电阻器栅格组件.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103999168 A (43)申请公布日 2014.08.20 CN 103999168 A (21)申请号 201280061705.3 (22)申请日 2012.12.11 13/326,875 2011.12.15 US H01C 3/00(2006.01) H01C 3/10(2006.01) (71)申请人 卡特彼勒公司 地址 美国伊利诺伊州 (72)发明人 GM布朗 BS贝利 (74)专利代理机构 北京市金杜律师事务所 11256 代理人 苏娟 朱利晓 (54) 发明名称 电阻器栅格组件 (57) 摘要 一种能够用在电阻器栅格组件中的电阻器单 元。该电阻

2、器单元包括支承元件和电阻器元件。 支承元件中形成有孔。电阻器元件具有主体部分 和在端部处的末端部分， 末端部分能够接收在孔 中以将电阻器元件安装在支承元件上。 此外， 突片 从主体部分的所述端部延伸， 从而形成电阻器元 件的一部分。突片能够在支承元件和电阻器元件 之间提供热屏蔽。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2014.06.13 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/US2012/068848 2012.12.11 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2013/090219 EN 2013.06.20 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 6

3、页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103999168 A CN 103999168 A 1/1 页 2 1. 一种能够用在电阻器栅格组件 (111) 中的电阻器单元 (308)， 该电阻器单元 (308) 包括 ： 支承元件 (402)， 其中形成有孔 (406) ； 电阻器元件 (404)， 其具有沿着纵向 (XX) 延伸的主体部分 (502) 和设置在主体部分 (502) 的端部处的末端部分 (504)， 电阻器元件 (510) 的末端部分 (504) 能够接收在孔 (406) 中以

4、将电阻器元件 (404) 安装在支承元件 (402) 上 ； 和 突片 (508)， 其从主体部分 (502) 的所述端部在大致横向上延伸， 突片 (508) 能够在支 承元件 (402) 和电阻器元件 (404) 之间提供热屏蔽。 2. 如权利要求 1 所述的电阻器单元 (308)， 其中， 支承元件 (402) 是由绝缘材料制成的 块的形状。 3. 如权利要求 1 所述的电阻器单元 (308)， 其中， 电阻器元件 (404) 由电阻材料制成的 连续条形成。 4. 如权利要求 1 所述的电阻器单元 (308)， 其中， 电阻器元件 (404) 包括形成在相对纵 向侧处的一系列反折部分 (5

5、03)。 5. 如权利要求 1 所述的电阻器单元 (308)， 其中， 电阻器元件 (404) 还包括邻近主体部 分 (502) 的所述端部的狭槽 (602)。 6. 如权利要求 5 所述的电阻器单元 (308)， 其中， 狭槽 (602) 沿着纵向 (XX) 延伸。 7. 如权利要求 1 所述的电阻器单元 (308)， 其中， 突片 (508) 形成电阻器元件 (404) 的 部分。 8. 如权利要求 6 所述的电阻器单元 (308)， 其中， 突片 (508) 通过弯曲电阻器元件 (510) 的一部分形成。 9. 如权利要求 1 所述的电阻器单元 (308)， 其中， 突片 (508) 在

6、端部 (506) 处紧固到主 体部分 (502)。 10. 一种电阻器栅格组件 (111)， 包括 ： 壳体 (302) ； 设置在所述壳体 (302) 中的两个或多个电阻器单元 (308)， 该电阻器单元 (308) 包括 ： 多个支承元件 (402)， 其附加到壳体 (302)， 支承元件 (402) 中形成有多个孔 (406) ； 一个或多个电阻器元件 (404)， 其具有沿着纵向 (XX) 延伸的主体部分 (502) 和设置在 主体部分(502)的端部(506)处的末端部分(504)， 末端部分(504)能够接收在所述多个孔 (406) 中以将所述一个或多个电阻器元件 (404) 安装

