ГОРНАЯ МАШИНА И СИСТЕМА АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ДЛЯ НЕЕ Российский патент 2020 года по МПК B60K6/30 B60L50/15 B60L50/30 B60L7/22 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Эта заявка испрашивает приоритет совместно рассматриваемой, ранее поданной предварительной патентной заявки США № 62/167814, поданной 28 мая 2015 года, и совместно рассматриваемой, ранее поданной предварительной патентной заявки США № 62/167808, поданной 28 мая 2015 года. Все содержание этих документов включено настоящим посредством ссылки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее раскрытие в общем относится к горным машинам, а конкретно к устройствам аккумулирования энергии для горных машин.

СУЩНОСТЬ

Дизельные электрические горные машины обычно содержат генераторы для выработки электрической энергии. Один или более генераторов могут приводиться в действие от одного или более двигателей, которые создают загрязняющие воздух выбросы. В некоторых вариантах осуществления генераторы также могут функционировать в качестве электромоторов и могут увеличивать скорость одного или более двигателей. Вращающиеся компоненты электромотора могут аккумулировать энергию во время внепиковой фазы горных работ и расходовать энергию во время пиковой фазы для того, чтобы уменьшить общую потребность в энергии.

В одном аспекте горная машина содержит двигатель и устройство аккумулирования энергии, имеющее маховик или другой вид системы аккумулирования кинетической энергии («KESS»). KESS может использоваться с технологией переключаемого магнитного сопротивления («SR») для аккумулирования энергии в кинетическом виде для дальнейшего использования. Одна или более KESS могут быть исполнены для применения в горном деле для тяги большой мощности и могут использоваться на машинах для работы на поверхности и/или подземных машинах с задействованной SR технологией. Когда тяговая система имеет избыток чистой энергии, маховик аккумулирует кинетическую энергию пропорционально крутящему моменту инерции маховика. В одном варианте осуществления он представлен увеличением напряжения на емкостной шине постоянного тока и возникает, когда к электромотору или элементу тяговой системы прикладывается торможение или крутящий момент, противоположный направлению вращения. Во время периодов потребности в пиковой энергии, маховик разряжается и может обеспечивать горной машине первичную энергию, в то время, как двигатель помогает в предоставлении дополнительной энергии, когда необходимо. Комбинация маховика и двигателя может уменьшать выбросы двигателя, уменьшать потребление топлива и уменьшать общую стоимость. Устройство аккумулирования энергии содержит корпус, вал ротора, проходящий через корпус, причем каждый конец вала ротора поддерживается для вращения подшипником. Устройство аккумулирования энергии дополнительно содержит статор, проходящий вокруг части вала ротора. Маховик соединен с валом ротора между подшипниками таким образом, что маховик смещен от статора вдоль оси вала ротора.

В одном аспекте самоходная горная машина содержит множество тяговых элементов, множество электромоторов, источник мощности в электрическом сообщении с множеством электромоторов, и систему аккумулирования энергии в электрическом сообщении с множеством электромоторов и источником энергии. Каждый из электромоторов соединен с соответствующим одним из множества тяговых элементов. Каждый из электромоторов выполнен с возможностью приведения в действие соответствующим тяговым элементом в первом режиме, и каждый из электромоторов выполнен с возможностью приведения в действие соответствующего тягового элемента во втором режиме. Система аккумулирования энергии содержит вал, образующий ось вала, ротор, прикрепленный к валу, статор, проходящий вокруг ротора и вокруг оси вала, и маховик, соединенный с валом для вращения с ним. В первом режиме вращение множества электромоторов вызывает вращение маховика для аккумулирования кинетической энергии. Во втором режиме вращение ротора и маховика расходует кинетическую энергию с приведением в действие множества электромоторов.

В еще одном аспекте самоходная транспортирующая машина содержит шасси, стрелу, содержащую первый конец, шарнирно соединенный с шасси, и второй конец, рабочий орган, соединенный со вторым концом стрелы, и систему привода. Система привода содержит двунаправленную электрическую шину, множество тяговых элементов, поддерживающих шасси, множество электромоторов, электромотор с переключаемым магнитным сопротивлением в электрическом сообщении с множеством электромоторов посредством шины и систему аккумулирования энергии в электрическом сообщении с множеством электромоторов и электромотором с переключаемым магнитным сопротивлением посредством шины. Каждый электромотор соединен с соответствующим одним из множества тяговых элементов и находится в электрическом сообщении с шиной. Каждый электромотор выполнен с возможностью приведения в действие соответствующим тяговым элементом в первом режиме, и каждый электромотор выполнен с возможностью приведения в действие соответствующего тягового элемента во втором режиме. Система аккумулирования энергии содержит корпус, прикрепленный к шасси, вал, ротор, прикрепленный к валу, статор и маховик, соединенный с валом для вращения с ним. Вал образует ось вала и поддерживается с возможностью вращения относительно корпуса. Статор проходит вокруг ротора и вокруг оси вала. В первом режиме вращение множества электромоторов передает электрическую энергию в систему аккумулирования энергии посредством шины, при этом электрическая энергия запускает вращение маховика для аккумулирования кинетической энергии. Во втором режиме вращение ротора и маховика передает электрическую энергию в электромоторы посредством шины, приводя в действие множество электромоторов.

