JP2011522194A - 電動モータによる静油圧ポンプの作動 - Google Patents

Abstract

改善された周波数応答のための油圧モータシステムは、ポンプ（１０１）とモータ（１０２）とを有する油圧バリエータ（１００）を含み、ポンプ（１０１）は、可変角度斜板（１０３）を含み、システムは、斜板（１０３）の角度またはトルクを制御することにより、モータ出力特性を制御するための電動アクチュエータ（１１２、４２０）をさらに含む。可変角度斜板（１０３）を制御するための電動アクチュエータ（１１２、４２０）は、リニア電動モータ、ボールねじ駆動機構、または回転電動モータ（４２０）を備えてもよい。一例では、回転電動モータ（４２０）は、斜板（１０３）の傾斜軸から離れた点において斜板（１０３）にトルクを付与することにより斜板（１０３）を傾斜させる。さらなる例では、回転電動モータ（４２０）は、ウォーム駆動機構またはボールねじ駆動機構を介して斜板（１０３）を傾斜させる。

Description

本開示は、一般に静油圧ポンプに関し、より詳細には静油圧ポンプの斜板を作動させるためのシステムおよび方法に関する。

静油圧ポンプは、力学的エネルギーを流体エネルギーに変換する装置である。かかるポンプは、静油圧モータと組み合わせて用いられるのが典型的であり、かかる組み合わせは、一般に、当業者により理解されるようにバリエータと呼ばれる。バリエータは、多くのパワー伝達または発生装置およびシステムにおいて用いられている。かかるシステムの一例には、無段変速機（ＣＶＴ）がある。

この種のシステムは、Ｋｕｒａｓ他に付与された（特許文献１）において見られる。特に、この参照文献は、ラグまたは停止防止の課題について検討している。このような状態は、例えば負荷または機械構成の変更が原因でエンジンから要求されるパワーにより、エンジンが停止または著しく速度低下するときに生じる。（特許文献１）によれば、このような状態は、システムの静油圧要素の作動の応答が遅すぎるため、変化する環境に効果的に対応できないときに生じ得る、とのことである。例えば、ブルドーザのブレードに抵抗が突然与えられれば、システムのパワー要求は突然劇的に上昇し、システムは、速やかにパワー要求を減少させてラグまたは停止状態を回避することができないかもしれない。

（特許文献１）において提案されている解決策は、システムの要素において速やかな応答性を提供するように設計された特に効果的な制御方式である。しかし、システムの応答周波数は、究極的には、依然としてその物理的構成要素により制限されている。従って、（特許文献１）による解決策では、制御システム自体における遅延のほとんどが解消されるものの、変速機の全体的な周波数応答は、静油圧ポンプなどのシステムの構成要素の慣性および応答性により幾分妨げられる。より正確に制御された変速機システムを得るためには、変速機の応答性、特に静油圧ポンプの応答性を増加させることが望ましい。

本発明者らは、従来技術の欠陥を解消することが望ましいと見出したが、それらを解消することは、開示の原理を決定的または本質的に制限するものではない。また、この背景セクションは、当業者でないかもしれない読者の便宜のために提示するものである。しかし、このセクションは、従来技術を正確かつ完全に概説しようとするには短すぎることが理解されよう。従って、先行する背景の説明は、簡略化された逸話的な説明であり、明文化された当該技術における参照文献に代わることを意図していない。明文化された当該技術の実証された状態と上述の説明との間に不整合または省略が存在する限りにおいて、上述の説明は、かかる不整合または省略を正すことを意図していない。むしろ、出願人は、明文化された当該技術の実証された状態に譲る。

米国特許第６，３８５，９７０号明細書

一態様では、本開示は、ポンプとモータとを有する油圧バリエータを含む改善された周波数応答のための油圧ポンプシステムに関する。ポンプは、可変角度斜板を含み、システムは、斜板の角度、速度、またはトルク／力を制御することにより、モータの出力、例えばその出力トルクを制御するための電動アクチュエータをさらに含む。可変角度斜板の角度、速度、またはトルク／力を制御するための電動アクチュエータは、リニア電動モータまたは回転電動モータで構成してもよい。一例では、回転電動モータは、斜板の傾斜軸から離れた点において斜板へのトルクを制御することにより斜板を傾斜させる。別の例では、回転電動モータは、ウォーム駆動機構、リニア電動モータ、または電動ボールねじアクチュエータを介して斜板を傾斜させる。

