JP2022184929A - パワーパックを作動させるための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】費用効果が高く、安全で、軽く、また大きな干渉フィルタが回避されうるパワーパックをデュアル作動させるための方法および装置を提供する。【解決手段】第１電気モータ１０１はバッテリ１０４によって、第２電気モータ１０２はグリッド１０６によって駆動される。第１および第２電気モータ１０１、１０２は、第２電気モータ１０２が駆動されたときに第２電気モータ１０２がパワージェネレータ１０３と第１電気モータ１０１とを同時に作動させる１０９ように互いに機械的に連結１０８され、その際、第１電気モータ１０１は、ハイパワーバッテリチャージャとして機能し、第２電気モータ１０２がパワージェネレータ１０３を作動させる１０９ときにバッテリ１０４を再充電する。第２電気モータが使用されないときには、第１電気モータ１０１が駆動され１０４、１０５、第１電気モータ１０１によってパワージェネレータ１０３が作動させられる１０８。【選択図】図３

Description

本発明は、油圧パワーパックなどのパワーパックを作動させるための方法および装置に関する。特に、本発明は、例えば異なる環境条件のための少なくとも２つの異なる種類の作動方法によってパワーパックを作動させるための方法および装置に関する。

油圧ポンプまたはコンプレッサなどのパワージェネレータは通常、電気モータによって駆動される。環境によって電気モータはグリッド駆動または燃焼機関駆動であるが、バッテリ駆動の電気モータもジェネレータを駆動するために使用される。バッテリ駆動の電気モータは、採掘もしくはトンネル掘削現場または基本的に閉じた環境を有するその他の現場など燃焼機関が使用できない状況で、または使用される外部配電グリッドがない場合に一般的に使用される。バッテリ駆動の電気モータは、動作中にグリッドに接続できないノンロード可動機械にも使用されることが多い。これは、例えばグリッドがないこと、または機械の可動性に起因しうる。

特許文献１は、外部システムと通信し、自己充電発電機システムに供給するように構成されたバッテリユニットと、主給電源と自己再充電発電機システムとの間で切り替えるように構成された自動スイッチングユニットと、バッテリユニットから電力を受け取るように構成された少なくとも１つの電気モータと、主給電源に障害が発生したときに外部システムに供給される電力を生産するように構成された少なくとも１つのジェネレータとを含む自己再充電発電機システムであって、少なくとも１つのジェネレータによって生産された電力は、自己再充電発電機システムの継続的再充電を行うために自動スイッチングユニットにさらに供給される、自己再充電発電機システムに関する。

しかし、特に採掘およびトンネル掘削現場などのように、特に閉じた環境内の弱い電流条件では、既知の従来技術に関していくつかの不都合がある。ジェネレータを駆動するために使用されるグリッド駆動電気モータは通常、特に始動時に負荷ピークを誘発し（公称速度での通常運転中よりも始動時の電流がはるかに高い）、大きなまたは特大のグリッド給電部および電力線に加えて適切な干渉フィルタを使用することによってこれに配慮しなければならない。これは特に一時的採掘またはトンネル掘削工事のような困難な環境では必然的に非常に難しく高価である。加えて、バッテリ駆動モータの使用は、電力グリッドシステムの他の部分への干渉ならびにスパークを誘発しうるが、これらは少なくともノイズを生じだけでなく、閉じた環境では非常に危険でもありうる。したがって、従来技術のシステムでは様々な種類のフィルタが使用され、それによりシステムが大きく、より脆弱で高価になる。

米国特許第８９９４２１５号

本発明の目的は、既知の従来技術に関する問題を軽減および排除することである。特に本発明の目的は、動作において費用効果が高く、安全で、軽く、干渉がないものとなるように、また大きな干渉フィルタが回避されうるように、パワーパックをデュアル作動させるための方法および装置を提供することである。加えて、本発明の目的は、大きなさらには特大のグリッド給電部、構成要素または電力線の必要性を最小化し、グリッド負荷を基本的に一定に保つことも可能にすることである。

