具有無級變速的電齒輪箱的製作方法

2023-06-15 21:57:31

專利名稱：具有無級變速的電齒輪箱的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種無級變速的電傳動裝置。
技術背景對於傳統的齒輪傳動裝置，速度可逐步變化，採用摩擦離合器或液壓離合 器使齒輪在齒輪傳動裝置中移動。雖然這樣的傳動裝置具有較高的機械效率， 但是在很多情況下它們是不利的，比如逐步變化的速度控制不允許使用內燃機 的最佳的速度範圍。因此，傳動裝置和內燃機的高能總效率一般都相當低。進一步地，已知有利用皮帶或推動節鏈的無級變速傳動裝置。這些傳動裝 置的優點在於它們允許無級變速控制。然而，提供皮帶有一個缺點是它們經受 引起它們老化的重要影響以及這樣的傳動裝置的總效率相當低。推動節鏈傳動 裝置的缺點是與齒輪傳動裝置相比，其最大的可傳動轉矩相當有限。而且，已知有用於諸如建築機械和拖拉機的具有低車速的機動車的靜液壓 傳動。在這些傳動中，內燃機的動力轉變為驅動柴油機的油流量。雖然靜液壓 傳動的機械效率相當低，但是通過與高度成熟的傳動裝置/發動機管理結合可以 獲得較好的總效率。然而，除了可獲得較低的車速外，這樣的傳動裝置還有相 當高的製作成本的缺點。由於電動機較容易控制，因此進一步已知有利用內燃機驅動發電機產生電 能以及通過頻率，電壓和/或電流的調製控制速度的技術。由於各單個部件一內 燃機、發電機、控制器和電動機一的效率相乘，因此這樣的機器具有相當低的 總效率。基本原理 一 電機的功能性旋轉電機是轉換電能和機械能的能量轉換器。電機的性能一方面由電壓U和電流I的量級決定，另一方面由轉矩M和轉速n決定。 發電機如果轉子和定子之間存在差速，外部從動移動部分(轉子)將電場感應到 設置有線圈的固定部分(定子)中。在定子線圈中，該電場在短路發生或加載 時引起電功率。通過定子中的電功率流動，產生(返回)轉矩。電動機相反地，定子中的電功率流動引起轉子上的轉矩。 發明內容本發明的目的是提供具有高效率和寬速度範圍或大傳動比的無級變速電 傳動裝置。根據本發明的目的通過權利要求1所述的無級變速電傳動裝置實現。本發明涉及一種具有高機械效率和可用於寬速度範圍的無級變速電傳動 裝置。依據本發明，消除了目前為止普遍的發電才幾和電動機的空間分離，並將 這些部件組合成一個單元。這裡，定子不是固定地而是可旋轉地被支撐。這裡所描述的電傳動裝置， 轉子構造成可旋轉的輸入軸，定子設計成可旋轉的輸出軸(可以在輸入側提供 轉子，在輸出側提供定子，也可以在輸入側提供定子，在輸出側提供轉子)。依據本發明，輸入軸與輸出軸通過電力傳輸元件連4妻。這裡，該電力傳輸 元件通常設置有與輸入軸連接的磁鐵，該磁鐵感應電功率進入與輸出軸連接的 線圈。如本發明所提供的，輸入軸和輸出軸不是彼此實際接合以將旋轉運動從 輸入軸傳輸到輸出軸。或者，可以在輸入軸和輸出軸之間設置機械的和/或電傳動裝置，用於控制 速度。例如，通過打開使線圈短路的開關，轉矩減小以使輸出軸的速度減小。這 樣通過利用依賴於負載的轉矩的產生而獲得速度控制。這可能受到電功率變化的影響。例如，還可以分流電功率並將其用於其他用電負載，或將其分別提供 糹合電池或蓄電池。優選地，開關裝置包括允許頻率、電壓和/或電流調製的調製裝置。因此， 連續改變輸出軸的速度成為可能。本文中特別優選地，將調製裝置集成到電子 開關中。連接到輸入軸的磁鐵至少有 一部分可以形成為螺線管。通過磁鐵的電激 發，可以產生不同強度的》茲場。