DE112006000683T5

DE112006000683T5 - Elektrisches Antriebssystem mit Kühlstrategie

Info

Publication number: DE112006000683T5
Application number: DE112006000683T
Authority: DE
Inventors: Kent A. Washington Casey
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2005-03-21
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2008-04-30
Also published as: CN101146691A; US20060207809A1; WO2006101613A1

Abstract

Elektrisches Antriebssystem (14) für eine Arbeitsmaschine (10), wobei das elektrische Antriebssystem Folgendes aufweist:
eine erste Traktionsvorrichtung (22), die konfiguriert ist, um die Arbeitsmaschine anzutreiben;
einen ersten Motor (26) der treibend mit der ersten Traktionsvorrichtung verbunden ist;
eine zweite Traktionsvorrichtung (22), die konfiguriert ist, um die Arbeitsmaschine anzutreiben;
einen zweiten Motor (26), der treibend mit der zweiten Traktionsvorrichtung verbunden ist;
einen Sensor (38, 40), der konfiguriert ist, um mindestens einen Parameter zu überwachen, der eine Temperatur des ersten Motors anzeigt und um ein Signal entsprechend der Temperatur zu erzeugen; und
eine Steuervorrichtung (44) in Verbindung mit dem Sensor und dem zweiten Motor, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um eine Drehmomentausgabe des zweiten Motors ansprechend auf das Signal zu verändern.

Description

Technisches Gebiet
Diese Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein elektrisches Antriebssystem und insbesondere auf ein elektrisches Antriebssystem mit einer Kühlstrategie.
Hintergrund
Arbeitsmaschinen, wie beispielsweise Radlader, Motorgrader bzw. Straßenhobel, Kipplastwägen und andere Arten von schweren Maschinen werden für eine Vielzahl von Aufgaben verwendet. Diese Arbeitsmaschinen weisen im Allgemeinen eine Leistungsquelle auf, die beispielsweise ein Motor sein kann, wie beispielsweise ein Dieselmotor, ein Benzinmotor oder ein mit gasförmigem Brennstoff angetriebener Motor, der die Leistung liefert, die erforderlich ist, um diese Aufgaben auszuführen. Um effizient diese Aufgaben auszuführen, können die Arbeitsmaschinen ein elektrisches Getriebe bzw. eine elektrische Übertragungsvorrichtung verwenden, die das Drehmoment, welches vom Motor erzeugt wird, über einen großen Bereich von Drehzahlen übertragen können.
Das elektrische Getriebe kann unter anderem einen Generator aufweisen, der betriebsmäßig durch die Antriebsquelle angetrieben wird, und einen oder mehrere Motoren, die durch den Generator mit Leistung versorgt werden und treibend mit jeder Achse oder jeder Traktionsvorrichtung bzw. Antriebsvorrichtung der Arbeitsmaschine assoziiert sind. Während eines typischen Betriebs, kann eine Drehmomentausgangsgröße von einem vorne gelegenen Motor zu einer vorderen Achse oder zu der Achse am nächsten zu einem Werkzeug der Arbeitsmaschine im Wesentlichen gleich einer Drehmomentausgangsgröße aus einem hinten gelegenen Motor an eine Hinterachse oder eine Achse am weitesten entfernt von dem Arbeitswerkzeug sein. In manchen Situationen jedoch, beispielsweise während der Beladung, während des Fahrens in einen Haufen oder wenn man mit einer schlecht verteilten Last arbeitet, kann es möglich sein, dass die Drehmomentausgabe aus den Motoren nicht passend ist. Insbesondere kann es möglich sein, dass die Drehmomentausgangsgröße durch den vorne gelegenen Motor die Drehmomentausgangsgröße aus dem hinten gelegenen Motor überschreitet. Weil die Wärmebelastung auf dem Motor in direkter Beziehung zur Drehmomentausgangsgröße aus dem Motor steht, wird der vorne gelegene Motor, der die höhere Drehmomentgröße ausgibt, eine höhere Wärmebelastung haben. Wenn der Wärmeaufbau an dem vorne gelegenen Motor nicht adäquat abgeleitet wird, minimiert wird oder verhindert wird, kann der Wirkungsgrad des vorne gelegenen Motors verringert werden, und ein Schaden am vorne gelegenen Motor kann auftreten.
Ein System, um die Wärmebelastung auszugleichen, die mit der gesteigerten Drehmomentausgabe des Motors assoziiert ist, wird im US-Patent 6,808,470 (das '470-Patent) beschrieben, welches am 26. Oktober 2004 an Boll erteilt wurde. Das '470-Patent beschreibt einen Motorfahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor, einem Generator, einem Motor und einer Kupplung, die zwischen dem Motor und den Rädern des Fahrzeugs angeordnet ist. Während Situationen, in denen hohe Drehmomente durch den Motor geliefert werden müssen, wird die Kupplung in einer übertragenden durchrutschenden Weise betrieben, um die Drehmomentausgabe des Motors zu verringern, wodurch eine thermische Überlastung des Motors verhindert wird.
