專利名稱：發動機和發電機之間的變速器的穩態和瞬時控制的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及機械式變速器系統和發動機驅動的發電機系統。更具體地，本發明涉及一種無級變速器系統，該系統能有利地用于發電機系統為發電機提供恒速驅動從而為可變負載供應穩定電力，同時使得發動機速度能夠連續調節以在最佳效率范圍中運行。
背景技術：
多年來一直使用發電機系統來從機械能量源供應電力至負載，如內燃機的動力輸出(PTO)驅動永磁發電機。由于一般必須為負載供應基本恒定頻率(典型為50或60Hz)的交流電，所述發電機必須以基本恒定的速度(對于兩極發電機，60Hz為1800轉/分，50Hz為1500轉/分)驅動。否則必須在所述發電機和負載之間插入電子變頻器來調節電波頻率(見例如美國專利No.5,552,640)(薩頓(Sutton)等-1996年9月3日-英國蓋斯股份公司(British GAS plc))。考慮到要消除轉換的頻率，大多數發電機系統因此使柴油機在相當高的范圍內恒速驅動，以在任何時候提供發電機最大額定功率。
如薩頓所強調，使所述發動機恒速運行有許多缺點，這些缺點能夠通過引進合適的發動機速度控制器來消除。實際上，本領域的一般技術人員都深知內燃機應該以最佳效率的比速(輸出機械功率/輸入燃料功率)輸出給定功率。因此，在負載需求變化較大時，恒速工作的發動機會產生更高的燃料成本、增加的污染物排放、更高的噪音級別和更高的維護成本。因此需要作為負載瞬時功率需求的函數連續調節發動機速度。在這種系統諸多的優勢特性中，在較高的速度范圍內可得到最大發動機功率以支撐重負載，而輕負載則能使發動機在接近怠速的水平運行。然而，這產生的問題是將發動機的可變速度連續轉換為恒速驅動以通過固定比齒輪箱以穩定的頻率操作發電機。
克羅寧(Cronin)在4,382,188號美國專利(Lockheed公司，1983年5月3日)中指出，無級變速器(CVT)如超環面(toroidal)驅動可用來在預選的發動機速度范圍內將來自發動機的可變速度機械輸出進行轉換從而以恒定頻率驅動永磁發電機。實際上，在CVT中，來自變速器的驅動的輸出速度與施加到變速器的驅動的輸入速度的比率在預定的高、低比率限值之間是連續并無限可變的。然而，克羅寧的發明意在對固有的可變的發動機速度起作用，并未意識到(有計劃)基于效率的目的來控制所述發動機。在美國專利No.5,539,258)(薩頓等人-1996年7月3日-英國蓋斯股份公司)及0643474號歐洲專利(薩頓-1997年3月3日-英國蓋斯股份公司)中，雖然薩頓披露了特定的發動機驅動的發電機系統包括超環面CVT和電腦化系統來控制發動機節氣門和連續傳動比，因此在檢測到負載功率需求改變時，發動機的速度基于編程的發動機效率圖按照測得的功率需求被自動設定在最有效的范圍內。
盡管該系統可隨緩慢改變的負載功率需求正確運行，其仍存在的挑戰是在負載需求發生突變時保持供應電流的質量。這主要是由系統內的瞬時慣性響應和延遲造成的。例如，在負載突然施加和節氣門全部打開時，發動機需要一些上升時間加速至全速。相反，在負載突然從發電機斷開時，發動機不應該空轉，并且發動機和CVT不管功率需求有何變化必須在任何時候都保持穩定狀態。許多發動機/CVT系統已發展到能在交通工具中滿意地運行，但均不能適應指定用來供給電網并且每年運行數千小時的交流發電機的需要。同樣值得指出的是，絕大多數無級變速器和發動機控制裝置都是為交通工具如轎車、船只、火車和飛機開發的。因此，它們中的大多數要依賴液力或液壓裝置來運行，并且可提供的類型不是設計用來每年持續運行如此之多小時的。雖然液力裝置對交通工具來說是正常的選擇，但是低產量和維護需要導致的成本使其不適于運用在重負載發電機中。因此，全機械式超環面CVT如美國3,581,587號專利(Dickenbrock-1971年6月1日-通用汽車公司)設想為優選用于這種應用的CVT類型。在超環面CVT中，機械功率從輸入超環面圓盤經一系列運行在每個盤內表面上、距其中心可控制的距離的摩擦滾筒傳遞至輸出超環面圓盤。通過迫使所述滾筒運行在每個盤上的不同直徑的軌道上來控制比率，所述直徑的比率確定了所述傳動比。這種相當簡單的基本概念非常適合發電機系統。然而，為了使它們足夠可靠、堅固和靈活以適應這種苛刻的應用，必須對早期設計進行改進。
盡管以上示例顯示出一些現有技術的發電機系統試圖采用無級變速器使發動機速度能夠改變以提高效率，但是這些系統和傳動裝置仍然缺少它們為可變負載供給頻率和電壓都穩定的電力而提供實用、可靠、耐用但買的起的解決方案所需的重要特征。
因此現有技術發電機系統和機械式變速器系統中的一個顯著改進是，提供能夠從變速機械能量源恒速驅動設備的變速器系統，以及能有利地用于為可變負載供給穩定電力的能夠進行發動機速度調節的高效發電機系統。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種消除了現有技術裝置和系統的局限和缺點的高效發電機系統和用于該系統的無級變速器。