本発明の目的は、独立請求項の特徴によって達成されうる。

本発明は、請求項１に記載のデュアル作動パワーパックに関する。加えて、本発明は、請求項１１に記載のデュアル作動パワーパックのための方法に関する。

本発明の一実施形態によれば、デュアル作動パワーパックは、エネルギー貯蔵部と、第１および第２電気モータと、パワージェネレータとを含み、パワージェネレータは第１および第２電気モータによって作動させられる。第１電気モータはエネルギー貯蔵部によって駆動されるのが有利であり、第２電気モータは例えば配電グリッド、主電流によって、または燃焼機関のパワーによってなど外部的に駆動されるのが有利である。加えて、第１および第２電気モータは、第２電気モータが駆動されたときに第２電気モータがパワージェネレータに加え第１電気モータも作動させるように互いに機械的に連結され、その際第１電気モータはチャージャまたはローダとして機能し、エネルギー貯蔵部を再充電または最充填する。しかし、第１電気モータが駆動されたときには、第１電気モータはパワージェネレータを作動させる。

第１および第２電気モータが互いに機械的に連結されたときには、純粋なガルバニック絶縁が達成されうる結果、大きな干渉フィルタを用いずに干渉のない動作も達成され、これは本発明の明らかな利点である。加えて、システム全体の監視も容易に実施されることができ、万一誤動作またはその他の有害なもしくは望ましくない影響が発生した場合には、例えば電気的に分離された電気モータが容易にオフにされるかまたはシステムのグリッドもしくはその他の部分から分離されることができ、それによって干渉が最小化され、さらには排除される。さらに、第２電気モータがパワージェネレータのアクチュエータとして使用されるときに、第１電気モータは、例えば前記エネルギー貯蔵部としてのバッテリを充電するための発電機などのジェネレータとして使用されることができる。チャージャまたはローダとして、特に前記充電器として使用されるときには、第１モータはしかしながらパワージェネレータを作動させるための動力源として設計されているため、第１モータのパワーは非常に大きい。その上、第１モータはさらに外部電力グリッドおよび第２電気モータから電気的に分離され、したがって第１電気モータによってまたは充電中に誘発される可能性のある一切の干渉が電気フィルタまたは装置を用いずに効果的に回避されうることに留意されたい。

エネルギー貯蔵部はバッテリであるのが有利であるが、再充電可能エネルギーもしくは電気貯蔵部、燃料電池、スーパーキャパシタもしくはフライホイールまたはそれらの組み合わせなどの他のやり方によっても実施されうる。当然ながら、エネルギー貯蔵部の種類に応じて、チャージャまたはローダとしての第１電気モータが、スーパーキャパシタの充電またはフライホイールへの運動エネルギーまたは他の機械的エネルギーの充填など、対応する様式で調節されねばならない。

加えて、本発明の一実施形態によれば、第１電気モータは、第２電気モータがパワージェネレータを作動させるための主源として使用される状況において第２電気モータをソフトスタートさせるためにも使用されうる。ソフトスタートは、例えば第２電気モータをグリッドに接続する前に第１電気モータを同期グリッド速度またはその付近にスピンさせることによって実施されうる。加えて、一実施形態によれば、第１電気モータを使用することによって、生じうる電力ピークが抑制されうる。また、例えば何らかの理由で一時的にパワージェネレータのために必要とされる追加の動力が、第２電気モータの主な使用に対する追加の動力源として第１電気モータを使用することによって提供されうる。

上述の実施形態によって、特に始動時の、しかしジェネレータに対する予期しない負荷ピークにも起因する負荷ピークが、最小化または排除されることさえでき、これは非常に重要かつ有利な特徴である、すなわち例えば始動中には必要とされる電流が公称速度での通常運転と比較して数倍大きくなりうる。したがって、グリッド給電部および電力線は基本的に公称速度および通常の運転条件に合わせて設計されることができ、特大の設計は不要である。

