发动机和发电机之间的变速器的稳态和瞬时控制的制作方法

专利名称：发动机和发电机之间的变速器的稳态和瞬时控制的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及机械式变速器系统和发动机驱动的发电机系统。更具体地，本 发明涉及一种无级变速器系统，该系统能有利地用于发电机系统为发电机提供恒速驱动从 而为可变负载供应稳定电力，同时使得发动机速度能够连续调节以在最佳效率范围中运 行。
背景技术：
多年来一直使用发电机系统来从机械能量源供应电力至负载，如内燃机的动力输 出(PTO)驱动永磁发电机。由于一般必须为负载供应基本恒定频率(典型为50或60Hz) 的交流电，所述发电机必须以基本恒定的速度(对于两极发电机，60Hz为1800转/分，50Hz 为1500转/分)驱动。否则必须在所述发电机和负载之间插入电子变频器来调节电波频 率(见例如美国专利No. 5，552，640)(萨顿(Sutton)等-1996年9月3日-英国盖斯股份 公司(British GAS pic))。考虑到要消除转换的频率，大多数发电机系统因此使柴油机在 相当高的范围内恒速驱动，以在任何时候提供发电机最大额定功率。如萨顿所强调，使所述发动机恒速运行有许多缺点，这些缺点能够通过引进合适 的发动机速度控制器来消除。实际上，本领域的一般技术人员都深知内燃机应该以最佳效 率的比速(输出机械功率/输入燃料功率)输出给定功率。因此，在负载需求变化较大时， 恒速工作的发动机会产生更高的燃料成本、增加的污染物排放、更高的噪音级别和更高的 维护成本。因此需要作为负载瞬时功率需求的函数连续调节发动机速度。在这种系统诸多 的优势特性中，在较高的速度范围内可得到最大发动机功率以支撑重负载，而轻负载则能 使发动机在接近怠速的水平运行。然而，这产生的问题是将发动机的可变速度连续转换为 恒速驱动以通过固定比齿轮箱以稳定的频率操作发电机。克罗宁(Cronin)在4，382，188号美国专利(Lockheed公司，1983年5月3日) 中指出，无级变速器(CVT)如超环面(toroidal)驱动可用来在预选的发动机速度范围内 将来自发动机的可变速度机械输出进行转换从而以恒定频率驱动永磁发电机。实际上， 在CVT中，来自变速器的驱动的输出速度与施加到变速器的驱动的输入速度的比率在预定 的高、低比率限值之间是连续并无限可变的。然而，克罗宁的发明意在对固有的可变的发 动机速度起作用，并未意识到(有计划)基于效率的目的来控制所述发动机。在美国专利 No. 5，539，258)(萨顿等人-1996年7月3日-英国盖斯股份公司)及0643474号欧洲专 利(萨顿-1997年3月3日-英国盖斯股份公司)中，虽然萨顿披露了特定的发动机驱动 的发电机系统包括超环面CVT和电脑化系统来控制发动机节气门和连续传动比，因此在检测到负载功率需求改变时，发动机的速度基于编程的发动机效率图按照测得的功率需求被 自动设定在最有效的范围内。尽管该系统可随缓慢改变的负载功率需求正确运行，其仍存在的挑战是在负载需 求发生突变时保持供应电流的质量。这主要是由系统内的瞬时惯性响应和延迟造成的。例 如，在负载突然施加和节气门全部打开时，发动机需要一些上升时间加速至全速。相反，在 负载突然从发电机断开时，发动机不应该空转，并且发动机和CVT不管功率需求有何变化 必须在任何时候都保持稳定状态。许多发动机/CVT系统已发展到能在交通工具中满意地 运行，但均不能适应指定用来供给电网并且每年运行数千小时的交流发电机的需要。同样 值得指出的是，绝大多数无级变速器和发动机控制装置都是为交通工具如轿车、船只、火车 和飞机开发的。因此，它们中的大多数要依赖液力或液压装置来运行，并且可提供的类型不 是设计用来每年持续运行如此之多小时的。虽然液力装置对交通工具来说是正常的选择， 但是低产量和维护需要导致的成本使其不适于运用在重负载发电机中。因此，全机械式超 环面CVT如美国3，581，587号专利(Dickenbrock-1971年6月1日-通用汽车公司)设想 为优选用于这种应用的CVT类型。在超环面CVT中，机械功率从输入超环面圆盘经一系列 运行在每个盘内表面上、距其中心可控制的距离的摩擦滚筒传递至输出超环面圆盘。通过 迫使所述滚筒运行在每个盘上的不同直径的轨道上来控制比率，所述直径的比率确定了所 述传动比。这种相当简单的基本概念非常适合发电机系统。然而，为了使它们足够可靠、坚 固和灵活以适应这种苛刻的应用，必须对早期设计进行改进。尽管以上示例显示出一些现有技术的发电机系统试图采用无级变速器使发动机 速度能够改变以提高效率，但是这些系统和传动装置仍然缺少它们为可变负载供给频率和 电压都稳定的电力而提供实用、可靠、耐用但买的起的解决方案所需的重要特征。因此现有技术发电机系统和机械式变速器系统中的一个显著改进是，提供能够从 变速机械能量源恒速驱动设备的变速器系统，以及能有利地用于为可变负载供给稳定电力 的能够进行发动机速度调节的高效发电机系统。