更具體地，根據本發明，提供了一種系統，用于將機械功率可變源的可變輸出傳輸為具有用于設備的期望設備速度值的輸入，該系統包括接收可變輸出并產生輸入的變速器，該變速器確定了所述輸出的第一速度和所述輸入的第二速度之間的傳動比；第一傳感器，其測量第一速度并產生相應于第一速度的第一速度數據；第二傳感器，其測量第二速度并產生相應于第二速度的第二速度數據；第三傳感器，其測量所述設備的功率需求并產生相應于功率需求的功率需求數據；比率設定值控制器，其接收第一和第二速度數據以及功率需求數據，該比率設定值控制器計算作為第一速度數據和所述功率需求數據的函數的所述源的有效功率和所述系統的穩定級別，確定作為所述功率需求的函數的用于第一速度的期望的源速度值，計算作為所述期望的源速度值的函數的用于所述傳動比的期望比率值，并且確定作為系統穩定級別的函數的用于所述傳動比的期望改變率；比率控制器，其將所述比率設定值控制器接口連接至所述變速器，該比率控制器致動所述變速器以跟隨期望改變率將傳動比變至期望比率值；以及源速度控制器，其從第二傳感器接收第二速度數據并且改變第一速度直至第二速度數據與期望的設備速度值一致。
而且根據本發明，提供了一種系統，用于將機械功率可變源的可變輸出轉換為具有用于設備的期望速度值的輸入，該系統包括變速器，其接收所述可變輸出并產生所述輸入，所述變速器具有在所述輸出的第一速度和所述輸入的第二速度之間的可變比率；至少一個傳感器，其產生與第一速度相應的第一速度數據，與第二速度的相應的第二速度數據，以及與所述設備的功率需求相應的功率需求數據；第一控制器，其接收第一速度數據、第二速度數據和功率需求數據，基于第一速度數據和所述功率需求數據計算有效功率和期望的傳動比值，基于第一速度與包括期望速度值的設定范圍的第一對比和有效功率與至少一個閾值的第二對比將所述系統分類為至少第一類和第二類中其一，在所述系統處于第一類時指示所述變速器將可變比率快速轉換為期望的傳動比值，并且在所述系統處于第二類時指示所述變速器將可變比率逐漸轉換為期望的傳動值；以及第二控制器，其接收第二速度數據并發送速度校正信號至機械動力源以改變第一速度直至第二速度數據與期望速度值一致。
此外根據本發明，提供了一種方法，其控制將機械功率可變源的可變輸出轉換為具有用于設備的期望速度值的輸入的可變傳動，該方法包括的步驟有獲得所述可變輸出的第一速度、所述輸入的第二速度和所述設備的功率需求；計算(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設備的輸入的穩定級別，(3)基于所述功率需求的所述變速器的期望傳動比，以及(4)基于所述穩定級別的期望比率變化率；以期望的比率變化率指示所述變速器改變為期望比率；以及改變第一速度直到第二速度基本等于期望速度值。
仍然根據本發明，提供了一種超環面變速器，包括由輸入軸旋轉的第一和第二超環面圓盤；位于第一和第二超環面圓盤之間并且旋轉輸出軸的第三超環面圓盤；多個與第一圓盤的超環面腔槽和第三圓盤的第一超環面腔槽摩擦接合的第一摩擦滾筒，每個第一摩擦滾筒都能旋轉以在第二和第三圓盤之間傳遞旋轉力；多個與第二圓盤的超環面腔槽和第三圓盤的第二超環面腔槽摩擦接合的第二摩擦滾筒，每個第二摩擦滾筒都能旋轉以在第一和第三圓盤之間傳遞旋轉力；第一裝置，其用來將第一摩擦滾筒相對于第三圓盤保持在相同的第一選擇角度，該第一裝置能致動以改變第一選擇角度；第二裝置，其用來將第二摩擦滾筒相對于第三圓盤保持在相同的第二選擇角度，該第二裝置能致動以改變第二選擇角度；以及第三裝置，其用來連接第一和第二裝置以使第一選擇角度基本等于第二選擇角度并且用來將第一和第二裝置一起致動以獲得用于第一和第二選擇角度的選擇值，該選擇值相應于所述變速器的期望比率和所述變速器的期望比率改變率二者中的至少其一，第三裝置在收到控制信號時致動第一和第二裝置。
通過閱讀以下參考附圖僅作為示例對本發明的優選實施方式所做的非限制性的說明，將使本發明的其它目的、優勢和特征更為明顯。
在附圖中圖1是根據本發明實施方式的高效發電機系統的示意性圖示；圖2是圖1的高效發電機系統的局部示意性圖示，示出了發動機控制器的細節；圖3是圖1的高效發電機系統的局部示意性圖示，示出了CVT控制器的細節；圖4是圖3的CVT控制器執行的操作的流程圖；圖5是根據本發明實施方式的超環面無級變速器的縱向截面圖；圖6a是根據本發明實施方式的變速器的比率控制組件的徑向截面圖；圖6b是圖6a的組件從線BB所取的截面圖；圖7a是圖6a的比率控制組件的側視圖，示出了其致動裝置；圖7b是圖7a的致動裝置的局部頂視圖；圖8a是圖5的變速器的一個滾筒組件的用于最小減速傳動比的頂視圖；
圖8b是圖8a的組件在恒定比率為1時的頂視圖；并且圖8c是圖8a的組件用于最大超速傳動比的頂視圖。
整篇說明中附圖中相同的數字代表類似的部件。
具體實施例方式
無級變速器系統和采用它的高效發電機系統總體上由數字1表示，如圖1所示。以下所述系統將使用配備合適控制器的無級變速器系統從可變機械動力源為設備提供穩定的輸出。此外，期望本系統從發電機提供穩定的額定電力輸出，同時根據瞬時電力需求執行發動機速度調節以改善發電機系統的能效。