7、到所述多个支承元件 (402)， 和 从所述端部 (506) 在横向 (YY) 上延伸的突片 (508)， 所述突片 (508) 能够在支承元件 和电阻器元件 (404) 之间提供热屏蔽 ； 和 传导构件(312)， 其能够将所述两个或多个电阻器单元(308)电连接在所述壳体(302) 中。 权 利 要 求 书 CN 103999168 A 2 1/6 页 3 电阻器栅格组件 技术领域 0001 本发明涉及一种用于机器中的动态制动系统的电阻器栅格组件， 更具体地涉及用 于电阻器栅格组件的电阻器单元。 背景技术 0002 用于例如电机车和柴油 - 电机车、 非高速公路机器及其他重型设备等机器中的

8、动 态制动的电阻器栅格组件是公知的。典型地， 电阻器栅格组件包括多个电阻器元件以将机 器制动过程中产生的电功率作为热的形式消散。因此， 电阻器栅格组件可补偿基于摩擦的 制动并使机器的基于摩擦的制动部件中的磨损最小。但是， 产生的热会提高电阻器栅格组 件中的相邻部件的温度并且如果此温度超过临界极限还会导致失效。 0003 美国专利 No.4,651,124 公开一种热消散电阻器单元， 其具有多个连接的折扇状 的导电电阻器元件。电阻器元件通过支柱支承在刚性框架内， 支柱附加到电阻元件的回路 和对应的耐热绝缘元件。 热消散电阻器单元还包括附加于框架的内侧表面的有机材料的绝 缘板和围绕从框架向内定位的

9、耐热绝缘元件的金属热屏蔽。但是， 金属热屏蔽可需要通过 一个或多个保持环支承在热消散电阻器单元上。 发明内容 0004 一方面， 本发明提供一种能够用在电阻器栅格组件中的电阻器单元。该电阻器单 元包括支承元件和电阻器元件。支承元件中形成有孔。电阻器元件具有在纵向上延伸的主 体部分和在主体部分的端部处的末端部分。 末端部分能够接收在孔中以将电阻器元件安装 到支承元件。此外， 突片从电阻器元件的所述端部在横向上延伸。突片能够在支承元件和 电阻器元件之间提供热屏蔽。 0005 在另一方面， 本发明提供一种电阻器栅格组件， 其具有壳体和设置在壳体中的两 个或更多个电阻器单元。电阻器单元包括附加到壳体的

10、支承元件。支承元件中形成有多个 孔。电阻器单元包括一个或多个电阻器元件， 电阻器元件具有在纵向上延伸的主体部分和 在主体部分的端部处的末端部分。 末端部分能够接收在所述多个孔中以将电阻器元件安装 到支承元件。此外， 突片从电阻器元件的端部在横向上延伸。突片能够在支承元件和电阻 器元件之间提供热屏蔽。 电阻器栅格组件还包括能够电连接两个或更多个电阻器单元的传 导构件。 0006 在又一方面， 本发明提供一种用于机器的动态制动系统， 机器具有与多个驱动马 达操作地相关以驱动一组驱动轮的功率源。 动态制动系统包括被构造成至少部分基于操作 者指令生成制动信号的控制单元。 制动信号使所述多个驱动马达的扭

11、矩极性颠倒以从所述 组的驱动轮生成电功率。电阻器栅格组件被构造成接收电功率。电阻器栅格组件包括支承 元件和安装到支承元件的电阻器元件。 电阻器元件被构造成将来自所述多个驱动马达的电 功率的至少部分作为热能消散。 此外， 突片从电阻器元件的端部延伸， 从而形成电阻器元件 的部分。突片被构造成在电阻器元件和支承元件之间提供热屏蔽。 说 明 书 CN 103999168 A 3 2/6 页 4 0007 本发明的其他特征和方面将从以下说明和附图中清楚。 附图说明 0008 图 1 示出根据本发明一方面的机器的侧视图 ； 0009 图 2 示出用于图 1 的机器的电驱动的示意图 ； 0010 图 3