В еще одном аспекте система привода для транспортирующей машины содержит двунаправленную электрическую шину, множество колес, множество электромоторов, множество преобразователей энергии, электромотор с переключаемым магнитным сопротивлением в электрическом сообщении с множеством электромоторов посредством шины, двигатель, соединенный с электромотором с переключаемым магнитным сопротивлением, и систему аккумулирования энергии в электрическом сообщении с множеством электромоторов и электромотором с переключаемым магнитным сопротивлением посредством шины. Каждый электромотор соединен с соответствующим одним из множества колес и находится в электрическом сообщении с шиной. Каждый электромотор выполнен с возможностью приведения в действие соответствующим колесом в первом режиме, и каждый электромотор выполнен с возможностью приведения в действие соответствующего колеса во втором режиме. Каждый преобразователь энергии обеспечивает электрическое сообщение между шиной и одним из электромоторов. Электромотор с переключаемым магнитным сопротивлением соединен по меньшей мере с одним гидравлическим насосом для приведения в действие по меньшей мере одного вспомогательного исполнительного механизма. Система аккумулирования энергии содержит корпус, вал, образующий ось вала и поддерживаемый с возможностью вращения относительно корпуса, ротор, прикрепленный к валу, статор и маховик, соединенный с валом для вращения вокруг оси вала. Статор проходит вокруг ротора и вокруг оси вала.

Настоящее изобретение обеспечивает преимущества над предшествующим уровнем техники. Такие преимущества включают, но без ограничения, улавливание и высвобождение энергии на уровнях большой мощности и удлинение срока службы горных машин.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

ФИГ. 1 представляет собой вид в перспективе горной машины согласно одному варианту осуществления.

ФИГ. 2 представляет собой вид в перспективе части горной машины ФИГ. 1.

ФИГ. 3 представляет собой вид сверху горной машины ФИГ. 1.

ФИГ. 4 представляет собой вид сверху силовой передачи горной машины ФИГ. 1.

ФИГ. 5A представляет собой схематичное изображение силовой передачи.

ФИГ. 5B представляет собой схематичное изображение потенциальных путей передачи мощности в силовой передаче ФИГ. 2A.

ФИГ. 5C представляет собой схематичное изображение силовой передачи во время режима подзарядки.

ФИГ. 5D представляет собой схематичное изображение силовой передачи во время режима разрядки устройства аккумулирования энергии.

ФИГ. 5E представляет собой схематичное изображение силовой передачи во время режима привода.

ФИГ. 5F представляет собой схематичное изображение силовой передачи во время режима плавного торможения.

ФИГ. 5G представляет собой схематичное изображение силовой передачи во время режима резкого торможения и подзарядки.

ФИГ. 5H представляет собой схематичное изображение силовой передачи во время режима резкого торможения без подзарядки устройства аккумулирования энергии.

ФИГ. 6 представляет собой вид в перспективе системы аккумулирования энергии.

ФИГ. 7 представляет собой вид в боковом разрезе системы аккумулирования энергии ФИГ. 6, если смотреть вдоль сечения 7-7.

ФИГ. 8 представляет собой изображение в разобранном виде системы аккумулирования энергии ФИГ. 6.

ФИГ. 9 представляет собой увеличенное изображение сечения 9-9 вида в боковом разрезе ФИГ. 7.

ФИГ. 10 представляет собой увеличенное изображение секции 10-10 вида в боковом разрезе ФИГ. 7.

ФИГ. 11 представляет собой вид сбоку устройства аккумулирования энергии согласно еще одному варианту осуществления.

ФИГ. 12 представляет собой вид сбоку устройства аккумулирования энергии согласно еще одному варианту осуществления.

ФИГ. 13 представляет собой вид с торца устройства аккумулирования энергии ФИГ. 12.

Подробное Описание

Перед подробным объяснением каких-либо вариантов осуществления должно быть понятно, что применение изобретения не ограничено деталями конструкции и расположения компонентов, изложенными в следующем описании или проиллюстрированными на сопровождающих чертежах. Изобретение допускает другие варианты осуществления и реализацию на практике или осуществление различными способами. Также, должно быть понятно, что фразеология и терминология, использованные в данном документе, предназначены для цели описания и не должны истолковываться в качестве ограничения. Использование в данном документе «включающий», «содержащий» или «имеющий» и их вариантов предназначено для охвата пунктов, перечисленных после и их эквивалентов, а также дополнительных пунктов. Если не оговорено или ограничено иное, термины «установленный», «связанный», «поддерживаемый» и «соединенный» и их варианты используются широко и охватывают как прямые, так и непрямые крепления, соединения, опоры и сопряжения.