這將引起感應進入線圏的電壓變化，從而影響 輸出軸的速度。本發明中的電傳動裝置具有顯著的優點，即可以獲得高於90%的高總效 率。進一步地，該傳動裝置的重量比現有的傳動裝置要低很多。而且，總的熱 損耗非常低，例如，其熱損耗總計僅為那些靜液壓傳動裝置的一半。由於除潤 滑劑以外，該傳動裝置是無油操作，因此其製作成本相對4交低。進一步地，特 別是由於沒有機械的移動過程發生，因此該傳動裝置是低磨損傳動裝置。而且， 該傳動裝置的結構是可變的，以使其能夠可靠地適用於特殊領域應用的各個速 度範圍。


從以下參考附圖描述的兩個實施例可以明顯看出以上本發明的普通的方面。圖中圖1為本發明第一優選實施例的示意截面圖； 圖2為本發明第二優選實施例的示意截面圖。
具體實施方式
在第一優選實施例中，本發明的電傳動裝置(圖1)包括可與驅動裝置連 接的輸入軸80。例如，該驅動裝置可以是內燃才幾。進一步地，該傳動裝置(或稱為變速器)包括輸出軸60,輸入軸80和輸 出軸60通過電力傳輸裝置連接。輸入軸和輸出軸不是實際連接的。在輸入軸 80和輸出軸60之間建立一電場，該電場引起轉矩，該轉矩為拖曳轉矩且依賴 於負載，使輸出軸60跟隨輸入軸80動。由於該傳動裝置的拖曳轉矩，就像傳動裝置中的所有其他機械阻力一樣， 始終導致輸出軸60被輸入軸80牽引著，因此該傳動裝置的機械效率被提高， 如本發明提供的一樣。為了根據輸入軸80的速度控制輸出軸60的速度，需要依賴於負載的轉矩部分提供給更多的用電負載或蓄電池。電傳動裝置的第一優選實施例(圖1)包括在輸入側由外殼84中的軸承 82支撐的輸入軸80。磁鐵88設置在輸入軸的外側86上。輸出軸60也由軸承62支撐在外殼84中。輸出軸60的一部分重疊在輸入 軸80上，輸出軸60的圍繞著輸入軸80的部分形成為空心軸。在這部分中， 輸出軸60的內表面64設置有線圈66,線圈66位於^f茲鐵88的對面。通過旋轉 輸入軸80,該輸入軸80可以與諸如內燃4幾的驅動裝置連4妄，石茲4失88感應進入 線圈66的電壓。各個線圈66可以由開關裝置68進行短路。通過使線圈66短 路產生磁場。該磁場與磁鐵88相互作用，以使輸出軸60旋轉。利用電力傳輸裝置66, 88,輸入軸80的速度被傳輸到輸出軸60上。這是 因為在輸入軸80和輸出軸60之間建立了電場，該電場產生了轉矩。由於這樣 的"拖曳轉矩，，，輸出軸60依賴於負載跟隨輸入軸80動。依據本發明，這是 由單個或所有的線圈66 一皮短路實現的。輸入軸60的速度可以由通過開關68 僅短路單個線圏66來控制。同樣地，可以用電調製開關改變流過線圏66的電 流。進一步地，》茲鐵88可以構造成螺線管，以使它們的感應能力也是可變的。輸入軸80除了由軸承82支撐，還由輸出軸60中的另 一個軸承70支撐。 輸出軸60除了由軸承62支撐，還由支撐在輸入軸80上的軸承72支撐。輸入軸和輸出軸之間差速的控制功率傳輸需要在輸入軸和輸出軸之間存在差速。可想到用以下的控制實施例來改變可傳輸轉矩和輸出速度1、 將定子線圈(或技術上的其他選擇)和轉子上的永久磁鐵或不可控制 的螺線管短5^。2、 將定子線圈和轉子上的可控制的螺線管短路。3 、轉子上的永久磁鐵或不可控制的螺線管以及定子線圈可以通過開關進 行短路g4、解決方案2和3的結合，例如，轉子上的可控制的螺線管與定子線圈 結合，也適合通過開關進行短路。依據第二優選實施例的電傳動裝置(圖2)包括可與驅動裝置連接的輸入 軸ll。這裡，例如，所述驅動裝置可以是內燃機。