发明内容
因此，本发明的目的是提供一种消除了现有技术装置和系统的局限和缺点的高效 发电机系统和用于该系统的无级变速器。更具体地，根据本发明，提供了一种系统，用于将机械功率可变源的可变输出传输 为具有用于设备的期望设备速度值的输入，该系统包括接收可变输出并产生输入的变速 器，该变速器确定了所述输出的第一速度和所述输入的第二速度之间的传动比；第一传感 器，其测量第一速度并产生相应于第一速度的第一速度数据；第二传感器，其测量第二速度 并产生相应于第二速度的第二速度数据；第三传感器，其测量所述设备的功率需求并产生 相应于功率需求的功率需求数据；比率设定值控制器，其接收第一和第二速度数据以及功 率需求数据，该比率设定值控制器计算作为第一速度数据和所述功率需求数据的函数的所 述源的有效功率和所述系统的稳定级别，确定作为所述功率需求的函数的用于第一速度的 期望的源速度值，计算作为所述期望的源速度值的函数的用于所述传动比的期望比率值， 并且确定作为系统稳定级别的函数的用于所述传动比的期望改变率；比率控制器，其将所 述比率设定值控制器接口连接至所述变速器，该比率控制器致动所述变速器以跟随期望改变率将传动比变至期望比率值；以及源速度控制器，其从第二传感器接收第二速度数据并 且改变第一速度直至第二速度数据与期望的设备速度值一致。而且根据本发明，提供了一种系统，用于将机械功率可变源的可变输出转换为具 有用于设备的期望速度值的输入，该系统包括变速器，其接收所述可变输出并产生所述输 入，所述变速器具有在所述输出的第一速度和所述输入的第二速度之间的可变比率；至少 一个传感器，其产生与第一速度相应的第一速度数据，与第二速度的相应的第二速度数据， 以及与所述设备的功率需求相应的功率需求数据；第一控制器，其接收第一速度数据、第二 速度数据和功率需求数据，基于第一速度数据和所述功率需求数据计算有效功率和期望的 传动比值，基于第一速度与包括期望速度值的设定范围的第一对比和有效功率与至少一个 阈值的第二对比将所述系统分类为至少第一类和第二类中其一，在所述系统处于第一类时 指示所述变速器将可变比率快速转换为期望的传动比值，并且在所述系统处于第二类时指 示所述变速器将可变比率逐渐转换为期望的传动值；以及第二控制器，其接收第二速度数 据并发送速度校正信号至机械动力源以改变第一速度直至第二速度数据与期望速度值一 致。此外根据本发明，提供了一种方法，其控制将机械功率可变源的可变输出转换为 具有用于设备的期望速度值的输入的可变传动，该方法包括的步骤有获得所述可变输出 的第一速度、所述输入的第二速度和所述设备的功率需求；计算(1)基于第一速度和所述 功率需求的有效功率，(2)基于第一速度和有效功率的所述设备的输入的稳定级别，(3)基 于所述功率需求的所述变速器的期望传动比，以及(4)基于所述稳定级别的期望比率变化 率；以期望的比率变化率指示所述变速器改变为期望比率；以及改变第一速度直到第二速 度基本等于期望速度值。仍然根据本发明，提供了一种超环面变速器，包括由输入轴旋转的第一和第二超 环面圆盘；位于第一和第二超环面圆盘之间并且旋转输出轴的第三超环面圆盘；多个与第 一圆盘的超环面腔槽和第三圆盘的第一超环面腔槽摩擦接合的第一摩擦滚筒，每个第一摩 擦滚筒都能旋转以在第二和第三圆盘之间传递旋转力；多个与第二圆盘的超环面腔槽和 第三圆盘的第二超环面腔槽摩擦接合的第二摩擦滚筒，每个第二摩擦滚筒都能旋转以在第 一和第三圆盘之间传递旋转力；第一装置，其用来将第一摩擦滚筒相对于第三圆盘保持在 相同的第一选择角度，该第一装置能致动以改变第一选择角度；第二装置，其用来将第二摩 擦滚筒相对于第三圆盘保持在相同的第二选择角度，该第二装置能致动以改变第二选择角 度；以及第三装置，其用来连接第一和第二装置以使第一选择角度基本等于第二选择角度 并且用来将第一和第二装置一起致动以获得用于第一和第二选择角度的选择值，该选择值 相应于所述变速器的期望比率和所述变速器的期望比率改变率二者中的至少其一，第三装 置在收到控制信号时致动第一和第二装置。通过阅读以下参考附图仅作为示例对本发明的优选实施方式所做的非限制性的 说明，将使本发明的其它目的、优势和特征更为明显。


在附图中图1是根据本发明实施方式的高效发电机系统的示意性图示；
图2是图1的高效发电机系统的局部示意性图示，示出了发动机控制器的细节；图3是图1的高效发电机系统的局部示意性图示，示出了 CVT控制器的细节；图4是图3的CVT控制器执行的操作的流程图；图5是根据本发明实施方式的超环面无级变速器的纵向截面图；图6a是根据本发明实施方式的变速器的比率控制组件的径向截面图；图6b是图6a的组件从线BB所取的截面图；图7a是图6a的比率控制组件的侧视图，示出了其致动装置；图7b是图7a的致动装置的局部顶视图；图8a是图5的变速器的一个滚筒组件的用于最小减速传动比的顶视图；图8b是图8a的组件在恒定比率为1时的顶视图；并且图8c是图8a的组件用于最大超速传动比的顶视图。整篇说明中附图中相同的数字代表类似的部件。
