Гибридная силовая установка технического средства
HYBRID POWER INSTALLATION OF TECHNICAL EQUIPMENT

Изобретение относится к системам автономного энергоснабжения технических средств, а именно к гибридным силовым установкам.
Под техническими средствами заявитель понимает любые стационарные или мобильные установки, в том числе транспортные средства, содержащие в своем составе тепловой двигатель, электрическую машину, накопитель электрической энергии, трансмиссию и рабочие органы.
Под тепловым двигателем заявитель подразумевает любое снабженное валом устройство, осуществляющее преобразование энергии топлива, генерируемой в процессе его окисления кислородом воздуха, в механическую энергию вращения вала.
Под электрической машиной заявитель подразумевает любое снабженное валом и выводами электрической обмотки устройство, осуществляющее преобразование электрической энергии, подведенной к выводам обмотки, в механическую энергию вращения вала, а также механической энергии вращения вала в электрическую энергию, транспортируемую к выводам обмотки.
Под накопителем электрической энергии заявитель подразумевает и электрохимические аккумуляторы, и электрохимические конденсаторы, снабженные присоединительными выводами, которые, в свою очередь, выполнены тем или иным образом (в том числе с помощью электронных преобразующих устройств) электрически соединенными с выводами электрической машины.
Под рабочим органом заявитель подразумевает любое устройство, посредством которого техническое средство выполняет полезную работу, а также любое устройство, посредством которого техническое средство принимает ту или иную конфигурацию, необходимую для выполнения полезной работы.
Под трансмиссией, исключительно в контексте данного изобретения, заявитель подразумевает совокупность узлов и агрегатов, посредством которой осуществляется передача крутящего момента, генерируемого тепловым двигателем и/или электрической машиной, к рабочему органу технического средства.
Под потребителем электрической энергии заявитель подразумевает любое устройство, посредством которого происходит преобразование подводимой к нему электрической энергии в полезную работу рабочего органа или трансмиссии.
Из патентов US 4707629, 4МПК H02K 47/08, публ. 17.11.1987, US 4805295, 4МПК H02K 47/08, публ. 21.02.1989, известна электрическая машина, включающая в себя коаксиально расположенные неподвижно установленный индуктор (лат. inductor, возбудитель - устоявшийся термин, применяемый для обозначения данного узла в электромашинах постоянного тока; в электромашинах переменного тока, обычно, применяют термин статор), снабженный обмоткой возбуждения, и установленный с возможностью вращения ротор (устоявшийся термин, применяемый для обозначения данного узла в электромашинах переменного тока; в электромашинах постоянного тока, обычно, применяют термин якорь), снабженный коллектором, контактными кольцами, а также обмоткой постоянного тока и обмоткой переменного тока, уложенными в пазы ротора. При этом выводы обмотки постоянного тока выполнены соединенными с пластинами коллектора, а обмотки переменного тока - с контактными кольцами. Выводы обмотки возбуждения индуктора и выводы обмотки ротора постоянного тока, последние посредством контактно-щеточного узла со щетками и соответствующих пластин коллектора, выполнены с возможностью гальванического соединения с выводами источника постоянного тока (накопителя электроэнергии). Выводы обмотки ротора переменного тока, посредством другого контактно-щеточного узла со щетками и соответствующих им контактных колец, выполнены с возможностью гальванического соединения с потребителем электрической энергии, требующим для своей работы переменного тока. При этом электрическая машина представляет собой обратимый вращающийся преобразователь, выполненный не только с возможностью работы от источника постоянного тока (вид тока) и подачи к потребителю электрической энергии переменного тока, но и с возможностью работы от источника переменного тока (вид тока) и подачи к потребителю электрической энергии постоянного тока.