開示の原理と併せて使用可能なバリエータの詳細な概略図である。 開示の原理によるリニア電動アクチュエータを用いるバリエータの概略図である。 リニア電動アクチュエータの概略図である。 開示の原理による軸上回転電動アクチュエータを用いるバリエータの概略図である。 開示の原理によるウォーム駆動電動アクチュエータを用いるバリエータの概略図である。 開示の原理による電動アクチュエータと併せて使用可能なセンサ編成の概略図である。 開示の原理によるバリエータ制御アーキテクチャの概略図である。 開示の原理による代替のバリエータ制御アーキテクチャの概略図である。

図１を参照して、本図は、油圧差動式のバリエータ１００を示す。図示のバリエータ１００は、ポンプ１０１とモータ１０２とを備える。ポンプ１０１は、斜板アクチュエータ１０４により設定される可変角度斜板１０３を備える。斜板１０３上には、それぞれのチャンバ内のいくつかのピストン１０５がスライド接触を介して設けられており、ピストン１０５の移動範囲が斜板１０３の角度により設定されるようになっている。ピストン１０５のためのチャンバは、ポンプ入力軸１０９を介して回転されるポンプキャリア１０８に形成されている。

モータ１０２は、それぞれのチャンバ内のいくつかのピストン１０６を含む同様の編成を備える。モータ１０２のピストン１０６は、固定斜板１０７上にスライド可能に係合されている。実装においては、モータの斜板１０７が固定でなく可変でもよいことに留意すべきである。ポンプ１０１のピストン１０５のチャンバは、モータ１０２のピストン１０６のチャンバと、各チャンバを満たす油圧油と介在する導管（不図示）とを介して流体連通している。ピストン１０６のためのチャンバは、モータ出力軸１１１を回転させるモータキャリア１１０に形成されている。斜板１０３の角度を変化させるにつれ、ポンプ１０１のピストン１０５により変位される流体の量（従って、ピストン１０６のチャンバから受け取られる流体の体積）が変化する。

上述のように、モータ１０２の出力を制御することが望ましく、実施形態では、静油圧−機械式変速機の出力トルクを制御することが所望される。本アプローチは、速度制御手法ではなく、オペレータの感触および制御の改善を提供する。出力トルクの制御には、以下でより詳細に検討するように、出力トルクが所望されるトルク出力にほどよく合致することを保証するため、バリエータ１００内の回路圧を測定することに加え、斜板１０３に付与される力／トルクを制御することが要求される。

これらの相互関係により、モータ１０２のトルクおよび／または出力速度は、それぞれ斜板１０３の角度および／または斜板１０３に付与される力に対して本質的に比例するように変化する。本例では油圧差により動作する斜板アクチュエータ１０４は、コントローラにより電子的に制御され、例えば２つの圧力値の各々に１つずつ設けられるソレノイドバルブ（不図示）を介して駆動されるが、油圧アクチュエータ１０４を電子的に制御する他の無数の方法が存在することが本説明から理解されよう。従って、伝統的には、コントローラは、斜板アクチュエータ１０４に関連付けられたソレノイドバルブに電気信号を印加することにより、バリエータ１００の出力速度またはトルクを制御可能である。

しかし、バリエータ１００の周波数応答は、アクチュエータ１０４の周波数応答により部分的に制限される。アクチュエータ１０４の周波数応答、例えば最大変化速度は、その構造とそのパワー供給との両方の関数である。構造に関して、アクチュエータ１０４は、ピストンと、ロッドと、斜板１０３へのリンク機構を備える。これらの構成要素の各々が、図示の例では油圧油である作動パワーソースにより打ち消されなければならない慣性をシステムに付与する。

