SE0901362A1 - Styra reglerbar effekt till/från en rotors axlar, individuellt - Google Patents

Abstract

1 En hydrostatisk transmission i en rötor för överföring av en utifrån styrd och reglerbar tillförd effekt eller mottagen effekt och utifrån styrd och reglerbar effekt till/från var och en eller enbart en av dess två utgående axlar.Uppfinningen med rotorn i till exempel i en elmotor kan för att på var och en av axeländorna på rotorn styra ut olika effekt av den till rotorn tillförda eller för att som växel som rötor i en generator styra ingående och utgående moment. Direkt i rotorn finns en hydrostatisk transmission. Monterat på en eller flera hjulaxlar kan den ge drivning och/eller styrning av fordon. Det kan ett alternativ att tillföra effekt och om så är även tillvarata genererad effekt på en drivlina samtidigt som den kan vara en reglerbar växel.Monterad på en hjulaxel behövs inte växlar på samma sätt då inte en uppdelning på två hjulmotorer behövs, en ensam större motor klarar ensam effekt på ett drivande hjul, differentialspärr följer av konceptet och de mekaniska transmissionsförluster minskar, strömningsöfrlusterna minskas liksom att de helt saknas vid drift rakt fram, det kräver ett mindre antal större komponenter i drivlinan mot dagens teknik,det ger lägre vikt och fj ådrande vikt samtidigt som det hela blir kompakt, den överordnade styrningen skapar bättre kurvtagningskontroll genom att en kontinuerlig momentstyrning kan ske.Uppfinningen bygger på en överordnad extern styrning av tillförd eller genererad effekt till en rötor och indata från rotorn, dess moment och vinkelhastighet och riktning och en i rotorn placerad hydrostatisk transmission som styr dess utgående axlars moment och vinkelhastighet. Överföring av styrningen in till rotorn sker trådlöst och induktivt.

Description

Sida2 två lika starka hjulmotorer per hjul, mot en elmotor vid samma möjliga effekt i kurvtagning.

Detta då motorns effekt här flyttas till det hjul som då kräver hela effekten . Det innebär också en lägre totalvikt, den hydrauliska transmissionen oräknad. Det kräver ingen extra funktion för att fungerar som differentialspärr. Det saknas mekaniska transmissionsförluster vid körning rakt fram med lika moment på hjulen, till skillnad mot den enklaste form av drivlina bestående av enbart en elmotor som via en differential eventuellt före gången av en växellåda driver ett hjulpar. Det innebär också lägre strömningsförlusterna då flödena över tid blir lägre i jämförelse med separat hydrauliska hjulmotorer.

Det ger lägre fjädrande vikt i hjulen i jämförelse med separata hjulmotorer vilket möjliggör god viktfördelning och låg vikt.

Detta med att enbar använda en stor motor per hjulpar möjliggör också större möjligheter till direktdrift utan växel, kugghjul eller remmar. En större elmotor ger också utrymme för en rotor med större deplacement i hydraulpump/motor vilket förstärker argumenten för uppfinningen, jämför med resonemanget i Bilagal.

Då transmissionen ingår i axeln till elmotorn eller generatorn blir det hela mer en kompakt och ett kortare paket som innefattar färre komponenter jämfört med dagens ovan beskrivna teknik.

Tekniken att trådlöst induktivt externt styra stymingen kräver mindre mekaniskt underhåll än med överföring med kommutator eller rengöringar vid optiska överföringar av reglersignaler.

Dagens teknik med pulsmodulering i en pulsföljd med fast frekvens skapar vid moduleringen variation även i effektöverföringen vilket är till nackdel.

Dagens ståndpunkt vad gäller förfarande som växel till en generator är: Växeln monteras idag separat framför generatom.

Den föreslagna uppfinningen ger ett mer kompakt byggsätt . Vindkraftverk har idag många en planetväxel framför generatorn och varvtalet till generatorn regleras med rotorbladens vinkel mot vinden. Den föreslagna uppfinningen ger möjlighet till att reglera generatorns varvtal snabbt kontinuerligt utan att rotorbladen vinkel mot vinden fult ut måste varieras. I det fall det är en hydrostatisk transmission framför som växel är fördelen närmast fördelar med vikt och kompakthet.

