ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ТРАНСМИССИЯ
ELECTROMECHANICAL TRANSMISSION

Изобретение относится к области тяговых транспортных средств и может быть использовано в рабочих, гусеничных, инженерных и других типах машин.
Известна электромеханическая трансмиссия гусеничного трактора (RU 2179119 С1, В60L 11/08,12.07.2001), содержащая тепловой двигатель, кинематически соединенный с ним электрический синхронный генератор, а также подключенный к генератору через преобразователь частоты тока тяговый асинхронный двигатель. Выходной вал электрического двигателя через зубчатую муфту связан посредством конической передачи с осевым валом, который соединен с входными валами левого и правого механизмов поворота планетарного типа. Последние через бортовые редукторы связаны с ведущими колесами трактора. Система управления трансмиссией включает в себя датчик оборотов выходного вала асинхронного двигателя, датчик и задатчик потока намагничивания асинхронного двигателя, подключенные к выходному блоку управления электромашинами, который соединен с блоком возбуждения синхронного генератора и преобразователем частоты тока. Генератор имеет выход для питания потребителей сети переменного тока. Электромеханическая трансмиссия гусеничного трактора обеспечивает возможность автоматического регулирования тягового усилия и скорости трактора в широком диапазоне за счет сохранения постоянства мощности при изменении тягового усилия трактора.
Недостатками данной электромеханической трансмиссии гусеничного трактора являются:
- наличие обмоток на роторе синхронного генератора и на роторе асинхронного двигателя, на которые действуют большие центробежные силы, которые со временем могут привести к разрушению изоляции обмоток и выходу электромеханической трансмиссии из строя;
- ограничение на работу в области высоких частот вращения;
- невозможность работы при выходе из строя одной из фазных обмоток асинхронного двигателя или синхронного генератора;
- низкая ремонтопригодность, так как сложная конструкция статорных фазных обмоток асинхронного двигателя и синхронного генератора трансмиссии не позволяет производить ремонт вышедшей из строя фазной обмотки, не затрагивая работоспособные фазные обмотки;
- относительно невысокий КПД асинхронного электродвигателя в области низких частот вращения;
- относительно высокая стоимость, вследствие применения в ней дорогостоящих электрических машин синхронного и асинхронного типов.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому техническому решению, принятой за прототип, является система электрического транспорта (WO 2006/037040 A1, B60K 6/04, 06.04.2006), содержащая двигатель внутреннего сгорания и генератор, соединенный с электродвигателем, силовую шину, соединенную с генератором, накопитель энергии, подключенный к силовой шине, контроллер привода, подключенный к электродвигателю и силовой шине и к контроллеру транспорта, где в качестве генератора применен синхронный генератор, электрический двигатель является асинхронным электрическим двигателем. Данная система электрического транспорта обладает теми же самыми недостатками, что и описанная выше электромеханическая трансмиссия гусеничного трактора.
Задачей, решаемой изобретением, является создание электромеханической трансмиссии, обеспечивающей повышение надежности работы, повышение живучести, повышение ремонтопригодности, повышение КПД, а также снижение стоимости электромеханической трансмиссии при сохранении возможности регулирования тягового усилия в широком диапазоне значений.
Для решения поставленной задачи в электромеханической трансмиссии, содержащей как минимум один тепловой двигатель, как минимум одно тяговое устройство, как минимум две электрические машины, как минимум два электронных коммутатора, силовые электрические шины, как минимум один накопитель электрический энергии, блок управления, причем одна электрическая машина кинематически соединена с первичным тепловым двигателем, одна электрическая машина кинематически соединена с тяговым устройством, блок управления подключен к электронным коммутаторам, накопитель электрической энергии подключен к силовым шинам, согласно данному заявлению в качестве электрических машин применены реактивные индукторные машины, каждая из которых содержит ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах статора, при этом фазные обмотки реактивных индукторных машин подключены через электронные коммутаторы к силовым шинам.
В частных случаях предлагаемая электромеханическая трансмиссия может характеризоваться одним или несколькими из нижеперечисленных признаков:
- как минимум одна электрическая реактивная индукторная машина выполнена таким образом, что результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора машины равен или более 24;
- накопитель электрической энергии содержит как минимум один пленочный конденсатор;
- ведены датчики положения ротора электрических реактивных индукторных машин, которые подключены к блоку управления.
Устранение недостатка, связанного с разрушением изоляции обмотки ротора под действием центробежных сил, достигается применением электрических реактивных индукторных машин, у которых отсутствуют обмотки на роторе, что повышает надежность работы предлагаемой электромеханической трансмиссии.