Obwohl das System des '470-Patentes dabei helfen kann, eine thermische Überlastung eines Motors während Situationen mit hohem Drehmoment zu minimieren, kann es teuer und ineffizient sein. Insbesondere weil das System des '470-Patentes zusätzliche Kupplungskomponenten erfordert, um Drehmoment von dem thermisch überlasteten Motor aufzuheben, können sowohl die Komponentenkosten als auch die Montagekosten des Systems gesteigert werden. Weil das System des '470-Patentes die thermische Belastung dadurch verringert, dass es Leistung durch das Durchrutschen von Kupplungen verschwendet, kann weiterhin der Wirkungsgrad der das System einsetzenden Arbeitsmaschine verringert werden.
Das elektrische Antriebssystem der vorliegenden Offenbarung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein elektrisches Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine gerichtet. Das elektrische Antriebssystem weist eine erste Traktionsvorrichtung auf, die konfiguriert ist, um die Arbeitsmaschine anzutreiben, und einen ersten Motor, der treibend mit der ersten Traktions- bzw. Antriebsvorrichtung verbunden ist. Das elektrische Antriebssystem weist auch eine zweite Traktions- bzw. Antriebsvorrichtung auf, die konfiguriert ist, um die Arbeitsmaschine anzutreiben, und einen zweiten Motor, der treibend mit der zweiten Traktionsvorrichtung verbunden ist. Das elektrische Antriebssystem weist zusätzlich eine Steuervorrichtung in Verbindung mit dem zweiten Motor auf. Die Steuervorrichtung ist konfiguriert, um eine Eingangsgröße aufzunehmen, die eine Temperatur des ersten Motors anzeigt, und um eine Drehmomentausgabe des zweiten Motors ansprechend auf die Eingangsgröße zu verändern.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebssystems mit einem ersten Motor gerichtet, der treibend mit einer ersten Traktions- bzw. Antriebsvorrichtung assoziiert ist, und mit einem zweiten Motor, der treibend mit einer zweiten Traktionsvorrichtung assoziiert ist. Das Verfahren weist auf, einen Parameter zu überwachen, der eine Temperatur des ersten Motors anzeigt, und ein Signal zu erzeugen, das der Temperatur entspricht. Das Verfahren weist auch auf, eine Drehmomentausgangsgröße des zweiten Motors ansprechend auf das Signal zu verändern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine bildliche und diagrammartige Veranschaulichung einer beispielhaften offenbarten Arbeitsmaschine; und
2 ist eine bildliche Darstellung eines beispielhaften elektrischen Antriebssystems für die Arbeitsmaschine der 1.
Detaillierte Beschreibung
1 veranschaulicht ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel einer Arbeitsmaschine 10. Die Arbeitsmaschine 10 kann eine mobile Maschine sein, die eine gewisse Art eines Betriebs ausführt, der mit einem Industriezweig assoziiert ist, wie beispielsweise Bergbau, Bau, Ackerbau, Transporte oder mit irgendeinem anderen in der Technik bekannten Industriezweig. Die Arbeitsmaschine 10 kann beispielsweise eine Erdbewegungsmaschine sein, wie beispielsweise ein Radlader, ein Kipplastwagen, ein Baggerlader, ein Motorgrader bzw. Straßenhobel oder irgendeine andere geeignete einen Betrieb ausführende Arbeitsmaschine. Die Arbeitsmaschine 10 kann ein Arbeitswerkzeug 12 und ein elektrisches Antriebssystem 14 aufweisen.
Das Arbeitswerkzeug 12 kann irgendeine Vorrichtung aufweisen, die verwendet wird, um eine spezielle Aufgabe auszuführen. Beispielsweise kann das Arbeitswerkzeug 12 eine Schaufel, eine Gabelanordnung, ein Schild, eine Frontschaufel bzw. einen Löffel, eine Reißvorrichtung, ein Kippbett, einen Besen, eine Schneefräse, eine Antriebsvorrichtung, eine Schneidvorrichtung, eine Greifvorrichtung oder irgend eine andere eine Aufgabe ausführende in der Technik bekannte Vorrichtung aufweisen. Das Arbeitswerkzeug 12 kann mit der Arbeitsmaschine 10 über eine direkte Schwenkachse, über ein Verbindungssystem, über einen oder mehrere Hydraulikzylinder oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise verbunden sein. Das Arbeitswerkzeug 12 kann konfiguriert sein, um zu schwenken, sich zu drehen, zu gleiten, zu schwingen, sich anzuheben oder sich relativ zur Arbeitsmaschine 10 in irgendeiner in der Technik bekannten Weise zu bewegen.
Das elektrische Antriebssystem 14 kann Komponenten aufweisen, die zusammenwirken, um die Arbeitsmaschine 10 anzutreiben. Insbesondere kann das elektrische Antriebssystem 14 eine Leistungsquelle 16, einen Drehmomentwandler 18 und ein Getriebe bzw. eine Übertragungsvorrichtung 20 aufweisen, die betriebsmäßig mit einer oder mehreren angetriebenen Traktions- bzw. Antriebsvorrichtungen 22 verbunden sind. Es wird in Betracht gezogen, dass zusätzliche Komponenten und/oder andere Komponenten in dem elektrischen Antriebssystem 14 vorgesehen sein können, wie beispielsweise zusätzliche Übersetzungsreduktionsvorrichtungen, die zwischen dem Getriebe 20 und den angetriebenen Traktionsvorrichtungen 22 gelegen sind, eine oder mehrere Speichervorrichtungen, wie beispielsweise eine Batterie oder einen Kondensator, ein Widerstandsgitter bzw. Widerstandsnetz für die Wärmeableitung, einen gemeinsamen Bus zur Leistungsversorgung der Antriebsmaschinenzusatzeinrichtungen oder irgendwelcher anderen in der Technik bekannten Komponenten.