また、油圧油自体におけるそれ自体の流れも、周波数制限を受けるので、アクチュエータ１０４の周波数応答に影響を与える。アクチュエータ１０４への、およびアクチュエータ１０４からの油圧回路は、バルブ、チューブ、オリフィス、および他の要素で構成され、それらの要素の各々が粘性抵抗を付与する。かかる要素の周囲の、およびそれらを通る粘性流体の流動抵抗は、流量に対して単に比例するのではなく、流量に対して指数的に増大するため、油圧油自体がシステムに対して強い周波数制限効果を有する。

例えばパワー制御、アンダースピード／オーバースピード制御等の目的で、より正確な機械制御システムを提供するためには、静油圧ポンプまたはバリエータ１００の応答特性を改善することによりシステムの反応速度を増加させることが望ましい。従って、本開示によれば、フィードバック制御ループにより制御される電子アクチュエータを介して斜板１０３を作動させることで、バリエータ１００を正確に駆動する。図２の例に示すように、斜板は、リニア電動モータ１１２を介して作動させてもよい。リニア電動モータ１１２は、通常の回転モータにおけるトルクではなく、モータの長さに沿う線形力をモータが発生させるように、線形的に配列されたステータ要素を有する電動モータである。異なる種類のリニアモータが存在し、いずれも開示の原理に用いることができるが、モータの一例には、モータにより及ぼされる力が印加される電流に対して線形的に比例するローレンツアクチュエータがある。

図３は、リニア電動モータ１１２をより詳細に示す。リニア電動モータ１１２は、２つの力要素３１３を含む。各力要素３１３は、コア３１４とアクティブ巻線３１５とを含む。力要素３１３は、リニア電動モータ１１２の一方側に延在するロッド３１７により結合されている。ロッド３１７は、アイ３１８、リンク、Ｕリンク、またはロッド３１７を斜板１０３（図３では不図示）に接続するための他の装置において終端している。

さらに、リニア電動モータ１１２は、組をなす力要素３１３の各側に交互の極性を有する永久磁石の３１６のアレイを含む。磁石３１６の各アレイの外側には、鉄シェル３１９が配設され、それにより形成される磁気回路が完成されている。巻線３１５が順次通電されると、力要素３１３、そしてロッド３１７に左向きまたは右向きの力が与えられる。アイ３１８が斜板１０３に結合されているときは、ロッド３１７の線形移動が斜板１０３の回転に変換される。

図３に示す編成では、磁石アレイにおいて永久磁石３１６を用いているが、追加的または代替的に電磁石を用いてもよいことが理解されよう。また、リニア電動モータ１１２は、ロッド３１７およびレバーを介して斜板１０３に直接結合するものとして説明されているが、開示の原理の範囲を逸脱することなく、より多いまたは少ない数の要素をより複雑または簡潔な編成において用いてもよいことが理解されよう。例えば、図２の実装において、リニア電動モータ１１２をボールねじ駆動機構により置換してもよい。かかる機構では、高精度なねじとして機能する螺旋形のボールベアリング軌道を介して、回転運動が線形運動に機械的に変換される。かかる機構は、内部摩擦が低いながらも高いスラスト荷重に耐えるように製作することが可能で、高精度なアプリケーションで用いるのに好適である。

リニア電動モータ１１２またはボールねじを介して斜板１０３を作動させることにより、油圧アクチュエータを用いるよりもシステムの周波数応答が改善されるが、用いられる構成要素によっては、図４に示すように斜板１０３の傾斜軸上に装着された回転モータ４２０を用いることにより、さらに良好な周波数応答が得られることがある。所望される周波数応答特性を提供するためには、回転モータ４２０は、以下でより詳細に説明するように、低慣性−高トルクＡＣ電動モータであるのが理想的である。代替の編成では、モータは、永久磁石ＤＣモータ、スイッチドリラクタンスモータ、または他の好適なモータである。

改善された周波数応答を提供する適度に大きい変化率を反映して、０．４秒の経過時間内で＋２０°〜−２０°のストローク範囲が所望されるのであれば、斜板１０３の実効ＲＰＭは約１７ＲＰＭである。回転モータ４２０と斜板１０３との間で用いられるギア減速比が１００／１であれば、結果的に要求されるモータ速度は約１７００ＲＰＭである。いずれの回転モータ４２０の適性にも影響を与える別のパラメータには、その物理的サイズがあり、これは、回転モータ４２０がバリエータ１００への後付け部品として使用可能であるためには、通常のアクチュエータ１０４により使用されるのと同じ空間内に実質的に収まらなければならないためである。

