DE112007000491T5 - Leistungserzeugungs- und Leistungsspeichersystem mit einem gemeinsamen Stator - Google Patents

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Scott A. Eureka Leman
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Abstract

Antriebssystem (14), welches Folgendes aufweist:
eine Antriebsquelle (16);
einen ersten Rotor (28), der mechanisch von der Antriebsquelle angetrieben wird;
einen zweiten Rotor (34), der drehbar von der Antriebsquelle entkoppelt ist; und
einen gemeinsamen Stator (30) für die ersten und zweiten Rotoren.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Antriebssystem und insbesondere auf ein Hybrid-Antriebssystem mit einem Motor/Generator, einer Leistungsspeichervorrichtung und einem gemeinsamen Stator.
  • Hintergrund
  • Maschinen, die Gewerbefahrzeuge, Geländelieferlastwägen, Motorgrader bzw. Straßenhobel, Radlader und andere Arten von schweren Maschinen aufweisen, werden für eine Vielzahl von Aufgaben verwendet. Diese Maschinen weisen oft einen Generator auf, der mit einem Motor gekoppelt ist, wie beispielsweise mit einem Dieselmotor, mit einem Benzinmotor oder einem mit gasförmigem Brennstoff angetriebenen Motor. Der Motor treibt mechanisch den Generator an, um elektrische Leistung zu erzeugen, die verwendet werden kann, um die Maschine anzutreiben bzw. zu fahren, um zusätzliche Lasten der Maschine mit Leistung zu versorgen und/oder ein oder mehrere Arbeitswerkzeuge anzutreiben, die mit der Maschine assoziiert sind. Eine Leistungslast, die auf den Generator durch eine Traktions- bzw. Antriebsvorrichtung, eine Zusatzeinrichtung oder das Arbeitswerkzeug aufgebracht wird, wird in umgekehrter Richtung auf den Motor übertragen. Leistungslastveränderungen, wobei entweder zusätzliche Leistung oder weniger Leistung erforderlich ist, können bewirken, dass der (Antriebs-)Motor vom erwünschten Betriebsbereich abweicht. Abweichungen vom erwünschten Betriebsbereich können einen schlechten Wirkungsgrad, geringe Erzeugung bzw. Leistungsausgabe, gesteigerte Abnutzung des Antriebsmotors und unzufriedene Bediener zur Folge haben.
  • Maschinen weisen typischerweise ein Schwungrad auf, um dabei zu helfen, Variationen der Antriebsmotordrehzahl zu minimieren, die durch eine Veränderung der Leistungslast verursacht werden. Die Größe der Drehzahlveränderungen kann durch Vergrößerung der Trägheit des Schwungrades minimiert werden. Wenn jedoch die Trägheit bzw. Drehmasse des Schwungrades zunimmt, nimmt die Ansprechfähigkeit des Motors ab. Ein herkömmliches Schwungrad kann ineffizient dahingehend sein, eine Balance zwischen den Zielen vorzusehen, die Motordrehzahlfluktuationen zu minimieren und zu gestatten, dass der Motor schnell auf erwünschte Leistungsveränderungen anspricht.
  • In einem Versuch, ein Schwungrad vorzusehen, welches eine verbesserte Ansprechfähigkeit auf einen breiten Bereich von Lastveränderungen bietet, ist ein elektrisches Schwungrad vorgeschlagen worden. Insbesondere beschreibt das US-Patent Nr. 6 891 279 (das '279-Patent), das an Kazama am 10. Mai 2005 ausgegeben wurde, ein Hybrid-Fahrzeug mit einem elektrischen Leistungsgenerator, mit einer Speichereinheit für elektrische Leistung und einen Fahrzeugantriebsmotor, der durch die elektrische Leistungsausgabe angetrieben wurde, die von dem elektrischen Leistungsgenerator und/oder der Speichereinheit für elektrische Leistung geliefert wird. Die Speichereinheit für elektrische Leistung ist vom elektrischen Leistungsgenerator getrennt und aus einem Schwungrad aufgebaut, das mit einem elektrischen Motor/Generator gekoppelt ist, um elektrische Leistung als Drehenergie zu speichern. Die gespeicherte elektrische Leistung kann dann verwendet werden, um den Fahrzeugmotor während Situationen anzutreiben, in denen Leistung vom elektrischen Leistungsgenerator unzureichend ist, um die Leistungsanforderungen des Fahrzeugantriebsmotors zu erfüllen.
