可變速的交流電驅動車輛的製作方法
2023-06-15 22:11:11
專利名稱：可變速的交流電驅動車輛的製作方法
技術領域：
本發明涉及電動車輛，特別是那種由外部電源供電的電動車輛。
由外部電源供電的電動車輛廣泛地應用在很多工業領域，特別是在採礦工業中，對安全的要求防礙限制了內燃機驅動的車輛在地下的應用。這種車輛一般都是由外部架空線或牽引式控制電纜提供交流電來獲取動力的。運輸車輛一般都採用架空線;而牽引式控制電纜則通常用於鏟鬥車。交流電流可以用來驅動交流電動機，或者經整流後驅動直流電動機。
現有的使用交流電動機的車輛在控制性能方面有幾個缺點。上述現有的交流控制器由於其尺寸、複雜性及環境敏感性，特別是加速度和機械振動的限制不能或不適合用於移動的車輛。結果，這種系統僅被用於單軌型的倉庫及回收系統，在有限的軌道內做有限的運動。例如在一個自動化倉庫裡沿著一個通道做有限的運動。在這種系統中，控制器不需裝在車上運輸，並且環境條件是便於控制的。
在低速時，交流電動機對「轉矩變動」是敏感的。這一點有損於操作的平滑性。在電動車輛中已經採用了交流電動機，但所用的是恆速的電動機。因此，這種車輛需要複雜的傳動裝置，並且要由熟練的操作者用離合器滑動技術來操作，才能以可變的速度開動車輛。
另一方面，直流電動機是較容易控制的。然而，在實用的情況下需要使用效率低的交流-直流電變換。這種交流-直流變換系統例如Minami的美國專利4，483，148中所使用的系統。
此外，直流電動機比交流電動機更複雜，它帶有易於磨損的電刷。因此，直流電動機的維護費用更高，並且可靠性不如交流電動機。由於線路阻抗造成的功率損耗，特別是長線路的損耗，採用架空線的方式也不適於從外部電源提供直流電力。
有些現有技術的系統同時採用交流和直流電動機，以便獲得兩種系統各自的優點。然而這會由於複雜性和重複性的增加而提高費用。例如授予Williams的美國專利4，099，589號描述了一種裝有交流和直流驅動電機的電車。這種車可以在停止之後再開動的短距離行駛期間由直流電動機單獨驅動，此時最重要的是控制性能。並且可以在速度相對恆定的長距離行駛期間由交流電機單獨驅動，在這種情況下要求有高的效率。然而，使用重複的電機會使費用增加，並且兩臺電機都依賴於一臺裝在車上用於發電的內燃機。
本發明的主要目的是1、提供一種由可變速交流電動機驅動的電動車輛，它可以在所有行駛速度下平滑和高效地工作;
2、如上所述的車輛可以由來自架空線的外部電源供電;
3、如上所述的車輛包括一臺裝在車上的輔助電源;
4、在如上所述的車輛中，裝在車上的輔助電源包括一個裝在車上的裝置，用來為可變速交流驅動電機提供後備交流電源;以及5、如上所述的車輛包括裝在車上用來在架空線和車載輔助電源之間進行區分和切換的裝置。
按照本發明，提供了一種以一臺交流電動機作為主發動機的電車，並且該電車與一條架空線連接。交流電動機連接到一個車載的可變速度控制器，並且在最佳實施例中當該電車從架空線斷開時可以切換到一個車載的交流輔助電源上。
上述輔助電源最好包括一臺車載的內燃發動機，用於發出交流電驅動作為主發動機的交流電機，或者用於直接向車上的驅動輪系提供機械功率。另一種方法是，輔助電源可以包括一個車載直流蓄電池，它可以連接到一個逆變器上，用於向主交流驅動電機提供交流電，或者接到一臺直流電動機上，直接驅動車輛。
從以下結合附圖的詳細描述中可以更容易地看出本發明的上述和其它特徵及其優點。
圖1是按照本發明的礦用車輛的整體視圖;
圖2表示一種較佳的車輛動力和驅動系統原理圖，其中使用柴油發電機作為輔助電源。
圖3是以直流蓄電池作為輔助電源的另一種車輛動力和系統的示意圖。
圖4表示另一種用柴油機直接向車輛的驅動輪系提供機械功率的車輛動力和驅動系統。