速度要件に加え、回転モータまたはリニアモータは、指定された最大ストローク速度（または回転速度）により規定されるトルク要件および斜板１０３に見られる他のトルク反作用を満たすようにサイズ設定されていなければならない。これらのトルクは、ばねレート（例えば、傾斜釣り合いばね（不図示）についての）、傾斜角度、ポンプ１０１とモータ１０２との間の回路圧、およびポンプ速度の関数である。これらのトルク反作用により、所望されるトルクまたは力を斜板１０３に付与するのに必要とされるモータトルクを微調整する。速度仕様、トルク仕様、および周波数要件を用いて、所与のトルク、速度、慣性／質量要件を満たすモータおよびギアボックスを選択する。この過程の一部として、モータの慣性はギアボックスを通じて反映されるため、モータ選択過程ではこれを考慮しなければならないことに留意することが重要である。

一般的な構造の点でバリエータシステムを説明してきたが、ここで、開示の原理によるシステムおよびその制御構成要素について検討する。開示の原理では斜板１０３を電気的に作動させるため、システムの構成要素は電力を要求する。一例では、システムＤＣバス電圧が用いられる。この電圧は、建設機械においては、機械のバッテリ構成によって約１２ボルトまたは約２４ボルトであるのが典型的である。

以下の検討では、開示の原理によるバリエータの構造および制御の一例について詳説する。動作時、機械は静止状態で開始するのが典型的である。オペレータは、油圧モータ１０２の出力１１１の速度またはトルクを増加することを所望する。これを達成するため、ＤＣバス（または１つ以上のバッテリ、アップ／ダウンコンバータ、もしくは代替の電力ソース）からパワーを引き出し、電動モータに速度またはトルクを付与する。所望される油圧モータ１０２のトルクまたは速度が達成されたら、斜板１０３および関連する構成要素に残存するパワーは、例えばＤＣバス上に再生させ、後で用いるために格納してもよい。あるいは、過剰なパワーは、抵抗格子または他の要素において放散させてもよい。

上記のように、所望される応答を提供するために斜板１０３の傾斜軸上に装着された、またはかかる軸に噛み合わせられた回転モータを用いてもよいが、回転モータを代替の編成において用いてもよく、その場合も、標準的な油圧アクチュエータ１０４を用いるよりも改善された結果となる。例えば、空間的制約、材料の不足、または他の事情により図４に示す編成を用いることができなければ、代わりにリニア電動モータ１１２とほぼ同様に回転モータを外部に装着してもよい。

特に、図５に示すように、結合ロッド５２２を介して斜板１０３を駆動するように、ウォーム駆動モジュール５２１が編成される。ウォーム駆動モジュール５２１は、結合ロッド５２２に固定されたラック５２３を含む。ラック５２３は、ねじ５２４の回転により結合ロッド５２２が線形的に並進するように、ねじ５２４のランドと協働的に交互配置される。ねじ５２４は、回転モータ５２５を介して回転させる。

上述の各場合において、斜板１０３の位置または影響を解析するセンサを用いるのが望ましいが、不可欠ではない。このようにすれば、例えば摩耗、バッテリ寿命等による作動要素の応答が変化しても、斜板１０３の所望される概念またはトルクを高精度に提供するように作動電気信号を適合させることが可能である。従って、一例では、図６に示すように、結合ロッド６２７上にリニアセンサ６２６を配置してもよい。このようにすれば、結合ロッド６２７の並進を検出および解析して、斜板１０３が所望される位置にあるかを判定することができる。加えてまたは代替として、回転エンコーダまたはレゾルバ６２８を用いて、斜板１０３の角度位置を直接測定してもよい。また、一例では、以下でより詳細に説明するように、回路圧センサ６２９を設けて、閉ループトルク制御を容易に行う。