В дополнение, должно быть понятно, что варианты осуществления могут содержать аппаратное обеспечение, программное обеспечение и электронные компоненты или модули, которые для целей обсуждения могут быть проиллюстрированы и описаны, как если бы большинство компонентов было исполнено только в виде аппаратного обеспечения. Однако, рядовой специалист в данной области и на основе прочтения этого подробного описания признает, что по меньшей мере в одном варианте осуществления аспекты могут быть исполнены в виде программного обеспечения (напр., храниться на энергонезависимом машиночитаемом носителе), выполняемого одним или более блоками обработки, такими как микропроцессор и/или специализированные интегральные схемы («ASIC»). В связи с этим следует заметить, что для осуществления изобретения может быть использовано множество устройств на основе аппаратного обеспечения и программного обеспечения, а также множество различных структурных компонентов. Например, «контроллеры», приведенные в описании, могут содержать один или более блоков обработки, один или более модулей машиночитаемых носителей, один или более интерфейсов ввода/вывода и различные соединения (напр., системная шина), соединяющие компоненты.

ФИГУРЫ 1-3 иллюстрируют горную машину 100 согласно одному варианту осуществления. В проиллюстрированном варианте осуществления горная машина 100 представляет собой машину для погрузки, доставки и разгрузки («LHD»). Машиной 100 может быть подземная горная машина (напр., проходческий комбайн непрерывного действия, система откатки, очистной комбайн для сплошной системы разработки, погрузчик и т.д.) или горная машина для работы на поверхности (напр., колесный погрузчик, гибридный экскаватор, канатно-скребковый горный комбайн и т.д.). В проиллюстрированном варианте осуществления горная машина 100 дополнительно содержит шасси 102, стрелу 104, имеющую первый конец 106, соединенный с шасси 102, и второй конец 108, соединенный с рабочим органом 112 (напр., ковшом). В проиллюстрированном варианте осуществления шасси 102 также содержит кабину 114 оператора. Горная машина 100 дополнительно содержит тяговые элементы, такие как колеса 110, соединенные с возможностью вращения с шасси 102 и поддерживающие шасси 102 для передвижения по земле. Как показано на фиг. 2, на шасси 102 поддерживается система аккумулирования кинетической энергии («KESS») или устройство 135 аккумулирования энергии. В проиллюстрированном варианте осуществления устройство 135 аккумулирования энергии расположено рядом с концом шасси 102, противоположном рабочему органу 112.

ФИГ. 4 иллюстрирует основные компоненты системы привода или силовой передачи 118 горной машины 100. Силовая передача 118 может содержать двигатель 115, генератор 120, преобразователь 125 энергии, электромоторы 130 и устройство 135 аккумулирования энергии. В некоторых вариантах осуществления машина 10 может содержать множество преобразователей энергии, множество электромоторов и/или множество устройств аккумулирования энергии. Двигатель 115 предоставляет генератору 120 мощность в виде механической энергии. В некоторых вариантах осуществления двигатель 115 представляет собой дизельный двигатель. В некоторых вариантах осуществления двигатель 115 обеспечивает среднюю выходную мощность 180 лошадиных сил («л.с.») и пиковую выходную мощность 300 л.с. Как обсуждается более подробно ниже, устройство 135 аккумулирования энергии может использоваться в качестве устройства усреднения мощности, отдавая накопленную энергию во время периодов потребности в пиковой мощности. Устройство 135 аккумулирования энергии может добавлять мощность, подаваемую двигателем 115, для того, чтобы уменьшить необходимость в эксплуатации двигателя 115 с пиковой выходной мощностью.

Генератор 120 преобразует механическую энергию, получаемую от двигателя 115, в электрическую энергию. В некоторых вариантах осуществления генератор 120 представляет собой электромотор/генератор с переключаемым магнитным сопротивлением («SR»). В других вариантах осуществления генератор 120 относится к другому типу электромотора/генератора постоянного тока («DC»). В других вариантах осуществления генератором 120 является электромотор/генератор переменного тока («AC»). В некоторых вариантах осуществления генератор 120 также может использоваться в качестве электромотора, который увеличивает число оборотов в минуту («об/мин») двигателя 115 (напр., в качестве механизма аккумулирования энергии, используемого отдельно или в комбинации с устройством 135 аккумулирования энергии, описанным ниже).

ФИГ. 5A схематично иллюстрирует компоненты силовой передачи для горной машины 100. В проиллюстрированном варианте осуществления генератор 120 передает мощность преобразователю 125, который преобразует получаемую энергии во вторую энергию посредством шины 140 (напр., шины постоянного тока). Шина 140 находится в сообщении с дополнительными преобразователями 125, каждый из которых передает вторую выработанную энергию тяговому электромотору 130. Преобразователи 125 могут быть выполнены с возможностью передачи энергии через шину 140 или с возможностью приема мощности от шины 140. Тяговые электромоторы 130 преобразуют электрическую энергию во вращательную энергию или крутящий момент с приведением в действие колес 110 (ФИГ. 2A) или других компонентов горной машины 100. В некоторых вариантах осуществления электромоторы 130 включают электромотор для каждого колеса 110 машины 100. Каждый тяговый электромотор 130 связан с решеткой 142 тормозных резисторов, которая преобразует кинетическую энергию от тягового электромотора 130 в тепловую энергию, при применении тормозов для замедления машины 100. В проиллюстрированном варианте осуществления горной машины 100 электромоторы 130 включают левый передний («LF») электромотор 130a, правый передний электромотор («RF») 130b, левый задний («LR») электромотор 130c и правый задний («RR») электромотор 130d. Электромоторы 130 используются для передвижения (вперед и назад), торможения (вперед и назад), и регулирования пробуксовывания шин.

