CN101312870B - 具有多个电动机的电驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电驱动系统(26)，其具有第一和第二输出元件(34，36)和具有旋转轴线的驱动轴(31)。多个电动机(28a，28b，28c)邻近所述驱动轴布置。每个电动机都具有与所述驱动轴驱动接合且与所述驱动轴基本上平行的输出轴(29a，29b，29c)。差速转向系统(40)可操作地设置在所述驱动轴与所述第一和第二输出元件之间。所述差速转向系统包括可操作地接合在所述驱动轴和所述第一输出元件之间以及可操作地接合在所述驱动轴和所述第二输出元件之间的第一行星齿轮组件(42)。所述第一行星齿轮组件具有与所述驱动轴的旋转轴线基本上对准的旋转轴线。转向马达(70)与所述差速转向系统可操作地接合并且可操作以同时调节所述第一和第二输出元件的相对旋转速度。

Description

具有多个电动机的电驱动系统
技术领域
本发明涉及一种电驱动系统，更具体地涉及一种具有多个电动机的电驱动系统。
背景技术
电驱动装置在诸如越野工作机械、公路卡车或汽车之类的车辆中可用作驱动力源。电驱动装置可补充由内燃机提供的驱动力，或者电驱动装置可为车辆提供全部的驱动力。使用电驱动装置来补充或替代内燃机可减少在车辆工作过程中产生的排放物。此外，电驱动装置可提高车辆的燃料效率。
电驱动装置通常包括电力源和连接到车辆上的一个或多个地面接合装置的电动机。电力源可以是例如电池或发动机，并提供用于操作所述电动机以产生输出转矩的动力。输出转矩传递到车辆上的地面接合装置，从而推进所述车辆。
一些车辆例如履带式工作机械可包括设置在电动机和车辆上的地面接合装置之间的差速转向系统。差速转向系统可包括一个或多个行星齿轮组件和转向马达。差速转向系统可工作以改变地面接合装置的相对速度，从而改变车辆的行驶方向。当车辆一侧的地面接合装置以比车辆另一侧的地面接合装置低的速度被驱动时，车辆趋向于朝以较低速度运动的地面接合装置转弯。
在典型的电驱动装置如在授予Hamada等人的美国专利No.6,024,182中所述的电驱动装置中，电动机的输出转矩从电动机经齿轮传递系统传递到差速系统，所述齿轮传递系统可包括例如锥齿轮或正(直)齿轮结构。
可设置多个驱动电动机用于各自独立地驱动相对的地面接合装置。但是，使用锥齿轮或正齿轮结构不是将各个电动机的转矩传递到地面接合装置的有效方法。由电动机产生的转矩的一部分会在转矩传递过程中损失，并且所述多个电动机的结构不利于节省空间。齿轮损失会降低电驱动装置的效率和车辆的整体效率。此外，各个电动机和驱动装置的空间需求很高。
所公开的电驱动系统解决了上述一个或多个问题。
发明内容
所公开的系统的一个方面涉及一种电驱动系统，其包括第一输出元件、第二输出元件和具有旋转轴线的驱动轴。多个电动机邻近所述驱动轴布置。每个电动机都包括与所述驱动轴驱动接合且与所述驱动轴基本上平行的输出轴。差速转向系统可操作地设置在所述驱动轴与所述第一和第二输出元件之间，从而所述驱动轴将转矩从所述电动机传递到所述差速转向系统。所述差速转向系统包括可操作地接合在所述驱动轴和所述第一输出元件之间以及可操作地接合在所述驱动轴和所述第二输出元件之间的第一行星齿轮组件。所述第一行星齿轮组件具有与所述驱动轴的旋转轴线基本上对准(对齐)的旋转轴线。转向马达与所述差速转向系统可操作地接合并且可操作以同时调节所述第一和第二输出元件的相对旋转速度。
