CN101528500B - 多用途移动发电机械和管理移动机械的电力的方法 - Google Patents

多用途移动发电机械和管理移动机械的电力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种两用移动机械(10)。该移动机械可以具有能够驱动移动机械并产生用于该移动机械的机械外使用的电力的功率源(16)。所述机械还可以具有由所述功率源驱动的作业工具(12)。

Description

多用途移动发电机械和管理移动机械的电力的方法
技术领域
本发明涉及移动机械，更具体地，本发明涉及具有多种用途的移动机械，其中一种用途包括发电。 
背景技术
机械，例如履带式拖拉机、轮式装载机、拖运卡车和其它重型建筑、农业和采矿设备被用来执行很多任务，例如挖掘、推土、装载、耕作、拖运、发电及其它类似任务。为了有效执行这些任务，每种不同的机械要求功率源来为动力传动系统和/或工具装置提供很大功率。该功率源可以是内燃机，例如被操作以产生在一定速度范围的扭矩输出的涡轮机、柴油机、汽油机或者气体燃料动力发动机。该扭矩输出可以通过传动机构从功率源传递到地面作业的牵引装置，例如驱动机械的轮子、履带、轮胎或者皮带。另外，该扭矩输出可以通过液压泵或者发电机传递到例如铲斗、刮铲、松土装置或者自卸台等工具。 
尽管上述机械可能在完成它们各自的预定任务时非常有效，但它们运输起来也很昂贵，成本很高。当特定的工地具有很多不同类型的任务时，就要求在该工地处具有很多不同的设备。在同一工地运行或闲置的不同设备的数目增加了该工地的运行成本。另外，将每种设备运输到工地或者从工地运输可能非常昂贵，特别是当工地距离机械当前所处的位置很远时。降低具有各种不同任务的较远的工地的运行成本的一种方法可以是利用工地处的用于多种用途的机械。 
2003年11月18日授予Hsu等人的美国专利No.6649289(’289专利)中公开了一种多用途机械。具体来说，’289专利描述了一种 用于运输以及远程位置处的非车载发电的电动汽车。’289专利的电动汽车具有产生足以驱动该汽车的电力的车载燃料电池。当汽车停放在远程位置时，燃料电池继续运行并产生电力。该电动汽车通过电力电缆连接到非车载公用电网以将由车载燃料电池产生的一部分电力传递到远程位置。通过利用既用于运输又用于驻车发电的电动汽车，汽车的初始成本由与驻车发电相关的好处所弥补。另外，可以省去向远程位置运输单独的发电机所需的成本。 
尽管’289专利中描述的电动汽车的多用途性质可以弥补汽车的初始成本和与远程位置相关的一些运输成本，但其使用和好处受到限制。具体来说，由于’289专利的燃料电池与电动汽车相关联，因此其在与建筑、农业、采矿相关的工地的使用可能非常少。即，由于没有作业工具，汽车在工地的唯一用途就是发电，并且由于其尺寸和结构，由汽车提供的电量和功率输出可变性不足以支持工地的运行。 
发明内容
本发明的机械解决了上述的一个或多个问题。 
本发明的一个方面涉及一种移动机械。所述移动机械可以包括能够驱动该移动机械并产生用于该移动机械的机械外(offboard)使用的电力的功率源。所述机械还可以包括由所述功率源驱动的作业工具。 
本发明的另一方面涉及另一种移动机械。该移动机械可以包括内燃机和由内燃机驱动并产生100-2600kW范围的电力的发电机。所述移动机械还可以包括能够驱动该移动机械的牵引装置和能够从发电机接收电力并驱动所述牵引装置的电动机。所述移动机械还可以包括电连接到所述发电机以选择性地使来自发电机的所有电力可用于移动机械的机械外使用的接口。 
本发明的又一方面涉及管理移动机械的电力的方法。该方法可包括产生电力输出，接收工作模式输入。所述方法还可包括响应于 所述工作模式输入，将所产生的所有电力输出引导通过机械上功率流路径或者机械外功率流路径。 
附图说明
图1是本发明的一种示例性机械的示意图；和 
图2是本发明的用于图1的机械的一种示例性功率系统的示意图。 
具体实施方式