無級變速器系統包括CVT裝置30，其包括用來連接機械動力源如內燃機2輸出的輸入驅動軸9。輸入速度傳感器12響應軸9的速度并將變速器30的輸入速度信號或發動機2的輸出速度信號提供給CVT控制器31，其是所述無級變速器系統的關鍵元件。CVT控制器31還包括負載功率信號輸入裝置37以監控被驅動設備如5的輸出上的功率需求。低慣性飛輪13安裝固定至輸入驅動軸9以為機械動力源(發動機)2的速度變化提供一些緩沖。由于其一般為用于發動機的情況，所以其可與所述動力源合為一體，但應將其慣性最小化(低于通常的發電系統并差不多接近相當功率的車輛發動機)以在需要時允許所述源的快速反應。
該無級變速器系統還包括輸出驅動軸11，其用來連接到恒速額定設備如發電機5的輸入轉子軸，為負載6供應穩定的電力。此外，輸出速度傳感器10響應軸11的速度并為CVT控制器31提供變速器30的輸出速度信號或發電機5的輸入速度信號。將高慣性飛輪8安裝固定至輸出驅動軸11以提供可防止由于負載功率需求或發動機速度迅速變化引起的輸出速度突變的機械能緩沖并在需要時協助發動機2加快其速度。儲存在大慣性輸出飛輪8中的能量必須遠大于低慣性輸入飛輪13的能量以保證所述系統適當的動態行為。在能效優化方面，這種儲備是使瞬時條件得到正確處理以確保穩定的變速器輸出的關鍵因素，特別是在執行發動機速度調節時。
輸出驅動軸11的速度變化改變了發電機5中的轉子的輸入速度，其以相同的比例直接影響了輸出電波的頻率。實際上，電輸出頻率等于速度(每秒的圈數)乘以電極個數(一般是2)。例如，兩極發電機必須嚴格以1800rpm驅動以產生60Hz的輸出波。輸出電壓也可受到速度波動的影響。發電機系統可容忍電波參數非常有限的變化，特別是在停電的情況下準備為電網供電時。因此，該系統必須非常穩定并且對負載需求波動具有高級別的免疫性。在根據能效目標執行有準備的發動機速度調節時這代表了真正的挑戰。
為了完善實用的高效發電機系統，還提供了輸出功率傳感器(表)7以提供負載功率信號至CVT控制器31的負載功率輸入裝置37。此外，發動機控制器4在輸入23處接收來自輸出速度傳感器10的輸出速度信號并且經輸出24提供速度控制信號至控制發動機速度的節氣門或調節器3。燃料供應15可選地經燃料計量裝置14供至節氣門或調節器3。要指出的是，發動機速度控制裝置3、4、15是用于發電機系統的標準現成零件。
在典型運行模式中，其中意在使發動機速度保持穩定并且匹配發電機速度設定值，發動機控制器4的輸入23寧可連接到指示發動機即時速度的速度傳感器如12。雖然在圖2中更詳細地圖示了典型的速度控制器4，但大部分經常是僅在比較儀23處比較輸入23處的即時發動機速度信號和發電機速度設定值信號21，所述比較儀將速度誤差信號發送到發動機速度控制器20，其依次產生控制信號致動節氣門或調節器3以校正任何與所述發電機速度設定值的偏離。在某些高端發動機控制器的情況下，也將發電機的輸出功率考慮在內以提高性能。在此所述的系統中考慮使用這種發動機控制器。
在當前裝置中，輸入23被連接至輸出速度傳感器10，監控CVT裝置30下游的發電機速度，標準發動機控制器4以相同的方式運行，設法將所述發電機的速度保持在發電機速度設定值21上(例如，對于60Hz電輸出為1800rpm)，不管CVT裝置30的行為如何控制發動機2的速度。因此，需要為所述高效發電機系統提供的所有變速控制駐留在所述無級變速器系統的CVT控制器31中。
如圖3所示，其中為了更清楚，已將所有的發動機控制裝置移去，CVT控制裝置31包括兩個主要裝置包括比率控制器36、比率監控裝置33和偏差評定裝置35的比率控制部分，以及由裝置34代表的比率設定值選擇部分。比率控制部分接收來自比率設定值選擇裝置34的比率設定值，并且在偏差評定裝置35中將其與由連接到輸入速度傳感器12和輸出速度傳感器10的比率監控(計算)裝置33提供的實際比率值進行對比。顯然，實際比率通過將所述輸出速度值除以輸入速度值得到。然后在偏差評定裝置35中從比率設定值值減去所述實際比率值以產生被發送至比率控制器36的偏差信號，所述比率控制器36產生正確的比率位置信號以驅動CVT裝置30中的致動器從而使相對于計算出來的比率設定值的偏差最小化。因此，比率設定值選擇裝置34是所述CVT控制器的最關鍵的部分，其將發動機2和發電機系統1進行有效控制以取得最佳系統性能。
為了優化發動機速度，裝置34中的比率設定值選擇必須以如下方式進行對于來自發電機5的給定功率需求，CVT裝置將驅使發動機2在其最具能效的速度下運行。此外，在來自發電機5的功率需求變化時，必須對比率設定值進行調整以最小化由發電機5產生并供給到負載6的輸出電波的頻率和電壓瞬變的幅度。要達到該效果，所述發電機的速度必須盡可能保持穩定。比率設定值選擇裝置34中執行的控制策略要直面所有此類挑戰。