另一方面，公开了一种操作车辆的电驱动系统的方法。将邻近驱动轴的具有第一输出轴的第一电动机设置成使所述第一输出轴平行于所述驱动轴的轴线。将邻近所述驱动轴的具有第二输出轴的第二电动机设置成使所述第二输出轴平行于所述驱动轴的轴线。在所述第一和第二输出轴中的每一个上设置齿轮。在所述驱动轴上设置齿轮，且该齿轮设置成与所述第一和第二输出轴的每一个上的齿轮驱动接合。在所述车辆上设置第一和第二输出元件。将差速转向系统驱动接合地设置在所述驱动轴与所述第一和第二输出元件之间。驱动所述第一和第二电动机以使所述第一和第二输出轴的每一个上的齿轮沿相同的旋转方向旋转，从而驱动所述驱动轴上的齿轮并驱动所述第一和第二输出元件。
应当理解，上述概括说明和下面的详细说明都只是示例性和说明性的，且对于所要求保护的本发明不具有限制性。
附图说明
图1是根据本发明的示例性实施例的电驱动系统的示意图；
图2是示出绕驱动轴布置的三个电动机的示例性实施例的示意图。
具体实施方式
现在对示出在附图中的本发明的示例性实施例进行详细说明。
如图1中示意性所示，车辆20可包括电驱动系统26。电驱动系统26可操作地与第一地面接合装置22和第二地面接合装置24接合。第一和第二地面接合装置22和24可以是例如履带、皮带、车轮或本领域技术人员已知的任意其它地面接合装置。
如图2中很好地示出，电驱动系统26包括壳体38以及分别具有输出轴29a、29b和29c的电动机28a、28b和28c。在各个输出轴29a、29b和29c上安装有正齿轮30a、30b和30c。这三个正齿轮30a、30b和30c可与安装在驱动轴31上的较大的正齿轮33接合。这样，三个正齿轮30a、30b和30c可小于驱动轴31上的正齿轮33。三个电动机28a、28b和28c可布置成使得输出轴29a、29b和29c绕驱动轴31的轴线彼此等间距或不等间距地隔开。
车辆20可包括电力源(未示出)，该电力源可以是例如电池或发动机，例如带有发电机的内燃机。响应于电力的施加，电动机28a、28b和28c通过介入的正齿轮30a、30b和30c在驱动轴31上施加转矩。所施加转矩的大小和方向取决于施加到电动机28a、28b和28c上的电力的大小和极性。
响应于所施加的转矩，驱动轴31可开始旋转。如图1所示，驱动轴31构造成绕与基准轴线32对准的旋转轴线旋转。驱动轴31旋转的速度取决于数个因素，包括例如由电动机28a、28b和28c施加的转矩的大小和驱动31上的负荷。
参见图1，电驱动系统26还包括差速转向系统40、第一输出元件34和第二输出元件36。第一输出元件34可操作地连接到第一地面接合装置22。第二输出元件36可操作地连接到第二地面接合装置24。
在所示实施例中，电驱动系统26可包括第一链轮66和第二链轮68。第一链轮66可连接到第一输出元件34并构造成与第一地面接合装置22接合。第二链轮68可连接到第二输出元件36并构造成与第二地面接合装置24接合。第一和第二链轮66和68响应于第一和第二输出元件34和36的旋转而驱动第一和第二地面接合装置22和24。
在图1所示的示例性实施例中，差速转向系统40包括第一行星齿轮组件42、第二行星齿轮组件44和第三行星齿轮组件46。本领域技术人员可认识到，差速转向系统40可具有各种不同的构型并且可包括更多或更少数量的行星齿轮组件。
第一、第二和第三行星齿轮组件42、44和46均包括太阳齿轮、行星齿轮组和齿圈。这样，第一行星齿轮组件42包括太阳齿轮50a、行星齿轮组52a和齿圈54a。类似地，第二行星齿轮组件44包括太阳齿轮50b、行星齿轮组52b和齿圈54b。同样，第三行星齿轮组件46包括太阳齿轮50c、行星齿轮组52c和齿圈54c。各个太阳齿轮50a、50b、50c均构造成绕轴线旋转并且与相应的行星齿轮组52a、52b、52c啮合。行星齿轮组52a、52b、52c绕太阳齿轮50a、50b、50c运转并与相应的齿圈54a、54b、54c啮合。各个齿圈54a、54b、54c可构造成绕太阳齿轮50a、50b、50c的旋转轴线旋转，或者各个齿圈54a、54b、54c可相对于壳体38固定以防止齿圈54a，54b、54c旋转。