本発明は、本発明の実施形態に関連して既に上に開示されたように、既知の従来技術に対する利点を提供する。加えて、本発明の実施形態は、ガルバニック分離によって干渉フィルタのような高価で大きな構成要素が必要なくなるため、費用効果の高い様式でコンパクトサイズのシステムの製造を可能にする。本発明はまた、異なる主電圧の使用、および異なる主電圧のために第２電気モータを設計する簡単なやり方を可能にする。さらにおよび特に本発明は、第１電気モータをハイパワーバッテリチャージャとして使用するなど、エネルギー貯蔵部の大きな負荷容量を提供する。本発明は、真のデュアル動作も提供する、すなわち例えば同一の油圧構成要素がなお第１および第２電気モータの両方により使用されうる。

本明細書に提示される例示的実施形態は、添付の特許請求の範囲の適用性に制限を課すともの解釈されてはならない。「含む」という動詞は、本明細書では、列挙されていない特徴の存在も排除しないオープンな限定として使用される。従属請求項に記載される特徴は、別段の明記がない限り互いに自由に組み合わせられうる。

本発明の特色と考えられる新規な特徴は、特に添付の特許請求の範囲に記載される。しかし、本発明自体は、その構造およびその動作方法の両方に関して、そのさらなる目的および利点とともに、以下の特定の例示的実施形態の説明を添付の図面と併せて読んだときに最もよく理解されるであろう。

次に、添付の図面にしたがって例示的実施形態を参照しながら本発明をより詳細に説明する。

本発明の有利な実施形態によるデュアル作動パワーパックのための例示的な装置の原理を示した図である。 本発明の有利な実施形態によるデュアル作動パワーパックのための例示的な装置の原理を示した図である。 本発明の有利な実施形態によるデュアル作動パワーパックのための例示的な装置の原理を示した図である。 本発明の有利な実施形態によるデュアル作動パワーパックのための例示的な機械的連結の原理を示した図である。 本発明の有利な実施形態によるデュアル作動パワーパックのための例示的な機械的連結の原理を示した図である。

図１～図３は、本発明の有利な実施形態によるデュアル作動パワーパックのための例示的な装置の原理を示し、デュアル作動パワーパック１００、２００、３００は、エネルギー貯蔵部としてのバッテリ１０４と、第１電気モータ１０１および第２電気モータ１０２とを含む。第１電気モータ１０１はバッテリエネルギーによって駆動され１１１、第２電気モータ１０２はグリッド１０６または燃焼機関によって駆動される１１２ように構成される。加えて、デュアル作動パワーパックは、第１および第２電気モータ１０１、１０２によって作動させられるように構成されたパワージェネレータ１０３を含む。

第１および第２電気モータ１０１、１０２は、第２電気モータ１０２が駆動されたときに第２電気モータ１０２がパワージェネレータ１０３を作動させるが１０９、加えて第２電気モータ１０２が第１電気モータ１０１も同時に有利に作動させるように、互いに機械的に連結される１０８（図４および図５も参照）。第１電気モータ１０１は、作動させられたときに、したがって実際には回転させられたときに、ハイパワーバッテリチャージャとして機能し、バッテリ１０４を充電するように実施されうる。グリッドまたは燃焼機関接続１０６などの外部エネルギーを使用する可能性がない状況では、第１電気モータ１０１がパワージェネレータ１０３を作動させる１０８ために使用される。第１電気モータ１０１は、バッテリエネルギー１０４によって駆動される。

機械的連結は、モータ間にガルバニック絶縁１１０を提供し、それによってデュアル作動パワーパック１００、２００、３００の第１電気モータおよび内部電気機器を外部グリッドまたは電気機器からガルバニックに分離する。したがって、デュアル作動パワーパックの動作は実際上干渉がなく、干渉フィルタが不要である。

図に見られるように、機械的連結１０８、１０９、ならびにモータおよびパワージェネレータの配備は多数のやり方で実施されうる。例えば第２電気モータ１０２は、図１に示されるようにその第１端１０９でパワージェネレータ１０３と連結され、その第２端１０８で第１電気モータ１０１と連結されることができ、または、図２および図３の場合のように、第１電気モータ１０１が第２電気モータ１０２とパワージェネレータとの「間に」置かれることができる。