參考圖3和4，現在將說明為實現發動機速度最優化和發電機輸出線性化而大部分在比率設定值選擇裝置34中執行的控制方法。圖4的流程圖代表由比率設定值選擇裝置34中的電子控制器(例如處理器)如PID每秒完成多次的無限循環。該過程如下首先，速度傳感器10讀取發電機速度Vgen并將發電機速度Vgen經速度信號32傳送至比率設定值選擇裝置34。然后，如判斷部分40所示，比率設定值選擇裝置34將發電機速度Vgen與已編程的可接受的范圍進行對比，所述范圍包括設定值速度例如1500rpm或1800rpm。所述設定值速度是被選作期望輸出參數的函數的運行值。如前所述，所述設定值速度例如被選作為發電機5的期望頻率的函數。相應地，傳感器10能夠將頻率信號發送至比率設定值選擇裝置34，其與包括設定值例如50Hz或60Hz的頻率范圍進行對比。
如果發電機速度Vgen在可接受范圍(即設定極限)內，則所述系統在該點的穩定級別是未知的(情況X)，并且比率設定值選擇裝置34進入步驟42。如果發電機速度Vgen超出編程范圍或設定極限，則該系統被認為是不穩定的(情況U)，并且比率設定值選擇裝置34進入判斷部分41。
如判斷部分41所示，如果發電機速度Vgen超出編程范圍或設定極限(情況U)，則比率設定值選擇裝置34確定速度信號32是否低于或高于設定極限。如果速度信號32高于設定極限，則即使所述系統不穩定(情況或類別U1)，CVT控制器31也無需干預；發動機控制器4(見圖2)將通過減小并穩定發動機2的速度Ve起作用直至發電機速度Vgen達到所述設定值為止，如步驟52所示，并且比率設定值選擇裝置34在步驟40重新開始循環。
如果在步驟41比率設定值選擇裝置34確定發電機速度Vgen低于設定極限，或者如果在步驟40比率設定值選擇裝置34確定發電機速度Vgen在設定極限內，則功率表7經功率消耗信號37將功率需求Pdem傳送至比率設定值選擇裝置34，并且速度傳感器12經速度信號39將發動機速度Ve傳送至比率設定值選擇裝置34。
比率設定值選擇裝置34設置有數據庫并且，根據步驟42，從所述數據庫得到第一編程數據表以提取出與發動機速度Ve對應的最大發動機功率Pmax值。然后，如步驟43所示，比率設定值選擇裝置34基于發動機速度Ve和功率需求Pdem的最大發動機功率Pmax計算出有效功率Pav。
在優選實施方式中，有效功率Pav相應于最大發動機功率Pmax減去功率需求Pdem減去安全系數，所述安全系數提供了一些功率儲備以承受發電機5的功率需求Pdem可能的突增。
然后，如步驟44所示，比率設定值選擇裝置34評定有效功率Pav是否低于第一閾值。第一閾值的優選值為0，因此僅可得到承受功率需求Pdem的突增所需的功率，即所述安全系數。
在發電機速度Vgen處于設定極限之內(情況X)并且在判斷部分44評定的有效功率等于或超出第一閾值(例如0)的情況中，所述系統是穩定的(情況或類別S)，因此有效功率Pav是足夠的，并且所述系統可進入步驟45處的能效或經濟模式。
在步驟45中，比率設定值選擇裝置34讀取所述數據庫的第二編程數據表以提取出與功率需求Pdem對應的最佳發動機速度Veff。由第二數據表提供的最佳發動機速度Veff是發動機2應被驅動以盡可能有效地用于發電機5的給定功率需求Pdem的速度。優選地，最佳發動機速度Veff代表最佳效率速度值和在功率需求Pdem突增例如系統額定功率為100％的情況下能夠維持發電機5處于穩定狀態(即，恒速Vgen)的最小值之間的折中。
舉個實際例子，如果功率需求Pdem是0(即無負載)，鑒于變速器30的運行范圍，從能量角度考慮應建議使發動機速度Ve處于其較低的空轉級別例如大約500rpm。然而，發動機速度Ve處于空轉級別時，如果突然作用滿負載，則發動機2將不能足夠快地提升其速度Ve以將發電機速度Vgen維持在設定極限內。由于該原因，在對第二數據表編程中，用于0功率需求的最佳發動機速度Veff應該是例如1000rpm以使發動機2能充分地對驟加負載作出反應，最小化瞬時反應的持續時間和強度。這樣，從第二數據表得到的最佳發動機速度Veff是這樣的速度Ve，即，所述系統在該速度下應按給定功率需求Pdem下的最佳效率和機能運行。對第二數據表編程時可考慮負載6的預期表現。
然后，根據步驟46，比率設定值選擇裝置34計算與第二數據表中得到的最佳速度Veff和設定值處的發電機速度Vgen之間的比率相對應的新傳動比。比率設定值選擇裝置34將新傳動比發送至偏差評定裝置35。
偏差評定裝置35也從比率計算裝置33接收實際傳動比，所述實際傳動比從傳感器13提供的發動機速度信號39和傳感器10提供的發電機速度信號32計算得出。
如步驟50所示，由于所述系統是穩定的，所以比率設定值選擇裝置34通過偏差評定裝置35指示比率控制器36慢慢校正傳動比。比率控制器36因而將比率校正信號38發送至CVT變速器30，使得傳動比逐漸達到比率設定值選擇裝置34計算出來的新傳動比。所述比率校正因而是慢慢完成的，即在每個循環執行點增量式執行，以維持穩定性并允許發動機控制器4在傳動比變化后調整發動機速度Vgen，如步驟52所示。然后，比率設定值選擇裝置34在判斷部分49處重新開始循環。
如判斷部分47所示，在發電機速度Vgen處于設定極限之內(情況X)并且在判斷部分44評定的有效功率低于第一閾值例如0的情況中，比率設定值選擇裝置34將第一數據表中得到的最大發動機功率Pmax與功率需求Pdem進行對比，以確定最大功率Pmax是否充分大于即使在有效功率Pav低于第一閾值也能保持系統穩定的功率需求Pdem。換言之，比率設定值選擇裝置34確定系統是否有足夠的安全余量或安全系數，允許發動機2在發電機5負載驟加的情況下用最小的過渡間隔充分補償。這能夠通過例如將有效功率Pav(其是最大發動機功率Pmax和功率需求Pdem的函數)與低于第一閾值的第二閾值進行對比做到，第二閾值代表所選的安全系數。