Из патента US 3913004, 2МПК Н02М 7/64, публ. 14.10.1975, известна электрическая машина, включающая в себя коаксиально расположенные неподвижно установленный индуктор, снабженный радиально расположенными постоянными магнитами, и установленный с возможностью вращения ротор, снабженный коллектором, контактными кольцами, а также обмотками постоянного и переменного тока, уложенными в пазы ротора. Выводы обмотки постоянного тока выполнены соединенными с пластинами коллектора, а обмотки переменного тока с контактными кольцами. Выводы обмотки постоянного тока, посредством контактно-щеточного узла со щетками и соответствующих пластин коллектора, выполнены с возможностью гальванического соединения с выводами накопителя электрической энергии. Выводы обмотки переменного тока, посредством другого контактно-щеточного узла со щетками и соответствующих контактных колец, выполнены с возможностью гальванического соединения с потребителем электрической энергии. При этом в описании к патенту указано, что обмотка постоянного тока, преимущественно, имеет меньшее количество витков, чем обмотка переменного тока, что один из изготовленных авторами преобразователей, содержал четыре коллекторные щетки и 20 ламелей коллектора, обмотки постоянного тока содержали такое количество витков, чтобы приводить во вращение ротор с частотой 1750 оборотов в минуту при питании обмоток от источника постоянного напряжения 48 В током величиной 25 А. В то же самое время обмотки переменного тока содержали такое число витков, чтобы обеспечивать питание потребителя электрической энергии переменным током 32 А при напряжении 110 В с частотой 60 Гц. Соотношение мощностей - 1200 Вт на входе и 3520 Вт на выходе (примечание заявителя: для активной нагрузки; для активно-реактивной нагрузки P=UIcosϕ). При этом в статье «Сверхэффективный мотор-генератор Роберта Александера», размещенной на интернет ресурсе http://electrik.info/main/fakty/1268-motor-generator-roberta-aleksandera.html, статья просмотрена 02.10.2017, указано, что в октябре 1975 года Роберт Александер, один из авторов патента US 3913004, представил публике электромобиль с модернизированной электрической машиной, который перемещался со скоростью 36 миль в час. Электрическая машина была переделана таким образом, чтобы напряжение на выходе ее обмотки переменного тока составляло 12 В. При этом обмотка постоянного тока упомянутой машины получала питание от накопителя электрической энергии, ротор приводил в действие гидравлическую и воздушную системы электромобиля, а накопитель электрической энергии (в данном случае аккумуляторная батарея), в свою очередь, получал заряд от обмотки переменного тока.
Из заявки US 2010/0184560 А1, 6МПК B60W 10/08, B60W 30/18, Н02Р 27/00, B60K 1/04, публ. 22.07.2010, известен электромобиль, включающий в себя тяговый электродвигатель (электромашину) переменного тока, три электрохимических (один из которых вспомогательный/резервный, два - поочередно подключаемые) и один емкостной накопители электрической энергии, а также два двигателя-генератора, контроллер состояния накопителей электроэнергии, силовой трансформатор и зарядное устройство. Любой из двигателей-генераторов содержит приводной электродвигатель (электромашину) постоянного тока, сконфигурированный для работы, по меньшей мере, с одним электрогенератором (электромашиной) переменного тока. При этом электрогенераторы переменного тока питают тяговый электродвигатель, а через контроллер, силовой трансформатор и зарядное устройство, один из накопителей электрической энергии. Данный электромобиль, по информации заявителя, характеризуется увеличенным выбегом без подзарядки от внешних источников электрической энергии.
Из патента RU 2556075, 6МПК H02K 3/12, H02K 17/00, публ. 10.07.2015, известна асинхронная электрическая машина, включающая в себя коаксиально расположенные неподвижно установленный явно полюсный или неявно полюсный индуктор, снабженный обмоткой возбуждения, и установленный с возможностью вращения ротор, снабженный короткозамкнутой обмоткой типа беличьей клетки. Обмотка возбуждения индуктора выполнена многожильным кабелем, содержащим некоторое количество изолированных и электрически не связанных между собой проводников, часть из которых выполнена с возможностью подключения к источнику переменного тока (вид тока), а часть с возможностью подключения к потребителю электрической энергии (переменного тока). В описании к патенту указано, что данная электрическая машина выполнена с возможностью одновременной работы и в режиме электродвигателя, и в режиме электрогенератора. При этом указано, что выполнение обмотки многожильным кабелем позволяет уменьшить величину емкостной составляющей сопротивления электрических цепей машины, а выполнение обмоток концентрическими обеспечивает возможность использования резонансных явлений.