Die Leistungsquelle 16 kann einen Verbrennungsmotor aufweisen, wie beispielsweise einen Dieselmotor, einen Benzinmotor, einen mit gasförmigem Brennstoff angetriebenen Motor, wie beispielsweise einen Erdgasmotor, oder irgendeinen anderen Motor, der dem Fachmann offensichtlich ist. Die Leistungsquelle 16 kann alternativ eine andere Leistungsquelle aufweisen, wie beispielsweise einen Ofen, eine Batterie, eine Brennstoffzelle, einen Motor, der mit einer nicht an Bord liegenden Leistungsversorgung verbunden ist, wie beispielsweise mit einer Nabelschnur bzw. einer nachzuziehenden Kabelversorgung, oder mit irgendeiner anderen geeigneten Leistungsquelle. Die Leistungsquelle 16 kann konfiguriert sein, um eine Leistungsausgabe zu erzeugen, die zu dem Drehmomentwandler 18 geleitet wird.
Der Drehmomentwandler 18 kann eine hydraulische Vorrichtung sein, die konfiguriert ist, um die Leistungsquelle 16 mit dem Getriebe 20 zu koppeln. Der Drehmomentwandler 18 kann gestatten, dass die Leistungsquelle 16 sich in gewisser Weise unabhängig vom Getriebe 20 dreht. Das Ausmaß der unabhängigen Drehung zwischen der Leistungsquelle 16 und dem Getriebe 20 kann durch Modifizieren des Betriebs des Drehmomentwandlers 18 variiert werden. Es wird in Betracht gezogen, dass der Drehmomentwandler 18 alternativ eine nicht hydraulische Vorrichtung verkörpern kann, wie beispielsweise eine mechanische Membrankupplung bzw. Scheibenkupplung. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass der Drehmomentwandler 18 weggelassen werden könnte, falls erwünscht, und dass das Getriebe 20 direkt mit der Leistungsquelle 16 verbunden wird.
Das Getriebe 20 kann konfiguriert sein, um Leistung von der Leistungsquelle 16 zur angetriebenen Traktionsvorrichtung 22 über einen Bereich von Ausgangsdreh zahlübersetzungen zu übertragen. Insbesondere kann das Getriebe 20 einen Generator 24 und zwei oder mehr Motoren 26 aufweisen. Ein Eingangsantriebsglied, wie beispielsweise eine Gegenwelle 28, kann das Getriebe 20 mit dem Drehmomentwandler 18 verbinden. In dieser Weise kann Leistung, die von der Leistungsquelle 16 erzeugt wird, durch das Getriebe 20 zur angetriebenen Traktionsvorrichtung 22 übertragen werden. Es wird in Betracht gezogen, dass das Getriebe 20 alternativ Leistung von der Leistungsquelle 16 zur angetriebenen Traktionsvorrichtung 22 mit nur einer einzigen Ausgangsdrehzahlübersetzung übertragen kann. Verschiedene Konfigurationen von Getrieben 20 können verfügbar sein, um unterschiedliche angetriebene Traktionsvorrichtungen 22 oder Paare von angetriebenen Traktionsvorrichtungen 22 abhängig oder unabhängig voneinander anzutreiben. Die angetriebenen Traktionsvorrichtungen 22 oder die Paare von angetriebenen Traktionsvorrichtungen 22 können unabhängig von getrennten Motoren 26 angetrieben werden. Beispielsweise kann ein getrennter Motor 26 mit jeder angetriebenen Traktionsvorrichtung 22 oder jedem Paar von unabhängig angetriebenen Traktionsvorrichtungen 22 mit oder ohne einen getrennten extra dafür vorgesehenen Generator 24 assoziiert sein und extra dafür vorgesehen sein.
Der Generator 24 kann einen dreiphasigen Permanentmagnetgenerator mit Wechselfeld verkörpern, der konfiguriert ist, um eine Leistungsausgabe ansprechend auf eine Dreheingangsgröße von der Leistungsquelle 16 zu erzeugen. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der Generator 24 ein Generator mit geschalteter Reluktanz ist, ein Gleichstrom- bzw. Gleichphasengenerator oder irgendeine andere Bauart eines in der Technik bekannten Generators. Der Generator 24 kann konfiguriert sein, um eine elektrische Leistungsausgabe zu erzeugen, wenn ein (nicht gezeigter) Rotor in einem (nicht gezeigten) Stator durch die Leistungsquelle 16 gedreht wird. Der Generator 24 kann mit jedem Motor 26 durch eine oder mehrere Leistungsleitungen 30 verbunden sein.