如果在判斷部分47有效功率Pav至少等于第二閾值，即最大發動機功率Pmax充分大于功率需求Pdem，則所述系統是穩定的(情況S)。從步驟48可以看出，比率設定值選擇裝置34基于功率需求Pdem計算用于最大發動機功率Pmax的新值，其將產生至少等于第一閾值(例如0)的有效功率Pav。
然后，如步驟49所示，比率設定值選擇裝置34讀取所述數據庫的第一數據表以提取出與該用于最大發動機功率Pmax的新值對應的新發動機速度值Ve。該新發動機速度Ve將使發動機2具有允許在發電機5負載驟加的情況下用最小的過渡間隔進行充分補償的安全余量或系數。
然后執行前述步驟46、50和52，亦即，比率設定值選擇裝置34計算出相應于得出的新發動機速度Ve的新傳動比(步驟46)，將新傳動比發送至比率控制器36，其將比率校正信號38發送至CVT變速器30使得所述傳動比逐漸達到新傳動比(步驟50)，并且發動機控制器4在傳動比變化后調整發動機速度Ve以維持Vgen在設定值(步驟52)。然后比率設定值選擇裝置34在步驟40重新開始循環。
另一方面，如果在判斷部分47有效功率Pav被確定為低于第二閾值，即最大發動機功率Pmax不充分大于比率設定值選擇裝置34所確定的功率需求Pdem，則預料所述系統將變得不穩定(情況U2)。因而，為了將所述系統盡可能快的轉回穩定模式，發動機速度Ve必須快速增加。最初執行的步驟與在有效功率Pav至少等于第二閾值時的步驟相同，即比率設定值選擇裝置34計算用于最大發動機功率Pmax的新值，其將產生至少等于第一閾值的有效功率Pav(步驟48)，從第一數據表得出相應的新發動機速度Ve值(步驟49)，并且計算出相應于得到的新發動機速度Ve的新傳動比。
然而，如步驟51所示，由于所述系統是不穩定的(情況U2)，比率設定值選擇裝置34指示比率控制器36立即校正所述傳動比，并且比率控制器36發送比率校正信號38至CVT變速器30使得所述傳動比立即改變為新傳動比。
這是由于儲存在高慣性輸出飛輪8中的能量起作用，其被部分傳遞至所述系統以協助發動機加速。因此，飛輪8的速度被降低并且發電機速度Vgen跟隨安裝飛輪8的輸出驅動軸11的速度減小而減小。驅動軸11的降速通過作用于發動機2并將發動機2調至節氣門全開模式的發動機控制器4檢測。因而，所述系統能迅速從短暫的功率匱乏狀況恢復并保持盡可能穩定。比率設定值選擇裝置34然后在步驟40重新開始循環。
類似地，如果處在發電機速度Vgen低于設定范圍(情況U)的情況中，在判斷部分44確定出有效功率Pav低于第一閾值，則所述系統是不穩定的(情況或類別U2)。相應地，執行的步驟與上述的用于發電機速度Vgen處于設定范圍之內(情況X)并且在判斷部分47確定出有效功率Pav低于第二閾值的情況下的步驟相同。換言之，比率設定值選擇裝置34計算用于最大發動機功率Pmax的期望值，其將產生至少等于第一閾值的有效功率Pav(步驟48)，從第一數據表得出相應的新發動機速度Ve值(步驟49)，計算出相應于得出的新發動機速度Ve的新傳動比(步驟46)，并且指示比率控制器36——其指示CVT變速器30——利用儲存在高慣性輸出飛輪8中的能量立即改變用于新傳動比的實際傳動比(步驟51)。發動機控制器4起作用并且增加發動機速度Ve以穩定發電機速度(52)，并且比率設定值選擇裝置34在步驟40重新開始循環。
最后，如果處于發電機速度Vgen低于所述設定范圍的情況(情況U)，在判斷部分44確定出有效功率Pav至少等于第一閾值，則所述系統不穩定但CVT控制器31無需干預(情況UI)。為了將發電機速度Vgen穩定在設定值，發動機控制器4使用有效功率Pav校正發動機速度Ve(步驟52)，并且比率設定值選擇裝置34在步驟40重新開始循環。
就此完成了對所述比率設定值選擇裝置中執行的控制方法的說明。總而言之，在系統1中，CVT控制器31基于發電機速度Vgen和有效功率Pav評定所述系統的穩定級別，并將所述系統分類為以下三個類別中的一種穩定的系統(S)，能單獨通過發動機控制器23穩定的不穩定系統(UI)，或需要用CVT控制器31穩定的不穩定系統(U2)。控制器31也基于所述穩定級別評定傳動比的合適變化率如果所述系統是穩定的，則所述比率逐漸改變(例如增量地)，并且如果所述系統不穩定，則所述比率迅速改變(例如瞬間地)。因而，CVT控制器31驅使發動機2逐漸采用在所述系統被認為穩定時(S)的最有效率的速度、迅速采用在瞬時或不穩定的模式(U2)中功率最大的速度。這執行了粗略的速度控制，而留給發動機速度控制器4通過調整燃燒參數執行精細控制，以穩定串連的發動機/CVT的輸出速度，從而確保所述發電機頻率或速度盡可能穩定，并且供給的電波達到標準。
現在參看圖5，以下將更詳細地說明CVT裝置30，其負責改變由設定值選擇裝置34和比率控制器36指示的比率。
