专利名称：具有冷却策略的电动驱动系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及一种电动驱动系统，更特别地，涉及一种具有冷却 策略(对策)的电动驱动系统。
背景技术：
作业机械例如轮式装载机、平地机、自卸货车和其它类型的重型机械 用于各种任务。这些作业机械一般包括能量源，所述能量源可以是例如发 动机，如柴油发动机、汽油发动机，或者提供完成这些任务所需能量的气 体燃料动力发动机。为了有效地执行这些任务，作业机械可以利用电传动 装置，所述电传动装置能够在很大速度范围内传送发动机产生的扭矩。电传动装置可以包括由能量源可操作地驱动的发电机和由发电机驱动 的一个中多个电动机，该电动机与作业机械的每个轴或牵引装置驱动地关 联。在典型的操作期间，从位于前面的电动机到作业机械的前轴或最靠近 器械机具的轴输出的扭矩量可以基本上等于从位于后面的电动机到后轴或 离工作机械机具最远的轴输出的扭矩量。然而，在某些情况下，例如在装 栽期间，当马史入装载物堆时或者当在负荷分布不良的情况下工作时，可能 存在不均衡的电动机扭矩输出。特别地，由位于前面电动机输出的扭矩量 可能超过从位于后面的电动机输出的扭矩量。由于电动机上的热负荷直接 与电动机的扭矩输出量有关，所以输出较高扭矩量的位于前面的电动机将具有较高的热负荷。如果在位于前面的电动机上产生的热不能被充分耗散、 减小或者防止，则位于前面的电动机的效率可能减小，并且可能发生损坏 位于前面的电动机的情况。在由Boll申请，于2004年10月26日发布的美国专利No. 6,808,470 (即，470专利)中说明了一种系统，所述系统用于调节与电动机的增加的 扭矩输出相关的热负荷。，470专利说明一种机动车驱动系统，所述机动车 驱动系统具有内燃机、发电机、电动机和离合器，所述离合器配置在电动 机与车轮之间。在必须由电动才几供应高扭矩的情况期间，离合器以传递打 滑的方式工作，以减小电动机的扭矩输出，从而防止电动机的热负荷过载。尽管，470专利可以在高扭矩输出情况期间帮助最小化电动机的热负荷 过载，但它可能是昂贵而低效的。特别地，由于，470专利的系统需要另外 的离合部件来从热负荷过载的电动机中释放扭矩，所以系统的部件和装配 成本都可能增加。另外，由于，470专利的系统是由通过离合器的滑动损耗 功率来减小热负荷，所以应用该系统的作业机械效率可能被减d、。本发明的电动驱动系统用于克服如上所述的一个或多个问题。发明内容根据一个方面，本发明涉及一种用于作业机械的电动驱动系统(电力 传动系统)。该电动驱动系统包括用以推进作业机械的第一牵引装置和驱 动地(传动地)连接到该第一牵引装置上的第一电动机。该电动驱动系统 还包括用以推进作业机械的第二牵引装置和驱动地连接到该第二牵引装置 的第二电动机。该电动驱动系统另外包括控制器，所述控制器与第二电动 机通信。控制器构造成接收表征第一电动机的温度的输入信号，并根据该 输入信号改变第二电动机的扭矩输出。根据另一方面，本发明涉及一种操作电动驱动系统的方法，该电动驱 动系统具有第一电动机和第二电动机，所述第一电动机驱动地与第一牵引 装置相关联，而所述第二电动机驱动地与第二牵引装置相关联。该方法包 括监测表征第一电动机的温度的参数，并产生与该温度相对应的信号。该 方法还包括根据(响应于)该信号改变第二电动机的扭矩输出。
图l是示例性公开的作业机械的图解并示意性的视图；和图2是用于图1的作业机械的示例性电动驱动系统的图解视图。 200680009215.3说明书第3/9页具体实施方式
图1示出作业机械10的示例性实施例。作业机械10可以是执行与工业相关的某些操作的移动式机械，所述工业如采矿、建筑、耕作、运输或本领域中已知的任何其它工业。例如，作业机械10可是土方机械，例如轮式装载机、翻斗货车、反伊挖土机、自行式平地机或任何其它适合执行操作的作业机械。作业机械10可以包括作业机具12和电动驱动系统14。作业机具12可以包括任何用于执行特别任务的装置。例如，作业机具 12可以包括挖斗、叉装置、刮板、妒斗、粗齿锯、自卸台、笤帚、清雪机、 推进装置、切削装置、夹紧装置或本领域中已知的任何其它任务执行装置。 作业机具12可以经由直接枢轴、经由联动系统、经由一个或多个液压缸或 以任何其它合适的方式连接到作业机械10上。