パワージェネレータ１０３は、第１および第２電気モータ１０１、１０２から受け取ったエネルギーを空気または油のような流体の移動などの媒体の移動に変換するための変換器として機能するかまたは変換器を含みうる。パワージェネレータ１０３は、ポンプ、油圧ポンプもしくは油圧パワーパック、またはコンプレッサ、空気コンプレッサもしくは空気圧パワーパックであるかまたはこれらを含むのが最も有利である。

有利な実施形態によれば、第１電気モータ１０１は、第２電気モータ１０２がパワージェネレータ１０３を作動させるために使用される状況で第２電気モータ１０２をソフトスタートさせるためにも使用されうる。これは、例えばグリッド設計が非常に脆弱な場合および始動中にグリッドに対して第２電気モータの始動によって引き起こされる負荷ピークが高いときに非常に好都合な様式であり、ソフトスタートによってグリッドに対する負荷ピークが基本的に排除されうる。ソフトスタートは、例えば第２電気モータ１０２をグリッド１０６に接続する前に第１電気モータ１０１を同期グリッド１０６速度またはその付近にスピンさせ、それによりグリッド構成要素のペイロードおよび要件を最小化することによって実施されうる。

さらに、有利な実施形態によれば、第１電気モータ１０１は、電力ピークを抑制するために加えて、前記第２電気モータ１０２の主使用中にパワージェネレータ１０３からのパワー引き込みが第２電気モータ１０２の能力または設定閾値を超えるときにパワージェネレータ（または第２電気モータ）に追加のパワーを提供する（パワーブースト機能を提供する）ためにも使用されうる１０８、１０９。このようにして、グリッド負荷が基本的に一定に保たれることができるのに加えて、生じうる負荷ピークに起因するシステムまたは構成要素の特大化の必要性が最小化または排除されることもできる。

第２電気モータ１０２は典型的には誘導モータであり、主電流１０６（グリッド接続）によって駆動される。しかし、主電流またはグリッド接続は例にすぎず、燃焼機関または燃料電池など、第２電気モータ１０２を作動させるために任意の種類の外部発電機１０６または任意の種類の外部電源が使用されうることに留意されたい。使用される外部エネルギー源接続の種類に応じて、例えば動作電圧が第２電気モータに適するように調節されるなど、第２電気モータのパラメータが調節されうる。

加えて、デュアル作動パワーパックは、モータおよびパワージェネレータの動作を制御するための制御システム１０７も含みうる。例えば、制御システム１０７は、第２電気モータ１０２の電流引き込みおよび負荷、ならびにバッテリ１０４の電流などのエネルギー貯蔵部１０４の充電または負荷を加減しうる。加えて、制御システム１０７は、例えばモータ駆動部１０５を用いて第１モータ１０１を制御することによって第１モータ１０１の負荷も制御するほか、ソフトスタートを制御してパワーブースト機能も提供しうる。

第１および第２電気モータ１０１、１０２のパワーおよびその他のパラメータは当然変動しうるが、例として、２０～９０ｋＷの範囲内、より有利には３０～７５ｋＷの範囲内、最も有利には約５０ｋＷでありうる。当然のことながら、第１および第２電気モータ１０１、１０２のパワーは互いに異なることができ、要求および需要によっても変動しうる。

図４～図５は、本発明の有利な一実施形態によるデュアル作動パワーパックのための例示的な機械的連結４００、５００の原理を示し、図４では、第１電気モータ１０１を介した第２電気モータ１０２からパワージェネレータ１０３への直接的機械的リンクが示される。この実施形態では、第２電気モータの使用時に第１電気モータが常に作動させられるように、機械的連結１０８、１０９が直接的機械的リンクによって実施されうる。第１電気モータの使用時に第１電気モータが第２電気モータを回転させないように第２電気モータを機械的に切断するためにクラッチもしくはフリークラッチまたはその他の接続および切断デバイスが使用されうることに留意されたい。加えて、機械的連結１０８、１０９は、例えばシャフト、クラッチまたはチェーンもしくはベルトによって実施されうるが、当業者に知られる他の種類の連結も使用されうる。