Problemlösníng Föreliggandeuppfinning löser och minskar problemen med den ovan närrmda tekniken och dagen teknik med roterande hydraulisk differential med hur läckage problemet och tarikproblemet liksom med trådlös och icke trådlös överföring av reglerbar effekt och inforinationsöverföring för nödig intem reglering av deplacement och riktningsstyrning av det interna flödet genom att den har de i de efterföljande patentkraven karaktäriserade särdragen.

F ígurförteckning och Bílagaförteckníng Figur l visar olika metoder för drivning och styrning av fordon.

Figur 2 visar flödes schema med hydrostatisk transmission, ett ”closed circuit-closed loop hydrostatic system” Figur 3 visar flödesschema för en hydrostatisk transmission, ett ”closed loop and closed circuit With Variable displacement motors/pumps” med var sin backventil och speciell ackumulator.

Figur 4 visar en schematisk överordnad styrning.

Sida3 Figur 5 visar en hydrostatisk transmission i en rotor med variabelt deplacement på hydraulpump(ar)/ motor(er) vars axlar är individuellt styrda i sin rörelse gentemot rotorn och med individuellt styrbara utgående moment Figur 6 visar schema för frekvensmodulerad trådlös styrning Figur 7 visar två olika typer av spolar Figur 8 visar en speciell ackumulator Figur 9 visar flödesschema enligt Figur 3 kompletterad med eldriven matarpump och överströmningsventil Bilaga lLinde Hydraulics om ”large displacement PTO Through-Drive-Motors” Detaljbeskrívníng av uppfinningen Den föreslagna uppfinningen karaktäriseras av en överordnad styrning av en hydrostatisk transmission i en elmotors eller generator rotor. Den hydrostatiska transmissionens yttre gods utgör elmotoms eller generatorns rotor . ”Input” till systemet och dess överordnade styrning är elmotorns eller generatorns parametrar som dess moment och vinkelhastighet samt riktning tillsammans med vippskivornas eller på engelska swash- skivomas läge i den hydrostatiska transmissionen, (6) i Figur 5. Framöver i den beskrivande texten används ordet swash- skivorna för det svenska ordet vippskiva. Swash- skivoma i den hydrostatiska transmissionen styr sedan de två axlamas moment med att variera det variabla deplacementet i de pumpar och motorer med variabelt deplacement, som ingår den hydrostatiska transmissionen. En riktningsventil i den hydrostatiska transmissionen kan växla flödesriktningen på olj eflödet.

Den överordnade stymingen till den hydrostatisk transmission i en elmotor/generators rotor sker trådlös. Ett sådant paket med elmotor kan ensamt vara hj ulparets drivpaket för styrning och/eller drivning inklusive momentstyming inkluderande funktionen differential spärr (Figur 1.4,1.5).

Den hydrostatiska transmissionen inne i rotom med variabelt deplacement på hydraulpumpar och motorer (Figur 3) kan också beskrivas som ett ”closed circuit-closed loop hydrostatic system”. Skillnaden främst mot dagens hydrostatiska transmission är att det här ingår direkt i den drivande axeln rotorn och att hela paketet roterar, och styrs trådlöst med hjälp servomotorer med en pulsmodulerad signal och att det hela ingår i ett överordnat system för kontaktlös överföring av en utifrån reglerbar tillförd effekt eller inifrån genererad effekt och reglerbar effekt till/från var och en eller enbart en av dess två utgående axlar.