12、示出电阻器栅格组件的截面图 ； 0011 图 4 示出电阻器单元的透视图 ； 0012 图 5 示出用于图 4 的电阻器单元的电阻器元件的透视图 ； 和 0013 图 6 示出根据本发明的一种实施方式的具有狭槽的电阻器元件的透视图。 具体实施方式 0014 现在将参考附图详细描述本发明。图 1 中示意性地示出了其中可以实施本发明的 实施方式的机器 100。机器 100 可以一般性地描述为具有连接到一个或多个驱动轮的电驱 动的任何机器。机器 100 可包括例如柴油发动机机车、 地铁、 非高速公路卡车等车辆或者用 于采矿、 建筑、 采石及其它应用的车辆。但是， 明白的是具有电驱动或者仅有电布置的任

13、何 其他车辆可以包括在机器 100 中。 0015 出于本发明的目的， 在图 1 中， 机器 100 被示出为非高速公路卡车。机器 100 可包 括底盘 102 以支承机器 100 的各种部件。机器 100 可包括支承在底盘 102 上的倾卸主体 104。底盘 102 可进一步支承被限定为围场的操作者驾驶室 106。占据操作者驾驶室 106 的 操作者可通过利用如操纵杆、 杠杆、 基于触摸的用户界面等的控制装置发出各种操作者指 令来控制机器 100 的各种功能。 0016 机器100可进一步包括一组驱动轮108以推进机器100。 在一种实施方式中， 还可 以设置一组空转轮 110 来使机器 1

14、00 在不同方向上转向。此外， 机器 100 还可包括用于转 向的关节运动底盘。所述组的驱动轮 108 和所述组的空转轮 110 一起可用作机器 100 的地 面接合构件。如图 1 所示， 机器 100 还包括与操作者驾驶室 106 相邻地定位在机器 100 中 的电阻器栅格组件111。 但是， 明白的是电阻器栅格组件111可基于机器100的设计和可用 空间定位在任何地方。 0017 本发明的机器 100 可以是具有电驱动 112 的电机器。电驱动 112 可提供电功率以 驱动机器 100 中的各种部件。在一种实施方式中， 电功率可以通过可由发动机或者其他任 何功率源驱动的发电机、 交流发电机

15、或者另一功率生成装置机载地产生。 替代地， 电功率可 以不机载地产生， 而经由集电弓架、 电池、 一组电容器等从高架的导体外部地供应以驱动机 器 100。 0018 在所示实施方式中， 电驱动 112 包括功率源 114， 其可以是发动机， 例如像柴油发 动机、 汽油发动机、 天然气发动机等的内燃发动机。功率源 114 可以在机器 100 中的输出轴 116 处提供输出扭矩。输出轴 116 可连接到发电机 118， 发电机可以是多相交流电 (AC) 同 步交流发电机。在操作过程中， 输出轴 116 转动发电机 118 的转子以产生电功率， 例如交流 电 (AC) 形式的电功率。该产生的电功率可

16、用来运行直接或者经由中间组件联接到所述组 的驱动轮 108 的多个驱动马达 120。出于本发明的目的， 驱动马达 120 可以是可变速、 可逆 AC 马达。 说 明 书 CN 103999168 A 4 3/6 页 5 0019 图 2 中示出电驱动 112 的示意图。本发明的电驱动 112 可以是直接序列驱动。图 2示出了机器100中的电驱动112的各个部件的布置。 在此示意图中， 系统中的电功率的流 动方向通过箭头表示。实线的箭头表示当机器 100 被推进时电功率的流动。反过来， 图 2 中的虚线箭头表示在机器 100 的制动模式过程中电功率的流动。同时， 点划线箭头表示电 驱动 112

17、的部件之间的控制线连接。 0020 本领域技术人员将会理解， 发电机 118 可产生交流电 (AC) 功率形式的电功率。该 电功率可供应至整流器 122 并转换成直流电 (DC) 功率。整流的 DC 功率可通过反相器电路 124 再次转换成 AC 功率。反相器电路 124 可能够选择性地调节输出的频率和 / 或脉冲宽 度， 使得连接到反相器电路 124 的输出的驱动马达 120 可以以可变的速度操作。在一种实 施方式中， 多个反相器电路 124 可设置成与机器 100 中的驱动马达 120 连接。 0021 图 2 进一步示出了用于机器 100 的动态制动系统 200。动态制动系统 200 可