Der Motor 26 kann ein Permanentmagnetelektromotor mit Wechselfeld sein, der konfiguriert ist, um Leistung vom Generator 24 aufzunehmen, und um eine Bewegung der angetriebenen Traktionsvorrichtung 22 ansprechend auf einen Drehmomentbefehl zu bewirken. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der Motor 26 ein geschalteter Reluktanzmotor sein kann, ein Direktphasenmotor oder irgendeine andere Art eines in der Technik bekannten Elektromotors. Wie in 2 gezeigt, kann der Motor 26 mit der angetriebenen Traktionsvorrichtung 22 über eine Direktwellenkupplung 32 über einen (nicht gezeigten) Getriebemechanismus verbunden sein oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise.
Das Getriebe bzw. die Übertragungsvorrichtung 20 kann (nicht gezeigte) Leistungselektronik aufzuweisen, um elektrisch den Generator 24 mit den Motoren 26 zu verbinden. Beispielsweise kann die Übertragungsvorrichtung (elektrisches Getriebe) 20 einen oder mehrere (nicht gezeigte) Inverter aufweisen, die konfiguriert sind, um die Drei-Phasen-Wechselstromleistung in Gleichstromleistung umzuwandeln und umgekehrt. Die Antriebsinverter können verschiedene Komponenten haben, die bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs = Insulated Gate Bipolar Transistors), Mikroprozessoren, Kondensatoren, Memory-Speichervorrichtungen und andere Komponenten aufweisen, die zum Betrieb des Generators 24 und der Motoren 26 verwendet werden können. Andere Komponenten, die mit dem Antriebsinverter assoziiert sein können, weisen eine Leistungsversorgungsschaltung, eine Signalkonditionierungsschaltung und eine Elektromagnettreiberschaltung neben anderen auf.
Die angetriebene Traktionsvorrichtung 22 kann Räder 34 aufweisen, die auf jeder Seite der Arbeitsmaschine 10 gelegen sind. Alternativ kann die angetriebene Traktionsvorrichtung 22 Raupen, Riemen oder andere Traktions- bzw. Antriebsvorrichtungen aufweisen. Die angetriebene Traktionsvorrichtung 22 kann durch die Kupplung 32 angetrieben werden, um sich gemäß einer Ausgangsdrehung des Motors 26 zu drehen. Die angetriebene Traktionsvorrichtung 22 kann lenkbar sein oder nicht.
Das elektrische Antriebssystem 14 kann weiter ein Steuersystem 36 aufweisen, welches konfiguriert ist, um den Betrieb des elektrischen Antriebssystems 14 zu überwachen und zu beeinflussen. Bei einem Beispiel weist das Steuersystem 36 einen Temperatursensor 38 und einen Drehmomentsensor 40 auf, der mit dem Motor 26 assoziiert ist, der dem Arbeitswerkzeug 12 am nächsten gelegen ist, ei nen oder mehrere Nutzlastsensoren 42 und eine Steuervorrichtung 44 in Verbindung mit jedem der Sensoren des Steuersystems 36 und mit jedem Motor 26.
Der Temperatursensor 38 kann konfiguriert sein, um eine Temperatur des Motors 26 abzufühlen, der dem Arbeitswerkzeug 12 am nächsten gelegen ist. Insbesondere kann der Temperatursensor 38 einen Wandtemperatursensor, einen Lufttemperatursensor oder irgendeine andere Bauart eines Sensors verkörpern, der verwendet werden kann, um eine Temperatur des Motors 26 zu überwachen. Der Temperatursensor 38 kann ein Signal erzeugen, welches die Temperatur des Motors 26 anzeigt. Es wird in Betracht gezogen, dass das Steuersystem 36 zusätzlich einen Temperatursensor aufweisen kann, der mit dem Motor 26 assoziiert ist, der am weitesten vom Arbeitswerkzeug 12 entfernt gelegen ist. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass der Temperatursensor 38 weggelassen werden kann, falls erwünscht.
Der Drehmomentsensor 40 kann betriebsmäßig mit der Kupplung 32 assoziiert sein und kann konfiguriert sein, um einen Wert der Drehmomentausgangsgröße aus dem Motor 26 abzufühlen. Es wird in Betracht gezogen, dass alternative Techniken zur Bestimmung der Drehmomentausgangsgröße eingerichtet werden können, wie beispielsweise die Überwachung von verschiedenen Parametern der Arbeitsmaschine 10, und das darauf ansprechende Bestimmen eines Wertes des Ausgangsdrehmomentes aus dem Motor 26, oder durch Überwachung eines Drehmomentbefehls, der zum Motor 26 gesendet wird. Beispielsweise können die Motordrehzahl, die Raddrehzahl, die Fahrgeschwindigkeit und andere Parameter verwendet werden, wie in der Technik wohlbekannt ist, um das Ausgangsdrehmoment aus dem Motor 26 zu berechnen. Der Drehmomentsensor 40 kann ein Signal ausgeben, welches die Drehmomentausgabe des Motors 26 anzeigt.