圖1表示一種適用於地下的電動礦用車輛10。一個關節式受電弓臂12從車上向上伸出，作為動力線與上方的導電架空線14實現電接觸。架空線14是一條限定車輛路經的曲線導軌。架空線上載有來自遠距離電源(未示出)的50或60赫茲的交流電，並且包括四個導體其中三個導體提供三相交流電，另一個則接地。上述每個導體均與變電弓臂12有電連接。
圖2原理性地說明了車輛驅動系統的一個較佳實施例。一個轉換開關16選擇性地從受電弓臂12和另一個車載備用電源接收交流電，如下文所述。開關16控制車輛各部分功能的交流供電。一個可編程序控制器(PLC)18響應車輛的工作狀態或駕駛員的手動選擇，自動地控制轉換開關16的功能。當架空線14與受電弓臂12形成適當的連接時，PLC18允許駕駛員啟動車輛的主驅動系統。
車輛的主驅動系統包括一個通用的脈寬調製(PWM)交流電機速度控制器20，它可以改變其輸出的交流電頻率。PLC18從駕駛員腳踏板(未示出)接收信號，控制速度控制器的輸出。電機控制器20最好裝在一個防塵的保護艙(未示出)裡，以防止灰塵及有害物質損害其工作性能。儘管普通的交流電機控制器很龐大，但是可以用一種交替冷卻系統替換普通的空氣冷卻系統，從而把控制器做得更加緊湊。作為用於運輸車輛的設備，為了防止振動造成的損害，電機控制器應該裝有減震器。
可變速度的交流驅動主電機24連接到電機控制器20的交流輸出端，並且從輸出軸25通過一個機械傳動裝置27的傳動齒輪箱26部分把動力傳送給一套與地面接合的車輪28，以便推進車輛。如果電動機直接耦合到車輪上，車的速度就直接與電動機速度成正比。對於典型的地下礦用運輸車輛來說，驅動電機24的額定容量大約為800馬力，儘管電機容量的變化可能很大，它取決於用途、運輸容量以及車輛的大小。
作為耦合到機械傳動裝置的單臺交流驅動電機的一種替代方式，可以把一套分開的可變速交流車輪電動機(未示出)與電機控制器20電連接，用於獨立地驅動每個車輪28。在這種實施例中，每臺電機的輸出直接連接到一個相應的車輪上。這種方式適用於大功率的車輛，因為四個中等型號的電機比一臺很大的電機具有較高的成本效率。使用多個車輪電動機還可以省去包括齒輪箱26的機械傳動裝置27。
按照另一個實施例(未示出)，可以用獨立的可變速交流驅動電機代替單個電機24驅動車上的每個軸。
轉換開關16還通過線31向一臺輔助三相交流電動機32提供交流電，該電機以恆速運行，並且分別通過驅動線33、35機械連接，用於驅動一個24伏直流發電機34和一個液壓泵36。發電機34為車上的直流電系統提供直流電，而液壓泵36為包括駕駛、翻鬥裝置及制動器的車輛液壓系統產生壓力。
一臺原動機例如柴油機54裝在車輛10上，作為輔助或後備動力源，用於在受電弓臂12從架空線斷開時，或是在其它不能使用主動力源的情況下使車輛開動。這一特點允許車輛用其自身的動力從一條架空線轉移到另一條架空線上，並能在沒有架空線的地方行駛。輔助驅動系統不需要很大的容量，因為在車從架空線14斷開時只需以低速爬行。
柴油發動機54驅動一臺三相交流發電機56，發電機電連接到轉換開關16，以便提供交流電。轉換開關16通過導線17向電機控制器20提供交流電，並且經導線21驅動電動機24使車輛行駛，以及通過導線31向輔助交流電機32供電，用於拖動液壓及直流電系統36.38。當需要輔助動力源時，就通過可編程邏輯控制器18傳送駕駛員的信號，啟動柴油發動機54。一旦該發動機開始工作，就啟動發電機56，備用電源就可以使用了。然後，PLC18使架空線14斷開並且把輔助動力源連接到電機控制器20和輔助電機32。PLC與柴油發動機之間的控制信號由線19傳送。PLC、PWM及轉換開關之間的控制信號通過線13和15傳送。除去由於車載動力源有限的可用功率使車速減低之外，上述動力轉換並不中斷車輛的運行。為了從輔助動力源重新連接到架空線14，可以執行類似的操作程序，由PLC18控制和監視全部所需的功能。
