用於工程機械的電傳動系的製作方法

2023-11-11 16:18:42 2

專利名稱：用於工程機械的電傳動系的製作方法
用於工程機械的電傳動系技術領域^/>開一般涉及電傳動系(electric powertrain )，具體涉及用於工程 機械的電傳動系。
背景技術：
傳統的工程機械(例如前端裝載機、推土機、開鑿機)通常可使用例 如柴油發動機、汽油發動機等內燃機或現有技術中已知的其他內燃機供給 動力。這些內燃機可在運行過程中發出不受歡迎的廢氣排放以及其他汙染 物。近些年來以及對於可預見的將來，減小一般對於內燃機、特別是對於 工程機械的廢氣排放已經成為管理關注的事。另外，例如，為了降低與化 石燃料價格上漲有關的上漲成本和/或進口油依賴，提高的車輛與工程機械 燃料效率已經變得愈來愈重要。至少在某種程度上受到新型的、未來的廢氣排放規章以及減小燃料消 耗的希望所驅動，已經在尋求對 供給動力的替代方法。 一種這樣的替 代方式與具有電氣部件(例如電動機、發電機、電子控制系統)的傳動系 的使用有關。這種電氣部件先前已用在某些車輛傳動系應用中。然而，這 種電氣部件一般在工程機械、特別在具有地面M履帶的工程機械中的使 用可存在不與其他類型車輛相關的幾種困難。具有地面掩^履帶的工程機械通常可用於實現需要高輸出轉矩和相對 較低最大地面速度的功能。另外，具有地面接合履帶的工程機械通常可用 於需要特別的牽引的環境和/或用於實現需要高牽引杆拉力的功能，例如一 般在大約一和一點五倍的工程機械重量範圍內的牽引杆拉力，以便實現例 如推拉泥土等功能。這樣的應用通常需要高輸出轉矩和小於大約例如9mph 的、相對較低的地面速度。另外，人們可能希望具有地面接合履帶的工程機械具有這樣的無限可變變速機構(transmission):其防止發動機的過度 過載(lugging)、消除漂移(shifting)並降低對過度的操作者控制的需求， 同時，仍提供高效的傳動系統。結果， 一般對於工程機械、特別是對於具 有地面接合履帶的工程機械來說，希望具有這樣的傳動系其具有高的效 率和可變速度控制，以〗更實現這些功能。具有地面接合履帶的工程機械可常常進行循環(cycling)應用。循環 應用是這樣的應用其中，工程機械的使用可需要重複的起動、停止和方 向反轉。例如，推土機可在前進方向上推土、停止、反轉方向、再次停止、 再次在前進方向上推土 。這種循環應用的另 一實例發生在履帶型前端裝載 機的典型運行過程中，其可重複地在拾取泥土負載的同時向前移動、在承 載負栽的同時向反轉方向移動、迴轉、在承載負載的同時在前進方向上移 動、抬升負載並將負載倒入翻鬥車中，並反轉方向以便從翻鬥車處退走。 這些示例性的循環通常在快速序列中重複多次。作為這種循環應用的結果， 當工程機械停止時，必須吸收與移動工程機械相關聯的動能。另外，由於 高的最終驅動齒輪比(其可與例如具有高牽引杆拉力的需求相關聯)，與 工程機械的移動相關聯的大量慣性在停止時通常可被^Jt回到工程機械的 傳動系。因此，由於可能與具有地面接合履帶的工程機械相關聯的、典型 的循環應用，人們希望提供這樣的工程機械傳動系其能夠傳送大量動能 並具有相對較低的慣性，以便減小循環應用過程中慣性的影響。可能需要具有地面接合履帶的工程機械在典型地對冷氣式機械有害的 環境中運行，例如沼澤狀條件或灰塵很多的條件。這些條件可能使得使用 傳統的、依賴於可能迅速堵塞的空氣過濾器的冷卻系統令人較不滿意。另 外，氣冷式部件迅速充滿塵土或泥巴，由此妨礙了充分製冷，並導致過早 的部件故障。結果，傳統的氣冷式電氣部件可能不適用於在這些環境下運 行的工程;Wfe。具有地面M履帶的工程機械可能具有用於安放傳動系部件的有限的 空間。結果，人們可能希望使用相對於其功率和/或轉矩輸出相對較為緊湊 的傳動系部件，^f吏得它們具有高的功率密度。然而，許多傳統的氣冷式電動機缺乏用於工程機械的足夠功率密度。因此，人們可能希望提供一種具 有有著高功率密度的傳動系的、帶有地面接合履帶的工程機械。具有地面M履帶的工程機械一般可包含一個或一個以上的、用於執行與特定工程機械相關聯的任務的工程器具(work implement),其可經 由例如一個或一個以上由液壓系統致動的液壓汽釭iM^行。例如， 一個或 一個以上的液壓汽缸的致動可用於升高和降低推土機的刀片，和/或升高和 降低前端裝載機或開鑿機的伊鬥。