該傳動裝置還包括輸出軸， 輸入軸和輸出軸通過電力傳輸裝置連接。對稱的傳動裝置30 - 34和38支撐在 輸出軸內。使用包括發電機部分10和電動機部分36的分裂式轉子。歸因於支 撐在輸出軸內的同步齒4侖，兩個部分的^走轉方向相反。發電才幾和電動才幾部分的 速度和旋轉方向分別與輸入軸11的發電機部分和輸出軸20之間或轉子和定子 之間的差速反向對稱。該對稱是通過齒輪30， 34， 38獲得的，所述齒輪使轉子的兩部分在相反 的方向上旋轉，被支撐在一個(或多個)軸32 (或半軸)上，軸32又被支撐 在輸出軸20， 28 (或分別在定子)內。作用於輸入軸和輸出軸之間，且使輸出軸被輸入軸帶動的轉矩的產生，在 兩個階段受到影響1、 在發電機部分中產生電功率，以及2、 在傳動裝置的電動機部分中消耗產生於發電機部分中的電功率。傳動裝置的發電機部分10中的輸入軸與引導同向的輸出軸20的旋轉方向 相同。在電動機部分36內的輸入軸相對於輸入軸11進4亍反向對稱運動，因而與輸出軸20相反。由功率產生引起的轉矩在輸出軸20上起拖曳轉矩的作用，就像由電動機功率產生的轉矩在輸出軸20上起推力轉矩的作用一樣，兩者在同一方向上起 作用。相對於輸出軸20在相同的旋轉方向上起作用的兩個轉矩，疊加形成總 轉矩。歸因於同步齒輪，傳動裝置的發電機部分10內的輸入軸的速度絕對值與 傳動裝置的電動機部分36內的輸入軸的速度絕對值成反比。因此，(假定傳動 裝置的發電機部分和電動機部分內存在相等數量的》茲鐵)傳動裝置的發電機部 分內的輸入軸和輸出軸之間，以及傳動裝置的電動才幾部分內的輸入軸和輸出軸 之間的頻率通常具有相同的量級，不必考慮頻率本身。因此，沒有必要進行頻 率調製(頻率調製通常會降低電功率)來控制電功率。由於傳動裝置的發電機部分的拖曳轉矩，以及傳動裝置的電動機部分的推 力轉矩以及傳動裝置中所有其他的機械阻力， 一般會導致輸出軸20被輸入軸 10帶動，因此通過本發明可以提高傳動裝置的機械效率。電傳動裝置的第二優選實施例包括輸入軸11。在圖示的實施例中，輸入軸 11由外殼14內的軸承12支撐在輸入側。輸入軸11具有沿周向分布在外側的 多個磁鐵18。輸入軸11與諸如內燃機的輸入或輸出裝置連接。輸出軸20也由軸承22支撐於外殼14內，在相反一側，由軸承24支撐在 輸入軸10上。輸出軸20的一部分製成空心軸，以使輸入軸11至少在配置有 磁鐵18的部分被輸出軸20圍繞。在磁鐵18的對面，輸出軸20承載有許多線 圈26。由於磁鐵18和線圈26之間發生相對運動，磁鐵18感應進入線圏26 的電功率，因此石茲4失18和線圏26起第一電力傳輸裝置的作用。通過第一電力傳輸裝置18, 26，輸入軸11的速度傳輸到輸出軸20。這是 因為輸入軸11和輸出軸20之間建立了電場，該電場產生轉矩。歸因於這樣的 "拖曳轉矩，，，輸出軸20跟隨輸入軸11動，並依賴於負載。依據本發明，這 可以通過將單個的或所有的線圈26短路或通過將它們與電動機部分連接實現。在圖示的第二實施例中(圖2),示出了具有至少一個或多個齒輪30的機 械傳動裝置，這些齒輪可旋轉地支撐在橫向軸32上。橫向軸32與輸出軸20 固定連接，輸出軸20的這一部分也是空心的。齒輪30與設置在輸入軸10， 11 前端的齒輪傳動裝置34嚙合。在前端齒輪傳動裝置34的對面，設置有與輸入軸10， 11同軸的中間軸36。 中間軸36也包括與齒輪30嚙合的前端齒輪傳動裝置38。通過旋轉輸入軸10，前端齒輪傳動裝置34上的齒輪30的滾動速度是可變 的。