Der Nutzlastsensor 42 kann konfiguriert sein, um eine Last auf dem Arbeitswerkzeug 12 und/oder eine Verteilung einer Last auf dem Arbeitswerkzeug 12 abzufühlen. Obwohl nur ein Nutzlastsensor 42 in 2 gezeigt ist, kann irgendeine Anzahl von Nutzlastsensoren 42 als Komponenten eines größeren Nutzlastüberwachungssystems vorgesehen sein. Jeder Nutzlastsensor 42 kann beispielsweise eine Schaufel- oder Bettdrucküberwachungsvorrichtung verkörpern, die mit dem Arbeitswerkzeug 12 assoziiert ist, eine Strebendrucküberwachungsvorrichtung, die mit der Aufhängung von jedem Rad 34 assoziiert ist, eine Hydraulikzylinder- und Verbindungsdrucküberwachungsvorrichtung, oder irgendeine andere Art eines in der Technik bekannten Nutzlastsensors. Jeder Nutzlastsensor 42 kann konfiguriert sein, um ein Signal zu erzeugen, welches die Last und/oder die Verteilung der Last auf dem Arbeitswerkzeug 12 anzeigt.
Die Steuervorrichtung 44 kann einen einzelnen Mikroprozessor oder mehrere Mikroprozessoren verkörpern bzw. aufweisen, die Mittel aufweisen, um einen Betrieb des elektrischen Antriebssystems 14 zu steuern. Zahlreiche im Handel erhältliche Mikroprozessoren können konfiguriert sein, um Funktionen der Steuervorrichtung 44 auszuführen. Es sei bemerkt, dass die Steuervorrichtung 44 leicht einen allgemeinen Arbeitsmaschinenmikroprozessor verkörpern könnte, der fähig ist, zahlreiche Arbeitsmaschinenfunktionen zu steuern. Verschiedene andere bekannte Schaltungen können mit der Steuervorrichtung 44 assoziiert sein, die Leistungsversorgungsschaltungen, Signalkonditionierungsschaltungen, Elektromagnettreiberschaltungen, Kommunikationsschaltungen und andere geeignete Schaltungen aufweisen.
Die Steuervorrichtung 44 kann in Verbindung mit den Komponenten des elektrischen Antriebssystems 14 sein. Insbesondere kann die Steuervorrichtung 44 in Verbindung mit dem Temperatursensor 38 über eine Kommunikationsleitung 46 sein, sie kann mit dem Drehmomentsensor 40 über eine Kommunikationsleitung 48 in Verbindung sein, sie kann mit dem Nutzlastsensor 42 über eine Kommunikationsleitung 50 verbunden sein, und mit den Motoren 26 über Kommunikationsleitungen 52. Die Kommunikationsleitungen 46–52 können digitale, analoge oder gemischte Bauarten von Kommunikationsleitungen sein. Alternativ kann die Kommunikation mit den Komponenten des elektrischen Antriebssystems 14 durch mechanische oder hydraulische Verbindungen eingerichtet werden.
Die Steuervorrichtung 44 kann Signale von den Temperatur- und/oder Drehmomentsensoren 38, 40 aufnehmen, um eine Wärmebelastung auf dem Motor 26 zu bestimmen. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 44 bestimmen, dass der Motor 26 am nächsten am Arbeitswerkzeug 12 eine gesteigerte Wärmebelastung hat, und zwar durch direkte Überwachung des Signals vom Temperatursensor 38. Alternativ kann die Steuervorrichtung 44 bestimmen, dass der Motor 26 am nächsten am Arbeitswerkzeug 12 eine gesteigerte Wärmebelastung hat, und zwar durch Abschätzen der Temperatur des Motors 26 aus der Größe der Drehmomentausgabe aus dem Motor 26, wie vom Drehmomentsensor 40 gemessen, und aus einer Zeitdauer der Drehmomentausgabe. Es wird in Betracht gezogen, dass die Steuervorrichtung 44 alternativ bestimmen kann, dass der Motor 26 am nächsten am Arbeitswerkzeug 12 eine gesteigerte Wärmebelastung hat, indem sie die Temperatur des Motors 26 aus einem Drehmomentbefehl abschätzt, der zum Motor 26 geleitet wird, und aus einer Zeitdauer oder aus einer aufaddierten Zeitdauer der Drehmomentbefehle, ohne Anwendung des Drehmomentsensors 40. Die Beziehung zwischen der Temperatur des Motors 26 und einer Drehmomentausgangsgröße oder einem Befehl und einer Dauer kann durch Testen bestimmt werden und kann als eine Gleichung, eine Tabelle oder ein Kennfeld im Speicher der Steuervorrichtung 44 gespeichert werden. Die Beziehung zwischen der Temperatur des Motors 26 und der Drehmomentausgabe oder dem Befehl und der Dauer kann periodisch kalibriert werden und manuell oder automatisch aktualisiert werden.