De slutna hydraulsystemen beskrivna ovan, ett allmänt i Figur 2 och uppfinningens i Figur3 är olika i vissa avseende beroende på drift förutsättningama. De skiljer vad gäller en speciell ackumulator, och olika ventiler, samt en matar pump . Detta utifrån att uppfinningens hydrostatiska system roterar, då uppstår ett problem med inre läckage. Vid väl utformade axeltätningar på pump respektive motor och övriga tätningar skall externa läckaget vara av mycket..mycket ringa omfattning. Intema läckaget på trycksidan i varje varv flödet cirkulerar i systemet däremot kan behöva korrigeras för att inte ett ”störande glapp”, i överföringen av momenten skall ske. Uppfinningen har löst problemet med detta läckage, glapp och risken för kavitation på sugsidan liksom att det behövs en tank som klarar rotation på olika sätt. Det är i första hand med enbart en speciell ackumulator och backventiler, se posl i Figurß, Det är i andra hand då extra högt matartryck behövs med också en extra eldriven matarpump och överströmningsventil, se posl i Figur 9. Effekten till matarpumpen kommer från den ena av en av den utifrån rotom skapade effektöverföringen. I det andra fallet är matarpumpens och överströmningsventilens tank den samma som i första hand, ackumulatom. Den speciella ackumulatorn är mer beskriven nedan i ord och se Figur 8 samtidigt. Ackumulatom är en tank Sid4 bestående av en anslutning pos5 i Figur 8, cylinder posl i Figur 8 och en glidtätad kolv pos2 i Figur 8, Kolven är rörlig för att ta upp variationer i det slutna flödets volym och skapar med en tryckfj äder pos3 i Figur 8 för att övervinna friktion och det yttre trycket och backventilema ett lägsta tillåtet tryck i systemet. Trycket i systemet justeras det vill säga, fylls på vid läckage genom att backventilen posl i Figur 3 öppnar. Kolven har en begränsnings plunge. Detta för att vid övertryck kunna begränsa kolvens rörelse och fungera som överströmningsventil posl i Figur8 genom att då samtidigt öppna kanaler pos6 i Figur 8 och låta olja flöda ut. För att undvika att detta olj eflöde vid ett sådant tillfälle och det mer kontinuerliga interna läckaget runt kolven att komma vidare ut finns en smidig bälg pos4 i Figur 8 som omsluter cylindems bakre ände och över hålen pos6 i Figur 8. För att i en befintlig volym för rotorn öka tankens volym kan en lösning vara att DC -motorer med dess servokontroll placeras direkt i tank.

Rotorn beskrivs nedan, se Figur 5. Rotorn (3) består av back to back monterade axialkolvpumpar/motorer (2) och (4) kopplade i ett slutet hydraulsystem.

Axialkolvpumpar/motorer deplacement styrs med variation av (6) swash- skivans lutning individuellt med Servostyrning externt. Här sker detta med elmotorer. En servomotor kontroller styr servo motorn från en från det överordnade systemet Överförd signal in, ”bör” värdet, genom att jämföra det med ett ”är” värde från swash-skivans läge. ”Bör” och ”är” värdet är de aktiva amplitudemas bredd vid konstant/variabel frekvens. Överföringen till rotom av effekt för de småelmotorer och variabel effekt till eventuell övrig riktningsventil sker genom att energin i pulsbredden utnyttjas samtidigt som information överförs trådlöst induktivt. Detta med två spolar i en topologi som flyback eller andra topologier. Detta sker här i figur 6 med frekvensmodulering, det vill säga våglängdens bredd frekvensvarieras och dess aktiva dels bredd/längd av pulsen används som ”bör” värde och dess start triggar pulsen att börja varefter skillnaden i pulslängd styr servomotom. Oljeflödets rikting kan behöva ändras och för att inte behöva passera en nollgenomgång av en swash- skivas lutningsvinkel kan detta istället ske med styming oljeflödets riktning med en separat elektrisk riktningsventil.

Allt detta om den trådlösa styrningen av servomotom är ytterligare beskrivet under punkten ”Beskrivning av ritningarna” och där som ”Figur 6 visar schema för frekvensmodulerad trådlös styming”.

En överordnade stymingen behövs och beskrivs nedan.

En hydrostatisk transmission med variabelt deplacement på hydraulpump(ar)/ motor(er) vars axlar är individuellt styrda externt i sin rörelse gentemot rotom med individuellt styrbara utgående moment vill jag för att förenkla beskrivning framöver förkortat benämna rotom.

Den överordnade styrningen sker med en processor(mikroprocessor). Systemet utgörs därigenom av processorn och rotorn. Processom behöver också en algoritm.

Med överordnad styming avses att koordinera rotoms utgående axlars moment och vinkelhastighet gentemot den utifrån till rotom tilltörda/ genererade effekten.