在圖3所示的另一個實施例中，車上裝有一個蓄電池42作為後備電源。蓄電池42與用於直流-交流以轉換的逆變器44電連接。逆變器44向轉換開關16提供交流電，由轉換開關16控制車輛主驅動系統和輔助交流電機32的供電。逆變器44的功能由可編程邏輯控制器18控制。蓄電池42由變壓器48和充電器59維持充電，它們從受電弓臂12獲取交流電並且轉換成直流電為蓄電池42充電。
在另一個沒有圖示的實施例中，蓄電池可以連接到一個直流驅動電機，該電機由一個機械功率傳送裝置可操作地連接到齒輪箱16。從而在受電弓臂12斷開時驅動車輛，此時雖然需要有單獨的直流電機速度控制器，但可以省去逆變器44。
再一個實施例如圖4所示，柴油發動機54的輸出可以通過一個輔助機械傳動裝置60直接連接到齒輪箱26，用於在受電弓臂12從架空線斷開時，或是在交流電主電源一旦失效時為車輛提供動力。
在最佳實施例中，該礦用車輛可以採用額定容量為560千瓦或大約800馬力的主交流電機24。一種合適的型號是瑞典Atlas公司出產的HXR355LC4B5E型電機。適用的轉換開關16可以選用設在London，Kentucky的西屋電氣元件部出產的產品，部件號為ATSBM31000-KJ。
電機控制器20是具有前述特徵的適用於礦井環境的通用裝置。適用的電氣參數應為額定容量1400安培，例如優自設在BrownDeer.Wisconstn的AllenBradley/Stromberh的產品，部件號為1352-BMC。適用的可編程邏輯控制器18也可以先用AllenBradleyPLC5/25，它具有多個獨立的模擬輸入及輸出端。適用的輔助柴油發動機54為F12L413FDeutz發動機，而相應的發電機56採用部件號為43IRSS的Lima發電機。
儘管採礦作業和方式是多種多樣的，以下描述的是一種最佳實施例中有代表性的操作循環。
在停用時，車輛停放在一個維護區或地下車庫內。車輛由輔助動力源拖動爬行到架空線處投入運行，通常爬行兩分鐘。受電弓臂鉤住架空線由外部電源供電駛向幾百至幾千米外的裝載區，大約運行20至30分鐘。裝載區通常遠離主動力線，以防裝載期間損壞動力線並且避免電氣危險事故。
然後，車輛靠輔助動力源爬行到裝載區並裝載。裝載作業通常需要兩分鐘。裝載之後，車輛爬行回到架空線處，鉤住架空線並且行駛到儘量遠的卸載區，通常行駛30分鐘。然後從架空線脫鉤，交用輔助動力源爬行到卸載區。卸載操作大約需要5分鐘。卸載後的車輛再爬行回到架空線處，鉤住架空線並重複上述循環。
工作過程結束後，車輛行駛到架空線距維護區最近點處，脫鉤並爬行到維護區內的停放空間。
通過以上藉助於較佳實施例及其它幾種變更方式所說明和描述的本發明的原理，應該看到，對熟悉本領域的技術人員來說，可以在不脫離上述原理的範圍內對所述實施例做出變更。我要求保護和發明不僅是上述實施例，還包括由權利要求書中合法的精神和保護範圍限定的所有這種變更、修改以及等效物。
權利要求
1.一種自行推進的車輛，具有例如車輪或履帶或類似物的一個被驅動的與地面接合的推進裝置，其特徵是上述車輛包括一個裝在上述車輛上的可變速交流驅動電動機；一個可操作地連接上述驅動電動機的傳動裝置，用於從上述電動機向上述推進裝置傳送動力，以便推動上述車輛；一個導電體，用於從一個交流電源向上述驅動電動機傳送交流電動率，以上激勵上述驅動電動機；以及一個裝在上述車輛上的電動機速度控制器，用於控制上述驅動電動機的速度，並由此控制上述車輛的對地速度。
2.如權利要求1所述斬車輛，其特徵是電源是遠離上述車輛的，並且上述導電體包括一個裝在上述車輛上的可以連接上述電源的受電弓。
3.如權利要求1所述的車輛，其特徵是上述電源是裝在上述車輛上的。
4.如權利要求2所述的車輛，其特徵是上述電源進一步包括一個裝在車輛上的後備輔助電源，以及一個操作開關，用來在上述遠距離電源和上述輔助電源之間進行選擇，以便向上述驅動電動機傳送交流電。
5.如權利要求4所述的車輛，其特徵是上述開關是自動操作的，以便在上述遠距離電源和上述輔助電源之間進行選擇。
6.如權利要求5所述的車輛，其特徵是包括一個可操作的連接到上述開關的可編程邏輯控制器，用於操作上述開關在上述遠距離電源和上述輔助電源之間進行選擇。