Die Steuervorrichtung 44 kann konfiguriert sein, um eine Drehmomentausgabe des Motors 26 ansprechend auf die Bestimmung der zunehmenden Wärmebelastung zu verändern. Insbesondere kann die Steuervorrichtung 44 bestimmen, dass die Temperatur des vorne gelegenen Motors 26 oder des Motors, der am nächsten am Arbeitswerkzeug 12 liegt, über einer vorbestimmten Temperatur ist, dass er die vorbestimmte Temperatur kurz überschreiten wird und/oder über der vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitperiode geblieben ist, und kann ansprechend auf diese Bestimmung eine gesteigerte Drehmomentausgabe des hinten gelegenen Motors 26 oder des Motors anweisen, der am weitesten vom Arbeitswerkzeug 12 entfernt gelegen ist. Im Wesentlichen gleichzeitig kann die Steuervorrichtung 44 die Drehmomentbelastung von dem vorne gelegenen Motor 26 wegnehmen. Nachdem das Arbeitswerkzeug 12 entladen worden ist, oder in Situationen, wo die Verteilung der Last zwischen den vorne und hinten gelegenen Motoren 26 sich typischerweise einer im Wesentlichen gleichen Drehmomentverteilung annähern würde, kann in einem Beispiel die Steuervorrichtung 44 stattdessen eine gesteigerte Drehmomentausgabe des hinten gelegenen Motors 26 und eine verringerte Drehmomentausgabe des vorne gelegenen Motors 26 anweisen, und zwar in Voraussicht der nächsten ungleichmäßigen starken Drehmomentbelastung auf dem vorne gelegenen Motor 26. Durch Entlastung der Drehmomentbelastung auf dem vorne gelegenen Motor 26 während Zeiten von normalerweise im Wesentlichen gleicher Drehmomentverteilung, kann eine gesteigerte Kühlung des vorne gelegenen Motors 26 verwirklicht werden. Wenn der vorne gelegene Motor 26 wieder stark durch Drehmoment belastet wird, kann auf diese Weise der vorne gelegene Motor 26 auf einer niedrigeren Temperatur sein, als wenn die vorne und hinten gelegenen Motoren 26 beide zuvor gleichmäßig belastet worden wären.
Die Steuervorrichtung 44 kann konfiguriert sein, um den hinten gelegenen Motor 26 mit einer gleichen oder geringeren Größe belasten als eine gegenwärtige Traktionskapazität des Bodens, und zwar während der Kühlung des vorne gelegenen Motors 26. Für die Zwecke dieser Offenbarung wird die Traktionskapazität des Bodens als die Größe des Drehmomentes definiert, die auf ein einzelnes Rad 34 aufgebracht wird, über der das Rad 34 wahrscheinlich durchrutschen wird. Die Traktionskapazität des Bodens kann für jedes Rad 34, basierend auf einem Beladungszustandes des Rades 34, basierend auf einem Reibungskoeffizienten und basierend auf der Geometrie des Rades 34 abgeschätzt werden. Der Beladungszustand des Rades 34 kann ansprechend auf eine Eingangsgröße vom Nutzlastsensor 42 und auf eine bekannte Gewichtsverteilung der Arbeitsmaschine 10 bestimmt werden. Unten ist eine beispielhafte Gleichung zur Abschätzung der Traktionskapazität des Bodens vorgesehen. Cgt = Fn × μ × rwobei gilt:

C_gt: ist die abgeschätzte Traktionskapazität des Bodens;
F_n: ist die Kraft auf dem Rad 34 in senkrechter Richtung relativ zur Eingriffsfläche des Rades 34;
μ: ist der Reibungskoeffizient; und
r: ist der Radius der Rades 34.

Wenn zusätzliche Übersetzungsreduktionsvorrichtungen zwischen dem Getriebe 20 und dem Rad 34 vorgesehen sind, kann der abgeschätzte Traktionskapazität des Bodens durch das Übersetzungsverhältnis geteilt werden, um eine Ausgangsdrehmomentgröße aus dem Getriebe 20 zu bestimmen, welche zur Folge haben wird, dass das Rad 34 durchrutscht. Um die Wahrscheinlichkeit zu minimieren, dass das Rad 34 durchrutscht, sollte das Drehmoment, welches vom Getriebe bzw. der Übertragungsvorrichtung 20 auf das Rad 34 übertragen wird, so eingeschränkt sein, dass es geringer oder gleich der abgeschätzten Traktionskapazität des Bodens ist.
Der verwendete Reibungskoeffizient, um die Traktionskapazität des Bodens abzuschätzen, kann abhängig von der Zusammensetzung der Bodenoberfläche variieren und kann manuell oder automatisch aktualisiert werden. Insbesondere kann der Reibungskoeffizient die Fähigkeit des Bodens anzeigen, einer Kraftübertragung durch das Rad 34 Widerstand zu bieten. Eine Bodenfläche mit einer weichen oder losen Zusammensetzung kann einen niedrigeren Reibungskoeffizienten haben, wenn sie mit einer Bodenfläche verglichen wird, die eine harte oder zusammenhängende Zusammensetzung hat. Der Reibungskoeffizient kann manuell durch einen Arbeitsmaschinenbediener aktualisiert werden, sodass er der gegenwärtigen Bodenzusammensetzung entspricht, die auf einem speziellen Einsatzgebiet bzw. einer Baustelle zu finden ist, oder kann automatisch basierend auf einem angenommenen Reibungskoeffizienten und basierend auf dem Auftreten des Durchrutschens eines Rades aktualisiert werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Das offenbarte elektrische Antriebssystem findet mögliche Anwendung bei irgendeiner mobilen Maschine, wo es wünschenswert ist, einen Motor zu kühlen, wäh rend der Wirkungsgrad des elektrischen Antriebssystems aufrechterhalten wird. Das offenbarte elektrische Antriebssystem kühlt den Motor durch erneute Verteilung einer Drehmomentlast weg vom Motor während Betriebsvorgängen ohne Ladung oder mit gut verteilter Ladung der Arbeitsmaschine. Der Betrieb des elektrischen Antriebssystems 14 wird nun beschrieben.