Summa moment x vinkelhastighet på utgående axlama x verkningsgraden skall motsvara den tillförda eller avgivna effekten till rotom.

Algoritmen fór styming av ett fordon har sin input från föraren och fordonets önskade värden för körriktning, svänga, accelerera, bromsa, motorns moment, vinkelhastighet samt indirekta ”är” värden på swash- skivans läge liksom vilken swash-skivas läge det gäller.

Indirekta ”är” värden är de i så måtto att de är skapade utifrån uppfattat beteende av rotom av människan men som verkliga ”är” värden för processom(mikroprocessom) Slirar ett hjul i ett fordon kan det andra hjulets moment behöva ökas och stymingen av fordonet korrigeras så att fordonets riktning behålls. Detta är exempel på en programalgoritm Sid5 som processorn(mikroprocessom) kan styra rotorn med för att utnyttja uppfinningens reglermöj ligheter. Detta finns schematiskt beskrivet med Figur 4 för typ ett fordon. Output är motorns moment och riktning och swash- skivomas ”bör” läge.

En generator i ett vindkraftverk kan ha annan extern input, till exempel spärming ut men output till rotom i en generator och dess swash-skivor och dess lutning som ”bör” läge sker på samma sätt trådlöst.

Output är motorns moment och riktning och swash- skivomas ”bör” läge.

Den föreslagna uppfinningen vad gäller förfarandet som växel i en rotor bygger på den ovan beskrivna vad gäller tillförd effekt och genererad effekt och styrning av utgående axlars utgående effekt eller ingående men förfarandet blir annorlunda. Här låses den ena utgående axel (1) i rotorn (3) för motom eller generatorn. Utgående axel (l) i rotorn är ingående axel till hydraulpump/hydraulmotor (2). Hydraulpumpens/hydraulmotoms hus roterar istället. För rotorn som motor innebär det att utgående axel (5) på hydraulmotor/hydraulpump (4) roterar och för rotorn som generator innebär det att utgående axel (5) blir ingående axel i hydraulpump/hydraulmotor (2) och fungerar som pump till hydraulmotor/hydraulpump (4) och då utgående axel (5) är låst roterar dess hus istället vilket också är rotorn i generatorn.

En överordnad styrning av algoritmen bygger här som på som ovan.

Summa moment x vinkelhastighet på utgående axlarna x verkningsgraden skall motsvara de ingående/utgående från elmotom till generatorn. Momentet på utgående axlar är en funktion av swash - skivornas lutning.

Detaljerad beskrivning av schema för jrekvensmodulerad trådlös styrning ífigur 6 Utifrån en likströmskälla Vl kan med en Spärmings reglering nivå/spänning på pulsen till primärspolen Ll väljas till olika nivåer beroende på vilken effekt som önskas ut från sekundärspole L2. Ett exempel kan vara att växla från 12 Volt till, 8 Volt. Tekniken för detta kan vara en ”step down” krets eller rent av en enkel emitterföljare med olika utspänning.

Primärspolen Ll matas med ström när mosfet Ml leder och lagrar energi . Fasningen av den sekundära spolen och diod Dl är sådan att ingen ström leds över i sekundärspole L2.

Den totala tiden mellan då mosfet Ml börjar leda var gång, den så kallade cykeltiden är variabel utifrån frekvensmodulering, liksom den tid mosfet Ml leder, den tid den så kallade aktiva delen av amplituden(pulsen) pågår under cykeltiden. Den senare är en konstant andel av cykeltiden, till exempel 0,5. Cykeltiden varierar till exempel +- 10-20%.F ör att reglera den ledande tiden av cykeltiden används en krets för Pulsmodulering med fast frekvens.

Enligt Lenz lags byggs under den tid mosfet M1 leder en motemk upp i sekundärspole L2 som omedelbart växlar rikting när primär spole L1 inte längre matas med ström. Dioden Dl kan nu leda. Det vill säga en ström matas ut via D1 och ”glättas” med hjälp av kondensator C2 i min figur 6 till en elmagnet i en hydraulventil.

Utspänningen är beroende av förhållandet mellan antalet lindningsvarv på spole Ll i förhållande till antalet lindningsvarv på spole L2. Detta förhållande kan uttryckas som N.