CVT裝置30優選地是雙級超環面腔滾筒型無級變速器。在很多方面，所述變速器可與現有技術的變速器進行比較，并且可以參考美國專利3,581,587號(Dickenbrock-1971年6月1日-通用汽車公司)或加拿大專利申請2,401,474號(Careau等-2004年3月5日出版-已轉讓至 Technologie )以得到其基本操作的詳細說明。然而，設想在本發明中做出一些重要改進以提供易于控制的用于工業應用如發電的初步設備。由于其運行不需要液力，所有此類變速器與其它類型變速器如液力CVT相比是優選的，其既降低了成本又減少了維護。此外，超環面變速器與液力變速器相比通常具有非常高的效率。
總體而言，所述變速器包括一對安裝固定在轉軸61上并且通過由發動機2驅動的輸入軸9驅動的外輸入超環面圓盤50和51，以及可旋轉地繞軸61安裝的內雙邊輸出超環面圓盤52，其經輸出齒輪級驅動輸出軸11，從而驅動發電機5。可替代地，驅動外超環面圓盤50、51的轉軸61能夠與輸出軸11連接，因而驅動發電機5，并且內超環面圓盤52能夠經輸入軸9被發動機2驅動。
超環面圓盤50、51、52設置有相應的超環面腔槽53、54和55、56。旋轉力從經軸61連接的外輸入圓盤50和51經摩擦滾筒如57和58對稱地傳遞至內輸出圓盤52，所述摩擦滾筒可旋轉地安裝在軸向延伸的托架59、60上并在兩個相對的槽上和槽之間運轉，將旋轉力從一個槽傳遞至另一個槽(從外槽至內槽)。在每對槽53-54、55-56之間設置多個摩擦滾筒57、58，優選地是三個，將其托架59、60樞轉安裝在從共同的星形轂(spider hub)64、65伸出的球形接頭62、63上，所述星形轂可旋轉地安裝在軸61上并與所述變速器的殼緊固連接。可替代地，可在每對槽53-54和55-56之間設置兩個、四個或甚至更多滾筒57、58。一組給定滾筒57、58的托架59、60的遠端66、73可滑動地裝配到一對同軸圓環，即內環68、71和外環69、72，還與軸61同軸并且安裝在星形轂64、65的外周上(見圖6a)。外環69、72經一系列滾筒83、84安裝在星形轂64、65上，每個滾筒處于星形轂64、65每個臂的端部，使其能進行受限的徑向移動，但能防止外環69、72相對于固定的星形轂64、65任何的軸向移動。外環69、72設置有三條狹槽70、75(特別參考圖8a-8c)作為導向套或凸輪，用于對托架59、60的遠端66、73的位移進行導向，所述托架連接在三個設置在內環68、71中的套管67、74中，每個套管67、74在狹槽70、75中延伸，位移力從所述狹槽傳遞到套管，并且依次傳遞至遠端66、73。內環68、71因而與外環69、72連接并且相對于所述外環69、72可軸向及徑向移動。狹槽70、75和相應的套管67、74分別在外、內環69、72、68、71的圓周上設置為120°分開。圖6和7a-7b提供了所述雙環比率控制機構的詳細徑向截面圖。
運行中，通過將托架59、60的遠端66、73位移使得每個滾筒57、58在各個相對的槽53-54和55-56上的不同直徑的圓形路徑上運轉而使摩擦滾筒57、58傾斜來完成傳動比變化。所述路徑直徑之比給出了該給定圓盤對50-52和51-52的傳動比(見圖8a-8c的不同比率)。遠端66、73的位移有利地通過外環69、72繞軸61的旋轉在保持托架59、60的遠端66、73的內環68、71上產生徑向分力而得以提供。該旋轉因此使得遠端66、73迫使托架59、60繞球形接頭62、63傾斜。因而所述摩擦滾筒57、58不再運轉在圓形路徑上而是運行在使所述滾筒的接觸點繞軸61上下移動的螺旋路徑上，這是由于該對圓盤50(51)和52的相對旋轉所致。摩擦滾筒57、58的這種移動的結果是比率變化，其驅使托架59、60繞球形接頭62、63旋轉。該旋轉現在處在與前面的由外環69、72的先前旋轉引起的傾斜平面垂直的平面中，因此相同的超環面腔的三個托架59、60的這種旋轉移動了遠端66、73并且驅使內環68、71軸向移動。然而，由于內環68、71僅能按三條狹槽70、75移動，所以該軸向移動也被傳遞至內環68、71繞軸61的旋轉移動以及引起所述比率變化的第一外環69、72旋轉的相反方向中。再次，該旋轉使得遠端66、73迫使托架59繞球形接頭62、63的傾斜返回，然后相同的超環面腔的三個摩擦滾筒57、58不再運轉在螺旋路徑上而是回到圓形路徑，從而在固定的比率將所述變速器轉回穩定狀態(見圖8a至8c)。這種布置的一個優勢是三個一組的滾筒57、58以完美同步的方式自動移動，并且由于托架59、60的遠端66、73都連接在精確加工的內環68、71中而具有高精確度。外環69、72的徑向位移利用單個電驅動的線性致動器76例如串連的DC馬達/蝸桿、螺線管等有利地完成，其為第二優勢。利用CVT控制器31的比率控制器36產生的電信號很容易控制這種電氣裝置76。