图1示出了一种示例性机械10。机械10可以是执行与例如采矿、建筑、农业、运输等产业或者本领域已知的任何其它产业相关的一些操作类型的移动机械。例如，机械10可以是例如图1中描述的履带式拖拉机等土方机械。机械10可以替代地体现为例如高速公路用卡车、客车等非土方机械或者任何其它的适合的操作执行机械。机械10可以包括作业工具12、牵引装置14和能够响应于驾驶员输入将功率输出传递到作业工具12和牵引装置14的功率系统16。 
很多不同的作业工具12可以连接到单个机械10上并能够由机械10的驾驶员控制。作业工具12可以包括用来执行与机械10的机械外表面或物体相关的特定任务的任何装置。例如，作业工具12可以体现为与作业表面接合的松土装置、铲斗、刮铲或者铲子；叉形件，其用来操作机械外物体例如集装架；自卸台，支撑和/或移动装载在自卸台中的表面材料；准备作业表面的扫帚或者吹雪机；切割装置、抓握装置或者本领域已知的任何其它任务执行装置。这些作业工具中很多可以是液压驱动的，且它们都可以由系统16提供功率。尽管在本发明的实施方式中，作业工具连接到驾驶室前方以相对于机械10升举和/或倾斜，但作业工具12也可以替代地或附加地连接到机械10的后方、上方、下方或者侧面以旋转、滑动、摇摆或者以本领域已知的任何其它方式运动。 
牵引装置14可以包括位于机械10的每一侧的履带14L和14R。 替代地，牵引装置14可以包括轮子、带或者其它被驱动的牵引装置。牵引装置14可以由功率系统16驱动以根据功率系统16的输出旋转转动。 
如图2所示，功率系统16可以包括相互协作以驱动作业工具12并产生可用于机械10的机械上和机械外使用的电力输出的多个部件。具体来说，功率系统16可以包括功率源18、发电机20、电动机22、机械外用功率接口26和设置在发电机20和电动机22之间的转换开关24。 
功率源18可以产生机械动力输出并包括例如内燃机。内燃机可以是柴油机、汽油机、气体燃料动力发动机、涡轮机或者本领域技术人员可以想到的任何其它类型的内燃机，其中，功率输出与在其中燃烧的燃料量直接相关。如果需要，也可以想到功率源18可以替代地体现为非燃烧功率源，例如燃料电池、电池或本领域已知的任何其它功率源。 
发电机20可以是能够响应于来自功率源18的旋转输入产生交流电(AC)输出的三相永磁交变场类型的发电机。还可以想到发电机20可以替代地是开关磁阻发电机、直流发电机(direct phasegenerator)或者本领域已知的任何其它合适类型的发电机。发电机20可以包括通过本领域已知的任何方式可转动地连接到功率源18的转子(未示出)，例如通过直接曲轴连接装置28、通过齿轮传动装置、通过液压回路或者以任何其它合适的方式。发电机20可以随着转子通过功率源18在定子(未示出)内转动产生电力输出。发电机20可以通过将三相交流电(three-phase alternating power)转换成直流电(direct phase power)的发电机逆变器32电连接到公共总线30上。 
公共总线30可以包括通过电动机逆变器34使发电机逆变器32和电动机22相互电连接的正负电力线。如果需要，公共总线30还可以电连接到功率存储装置，例如电池(未示出)、电容(未示出)和本领域已知的其它装置上和/或电连接到附加的功率负荷以向公共 总线30提供功率或者将功率从公共总线30移走。 
电动机22可以是能够从公共总线30接收功率并驱动牵引装置14R的永磁交变场类型的电动机。可以想到，电动机22可以替代地是开关电机、直流电动机或者本领域已知的任何其它适当的类型的电动机。还可以想到，电动机22可以在功率再生事件过程(例如，当作用在履带14R上的重力或动量驱动电动机22时)中向公共总线30供应功率。尽管在图2中仅示出了一个电动机22，但可以想到，在机械10内也可以包括系列或平行配置的多个电动机22。另外，如果需要，电动机22可以通过直接连接件36或者通过例如减速齿轮装置等间接连接件(未示出)仅连接到牵引装置14R上或者同时连接到两个牵引装置14L和14R上。 