這種液壓系統可包含用於將壓力傳至液 壓系統的一個或一個以上的泵。這種泵一般可經由內燃機得到驅動。結果， 內燃機不僅可用於推進工程機械，其還可用於對由液壓汽缸致動的多種工 程器具提供動力。結果，隨著液壓泵上的要求變大，例如當開鑿機伊鬥中 的負載被升高時，可要求內燃機提供更多的動力，這通常可通過增加提供 給發動機的空氣與燃料量以增加其發動機速度來實現。然而，有些時候，不能響應於向M泵提供動力的動力需求的突然增 大而足夠快地實現空氣與燃料的增加。這可導致發動機過載或失速 (stalling)。另外，當內燃機能夠通過增大其發動機速度來充分響應突然 的液壓泵需求時，通常可導致更多的廢氣排放和更小的燃料效率。因此， 人們可能希望提供這樣的系統其可對於機動力以及操作工程機械器具提 供充足的動力以便不使內燃機過載或失速，並且不產生任何明顯的附加排 放或減小的燃料效率。2004年2月17日授予Wolfgang等人的美國專利No.6，691,806 (， 806 專利)介紹了一種具有與用於推進的電動機結合的內燃機的履帶車。，806 專利介紹了用於這樣的履帶車的驅動單元該履帶車具有第一與第二發電 機和驅動發動機的第 一與笫二內燃機以便對兩對第 一與第二電動機供給動 力，每對電動機用於驅動位於車輛一側的履帶。對部件進行布線，使得如 果車輛、特別是軍用車輛糹皮部分損壞，車輛能夠繼續移動。儘管，806專利的履帶車包含用於移動的電動機、內燃機、發電機的 組合，，806的車輛不是工程機械，不能解決這裡在上面列出的、與工程 機械相關聯的問題。所公開的工程機械可被指向克服上面所述的一個或一個以上的問題。 發明內容在一個實施形態中，^^開包含一種電傳動系，該電傳動系包含發 動機，其被配置為提供機械能；發電機，其可操作地耦合到發動機，並被 配置為將至少一部分機械能轉換為電能。該電傳動系還包含可操作地耦合 到發電機的至少一個電動機、多個驅動元件、至少一個淨皮配置為對發動機 與發電機中的至少一個進行控制的功率電子單元。所述至少一個電動M 配置為提供用於所述多個驅動元件的轉矩。在另一實施形態中，本公開包含一種工程機械，該工程機械包含發 動機，其被配置為向工程機械提供機械能；發電機，其可操作地耦合到發 動機，並被配置為將至少一部分機械能轉換為電能。該工程機械還包含可 操作地耦合到發電機的至少一個電動機，所述至少一個電動機具有高的功 率密度。該工程機械還包含位於工程機械各側的驅動元件以及可操作地耦 合到所述至少一個電動機與驅動元件的差動操舵單元。差動操舵單元被配 置為有選擇地控制供給各個驅動元件的轉矩量。工程機喊還包含被配置為 推進工程機械的地面接合元件。地面接合元件可操作地耦合到驅動元件， 所述至少一個電動機被配置為提供用於驅動元件的轉矩，使得地面M元 件推進工程機械。在又一實施形態中，本公開包含一種工程機械，該工程機械包含至少 一個工程器具、被配置為向工程機械提供機械能的發動機、可操作地耦合 到發動機且被配置為將至少一部分機械能轉換為電能的發電機。工程,至少兩個驅動元件。工程機械還包含被配置為推進工程機械的地面接合元 件，地面掩^元件可操作地耦合到驅動元件。所述至少兩個電動機可^^t 地耦合到所述至少兩個驅動元件，使得轉矩經由所述至少兩個電動機中的 一個被提供到所述至少兩個地面接合元件中的一個，且轉矩經由所述至少 兩個電動機中的另 一個禎:提供到所述至少兩個地面M元件中的另 一個。在又一實施形態中，^/>開包含一種工程機械，該工程機械包含至少一個工程器具、被配置為向工程^提供機械能的發動機、可操作地耦合到發動機且被配置為將至少一部分機械能轉換為電能的發電機。工程機械 還包含至少 一個可操作地耦合到發電機的電動機，所述至少 一個電動機包 含密封無刷液冷式電動機。該工程機械還包含位於工程機械各側的履帶驅 動元件以及被配置為對工程機械進行推進的地面接合元件。地面接合元件 可操作地耦合到驅動元件，且所述至少一個電動機陂配置為對驅動元件提 供轉矩，使得地面接合元件推進工程機械。在又一實施形態中，本公開包含一種運行工程機械的方法，該工程機 械包含多個地面接合元件以及至少一個工程器具。該方法包含運行被配置 為向工程機械提供機械能的發動機，並經由可操作地耦合到發動機的發電 機將至少一部分機械能轉換為電能。該方法還包含通過經由供自可操作地 耦合到發電機的至少一個電動機的轉矩驅動地面接合元件來推進工程機 械，並通過可操作地將至少一個功率電子單元耦合到發動機與電動機以及 經由所述至少一個功率電子單元控制發動機與發電機中的至少一個來控制 發動機與發電機中的至少一個。