  • Während die Speichereinheit für elektrische Leistung des '279-Patentes verbesserte Ansprechfähigkeit für einen Bereich von Lastveränderungen bieten kann, kann sie teuer und massig sein. Insbesondere weil der elektrische Leistungsgenerator und die Speichereinheit für elektrische Leistung getrennt voneinander sind, können sie doppelte elektronische Komponenten erfordern. Diese doppelten Komponenten können die Kosten des Hybrid-Fahrzeugs vergrößern und die Verfügbarkeit von Raum innerhalb des Fahrzeugs verringern.
  • Das Antriebssystem der vorliegenden Offenbarung löst eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Antriebssystem gerichtet. Das Antriebssystem weist eine Leistungsquelle, einen ersten Rotor, der mechanisch von der Leistungsquelle angetrieben wird, und einen zweiten Rotor auf, der in Drehrichtung von der Leistungsquelle entkoppelt ist. Das Antriebssystem weist auch einen gemeinsamen Stator für die ersten und zweiten Rotoren auf.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein mobiles Fahrzeug gerichtet. Das mobile Fahrzeug weist einen Motor und einen Stator auf, der betriebsmäßig mechanisch mit dem Motor verbunden ist. Das mobile Fahrzeug weist auch einen ersten Rotor auf, der mechanisch vom Motor angetrieben wird, um mit dem Stator zusammenzuwirken und elektrische Leistung zu erzeugen, weiter eine Traktions- bzw. Antriebsvorrichtung, die betriebsmäßig von der elektrischen Leistung angetrieben wird, um das mobile Fahrzeug anzutreiben, und einen zweiten Rotor, der konfiguriert ist, um mit dem Stator zusammenzuwirken und durch Drehung Leistung zu speichern und freizugeben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften offenbarten mobilen Fahrzeugs; und
  • 2 ist eine schematische Veranschaulichung eines Antriebssystems zur Anwendung im Fahrzeug der 1.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 1 veranschaulicht ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel einer Maschine 10. Die Maschine 10 kann ein mobiles Fahrzeug verkörpern, welches konfiguriert ist, um eine gewisse Art eines Betriebs auszuführen, der mit einem Industriezweig assoziiert ist, wie beispielsweise Transport, Bergbau, Bau, Ackerbau oder irgendeinem anderen in der Technik bekannten Industriezweig. Beispielsweise kann die Maschine 10 eine Erdbewegungsmaschine sein, wie beispielsweise ein Lieferlastwagen, ein Radlader, ein Baggerlader, ein Motorgrader bzw. Straßenhobel oder irgendeine andere einen geeigneten Betrieb ausführende Maschine. Die Maschine 10 kann mindestens eine Traktions- bzw. Antriebsvorrichtung 12 aufweisen, die von einem Antriebssystem 14 angetrieben wird.
  • Die Traktionsvorrichtung 12 kann Räder aufweisen, die an jeder Seite der Maschine 10 gelegen sind (wobei nur eine Seite gezeigt ist). Alternativ kann die Traktionsvorrichtung 12 Raupen, Riemen oder andere bekannte Traktionsvorrichtungen aufweisen. Es wird in Betracht gezogen, dass irgendwelche der Räder an der Maschine 10 angetrieben und/oder lenkbar sein können.