В некоторых вариантах осуществления один или более электромоторов 130 представляют собой электромоторы с переключаемым магнитным сопротивлением («SR»). В таком варианте осуществления SR электромотор может обеспечивать максимальный крутящий момент при заглохании (т.е. когда выходная скорость вращения составляет ноль), потребляя в то же время маленькую процентную долю выходной мощности двигателя 115, что экономит потребление топлива и уменьшает выбросы. Должно быть понятно, что в других вариантах осуществления горная машина 100 может содержать меньше или дополнительные электромоторы.

Со ссылкой на фиг. 5A, генератор 120 также находится в сообщении с одним или более компонентами горной машины 100. Эти компоненты могут задействовать другие аспекты машины 100 (напр., приводя в действие погрузочный ковш или приводя в действие врубовую головку). Например, в некоторых вариантах осуществления генератор 120 преобразует электрическую энергию в механическую энергию, которая приводит в действие один или более гидравлических компонентов 132 (напр., насосов и/или клапанов). Гидравлические компоненты 132 подают гидравлическую энергию в гидравлические системы, такие как исполнительные механизмы 134. Гидравлические системы могут выполнять подъем, управление, вращение и/или другие вспомогательные функции горной машины 100. Гидравлические компоненты 132 также могут задействовать пассивные компоненты 136, такие как вентилятор охлаждения.

В одном варианте осуществления устройство 135 аккумулирования энергии может заряжаться посредством улавливания энергии торможения из тяговой системы и/или за счет получения мощности от двигателя 115 и генератора 120 во время периодов низкого потребления мощности. Устройство 135 аккумулирования энергии получает и аккумулирует электрическую энергию от генератора 120 посредством шины 140. Устройство 135 аккумулирования энергии также подает накопленную электрическую энергию в другие компоненты горной машины 100 (напр., преобразователи 125, электромоторы 130, гидравлическую систему и т.д.). Во время работы каждое устройство 135 аккумулирования энергии выполнено с возможностью аккумулирования электрической энергии, когда имеется доступная (т.е. избыточная) мощность от двигателя 115 и выходная накопленная энергия, когда потребление энергии больше чем может обеспечить двигатель 115. В некоторых вариантах осуществления устройство 135 аккумулирования энергии содержит SR электромотор/генератор (напр., SR электромотор/генератор с переменной скоростью).

В одном варианте осуществления основным источником энергии для устройства 135 аккумулирования энергии является тяговая система. Когда компоненты (напр., колеса 110 и электромоторы 130) тяговой системы тормозят или замедляются, энергия замедляющихся колес передается в устройство 135 аккумулирования энергии и сохраняется в виде энергии вращения в инерционной массе (т.е. Маховике 180).

ФИГ. 5B иллюстрирует различные возможные пути передачи мощности через силовую передачу 118. Например, генератор 120 и двигатель 115 может обеспечивать мощность гидравлическим насосам 132, а генератор 120 также может получать энергию от шины 140 (напр., когда тяговая система тормозит). Также, каждый электромотор 130 может получать энергию от шины 140 и подавать энергию в шину 140. Аналогично, устройство 135 аккумулирования энергии может получать энергию от шины 140 и подавать энергию в шину 140. В некоторых вариантах осуществления каждый электромотор 130 может содержать механический тормоз (не показано). Когда контроллер обнаруживает, что включен механический тормоз электромотора 130, скорость электромотора 130 замедляется или уменьшается, препятствуя продвижению машины. Механизмы торможения (напр., решетка тормозных резисторов 142) может получать энергию от шины 140 и рассеивать энергию в виде тепла.

ФИГ. 5C иллюстрирует путь прохождения мощности через силовую передачу 118, когда система 135 аккумулирования энергии заряжается. Мощность, подаваемая генератором 120, предоставляется в шину 140, которая передает мощность в устройство 135 аккумулирования энергии. В некоторых вариантах осуществления устройство 135 аккумулирования энергии заряжается во время запуска машины 100. Устройство 135 аккумулирования энергии может заряжаться во время периодов низкой нагрузки на генератор 120 (т.е. генератор 120 получает избыток энергии от двигателя 115, чем требуется для приведения в действие тяговых электромоторов 130 или других компонентов машины 100).

ФИГ. 5D иллюстрирует путь прохождения мощности через силовую передачу 118, когда тяговые электромоторы 130 приводятся в движение для передвижения машины 100. Устройство 135 аккумулирования энергии может расходовать и передавать мощность в шину 140, которая передает мощность в электромоторы 130 с приведением в действие колес 110. В некоторых вариантах осуществления устройство 135 аккумулирования энергии выступает в виде основного или главного источника энергии для электромоторов 130 и обеспечивает всю энергию, требуемую для приведения в действие электромоторов 130. Если устройство 135 аккумулирования энергии не может подавать всю энергию, необходимую электромоторам 130, генератор 120 и двигатель 115 подают дополнительную мощность в шину 140, которая может потребляться электромоторами 130. В этой компоновке устройство 135 аккумулирования энергии является основным источником мощности для электромоторов 130, а генератор 120 обеспечивает вспомогательную или резервную мощность.