開示の原理においては、制御システムを動作させる３つの方法が存在する。第１の方法は速度制御であり、第２の方法は開ループトルク制御であり、第３の方法は閉ループトルク制御である。閉ループ動作時、電動モータは速度制御され、制御システムは、油圧回路圧に基づいて閉ループ反復制御を行う。このモードでは、ポンプ１０１により生成される油圧を検知する回路圧センサを有することが重要である。特に、出力１１１において生成されるトルクは、内部回路圧に反映される。

上記のように斜板１０３を作動させるための電動モータの駆動に用いられる電気信号は、伝統的なアクチュエータのソレノイドバルブの駆動に用いられる電気信号とは異なる。しかし、全体的な制御アーキテクチャは同様であってもよい。図７は、電子斜板アクチュエータ７０２を有するバリエータ７０１を制御するための例示の制御システム７００を示す。概説すれば、アクチュエータ７０２は、パワーエレクトロニクスと、ＥＣＭと、電動モータとを含む。制御システム７００は、作動信号７０４（例えば、速度命令またはトルク命令）をアクチュエータ７０２に送るためのバリエータ制御モジュール７０３を含む。作動信号７０４は、ＥＣＭにより受信され、ＥＣＭは、ベクトル制御または別の制御ストラテジを実行し、上述のようにＤＣバスにわたって設置し得るパワーエレクトロニクスを切り替えるゲート信号を送ってもよい。電動モータは、スイッチ信号によりバリエータ７０１の斜板（例えば、１０３）を操作するように制御される。アクチュエータ７０２に関連する１つ以上のセンサから、および／または、バリエータ７０１に関連する１つ以上のセンサ、例えば回路圧センサから、フィードバック信号７０５を提供してもよい。

代替のアーキテクチャでは、上記図２〜図６において説明したような電子アクチュエータを、通常の油圧アクチュエータを有していたシステムへの後付け部品として適合させている。この場合、モジュールの追加を除いてエレクトロニクスを変更せずにおくことが所望されるのであれば、バリエータ制御モジュール７０３とアクチュエータ７０２との間に変換モジュール８００を設ける。変換モジュール８００は、バリエータ制御モジュール７０３から１つ以上のソレノイド駆動信号８０１を受信し、それらをアクチュエータ７０２のモータ（単数または複数）を駆動する電動モータ駆動信号８０２に変換する。変換モジュール８００および／またはバリエータ制御モジュール７０３には、１つ以上のセンサ信号７０５が提供される。図７に関して上で述べたように、フィードバック

本開示は、改善されたポンプ応答が所望される１つ以上の油圧ポンプを有する機械に適用可能である。これらの種類の機械には、一般に、バリエータの斜板のための油圧アクチュエータが存在する。しかし、かかるシステムは、最適より遅い応答性を有し、正確でリアルタイムなパワー制御を困難にしている。開示の原理によれば、電動アクチュエータを用いてアクチュエータの周波数応答を改善する。

開示の原理によれば、改善された周波数応答のための油圧ポンプシステムは、ポンプとモータとを有する油圧バリエータを含む。ポンプは、可変角度斜板を含み、システムは、角度斜板の角度を制御することにより、モータを制御するための電動アクチュエータをさらに含む。可変角度斜板の角度を制御するための電動アクチュエータは、リニア電動モータまたは回転電動モータを備えてもよい。一例では、回転電動モータは、斜板の傾斜軸から離れた点において斜板にトルクを付与することにより斜板を傾斜させる。別の例では、回転電動モータは、ウォーム駆動機構を介して斜板を傾斜させる。

上述のように、斜板の角度よりもむしろ斜板に付与されるトルクを制御することが望ましい場合がある。従って、実施形態では、斜板に付与されるトルクが制御され、斜板の角度を一定に維持する必要はない。このため、電動アクチュエータは、適切なトルクを斜板に付与するようにレバーアームを通じて作用する。斜板のトルクまたは角度のいずれかが制御される本発明の別の実施形態では、モータ軸、またはモータにより駆動されるギアボックスの出力軸が、斜板の旋回軸に取り付けられる。モータは、直接またはギアボックスを通じて、既定のトルクを付与するか、または斜板を既定の角度に調整する。