具体实施例方式无级变速器系统和采用它的高效发电机系统总体上由数字1表示，如图1所示。以 下所述系统将使用配备合适控制器的无级变速器系统从可变机械动力源为设备提供稳定 的输出。此外，期望本系统从发电机提供稳定的额定电力输出，同时根据瞬时电力需求执行 发动机速度调节以改善发电机系统的能效。无级变速器系统包括CVT装置30，其包括用来连接机械动力源如内燃机2输出的 输入驱动轴9。输入速度传感器12响应轴9的速度并将变速器30的输入速度信号或发动 机2的输出速度信号提供给CVT控制器31，其是所述无级变速器系统的关键元件。CVT控 制器31还包括负载功率信号输入装置37以监控被驱动设备如5的输出上的功率需求。低 惯性飞轮13安装固定至输入驱动轴9以为机械动力源(发动机)2的速度变化提供一些缓 冲。由于其一般为用于发动机的情况，所以其可与所述动力源合为一体，但应将其惯性最小 化(低于通常的发电系统并差不多接近相当功率的车辆发动机)以在需要时允许所述源的 快速反应。该无级变速器系统还包括输出驱动轴11，其用来连接到恒速额定设备如发电机5 的输入转子轴，为负载6供应稳定的电力。此外，输出速度传感器10响应轴11的速度并为 CVT控制器31提供变速器30的输出速度信号或发电机5的输入速度信号。将高惯性飞轮8 安装固定至输出驱动轴11以提供可防止由于负载功率需求或发动机速度迅速变化引起的 输出速度突变的机械能缓冲并在需要时协助发动机2加快其速度。储存在大惯性输出飞轮 8中的能量必须远大于低惯性输入飞轮13的能量以保证所述系统适当的动态行为。在能效 优化方面，这种储备是使瞬时条件得到正确处理以确保稳定的变速器输出的关键因素，特 别是在执行发动机速度调节时。输出驱动轴11的速度变化改变了发电机5中的转子的输入速度，其以相同的比例 直接影响了输出电波的频率。实际上，电输出频率等于速度(每秒的圈数)乘以电极个数 (一般是2)。例如，两极发电机必须严格以ISOOrpm驱动以产生60Hz的输出波。输出电压 也可受到速度波动的影响。发电机系统可容忍电波参数非常有限的变化，特别是在停电的 情况下准备为电网供电时。因此，该系统必须非常稳定并且对负载需求波动具有高级别的免疫性。在根据能效目标执行有准备的发动机速度调节时这代表了真正的挑战。为了完善实用的高效发电机系统，还提供了输出功率传感器(表)7以提供负载功 率信号至CVT控制器31的负载功率输入装置37。此外，发动机控制器4在输入23处接收 来自输出速度传感器10的输出速度信号并且经输出24提供速度控制信号至控制发动机速 度的节气门或调节器3。燃料供应15可选地经燃料计量装置14供至节气门或调节器3。要 指出的是，发动机速度控制装置3、4、15是用于发电机系统的标准现成零件。在典型运行模式中，其中意在使发动机速度保持稳定并且匹配发电机速度设定 值，发动机控制器4的输入23宁可连接到指示发动机即时速度的速度传感器如12。虽然在 图2中更详细地图示了典型的速度控制器4，但大部分经常是仅在比较仪23处比较输入23 处的即时发动机速度信号和发电机速度设定值信号21，所述比较仪将速度误差信号发送到 发动机速度控制器20，其依次产生控制信号致动节气门或调节器3以校正任何与所述发电 机速度设定值的偏离。在某些高端发动机控制器的情况下，也将发电机的输出功率考虑在 内以提高性能。在此所述的系统中考虑使用这种发动机控制器。在当前装置中，输入23被连接至输出速度传感器10，监控CVT装置30下游的发电 机速度，标准发动机控制器4以相同的方式运行，设法将所述发电机的速度保持在发电机 速度设定值21上(例如，对于60Hz电输出为ISOOrpm)，不管CVT装置30的行为如何控制 发动机2的速度。因此，需要为所述高效发电机系统提供的所有变速控制驻留在所述无级 变速器系统的CVT控制器31中。如图3所示，其中为了更清楚，已将所有的发动机控制装置移去，CVT控制装置31 包括两个主要装置包括比率控制器36、比率监控装置33和偏差评定装置35的比率控制 部分，以及由装置34代表的比率设定值选择部分。比率控制部分接收来自比率设定值选择 装置34的比率设定值，并且在偏差评定装置35中将其与由连接到输入速度传感器12和输 出速度传感器10的比率监控(计算)装置33提供的实际比率值进行对比。显然，实际比 率通过将所述输出速度值除以输入速度值得到。然后在偏差评定装置35中从比率设定值 值减去所述实际比率值以产生被发送至比率控制器36的偏差信号，所述比率控制器36产 生正确的比率位置信号以驱动CVT装置30中的致动器从而使相对于计算出来的比率设定 值的偏差最小化。因此，比率设定值选择装置34是所述CVT控制器的最关键的部分，其将 发动机2和发电机系统1进行有效控制以取得最佳系统性能。为了优化发动机速度，装置34中的比率设定值选择必须以如下方式进行对于来 自发电机5的给定功率需求，CVT装置将驱使发动机2在其最具能效的速度下运行。