18、与机 器 100 的驱动马达 120 连接。具体地， 动态制动系统 200 可操作地设置成与机器 100 中的 反相器电路 124 连接。动态制动系统 200 可被构造成在制动模式过程中依据机器 100 中的 操作者指令减慢机器 100 的推进。 0022 根据本发明， 动态制动系统 200 可包括控制单元 202， 其可以是 ( 但不限于 ) 一组 指令、 随机存取存储器 (RAM)、 只读存储器 (ROM)、 闪存、 数据结构等的组合。控制单元 202 可被构造成接收机器 100 中的操作者指令。此外， 控制单元 202 可至少部分基于操作者指 令确定是否将机器 100 置于制动模式。为了

19、启动机器 100 的制动， 控制单元 202 可生成用 于反相器电路 124 的制动信号 ( 通过点划线示出 )。 0023 制动信号可以通过机器 100 中的反相器电路 124 接收。制动信号可执行指令以将 驱动马达 120 的扭矩极性颠倒。这使得驱动马达 120 用作发电机， 使用来自所述组的驱动 轮 108 的转动能量形式的机械功率来产生电功率。该电功率可供应回机器 100 中的电驱动 112。 0024 动态制动系统 200 可进一步构造成提供机器 100 中的再生制动。为此， 动态制动 系统 200 可包括能量存储单元 204。能量存储单元 204 可包括设置成与电驱动 112 中的

20、驱 动马达 120 连接的电池、 多个电容器等。如同在制动模式中， 驱动马达 120 可产生电功率， 能量存储单元 204 可存储此电功率以便稍后在机器 100 中使用。 0025 此外， 动态制动系统 200 可包括电阻器栅格组件 111。电阻器栅格组件 111 可以 热的形式消散一些或所有的生成电功率。图 3 示出了根据本发明一方面的电阻器栅格组件 111 的截面图。电阻器栅格组件 111 包括可为各种元件提供支承的壳体 302。壳体 302 可 以是任何形状并根据机器 100 中的空间限制分成一个或多个部分。在所示的例子中， 壳体 302 具有柱形形状， 其具有内端 304 和外端 30

21、6。此外， 壳体 302 分成 4 个扇形， 其彼此组装 在机器 100 中。 0026 电阻器栅格组件 111 包括设置在壳体 302 的内端 304 和外端 306 之间的电阻器单 元 308。电阻器栅格组件 111 可包括在端 - 端的取向上邻接的紧密包装成堆叠构造的两个 或更多个电阻器单元 308。电阻器单元 308 可统一地布置在壳体 302 中以保持彼此之间的 空气间隙。这种统一间隙确保电阻器栅格组件 111 中的电阻器单元 308 之间的冷却空气的 充分流动。而且， 一个或多个冷却空气通风孔 310 可设置在壳体 302 中以便冷却空气在电 阻器栅格组件 111 中循环。 说 明

22、 书 CN 103999168 A 5 4/6 页 6 0027 在电阻器栅格组件111中， 电阻器单元308可串联连接以提供连续的电流路径。 为 此， 传导构件 312 可设置在壳体 302 中， 将所述两个或更多个电阻器单元 308 电连接在电阻 器栅格组件 111 中。传导构件 312 可以是导电电线、 焊接等。电阻器单元 308 可以使得电 阻器栅格组件 111 可具有两个电流电路、 一个接触器功率电路和一个斩波器功率电路的方 式连接。 0028 图 4 示出根据本发明的电阻器单元 308 的示意图。电阻器单元 308 实质上包括支 承元件 402 和安装到支承元件 402 的一个或多

23、个电阻器元件 404。电阻器单元 308 可进一 步包括被构造成为一个或多个电阻器元件 404 提供支承的加强肋 ( 未示出 )。在所示的例 子中， 一个或多个电阻器元件 404 安装在一对支承元件 402 之间， 该支承元件 402 又附加到 电阻器栅格组件 111 的壳体 302 的内端 304 和外端 306。此外， 一个或多个电阻器元件 404 可布置成列， 以紧密面对面的关系彼此大致平行， 从而在其之间形成横向气流路径。 0029 如所示的， 支承元件 402 可以是由例如硅结合的层压云母、 陶瓷、 玻璃加强材料等 的绝缘材料制成的块的形状。但是， 可以使用具有绝缘性能的任何其他材料