如图1所示，第一、第二和第三行星齿轮组件42、44和46中的每一个的旋转轴线都基本上与基准轴线32对准。此外，第一、第二和第三行星齿轮组件42、44和46中的每一个的各个太阳齿轮50a、50b、50c和各个行星齿轮组52a、52b、52c的旋转轴线都基本上与基准轴线32对准。这样，第一、第二和第三行星齿轮组件42、44和46的每一个的旋转轴线都基本上与驱动轴31的旋转轴线对准。
本领域技术人员可认识到，行星齿轮组件接收第一速度的输入旋转并产生相应的第二速度的输出旋转。输入和输出之间的旋转速度的变化取决于太阳齿轮50a、50b、50c、行星齿轮组52a、52b、52c和齿圈54a、54b、54c的齿数。旋转速度的变化还取决于用于接收输入旋转的齿轮和被选择来提供输出旋转的齿轮。
输入旋转可通过太阳齿轮50a、50b、50c、行星齿轮组52a、52b、52c和齿圈54a、54b、54c中的一种(一者)或两种传递到行星齿轮组件。如果在太阳齿轮50a、50b、50c、行星齿轮组52a、52b、52c和齿圈54a、54b、54c中只有一种接收输入旋转，则太阳齿轮50a、50b、50c、行星齿轮组52a、52b、52c和齿圈54a、54b、54c中的一种可固定到壳体38上。输出旋转将在太阳齿轮50a、50b、50c、行星齿轮组52a、52b、52c和齿圈54a、54b、54c中剩下的那一种中产生。
如所示，驱动轴31适当地连接到第一行星齿轮组件42的行星齿轮组52a。如图1所示，第一行星齿轮组件42连接到第二行星齿轮组件44和第三行星齿轮组件46两者。第一行星齿轮组件42的齿圈54a连接到第二行星齿轮组件44的行星齿轮组52b。一反作用元件56将第一行星齿轮组件42的太阳齿轮50a连接到第二行星齿轮组件44的太阳齿轮50b和第三行星齿轮组件46的太阳齿轮50c。如所示，驱动轴31可以是中空的并且包括供反作用元件56延伸穿过的开口。这样，反作用元件56的旋转轴线也可基本上与基准轴线32对准。
第一行星齿轮组件42向第二行星齿轮组件44和第三行星齿轮组件46均提供输入旋转。第一行星齿轮组件42的行星齿轮组52a的旋转引起相关的太阳齿轮50a和反作用元件56的相应旋转。反作用元件56的旋转向第二和第三行星齿轮组件44和46的太阳齿轮50b、50c均提供输入旋转。
第二和第三行星齿轮组件44和46的太阳齿轮50b、50c的旋转使行星齿轮组52b、52c绕太阳齿轮50b、50c运转。在所示实施例中，第一、第二和第三行星齿轮组件42、44和46构造成使得，当第二和第三行星齿轮组件44和46的齿圈54b、54c保持静止不动时，行星齿轮组52b、52c将绕太阳齿轮50b、50c以相同的旋转速度运转。本领域技术人员可认识到，行星齿轮组件42、44和46可根据车辆20的期望工作状态而具有多种齿轮减速比。
第二和第三行星齿轮组件44和46的行星齿轮组52b、52c的旋转速度提供第二和第三行星齿轮组件44和46的输出旋转。第二行星齿轮组件44的行星齿轮组52b的转速传递到第一输出元件34，从而以相应的速度驱动第一地面接合装置22。第三行星齿轮组件46的行星齿轮组52c的转速传递到第二输出元件36，从而以相应的速度驱动第二地面接合装置24。
第二和第三行星齿轮组件44和46的行星齿轮组52b、52c的转速可通过向第二和第三行星齿轮组件44和46的齿圈54b、54c中的一个或两个提供额外的输入而改变。在所示实施例中，第二行星齿轮组件44的齿圈54b构造成绕基准轴线32旋转，而第三行星齿轮组件46的齿圈54c固定到壳体38上。或者，第三行星齿轮组件46的齿圈54c可构造成绕基准轴线32旋转，而第二行星齿轮组件44的齿圈54b可固定到壳体38上，或者两个齿圈54b、54c均可构造成绕基准轴线32旋转。