В одном варианте осуществления устройство 135 аккумулирования энергии представляет собой более чувствительный источник мощности, чем генератор 120. Силовая передача 118 опирается на наиболее чувствительный источник мощности сперва, позволяя тяговой системе ускоряться и замедляться быстрее, чем обычная система привода. Кроме того, использование системы 135 аккумулирования энергии в качестве основного источника энергии уменьшает необходимость эксплуатации двигателя 115 при полной мощности. Вместо этого использование устройства 135 аккумулирования энергии в качестве основного источника энергии для тяговой системы позволяет задействовать двигатель 115 с более постоянной мощностью, уменьшая посредством этого потребление топлива, требования к мощности электромотора и износ двигателя 115.

В другом режиме работы, показанном на фиг. 5E, силовая передача 118 может задействовать тяговые электромоторы 130 без использования устройства 135 аккумулирования энергии. То есть, энергия, подаваемая в электромоторы 130 посредством шины 140, подается только генератором 120. Этот режим может осуществляться, когда устройство 135 аккумулирования энергии не заряжается, выходит из строя, или отсутствует.

ФИГУРЫ 5F-5H иллюстрируют пути прохождения мощности, когда машина 100 тормозит, а электромоторы 130 выступают в качестве генераторов, подающих электрическую энергию в шину 140. Во время плавного торможения (ФИГ. 5D) энергия, подаваемая электромоторами 108, может подаваться в генератор 120. Генератор 120 может использовать получаемую энергию для ускорения линии управления между генератором 120 и гидравлическими насосами 132 (напр., для ускорения двигателя 115 до заданной скорости, при которой топливные инжекторы запрограммированы прекращать доставку топлива в двигатель 115). В некоторых ситуациях этот режим работы уменьшает потребление топлива электромотором (напр., для эксплуатации при нулевом или почти нулевом уровнях топлива).

Во время резкого торможения, показанного на фиг. 5G, электромоторы 130 могут генерировать больше энергии, чем энергия, генерируемая во время плавного торможения. Вследствие этого, энергия, генерируемая электромоторами 130 и подаваемая в шину 140, может передаваться как в генератор 120, так и для зарядки устройства 135 аккумулирования энергии. В другом режиме (ФИГ. 5H) электромоторы 130 могут выполнять резкое торможение без подзарядки устройства 135 аккумулирования энергии (напр., устройство 135 аккумулирования энергии заполнено, вышло из строя или отсутствует). Хотя некоторая часть мощности, подаваемой в шину 140 от электромоторов 130, передается в генератор 120, дополнительная или избыточная энергия может подаваться в одну или более решеток 142 тормозных резисторов для рассеивания энергии в виде тепла.

С устройством 135 аккумулирования энергии можно использовать другие режимы работы. Например, в некоторых вариантах осуществления генератор 120 может использоваться в качестве основного источника энергии тяговой системы, а устройство 135 аккумулирования энергии может обеспечивать резервную мощность. Контроллер может быть встроен и запрограммирован управлять устройство 135 аккумулирования энергии на основе рабочей скорости тяговой системы.

Далее со ссылкой на фиг. 6, устройство 135 аккумулирования энергии содержит корпус 165, имеющий лапы 170, установленные на шасси 102 (ФИГ. 1). Корпус 165 также содержит распределительную коробку 168 в сообщении с генератором 102 (ФИГ. 4). Как показано на фигурах 7 и 8, устройство 135 аккумулирования энергии дополнительно содержит вал 175, маховик 180, соединенный с валом 175, и статор 185 электромотора, включая катушки 188. Вал 175 проходит через корпус 165 и содержит первый конец 190 и второй конец 195. Ось 200 вала проходит между первым концом 190 и вторым концом 195. Каждый конец 190, 195 вала 175 поддерживается с возможностью вращения относительно корпуса 165 подшипниками 205 (см. Также фигуры 9 и 10). В проиллюстрированном варианте осуществления подшипниками 205 являются двухрядные подшипники. ферромагнитная деталь 210 образует ротор и прикреплена к внешней поверхности вала 175 рядом с первым концом 190. В проиллюстрированном варианте осуществления маховик 180 отделен промежутком от ротора 210.

Со ссылкой на фигуры 7 и 8, статор 185 электромотора закреплен внутри корпуса 165 и проходит вокруг ферромагнитной детали 210. Маховик 180 расположен внутри корпуса 165. Маховик 180 прикреплен к валу 175 рядом со вторым концом 195 таким образом, что маховик 180 отделен промежутком от статора 185 вдоль оси 200. В проиллюстрированном варианте осуществления маховик 180 расположен между подшипниками 205. То есть, второй конец 195 вала 175 выходит за пределы маховика 180 и поддерживается с возможностью вращения подшипником 205b. Вращение маховика 180 и приведение в действие машины вызывает гироскопическую нагрузку на подшипники, и эта нагрузка связана с расстоянием между подшипниками и гироскопической нагрузкой. Увеличение расстояния между маховиком и подшипниками уменьшает итоговую нагрузку на подшипники.