24、作为支承元件 402。支承元件 402 可通过例如螺母和螺栓、 螺钉等一些紧固构件附加到壳体 302。支承元 件 402 包括形成于其中的多个孔 406。此外， 孔 406 可不延伸经过支承元件 402。 0030 图 5 示出电阻器元件 404 的透视图。电阻器元件 404 可由例如不锈钢的电阻材料 的连续条形成。电阻器元件 404 可包括沿着电阻器元件 404 的纵向 XX 延伸的主体部分 502。在一些实施方式中， 电阻器元件 404 还可包括在电阻器元件 404 的主体部分 502 中布 置在相对纵向侧的一系列反折部分 503。在一种示例性构造中， 电阻器 404 可沿着纵向 XX 延

25、伸大约 200mm 到大约 250mm 的范围。在具体例子中， 电阻器元件 404 可具有大约 240mm 的长度。 0031 电阻器元件 404 可具有布置在主体部分 502 的端部 506 处的末端部分 504。替代 地， 电阻器元件404可包括从两个端部506设置的两个或更多个末端部分504。 电阻器元件 404 的末端部分 504 可适于接收在支承元件 402 的孔 406 中。孔 406 可提供一些间隙以便 末端部分 504 在其内运动。这允许电阻器元件 404 在热膨胀和热收缩时沿纵向 XX 在电阻 器单元 308 中运动。 0032 此外， 电阻器元件 404 还可具有设置在端部

26、 506 处的突片 508。突片 508 基本在电 阻器元件 404 的横向 YY 上延伸。替代地， 多个突片 508 可沿着横向 YY 从电阻器元件 404 相反地延伸。突片 508 可通过弯曲电阻器元件 404 的部分 510 形成， 使得突片 508 形成电 阻器元件 404 的一部分。在替代实施方式中， 突片 508 可在端部 506 紧固到主体部分 502。 突片 508 可被构造成在支承元件 402 和电阻器元件 404 之间提供热屏蔽。 0033 图 6 示出其中形成有狭槽 602 的电阻器元件 404 的一种实施方式。狭槽 602 可通 过在制造过程中将电阻器元件 404 的一

27、些区段切掉形成。狭槽 602 可在纵向 XX 上沿着电 阻器元件 404 的长度延伸。此外， 电阻器元件 404 可包括多个狭槽 602。在一种示例性构造 中， 狭槽 602 可以是矩形形状并延伸 10mm 到 30mm 的范围。在一种具体例子中， 狭槽 602 可 以是 2mm 乘 20mm。 0034 将明白， 出于某些操作条件或者由于电阻器元件 404 在电阻器单元 308 中的特定 布置， 会需要一些冷却空气。 为此， 电阻器栅格组件111可具有强迫通风系统(未示出)， 例 如设置在壳体 302 中以便供应冷却空气的风扇、 吹风机等。 说 明 书 CN 103999168 A 6 5/

28、6 页 7 0035 工业实用性 0036 本发明能够应用于许多机器， 例如像倾卸卡车的大型非高速公路卡车， 它们常用 于矿山、 建筑工地和采石场。机器 100 可具有高的有效载荷能力和在全负荷时每小时几英 里的行驶速度。机器 100 可进一步要求在干燥或潮湿条件下在各种环境和攀越陡坡下操 作。 0037 通常， 为了停止或减慢这种机器， 基于摩擦的制动器联接到所述组的驱动轮并且 使用空转轮。这些基于摩擦的制动器是有效的， 但会随着长期使用而磨坏。为了克服此， 本 发明的机器 100 可包括动态制动系统 200， 其可以与或不与这些基于摩擦的制动器结合工 作。动态制动系统 200 可补充机器