此外， 在来自发电机5的功率需求变化时，必须对比率设定值进行调整以最小化由发电机5产生 并供给到负载6的输出电波的频率和电压瞬变的幅度。要达到该效果，所述发电机的速度 必须尽可能保持稳定。比率设定值选择装置34中执行的控制策略要直面所有此类挑战。参考图3和4，现在将说明为实现发动机速度最优化和发电机输出线性化而大部 分在比率设定值选择装置34中执行的控制方法。图4的流程图代表由比率设定值选择装 置34中的电子控制器(例如处理器)如PID每秒完成多次的无限循环。该过程如下首先，速度传感器10读取发电机速度Vgen并将发电机速度Vgen经速度信号32 传送至比率设定值选择装置34。然后，如判断部分40所示，比率设定值选择装置34将发电 机速度Vgen与已编程的可接受的范围进行对比，所述范围包括设定值速度例如1500rpm或ISOOrpm0所述设定值速度是被选作期望输出参数的函数的运行值。如前所述，所述设定值 速度例如被选作为发电机5的期望频率的函数。相应地，传感器10能够将频率信号发送至 比率设定值选择装置34，其与包括设定值例如50Hz或60Hz的频率范围进行对比。如果发电机速度Vgen在可接受范围(即设定极限)内，则所述系统在该点的稳定 级别是未知的(情况X)，并且比率设定值选择装置34进入步骤42。如果发电机速度Vgen 超出编程范围或设定极限，则该系统被认为是不稳定的(情况U)，并且比率设定值选择装 置34进入判断部分41。如判断部分41所示，如果发电机速度Vgen超出编程范围或设定极限(情况U)，则 比率设定值选择装置34确定速度信号32是否低于或高于设定极限。如果速度信号32高 于设定极限，则即使所述系统不稳定(情况或类别Ul)，CVT控制器31也无需干预；发动机 控制器4 (见图2)将通过减小并稳定发动机2的速度Ve起作用直至发电机速度Vgen达到 所述设定值为止，如步骤52所示，并且比率设定值选择装置34在步骤40重新开始循环。如果在步骤41比率设定值选择装置34确定发电机速度Vgen低于设定极限，或者 如果在步骤40比率设定值选择装置34确定发电机速度Vgen在设定极限内，则功率表7经 功率消耗信号37将功率需求Pdem传送至比率设定值选择装置34，并且速度传感器12经速 度信号39将发动机速度Ve传送至比率设定值选择装置34。比率设定值选择装置34设置有数据库并且，根据步骤42，从所述数据库得到第一 编程数据表以提取出与发动机速度Ve对应的最大发动机功率Pmax值。然后，如步骤43所 示，比率设定值选择装置34基于发动机速度Ve和功率需求Pdem的最大发动机功率Pmax 计算出有效功率Pav。在优选实施方式中，有效功率Pav相应于最大发动机功率Pmax减去功率需求Pdem 减去安全系数，所述安全系数提供了一些功率储备以承受发电机5的功率需求Pdem可能的 突增。然后，如步骤44所示，比率设定值选择装置34评定有效功率Pav是否低于第一阈 值。第一阈值的优选值为0，因此仅可得到承受功率需求Pdem的突增所需的功率，即所述安 全系数。在发电机速度Vgen处于设定极限之内(情况X)并且在判断部分44评定的有效 功率等于或超出第一阈值(例如0)的情况中，所述系统是稳定的(情况或类别S)，因此有 效功率Pav是足够的，并且所述系统可进入步骤45处的能效或经济模式。在步骤45中，比率设定值选择装置34读取所述数据库的第二编程数据表以提取 出与功率需求Pdem对应的最佳发动机速度Veff。由第二数据表提供的最佳发动机速度 Veff是发动机2应被驱动以尽可能有效地用于发电机5的给定功率需求Pdem的速度。优 选地，最佳发动机速度Veff代表最佳效率速度值和在功率需求Pdem突增例如系统额定功 率为100%的情况下能够维持发电机5处于稳定状态(S卩，恒速Vgen)的最小值之间的折 中。举个实际例子，如果功率需求Pdem是0(即无负载)，鉴于变速器30的运行范围， 从能量角度考虑应建议使发动机速度Ve处于其较低的空转级别例如大约500rpm。然而，发 动机速度Ve处于空转级别时，如果突然作用满负载，则发动机2将不能足够快地提升其速 度Ve以将发电机速度Vgen维持在设定极限内。由于该原因，在对第二数据表编程中，用于0功率需求的最佳发动机速度VefT应该是例如IOOOrpm以使发动机2能充分地对骤加负载 作出反应，最小化瞬时反应的持续时间和强度。这样，从第二数据表得到的最佳发动机速度 Veff是这样的速度Ve，S卩，所述系统在该速度下应按给定功率需求Pdem下的最佳效率和机 能运行。对第二数据表编程时可考虑负载6的预期表现。然后，根据步骤46，比率设定值选择装置34计算与第二数据表中得到的最佳速度 Veff和设定值处的发电机速度Vgen之间的比率相对应的新传动比。比率设定值选择装置 34将新传动比发送至偏差评定装置35。