电动机逆变器34可以将来自发电机逆变器32的直流电转换成具有如下描述的期望电压和/或频率的三相交流电。具体来说，电动机逆变器34能够输出在100-2600kW之间的功率并改变其电压，例如，在120-480V的范围内，和在50-400HZ的范围内。这种电压和/或频率变化可以响应于操作需求或通过机械外用功率接口26接收的驾驶员要求而开始。 
转换开关24可以通信的方式连接到公共总线30上以选择性地中断供应到电动机22的功率。即，响应于机械10的驾驶员做出的模式选择，转换开关24可以将来自发电机20的所有功率引导到电动机22或者机械外用功率接口26。用于选择的可用模式可以包括例如移动机械应用模式或者驻机发电模式。 
转换开关24可以体现为包括用于控制系统16的功率供应的部件的一个或者多个微处理器。许多商业上可获得的微处理器可以被构造用来执行转换开关24的功能。应当理解，转换开关24可以很容易地体现为能够控制数个机械或者功率源功能的总的机械或者功率源微处理器。转换开关24可以包括需要执行所需的系统控制的所有部件，例如，存储器、二次存储装置和处理器，例如中央处理单元。本领域的技术人员将会认识到，转换开关24可以包含其它的或 不同的部件。与转换开关24相关的可以是各种其它已知的电路，例如特别是功率供应电路、信号调节电路和螺线管驱动器电路。 
可以想到，如果需要，转换开关24可以替代地为手动地致动。在一个实施例中，一根或多根电力电缆38、40、42可以手动地连接以接收来自发电机20的电力，而电动机22可以与公共总线30手动地断开。在该情形中，机械10可以不具有可选的工作模式。 
机械外用功率接口26可以提供接到由发电机20产生的电力的入口。例如，机械外用功率接口26可以包括一个或多个不同的电源插座26a、26b、26c、26d。每个电源插座26a-d可以提供不同的输出电压和/或输出频率。替代地，机械外用功率接口26内可以包括一个或者多个类似的插座。在该情形中，机械外用功率接口26可以包括用于驾驶员选择或者要求所述功率供应的特定电压和/或频率的部件。响应于接合的插座、机械外物体的功率需求和/或选择的功率供应特性，功率源18和/或发电机20可以被操作以产生相应的功率量，并且，如果需要，电动机逆变器34可以被操作以适当地转换所产生的功率。可以想到，如果需要，可以替代电源插座26a-d或者除了设置电源插座26a-d之外设置向下的手动插销腿(manual bolt downlug)。 
如果需要，可以在转换开关24和机械外用功率接口26之间设置功率监控和调节单元44。该单元44可以确保供应给机械10的机械外物体的功率与需求和/或机械10的驾驶员的选择基本匹配。 
工业实用性 
尽管本发明的驱动系统可以应用于任何移动机械，但本发明的功率系统特别地应用于履带式拖拉机和其它包括作业工具的重型建筑和采矿机械。通过将多种功能组合在一个机械内，可以降低相关工地的运行成本。另外，当机械要求的其中一个任务包括驻机发电时，即使在有或者没有驾驶员的情况下驻机时，也可以有效地利用该机械。现在描述机械10的运行。 
为了驱动机械10，来自发电机20的功率可以通过发电机逆变器32和电动机逆变器34选择地引导到电动机22。随着电动机22受迫转动，连接的牵引装置14可以相应地转动。引导到电动机22的功率量可以确定机械10的方向、行进速度和/或拉杆牵引力。 
当不再需要机械10的移动操作时，例如在夜间、在换档之间或者当其它过程在进行时，来自发电机20的功率可以被引导用于机械10的机械外使用。具体来说，转换开关24可以被用来将来自发电机20的所有可用功率从发动机22转移到机械外用功率接口26。取决于选择的功率输出或者功率需求，可以控制发电机20在120-480V和50-400Hz下产生例如范围在100-2600kW的功率。 
机械10的一种示例性应用可以包括铺设管道操作。具体地，在管道铺设操作中，利用履带式拖拉机在之前挖的壕沟中铺设管道。在一种典型操作中，在拖拉机已经将管道铺设到壕沟中后，在等待所述管道被焊接到之前铺设的管道上时，拖拉机在正常状态下是闲置的。为了将管道焊接到一起，一个单独的独立发电机通常被设置就位、启动并用来产生被引导到焊接机械上的功率。由于需要三个单独的机械来完成管道铺设过程，因此该过程效率低下且成本高昂。相反，在本发明中，当履带式拖拉机在等待完成焊接过程时，来自发电机20的功率可以被引导到机械外的焊接机械上。以此方式，该过程中可以省去另外的独立的发电机，因此极大地降低了管道铺设操作的成本。 
