专利名称：具有无级变速的电齿轮箱的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无级变速的电传动装置。
技术背景对于传统的齿轮传动装置，速度可逐步变化，采用摩擦离合器或液压离合 器使齿轮在齿轮传动装置中移动。虽然这样的传动装置具有较高的机械效率， 但是在很多情况下它们是不利的，比如逐步变化的速度控制不允许使用内燃机 的最佳的速度范围。因此，传动装置和内燃机的高能总效率一般都相当低。进一步地，已知有利用皮带或推动节链的无级变速传动装置。这些传动装 置的优点在于它们允许无级变速控制。然而，提供皮带有一个缺点是它们经受 引起它们老化的重要影响以及这样的传动装置的总效率相当低。推动节链传动 装置的缺点是与齿轮传动装置相比，其最大的可传动转矩相当有限。而且，已知有用于诸如建筑机械和拖拉机的具有低车速的机动车的静液压 传动。在这些传动中，内燃机的动力转变为驱动柴油机的油流量。虽然静液压 传动的机械效率相当低，但是通过与高度成熟的传动装置/发动机管理结合可以 获得较好的总效率。然而，除了可获得较低的车速外，这样的传动装置还有相 当高的制作成本的缺点。由于电动机较容易控制，因此进一步已知有利用内燃机驱动发电机产生电 能以及通过频率，电压和/或电流的调制控制速度的技术。由于各单个部件一内 燃机、发电机、控制器和电动机一的效率相乘，因此这样的机器具有相当低的 总效率。基本原理 一 电机的功能性旋转电机是转换电能和机械能的能量转换器。电机的性能一方面由电压U和电流I的量级决定，另一方面由转矩M和转速n决定。 发电机如果转子和定子之间存在差速，外部从动移动部分(转子)将电场感应到 设置有线圈的固定部分(定子)中。在定子线圈中，该电场在短路发生或加载 时引起电功率。通过定子中的电功率流动，产生(返回)转矩。电动机相反地，定子中的电功率流动引起转子上的转矩。 发明内容本发明的目的是提供具有高效率和宽速度范围或大传动比的无级变速电 传动装置。根据本发明的目的通过权利要求1所述的无级变速电传动装置实现。本发明涉及一种具有高机械效率和可用于宽速度范围的无级变速电传动 装置。依据本发明，消除了目前为止普遍的发电才几和电动机的空间分离，并将 这些部件组合成一个单元。这里，定子不是固定地而是可旋转地被支撑。这里所描述的电传动装置， 转子构造成可旋转的输入轴，定子设计成可旋转的输出轴(可以在输入侧提供 转子，在输出侧提供定子，也可以在输入侧提供定子，在输出侧提供转子)。依据本发明，输入轴与输出轴通过电力传输元件连4妻。这里，该电力传输 元件通常设置有与输入轴连接的磁铁，该磁铁感应电功率进入与输出轴连接的 线圈。如本发明所提供的，输入轴和输出轴不是彼此实际接合以将旋转运动从 输入轴传输到输出轴。或者，可以在输入轴和输出轴之间设置机械的和/或电传动装置，用于控制 速度。例如，通过打开使线圈短路的开关，转矩减小以使输出轴的速度减小。这 样通过利用依赖于负载的转矩的产生而获得速度控制。这可能受到电功率变化的影响。例如，还可以分流电功率并将其用于其他用电负载，或将其分别提供 纟合电池或蓄电池。优选地，开关装置包括允许频率、电压和/或电流调制的调制装置。因此， 连续改变输出轴的速度成为可能。本文中特别优选地，将调制装置集成到电子 开关中。连接到输入轴的磁铁至少有 一部分可以形成为螺线管。通过磁铁的电激 发，可以产生不同强度的》兹场。这将引起感应进入线圏的电压变化，从而影响 输出轴的速度。本发明中的电传动装置具有显著的优点，即可以获得高于90%的高总效 率。进一步地，该传动装置的重量比现有的传动装置要低很多。而且，总的热 损耗非常低，例如，其热损耗总计仅为那些静液压传动装置的一半。由于除润 滑剂以外，该传动装置是无油操作，因此其制作成本相对4交低。进一步地，特 别是由于没有机械的移动过程发生，因此该传动装置是低磨损传动装置。而且， 该传动装置的结构是可变的，以使其能够可靠地适用于特殊领域应用的各个速 度范围。
从以下参考附图描述的两个实施例可以明显看出以上本发明的普通的方面。图中图1为本发明第一优选实施例的示意截面图； 图2为本发明第二优选实施例的示意截面图。
具体实施方式