Während des Betriebs kann die Steuervorrichtung 44 bestimmen, dass eine Drehmomentbelastung auf dem vorne gelegenen Motor 26 bewirkt, dass der vorne gelegene Motor 26 überhitzt. Diese Bestimmung kann durch direkte Überwachung einer Temperatur des vorne gelegenen Motors 26 ausgeführt werden oder indirekt durch Überwachung einer Drehmomentbelastung auf dem vorne gelegenen Motor 26 und einer Dauer der Drehmomentbelastung. Die überwachte Drehmomentbelastung und die Dauer können dann verwendet werden, um die Temperatur des vorne gelegenen Motors abzuschätzen, und zwar durch die Gleichung, durch die Tabelle oder das Kennfeld, die im Speicher der Steuervorrichtung 44 gespeichert sind.
Wenn die Steuervorrichtung 44 bestimmt, dass die Temperatur des vorne gelegenen Motors eine vorbestimmte Temperatur überschritten hat, diese vorbestimmte Temperatur bald überschreiten wird und/oder über einer vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitperiode geblieben ist, kann die Steuervorrichtung 44 dahingehend wirken, dass sie die Drehmomentbelastung auf dem vorne gelegenen Motor 26 verringert. Insbesondere kann die Steuervorrichtung 44 eine gesteigerte Drehmomentausgabe aus dem hinten gelegenen Motor 26 anweisen, und zwar bis zu einer Größe, die genauso groß wie die Traktionskapazität des Bodens ist oder geringer ist als diese, die für den hinten gelegenen Motor 26 abgeschätzt wurde, während sie im Wesentlichen gleichzeitig die Drehmomentbelastung auf dem vorne gelegenen Motor 26 verringert. Diese erneute Verteilung der Drehmomentbelastung weg von dem vorne gelegenen Motor kann am effektivsten sein, wenn das Arbeitswerkzeug 12 entladen ist, oder wenn die Belastung auf der Arbeitsmaschine 10 gleichmäßig verteilt ist und die Traktionskapazität des Bodens so ist, dass eine gesteigerte Drehmomentausgabe aus dem hinten gelegenen Motor 26 möglich ist, ohne dass die hinten gelegenen Räder 34 durchrutschen. Wenn die Temperatur des vorne gelegenen Motors unter die vorbestimmte Temperatur abfällt und/oder unter der vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitperiode bleibt, kann die Verteilung der Drehmomentbelastung zwischen den vorne und hinten gelegenen Motoren 26 im Wesentlichen ausgeglichen werden, und zwar durch Verringerung der Drehmomentausgabe, die für die hinten gelegenen Motoren 26 angewiesen wird. Es wird in Betracht gezogen, dass die Steuervorrichtung 44 alternativ die absichtliche ungleichmäßige Belastung der vorne und hinten gelegenen Motoren 26 andauern lassen kann, um die Kühlung der vorne gelegenen Motoren zu maximieren, ohne auf einen Schwellenwert Bezug zu nehmen.
Das elektrische Antriebssystem 14 kann kosteneffektiv sein. Insbesondere, weil das elektrische Antriebssystem 14 existierende Komponenten verwendet, um die Kühlung des vorne gelegenen Motors 26 zu verbessern, können die Komponenten- und Montagekosten der Arbeitsmaschine 10 minimiert werden.
Das elektrische Antriebssystem 14 verbessert die Kühlung des vorne gelegenen Motors 26, während sie den Wirkungsgrad der Arbeitsmaschine 10 aufrechterhält. Insbesondere, weil das elektrische Antriebssystem 14 den vorne gelegenen Motor 26 durch Verschiebung der Drehmomentausgabe zu dem hinten gelegenen Motor 26 kühlt, wird Leistung übertragen, anstatt verschwendet zu werden. Weil die Drehmomentausgabe aus dem vorne gelegenen Motor 26 nur auf die Traktionskapazität des Bodens vergrößert wird, die mit den hinten gelegenen angetriebenen Traktionsvorrichtungen 22 assoziiert ist, tritt wenig oder kein Schlupf der Räder 34 auf, was weiter den Wirkungsgrad der Arbeitsmaschine 10 verbessert.
Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem elektrischen Antriebssystem der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden können. Andere Ausführungsbeispiele des elektrischen Antriebssystems werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und aus einer praktischen Ausführung der hier offenbarten Erfindung offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als bei spielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.
Zusammenfassung
Elektrisches Antriebssystem mit Kühlstrategie
Ein elektrisches Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine wird offenbart. Das elektrische Antriebssystem hat eine erste Traktionsvorrichtung, die konfiguriert ist, um die Arbeitsmaschine anzutreiben, und einen ersten Motor, der treibend mit der ersten Traktionsvorrichtung verbunden ist. Das elektrische Antriebssystem hat auch eine zweite Traktionsvorrichtung, die konfiguriert ist, um die Arbeitsmaschine anzutreiben, und einen zweiten Motor, der treibend mit der zweiten Traktionsvorrichtung verbunden ist. Das elektrische Antriebssystem hat weiter einen Sensor, der konfiguriert ist, um mindestens einen Parameter zu überwachen, der eine Temperatur des ersten Motors anzeigt, und um ein Signal entsprechend der Temperatur zu erzeugen. Das elektrische Antriebssystem hat zusätzlich eine Steuervorrichtung in Verbindung mit dem Sensor und dem zweiten Motor. Die Steuervorrichtung ist konfiguriert, um eine Drehmomentausgabe des zweiten Motors ansprechend auf das Signal zu verändern.