  • Wie in 2 veranschaulicht, kann das Antriebssystem 14 einen (Antriebs-)Motor 16 aufweisen, wie beispielsweise einen Dieselmotor, einen Benzinmotor, einen mit gasförmigem Brennstoff angetriebenen Motor, wie beispielsweise einen Erdgasmotor, oder irgendeine andere Bauart eines Motors, die dem Fachmann offensichtlich sein würde. Das Antriebssystem 14 kann alternativ eine nicht auf Verbrennung basierende Leistungsquelle aufweisen, wie beispielsweise eine Brennstoffzelle, eine Leistungsspeichervorrichtung, einen Elektromotor oder einen anderen ähnlichen Mechanismus. Der Motor 16 kann mit der Traktionsvorrichtung 12 über einen elektrischen Antrieb 18 verbunden sein, um sie anzutreiben, wodurch die Maschine 10 gefahren wird.
  • Der elektrische Antrieb 18 kann Komponenten aufweisen, die zusammenarbeiten, um eine mechanische Leistungsausgabe des Antriebsmotors 16 in elektrische Leistung umzuwandeln, die verwendet wird, um die Maschine 10 anzutreiben. Beispielsweise kann der elektrische Antrieb 18 einen Motor/Generator 20 aufweisen, der drehbar ist, um eine elektrische Leistungsausgabe zu erzeugen, die zu einem gemeinsamen Bus bzw. einer Leitung 22 geleitet wird, und der elektrisch antreibbar ist, um mechanisch eine Ausgangswelle 24 zu drehen. Der elektrische Antrieb 18 kann auch eine Leistungsspeichervorrichtung 26 aufweisen, die konfiguriert ist, um Leistung vom gemeinsamen Bus 22 abzuziehen und Leistung an den gemeinsamen Bus 22 abzugeben. Es wird in Betracht gezogen, dass der e lektrische Antrieb 18 weiter einen (nicht gezeigten) elektrisch angetriebenen Motor aufweisen kann, der betriebsmäßig angeschlossen ist, um Leistung vom gemeinsamen Bus 22 abzuziehen und die Traktionsvorrichtung 12 anzutreiben; weiter eine (nicht gezeigte) Steuervorrichtung in Verbindung mit dem Antriebsmotor, dem Motor/Generator 20 und der Leistungsspeichervorrichtung 26; eine (nicht gezeigte) Widerstandsnetzschaltung, die konfiguriert ist, um übermäßige Leistung vom gemeinsamen Bus 22 abzubrennen bzw. abzuleiten; zusätzliche Speichervorrichtungen, wie beispielsweise eine Batterie 29 oder eine (nicht gezeigte) Kondensatorbank und andere ähnliche Antriebskomponenten, die in der Technik bekannt sind.
  • Der Motor/Generator 20 kann eine einzelne Einheit sein, die konfiguriert ist, um selektiv als ein Motor zu arbeiten, indem sie Drehmoment auf den Motor 16 aufbringt, oder als ein Generator, der vom Motor 16 angetrieben wird, um elektrische Leistung zu erzeugen. Insbesondere kann der Motor/Generator 20 einen Rotor 28 aufweisen, der innerhalb eines festen äußeren Stators 30 drehbar ist. Elektrischer Strom kann sequentiell an (nicht gezeigte) Wicklungen des Stators 30 angelegt werden, um ein sich drehendes magnetisches Feld zu erzeugen, welches den Rotor 28 dazu zwingt, sich um die Ausgangswelle 24 zu drehen. Im Gegensatz dazu kann elektrischer Strom in den Wicklungen des Stators 30 induziert werden, wenn der Rotor 28 drehbar im Stator 30 durch den Antriebsmotor 16 angetrieben wird. Der Rotor 28 kann fest mit der Ausgangswelle 24 verbunden sein, so dass eine Ausgangsdrehung der Ausgangswelle 24 eine entsprechende Drehung des Rotors 28 zur Folge hat. Der Stator 30 kann betriebsmäßig an dem Antriebsmotor 16 durch eine Befestigung 32 festgelegt sein. Die Befestigung 32 kann direkt mit dem Antriebsmotor 16 verbunden sein oder sie kann alternativ indirekt mit dem Antriebsmotor 16 durch ein (nicht gezeigtes) Antriebsmotorgehäuse verbunden sein.