圖1為示例性工程機喊的側視圖；圖2為工程機械的原理框圖，該工程機械具有根據示例性公開實施例 的電傳動系；圖2A為工程機械的原理框圖，該工程機械具有根據示例性公開實施 例的電傳動系；圖3為工程機械的原理框圖，該工程機械具有根據示例性公開實施例 的電傳動系；圖4為工程機械的原理框圖，該工程機械具有根據示例性公開實施例 的電傳動系；圖5為工程機械的原理框圖，該工程機械具有根據示例性公開實施例的電傳動系。
具體實施方式
圖1示出了示例性工程機械10，其可包含電傳動系12 (參見例如圖 2-5)。儘管圖1所示的工程機械10為履帶型拖拉機，工程機械10可以為 履帶型裝載機、液壓開鑿機、滑移操舵裝栽機、農用拖拉機、輪式裝載機 或本領域技術人員所知的其他工程機械。工程機械10可包含用於容納動力 源16的主框架14。動力源16可被配置為向工程機械10的多種系統提供 動力。工程機械10還可包含工作站18，並可進一步包含承載位於主框架 14的相向側的地面接合元件22 (例如兩個地面接合履帶)的底盤20，地 面接合元件22被配置為#^地面並推進工程機械10。底盤20可被配置為支撐位於主框架14的相向側的兩個推臂24。推臂 24可在一端連接到工程器具26,例如^皮配置為推和/或拉例如泥土的、推 土機的刀片。各個推臂24的另 一端可被連接到位於主框架14的相向側的 滾軸框架(roller frame) 28。工程機械26或刀片的替代性布置通過功率 角傾斜布置或PAT (未示出)連接到主框架14。工程機械10還可包含一 個或一個以上的位於工程機械10的相向側的抬升汽缸30，其可在一端連 接到底盤20，並在另一端連接到工程器具26。抬升汽缸30各自可包含,皮 配置為響應於操作者指4^f申縮的液壓致動器，J吏得可經由推臂24相對於底 盤20的繞軸旋轉將工程器具26相對於地面升高或降4氐。工程機械10可進一步包含一個或一個以上的位於工程機械10前端附 近的傾斜汽缸32，其可,皮連接到工程機械26和推臂24。所述一個或一個 以上的傾斜汽缸可被配置為響應於操作者指令伸縮，使得工程器具26可相 對於工程機械10左右傾斜或前後仰俯。底盤20可包含一個或一個以上的驅動元件34與36 (參見圖2-5 )， 例如履帶驅動元件，其各自位於工程機械10的相向側。例如，驅動元件 34與36為齒輪減速最終驅動器，其被配置為從電傳動系12向各個地面接 合履帶22傳送轉矩。底盤20還可包含一個或一個以上的惰輪38、 一個或一個以上的中輥40以及一個或一個以上的與各地面掩^履帶22相關聯的 託輥42，其可被配置為引導地面^履帶22並將工程機械10的重量分布 到與地面毗連的地面^履帶22上。圖2-5示出了被配置為向工程機械IO提供動力的電傳動系12的幾個 示例性實施例。參照圖2，電傳動系12包含發動機44，例如柴油發動機、 汽油發動機、天然氣發動機、燃氣輪機發動機或現有技術中已知的任何其 他發動機。發動機44可以有效地與發電機46相關聯，並可驅動發電機46， 使得來自發動機44的機械能被轉變為電能。發電機46可為任何已知AC 或DC發電機，例如7Jc^體、感應、開關磁阻或以上的混合組合，也可為 例如密封、無刷和/或液冷式，以便提供更為耐用的設計。發電機46可用 於提供電能以便對一個或一個以上的電動機48供給動力。電傳動系12可 進一步包含可操作地耦合到發電機傳感器54 (例如速度傳感器)的發電機 控制器52和功率電氣裝置50。功率電子裝置50可包含功率變換器、變換 器控制器和/或被配置為控制至少一部分機械能到電能的轉換的發電機軟 件。作為替代方式(未示出)，發電機可包含代替功率電子裝置50的整流 器，且基於所用控制邏輯不需要速度傳感器。發電機控制器52可被配置為 控制來自發電機46的交流到直流高電壓的轉換，並可經由發電機傳感器 54監視發電機46的運行。電傳動系12還可包含電能存儲系統56，例如電池和/或超級電容器或 飛輪(flywheel)，以便存儲由發電機46產生的任何多餘電能和/或用於提 供當起動工程機械10和/或在工程機械10運行過程中可能需要的任何附加 電能。