Из патента RU 2436220, 6МПК H02K 17/16, H02K 17/22, H02K 3/04, публ. 10.12.2011, известен короткозамкнутый ротор асинхронной электрической машины, включающий в себя вал и коаксиально закрепленный на валу, посредством диэлектрической, предпочтительно магнитодиэлектрической, втулки, магнитопровод, сформированный в виде кругового цилиндра. Магнитопровод может быть выполнен составным, сформированным продольно расположенными, как вариант, радиально шихтованными, стержнями с аксиальной электропроводностью (магнитомягкая сталь), и двумя оппозитно расположенными, относительно стержней, лобными коротко замыкающими перемычками, сформированными, предпочтительно, из неферромагнитного электропроводящего материала (медь, алюминий). Магнитопровод может быть также выполнен в виде стальной трубы, снабженной щелеобразными перфорационными окнами. Данное техническое решение обеспечивает уменьшение массы ротора и повышение эффективности его охлаждения.
Из патента RU 2091967, 6МПК H02K 23/44, публ. 27.09.1997, известна асинхронная электрическая машина, включающая в себя контактно-щеточный узел со щетками, а также коаксиально расположенные ротор и индуктор. Ротор содержит кольцеобразный шихтованный магнитопровод с пазами и уложенную/сформированную в пазах магнитопровода обмотку. Индуктор содержит цилиндрический шихтованный магнитопровод с пазами, уложенную в пазах магнитопровода обмотку, и коллектор. Контактно-щеточный узел выполнен установленным неподвижно, а индуктор и ротор с возможностью вращения. При этом ротор выполнен кинематически связанным с валом приводного двигателя (тепловой двигатель или электрическая машина), а вал индуктора с трансмиссией технического средства (входные вал, шестерня, зубчатое колесо, шкив…). Обмотка ротора выполнена короткозамкнутой, типа беличьей клетки. Щетки контактно-щеточного узла выполнены с возможностью, с одной стороны, прилегания к коллектору, а с другой стороны, с возможностью соединения обмотки индуктора с источником постоянного тока. При этом электрическая машина может работать либо в двигательном режиме, либо в режиме генератора, о чем есть соответствующее упоминание в описании к патенту RU 2349014. В случае работы электрической машины в режиме двигателя, она является усилителем механической мощности, в котором выходная механическая мощность, передаваемая ротору от приводного двигателя, суммируется с механической мощностью, развиваемой на валу индуктора, при питании обмотки индуктора от источника постоянного тока - в данном решении Iи=const, Uнэ=var, при этом якорь вращается с опережением ротора (ротор асинхронных электродвигателей переменного тока вращается с отставанием, относительно вращающегося магнитного поля индуктора).
Из патента RU 2349014, 6МПК H02K 16/00, H02K 47/02, H02K 51/00, публ. 10.03.2009, известна асинхронная торцевая электрическая машина, включающая в себя контактно-щеточный узел со щетками переменного тока, контактно-щеточный узел со щетками постоянного тока, а также аксиально расположенные ротор и индуктор, каждый из которых выполнен с возможностью вращения. При этом ротор выполнен кинематически связанным с валом приводного двигателя. Ротор содержит кольцеобразный шихтованный магнитопровод и короткозамкнутую обмотку. Индуктор содержит кольцеобразный шихтованный магнитопровод, трехфазную обмотку переменного тока, обмотку постоянного тока, торцевой коллектор, ламели которого выполнены соединенными с обмоткой постоянного тока, и контактные кольца, выполненные соединенными с трехфазной обмоткой переменного тока. В описании к патенту указано, что данная электрическая машина является электромеханическим преобразователем, в котором электрическая энергия источника постоянного тока (вид тока), подводимая к обмотке постоянного тока индуктора, и механическая энергия приводного двигателя, передаваемая на ротор, суммируются с преобразованием в электрическую энергию переменного тока, генерируемую в обмотке переменного тока (вид тока) индуктора.
2
2
2
2
По информации интернет ресурса https://geographyofrussia.com/osobennosti-razmeshheniya-naseleniya-na-territorii-zemli/, информация просмотрена 02.10.2017, с учетом уточнений полученных на ресурсах https://www.syl.ru/article/109407/naselenie-germanii-chislennost-plotnost-i-natsionalnyiy-sostav, http://countymeters.info/ru/Japan/, http://www.statdata.ru/nasel_regions средняя плотность населения в мире - 45 чел/км. Для половины суши плотность населения составляет менее 1 чел/км, а на 1/4 - она колеблется от 1 до 10 чел/км. На земном шаре можно выделить 6 регионов с наибольшей плотностью населения (свыше 100 чел/км):
2
- Восточноазиатский (Восточный Китай, Япония (348 чел/км), КНДР, республика Корея).