這將使通過橫向軸32與齒輪38連接的中間軸36的速度改變。對於輸出 軸20的旋轉，其內表面同樣配置有線圈44,優選地，線圈44有規則的分布在 周圍上。較佳地，線圏44布置成與線圈26相同。線圈44設置在與對面的石茲鐵42積4成地斷開(mechanically decoupled )的 條件下。線圈中流過的電流產生》茲場。因此產生的》茲力作用於》茲4失42上，並 使輸出軸20旋轉。這形成第二電力傳輸裝置。例如，通過僅使一部分線圈44產生》茲場或通過改變由線圈44產生的^茲場 的強度可以獲得轉矩的變化。在圖示的實施例中，提供給線圈44的電功率是利用第 一電力傳輸裝置18, 26產生的，其中設置有一個或多個開關裝置46。在圖示的實施例中，較佳地，除軸承12之外，輸入軸10, ll還由布置在 輸入軸10和輸出軸20之間的軸承48支撐。較佳地，中間軸36由配置在輸出軸20內部的兩個軸承50, 52支撐。將本發明的電傳動裝置與電動機或發電機對比，輸入軸IO相當於轉子， 輸出軸20相當於定子，不過在這裡是"可旋轉的定子"。因此，輸入軸10和 和中間軸36相當於一個分裂式轉子，其兩部分通過機械傳動裝置30, 32， 34 連接，特別地，該機械傳動裝置30， 32， 34是對稱的傳動裝置。在圖2中， 分裂式轉子在左側具有發電機部分，在右側具有電動機部分。由於機械傳動裝 置30， 32, 34,兩部分的運動方向相反。因此，發電機部分和電動機部分的速度和方向是反對稱的。該對稱是通過在一個(或多個)軸32 (或半軸)上支撐 使轉子的兩半部分在相反的方向上旋轉的齒輪30， 32, 34獲得的，所述軸32 又被支撐在輸出軸20， 28 (或分別在定子)內。為了根據輸入軸的速度控制輸出軸的速度，需要依賴於負載的轉矩產生。 這可以通過電功率的變化唯一獲得，而不必考慮電功率的頻率。通常，傳動裝功率產生，而不調製已產生的電功率本身(以降低電功率的方式)。 輸入軸和輸出軸之間差速的控制功率傳輸需要輸出速度低於輸入速度。可想到用以下的控制實施例來改變 可傳輸轉矩和輸出速度1、 將定子線圈(或技術上的其他選擇)和轉子上的永久磁鐵或不可控制 的螺線管短^各。2、 將定子線圈和轉子上的可控制的螺線管短路。3、 轉子上的永久磁鐵或不可控制的螺線管以及定子線圈可以通過開關進 行短路。4、 解決方案2和3的結合，例如，轉子上的可控制的螺線管與定子線圈 結合，也適合通過開關進行短路。以上可能的控制方法l-4在傳動裝置的"發電機"部分中無需利用電動 機部分是可行的。 一般而言，通過在電動機部分中獲得的以下用於控制的附加 的可能性，傳動裝置的發電機和電動機部分都可以使用5、 轉子上可控制的螺線管。6、 永久^t鐵或不可控制的螺線管。7、 由傳動裝置的發電機部分或由外部電源供電的部分連接的定子線圏。 還可以將電功率全部或部分放電給外部用電負載或蓄電池。進一步地，可以將該傳動裝置與電動機結合，所述電動機可將諸如來自蓄電池的電功率轉換 為轉矩、輸出軸的電功率和速度的附加的或唯 一 的來源。
權利要求
1、一種電傳動裝置，包括適於與驅動裝置連接的輸入軸(11)，以及通過電力傳輸裝置(18，26)與輸入軸(11)連接的輸出軸(20)，所述電力傳輸裝置(18，26)包括磁鐵(18)和開關裝置(46)，所述磁鐵(18)與輸入軸(11)連接並感應電功率進入與輸出軸(20)連接的線圈(26)，所述開關裝置(46)與線圈(26)連接，用於產生使輸出軸(20)旋轉的磁場，其特徵在於，在輸入軸(11)和輸出軸(20)之間設置有機械傳動裝置(30，32，34)，所述機械傳動裝置與第二電力傳輸裝置(36，42，44)連接，用於改變輸入軸(11)和輸出軸(20)之間的速度。