舉例而言，當工程^10在低負載^Hf下運行時，例如其既不在地 面上行駛也不操作其任何器具(例如工程器具26)時，發動機44可持續 以給定的發動機速度或發動fcl度範圍運行。在這種相對較低的負載^Ht 下，例如，可以更為高效地運行工程機械10，且發電機46可繼續將, 能轉換為可被存儲在電能存儲系統56中的電能。作為替代的是，對於工程 機械10以給定速度在地面上行駛以及操作者命令工程器具執行任務(例如 操作者命令容納泥土負載的4產鬥在工程機械保持移動的同時升高)的情況，電能存儲系統56可提供超過發電機46所產生電能的附加能量，並可防止 發動機過載或失速，和/或可防止工程機械10變慢。電傳動系12可進一步包含電動機控制器58、可操作地耦合到電動機 48和至少一個電動機控制器58的功率電子裝置60和/或電動機傳感器62 (例如速度傳感器)。然而，應當明了，基於所使用的邏輯，可不需要速 度傳感器62。功率電子裝置60可包含功率變換器、變換器控制器和/或電 動機軟體，並可被配置為對提供到電動機48的電量進行轉換和控制，由此 提供對於工程機械10的推進的轉矩與速度控制。功率電子裝置60可被容 納在密封且液冷式的搶室中。例如，發電機46可經由功率電子裝置50、 發電機控制器52、電動機控制器58和/或功率電子裝置60與電動機48有 效關聯。儘管以單數被談及，電動機48可為一個以上的電動機，且電動機48 在圖2中的圖示可表示一個以上的電動機，例如兩個或兩個以上通過齒輪 或齒輪系機械結合的電動機。藉助M電機46和/或電能存儲系統56接收 電能，電動才幾48產生用於驅動機械鏈路(link) 66——例如齒輪組件—— 的轉矩。電動機48可為任何已知AC或DC電動機，例如永磁體、感應、 開關磁阻或上述的混合結合，也可為密封、無刷和/或液冷式。電傳動系12 可還包含主控制器64,其被配置為對發動機44、發電機控制器52、電能 存儲系統56和/或電動機控制器58進行控制，使得電傳動系12可以以協 調和受控方式運4亍。機械鏈路66可與差動操舵單元68 (例如授予Riediger等人的美國專 利No.4，434,680所公開的差動操舵單元)或任何其他已知操航單元有效關 聯，以便將電動機48的速度與轉矩匹配到驅動元件34與36的希望推進輸 出。差動操舵單元68可被配置為將來自 鏈路66的轉矩傳送到履帶驅 動元件34和36中的一個或二者，以便操作地面*履帶22。差動操舵單 元68可包含一個或一個以上的行星齒輪系(未示出)，該齒輪系允許根據 操作者指令調節從機械鏈路66傳送到各驅動元件34與36的轉矩量。差動操舵單元68也可與可被配置為有選擇地施加導致驅動元件34和36中的一個或二者的變慢的制動力的制動裝置70與72相關聯。作為替代 或作為附加的是，例如，在工程機械10的制動過程中和/或在電動機48和 /或發電機46的變慢過程中，電動機48可作為發電機運行，發電機46可 作為電動機運行。例如，電動機48可被配置和控制為使得工程機喊10可 在將電動機48用作發電機的同時變慢，由此將與工程機喊10相關聯的動 能轉換為可在電能存儲系統56中存儲的電能。另外，電動機48的慣性和 速度還可在電動機48變慢過程中轉換為電能。另外，例如，發電機46可 作為電動機運行，以便提供回到發動機44的輸入，從而在電傳動系12經 受能量過剩的時間段中對發動機44進行超速。這可減低發動機44的排放 和/或燃料消耗。作為替代方案，這種過剩的能量可在阻抗性網絡(resistive grid)(未示出)中耗散。電傳動系12還可包含與差動"^舵單元68有效關聯的操舵電動機74。 操航電動機74 4皮配置為有選擇地調節傳送到各驅動元件34與36的轉矩 量，使得基於操作者指令工程機械10可在徑直向前的方向、徑直向後的方 向被推進以及藉助有選擇地調節傳送到各驅動元件34與36的轉矩量在前 進或反向方向上行駛的同時轉向。操舵電動機74可通過M流體壓力、電 力和/或其他動力源供以動力。操舵電動機74可通過有選擇地固定、在前 進方向上旋轉或在反向方向上旋轉差動操舵單元68的一個行星齒輪系的 一部分(例如環形齒輪)來有選擇地調節傳送到驅動元件34和36的轉矩， 從而對施加到驅動元件34和36的轉矩進行偏置。或者，根據操舵電動機 74的旋轉方向和速度改變，改變^舵電動機74的速度可分別增大或減小 驅動元件34和36的速度。