如图1所示，车辆20还可包括向差速转向系统40提供额外输入的转向马达70。转向马达70可操作以使输出轴72旋转。转向马达70可以是例如电动机或液压马达。
在所示实施例中，输出轴72经一组传动齿轮74和接合齿轮76连接到第二行星齿轮组件44的齿圈54b。输出轴72沿第一方向的旋转将导致第二行星齿轮组件44的齿圈54b沿第一方向旋转。输出轴72沿第二方向的旋转将导致第二行星齿轮组件44的齿圈54b沿相反的方向旋转。
转向马达70的操作可由输入信号S1来控制。输入信号S1可响应于操作员的指令而由一控制装置(未示出)产生，以使车辆以特定的转弯半径沿特定的方向转弯。所述控制装置可控制转向马达70以使驱动轴31产生期望的旋转方向和旋转速度。
仍如图1所示，第一制动器58可构造成与第一输出元件34接合，第二制动器60可构造成与第二输出元件36接合。第一和第二制动器58和60可操作以分别降低第一和第二输出元件34和36的旋转速度。因此，第一和第二制动器58和60可操作以降低车辆20的速度。此外，当车辆20静止不动时，第一和第二制动器58和60可分别与第一和第二输出元件34和36接合，以防止车辆20移动。
还如图1所示，第一主减速器(轮边减速器)62可设置在第一输出元件34和第一链轮66之间，第二主减速器64可设置在第二输出元件36和第二链轮68之间。主减速器62和64均可包括行星齿轮组件，该行星齿轮组件包括太阳齿轮50d、50e、行星齿轮组52d、52e和齿圈54d、54e。第一输出元件34可经具有齿轮78和80的正齿轮组件90可适当驱动地连接到第一主减速器62中的行星齿轮组件。第二输出元件36可经具有齿轮82和84的正齿轮组件92可适当驱动地连接到第二主减速器64中的行星齿轮组件。第一主减速器62可具有从作为驱动轴31的旋转轴线的基准轴线32偏离的驱动轴线86。同样，第二主减速器64可具有从作为驱动轴31的旋转轴线的基准轴线32偏离的驱动轴线88。
各个主减速器62和64可在第一和第二输出元件34和36与第一和第二链轮66和68之间提供齿轮减速。例如，第一和第二主减速器62和64的齿轮减速可以是5∶1。本领域技术人员可认识到，主减速器62和64可提供任意的齿轮减速以满足车辆20的工作要求。
在操作车辆20的电驱动系统时，电动机28a、28b和28c可设置成使它们各自的输出轴29a、29b和29c平行于驱动轴31。正齿轮30a、30b和30c可沿相同的旋转方向被驱动，从而驱动正齿轮33。然后正齿轮33可使驱动轴31旋转。差速转向系统40可驱动接合地设置在驱动轴31与第一和第二输出元件34、46之间。输出元件34、36又可通过主减速器62、64分别驱动地面接合装置22、24。主减速器62、64的轴线86、88可设置成从沿驱动轴31的旋转轴线延伸的基准轴线32偏离。
工业适用性
根据本发明的电驱动装置26可包含在车辆20中以推进车辆20。车辆20可以是例如工作机械如履带式车辆。本领域技术人员可认识到，电驱动装置26可包含在其它类型的车辆中，例如其它工作机械、公路或越野卡车，或汽车。
车辆20可包括内燃机或向电驱动装置26供给电力的蓄电装置。一控制装置可响应于操作员的指令而控制电力向电驱动装置26的产生和/或供给。例如，当操作员提供增大车辆20速度的指令时，电力向电驱动装置26的供给可增加。
响应于电力对电驱动装置26的施加，电动机28a、28b和28c在驱动轴31上施加转矩。加在电动机28a、28b和28c上的电力的大小和极性决定施加在驱动轴31上的转矩的方向和大小。由电动机28a、28b和28c施加的转矩使驱动轴31旋转。
驱动轴31的转速作为输入被引导到差速转向系统40中的第一行星齿轮组件42的第一行星齿轮组52a。第一行星齿轮组件42的第一行星齿轮组52a的转速引起第一行星齿轮组件42的第一太阳齿轮50a和反作用元件56的相应旋转。