偏差评定装置35也从比率计算装置33接收实际传动比，所述实际传动比从传感 器13提供的发动机速度信号39和传感器10提供的发电机速度信号32计算得出。如步骤50所示，由于所述系统是稳定的，所以比率设定值选择装置34通过偏差评 定装置35指示比率控制器36慢慢校正传动比。比率控制器36因而将比率校正信号38发 送至CVT变速器30，使得传动比逐渐达到比率设定值选择装置34计算出来的新传动比。所 述比率校正因而是慢慢完成的，即在每个循环执行点增量式执行，以维持稳定性并允许发 动机控制器4在传动比变化后调整发动机速度Vgen，如步骤52所示。然后，比率设定值选 择装置34在判断部分49处重新开始循环。如判断部分47所示，在发电机速度Vgen处于设定极限之内(情况X)并且在判断 部分44评定的有效功率低于第一阈值例如0的情况中，比率设定值选择装置34将第一数 据表中得到的最大发动机功率Pmax与功率需求Pdem进行对比，以确定最大功率Pmax是否 充分大于即使在有效功率Pav低于第一阈值也能保持系统稳定的功率需求Pdem。换言之， 比率设定值选择装置34确定系统是否有足够的安全余量或安全系数，允许发动机2在发电 机5负载骤加的情况下用最小的过渡间隔充分补偿。这能够通过例如将有效功率Pav (其 是最大发动机功率Pmax和功率需求Pdem的函数)与低于第一阈值的第二阈值进行对比做 到，第二阈值代表所选的安全系数。如果在判断部分47有效功率Pav至少等于第二阈值，即最大发动机功率Pmax充 分大于功率需求Pdem，则所述系统是稳定的(情况S)。从步骤48可以看出，比率设定值选 择装置34基于功率需求Pdem计算用于最大发动机功率Pmax的新值，其将产生至少等于第 一阈值(例如0)的有效功率Pav。然后，如步骤49所示，比率设定值选择装置34读取所述数据库的第一数据表以提 取出与该用于最大发动机功率Pmax的新值对应的新发动机速度值Ve。该新发动机速度Ve 将使发动机2具有允许在发电机5负载骤加的情况下用最小的过渡间隔进行充分补偿的安 全余量或系数。然后执行前述步骤46、50和52，亦即，比率设定值选择装置34计算出相应于得出 的新发动机速度Ve的新传动比(步骤46)，将新传动比发送至比率控制器36，其将比率校 正信号38发送至CVT变速器30使得所述传动比逐渐达到新传动比(步骤50)，并且发动机 控制器4在传动比变化后调整发动机速度Ve以维持Vgen在设定值(步骤52)。然后比率 设定值选择装置34在步骤40重新开始循环。另一方面，如果在判断部分47有效功率Pav被确定为低于第二阈值，即最大发动 机功率Pmax不充分大于比率设定值选择装置34所确定的功率需求Pdem，则预料所述系统 将变得不稳定(情况U2)。因而，为了将所述系统尽可能快的转回稳定模式，发动机速度Ve
10必须快速增加。最初执行的步骤与在有效功率Pav至少等于第二阈值时的步骤相同，SP比 率设定值选择装置34计算用于最大发动机功率Pmax的新值，其将产生至少等于第一阈值 的有效功率Pav (步骤48)，从第一数据表得出相应的新发动机速度Ve值(步骤49)，并且 计算出相应于得到的新发动机速度Ve的新传动比。然而，如步骤51所示，由于所述系统是不稳定的(情况U2)，比率设定值选择装置 34指示比率控制器36立即校正所述传动比，并且比率控制器36发送比率校正信号38至 CVT变速器30使得所述传动比立即改变为新传动比。这是由于储存在高惯性输出飞轮8中的能量起作用，其被部分传递至所述系统以 协助发动机加速。因此，飞轮8的速度被降低并且发电机速度Vgen跟随安装飞轮8的输出 驱动轴11的速度减小而减小。驱动轴11的降速通过作用于发动机2并将发动机2调至节 气门全开模式的发动机控制器4检测。因而，所述系统能迅速从短暂的功率匮乏状况恢复 并保持尽可能稳定。比率设定值选择装置34然后在步骤40重新开始循环。类似地，如果处在发电机速度Vgen低于设定范围(情况U)的情况中，在判断部分 44确定出有效功率Pav低于第一阈值，则所述系统是不稳定的(情况或类别U2)。相应地， 执行的步骤与上述的用于发电机速度Vgen处于设定范围之内(情况X)并且在判断部分47 确定出有效功率Pav低于第二阈值的情况下的步骤相同。换言之，比率设定值选择装置34 计算用于最大发动机功率Pmax的期望值，其将产生至少等于第一阈值的有效功率Pav (步 骤48)，从第一数据表得出相应的新发动机速度Ve值(步骤49)，计算出相应于得出的新发 动机速度Ve的新传动比(步骤46)，并且指示比率控制器36——其指示CVT变速器30—— 利用储存在高惯性输出飞轮8中的能量立即改变用于新传动比的实际传动比(步骤51)。 发动机控制器4起作用并且增加发动机速度Ve以稳定发电机速度(52)，并且比率设定值选 择装置34在步骤40重新开始循环。最后，如果处于发电机速度Vgen低于所述设定范围的情况(情况U)，在判断部分 44确定出有效功率Pav至少等于第一阈值，则所述系统不稳定但CVT控制器31无需干预 (情况UI)。