7.如權利要求1所述的車輛，其特徵是包括一個裝在車上的可操作的後備輔助動力源，用於向上述推進裝置提供動力。
8.如權利要求7所述的車輛，其特徵是上述後備動力源包括一個驅動一臺交流發電機的原動機。
9.如權利要求7所述的車輛，其特徵是上述後備動力源包括一個原動機和一個使驅動電機旁路的機械功率傳送裝置，並且可操作地連接到上述傳動裝置。
10.如權利要求7所述的車輛，其特徵是上述後備動力源包括一個蓄電池和一個交流-直流變換器。
11.如權利要求1所述的車輛，其特徵是上述傳動裝置包括一個設在驅動電機和推進裝置之間的機械傳動裝置。
12.如權利要求1所述的車輛，其特徵是上述推進裝置包括被驅動的與地面接合的輪子，並且上述傳動裝置包括一個可操作地把驅動電機連接到至少一個輪子上的機械傳動裝置。
13.如權利要求1所述的車輛，其特徵是上述推進裝置包括一個可旋轉的驅動部件，以及上述驅動電機包括一個與上述可旋轉驅動部件相鄰安裝的電機並且具有一個輸出軸直接耦合到上述驅動部件。
14.如權利要求1所述的車輛，其特徵是推進裝置包括被驅動的與地面接合的輪子，並且驅動電機包括用於上述每個車輪的分離的上述電機，所安裝的每個分離的電機直接驅動相應的車輪。
15.如權利要求1所述的車輛，其特徵是包括一個第二交流驅動電機，用於為裝在車上的附件提供動力，上述第二驅動電機由來自上述電源的電功率供電。
16.一種電車系統，其特徵是包括一個作為主電源的交流電源;一個車輛;一個裝在車上並且可以連接上述電源的可變速度交流電動機;以及一個與地面接合的裝置，用於移動車輛，並且可操作地連接到上述電動機。
17.如權利要求16所述的系統，其特徵是上述主電源在車輛行駛期間保護靜止狀態。
18.如權利要求16所述的系統，其特徵是上述主電源包括一導軌部分，用於限定一條大體上為直線的行車路經。
19.如權利要求18所述的系統，其特徵是包括一個裝在車上輔助動力源，以便在車輛從上述主電源斷開時能推進車輛。
20.如權利要求16所述的系統，其特徵是包括輔助驅動裝置，用於在車輛從上述主電源斷開時操作該車輛。
21.如權利要求20所述的系統，其特徵是上述輔助的驅動裝置是附帶在車上的。
22.如權利要求20所述的系統，其特徵是上述輔助驅動裝置可操作地連接到由其供電的上述交流電機。
23.如權利要求20所述的系統，其特徵是上述輔助驅動裝置可操作地連接到上述與地面接合的裝置。
24.如權利要求20所述的系統，其特徵是上述輔助驅動裝置包括一臺內燃發動機。
25.如權利要求16所述的系統，其特徵是包括一條附帶在車上的動力線，用於連接上述主電源。
26.如權利要求25所述的系統，其特徵是上述動力線包括一個電受弓。
27.如權利要求16所述的系統，其特徵是上述主電源可以連接到車上，為上述車輛提供三相交電流。
28.一種自行推進的與地面接合的車輛的推進方法，該車輛具有一個被驅動的與地面接合的部件，該方法包括在車上裝一臺可變速交流驅動電動機;選擇性地把上述驅動電動機連接到一個非車載的交流電源，或是連接到一個車載的交流電源;從上述驅動電動機的輸出向上述與地面接合的部件傳送機械功率，以便推進車輛;以及在車上由人工控制上述驅動電動機的速度，從而控制車輛的對地速度。
29.如權利要求28所述的方法，其特徵是，當上述非車載電源從裝在車上的動力線斷開時，把上述驅動電動機選擇性地連接到上述車載電源。
全文摘要
一種外部供電的電車，具有一臺裝在車上的可變速交流驅動電機，它由一條架空線獲取動力。該電車可以包括一個由蓄電池或內燃發動機構成的輔助動力源，以便當電車從架空線斷開時為車輛提供動力。
文檔編號B60L9/22GK1085169SQ9211248
公開日1994年4月13日 申請日期1992年9月30日 優先權日1992年9月30日
發明者羅伯特·D·斯特拉頓 申請人:華格納採礦和工程設備公司