作业机具12可以构造成枢 转、旋转、滑动、摆动、提升或以本领域中已知的任何方式相对于作业机 械10运动。电动驱动系统14可以包括相互作用以推进作业机械10的部件。特别 地，电动驱动系统14可以包括能量源(电源)16、变矩器18和变速器(传 动系统)20，所述变速器20可操作地连接到一个或多个从动牵引装置22 上。可以i殳想，在电动驱动系统14内可以包括附加的和/或不同的部件， 例如，如位于变速器20与从动牵引装置22之间的附加减速装置、 一个或 多个如蓄电池或电容器的存储装置、用于散热的电阻网、用于给作业机械 附件供电的共用母线或本领域中已知的任何其它部件。能量源16可以包括内燃机，例如柴油发动机、汽油发动机、诸如天然机。或者，能量源16可以包括其它能量源，如锅炉、蓄电池、燃料电池、 通过例如控制电缆连接到非车载电源的电动机或任何其它合适的能量源。 能量源16构造成产生能量输出，所述能量输出被导向变矩器18。变矩器18可以是联接能量源16与变速器20的液压装置。变矩器18 可以允许能量源16在一定程度上独立于变速器20旋转。能量源16与变速 器20之间的独立旋转的量可通过修改变矩器
以设想，变矩器18可以由例如机械式膜片离合器的非液压装置实现。另外 可以设想，如果需要，可以省略变矩器18，而将变速器20直接连接到能 量源16。变速器20可以设计成在输出速度比的范围内从能量源16将能量传递 到从动牵引装置22。具体地，变速器20可以包括发电机24和两个或多个 电动机26。可通过输入驱动元件例如中间轴28将变速器20连接到变矩器 18。以此方式，由能量源16所产生的能量可以由变速器20传递到从动牵 引装置22。可以设想，可替换地，变速器20可以仅以唯一的输出速度比 将能量从能量源16传递到从动牵引装置22。可以利用变速器20的各种构型来驱动彼此相关的或彼此独立的不同 的从动牵引装置22或成对的从动牵引装置22。从动牵引装置22或成对的 从动牵引装置22可以由单独的电动机26独立地驱动。例如，可将一单独 的电动机26连接于并且专用于每个从动牵引装置22或相互成对的从动牵 引装置22，该相互成对的从动牵引装置22具有或不具有单独的专用发电 机24。发电才几24可以为三相永磁交流场型发电才几(three-phase permanent magnet alternating field-type generator)， 所述发电机"i殳i十成才艮据能量源 16的转动输入而产生能量输出。还可以设想，发电机24可以是开关磁阻 发电机、直流发电机(direct phase generator)或本领域中已知的任「何其 它合适类型的发电机。发电机24可以构造成随着转子(未示出)在定子(未 示出)内通过能量源16旋转而产生电能输出。发电机24可以通过一个或 多个输电线30连接到每个电动机26。电动机26可以是7JC磁交流场型电动机，所述电动机可设计成从发电机 24接收电能，并根据扭矩指令使从动牵引装置22运动。还可以设想，电 动机26可以是开关磁阻电动机、直流电动机或本领域中已知的任何其它合 适类型的电动机。如图2所示，电动机26可以经由直接联接器32、经由 齿轮机构(未示出)或以任何其它合适的方式连接到从动牵引装置22。变速器20可以包括电力电子设备(未示出)以将发电机24电连接到 电动机26。例如，变速器20可以包括一个或多个转换器(未示出)，所 述转换器设计成将三相交流电能转换为直流电能，反之亦然。驱动转换器 可以具有各种部件，其中包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)、微处理器、电 容器、记忆存储装置以及任何其它可以用于操作发电机24和电动机26的 部件。可与驱动转换器相关联的其它部件包括电源电路、信号调节电路、 及螺线管驱动器电路。从动牵引装置22可以包括位于作业机械10每一侧的车轮34。或者， 从动牵引装置22可以包括履带、皮带或其它牵引装置。从动牵引装置22 可以由联接器32驱动以根据电动机26的转动输出而转动。从动牵f 1装置 22可以是可转向的，也可以是不可转向的。电动驱动系统14可以还包括控制系统36，所述控制系统36设计成监 测并影响电动驱动系统14的工作。