为了将发电机速度Vgen稳定在设定值，发动机控制器4使用有效功率Pav校 正发动机速度Ve (步骤52)，并且比率设定值选择装置34在步骤40重新开始循环。就此完成了对所述比率设定值选择装置中执行的控制方法的说明。总而言之，在 系统1中，CVT控制器31基于发电机速度Vgen和有效功率Pav评定所述系统的稳定级别， 并将所述系统分类为以下三个类别中的一种稳定的系统(S)，能单独通过发动机控制器 23稳定的不稳定系统(UI)，或需要用CVT控制器31稳定的不稳定系统(U2)。控制器31也 基于所述稳定级别评定传动比的合适变化率如果所述系统是稳定的，则所述比率逐渐改 变(例如增量地)，并且如果所述系统不稳定，则所述比率迅速改变(例如瞬间地)。因而， CVT控制器31驱使发动机2逐渐采用在所述系统被认为稳定时(S)的最有效率的速度、迅 速采用在瞬时或不稳定的模式(U2)中功率最大的速度。这执行了粗略的速度控制，而留给 发动机速度控制器4通过调整燃烧参数执行精细控制，以稳定串连的发动机/CVT的输出速 度，从而确保所述发电机频率或速度尽可能稳定，并且供给的电波达到标准。现在参看图5，以下将更详细地说明CVT装置30，其负责改变由设定值选择装置34 和比率控制器36指示的比率。CVT装置30优选地是双级超环面腔滚筒型无级变速器。在很多方面，所述变速器可与现有技术的变速器进行比较，并且可以参考美国专利3，581，587号 (Dickenbrock-1971年6月1日_通用汽车公司)或加拿大专利申请2，401，474号(Careau 等-2004年3月5日出版-已转让至ficole de Technologie Superleure )以得到其基本 操作的详细说明。然而，设想在本发明中做出一些重要改进以提供易于控制的用于工业应 用如发电的初步设备。由于其运行不需要液力，所有此类变速器与其它类型变速器如液力 CVT相比是优选的，其既降低了成本又减少了维护。此外，超环面变速器与液力变速器相比 通常具有非常高的效率。总体而言，所述变速器包括一对安装固定在转轴61上并且通过由发动机2驱动的 输入轴9驱动的外输入超环面圆盘50和51，以及可旋转地绕轴61安装的内双边输出超环 面圆盘52，其经输出齿轮级驱动输出轴11，从而驱动发电机5。可替代地，驱动外超环面圆 盘50、51的转轴61能够与输出轴11连接，因而驱动发电机5，并且内超环面圆盘52能够经 输入轴9被发动机2驱动。超环面圆盘50、51、52设置有相应的超环面腔槽53、54和55、56。旋转力从经轴61 连接的外输入圆盘50和51经摩擦滚筒如57和58对称地传递至内输出圆盘52，所述摩擦 滚筒可旋转地安装在轴向延伸的托架59、60上并在两个相对的槽上和槽之间运转，将旋转 力从一个槽传递至另一个槽(从外槽至内槽)。在每对槽53-54、55-56之间设置多个摩擦 滚筒57、58，优选地是三个，将其托架59、60枢转安装在从共同的星形毂(spider hub)64, 65伸出的球形接头62、63上，所述星形毂可旋转地安装在轴61上并与所述变速器的壳紧固 连接。可替代地，可在每对槽53-54和55-56之间设置两个、四个或甚至更多滚筒57、58。 一组给定滚筒57、58的托架59、60的远端66、73可滑动地装配到一对同轴圆环，即内环68、 71和外环69、72，还与轴61同轴并且安装在星形毂64、65的外周上(见图6a)。外环69、 72经一系列滚筒83、84安装在星形毂64、65上，每个滚筒处于星形毂64、65每个臂的端部， 使其能进行受限的径向移动，但能防止外环69、72相对于固定的星形毂64、65任何的轴向 移动。外环69、72设置有三条狭槽70、75(特别参考图8a-8c)作为导向套或凸轮，用于对 托架59、60的远端66、73的位移进行导向，所述托架连接在三个设置在内环68、71中的套 管67、74中，每个套管67、74在狭槽70、75中延伸，位移力从所述狭槽传递到套管，并且依 次传递至远端66、73。内环68、71因而与外环69、72连接并且相对于所述外环69、72可轴 向及径向移动。狭槽70、75和相应的套管67、74分别在外、内环69、72、68、71的圆周上设 置为120°分开。图6和7a-7b提供了所述双环比率控制机构的详细径向截面图。运行中，通过将托架59、60的远端66、73位移使得每个滚筒57、58在各个相对的 槽53-54和55-56上的不同直径的圆形路径上运转而使摩擦滚筒57、58倾斜来完成传动比 变化。所述路径直径之比给出了该给定圆盘对50-52和51-52的传动比(见图8a-8c的不 同比率)。远端66、73的位移有利地通过外环69、72绕轴61的旋转在保持托架59、60的远 端66、73的内环68、71上产生径向分力而得以提供。该旋转因此使得远端66、73迫使托架 59,60绕球形接头62、63倾斜。