在第一优选实施例中，本发明的电传动装置(图1)包括可与驱动装置连 接的输入轴80。例如，该驱动装置可以是内燃才几。进一步地，该传动装置(或称为变速器)包括输出轴60,输入轴80和输 出轴60通过电力传输装置连接。输入轴和输出轴不是实际连接的。在输入轴 80和输出轴60之间建立一电场，该电场引起转矩，该转矩为拖曳转矩且依赖 于负载，使输出轴60跟随输入轴80动。由于该传动装置的拖曳转矩，就像传动装置中的所有其他机械阻力一样， 始终导致输出轴60被输入轴80牵引着，因此该传动装置的机械效率被提高， 如本发明提供的一样。为了根据输入轴80的速度控制输出轴60的速度，需要依赖于负载的转矩部分提供给更多的用电负载或蓄电池。电传动装置的第一优选实施例(图1)包括在输入侧由外壳84中的轴承 82支撑的输入轴80。磁铁88设置在输入轴的外侧86上。输出轴60也由轴承62支撑在外壳84中。输出轴60的一部分重叠在输入 轴80上，输出轴60的围绕着输入轴80的部分形成为空心轴。在这部分中， 输出轴60的内表面64设置有线圈66,线圈66位于^f兹铁88的对面。通过旋转 输入轴80,该输入轴80可以与诸如内燃4几的驱动装置连4妄，石兹4失88感应进入 线圈66的电压。各个线圈66可以由开关装置68进行短路。通过使线圈66短 路产生磁场。该磁场与磁铁88相互作用，以使输出轴60旋转。利用电力传输装置66, 88,输入轴80的速度被传输到输出轴60上。这是 因为在输入轴80和输出轴60之间建立了电场，该电场产生了转矩。由于这样 的"拖曳转矩，，，输出轴60依赖于负载跟随输入轴80动。依据本发明，这是 由单个或所有的线圈66 一皮短路实现的。输入轴60的速度可以由通过开关68 仅短路单个线圏66来控制。同样地，可以用电调制开关改变流过线圏66的电 流。进一步地，》兹铁88可以构造成螺线管，以使它们的感应能力也是可变的。输入轴80除了由轴承82支撑，还由输出轴60中的另 一个轴承70支撑。 输出轴60除了由轴承62支撑，还由支撑在输入轴80上的轴承72支撑。输入轴和输出轴之间差速的控制功率传输需要在输入轴和输出轴之间存在差速。可想到用以下的控制实施例来改变可传输转矩和输出速度1、 将定子线圈(或技术上的其他选择)和转子上的永久磁铁或不可控制 的螺线管短5^。2、 将定子线圈和转子上的可控制的螺线管短路。3 、转子上的永久磁铁或不可控制的螺线管以及定子线圈可以通过开关进 行短路g4、解决方案2和3的结合，例如，转子上的可控制的螺线管与定子线圈 结合，也适合通过开关进行短路。依据第二优选实施例的电传动装置(图2)包括可与驱动装置连接的输入 轴ll。这里，例如，所述驱动装置可以是内燃机。该传动装置还包括输出轴， 输入轴和输出轴通过电力传输装置连接。对称的传动装置30 - 34和38支撑在 输出轴内。使用包括发电机部分10和电动机部分36的分裂式转子。归因于支 撑在输出轴内的同步齿4仑，两个部分的^走转方向相反。发电才几和电动才几部分的 速度和旋转方向分别与输入轴11的发电机部分和输出轴20之间或转子和定子 之间的差速反向对称。该对称是通过齿轮30， 34， 38获得的，所述齿轮使转子的两部分在相反 的方向上旋转，被支撑在一个(或多个)轴32 (或半轴)上，轴32又被支撑 在输出轴20， 28 (或分别在定子)内。作用于输入轴和输出轴之间，且使输出轴被输入轴带动的转矩的产生，在 两个阶段受到影响1、 在发电机部分中产生电功率，以及2、 在传动装置的电动机部分中消耗产生于发电机部分中的电功率。传动装置的发电机部分10中的输入轴与引导同向的输出轴20的旋转方向 相同。在电动机部分36内的输入轴相对于输入轴11进4亍反向对称运动，因而与输出轴20相反。由功率产生引起的转矩在输出轴20上起拖曳转矩的作用，就像由电动机功率产生的转矩在输出轴20上起推力转矩的作用一样，两者在同一方向上起 作用。相对于输出轴20在相同的旋转方向上起作用的两个转矩，叠加形成总 转矩。归因于同步齿轮，传动装置的发电机部分10内的输入轴的速度绝对值与 传动装置的电动机部分36内的输入轴的速度绝对值成反比。因此，(假定传动 装置的发电机部分和电动机部分内存在相等数量的》兹铁)传动装置的发电机部 分内的输入轴和输出轴之间，以及传动装置的电动才几部分内的输入轴和输出轴 之间的频率通常具有相同的量级，不必考虑频率本身。因此，没有必要进行频 率调制(频率调制通常会降低电功率)来控制电功率。