反作用元件56的旋转驱动第二和第三行星齿轮组件44和46的太阳齿轮50b、50c。第二和第三行星齿轮组件44和46的太阳齿轮50b、50c的旋转使第二和第三行星齿轮组件44和46的行星齿轮组52b、52c旋转。第二行星齿轮组件44的行星齿轮组52b的旋转经第一主减速器62和第一链轮66被传递，从而驱动第一地面接合装置22。第三行星齿轮组件46的行星齿轮组52c的旋转经第二主减速器64和第二链轮68被传递，从而驱动第二地面接合装置24。
当操作员发出指令使车辆沿直线行驶时，转向马达70保持静止不动。转向马达70施加与第二行星齿轮组件44的齿圈54b相逆的抵抗转矩，从而阻止齿圈54b旋转。因此，第二和第三行星齿轮组件44和46的行星齿轮组52b、52c将以基本上相同的速度旋转。这使得第一和第二地面接合装置22和24以基本相同的速度被驱动。这样，当第二行星齿轮组件44的齿圈54b静止不动时，车辆20将基本上沿直线行驶。
当操作员发出指令使车辆沿特定的方向转弯时，转向马达70被操作以向差速转向系统40提供额外的输入。转向马达70可使第二行星齿轮组件44的齿圈54b以特定的速度沿第一方向旋转，以使车辆20以特定的转弯半径沿第一方向转弯。转向马达70也可使第二行星齿轮组件44的齿圈54b以特定的速度沿第二方向旋转，以使车辆20以特定的转弯半径沿第二方向转弯。
第二行星齿轮组件44的齿圈54b沿第一方向的旋转可减小第二行星齿轮组件44的行星齿轮组52b相对于第三行星齿轮组件46的行星齿轮组52c的旋转速度的旋转速度。这种相对速度的变化使第一输出元件34比第二输出元件36旋转得更慢。这样，第一地面接合装置22将以比第二地面接合装置24慢的速度被驱动。这将使车辆20朝第一地面接合装置22的方向转弯。
第二行星齿轮组件44的齿圈54b沿第二方向的旋转可增大第二行星齿轮组件44的行星齿轮组52b相对于第三行星齿轮组件46的行星齿轮组52c的旋转速度的旋转速度。这种相对速度的变化使第一输出元件34比第二输出元件36旋转得更快。这样，第一地面接合装置22将以比第二地面接合装置24快的速度被驱动。这将使车辆20朝第二地面接合装置24的方向转弯。
车辆20的转弯速率由第一和第二地面接合装置22和24之间的相对速度的差值的大小来决定。增大第二行星齿轮组件44的齿圈54b的旋转速度将增大第一和第二输出元件34和36之间的旋转速度差值的大小。这样，转向马达70的输出轴72的旋转速度的增大将导致车辆20的转弯速率的增大。相反，转向马达70的输出轴72的旋转速度的减小将导致车辆20的转弯速率的减小。
从上述说明中可清楚看到，提供了这样一种电驱动系统26，其中驱动轴31的旋转轴线由多个电动机28a、28b和28c驱动。驱动轴31与差速转向系统40的旋转轴线基本上对准。通过采用围绕驱动轴31的多个电动机，在地面接合装置22、24之间延伸的电驱动系统26的轴向长度可相对于在与驱动轴31邻近或同心的单个较大电动机的情况下所需的轴向长度缩短。这节省了驱动组件中的空间。此外，使用多个较小的电动机可降低转动惯量。当大的车辆或工作机械减速、起动或停止时，转动惯量会增加能量需求。这样，使用多个较小的电动机来替代单个较大的电动机所实现的转动惯量的减小可使车辆或工作机械产生更快的响应。此外，多个较小电动机的动力输出可与单个较大电动机相当。
本领域技术人员显然清楚，可对所公开的电驱动系统作出各种修改和变型。鉴于本说明书和本文所公开的本发明的实践，本发明的其它实施例对于本领域技术人员来说也是显而易见的。本说明书和示例应被认为仅仅是示例性的，本发明的真正范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种电驱动系统(26)，包括：
第一输出元件(34)；
第二输出元件(36)；
具有旋转轴线的驱动轴(31)；