因而所述摩擦滚筒57、58不再运转在圆形路径上而是运行 在使所述滚筒的接触点绕轴61上下移动的螺旋路径上，这是由于该对圆盘50 (51)和52的 相对旋转所致。摩擦滚筒57、58的这种移动的结果是比率变化，其驱使托架59、60绕球形 接头62、63旋转。该旋转现在处在与前面的由外环69、72的先前旋转引起的倾斜平面垂直 的平面中，因此相同的超环面腔的三个托架59、60的这种旋转移动了远端66、73并且驱使内环68、71轴向移动。然而，由于内环68、71仅能按三条狭槽70、75移动，所以该轴向移动 也被传递至内环68、71绕轴61的旋转移动以及引起所述比率变化的第一外环69、72旋转 的相反方向中。再次，该旋转使得远端66、73迫使托架59绕球形接头62、63的倾斜返回， 然后相同的超环面腔的三个摩擦滚筒57、58不再运转在螺旋路径上而是回到圆形路径，从 而在固定的比率将所述变速器转回稳定状态(见图8a至Sc)。这种布置的一个优势是三个 一组的滚筒57、58以完美同步的方式自动移动，并且由于托架59、60的远端66、73都连接 在精确加工的内环68、71中而具有高精确度。外环69、72的径向位移利用单个电驱动的线 性致动器76例如串连的DC马达/蜗杆、螺线管等有利地完成，其为第二优势。利用CVT控 制器31的比率控制器36产生的电信号很容易控制这种电气装置76。如图7所示，单个线性致动器76有利地用于同时控制外环69、72的位移，并且保 持所述比率与变速器30的双级相等。致动器76包括DC齿轮马达77，其驱动螺纹接合在螺 母79中的蜗杆78。螺母79与第一臂80连接，该臂经第一销81在其第一端处连接到第二 臂82。第二臂82在其第二端处连接到第二销83。第一和第二销81、83都与两个外环69、 72互相连接。因此，在从比率控制器36接收到比率位置信号38时(见图3)，马达77转动 蜗杆78，其依次平移螺母79，使得第一和第二臂80、82平移以协同的方式经第一和第二销 81、83旋转外环69、72。致动器76允许变速器30的双级中的比率容易及协同的控制，与传 统的通常液力驱动并且能效低、成本更高并且不耐用的CVT致动器相反。另外，由致动器76将精密加工并通过销81、83互相连接的外环69、72 —起致动而 提供的双级中的比率协同控制，在所述级之间产生了改进的比率一致性，其使得变速器30 具有相当高的机械效率。因此能够容易地明白，上述根据本发明的实施方式提供了一种变速器系统，其能 使变速的机械能量源变为设备的恒速驱动，还提供了一种以发动机速度调节为特征的高效 发电机系统，其能够有利地用于为可变负载供给稳定的电力，以及有利地用于各种提交的 申请中。上述本发明的实施方式意在示例。本领域的技术人员因此要明白前面的说明仅是 例证性的，并且在不偏离本发明的实质的前提下可做出各种替代方案和改型。变速器30和 控制器23、31能够用来从各种源产生的变速输出提供恒速输入至各种设备，或从一个源产 生的恒速输出提供变速输入至设备。后者的一个例子是电马达产生恒速输出以及传送器从 变速器接收变速输入。相应地，本发明旨在包含所有此类落在所附权利要求范围内的替代 方案、改型和变体。
权利要求
1.一种系统，用于将机械功率可变源的可变速度输出转换为具有用于设备的期望速度 值的输入，所述系统包括变速器，其设有接收所述可变源的可变速度输出的输入并设有产生所述期望速度输入 的输出，所述变速器具有在所述输入的第一速度和所述输出的第二速度之间的可变比率；至少一个传感器，其产生与所述第一速度相应的第一速度数据、与所述第二速度相应 的第二速度数据和与所述设备的功率需求相应的功率需求数据；第一控制器，其接收所述第一速度数据、所述第二速度数据和所述功率需求数据，基于 所述第一速度数据和所述功率需求数据计算有效功率和期望的传动比值，基于所述第一速 度与包括期望速度值的设定范围的第一对比和所述有效功率与至少一个阈值的第二对比 将所述系统分类为至少第一类和第二类中其一，在所述系统处于所述第一类时指示所述变 速器将所述可变比率快速转换为所述期望传动比值，并且在所述系统处于所述第二类时指 示所述变速器将所述可变比率逐渐转换为所述期望传动比值；以及第二控制器，其接收所述第二速度数据并将速度校正信号发送至机械动力源以改变所 述第一速度直至所述第二速度数据与期望的速度值一致。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一控制器基于所述第一和第二对比将所述 系统分类为第一类、第二类和第三类之一，并且所述第一控制器在所述系统处于第三类时 避免指示所述变速器改变所述可变比率。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一控制器在所述第一速度高于所述设定范 围时将所述系统分类为所述第三类。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一控制器在所述第一速度低于所述设定范 围并且所述有效功率高于所述至少一个阈值时将所述系统分类为第三类。