  • Der gemeinsame Bus 22 kann positive und negative Leistungsleitungen 35, 36 aufweisen, die elektrisch den Motor/Generator 20, die Leistungsspeichervorrichtung 26, die Batterie 29, den Kondensator, die Widerstandsnetzschaltung und andere Komponenten mit dem Antriebsmotor verbinden. Der gemeinsame Bus 22 kann auch elektrisch mit (nicht gezeigten) Zusatzleistungslasten verbunden sein, die Leistung vom gemeinsamen Bus 22 abziehen.
  • Die Leistungsspeichervorrichtung 26, die auch als ein elektrisches Schwungrad bezeichnet wird, kann Komponenten aufweisen, die dahingehend wirken, dass sie durch Drehung Energie speichern und freigeben. Insbesondere kann die Leistungsspeichervorrichtung 26 einen Rotor 34 aufweisen, der im Stator 30 drehbar ist (beispielsweise kann der Stator 30 gemeinsam für den Rotor 28 und den Rotor 34 vorgesehen sein). Elektrischer Strom kann sequentiell an Wicklungen des Stators 30 angelegt werden, um ein sich drehendes magnetisches Feld zu erzeugen, welches den Rotor 34 dazu zwingt, sich zu drehen. Der Rotor 34 kann beträchtliche Trägheitsmasse haben (er kann beispielsweise eine größere Trägheitsmasse bzw. Drehmasse haben als jene des Rotors 28) und er kann für eine beträchtliche Zeitdauer in Bewegung bleiben, sobald die Bewegung eingeleitet worden ist. Wenn der Rotor 34 sich im Stator 30 dreht, kann die Drehbewegung des Rotors 34 verwendet werden, um elektrischen Strom in den Wicklungen des Stators 30 zu induzieren. Der Rotor 34 kann sich unabhängig von der Ausgangswelle 24 drehen, so dass eine Ausgangsdrehung der Ausgangswelle 24 wenig oder keinen Einfluss auf die Drehung des Rotors 34 hat und umgekehrt. Der Rotor 34 kann von einem oder mehreren Lagern 38 getragen werden und kann am Antriebsmotor 16 entweder direkt oder indirekt durch die Befestigung 32 befestigt sein. Obwohl die Lager 38 derart veranschaulicht sind, dass sie radial außerhalb des Rotors 34 angeordnet sind, wird in Betracht gezogen, dass die Lager 38 alternativ radial innerhalb des Rotors 34 zwischen dem Rotor 34 und der Ausgangswelle 24 gelegen sein könnten, falls erwünscht.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Das offenbarte System kann bei irgendeinem Leistungs- bzw. Antriebssystem anwendbar sein, welches eine Dämpfung und/oder Speicherung von Leistungslasten erfordert, um Leistungsabweichungen außerhalb eines erwünschten Betriebsbereiches zu minimieren oder zu verhindern. Für die Zwecke dieser Offenbarung bezeichnet der Ausdruck „erwünschter Betriebsbereich" jene Betriebsbedingungen, die der Maschinenbediener und/oder das Maschinensteuersystem erreichen und/oder beibehalten möchten, beispielsweise die Motordrehzahl. Abweichungen von diesem erwünschten Betriebsbereich können einen gesteigerten Brennstoffverbrauch, gesteigerte Abgasemissionen, gesteigerte Motortemperaturen, verringerte Produktivität der Maschine, unzufriedene Bediener und/oder verringerte Ansprechfähigkeit zur Folge haben.