Сохранение работоспособности предлагаемой электромеханической трансмиссии при выходе из строя одной из фазных обмоток электрических машин достигается путем применения электрических реактивных индукторных машин, которые могут безопасно функционировать при выходе из строя одной из фазных обмоток. При этом вышедшая из строя фазная обмотка обесточивается, а мощность трансмиссии снижается. Таким образом, повышается живучесть электромеханической трансмиссии.
Повышение ремонтопригодности предлагаемой электромеханической трансмиссии достигается применением электрических реактивных индукторных машин, у которых фазная обмотка состоит из простых по конструкции сосредоточенных электрических катушек, что позволяет производить замену вышедшей из строя фазной обмотки, не затрагивая работоспособные фазные обмотки.
Повышение КПД предлагаемой электромеханической трансмиссии достигается применением электрических реактивных индукторных машин, которые имеют больший по сравнению с асинхронными и синхронными электрическими машинами КПД, особенно в области низких частот вращения.
Снижение стоимости предлагаемой электромеханической трансмиссии достигается применением электрических реактивных индукторных машин, которые содержат простые по конструкции фазные обмотки только на статоре и по этой причине имеют более низкую стоимость по сравнению с электрическими машинами известной системы электрического транспорта.
Исполнение электрических реактивных индукторных машин, при котором результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора каждой электрической реактивной индукторной машины электромеханической трансмиссии равен или больше 24, при прочих равных условиях обеспечивает повышенную частоту выходного и питающего напряжений этих электрических машин. Это, в свою очередь, способствует уменьшению пульсаций напряжения на накопителе электрической энергии, а следовательно, уменьшению требуемой величины емкости накопителя энергии, что позволяет применить в накопителе предлагаемой электромеханической трансмиссии пленочные конденсаторы, которые при равных значениях рабочего тока и напряжения обладают более высокой надежностью и меньшими габаритами по сравнению с электролитическими конденсаторами. Указанное исполнение электрических реактивных индукторных машин в совокупности с применением накопителя электрической энергии, содержащего пленочные конденсаторы, будут способствовать уменьшению габаритов и повышению надежности работы предлагаемой электромеханической трансмиссии.
На фиг.1 схематично изображена одна из многих возможных конфигураций предлагаемой электромеханической трансмиссии, которая содержит тепловой двигатель 1, электрическую реактивную индукторную машину 2, кинематически соединенную с тепловым двигателем 1, электронный коммутатор 3, силовые шины 4, к которым коммутатор 3 осуществляет подключение фазных обмоток реактивной индукторной машины 2, электронный коммутатор 5, электрическую реактивную индукторную машину 6, подключение фазных обмоток которой к силовым шинам 4 осуществляет электронный коммутатор 5, тяговое устройство 7, с которым кинематически соединена реактивная индукторная машина 6, накопитель электрической энергии 8, который подключен к силовым шинам 4, блок управления 9, датчики положения ротора 10 и 11 электрических реактивных индукторных машин 2 и 6, причем датчики положения ротора 10 и 11 подключены к блоку управления 9.
На фиг.2 схематично изображена электрическая реактивная индукторная машина, содержащая безобмоточный ротор 12, на валу 13 которого закреплен зубчатый магнитопровод 14, статор 15 с полюсами 16 и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек 17, размещенных на полюсах 16 статора 15.
Предлагаемая электромеханическая трансмиссия в тяговом режиме работает следующим образом.
При вращении выходного вала теплового двигателя 1 блок управления 9 в соответствии с сигналами, поступающими от датчиков положения ротора 10 и 11 электрических реактивных индукторных машин 2 и 6, вырабатывает сигналы управления и подает их на электронные коммутаторы 3 и 5. В соответствии с сигналами управления, поступающими от блока управления 9, электронные коммутаторы 3 и 5 подключают к силовым шинам 4 фазные обмотки электрических реактивных индукторных машин 2 и 6 таким образом, что электрическая реактивная индукторная машина 2 через коммутатор 3 и силовые шины 4 потребляет необходимую для возбуждения электрическую энергию от накопителя электрической энергии 8, затем преобразует вращательную механическую энергию теплового двигателя 1 в электрическую энергию, которая через электронный коммутатор 3 и силовые шины 4 поступает обратно в накопитель электрической энергии 8, накопитель электрической энергии 8 поддерживает на силовых шинах 4 уровень напряжения, необходимый для передачи электрической энергии между электрическими реактивными индукторными машинами 2 и 6, электрическая реактивная индукторная машина 6 через электронный коммутатор 5 и силовые шины 4 потребляет электрическую энергию от накопителя электрической энергии 8, преобразует ее во вращательную механическую энергию и передает вращающий момент на тяговое устройство 7. Блок управления обеспечивает регулирование тягового усилия предлагаемой электромеханической трансмиссии в широком диапазоне значений.