根據某些實施例，傳動系12可包含替代性的操舵控制，例如如圖2A 所示。代替差動操舵單元68的是，機械鏈路66可以可操作地直接連接到 離合器與制動器系統69。離合器與制動器系統69可包含分別用於驅動元 件34與36的離合器71與73以及制動器79與72。制動器70與72以及 離合器71與73可響應於來自主控制器64的電氣信號和/或液壓源(未示 出)來對工程機械10進行操舵。離合器71與73可交替接合和解除^，以便分別連接和斷開施加到工程機械10的驅動元件34與36的驅動力。離 合器71與73可用控制壓力或信號進行操作以便#驅動元件34與36。 具體而言，離合器71和/或73可被完全接合，並以最大壓力或控制信號向 驅動元件34和36傳送動力。在最小壓力或控制信號下，離合器71和/或 73可完全解除^，沒有動力傳送到驅動元件34與36。在這些極端之間， 離合器71和/或73可被配置為通過與控制壓力或信號成比例的百分比"滑 移(slip)"，使得例如僅部分動力可4皮傳送到驅動元件34與36。控制壓 力的精確調製可產生驅動元件34與36之間的準確速度差動。根據某些實施例，離合器與制動器系統69可被配置為例如使得';^a或電動力的損耗必然使得離合器71和73被完全解除接合，以便作為故障安 全條件從驅動元件34和36移除動力。應當明了，離合器71和73可二者 擇一地施加彈力(spring-applied)和釋方文壓力。類似地，離合器與制動器系統69可進一步包含制動器70與72，制動 器70與72可交替致動和釋放，以便分別制動與釋放工程機械10的驅動元 件34與36。典型地，制動器70與72可為液壓^Mt盤狀，壓力用於對施 加彈力的制動器進行解除接合。例如，最大制動壓力可完全解除4^制動 器70和/或72，最小壓力可完全掩^制動器70和/或72。對應地，中間壓 力可產生初始制動，其通常^皮稱為"觸式(touch up)"。離合器與制動 器系統69可被配置為例如使得液壓的損耗必然導致制動器70與72被完全 彈簧接合，以便作為故障安全條件停止工程機械IO。也可為工程機械10提供冷卻系統76，並將之配置為為工程機械10的 多種系統提供足夠的冷卻，這些系統包括例如發動機44、發電機46、電動 機48、機械鏈路66、差動操舵單元68、操舵電動機74、功率電子裝置50 和/或60、電能存儲系統56和/或可與工程機械10相關聯的液壓系統78。 製冷系統76可包含與發動機44相關聯的水(和/或乙二醇和/或其他防凍劑 /製冷劑液體)和/或油製冷系統，其可被擴展為對於一個或一個以上的上述 系統提供製冷。作為替代或作為附加的是，M系統78可包含冷卻器(未 示出)並可被擴展為經由液壓流體為 一個或一個以上的上述系統提供製冷。現有技術中已知的其他製冷系統可用於為工程機械10提供製冷。在某些實施例中，工程機械10可包含液壓系統78，其用於操作工程 機械10的多個液壓部件，例如用於操作工程器具(例如圖1所示的示例性 工程器具26)的液壓致動器。液壓系統78可包含一個或一個以上的用於 對液壓系統78中的液壓流體進行加壓以便操作液壓致動器的泵。如上所 述，液壓系統78可包含用於對液壓流體進行製冷的製冷系統，例如製冷系 統76，其可在多個工程器具的操作過程中經受溫度的上升。用於液壓系統 的製冷系統76可包含製冷器，並可被擴展為對工程機械10的其他系統—— 例如可與工程機械10相關聯的發動才幾44、發電機46、電動機48、 W^鏈 路66、差動操舶單元68、操舵電動機74、功率電子裝置50與60和/或電 能存儲系統56—一進行製冷。工程機械10可進一步包含多種附件80，例如用於使來自發動機44的 製冷水(和/或乙二醇和/或其他防凍劑/製冷劑液體)循環的水泵、空氣調 節壓縮機、用於起動發動機44的起動器電動機和/或其他傳統上可由被發 動機44驅動的皮帶供給動力的多種裝置。這多種附件80可由電動機通過 電能驅動，而不是由皮帶。因為不再要求這多種裝置可通過一個或一個以 上的皮帶由發動機44驅動，在它們將布置在工程機械10上時，這可提供 更大的多樣性，並可減小與皮帶故障相關聯並導致更換的維護費用以及部 件與組裝費用。圖3示出了具有電傳動系12的工程機械10的另一示例性實施例。與 圖2的示例性實施例形成對照，圖3中的電傳動系12不包《^W^鏈路66。 