由于传动装置的发电机部分的拖曳转矩，以及传动装置的电动机部分的推 力转矩以及传动装置中所有其他的机械阻力， 一般会导致输出轴20被输入轴 10带动，因此通过本发明可以提高传动装置的机械效率。电传动装置的第二优选实施例包括输入轴11。在图示的实施例中，输入轴 11由外壳14内的轴承12支撑在输入侧。输入轴11具有沿周向分布在外侧的 多个磁铁18。输入轴11与诸如内燃机的输入或输出装置连接。输出轴20也由轴承22支撑于外壳14内，在相反一侧，由轴承24支撑在 输入轴10上。输出轴20的一部分制成空心轴，以使输入轴11至少在配置有 磁铁18的部分被输出轴20围绕。在磁铁18的对面，输出轴20承载有许多线 圈26。由于磁铁18和线圈26之间发生相对运动，磁铁18感应进入线圏26 的电功率，因此石兹4失18和线圏26起第一电力传输装置的作用。通过第一电力传输装置18, 26，输入轴11的速度传输到输出轴20。这是 因为输入轴11和输出轴20之间建立了电场，该电场产生转矩。归因于这样的 "拖曳转矩，，，输出轴20跟随输入轴11动，并依赖于负载。依据本发明，这 可以通过将单个的或所有的线圈26短路或通过将它们与电动机部分连接实现。在图示的第二实施例中(图2),示出了具有至少一个或多个齿轮30的机 械传动装置，这些齿轮可旋转地支撑在横向轴32上。横向轴32与输出轴20 固定连接，输出轴20的这一部分也是空心的。齿轮30与设置在输入轴10， 11 前端的齿轮传动装置34啮合。在前端齿轮传动装置34的对面，设置有与输入轴10， 11同轴的中间轴36。 中间轴36也包括与齿轮30啮合的前端齿轮传动装置38。通过旋转输入轴10，前端齿轮传动装置34上的齿轮30的滚动速度是可变 的。这将使通过横向轴32与齿轮38连接的中间轴36的速度改变。对于输出 轴20的旋转，其内表面同样配置有线圈44,优选地，线圈44有规则的分布在 周围上。较佳地，线圏44布置成与线圈26相同。线圈44设置在与对面的石兹铁42积4成地断开(mechanically decoupled )的 条件下。线圈中流过的电流产生》兹场。因此产生的》兹力作用于》兹4失42上，并 使输出轴20旋转。这形成第二电力传输装置。例如，通过仅使一部分线圈44产生》兹场或通过改变由线圈44产生的^兹场 的强度可以获得转矩的变化。在图示的实施例中，提供给线圈44的电功率是利用第 一电力传输装置18, 26产生的，其中设置有一个或多个开关装置46。在图示的实施例中，较佳地，除轴承12之外，输入轴10, ll还由布置在 输入轴10和输出轴20之间的轴承48支撑。较佳地，中间轴36由配置在输出轴20内部的两个轴承50, 52支撑。将本发明的电传动装置与电动机或发电机对比，输入轴IO相当于转子， 输出轴20相当于定子，不过在这里是"可旋转的定子"。因此，输入轴10和 和中间轴36相当于一个分裂式转子，其两部分通过机械传动装置30, 32， 34 连接，特别地，该机械传动装置30， 32， 34是对称的传动装置。在图2中， 分裂式转子在左侧具有发电机部分，在右侧具有电动机部分。由于机械传动装 置30， 32, 34,两部分的运动方向相反。因此，发电机部分和电动机部分的速度和方向是反对称的。该对称是通过在一个(或多个)轴32 (或半轴)上支撑 使转子的两半部分在相反的方向上旋转的齿轮30， 32, 34获得的，所述轴32 又被支撑在输出轴20， 28 (或分别在定子)内。为了根据输入轴的速度控制输出轴的速度，需要依赖于负载的转矩产生。 这可以通过电功率的变化唯一获得，而不必考虑电功率的频率。通常，传动装功率产生，而不调制已产生的电功率本身(以降低电功率的方式)。 输入轴和输出轴之间差速的控制功率传输需要输出速度低于输入速度。可想到用以下的控制实施例来改变 可传输转矩和输出速度1、 将定子线圈(或技术上的其他选择)和转子上的永久磁铁或不可控制 的螺线管短^各。2、 将定子线圈和转子上的可控制的螺线管短路。3、 转子上的永久磁铁或不可控制的螺线管以及定子线圈可以通过开关进 行短路。4、 解决方案2和3的结合，例如，转子上的可控制的螺线管与定子线圈 结合，也适合通过开关进行短路。以上可能的控制方法l-4在传动装置的"发电机"部分中无需利用电动 机部分是可行的。 一般而言，通过在电动机部分中获得的以下用于控制的附加 的可能性，传动装置的发电机和电动机部分都可以使用5、 转子上可控制的螺线管。6、 永久^t铁或不可控制的螺线管。7、 由传动装置的发电机部分或由外部电源供电的部分连接的定子线圏。 还可以将电功率全部或部分放电给外部用电负载或蓄电池。进一步地，可以将该传动装置与电动机结合，所述电动机可将诸如来自蓄电池的电功率转换 为转矩、输出轴的电功率和速度的附加的或唯 一 的来源。