上述の説明は、開示のシステムおよび手法の例を提供していることが理解されよう。しかし、本開示の他の実装は、詳細において上述の例と異なり得ると考えられる。本開示または本開示の例へのすべての参照は、その時点で検討されている特定の例を参照することを意図するものであり、より一般的に本開示の範囲についての何らの限定も示唆することを意図するものではない。特定の特長を区別および批判するすべての文言は、それらの特長が好ましさに欠けることを示すことを意図するものであり、他に指定しない限り、かかる特長を本開示の範囲から完全に排除することを意図するものではない。

本明細書における値の範囲の記載は、本明細書において他に指定しない限り、その範囲に該当する各々の別々の値に個々に言及する簡略な方法として役立つことを単に意図するものであり、各々の別々の値は、本明細書において個々に記載されたかのように本明細書に組み込まれる。本明細書において説明されたすべての方法は、本明細書において他に指定しない限り、またはその他文脈上明らかに矛盾しない限り、いずれの好適な順序でも行うことが可能である。

このため、本開示は、適用法により認められるように本明細書に付帯の請求項に記載の主題のすべての修正および均等物を含む。また、すべての可能な変形における上記の要素のいずれの組み合わせも、本明細書において他に指定しない限り、またはその他文脈上明らかに矛盾しない限り、本開示に含まれる。

Claims (10)

1. 入力パワーを受け、出力パワーを提供し、提供出力パワーの１つ以上の特性を制御可能に改変するための油圧バリエータ（１００）であって、バリエータ（１００）は：
   ポンプ（１０１）の回転軸に対して垂直な傾斜軸の周りで移動可能な可変角度斜板（１０３）を含む油圧ポンプ（１０１）と；
   油圧ポンプ（１０１）に結合され、油圧ポンプ（１０１）により油圧駆動される油圧モータ（１０２）と；
   計算されたトルクを可変角度斜板（１０３）に制御可能に付与することにより、モータ（１０２）の出力トルクを制御するための電動アクチュエータ（１１２、４２０）と；
   を備える、油圧バリエータ（１００）。
2. 計算されたトルクを可変角度斜板（１０３）に制御可能に付与するための電動アクチュエータ（１１２、４２０）は、リニア電動モータ（１１２）を備える、請求項１に記載の油圧バリエータ（１００）。
3. 計算されたトルクを可変角度斜板（１０３）に制御可能に付与するための電動アクチュエータ（１１２、４２０）は、回転電動モータ（４２０）を備える、請求項１に記載の油圧バリエータ（１００）。
4. 油圧ポンプ（１０１）は、それぞれのチャンバ内の複数のピストン（１０５）を備え、各ピストン（１０５）は、斜板（１０３）にわたる部材の運動を介してそのチャンバ内で周期的に並進する、請求項１に記載の油圧バリエータ（１００）。
5. それぞれのチャンバ内の複数のピストン（１０５）は、そのチャンバ内で周期的に並進するときに、油圧モータ（１０２）に結合された油圧回路内の油圧油を押圧する、請求項４に記載の油圧バリエータ（１００）。
6. 油圧回路内の圧力を検知する少なくとも１つの圧力センサ（６２９）をさらに含む、請求項５に記載の油圧バリエータ（１００）。
7. 油圧回路内の検知された圧力に少なくとも部分的に基づいて電動アクチュエータ（１１２、４２０）を制御するコントローラ（７０３）をさらに含む、請求項６に記載の油圧バリエータ（１００）。
8. 回転電動モータ（４２０）は、斜板（１０３）の傾斜軸において斜板（１０３）にトルクを付与することにより斜板（１０３）を傾斜させるように適合されている、請求項３に記載の油圧バリエータ（１００）。
9. 回転電動モータ（４２０）は、ギアボックスを通じて斜板（１０３）にトルクを付与することにより斜板（１０３）を傾斜させるように適合されている、請求項８に記載の油圧バリエータ（１００）。
10. 回転電動モータ（４２０）は、斜板（１０３）の傾斜軸から離れた点において斜板（１０３）にトルクを付与することにより斜板（１０３）を傾斜させるように適合されている、請求項３に記載の油圧バリエータ（１００）。

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