[發明專利]發動機和發電機之間的變速器的穩態和瞬時控制

無效

• 申請號: 201010509304.2
• 申請日: 2005-09-27
• 公開（公告）號: CN102003523A
• 公開（公告）日: 2011-04-06
• 發明（設計）人: 塞繆爾·博杜安
• 申請（專利權）人: S.O.E.技術有限公司
• 主分類號: F16H59/36
• 分類號: F16H59/36;F16H59/68;F16H61/664
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 楊獻智;魏金霞

本發明是申請日為2005年9月27日、申請號為200580037188.6、發明名稱為“發電裝置”的發明專利申請的分案申請。

相關申請的交叉引用

本專利申請要求2004年9月27日提交的加拿大2,479,890號專利申請的優先權。

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。