权利要求
1、一种电传动装置，包括适于与驱动装置连接的输入轴(11)，以及通过电力传输装置(18，26)与输入轴(11)连接的输出轴(20)，所述电力传输装置(18，26)包括磁铁(18)和开关装置(46)，所述磁铁(18)与输入轴(11)连接并感应电功率进入与输出轴(20)连接的线圈(26)，所述开关装置(46)与线圈(26)连接，用于产生使输出轴(20)旋转的磁场，其特征在于，在输入轴(11)和输出轴(20)之间设置有机械传动装置(30，32，34)，所述机械传动装置与第二电力传输装置(36，42，44)连接，用于改变输入轴(11)和输出轴(20)之间的速度。
2、 如权利要求1所述的电传动装置，其特征在于，所述磁场通过将单个 和/或所有的线圈(26 )短路来产生。
3、 如权利要求1或2所述的电传动装置，其特征在于，所述机械传动装 置(30, 32, 34)具有齿轮传动元件(30, 34 ),特别是斜角状的齿轮传动或 其他替换。
4、 如权利要求3所述的电传动装置，其特征在于，所述齿轮传动元件(30， 34)通过横向轴(32)与输出轴(20)连接，特别地，所述横向轴(32)承载 至少一个齿轮(30)。
5、 如权利要求1 - 4中任一所述的电传动装置，其特征在于，所述输入轴 (11 )包括与所述至少一个齿轮传动元件(30 )配合的前端齿轮传动装置(34 )。
6、 如权利要求1 - 5中任一所述的电传动装置，其特征在于，所述第二电 力传输装置(42, 44)通过中间轴(36)与所述机械传动装置(30, 32， 34) 连接。
7、 如权利要求1 - 6中任一所述的电传动装置，其特征在于，所述中间轴 (36 )包括磁铁(42 )和/或线圈，所述磁铁(42 )和/或线圏与同中间轴(36 )机械地断开的线圈(44)和/或磁铁配合，用于产生转矩。
8、 如权利要求1 - 7中任一所述的电传动装置，其特征在于，与中间轴(36 )机械地断开的的石兹铁和/或线圈(44)由输出轴(20)浮义载。
9、 如权利要求1 - 8中任一所述的电传动装置，其特征在于，所述输入轴 (10, 11)和输出轴(20, 60)在轴向上至少部分重叠。
10、 如权利要求1-9中任一所述的电传动装置，其特征在于，所述输入 轴(10， 11)和^T出轴(20， 60)在轴向上至少部分重叠。
11、 如权利要求1 - 10中任一所述的电传动装置，其特征在于，所述调制 装置集成到电开关中。
12、 如权利要求1 - 11中任一所述的电传动装置，其特征在于，所述石兹4失 (18, 88)至少部分设计成螺线管，并优选地与开关装置连接。
13、 如权利要求1 - 12中任一所述的电传动装置，其特征在于，所述开关 装置(46， 68)包括调制装置，特别用于调制频率和/或电压和/或电流。
14、 如权利要求1-13中任一所述的电传动装置，其中，所述速度控制受 依赖于负载的转矩产生影响。
15、 如权利要求1 - 14中任一所述的电传动装置，其中， 一部分或全部的 电功率可以放电到其他用电负载或蓄电池。
16、 如权利要求1 - 15中任一所述的电传动装置，其中，所述速度控制受 改变电功率影响。
全文摘要
本发明涉及一种电传动装置，包括适于与如内燃机的控制装置连接的输入轴(10，11)。输入轴(10，11)通过电力传输装置(88，66)与输出轴(20，66)连接。其中，电力传输装置(88，66和18，26，42，44)包括与输入轴(10，11)连接的磁铁(18，42，88)，所述磁铁感应电功率进入与输出轴(20，60)连接的线圈(26，66)。利用与线圈(26，66)连接的开关装置(46，68)，产生使输出轴(20，60)旋转的磁场。
文档编号B60K6/48GK101218733SQ200680024600
公开日2008年7月9日 申请日期2006年7月3日 优先权日2005年7月4日
发明者佐格·奥登堡, 简·诺曼 申请人:佐格·奥登堡;简·诺曼