- Южноазиатский (Индо-Гангская низменность, Южная Индия).
- Юго-Восточноазиатский (Индонезия, Таиланд, Филиппины, Малайзия, Вьетнам, Мьянма).
- Европейский (Европа без северной ее части).
- Северо-Восточный район США.
- Западноафриканский регион (долина Нила и низовья Нигера - страны: Нигерия Бенин, Гана).
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Среди плотно заселенных стран встречаются как индустриальные, сильно урбанизированные страны (Великобритания, Бельгия, ФРГ 530…74 чел/км, средняя 230)), так и аграрные страны с резким перевесом сельского населения (Индия, Индонезия, Бангладеш). Аналогичная ситуация и среди редко заселенных государств, к числу которых относятся как высокоразвитые страны - Россия, средняя плотность населения 9 чел на 1 км (плотность населения в европейской части 27 чел/км, в центральном экономическом районе, где проживает одна пятая населения страны, 62 чел/км, в г. Москва с 4910 человек на 1 км, г Санкт-Петербург 3724 человек на 1 км, Севастополь 481 чел на 1 км.), Канада и Австралия, средняя плотность населения, соответственно, 3 и 2 чел/км, так и экономически отсталые - Монголия, Ливия, Суринам (2-3 чел/км).
По информации интернет ресурса:
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%B3%D0%BB%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%B8_%D0%A0%D0%BE%D1%81%D1%81%D0%B8%D0%B8, и иллюстративного к нему материала:
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Urban_Aggl_omerations_in_Russia_of_More_than_1_Million_People_2020.png, 38% населения России проживает на территории агломераций с численностью населения более 1 млн. человек. Информация просмотрена 02.10.2017.
НЭ
НЭ
В таблице, приведенной ниже, показано влияние площади поперечных сечений медных проводов, составляющих двухпроводную линию, и амплитуд транспортируемого линией тока на длину линии при условии, что падение напряжения в линии составляет 2%, а питание осуществляется от источника постоянного напряжения (I=var, U=const) с напряжением 12 В.
Приведенные в таблице значения взяты на интернет ресурсе http://www.samelectric.ru/komponenty/vy-bor-secheniya-provoda-dlya-postoyannogo-toka.html, информация просмотрена 02.10.2017. Не заполненные ячейки таблицы отмечают случаи, когда амплитуда тока, передаваемого по линии, превышает максимально допустимые, для провода данного сечения, значения. Приведенная таблица, косвенно, иллюстрирует материалоемкость трансформирующего, распределяющего и передающего электроэнергию оборудования. При этом следует отметить, что в отличие от углеводородных накопителей энергии (разного рода танки, баллоны), электрические накопители характеризуются несоизмеримо более высокой удельной (на единицу запасенной энергии) стоимостью.
Исходя из анализа плотности распределения населения по территории России, материалоемкости трансформирующего, распределяющего и передающего электроэнергию оборудования, можно предположить, что электромобили могут быть востребованы исключительно населением городских агломераций или полицентрических конурбаций, обладающих мощными развитыми электросетями. При этом массовое исключение тепловых двигателей из обихода, неизбежно приведет к необходимости переустройства электросетевого хозяйства агломераций.
По данным интернет ресурса:
http://meteo.ru/pogoda-i-klimat/93-klimaticheskie-usloviya/179-klimaticheskie-usloviya-na-territorii-rossii среднегодовая и средне сезонная температура воздуха, осредненная по территории России, за период с 1946 г. по 2006 г. находилась в интервале от минус 0,5°С до плюс 1°С.