  • Abweichungen von dem erwünschten Betriebsbereich können auftreten, wenn plötzliche Veränderungen der Leistungslast, welche die Traktionsvorrichtung 20 erfährt, durch den elektrischen Antrieb 18 oder andere vom (Antriebs-)Motor angetriebenen Vorrichtungen 16 auf den Antriebsmotor 16 übertragen werden. Die Maschine 10 kann die Leistungsspeichervorrichtung 26 verwenden, um plötzliche Veränderungen zu dämpfen. Während einer starken Verringerung der Leistungsbelastung kann beispielsweise übermäßige Leistung, die vom Motor/Generator 20 erzeugt wird, zur Leistungsspeichervorrichtung 26 geleitet werden und von dieser absorbiert werden, was eine Drehung des Rotors 34 zur Folge hat. Im Gegensatz dazu kann während einer starken Zunahme der Leistungsbelastung die Drehung des Rotors 34 verwendet werden, um zusätzliche Leistung zu erzeugen (beispielsweise Leistung zusätzlich zu jener, die vom Motor/Generator 20 erzeugt wird), die zurück geleitet wird, um den Rotor 28 und die Ausgangswelle 24 anzutreiben, oder die zum Antriebsmotor der Maschine 10 geleitet wird. In dieser Weise kann das Antriebssystem 14 es dem (Antriebs-)Motor 16 ermöglichen, schneller auf eine plötzliche Veränderung der Leistungsbelastung anzusprechen als wenn der (Antriebs-)Motor 16 nur ein traditionelles Schwungrad aufweisen würde. Das Antriebssystem 14 kann daher die Wahrscheinlichkeit verringern, dass der (Antriebs-)Motor 16 vom erwünschten Betriebsbereich abweicht. Weil beide Richtungen der Leistung, sowohl vom Motor/Generator 20 zur Leistungsspeichervorrichtung 26 als auch von der Leistungsspeichervorrichtung 26 zum Motor/Generator 20, gemeinsame elektrische Komponenten (beispielsweise den gemeinsamen Stator 30) verwenden, können zusätzlich Kosten und Raum verringert werden, die vom elektrischen Antrieb 18 verbraucht werden.
  • Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem offenbarten Antriebssystem vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele des Antriebssystems werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und einer praktischen Ausführung des hier offenbarten Antriebssystems offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.
  • Zusammenfassung
  • Leistungserzeugungs- und Leistungsspeichersystem mit einem gemeinsamen Stator
  • Ein Antriebssystem für ein mobiles Fahrzeug wird offenbart. Das Antriebssystem hat eine Leistungsquelle, einen ersten Rotor, der mechanisch von der Antriebsquelle angetrieben wird, und einen zweiten Rotor, der in Drehrichtung von der Leistungsquelle entkoppelt ist. Das Antriebssystem hat auch einen gemeinsamen Stator für die ersten und zweiten Rotoren.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 6891279 [0004]

Claims (8)

  1. Antriebssystem (14), welches Folgendes aufweist: eine Antriebsquelle (16); einen ersten Rotor (28), der mechanisch von der Antriebsquelle angetrieben wird; einen zweiten Rotor (34), der drehbar von der Antriebsquelle entkoppelt ist; und einen gemeinsamen Stator (30) für die ersten und zweiten Rotoren.
  2. Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei der zweite Rotor ein Schwungrad ist, welches konfiguriert ist, um selektiv Drehenergie zu speichern und freizugeben.
  3. Antriebssystem nach Anspruch 2, wobei die Trägheitsmasse des zweiten Rotors größer ist als die Trägheitsmasse des ersten Rotors.
  4. Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei der Stator betriebsmäßig mechanisch mit der Antriebsquelle verbunden ist.
  5. Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei der zweite Rotor betriebsmäßig mechanisch mit der Antriebsquelle verbunden ist.
  6. Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei der zweite Rotor betriebsmäßig elektrisch durch den ersten Rotor angetrieben ist.
  7. Antriebssystem nach Anspruch 6, wobei der erste Rotor betriebsmäßig elektrisch vom zweiten Rotor angetrieben wird.
  8. Mobiles Fahrzeug (10), welches Folgendes aufweist: ein Antriebssystem (16) nach einem der Ansprüche 1–7, das konfiguriert ist, um elektrische Leistung zu erzeugen; und eine Traktionsvorrichtung (12), die betriebsmäßig von der elektrischen Leistung angetrieben wird, um das mobile Fahrzeug anzutreiben.
DE112007000491T 2006-02-28 2007-02-02 Leistungserzeugungs- und Leistungsspeichersystem mit einem gemeinsamen Stator Withdrawn DE112007000491T5 (de)

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