В обычных системах аккумулирования энергии большая емкость аккумулирования энергии требует большей массы для компонента маховика/аккумулирования. Увеличение массы маховика 180 увеличивает гироскопические нагрузки на подшипники. Конфигурация маховика 180 относительно подшипников 205 уменьшает гироскопические нагрузки, прикладываемые к подшипникам 205 во время приведения в действие. Это обеспечивает большую инерционную массу, которая, в свою очередь, увеличивает емкость аккумулирования энергии устройства 135. Увеличение емкости аккумулирования энергии уменьшает потребность в мощности электромотора. В некоторых вариантах осуществления увеличенная емкость аккумулирования уменьшает требуемую выходную мощность электромотора на 50%.

Маховик 180 аккумулирует кинетическую энергию в виде энергии вращения. Устройство 135 аккумулирования энергии выполнено с возможностью приема электрической энергии и выходной энергии вращения, а также с возможностью приема энергии вращения и выходной электрической энергии. В некоторых вариантах осуществления маховик 180 допускает вращение со скоростью между приблизительно 0 оборотов в минуту (об/мин) и приблизительно 6500 об/мин. В некоторых вариантах осуществления максимальная скорость вращения маховика 180 составляет между приблизительно 3000 об/мин и приблизительно 10000 об/мин. В некоторых вариантах осуществления максимальная скорость вращения маховика 180 составляет между приблизительно 5000 об/мин и приблизительно 8000 об/мин. В некоторых вариантах осуществления максимальная скорость вращения маховика составляет приблизительно 6500 об/мин. Также, в некоторых вариантах осуществления максимальная емкость аккумулирования и расходования энергии устройства 135 аккумулирования энергии составляет между приблизительно 1 мегаджоулем и приблизительно 15 мегаджоулями. В некоторых вариантах осуществления максимальная емкость аккумулирования и расходования энергии устройства 135 аккумулирования энергии составляет между приблизительно 2 мегаджоулями и приблизительно 7 мегаджоулями. В некоторых вариантах осуществления максимальная емкость аккумулирования и расходования энергии устройства 135 аккумулирования энергии составляет приблизительно 3 мегаджоуля.

Во время работы, устройство 135 аккумулирования энергии может получать электрическую энергию, напр., от генератора 120. Электрическая энергия в статоре 185 вызывает вращение вала 175 ротора вокруг оси 200 вала, вращая посредством этого маховик 180 и аккумулируя кинетическую энергию в виде энергии вращения в маховике 165. Для расходования или извлечения накопленной энергии (т.е. для вывода электрической энергии из устройства 135 аккумулирования энергии), вращение маховика 180 используется для вращения вала 175 ротора. Вращение 175 ротора таким образом действует в качестве генератора, чтобы индуцировать ток в статоре 185, преобразуя посредством этого энергию вращения в электрическую энергию. Электрическая энергия может предоставляться в другие компоненты горной машины 100, такие как электромоторы 130. В некоторых вариантах осуществления, когда устройство 135 аккумулирования энергии используется в горной машине 100, один из преобразователей 125, который обычно должен обслуживать генератор 120, становится преобразователем для устройства 135 аккумулирования энергии.

ФИГ. 1 иллюстрирует устройство 535 аккумулирования энергии согласно еще одному варианту осуществления. Маховик 580 образован в качестве цилиндрического элемента, так что маховик 580 содержит первый или дисковый участок 582, соединенный с валом 175 и проходящий радиально наружу от оси 200 вала 175. Дисковый участок 582 содержит внешнюю периферию. Маховик 580 дополнительно содержит цилиндрический участок 584, проходящий от периферии дискового участка 582 вдоль оси 200 вала 175. В проиллюстрированном варианте осуществления цилиндрический участок 584 проходит вокруг ферромагнитной детали 610 ротора и статора 585, а цилиндрический участок 584 проходит по длине узла ротора и статора. В других вариантах осуществления цилиндрический участок 584 может иметь иную длину по сравнению с узлом ротора и статора. В некоторых вариантах осуществления статор 585 прикреплен к торцевой стенке 172 корпуса 165. Эта конфигурация увеличивает удельную мощность устройства аккумулирования энергии на единицу массы.

ФИГУРЫ 12 и 13 иллюстрируют устройство 935 аккумулирования энергии согласно еще одному варианту осуществления. Ротор и маховик образованы в виде единого узла 975, вращающегося вокруг неподвижного сердечника 985 статора. Сердечник 985 статора расположен по окружности внутри узла 975 ротора/маховика. Сердечник 985 статора поддерживается на валу 982, а узел 975 ротора/маховика поддерживается с возможностью вращения относительно вала 982 подшипниками 1005. Эта конфигурация сосредотачивает инерционную массу на внешнем периметре электромотора, обеспечивая за счет этого среди прочего более эффективное аккумулирование энергии на единицу и объем массы.