Из интернет ресурса:
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BB%D0%B8%D0%BC%D0%B0%D1%82_%D0%A0%D0%BE%D1%81%D1%81%D0%B8%D0%B8 известно, что климатическая норма января в России составляет минус 14,5°С, в том числе:
- в Центральном федеральном округе -9,4°С,
- в Северо-Западном федеральном округе -12,4°С,
- в Южном федеральном округе -4,2°С,
- в Приволжском федеральном округе -13,4°С,
- в Уральском федеральном округе -19,0°С,
- в Сибирском федеральном округе -22,6°С,
- в Дальневосточном федеральном округе -23,0°С.
Исходя из климатических условий, в которых проживает населения России, а также существующего на сегодняшний день технического уровня накопителей электрической энергии, многие из которых термозависимы, полный отказ от технических средств, оснащенных тепловыми двигателями, на территории России, не рационален.
Из интернет ресурса https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%81-%D0%ВС%D0%ВЕ%D0%В1%D0%В8%D0%ВВ%D1%8C, информация просмотрена 18.10.2017, известна гибридная силовая установка технического средства (Ё-мобиль), включающая в себя тепловой двигатель, кинематически связанную с валом теплового двигателя главную электрическую машину, выполненную с возможностью работы в качестве генератора электрической энергии (при работающем тепловом двигателе) или в качестве электродвигателя (при запуске теплового двигателя), а также накопитель электрической энергии, присоединительные выводы которого, посредством блока управления, соединены с выводами главной электрической машины. Данная гибридная силовая установка также включает в себя одну или две, в зависимости от схемы колесной формулы технического средства - 2×4 или 4×4) вспомогательных электрических машины, каждая из которых выполнена с возможностью работы в или режиме электродвигателя (режим движения технического средства) или в режиме электрогенератора/рекуператора (режим торможения технического средства), присоединительные выводы любой из которых, посредством блока управления, соединены с выводами накопителя электрической энергии.
Одним из недостатков данного технического решения является полное обездвиживание технического средства при отказе главной электрической машины и разряде накопителя энергии при совершенно исправном тепловом двигателе.
В качестве прототипа изобретения принята известная из патента RU 2629648, 7МПК B60K 6/00, Р16Н 3/00, публ. 31.08.2017 гибридная силовая установка технического средства, содержащего трансмиссию. Гибридная силовая установка включает в себя накопитель электрической энергии, зубчатый механизм, тепловой двигатель, электрическую машину и обгонную муфту. Зубчатый механизм содержит водило, по меньшей мере, одну одновенцовую шестерню - сателлит с внешними зубьями, а также коаксиально расположенные первое центральное зубчатое колесо с внешними зубьями (солнечную шестерню) и второе центральное центральное зубчатое колесо с внутренними зубьями (коронную шестерню). Сателлит (сателлиты) выполнен(ы) расположенным(и) с образованием зубчатого зацепления с венцами коронной и солнечной шестерен, соединенным(и), с возможностью вращения, с водилом зубчатого механизма. Вал теплового двигателя выполнен соединенным, с возможностью передачи вращения, с водилом зубчатого механизма. Трансмиссия технического средства выполнена соединенной, с возможностью передачи вращения, с коронной шестерней зубчатого механизма. Вал электрической машины выполнен соединенным, посредством обгонной муфты, с солнечной шестерней зубчатого механизма. При этом в одном из вариантов реализации изобретения показано, что гибридная силовая установка может содержать фрикционный механизм, выполненный с возможностью удержания (стопорения), на ряде режимов работы, солнечной шестерни зубчатого механизма.
Цитированная гибридная силовая установка, в отличие от предыдущего решения, содержит только одну электрическую машину, при этом она, как и в предыдущем решении, обеспечивает ограниченное по расстоянию перемещение технического средства при отказе теплового двигателя, но, в отличие от предыдущего решения, неограниченное по расстоянию (с учетом периодических дозаправок топливом и при наличии двигателя с самовоспламенением) перемещение технического средства при отказе электрической машины (при условии, что запуск теплового двигателя осуществлен). Среди недостатков технического решения RU 2629648 следует выделить наличие обгонной муфты - устройства точной механики, применение которой оправдано в силовых установках, содержащих электрическую машину, магнитопроводы которой близки к насыщению.
Задачей изобретения было создание гибридной силовой установки технического средства, не содержащей в своем составе обгонной муфты, оснащенной одной электрической машиной, пригодной для использования в составе массового выпускаемых технических средств небольшой мощности, обеспечивающей ограниченную по времени эксплуатацию технического средства при отказе теплового двигателя и относительно длительную, по времени, эксплуатацию, при отказе электрической машины.