相反，電動機48以直接方式有效連接到差動操舵單元68。這樣的配置可 消除可能在機械鏈路66——其可包含例如正齒輪和/或傘齒輪等齒輪組 件一_中發生的固有效率低下。另外，圖3所示示例性實施例可在工程機 械10的主框架14內產生更為高效的空間使用，並可產生與差動操舵單元 68相結合的電動機48的更為高效的封裝。圖4示出了具有電傳動系12的工程機械10的又一示例性實施例。與 圖2與3的實施例形成對比的是，圖4所示電傳動系12包含一個以上的電動機18 (例如兩個電動機48)，其各自配置為驅動地面接合元件對22 (例 如地面^履帶)中的一個。根據圖4的實施例，發電機46經由與發電機46相關聯的功率電子裝 置50以及與兩個電動機48相關聯的至少一個(例如兩個)功率電子裝置 單元62電氣連接。電動機48各自分別耦合到驅動元件34與36中的一個。 功率電子裝置60控制兩個電動機48，使得它們可以以協調的方式運行以 便以操作者指令的方向推進工程機械10。例如，通過有選擇地在前進或反 向方向向驅動元件34與36施加更大或更小的轉矩，電動機48可在徑直前 進方向、徑直反向方向、在前進方向上彎向左或右的方向或在反向方向上 彎向左或向右的方向推進工程機械。由於電動機48可彼此獨立地有選擇地 在前進或反向旋轉方向上向驅動元件34和36施加更大或更小的轉矩，可 從此實施例省略差動操航單元、操舵電動機、動力傳送裝置和/或操舵離合 器與制動器系統。圖5示出了具有電傳動系12的工程機械10的另一示例性實施例。與 圖2-4的示例性實施例形成對比的是，圖5所示電傳動系12包含三個電動 機48，然而，應當明了，兩個或兩個以上的電動機48與所示出的三個功 能類似，各自向行星齒輪單元68'提供輸入。各電動機48可以可操作地 耦合到可被配置為供給各電動機48的電力和/或控制運行的、對應的電動 機控制器58和功率電子裝置單元60。各電動機48可向行星齒輪單元68， 供給轉矩輸入，使得工程機械10以操作者指令的方式被推進和操舵。工業應用小生所公開的具有電傳動系的工程機械可適用於任何工程機械，例如具有 地面接合履帶的工程M，或現有技術中已知的任何其他工程機械，其中， 除其他的以外，人們可能希望降低廢氣排放和/或改進燃料效率。藉助在工 程機械上使用電傳動系，廢氣排放可得到降低，燃料效率可得到提高。具 有電傳動系的示例性工程機械的運4亍將在下面闡述。參照圖2，發動機44與發電機46有效關聯，使得發電機46旋轉，由此將來自發動機44的機械能轉換為電能。發電機44可以以一個或一個以 上的預定發動M度(例如發動機速度範圍)運行，使得其廢氣排放最小 化，且其燃料效率最大化，因為發動機速度不與施加到履帶驅動元件34 和36的轉矩直接相關。另外，發動機44和發電機46可經由例如適當的齒 輪裝置有效連接，使得發電機46以用於最大化其電能轉換效率的最優旋轉 速度被驅動。例如，功率電子裝置50和發電機控制器52可與發電機46協調關聯， 以4更控制機械能到電能的轉換。功率電子裝置60和電動機控制器58可與 電動機48協調關聯，以便以受控方式將電能供給電動機48。主控制器64 可控制發動機44、發電機控制器52和/或電動機控制器58、附件80、電能 存儲裝置56或阻抗性網絡(未示出)，以便最優化發動機速度和發動機負 載和/或發電機速度和/或發電機負載，從而減小(例如最小化)廢氣排放和 /或增大(例如最大化)發動機44的燃料效率。主控制器64可最大化發電 機46的電能轉換效率。例如，主控制器64可用於允許發動機44以相對較 低的發動機速度運行以便最大化燃料效率和/或最小化廢氣排放，無論工程 機械10的實時功率需求如何。另外，通過最優化其負載和/或旋轉速度， 主控制器64可用於最大化發動機46的運行效率。發電機46可向電能存儲系統56和/或電動機48提供電能。例如，當 工程機械操作者向電傳動系12發送指令時，可為電動機48提供適當的量 的電能。電動機48將電能轉換為轉矩並根據操作者的指令以前進或反向方 向旋轉。電動機48所產生的轉矩施加到機械鏈路66，其將來自電動機48 的轉矩轉換為由差動操舵單元68使用的適當的速度和方向。差動操舵單元 68使用一個或一個以上的行星齒輪系，以便以適當的量向每個驅動元件34 和36 (例如履帶驅動元件)傳送轉矩。