如圖7所示，單個線性致動器76有利地用于同時控制外環69、72的位移，并且保持所述比率與變速器30的雙級相等。致動器76包括DC齒輪馬達77，其驅動螺紋接合在螺母79中的蝸桿78。螺母79與第一臂80連接，該臂經第一銷81在其第一端處連接到第二臂82。第二臂82在其第二端處連接到第二銷83。第一和第二銷81、83都與兩個外環69、72互相連接。因此，在從比率控制器36接收到比率位置信號38時(見圖3)，馬達77轉動蝸桿78，其依次平移螺母79，使得第一和第二臂80、82平移以協同的方式經第一和第二銷81、83旋轉外環69、72。致動器76允許變速器30的雙級中的比率容易及協同的控制，與傳統的通常液力驅動并且能效低、成本更高并且不耐用的CVT致動器相反。
另外，由致動器76將精密加工并通過銷81、83互相連接的外環69、72一起致動而提供的雙級中的比率協同控制，在所述級之間產生了改進的比率一致性，其使得變速器30具有相當高的機械效率。
因此能夠容易地明白，上述根據本發明的實施方式提供了一種變速器系統，其能使變速的機械能量源變為設備的恒速驅動，還提供了一種以發動機速度調節為特征的高效發電機系統，其能夠有利地用于為可變負載供給穩定的電力，以及有利地用于各種提交的申請中。
上述本發明的實施方式意在示例。本領域的技術人員因此要明白前面的說明僅是例證性的，并且在不偏離本發明的實質的前提下可做出各種替代方案和改型。變速器30和控制器23、31能夠用來從各種源產生的變速輸出提供恒速輸入至各種設備，或從一個源產生的恒速輸出提供變速輸入至設備。后者的一個例子是電馬達產生恒速輸出以及傳送器從變速器接收變速輸入。相應地，本發明旨在包含所有此類落在所附權利要求范圍內的替代方案、改型和變體。
權利要求
1.一種系統，用于將機械功率可變源的可變輸出傳輸至具有用于設備的期望設備速度值的輸入，所述系統包括接收所述可變輸出并產生所述輸入的變速器，所述變速器確定了所述輸出的第一速度和所述輸入的第二速度之間的傳動比；第一傳感器，其測量所述第一速度并產生相應于所述第一速度的第一速度數據；第二傳感器，其測量所述第二速度并產生相應于所述第二速度的第二速度數據；第三傳感器，其測量所述設備的功率需求并產生相應于所述功率需求的功率需求數據；接收所述第一和第二速度數據以及所述功率需求數據的比率設定值控制器，所述比率設定值控制器計算作為所述第一速度數據和功率需求數據的函數的所述源的有效功率和所述系統的穩定級別，確定作為所述功率需求的函數的用于所述第一速度的期望的源速度值，計算作為所述期望的源速度值的函數的用于所述傳動比的期望比率值，并且確定作為所述系統穩定級別的函數的用于所述傳動比的期望改變率；將所述比率設定值控制器接口連接至所述變速器的比率控制器，所述比率控制器致動所述變速器以跟隨所述期望改變率將傳動比改變至期望比率值；以及源速度控制器，其從所述第二傳感器接收所述第二速度數據并且改變所述第一速度直至所述第二速度數據與所述期望設備速度值一致。
2.根據權利要求1所述的系統，其中所述比率設定值控制器基于所述第一速度數據從最大數據表提取出實際最大功率值并基于所述實際最大功率和所述功率需求數據計算所述有效功率。
3.根據權利要求2所述的系統，其中所述比率設定值控制器計算高于所述實際最大功率的新的最大功率并基于該新的最大功率從所述最大數據表提取出期望的源速度值。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的系統，其中在用于給定的穩定級別和具有至少等于給定閾值的功率需求數據時，所述比率設定值控制器基于所述功率需求數據從效率數據表提取出期望的源速度值，該期望的源速度值代表所述源的相應于所述功率需求數據的能效速度。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的系統，其中所述系統的穩定級別的評定通過將所述第一速度數據與包括期望設備速度值的設定范圍進行對比和將所述功率需求數據與至少一個閾值進行對比而實現。
6.一種系統，用于將機械功率可變源的可變輸出轉換為具有用于設備的期望速度值的輸入，所述系統包括接收所述可變輸出并產生所述輸入的變速器，所述變速器具有在所述輸出的第一速度和所述輸入的第二速度之間的可變比率；至少一個傳感器，其產生與所述第一速度相應的第一速度數據、與所述第二速度相應的第二速度數據和與所述設備的功率需求相應的功率需求數據；第一控制器，其接收所述第一速度數據、所述第二速度數據和所述功率需求數據，基于所述第一速度數據和所述功率需求數據計算有效功率和期望的傳動比值，基于所述第一速度與包括期望速度值的設定范圍的第一對比和所述有效功率與至少一個閾值的第二對比將所述系統分類為至少第一類和第二類中其一，在所述系統處于所述第一類時指示所述變速器將所述可變比率快速轉換為所述期望傳動比值，并且在所述系統處于所述第二類時指示所述變速器將所述可變比率逐漸轉換為所述期望傳動值；以及第二控制器，其接收所述第二速度數據并將速度校正信號發送至機械動力源以改變所述第一速度直至所述第二速度數據與期望的速度值一致。
7.根據權利要求6所述的系統，其中所述第一控制器基于所述第一和第二對比將所述系統分類為第一類、第二類和第三類之一，并且所述第一控制器在所述系統處于第三類時避免指示所述變速器改變所述可變比率。
8.根據權利要求7所述的系統，其中所述第一控制器在所述第一速度高于所述設定范圍時將所述系統分類為所述第三類。