Lindningamas riktning och in- och ut- matning skall vara gjord enligt ”punktkonventionen” det vill säga följande förlopp skall gälla för dem, se figur l. Varje ände på spolama Ll och L2 är markerade med en punkt, vilket beskriver hur lindningen skall fungera: De punkt markerade lindningsändor skall ha positiv spänning i samma ögonblick. Växlas spärmingen i till primärspolen från en spänning till en annan kan förutom att effekten ändras en signal erhållas.

Effekt för de småelmotorema och den variabla effekten till eventuell övrig riktningsventil skapas genom att energin i pulsbredden utnyttjats samtidigt som information överförts Sid6 trådlöst, induktivt. Den variabla effekten till eventuell övrig riktningsventil sker genom att energin i pulsbredden utnyttjas men då genom att amplituden på pulsbredden är olika.

I exemplet ovan sänks då spänningen från 12V till 8V till elmagneten då amplituden sänks från förhållandet 12/8 och frånslag kan ske av elmagneten.

Med avledning av spänningen innan D1 och använda den spärmingspulsens början ögonblick som start(”trigger”) av en ”är” puls kan genom en jämförelse av ”är” och ”bör” pulsen längd en styrning ske av servomotom. Styrningen är korrigering av skillnaden mellan ”är” pulsens längd och ”bör” puls som är den avledda spärmingspulsens längd. Längden på ”bör” pulsen styrs av frekvensmoduleringen. Det har därmed skett en information över till sekundärspolen som är användbar. I min Figur 6 är det en DC-Servomotor, en DC- motor med servokontroller.

Figurer på spolar för överföring från den externa fasta miljön till den roterande miljön och med två skilda principer(tvärsnitt) finns i Figur 7. Nivån på den avlänkade spänningspulsen behöver inte låsas till en lägre nivå än den lägsta som huvudpulsen. Det kan dock vara en fördel att låsa nivån på den avlänkade spänningspulsen till ett värde lägre än vad som används i huvudpulsen.

Claims (8)

Sida7 Patentkrav

1.En hydrostatisk transmission i en rotor för överföring av en utifrån styrd och reglerbar tillförd effekt eller mottagen effekt och utifrån styrd och reglerbar effekt till/från var och en eller enbart en av dess två utgående axlar kännetecknad av att utanför rotorn finns en överordnande kontroller(mikroprocessor) (Figur 4), och två enheter av vardera för spärmingsreglering och pulsmodulering (Figur 6) från likström liksom två primärspolar L1 (Figur 6) ,i rotorn hydrostatisk transmission konfigurerat som på engelska definierat som ”closed loop and closed circuit with Variable displacement motors/pumps”, där motor/pumphus är mekaniskt integrerade med rotorn (Figur 3) med var sin backventil och speciell ackumulator (posl i Figur 3), ackumulatorn är en tank bestående av en anslutning pos5 i Figur 8,cylinder posl i Figur 8 och en glidtätad kolv pos2 i Figur 8, för att innesluta vätskan i systemet, kolven har en begränsningsplunge för kolvens högra ändläge och för att erhålla konstant yttre tryck på kolven och kunna återfylla systemet vid läckage finns en tryckfjäder pos3 i Figur 8 för att övervinna friktion,för att förhindra mindre läckage av hydraulolja finns en smidig bälg pos4 i Figur 8 som föjer yttre trycket genom att ändra form,monterad i bakre änden av cylindem och när kolven är i sitt bakersta läge kan en överströmning av olja ske genom hålen i cylindern pos6 i Figur 8 vid övertryck från olj eläckaget varvid denfungerar som överströmningsventil, i var ände av rotorn finns en sekundärspole L2 (Figur 6), i rotorns mitt är två DC-motorer med servokontroll (Figur 6) vilka var och en med en skruv rörelse är direkt påverkande var sin vippskivan eller på engelska 'swashïskiva (pos6 i Figur 5).