操舵電動機74通過有選擇地防止 差動操舵單元68的一個行星齒輪系的一部分(例如環形齒輪)旋轉、以第 一方向旋轉該部分或以第二方向旋轉該部分來操作該部分。通過防止該部 分的旋轉，基本上相等的量的速度被傳送到驅動元件34與36。通過以笫 一方向旋轉該部分，相對較大的速度可被傳送到驅動元件34與36中的一個，通過以另一方向旋轉該部分，相對較大的速度可被傳送到另一驅動元件34和36。基本相等量的速度向各個驅動元件34與36的傳送導致工程 機械10以基本直線行駛。向驅動元件34與36中的一個傳送相對較大的速 度導致工程機械10以非線性方式行駛或樞軸轉動。為了協助對工程M 10進行轉向、停止工程機械10的行駛和/或減緩工程機械10的行駛速度， 工程機械10的制動裝置70與72中的一個或二者可被致動，以便在驅動元 件34和36上施加阻抗性轉矩。參照可淨嫂送到電能存儲系統56的電能，存儲在電能存儲系統56中 的電能可被用於例如起動發動機44和/或提供用於運行工程機械10上的多 種附件(例如空氣調節單元和用於使冷卻流體在發動機44和/或工程M 10上的多種液冷式系統中循環的電水泵)的補充能量。電能存儲系統56 也可用於在需要附加能量時提供補充電能，例如當工程機械10被推進，同 時又運行工程器具時。電傳動系12可包含制動裝置70與72，其可被配置為有選擇地施加導 致驅動元件34和36中的一個或二者變慢的制動力。制動還可通過^f吏電動 機48作為,皮配置為通過向驅動元件34和36施加電力再生負載來4吏工程機 械10變慢的發電機來提供。例如，在工程機械10在斜坡上向下行駛時， 工程枳械10至少可在某種程度上通過由一個或一個以上的電動機48 (其 作為被配置為將與驅動元件34和36相關聯的、由重力在斜坡上拉下的工 程機械10的動能轉換為電能並通過例如在電能存儲系統56中存儲電能以 便將電能傳送到工程機械10的發電機)建立的阻抗性轉矩或通過發電機 46 (其作為驅動發動機44的電動機)的向後驅動而減緩。或者， 一個或一 個以上的電動機48所建立的電能可在阻抗性網絡上耗散。製冷系統76可用於對發動機44以及電傳動系12的多種元件進行制 冷，其可以是密封且液冷式的。特別地，發動機46和/或電動機48可被密 封和液冷，以便提供更為耐久和緊湊的設計，使得例如電動機48具有更高 的能量密度和更低的慣性，使其能夠更為迅速和高效地停止和反轉方向。'^i系統78可用於向液壓致動器提供受壓的M流體，以便操作工程機械10上的工程器具。例如，參照圖1，與一個或一個以上的抬升汽缸30 相關聯的液壓致動器可被致動以便升高和降低工程器具26,與一個或一個 以上的傾斜汽釭32相關聯的液壓致動器可被致動以便左右傾斜工程器具 26。另外，受壓的液壓流體可被用於操作用於對工程機喊10進行操舵的操 舵電動機74。參照圖3所示的示例性工程機械電傳動系12,電動機48可以以直接 的方式有效連接到差動操舵單元68，以便直接向差動操舵單元68提供轉 矩。傳送到差動^^舵單元68的轉矩用於以與上面參照圖2所示示例性實施圖4所示示例性實施例包含兩個電動機48。發電機46可操作地耦合 到各電動機48，各電動機48耦合到驅動元件34與36(例如履帶驅動元件) 中相應的一個。例如，發電機46可被可操作地耦合到功率電子裝置50、 發電機控制器52以及發電機傳感器54，各電動機48可被可操作地耦合到 電動4幾控制器58、功率電子裝置60、電動機傳感器62。主控制器64可控 制發電機控制器52和電動機控制器58，其又分別控制與發電機46相關聯 的功率電子裝置50以及與各電動機48相關聯的各功率電子裝置60，使得 它們可以用協調的方式運行，以便在操作者指令的方向上推進工程機械 10。例如，通過有選擇地將前進或反向方向上更大或更小的速度施加到驅 動元件34與36,電動機48可在徑直前進的方向、徑直反向的方向、在前 進或反向方向上彎向左或彎向右的方向上推進工程機械10。圖5所示示例性實施例包含被配置為向行星齒輪單元68'提供輸入的 三個電動機48,然而，可使用兩個或更多的電動機48。發電機46可^^作 地耦合到各電動機48，各電動機48耦合到行星齒輪單元68，，其又可操 作地耦合到驅動元件34與36。