9.根據權利要求7和8中任一項所述的系統，其中所述第一控制器在所述第一速度低于所述設定范圍并且所述有效功率高于所述至少一個閾值時將所述系統分類為第三類。
10.根據權利要求6至9中任一項所述的系統，其中所述第一控制器在所述第一速度低于所述設定范圍并且所述有效功率低于所述至少一個閾值時將所述系統分類為第一類。
11.根據權利要求6至10中任一項所述的系統，其中所述第一控制器在所述第一速度處于所述設定范圍內并且所述有效功率低于所述至少一個閾值時將所述系統分類為第一類。
12.根據權利要求6至11中任一項所述的系統，其中所述至少一個閾值包括第一閾值，并且所述第一控制器在所述第一速度處于所述設定范圍內并且所述有效功率高于所述第一閾值時將所述系統分類為第二類。
13.根據權利要求12所述的系統，其中所述至少一個閾值還包括高于所述第一閾值的第二閾值，并且在所述系統被分類在第二類并且所述有效功率高于所述第二閾值時，所述第一控制器基于所述功率需求數據計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計算期望的傳動比值。
14.根據權利要求6至13中任一項所述的系統，其中所述第一和第二控制器獨立運行。
15.根據權利要求1至14中任一項所述的系統，其中所述變速器是超環面無級變速器。
16.根據權利要求1至15中任一項所述的系統，其中所述變速器包括產生所述輸入的軸和安裝在所述軸上的高慣性飛輪。
17.根據權利要求1至16中任一項所述的系統，其中所述源是內燃機并且所述設備是發電機。
18.一種方法，用于控制將機械功率可變源的可變輸出轉換為具有用于設備的期望速度值的輸入的可變傳動，所述方法包括的步驟有獲得所述可變輸出的第一速度、所述輸入的第二速度和所述設備的功率需求；計算(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設備的輸入的穩定級別，(3)基于所述功率需求的所述變速器的期望傳動比，以及(4)基于所述穩定級別的期望比率變化率；以所述得到期望比率變化率指示所述變速器改變為期望比率；以及改變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。
19.根據權利要求18所述的方法，還包括基于所述功率需求計算所述源的期望最大功率值，基于所述期望最大功率值從數據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計算所述期望傳動值。
20.根據權利要求18所述的方法，其中在給定的穩定級別和所述有效功率高于給定閾值的情況下，基于所述功率需求從數據表提取出用于所述第一速度的期望值，所述期望值代表在將所述有效功率維持在期望級別時所述源的能效速度。
21.一種超環面變速器，包括由輸入軸旋轉的第一和第二超環面圓盤；位于所述第一和第二超環面圓盤之間并且旋轉輸出軸的第三超環面圓盤；多個第一摩擦滾筒，其與所述第一圓盤的超環面腔槽和所述第三圓盤的第一超環面腔槽摩擦接合，每個第一摩擦滾筒都能旋轉以在所述第二和第三圓盤之間傳遞旋轉力；多個第二摩擦滾筒，其與所述第二圓盤的超環面腔槽和所述第三圓盤的第二超環面腔槽摩擦接合，每個第二摩擦滾筒都能旋轉以在所述第一和第三圓盤之間傳遞旋轉力；用來將所述第一摩擦滾筒相對于所述第三圓盤保持在相同的第一選擇角度的第一裝置，所述第一裝置能致動以改變所述第一選擇角度；用來將所述第二摩擦滾筒相對于所述第三圓盤保持在相同的第二選擇角度的第二裝置，所述第二裝置能致動以改變所述第二選擇角度；以及第三裝置，其用來連接所述第一和第二裝置以使所述第一選擇角度基本等于所述第二選擇角度并且用來將所述第一和第二裝置一起致動以獲得用于所述第一和第二選擇角度的選擇值，所述選擇值相應于所述變速器的期望比率和所述變速器的期望比率改變率二者中的至少其一，所述第三裝置在收到控制信號時致動所述第一和第二裝置。
全文摘要
一種系統(1)，用于將可變輸出轉換為具有期望速度值的輸入，包括變速器(30)，其接收具有第一速度(Ve)的輸出并且產生具有第二速度(Vgen)的輸入；第一、第二和第三傳感器(12，10，7)，其產生與第一速度(Ve)、第二速度(Vgen)和用于所述輸入的功率需求(Pdem)相對應的數據(39，32，37)；比率設定值控制器(34)；比率控制器(36)以及速度控制器(4)。比率設定值控制器(34)接收數據(39，32，37)并計算有效功率(Pav)、所述系統的穩定級別(S，U1，U2)、用于第一速度(Ve)的期望值以及用于傳動比的期望值和變化率。比率控制器(36)接口連接比率設定值控制器(34)并致動變速器(30)以跟隨所述期望變化率將傳動比改變至期望值。速度控制器(4)改變第一速度(Ve)直至第二速度(Vgen)與所述期望速度值一致。
文檔編號F16H59/68GK101080587SQ200580037188
公開日2007年11月28日 申請日期2005年9月27日 優先權日2004年9月27日
發明者塞繆爾·博杜安 申請人:S.O.E.技術有限公司