図５は、ギア式機械的リンクまたはギアボックス１１３が使用される別の例を示す。ギアは、例えば異なる状況および／またはパワージェネレータ１０３の最適速度範囲のために第１および／または第２電気モータ１０１、１０２の出力速度範囲を互いに調整するために使用されうる。例えば、油圧ポンプは、第１および／または第２電気モータ１０１、１０２の出力速度範囲が調節されるべき、ある最適な基本的に一定のＲＰＭ範囲を有する。

ギアは一定の変速比を有しうるが、例えばソフトスタートまたは他の機能のために複数の異なる変速比を有するギアボックスが使用されることもできる。加えて、制御システム１０７が、例えば異なる負荷または機能のために異なる速度範囲を達成するためにギアボックスの動作も制御しうることに留意されたい。

本発明が前述の実施形態を参照して以上に説明され、本発明のいくつかの利点が示されている。本発明がこれらの実施形態だけに限定されるのではなく、本発明の思想および以下の特許請求の範囲の精神および範囲内のすべての可能な実施形態を含むことは明らかである。例えば、図に関連して説明されたバッテリは、エネルギー貯蔵部の一例に過ぎず、エネルギー貯蔵部は、当然ながら本明細書の他の箇所に開示されるように別の種類のエネルギー貯蔵部であってもよい。第２電気モータにエネルギーを供給するために使用される外部エネルギー源の種類にも同じことが当てはまり、外部エネルギー源も、本明細書の他の箇所に開示されるように他の種類のエネルギー源でもあってもよい。さらに、図に示される構成要素の配置は例にすぎない。

従属請求項に記載される特徴は、別段の明記がない限り互いに自由に組み合わせられうる。

Claims (14)