例如，發電機46可被可操作地耦合到功率 電子裝置50、發電機控制器52和發電機傳感器54，(如較早時候所提到 的，可代替功率電子裝置52使用整流器，基於所使用的控制邏輯，可不需 要發電機傳感器54 )，各電動機48可被可操作地耦合到電動機控制器58、 功率電子裝置60、電動機傳感器62。主控制器64可控制發電機控制器52和電動機控制器58 ，其又分別控制與發電機46相關聯的功率電子裝置50 以及與各電動機48相關聯的各功率電子裝置60，使得它們可以以協調的 方式提供到行星齒輪單元68'的輸入，並以操作者命令的方向推進工程機 械10。例如，通過以協調的方式經由主控制器64有選擇地操作三個電動 機48，電動機48可在徑直前進的方向、徑直反向的方向、在前進或反向 方向上彎向左或彎向右的方向上推進工程機械10。本領域技術人員將會明了 ，可對所公開的具有電傳動系的工程機械進 行多種修改和改變。本領域技術人員可由對說明書的考慮和對所公開的工 程機械實踐想到其他的實施例。說明書和示例僅僅是示例性的，真實範圍 由所附權利要求書及其等價內容指出。
權利要求
1.一種電傳動系(12)，其包含發動機(44)，其被配置為提供機械能；發電機(46)，其可操作地耦合到所述發動機，並被配置為將所述機械能的至少一部分轉換為電能；至少一個電動機(48)，其可操作地耦合到所述發電機；多個驅動元件(34，36)；以及至少一個功率電子裝置單元(50，60)，其被配置為控制所述發動機與所述發電機中的至少一個，其中，所述至少一個電動機被配置為對於所述多個驅動元件提供轉矩。
2. 根據權利要求l的電傳動系，其中，所述至少一個電動機包含密封 無刷液冷式電動機。
3. 根據權利要求l的電傳動系，其還包含差動操舵單元(68)，該單 元可操作地耦合到所述至少一個電動機，所述差動操舵單元被配置為可選 擇地控制提供給所述多個驅動元件中的每一個的轉矩的量。
4. 根據權利要求3的電傳動系，其還包含操舵電動機(74)，該電動 機可操作地耦合到所述差動操舵單元，所述操舵電動機陂配置為有選擇地 控制提供給所述多個驅動元件中的每一個的轉矩的量。
5. 根據權利要求1的電傳動系，其中，所述至少一個電動機包含7JUt 體型電動機、感應型電動機、開關磁阻型電動機中的至少一個。
6. 根據權利要求l的電傳動系，其中，所述發電機與所述至少一個功 率電子裝置單元是密封且液冷式的。
7. 根據權利要求l的電傳動系，其還包含再生制動系統(70， 72)， 該系統被配置為將與所述多個驅動元件中的至少一個相關聯的動能轉換為 對於在所述電傳動系中存儲和使用中的至少一種的電能。
8. —種工程才鹹(10)，其包含根據權利要求l的電傳動系。
9. 一種運行工程機械(10)的方法，該工程機械包含多個地面"^元件(22)和至少一個工程器具(26)，該方法包含操作被配置為向所述工程M提供機械能的發動機(44); 通過可操作地耦合到所述發動機的發電機(46)，將所述機械能的至少一部分轉換為電能；通過經由由可操作地耦合到所述發電機的至少一個電動機(48)供給 的轉矩驅動所述地面*元件，推進所述工程機械；以及通過可操作地將至少一個功率電子裝置單元(50， 60)耦合到所iiJC 動機與所H電機並經由所述至少 一個功率電子裝置單元控制所M動機 與所^電機中的至少一個，控制所*動機與所^^電機中的至少一個。
10.根據權利要求9的方法，其中，控制所i^動機與所i^電機中 的至少一個包含下列中的至少一種對所M動機的速度進行控制以便使 所述速度被保持在被配置為減小廢氣排放的速度範圍內，對所述發電機的 負載進行控制，使得所述發動機的廢氣排放降低。
全文摘要
一種電傳動系(12)，其包含發動機(44)，其被配置為提供機械能；發電機(46)，其可操作地耦合到發動機，並被配置為將機械能的至少一部分轉換為電能。電傳動系還包含至少一個電動機(48)，其可操作地耦合到發電機；多個驅動元件(34，36)；至少一個功率電子裝置單元(50，60)，其被配置為控制發動機與發電機中的至少一個。所述至少一個電動機被配置為對於所述多個驅動元件提供轉矩。
文檔編號B60K6/46GK101277837SQ200680035965
公開日2008年10月1日 申請日期2006年8月9日 優先權日2005年9月29日
發明者A·J·通紹爾, C·C·梁, E·L·茨維林格, K·A·凱西, M·D·貝茨, M·E·范德爾翰, S·C·加尼特 申請人:卡特彼勒公司