Хотя некоторые аспекты были описаны подробно со ссылкой на некоторые предпочтительные варианты осуществления, в пределах объема правовых притязаний и сущности одного или более описанных независимых аспектов существуют варианты и модификации.

Группа изобретений относится к электрическим тяговым системам транспортных средств. Самоходная горная машина содержит множество тяговых элементов, множество электромоторов, источник энергии в электрическом сообщении с множеством электромоторов и систему аккумулирования энергии в электрическом сообщении с множеством электромоторов и источником энергии. Причем система аккумулирования энергии содержит вал, имеющий ось вала, ротор, прикрепленный к валу, статор, проходящий вокруг ротора и вокруг оси вала, и маховик, соединенный с валом для вращения с ним. При этом в первом режиме вращение множества электромоторов вызывает вращение маховика для аккумулирования кинетической энергии. Во втором режиме вращение ротора и маховика расходует кинетическую энергию с приведением в действие множества электромоторов. Также заявлены самоходная транспортирующая машина и система привода для самоходной транспортирующей машины. Технический результат заключается в эффективном аккумулировании и отдаче энергии на уровнях большой мощности. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 20 ил.

1. Самоходная горная машина, содержащая:

множество тяговых элементов;

множество электромоторов, причем каждый электромотор соединен с соответствующим одним из множества тяговых элементов, каждый электромотор выполнен с возможностью приведения в действие соответствующим тяговым элементом в первом режиме, каждый электромотор выполнен с возможностью приведения в действие соответствующего тягового элемента во втором режиме;

источник энергии в электрическом сообщении с множеством электромоторов, при этом источник энергии содержит электромотор/генератор с переключаемым магнитным сопротивлением, соединенный с двигателем; и

систему аккумулирования энергии в электрическом сообщении с множеством электромоторов и источником энергии, причем система аккумулирования энергии содержит вал, имеющий ось вала, ротор, прикрепленный к валу, статор, проходящий вокруг ротора и вокруг оси вала, и маховик, соединенный с валом для вращения с ним,

при этом в первом режиме вращение множества электромоторов вызывает вращение маховика для аккумулирования кинетической энергии,

при этом во втором режиме вращение ротора и маховика расходует кинетическую энергию с приведением в действие множества электромоторов.

2. Самоходная горная машина по п. 1, дополнительно содержащая:

двунаправленную электрическую шину, обеспечивающую электрическое сообщение между электромоторами, источником энергии и системой аккумулирования энергии; и

множество преобразователей энергии, причем каждый преобразователь энергии связан с одним из электромоторов, источником энергии и системой аккумулирования энергии.

3. Самоходная горная машина по п. 2, при этом в первом режиме вращение электромоторов передает электрическую энергию в систему аккумулирования энергии посредством шины, причем электрическая энергия вызывает вращение маховика, при этом во втором режиме вращение ротора и маховика преобразуется в электрическую энергию и передается в электромоторы посредством шины.

4. Самоходная горная машина по п. 1, дополнительно содержащая множество тормозных механизмов, причем каждый из тормозных механизмов связан с одним из электромоторов, при этом, когда скорость электромотора уменьшается, электромотор подает энергию в систему аккумулирования энергии.

5. Самоходная горная машина по п. 4, в которой в первом режиме, когда система аккумулирования энергии достигает максимальной емкости аккумулирования, дополнительная энергия, создаваемая за счет вращения множества электромоторов, передается в один из тормозных механизмов и рассеивается в виде тепла.

6. Самоходная горная машина по любому из предыдущих пунктов, в которой электромотор с переключаемым магнитным сопротивлением соединен с одним или более гидравлическими насосами для приведения в действие вспомогательных исполнительных механизмов.

7. Самоходная горная машина по любому из предыдущих пунктов, в которой в первом режиме электромотор с переключаемым магнитным сопротивлением может получать энергию от множества электромоторов, при этом электромотор с переключаемым магнитным сопротивлением приводит в действие двигатель с постоянной скоростью с уменьшением потребления топлива.

8. Самоходная горная машина по любому из предыдущих пунктов, в которой маховик может вращаться по меньшей мере при 3000 оборотах в минуту, и при этом система аккумулирования энергии выдает энергию, равную по меньшей мере приблизительно 1 мегаджоуль.

9. Самоходная горная машина по любому из предыдущих пунктов, в которой маховик содержит первый участок и второй участок, при этом первый участок проходит от вала радиально наружу и образует периферию, отделенную от вала промежутком, второй участок соединен с периферией и проходит в осевом направлении вдоль части вала.

10. Самоходная горная машина по п. 9, в которой второй участок проходит вокруг ротора и статора.