1. デュアル作動パワーパック（１００、２００、３００）であって、
   －エネルギー貯蔵部（１０４）と、
   －第１および第２電気モータ（１０１）、（１０２）と、
   －前記第１および／または第２電気モータ（１０１、１０２）によって作動させられるパワージェネレータ（１０３）と、
   を含み、
   －前記第１電気モータ（１０１）は、前記エネルギー貯蔵部（１０４）によって駆動され、前記第２電気モータ（１０２）は、グリッドまたはジェネレータ駆動（１０６）電気モータなどの外部的に駆動される電気モータであり、
   －前記第２電気モータ（１０２）が駆動されたときに前記第２電気モータ（１０２）が前記パワージェネレータ（１０３）および前記第１電気モータ（１０１）を作動させる（１０９）ように構成されるように、前記第１および第２電気モータ（１０１、１０２）は、互いに機械的に連結され（１０８）、その際前記第１電気モータ（１０１）は、チャージャまたはローダとして機能し、前記エネルギー貯蔵部（１０４）を再充電または再充填するように構成され、前記第１電気モータ（１０１）が駆動されたときに（１０４、１０５）、前記第１電気モータ（１０１）は、前記パワージェネレータ（１０３）を作動させる（１０８、１０９）ように構成される、
   ことを特徴とする、デュアル作動パワーパック（１００、２００、３００）。
2. 前記第１および第２電気モータ（１０１、１０２）および前記パワージェネレータ（１０３）は、前記第２電気モータ（１０２）がその第１端（１０９）で前記パワージェネレータ（１０３）と、およびその第２端（１０８）で前記第１電気モータ（１０１）と機械的に連結されるように設けられる、請求項１に記載のデュアル作動パワーパック。
3. 前記機械的連結（１０８、１０９）は、シャフト、クラッチまたはチェーンもしくはベルトによって実施されるか、または前記第１および／または第２電気モータの出力速度範囲を前記パワージェネレータの速度範囲に合わせて調整するためにギアボックスを含みうる、請求項１～２のいずれか一項に記載のデュアル作動パワーパック。
4. 前記パワージェネレータ（１０３）は、前記第１および第２電気モータ（１０１、１０２）から受け取られたエネルギーを空気または油のような流体の移動などの媒体の移動に変換するための変換器を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のデュアル作動パワーパック。
5. 前記パワージェネレータ（１０３）は、ポンプ、油圧ポンプもしくは油圧パワーパック、またはコンプレッサ、空気コンプレッサもしくは空気圧パワーパックを含む、請求項４に記載のデュアル作動パワーパック。
6. 前記第２電気モータ（１０２）は典型的に誘導モータであり、主電流（１０６）もしくは任意の種類の外部発電機（１０６）もしくは任意の種類の外部電源によって、または燃焼機関もしくは燃料電池によって駆動されるように構成される、請求項１～５のいずれか一項に記載のデュアル作動パワーパック。
7. 前記第１電気モータ（１０１）は、前記第２電気モータ（１０２）を前記グリッド（１０６）に接続する前に前記第１電気モータ（１０１）を同期グリッド（１０６）速度またはその付近にスピンさせることによって前記第２電気モータ（１０２）をソフトスタートさせるために使用されるように構成される、請求項１～６のいずれか一項に記載のデュアル作動パワーパック。
8. 前記第１電気モータ（１０１）は、電力ピークを抑制するために、および／または前記第２電気モータ（１０２）の主使用中および前記パワージェネレータ（１０３）からのパワー引き込みが前記第２モータ（１０２）の能力を超えるときに前記パワージェネレータに追加のパワーを提供するために、使用される（１０８、１０９）ように構成される、請求項１～７のいずれか一項に記載のデュアル作動パワーパック。
9. 前記デュアル作動パワーパックは、モータ駆動部（１０５）を用いて前記第１モータ（１０１）を制御することによって、前記第２電気モータ（１０２）の電流引き込みおよび負荷、ならびに前記エネルギー貯蔵部（１０４）の充電または負荷、ならびに／または前記第１モータ（１０１）の負荷を加減するように構成された制御システム（１０７）を含む、請求項１～８のいずれか一項に記載のデュアル作動パワーパック。
10. 前記エネルギー貯蔵部（１０４）は、電気エネルギー貯蔵部、再充電可能電気貯蔵部、バッテリ、燃料電池、スーパーキャパシタおよび／またはフライホイールを含む、請求項１～９のいずれか一項に記載のデュアル作動パワーパック。
11. パワーパックをデュアル作動させる方法（１００）であって、前記パワーパックは、エネルギー貯蔵部と、第１および第２電気モータ（１０１、１０２）と、パワージェネレータ（１０３）とを含み、前記方法は、
    －前記エネルギー貯蔵部（１０４）によって前記第１電気モータ（１０１）を駆動し、グリッド、主電流（１０６）によってまたは燃焼機関のパワー（１０６）によってなど前記第２電気モータ（１０２）を外部的に駆動する（１０４、１０５）ステップと、
    －前記第１および第２電気モータ（１０１、１０２）によって前記パワージェネレータ（１０３）を作動させる（１０８、１０９）ステップと、
    －前記第２電気モータ（１０２）が駆動されたときに前記第２電気モータ（１０２）が前記パワージェネレータ（１０３）および前記第１電気モータ（１０１）を作動させる（１０９）ように、前記第１および第２電気モータ（１０１、１０２）を互いに機械的に連結（１０８、１０９）するステップであって、その際前記第１電気モータ（１０１）は、チャージャまたはローダとして機能し、前記エネルギー貯蔵部（１０４）を再充電または再充填し、前記第１電気モータ（１０１）が駆動されたときに（１０４、１０５）、前記第１電気モータ（１０１）が前記パワージェネレータ（１０３）を作動させる（１０８、１０９）、ステップと、
    を含むことを特徴とする、方法。
12. 前記方法は、前記第２電気モータ（１０２）を前記グリッド（１０６）に接続する前に第１電気モータ（１０１）を同期グリッド（１０６）速度またはその付近にスピンさせることによって前記電気第２モータ（１０２）をソフトスタートさせるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１および／または第２電気モータの出力速度範囲は、前記機械的連結（１０８、１０９）によって前記パワージェネレータの速度範囲に合わせて調節される、請求項１１～１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記第１電気モータ（１０１）を使用することによって電力ピークが抑制され、および／または前記第２電気モータ（１０２）の主使用中に前記第１電気モータを使用することによって前記パワージェネレータに追加のパワーが提供される、請求項１１～１２のいずれか一項に記載の方法。

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