2. Sättet att utifrån styra och reglera tillförd effekt eller mottagen effekt och utifrån styra och reglera effekten individuellt till/från en hydrostatisk transmission i en rotors utgående axlar enligt patentkrav 1 kännetecknas av att tillförd eller avgiven effekt tillförs rotorn genom att rotorn placeras i en stator som motor eller generator och att tillförd effekt eller avgiven(genererad) effekt styrs av en överordnad kontroll(mikroprocessor),se Figur 4, och att reglera den därav tillförda effekten till/från var och en dess utgående axlar sker genom att en från den överordnade processom(mikroprossom) (Figur 4) styra den variabla pulsbredden från varoch en av enheterna för pulsmodulering, med en likströmsmatad pulsfölj d, och pulsföljd dessutom spärmingsreglerad med en av enhetema för spärmingsreglering , och sedan överförs trådlöst med flyback-topologi induktivt från var fast monterade primärspole till den roterande sekundärspole i var ände av rotom, där vidare till var sin servomotor (Figur 6) som via en reglerad skruv rörelse påverkar var sin vippskiva eller på engelska ”swashï skiva (pos6 i Figur 5) och i en closed loop volymstyr deplacementet och därmed momentet i var ände på rotorn (pos3 i Figur 5), från i var sin fast monterade styrbar axialkolvmotor/pump (pos 2 och 4 i Figur 5), med utnyttjande av en av spänningsreglering i en av överföringama och en hydraulventil (Figur 6) kan in- och utgången av flödet växlas på en avmotorema/pumpama åtgången efter nolldeplacements genomgång, vilket i sin tur styr utgående/ingående moments rikting och varvtal på respektive utgående axel tillsammans med till rotoms egna effekt tillförd som rotor i en elmotor, eller annan transmission eller avgiven som rotor i en generator och det skapas mellan den tillförd/avgivna effekten till rotorn och rotoms två utgående axlars effekt ett system,en ”closed loop” med enbart hydraulventilens läge och servomotoremas position och rotorns tillförda/avgivna effekt(varvtal/moment) som feedback till den överordnade processom, se Figur 4. Sida8

3. En hydrostatisk transmission i en rotor enligt patentkrav 1, karaktäriserad av, en utifrån rotorn påförd styrning och effektöverföring sker med en likströmsmatad pulsföljd med variabel pulsbredd med en variabel frekvens

4.En hydrostatisk transmission i en rotor enligt patentkrav 1, karaktäriserad av, ett förfarande där den används som kontinuerligt variabel växel och rotor i en elmotor eller generatorer med en av dess utgående/ingående axlar låst som ett kompakt drivpaket .

5.En hydrostatisk transmission i en rotor enligt patentkrav 1, karaktäriserad av, ett forfarande där den används som växel och differential med differentialspärr och kan ta emot och överföra och reglera förhållandet mellan ingående varvtal och moment och individuellt fördela utgående varvtal och moment på en drivaxels två utgående axlars som en rotor i en elmotor och omvänt kan ta emot ett reglerat varvtal och moment individuellt från en drivaxels utgående axlar som rotor i en motor som också omvänt kan fungera som generator (Figur 1.4, 1.5 och 1,6).

6.En hydrostatisk transmission i en rotor enligt patentkrav 1, karaktäriserad av, ett förfarande där den används som växel och differential med differentialspärr och kan tillföra effekt till inkomande axel och reglera förhållandet mellan ingående effekt och tillförd effekt till utgående axel och vidare till ett hjulpar och omvänt kan generera effekt då inkommande effekt till rotorns ingående axel är större än avgiven effekt på rotorn utgående axel som rotor i en motor som också omvänt kan fungera som generator (Figur 1,6).

7. En hydrostatisk transmission ien rotor enligt patentkrav 1, karaktäriserad av, ett förfarandet där det finns elektriskt driven tryckolje(matar)pump,tryckbegränsningsventil och backventiler för att undvika kavitation på sugsidan och kompensera läckage och tryckfall i filter. Pumpen matas av en den utifrån rotorn skapade effektöverföringen( Figur 9).

8.En hydrostatisk transmission i en rotor enligt patentkrav 1, karaktäriserad av, de två DC-motorema med servokontroll och elventil och är placerade direkt i den speciella ackurnulatorn med avtätade axelgenomgångar för DC-motorena, in och utlopp på elventil och ingående kablar