2、 如權利要求1所述的電傳動裝置，其特徵在於，所述磁場通過將單個 和/或所有的線圈(26 )短路來產生。
3、 如權利要求1或2所述的電傳動裝置，其特徵在於，所述機械傳動裝 置(30, 32, 34)具有齒輪傳動元件(30, 34 ),特別是斜角狀的齒輪傳動或 其他替換。
4、 如權利要求3所述的電傳動裝置，其特徵在於，所述齒輪傳動元件(30， 34)通過橫向軸(32)與輸出軸(20)連接，特別地，所述橫向軸(32)承載 至少一個齒輪(30)。
5、 如權利要求1 - 4中任一所述的電傳動裝置，其特徵在於，所述輸入軸 (11 )包括與所述至少一個齒輪傳動元件(30 )配合的前端齒輪傳動裝置(34 )。
6、 如權利要求1 - 5中任一所述的電傳動裝置，其特徵在於，所述第二電 力傳輸裝置(42, 44)通過中間軸(36)與所述機械傳動裝置(30, 32， 34) 連接。
7、 如權利要求1 - 6中任一所述的電傳動裝置，其特徵在於，所述中間軸 (36 )包括磁鐵(42 )和/或線圈，所述磁鐵(42 )和/或線圏與同中間軸(36 )機械地斷開的線圈(44)和/或磁鐵配合，用於產生轉矩。
8、 如權利要求1 - 7中任一所述的電傳動裝置，其特徵在於，與中間軸(36 )機械地斷開的的石茲鐵和/或線圈(44)由輸出軸(20)浮義載。
9、 如權利要求1 - 8中任一所述的電傳動裝置，其特徵在於，所述輸入軸 (10, 11)和輸出軸(20, 60)在軸向上至少部分重疊。
10、 如權利要求1-9中任一所述的電傳動裝置，其特徵在於，所述輸入 軸(10， 11)和^T出軸(20， 60)在軸向上至少部分重疊。
11、 如權利要求1 - 10中任一所述的電傳動裝置，其特徵在於，所述調製 裝置集成到電開關中。
12、 如權利要求1 - 11中任一所述的電傳動裝置，其特徵在於，所述石茲4失 (18, 88)至少部分設計成螺線管，並優選地與開關裝置連接。
13、 如權利要求1 - 12中任一所述的電傳動裝置，其特徵在於，所述開關 裝置(46， 68)包括調製裝置，特別用於調製頻率和/或電壓和/或電流。
14、 如權利要求1-13中任一所述的電傳動裝置，其中，所述速度控制受 依賴於負載的轉矩產生影響。
15、 如權利要求1 - 14中任一所述的電傳動裝置，其中， 一部分或全部的 電功率可以放電到其他用電負載或蓄電池。
16、 如權利要求1 - 15中任一所述的電傳動裝置，其中，所述速度控制受 改變電功率影響。
全文摘要
本發明涉及一種電傳動裝置，包括適於與如內燃機的控制裝置連接的輸入軸(10，11)。輸入軸(10，11)通過電力傳輸裝置(88，66)與輸出軸(20，66)連接。其中，電力傳輸裝置(88，66和18，26，42，44)包括與輸入軸(10，11)連接的磁鐵(18，42，88)，所述磁鐵感應電功率進入與輸出軸(20，60)連接的線圈(26，66)。利用與線圈(26，66)連接的開關裝置(46，68)，產生使輸出軸(20，60)旋轉的磁場。
文檔編號B60K6/48GK101218733SQ200680024600
公開日2008年7月9日 申請日期2006年7月3日 優先權日2005年7月4日
發明者佐格·奧登堡, 簡·諾曼 申請人:佐格·奧登堡;簡·諾曼