Задача решается в гибридной силовой установке технического средства, включающей в себя накопитель электрической энергии, зубчатый механизм, тепловой двигатель и электрическую машину. Где зубчатый механизм содержит центральные зубчатые колеса, водило, а также по меньшей мере, одну шестерню-сателлит с внешними зубьями, соединенную, с возможностью вращения, с водилом зубчатого механизма, электрическая машина содержит индуктор и ротор, водило зубчатого механизма выполнено кинематически, с возможностью передачи вращения, соединенным с валом теплового двигателя.
Задача решается тем, что:
- Первое и второе центральные зубчатые колеса зубчатого механизма выполнены расположенными аксиально, снабженными внешними зубьями,
- шестерня - сателлит выполнена снабженной первым и вторым аксиально разнесенными зубчатыми венцами,
- шестерня - сателлит выполнена установленной с образованием зубчатого зацепления между зубьями ее первого венца и зубьями первого центрального зубчатого колеса, а также с образованием зубчатого зацепления между зубьями ее второго венца и зубьями второго центрального зубчатого колеса,
- электрическая машина выполнена цилиндрической, содержащей установленный с возможностью вращения ротор, включающий в себя кольцеобразный магнитопровод и короткозамкнутую обмотку, а также установленный с возможностью вращения индуктор, включающий в себя вал, контактные кольца, шихтованный цилиндрический магнитопровод с пазами и размещенную в пазах силовую, преимущественно, трехфазную обмотку переменного тока, выводы которой выполнены гальванически соединенными с контактными кольцами.
- электрическая машина выполнена снабженной установленным неподвижно контактно-щеточным узлом силовой обмотки переменного тока, сформированным с возможностью взаимодействия его щеток с контактными кольцами индуктора,
- ротор электрической машины выполнен кинематически, с возможностью передачи вращения, соединенным с водилом зубчатого механизма,
- вал индуктора электрической машины выполнен кинематически, с возможностью передачи вращения, соединенным с первым центральным зубчатым колесом зубчатого механизма,
- второе центральное зубчатое колесо зубчатого механизма выполнено с возможностью кинематического соединения с трансмиссией технического средства.
- гибридная силовая установка выполнена снабженной фрикционной муфтой, выполненной с возможностью торможения первого центрального зубчатого колеса зубчатого механизма.
Задача, дополнительно, может решаться тем, что индуктор электрической машины снабжен контактными кольцами вспомогательной обмотки, вспомогательной, преимущественно, трехфазной обмоткой переменного тока, размещенной в пазах магнитопровода индуктора, выводы которой выполнены гальванически соединенными с контактными кольцами вспомогательной обмотки, а также тем, что электрическая машина выполнена снабженной установленным неподвижно контактно-щеточным узлом вспомогательной обмотки, выполненным с возможностью взаимодействия его щеток с кольцами вспомогательной обмотки индуктора.
Изобретение поясняется Фиг. 1, где изображена кинематическая схема предлагаемой ГСУ.
Изобретение может быть реализовано в гибридной силовой установке технического средства, содержащего трансмиссию, включающей в себя силовой и вспомогательный накопители электрической энергии (не покзаны), зубчатый механизм, тепловой двигатель и электрическую машину.
Зубчатый механизм выполнен содержащим первое 1 и второе 2 аксиально расположенные зубчатые колеса, каждое из которых снабжено зубчатым венцом с внешними зубьями, предпочтительно с одинаковым количеством зубьев, а также водило 3 и, по меньшей мере, одну шестерню-сателлит, снабженную двумя, первым 4 и вторым 5, аксиально разнесенными зубчатыми венцами с внешними зубьями, предпочтительно с одинаковым количеством зубьев. Шестерня - сателлит выполнена установленной с образованием зубчатого зацепления между зубьями ее первого 4 венца и зубьями первого 1 центрального зубчатого колеса, а также с образованием зубчатого зацепления между зубьями ее второго 5 венца и зубьями второго 2 центрального зубчатого колеса. Шестерня - сателлит выполнена соединенной, с возможностью вращения, с водилом 3 зубчатого механизма, которое, в свою очередь, выполнено кинематически, с возможностью передачи вращения, соединенным с валом теплового двигателя (не показаны). При этом второе 2 центральное зубчатое колесо зубчатого механизма выполнено с возможностью кинематического, с возможностью передачи вращения, соединения с трансмиссией технического средства (не показана).