在一个实施例中，控制系统36包括温 度传感器38和扭矩传感器40、 一个或多个有效负荷传感器42以及控制器 44,上述温度传感器38和扭矩传感器40与最接近作业机具12的电动机 26相关联，而上述控制器44与控制系统36的每个传感器以及每个电动机 26通信。温度传感器38可用以检测最接近作业机具12的电动机26的温度。具 体地，温度传感器38可以为壁温传感器、空气温度传感器或可以用于监测 电动机26温度的任何其它类型的传感器。温度传感器38可以产生表征电 动机26的温度的信号。可以设想，控制系统36可以另外包括与离作业机 具12最远的电动机相关联的温度传感器。另外可以设想，如果需要可以省 略温度传感器38。扭矩传感器40可以操作性地与联接器32连接，并检测来自电动机26 的扭矩输出的值。可以设想，可以实施用于确定扭矩输出的替换技术，如或者通过监测传递至电动机26的扭矩指令来实施。例如，如本领域中所周 知的，可以利用发动机速度、轮速、地速和其它参数来计算来自电动机26 的输出扭矩。扭矩传感器40可以输出表征电动机26的扭矩输出的信号。
有效负荷传感器42构造成检测作业机具12上的负荷和/或作业机具12 上的负荷分布。尽管在图2中仅示出一个有效负荷传感器42，但作为较大 的有效负荷监测系统的部件可以包括任何数量的有效负荷传感器42。各有 效负荷传感器42可以为例如与作业机具12关联的伊斗或底座压力监测器、 与每个车轮34的悬架关联的支柱压力监测器、液压缸和联动装置压力监测 器或本领域中已知的任何其它类型的有效负荷传感器。每个有效负荷传感 器42都可以构造成产生表征作业机具12上的负荷和/或负荷分布的信号。控制器44可为一个或多个孩i处理器，所述^t处理器包括用于控制电动 驱动系统14的操作的装置。许多市场上可买到的微处理器都可以构造成执 行控制器44的功能。应该理解，可容易地将控制器44设计成能控制多个 作业机械功能的通用作业机械微处理器。可将各种其它已知电路与控制器 44关联，其中包括电源电路、信号调节电路、螺线管驱动器电路、通信电 路以及其它合适的电路。控制器44可以与电动驱动系统14的部件通信。特别地，控制器44 可以经由通信线路46与温度传感器38通信，经由通信线路48与扭矩传感 器40通信，经由通信线路50与有效负荷传感器42通信，并且经由通信线 路52与电动机26通信。通信线路46-52可以是数字式、模拟式或混合式 的通信线路。可替换地，与电动驱动系统14的部件的通信可以通过机械式 或液压式连接实施。控制器44可以接收来自温度传感器38和/或扭矩传感器40的信号， 以确定电动机26上的热负荷。例如，控制器44通过直接监测来自温度传 感器38的信号可以确定最靠近作业机械12的电动机26的热负荷增加。或 者，控制器44通过估计电动机26的温度，可以确定最靠近作业机具12 的电动机26的热负荷增加，所述对电动机温度的估计来自如扭矩传感器 40所测得的来自电动才几26的扭矩输出的量和扭矩输出的持续时间。可以 设想，控制器44可替换地通过估计电动机26的温度来确定最靠近作业机 具12的电动机26的热负荷增加，该对电动机的温度估计来自通向电动机 26的扭矩指令及扭矩指令的累积持续时间而不应用扭矩传感器40。电动机 26的温度与扭矩输出或指令和持续时间之间的关系可以通过试验确定，并 作为方程式、表或图存储在控制器44的存储器内。电动机26的温度与扭 矩输出或指令和持续时间之间的关系可以定期校正，并用人工或自动修正。控制器44可以构造成根据对热负荷增加的确定来改变电动机26的扭 矩输出。具体地，控制器44可以确定位于前面的电动机26或最靠近作业 机具12的电动机高于预定温度、将短暂地超过预定温度和/或在预定时间 段内保持高于预定温度，并根据确定结果命令位于后面的电动机26或离作 业机械12最远的电动机增加扭矩输出。基本上同时地，控制器44可解除 位于前面的电动机26上的扭矩负荷。在一个实施例中，在作业机具12已 卸载之后，或者在位于前面与位于后面的电动机26之间的负荷分布典型地 接近一基本相等的扭矩分布期间，在可以预想到接下来在位于前面的电动 机26上的不均衡的极大的扭矩负荷时，控制器44可相反地命令位于后面 的电动机26增加扭矩输出并且位于前面的电动机26减小扭矩输出。