另一种示例性应用可以包括推土操作，例如建造飞机跑道，其中要接近位置很困难。在该情形中，运输到远程位置的推土机白天可以执行通常的运土功能。夜晚，当推土机的驾驶员休息时，推土机也可以在工地用作主要的发电机。由于只有单个机械必须被运输到远程工地，因此可以使与其相关的成本最小化。并且，由于机械10包括作业工具，因此其在这样的工地尤其有利。 
另外，由于来自机械10的功率量和功率输出变化性如此大，使得机械10可以应用得非常广泛。换句话说，由于几乎所有来自机械 10的功率(例如，100-2600kW，取决于机械10的型式和尺寸)都可以用于机械10的机械外使用，机械10基本上可以替代在建筑、采矿或者农业工地设置的典型的发电机。并且，由于来自机械10的功率流经电动机逆变器34，可以改变功率特性以适应大多数与应用相关的任何工地。 
对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的范围的情况下可以对本发明的多用途机械进行各种修改和变形。通过考虑说明说和本文公开的实践，本领域的技术人员可以想到本发明的多用途机械的其它实施方式。上述说明和实施例仅是示例性的，本发明真正的保护范围由后附的权利要求书及按等同原则确定。 

Claims (8)

1.一种移动机械(10)，包括：
作业工具(12)；
牵引装置(14)；和
功率系统(16)，其能够响应于驾驶员输入将功率输出传递到所述作业工具(12)和所述牵引装置(14)，
其中，所述功率系统(16)包括功率源(18)、发电机(20)、电动机(22)、机械外用功率接口(26)和设置在所述发电机(20)和所述电动机(22)之间的转换开关(24)，
所述转换开关(24)能够响应于驾驶员做出的模式选择将来自所述发电机(20)的所有功率引导到所述电动机(22)或者所述机械外用功率接口(26)，所述机械外用功率接口(26)能够提供接到由所述发电机(20)产生的电力的入口。
2.根据权利要求1所述的移动机械，其中，所述功率源包括内燃机(18)，其中，所述电动机电连接到所述发电机且机械地连接到所述牵引装置。
3.根据权利要求1所述的移动机械，还包括设置在所述发电机和所述转换开关之间的电力变换器(34)，该电力变换器能够改变由所述发电机产生的电力，其中，所述电力变换器能够输出多种电压和频率的交流电。
4.根据权利要求1所述的移动机械，还包括设置在所述转换开关(24)和所述机械外用功率接口(26)之间的功率调节器(44)，所述机械外用功率接口(26)电连接到所述转换开关(24)并具有至少一个电源插座。
5.根据权利要求1所述的移动机械，其中，所述功率源包括内燃机，响应于所述移动机械的机械外使用的电力需求调节所述功率源的速度。
6.一种管理移动机械(10)的电力的方法，所述移动机械(10)包括作业工具(12)、牵引装置(14)和能够响应于驾驶员输入将功率输出传递到所述作业工具(12)和所述牵引装置(14)的功率系统(16)，所述方法包括：
操作所述功率系统(16)以产生电力输出；
接收工作模式输入；
响应于所述工作模式输入，将所产生的所有电力输出引导通过机械上功率流路径(22)或者机械外功率流路径(26)。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：
接收来自所述移动机械的机械外使用的电力需求；和
响应于所述电力需求调整引导通过所述机械外功率流路径的电力。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述移动机械包括内燃机，所述调整包括改变燃料燃烧的量。
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