Электрическая машина содержит коаксиально расположенные индуктор 6 и ротор 7, выполненные с возможностью вращения. Ротор 7 электрической машины выполнен снабженным кольцеобразным шихтованным или магнитодиэлектрическим магнитопроводом и короткозамкнутой обмоткой 8 типа беличьей клетки, известной по использованию в роторах асинхронных электрических машин. Индуктор 6 электрической машины выполнен снабженным валом, а также цилиндрическим, преимущественно, неявнополюсным, шихтованным магнитопроводом с пазами и уложенной в пазы магнитопровода n-фазной, преимущественно трех фазной, силовой обмоткой (не показана) переменного тока, а также, в соответствии с числом фаз и принятой схемой соединения силовых фазных обмоток, контактными кольцами 9.
Индуктор электрической машины может быть выполнен снабженным дополнительно уложенной в пазы магнитопровода вспомогательной, n-фазной, преимущественно трех фазной, обмоткой (не показана) переменного тока и соответственно выполненными контактными кольцами 10. При этом контактные кольца силовой и вспомогательной обмоток могут быть выполнены как в барабанном (показано на Фиг. 1), так и в торцевом исполнении (не показано).
Электрическая машина выполнена снабженной контактно-щеточным узлом (не показан) силовой обмотки переменного тока, сформированным с возможностью взаимодействия его щеток с контактными кольцами 9 силовой обмотки индуктора, а также, в случае наличия вспомогательной обмотки переменного тока, контактно-щеточным узлом (не показан) вспомогательной обмотки переменного тока, сформированным с возможностью взаимодействия его щеток с контактными кольцами 10 вспомогательной обмотки индуктора. Контактно-щеточные узлы электрической машины выполнены установленными неподвижно. Ротор 7 электрической машины выполнен кинематически, с возможностью вращения, соединенным с водилом 3, а вал индуктора 6 электрической машины кинематически соединенным с первым 1 центральным зубчатым колесом зубчатого механизма. При этом кинематическая связь вала индуктора с первым центральным зубчатым колесом планетарного механизма может быть выполнена редуцированной (не показано).
В принципе, электрическая машина может быть выполнена в торцовом исполнении (не показано). В этом случае и ротор и индуктор содержат аксиально расположенные, установленные с возможностью вращения, кольцеобразные магнитопроводы - индуктор с силовой и вспомогательной обмотками, а ротор с короткозамкнутой. При этом контактные кольца выполнены, предпочтительно, в торцевом исполнении. По сравнению с цилиндрическими, торцевые асинхронные двигатели имеют ряд преимуществ, среди которых можно выделить меньшую массу, лучшее охлаждение, малоотходное использование магнитных материалов, возможность выполнения магнитопроводов методами порошковой металлургии, более легкое выполнение обмоточных работ или выполнение обмоток печатным способом, более высокие динамические показатели (для ряда технических средств это качество может быть полезно). При этом из автореферата к диссертации «Торцевые асинхронные электродвигатели интегрального изготовления», автор К.Я. Вильданов, код специальности ВАК: 05.09.01, Москва, 2000 г., размещенного на интернет ресурсе http://www.dissercat.com/content/tortsevye-asinkhronnye-elektrodvigateli-integralnogo-izgotovleniya#ixzz4vCEN7K7Q просмотрен 11.10.2017, известно, что Швейцарская фирма "Micro-Electric" выпустила серию встраиваемых торцевых асинхронных двигателей мощностью до 1.1 квт, а фирма "Фербенке. Морзе и К°" - мощностью до 15 квт.