29、100 中的这些基于摩擦的制动器， 因此帮助减小这种制 动器的磨损。 0038 动态制动系统 200 可根据操作者指令作用以将机器 100 置于制动模式。具体地， 操作者指令可由动态制动系统 200 中的控制单元 202 接收。控制单元 202 生成至少部分通 过操作者指令确定的制动信号。这种确定或计算可基于机器 100 的各种操作参数， 例如当 前速度、 当前有效载荷、 加速率、 希望的速度等。 0039 接着， 制动信号可由机器 100 的电驱动 112 中的反相器电路 124 接收。在制动模 式， 电驱动 112 可转换驱动马达 120 的扭矩极性， 这使得驱动马达 120 用作发电机。

30、在此模 式， 驱动马达 120 可使用来自所述组的驱动轮 108 的功率， 最终排放所述组的驱动轮 108 的 机械能并实现机器 100 的减慢。此外， 消耗来自所述组的驱动轮 108 的机械功率的驱动马 达 120 可在电驱动 112 中生成电功率。 0040 此生成的电功率可被馈送到电驱动112中的动态制动系统200。 生成的电功率(可 以是 AC 的形式 ) 可经由反相器 124 馈送， 其将 AC 电功率转换成 DC 电功率。在一种实施方 式中， 对于具有再生制动的机器 100， 生成的电功率一部分可供应至电阻器栅格组件 111， 生成的电功率的剩余部分可供应至能量存储单元 204 以

31、便在机器 100 中稍后使用。生成的 电功率可经过电阻器栅格组件 111 的电阻器单元 308 中的电阻器元件 404 以作为热消散。 0041 具体地， 热通过电阻器元件的主体部分 502 生成。此生成的热可发散到支承元件 402 并提高电阻器单元 308 中的支承元件 402 的温度。根据工业标准， 支承元件 402 的正常 持续操作温度在 300 到 400 摄氏度的范围。对于短的间隔， 支承元件 402 的温度可由于浪 涌达到较高的值， 但如果温度升高到临界温度以上延长的时间段， 则支承元件 402 的寿命 会极大地减小。此外， 电阻器元件 404 的机械稳定性会被削弱， 造成电阻器元

32、件 404 弯曲， 并最终导致动态制动系统 200 的快速失效。 0042 为了使从主体部分 502 发散到支承元件 402 的热通量最小， 本发明的电阻器单元 308 为电阻器元件 404 提供突片 508。突片 508 可用作电阻器单元 308 中的支承元件 402 和电阻器元件 404 之间的热屏蔽。此外， 突片 508 还可通过增加电阻器元件 404 的表面面 积改善热分布。 0043 突片 508 可在电阻器元件 404 的制造过程中通过弯曲电阻器元件 404 的部分 510 形成。突片 508 可因此形成电阻器元件 404 的部分， 不需要焊接或任何其他结合过程。而 且， 突片 5

33、08 可向制造过程增加最小成本， 因为电阻器元件 404 的被弯曲的部分 510 原本可 被切掉和刮去。 0044 此外， 生成的热会在电阻器元件 404 中造成热应力。这会造成电阻器元件 404 变 说 明 书 CN 103999168 A 7 6/6 页 8 形， 并有可能接触电阻器单元 308 中的相邻电阻器元件 404， 这也会导致电阻器栅格组件 111 失效。限定在本发明的电阻器元件 404 中的狭槽 602 可通过为电阻器单元 308 中的电 阻器元件 404 的材料提供膨胀或收缩的空间来抑制电阻器元件 404 的变形。 0045 虽然这里描述的本发明的实施方式可在不脱离权利要求的

34、范围的条件下结合， 但 本领域技术人员将明白可以进行多种修改和变型。 本领域技术人员从说明书的考量和本发 明的实践可以清楚其他实施方式。说明书和例子旨在被认为仅是示例性的， 真正的范围通 过权力要求书及其等同范围表明。 说 明 书 CN 103999168 A 8 1/5 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103999168 A 9 2/5 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 103999168 A 10 3/5 页 11 图 3 说 明 书 附 图 CN 103999168 A 11 4/5 页 12 图 4 说 明 书 附 图 CN 103999168 A 12 5/5 页 13 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103999168 A 13