通过 在扭矩分布通常基本相等期间释放位于前面的电动机26上的扭矩负荷，可 以增加对位于前面的电动机26的冷却。以此方式，当位于前面的电动机 26再次祐力o载大的扭矩时，该位于前面的电动机26可以处于比位于前面 和后面的电动机26都预先相同地加载时更低的温度。控制器44可以构造成在冷却位于前面的电动机26期间，对位于后面 的电动机26施加等于或小于当前的地面牵引能力的负载量。对于本发明， 地面牵引能力定义为应用到单个车轮34上的扭矩量，超过上述扭矩量很可 能发生车轮34的打滑。可以基于车轮34的负荷条件、摩擦系数和车轮34 的几何形状对每个车轮34估计地面牵引能力。车轮34的负荷条件可以根 据来自有效负荷传感器42的输入和已知的作业机械10的重量分布来确定。 下面提供的是用于估计地面牵引能力的示例性方程。其中G,是所估计的地面牵引能力；Fn是在相对于车轮34的接合面的法向方向上车轮34上的力； //是磨擦系数和 r是车轮34的半径；如果在变速器20和车轮34之间包括附加的减速装置，则可将所估计 的地面牵引能力值除以减速，以确定来自变速器20的扭矩输出量，该扭矩 输出量将导致车轮34打滑。为使车轮34打滑的可能性最小，应当将从变 速器20传递到车轮34的扭矩限制到小于或等于所估计的地面牵引能力。用来估计地面牵引能力的摩擦系数可以根据地表面的组成改变，并可 以人工或自动修正。具体地说，摩擦系数可以表征地面对抗来自车轮34 的力传递的能力。具有柔软或疏松成分的地表面相对于具有坚硬或粘着成 分的地表面具有更低的摩擦系数。摩擦系数可以由作业机械操作人员手动 修正以与特定工作现场的当前地面成分相对应，或者可以基于假定的摩擦 系数与车轮打滑的出现自动修正。工业适用性所公开的电动驱动系统在任何移动式机械中都具有应用潜力，所述移 动机械是指需要在保持电动驱动系统的效率的同时冷却电动机的机械。本 发明的电动驱动系统在作业机械无负荷或负荷分布良好的操作期间，通过 将扭矩负荷重新分布至远离电动机来冷却该电动机。现在将说明电动驱动 系统14的操作。在操作期间，控制器44可以确定位于前面的电动机26上的扭矩负荷 造成该位于前面的电动机26过热。可通过直接监测位于前面的电动机26 的温度或间接地通过监测位于前面的电动机26上的扭矩负荷及扭矩负荷 的持续时间来做出这种确定。然后，通过存储在控制器44的存储器内的方 程式、表或图利用所监测的扭矩负荷和持续时间来估计位于前面的电动机 的温度。当控制器44确定位于前面的电动机的温度已超过预定温度、将很快超 过预定温度和/或在预定的时间段内保持高于预定温度时，控制器44可以 起作用以减小位于前面的电动机26上的扭矩负荷。特别地，控制器44可
以发指令增加位于后面的电动机26的扭矩输出以等于或小于对位于后面 的电动机26估计的地面牵引能力，而基本上同时地减小位于前面的电动机 26上的扭矩负荷。当作业机具12无负荷时或者当作业机械10上的负荷同 等地分布并且地面牵引能力为使得能在不使位于后面的车轮34打滑的情 况下增加来自位于后面的电动机26的扭矩输出时，这种扭矩负荷远离位于 前面的电动机的重新分布可以最有效。当位于前面的电动机的温度降到低 于预定温度和/或在预定时间段内保持低于预定温度时，通过减小位于后面 的电动机26的受控的扭矩输出，可使位于前面与位于后面的电动机26之 间的扭矩负荷的分布基本相等。可以设想，控制器44可替换地可以持续对 位于前面与位于后面的电动机26有意地进行不均衡的加载，以在不参照阈 值情况下最大限度地冷却位于前面的电动机。电动驱动系统14可以是低成本而高效的。具体地说，由于电动驱动系 统14利用现有部件来改进位于前面的电动机26的冷却，所以作业才几械IO 的部件和装配的成本可以达到最低。电动驱动系统14改进了位于前面的电动机26的冷却，同时保持作业 机械10的效率。特别地，由于电动驱动系统14通过将扭矩输出移至位于 后面的电动机26上来冷却位于前面的电动机26，所以能量被转移了而非 被浪费了。另外，由于位于后面的电动机26的扭矩输出仅增加到与位于后 面的从动牵引装置22相关联的地面牵引能力，所以发生微量的车轮34的 打滑或不发生车轮34打滑，从而进一步改进了作业机械10的效率。对本领域的技术人员来说，很显然，可以对本发明的电动驱动系统进 行各种修改和变形。通过考虑此处公开的本发明的说明书和实际应用，电 动驱动系统的其它实施例对本领域的技术人员来说将是显而易见的。本发 明的说明书和实施例只是示例性的，本发明的真正范围由后面的权利要求 及其等效方案指出。