11. Самоходная транспортирующая машина, содержащая:

шасси;

стрелу, содержащую первый конец, шарнирно соединенный с шасси, и второй конец;

рабочий орган, соединенный со вторым концом стрелы; и

систему привода, содержащую

двунаправленную электрическую шину;

множество тяговых элементов, поддерживающих шасси;

множество электромоторов, причем каждый электромотор соединен с соответствующим одним из множества тяговых элементов и находится в электрическом сообщении с шиной, каждый электромотор выполнен с возможностью приведения в действие соответствующим тяговым элементом в первом режиме, каждый электромотор выполнен с возможностью приведения в действие соответствующего тягового элемента во втором режиме;

электромотор с переключаемым магнитным сопротивлением в электрическом сообщении с множеством электромоторов посредством шины; и

систему аккумулирования энергии в электрическом сообщении с множеством электромоторов и электромотором с переключаемым магнитным сопротивлением посредством шины, причем система аккумулирования энергии содержит корпус, прикрепленный к шасси, вал, ротор, прикрепленный к валу, статор и маховик, соединенный с валом для вращения с ним, причем вал образует ось вала и поддерживается с возможностью вращения относительно корпуса, статор проходит вокруг ротора и вокруг оси вала,

при этом в первом режиме вращение множества электромоторов передает электрическую энергию в систему аккумулирования энергии посредством шины, при этом электрическая энергия запускает вращение маховика для аккумулирования кинетической энергии,

при этом во втором режиме вращение ротора и маховика передает электрическую энергию в электромоторы посредством шины, приводя в действие множество электромоторов.

12. Самоходная транспортирующая машина по п. 11, дополнительно содержащая множество преобразователей энергии, причем каждый преобразователь энергии обеспечивает электрическое сообщение между шиной и одним из системы аккумулирования энергии, электромотором с переключаемым магнитным сопротивлением и одним из электромоторов.

13. Самоходная транспортирующая машина по п. 11, дополнительно содержащая множество тормозных механизмов, причем каждый из тормозных механизмов связан с одним из электромоторов, при этом, когда скорость электромотора уменьшается, электромотор подает энергию в систему аккумулирования энергии.

14. Самоходная транспортирующая машина по п. 11, в которой в первом режиме, когда система аккумулирования энергии достигает максимальной емкости аккумулирования, дополнительная энергия, создаваемая за счет вращения множества электромоторов, передается в один из тормозных механизмов и рассеивается в виде тепла.

15. Самоходная транспортирующая машина по п. 11, в которой система привода дополнительно содержит двигатель, соединенный с электромотором с переключаемым магнитным сопротивлением.

16. Самоходная транспортирующая машина по п. 11, в которой электромотор с переключаемым магнитным сопротивлением соединен по меньшей мере с одним гидравлическим насосом для приведения в действие по меньшей мере одного вспомогательного исполнительного механизма.

17. Самоходная транспортирующая машина по п. 11, в которой в первом режиме электромотор с переключаемым магнитным сопротивлением может получать энергию от множества электромоторов, причем для уменьшения потребления топлива электромотор с переключаемым магнитным сопротивлением приводит в действие двигатель с постоянной скоростью.

18. Самоходная транспортирующая машина по п. 11, в которой маховик может вращаться между приблизительно 0 оборотов в минуту и приблизительно 6500 оборотов в минуту, и при этом система аккумулирования выдает энергию приблизительно до 3 мегаджоулей.

19. Система привода для транспортирующей машины, причем система привода содержит:

двунаправленную электрическую шину;

множество колес;

множество электромоторов, причем каждый электромотор соединен с соответствующим одним из множества колес и находится в электрическом сообщении с шиной, каждый электромотор выполнен с возможностью приведения в действие соответствующим колесом в первом режиме, каждый электромотор выполнен с возможностью приведения в действие соответствующего колеса во втором режиме;

множество преобразователей энергии, причем каждый преобразователь энергии обеспечивает электрическое сообщение между шиной и одним из электромоторов;

электромотор с переключаемым магнитным сопротивлением в электрическом сообщении со множеством электромоторов посредством шины, причем электромотор с переключаемым магнитным сопротивлением соединен по меньшей мере с одним гидравлическим насосом для приведения в действие по меньшей мере одного вспомогательного исполнительного механизма;

двигатель, соединенный с электромотором с переключаемым магнитным сопротивлением; и

систему аккумулирования энергии в электрическом сообщении с множеством электромоторов и электромотором с переключаемым магнитным сопротивлением посредством шины, причем система аккумулирования энергии содержит корпус, вал, образующий ось вала и поддерживаемый с возможностью вращения относительно корпуса, ротор, прикрепленный к валу, статор и маховик, соединенный с валом для вращения вокруг оси вала, причем статор проходит вокруг ротора и вокруг оси вала.

20. Система привода по п. 19, в которой в первом режиме вращение электромоторов передает электрическую энергию в систему аккумулирования энергии и вызывает вращение маховика, при этом во втором режиме вращение ротора и маховика расходует энергию для приведения в действие множества электромоторов.

21. Система привода по п. 19, дополнительно содержащая множество тормозных механизмов, причем каждый из тормозных механизмов связан с одним из электромоторов, при этом, когда скорость электромотора уменьшается, электромотор подает энергию в систему аккумулирования энергии.

22. Система привода по п. 19, в которой по меньшей мере в одном режиме работы электромотор с переключаемым магнитным сопротивлением может получать энергию от множества электромоторов, при этом электромотор с переключаемым магнитным сопротивлением приводит в действие двигатель с постоянной скоростью с уменьшением потребления топлива.