邻近所述驱动轴布置的多个电动机(28a，28b，28c)，所述多个电动机的每一个都具有与所述驱动轴驱动接合且与所述驱动轴基本上平行的输出轴(29a，29b，29c)；
差速转向系统(40)，该差速转向系统可操作地设置在所述驱动轴与所述第一和第二输出元件之间，从而所述驱动轴将转矩从所述电动机传递到所述差速转向系统，所述差速转向系统包括可操作地接合在所述驱动轴和所述第一输出元件之间以及可操作地接合在所述驱动轴和所述第二输出元件之间的第一行星齿轮组件(42)，该第一行星齿轮组件具有与所述驱动轴的旋转轴线基本上对准的旋转轴线；和
转向马达(70)，该转向马达与所述差速转向系统可操作地接合并且可操作以同时调节所述第一和第二输出元件的相对旋转速度。
2.根据权利要求1所述的电驱动系统，其特征在于，所述多个电动机为三个电动机。
3.根据权利要求2所述的电驱动系统，其特征在于，所述三个电动机布置成使得所述三个电动机的输出轴绕所述驱动轴的轴线彼此间隔开。
4.根据权利要求1所述的电驱动系统，其特征在于，所述驱动接合包括：所述多个电动机的每一个的输出轴上的与所述驱动轴上的正齿轮(33)接合的正齿轮(30a，30b，30c)。
5.根据权利要求4所述的电驱动系统，其特征在于，各个输出轴上的正齿轮小于所述驱动轴上的正齿轮。
6.一种操作车辆(20)的电驱动系统(26)的方法，包括：
将具有第一输出轴(29a)的第一电动机(28a)设置在驱动轴(31)附近并使所述第一输出轴平行于所述驱动轴的轴线；
将具有第二输出轴(29b)的第二电动机(28b)设置在所述驱动轴附近并使所述第二输出轴平行于所述驱动轴的轴线；
将齿轮(30a，30b)设置在所述第一和第二输出轴中的每一个上；
将齿轮(33)设置在所述驱动轴上并且与所述第一和第二输出轴的每一个上的齿轮驱动接合；
将第一和第二输出元件(34，36)设置在所述车辆上；
将差速转向系统(40)驱动接合地设置在所述驱动轴与所述第一和第二输出元件之间，所述差速转向系统包括可操作地接合在所述驱动轴和所述第一输出元件之间以及可操作地接合在所述驱动轴和所述第二输出元件之间的第一行星齿轮组件，该第一行星齿轮组件具有与所述驱动轴的旋转轴线基本上对准的旋转轴线；
驱动所述第一和第二电动机以使所述第一和第二输出轴的每一个上的齿轮沿相同的旋转方向旋转，从而驱动所述驱动轴上的齿轮并驱动所述第一和第二输出元件。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括将具有第三输出轴(29c)的第三电动机(28c)设置在所述驱动轴附近并使所述第三输出轴平行于所述驱动轴；
在所述第三输出轴上将齿轮(30c)设置成与所述驱动轴上的齿轮接合；和
驱动所述第三电动机以使所述第三输出轴上的齿轮与所述第一和第二输出轴上的齿轮沿相同的方向旋转。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括用所述第一输出元件驱动第一地面接合元件(22)和用所述第二输出元件驱动第二地面接合元件(24)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括将第一主减速器(62)设置在所述第一输出元件和所述第一地面接合元件之间；
将第二主减速器(64)设置在所述第二输出元件和所述第二地面接合元件之间。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括沿从所述驱动轴的旋转轴线偏离的驱动轴线(86)设置所述第一主减速器；
沿从所述驱动轴的旋转轴线偏离的驱动轴线(88)设置所述第二主减速器。
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