权利要求
1. 一种用于作业机械(10)的电动驱动系统(14)，所述电动驱动系 统(14 )包4舌第一牵引装置(22)，该第一牵引装置(22)构造成推进作业机械； 第一电动机(26)，该第一电动机(26)驱动地连接到第一牵引装置； 第二牵引装置(22),该第二牵引装置(22)构造成推进作业才几械； 第二电动机(26)，该第二电动机(26)驱动地连接到第二牵引装置； 传感器(38、 40)，所述传感器(38、 40)构造成监测至少一个表征第一电动机的温度的参数，并产生与所述温度相对应的信号；和控制器(44)，该控制器(44)与所述传感器和第二电动机通信，并构造成根据所述信号改变第二电动机的扭矩输出。
2. 如权利要求l所述的电动驱动系统，其特征在于，所述参数是第一 电动机的温度，所述控制器用以确定与第二牵引装置相关联的当前地面牵 引能力，并且响应于第一电动机的超过预定温度值的温度来以不超过所确 定的当前地面牵引能力的方式增加第二电动机的扭矩输出。
3. 如权利要求l所述的电动驱动系统，其特征在于，所述参数是第一 电动机的扭矩输出，所述控制器构造成响应于第一电动机的超过预定扭矩 输出水平已达预定时间段的扭矩输出来增加笫二电动机的扭矩输出。
4. 如权利要求3所述的电动驱动系统，其特征在于，所述控制器构造 成确定与第二牵引装置相关联的当前地面牵引能力，并且增加第二电动机 的扭矩输出包括以不超过所确定的当前地面牵引能力的方式增加该第二电 动才几的扭矩输出。
5. —种用于操纵电动驱动系统(14)的方法，所述电动驱动系统(14) 具有第一电动机(26)和第二电动机(26)，所述第一电动机(26)驱动 地与第一牵引装置(22)相关联，所述第二电动机(26)驱动地与第二牵 引装置(22)相关联，所述方法包括监测表征第一电动机的温度的参数； 产生与所述温度相对应的信号；以及 根据所述信号改变第二电动机的扭矩输出。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述参数是电动机的温度， 所述方法还包括响应于第一电动机的超过预定温度值的温度来增加第二电 动才几的扭矩输出。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括确定与第 二牵引装置相关联的当前地面牵引能力，其中增加第二电动机的扭矩输出 包括以不超过所确定的第二牵引装置的当地面前牵引能力的方式增加该第 二电动才几的扭矩输出。
8. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述参数是电动机的扭矩 输出，并且所述方法包括响应于第 一 电动机的超过预定扭矩输出水平已达 预定时间段的扭矩输出来增加第二电动机的扭矩输出。
9. 如权利要求8所述方法，其特征在于，所述方法还包括确定第二牵 引装置的当前地面牵引能力，其中增加第二电动机的扭矩输出包括将第二 电动机的扭矩输出增加至所确定的第二牵引装置的当前地面牵引能力。
10. —种作业机械(IO)，包括能量源(16)，所述能量源构造成产生能量输出；和 如权利要求1至4中任一项所述的电动驱动系统(14)，所述电动驱 动系统(14)构造成接收能量输出。
全文摘要
本发明涉及一种用于作业机械(10)的电动驱动系统(14)。该电动驱动系统具有用以推进作业机械的第一牵引装置(22)和驱动地连接到该第一牵引装置的第一电动机(26)。该电动驱动系统还具有用以推进作业机械的第二牵引装置(22)和驱动地连接到该第二牵引装置的第二电动机(26)。该电动驱动系统还具有传感器(38、40)，所述传感器(38、40)构造成监测至少一个表征第一电动机的温度的参数，并且生成与该温度相对应的信号。该电动驱动系统另外具有与所述传感器和第二电动机通信的控制器(44)。该控制器构造成根据所述信号改变第二电动机的扭矩输出。
文档编号B60L11/02GK101146691SQ200680009215
公开日2008年3月19日 申请日期2006年2月9日 优先权日2005年3月21日
发明者K·A·凯西 申请人:卡特彼勒公司