Claims

Elektrisches Antriebssystem (14) für eine Arbeitsmaschine (10), wobei das elektrische Antriebssystem Folgendes aufweist: eine erste Traktionsvorrichtung (22), die konfiguriert ist, um die Arbeitsmaschine anzutreiben; einen ersten Motor (26) der treibend mit der ersten Traktionsvorrichtung verbunden ist; eine zweite Traktionsvorrichtung (22), die konfiguriert ist, um die Arbeitsmaschine anzutreiben; einen zweiten Motor (26), der treibend mit der zweiten Traktionsvorrichtung verbunden ist; einen Sensor (38, 40), der konfiguriert ist, um mindestens einen Parameter zu überwachen, der eine Temperatur des ersten Motors anzeigt und um ein Signal entsprechend der Temperatur zu erzeugen; und eine Steuervorrichtung (44) in Verbindung mit dem Sensor und dem zweiten Motor, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um eine Drehmomentausgabe des zweiten Motors ansprechend auf das Signal zu verändern.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei der Parameter eine Temperatur des ersten Motors ist, und wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um eine gegenwärtige Traktionskapazität des Bodens zu bestimmen, die mit der zweiten Traktionsvorrichtung assoziiert ist, und um eine Drehmomentausgabe aus dem zweiten Motor in einer Weise zu steigern, sodass diese nicht die bestimmte gegenwärtige Traktionskapazität des Bodens überschreitet, und zwar ansprechend darauf, dass die Temperatur des ersten Motors einen vorbestimmten Temperaturwert überschreitet.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei der Parameter eine Drehmomentausgangsgröße des ersten Motors ist, und wobei die Steuer vorrichtung konfiguriert ist, um eine Drehmomentausgabe des zweiten Motors ansprechend darauf zu steigern, dass eine Drehmomentausgabe des ersten Motors ein vorbestimmtes Drehmomentausgangsniveau für eine vorbestimmte Zeitperiode überschreitet.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 3, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um eine gegenwärtige Traktionskapazität des Bodens zu bestimmen, die mit der zweiten Traktionsvorrichtung assoziiert ist, und wobei das Steigern der Drehmomentausgabe des zweiten Motors aufweist, die Drehmomentausgabe des zweiten Motors in einer Weise zu steigern, so dass diese nicht die bestimmte gegenwärtige Traktionskapazität des Bodens überschreitet.
Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebssystems (14) mit einem ersten Motor (26), der treibend mit einer ersten Traktionsvorrichtung (22) assoziiert ist, und mit einem zweiten Motor (26), der treibend mit einer zweiten Traktionsvorrichtung (22) assoziiert ist, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Überwachen eines Parameters, der eine Temperatur des ersten Motors anzeigt; Erzeugen eines Signals, welches der Temperatur entspricht; und Verändern einer Drehmomentausgabe des zweiten Motors ansprechend auf das Signal.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Parameter eine Temperatur des Motors ist, und wobei das Verfahren weiter aufweist, eine Drehmomentausgabe des zweiten Motors ansprechend darauf zu steigern, dass die Temperatur des ersten Motors einen vorbestimmten Temperaturwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 6, welches weiter aufweist, eine gegenwärtige Traktionskapazität des Bodens zu bestimmen, die mit der zweiten Traktionsvorrichtung assoziiert ist, wobei das Steigern der Drehmomentausgabe des zweiten Motors aufweist, die Drehmomentausgabe des zweiten Motors in einer Weise zu steigern, sodass diese nicht die bestimmte gegenwärtige Traktionskapazität des Bodens der zweiten Traktionsvorrichtung überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Parameter eine Drehmomentausgabe des Motors ist, und wobei das Verfahren aufweist, eine Drehmomentausgabe des zweiten Motors ansprechend darauf zu steigern, dass eine Drehmomentausgabe des ersten Motors ein vorbestimmtes Drehmomentausgabeniveau für eine vorbestimmte Zeitperiode überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 8, welches weiter aufweist, die gegenwärtige Traktionskapazität des Bodens der zweiten Traktionsvorrichtung zu bestimmen, wobei das Steigern der Drehmomentausgabe des zweiten Motors aufweist, die Drehmomentausgabe des zweiten Motors auf die bestimmte gegenwärtige Traktionskapazität des Bodens der zweiten Traktionsvorrichtung zu steigern.
Arbeitsmaschine (10), die Folgendes aufweist: eine Leistungsquelle (16), die konfiguriert ist, um eine Leistungsausgabe zu erzeugen; und das elektrische Antriebssystem (14) nach einem der Ansprüche 1–4, welches konfiguriert ist, um die Leistungsausgabe aufzunehmen.