强变速器通过提供来自可再生能源。

39、在一些具体实施方式中，扭矩增强变速器具有尺寸过大的部件并充当储能装置。离合器、齿轮、轴尺寸过大，安装在电机和发电机内的磁浮轴承外壳内，电机和发电机具有超大飞轮转子，其主要功能是储存机械能。

40、根据实施例，扭矩增强变速器包括每个速度级之间的速度增加器和每个速度级的副轴连接。这种配置使系统能够在每个电池单元上连接多个机械电池单元和第二输出轴，从而能够同时充电和放电大量电力。

41、根据实施例，本公开中的储能通过在高速ups电源系统上操作以清理功率并减少波动来提供改进的电网峰值负载管理。空轴发电机达到50，000rpm的速度，没有速度上限。齿轮部件是共享的，因此降低了成本。

42、在一些实施方式中，全电动汽车包括始终连接到副轴的驱动轴。在车辆加速期间，扭矩增强变速器充当电动汽车的涡轮增压器，其中电动机扭矩恒定，多余的扭矩流向扭矩增强变速器，然后转换为机械或电力。驱动轴可能不是车辆驱动轴。根据实施例，扭矩增强的电机可以同时连接到驱动轴、车轮或多燃料源。外部pto驱动轴可以连接到驱动轴，用于电池组的机械充电。

43、根据一个实施例，扭矩增强变速器可以为诸如储能、电气和机械发电等应用实现最佳输出速度。通过减速，扭矩增强的变速器可以实现可用的rpm。输入和输出电机可以分为较小的电动发电机组件，其中功率是连续可变的，速度是连续可变的。

44、根据实施例，扭矩增强变速器用作可旋转的ups系统，其使用方法实现高于所需应用的输出速度，存储最大动能，将能量输送到副轴连接，然后减速储能装置并将扭矩发送到主轴。该方法提高了系统的效率，降低了成本，减少了系统压力，允许能量存储，并允许在不损坏系统的情况下接受大量能量。

45、在一些实施例中，扭矩增强变速器输出恒定速度输出，而副轴输出不同，输入速度低且可变。扭矩增强变速器内部具有连续可变的传动比，恒定的输出速度和输出功率相对恒定。扭矩增强变速器可以是无级可变功率扭矩变速器。

46、根据一个实施例，扭矩增强变速器的系统是变速感应电机。变速电机用于储存来自风力涡轮机的能量并为船舶提供动力。作为变速电机的扭矩增强变速器作为电机运行，而发电机与系统发电机同时产生。该系统的这种配置具有不同数量的发电机和/或交流感应型电机，以不同的速度级连接到辅助输出轴，每个发电机和每个电机主要产生扭矩，所有这些都具有不同数量的磁极。作为变速感应电机的扭矩增强变速器能够存储能量并作为无级变速器运行。

47、在一些实施例中，多个速度级提供了一个平台，其中一级是下一级的函数，从而减少了对系统的应力和齿轮的成本。发电机尺寸也可以减小，因为储存的能量可能允许主轴感应发电机在更长的运行时间内放电。另外，副轴辅助扭矩增强动能储存装置根据需要向主轴提供扭矩。

48、根据实施例，每个速度级具有至少一个副轴，其允许连接输入电机或连接到机械扭矩应用例如pto驱动轴。辅助扭矩增强变速器的主要功能是用作动能存储发电机。从多个速度级达到的较高速度用于操作主轴感应发电机。

49、在一些实施方案中，直接驱动发电机可以改装成扭矩增强变速器。扭矩增强的传动系统被改装为直接驱动系统。在一示例中，直流机器的大周长转子可以转换为飞轮。

50、在一些实施例中，使用扭矩增强变速器产生电气和机械动力的方法包括非终端轴、终端轴、离合器、飞轮、增速器和减速器；涡轮叶片耦合到扭矩增强变速器；以及扭矩增强电机，包括与扭矩增强变速器耦合的储能装置、电机或发电机，包括以下步骤：选择性地接合或分离离合器；旋转涡轮叶片以旋转非端子轴和端子轴；使用增速器增加飞轮的转速，以增加动能并达到超过应用要求速度的更高转速；通过使用减速器降低齿轮来增加扭矩，以获得端子轴的较低可用目标输出转速；并使用储能装置、电机或发电机可逆地存储动能，这些动能可以作为机械动力以扭矩的形式释放到扭矩增强的变速器中。

51、根据实施例，扭矩增强变速器用于从船舶上的风和波中提取和储存能量。海浪能可以提取并存储在系统中，以产生用于船舶的机械或电能。

52、在一些具体实施方式中，扭矩增强变速器是用于在船舶上安装风力涡轮机的船舶的驱动轴推进发电系统。具有不同极数感应发电机的专用轴允许扭矩增强变速器作为变速感应电机运行。电机可用于推进机动车辆，并从风力涡轮机或水轮机收集能量，然后扭矩增强的变速器向船舶释放动力。在一个实施例中，扭矩增强变速器可用于推动机动船用船舶并接受风能和海洋能以推动船用船舶。扭矩增强变速器通过竖井或电气连接到风力涡轮机。船上的螺旋桨连接到扭矩增强的传动轴。扭矩增强变速器的每个部件，如电机、发电机、离合器、齿轮，都是超大的，充当动能存储设备，并安装在磁浮轴承的外壳内。描述为安装在磁浮轴承内的系统可以是用于机动车辆的驱动轴或用于可再生能源的传动系统，并且可以被描述为通用动力机构。