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一控制器在所述第一速度低于所述设定范 围并且所述有效功率低于所述至少一个阈值时将所述系统分类为第一类。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一控制器在所述第一速度处于所述设定范 围内并且所述有效功率低于所述至少一个阈值时将所述系统分类为第一类。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个阈值包括第一阈值，并且所述第一 控制器在所述第一速度处于所述设定范围内并且所述有效功率高于所述第一阈值时将所 述系统分类为第二类。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述至少一个阈值还包括高于所述第一阈值的第 二阈值，并且在所述系统被分类在第二类并且所述有效功率高于所述第二阈值时，所述第 一控制器基于所述功率需求数据计算用于所述第一速度的能效值并且基于所述用于第一 速度的能效值计算期望的传动比值。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一和第二控制器独立运行。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述变速器是超环面无级变速器。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述变速器的输出包括轴，并且在所述轴上安装 高惯性飞轮。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述机械功率可变源是内燃机并且所述设备是 发电机。
13.一种方法，用于控制将机械功率可变源的可变速度输出转换为具有用于设备的期望速度值的输入的可变传动，所述方法包括的步骤有获得所述可变输出的第一速度、所述输入的第二速度和所述设备的功率需求； 计算(1)基于所述第一速度和所述功率需求的有效功率，(2)基于所述第一速度和所 述有效功率的所述设备的输入的稳定级别，(3)基于所述功率需求的所述变速器的期望传 动比，以及(4)基于所述稳定级别的期望比率变化率；以所述得到期望比率变化率指示所述变速器改变为期望比率；以及 改变所述第一速度直到所述第二速度基本等于所述期望速度值。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括基于所述功率需求计算所述机械功率可变源的期望最大功率值，基于所述期望最大功 率值从数据表提取出用于所述第一速度的期望值，并且基于所述用于第一速度的期望值计 算所述期望传动值。
15.根据权利要求13所述的方法，其中在给定的稳定级别和所述有效功率高于给定阈 值的情况下，基于所述功率需求从数据表提取出用于所述第一速度的期望值，所述期望值 代表在将所述有效功率维持在期望级别时所述源的能效速度。
16.一种系统，用于控制将机械功率可变源的可变速度输出转换为具有用于设备的期 望速度值的输入的可变传动，所述系统包括用于获得所述可变输出的第一速度、所述输入的第二速度和所述设备的功率需求的装置；用于计算如下内容的装置(1)基于所述第一速度和所述功率需求的有效功率，(2)基 于所述第一速度和所述有效功率的所述设备的输入的稳定级别，(3)基于所述功率需求的 所述变速器的期望传动比，以及(4)基于所述稳定级别的期望比率变化率； 以所述期望比率变化率指示所述变速器改变为期望比率的装置；以及 改变所述第一速度直到所述第二速度基本等于所述期望速度值的装置。
全文摘要
一种系统(1)，用于将可变输出转换为具有期望速度值的输入，包括变速器(30)，其接收具有第一速度(Ve)的输出并且产生具有第二速度(Vgen)的输入；第一、第二和第三传感器(12，10，7)，其产生与第一速度(Ve)、第二速度(Vgen)和用于所述输入的功率需求(Pdem)相对应的数据(39，32，37)；比率设定值控制器(34)；比率控制器(36)以及速度控制器(4)。比率设定值控制器(34)接收数据(39，32，37)并计算有效功率(Pav)、所述系统的稳定级别(S，U1，U2)、用于第一速度(Ve)的期望值以及用于传动比的期望值和变化率。比率控制器(36)接口连接比率设定值控制器(34)并致动变速器(30)以跟随所述期望变化率将传动比改变至期望值。速度控制器(4)改变第一速度(Ve)直至第二速度(Vgen)与所述期望速度值一致。
文档编号F16H59/36GK102003523SQ20101050930
公开日2011年4月6日 申请日期2005年9月27日 优先权日2004年9月27日
发明者塞缪尔·博杜安 申请人:S.O.E.技术有限公司