Возвращаясь к гибридной силовой установке, следует отметить, что вращающий момент, развиваемый тепловым двигателем (не показан), передаваемый водилу 3 зубчатого механизма, может быть полностью передан второму 2 центральному зубчатому колесу зубчатого механизма и далее трансмиссии технического средства (не показана) или в случае торможения/стопорения первого 1 центрального зубчатого колеса или в случае однонаправленного синхронного вращения первого 1 центрального зубчатого колеса и водила 3. В кинематической схеме заявляемой гибридной силовой установки индуктор 6 установлен с возможностью вращения. Момент сопротивления вращению индуктора, при обесточенных силовой и вспомогательной обмотках, явно меньше момента сопротивления вращению второго 2 центрального зубчатого колеса, и момента сопротивления вращению, развиваемого электрической машиной, работающей в режиме генератора, что обуславливает неизбежный обратный дрейф индуктора. Учитывая изложенное, в состав гибридной силовой установки включена фрикционная муфта 11, выполненная с возможностью торможения первого 1 центрального зубчатого колеса зубчатого механизма. Как уже упоминалось в RU 2629648, в качестве фрикционной муфты в составе гибридной силовой установки может быть использована любая из известных из уровня техники фрикционных муфт, но предпочтительно использование муфты, содержащей диск 12 и суппорт 13, снабженный управляемым фрикционным механизмом (показан условно). Диск 12 выполнен установленным с возможностью передачи тормозящего момента первому 1 центральному зубчатому колесу. Учитывая наличие кинематической связи между первым 1 центральным зубчатым колесом зубчатого механизма и валом индуктора 6 электрической машины, диск 12 фрикционной муфты выполнен кинематически соединенным с валом индуктора 6, преимущественно, на оппозитной, относительно планетарного механизма, стороне электрической машины. Суппорт 13 фрикционной муфты 11 выполнен установленным неподвижно, а фрикционный механизм (показан условно) выполнен с возможностью, предпочтительно, плавного торможения, удержания в неподвижном состоянии и плавного растормаживания диска 12 фрикционной муфты 11. Учитывая, что управление первым центральным зубчатым колесом посредством электрической машины сопряжено с затратами, в ряде случаев, дефицитной электрической энергии (например, в случае выхода из строя электрической машины), фрикционный механизм целесообразно выполнить как с возможностью прямого (электромеханического) или косвенного (опосредованного гидравликой или пневматикой) управления посредством электрической энергии, так и с возможностью прямого (механического) или косвенного (опосредованного гидравликой или пневматикой) управления посредством мускульной силы человека.
Гальваническая связь щеток контактно-щеточного узла (не показан) силовой обмотки переменного тока индуктора 6 электрической машины и присоединительных выводов силового накопителя электрической энергии (не показаны) гибридной силовой установки может быть выполнена, преимущественно, посредством электронного или электронно-контактного преобразователя (не показан), в состав выполняемых функций которого должны входить инвертирование n-фазного (по числу фаз индуктора) переменного тока в постоянный, инвертирование постоянного тока в n-фазный (по числу фаз индуктора) переменный, с возможностью изменения, в заданных пределах, частоты и амплитуды напряжения переменного тока (вид тока), а также с возможностью изменения чередования фаз. Априори будем также считать, что преобразователь обеспечивает требуемые для работы электрической машины амплитуды токов (в данном случае термин амплитуда тока использован как характеристика мощности). При этом гибридная силовая установка в своем составе может дополнительно содержать соответствующий числу фаз блок пусковых конденсаторов (не показаны), обычно применяемых для вывода асинхронных электрических машин в режим генератора. Гальваническая связь щеток контактно-щеточного узла (не показан) вспомогательной обмотки переменного тока индуктора 6 электрической машины и выводов вспомогательного накопителя электрической энергии (не показаны), гибридной силовой установки может быть выполнена осуществленной посредством вспомогательного электронного преобразователя (не показан), в состав выполняемых функций которого входит, по меньшей мере, выпрямление и регулирование амплитуды напряжения, генерируемого вспомогательной обмоткой. Упоминание о данных узлах необходимо только для понимания работы заявляемой гибридной силовой установки, их конструктивное исполнение и взаимосвязи могут быть различны и эти различия не влияют на суть заявляемого решения.
Изобретение работает следующим образом: Тепловой двигатель является лидирующей энергетической установкой, электрическая машина - вспомогательной. Движение технического средства, осуществляемое исключительно посредством электрической машины или исключительно посредством теплового двигателя, следует рассматривать в качестве экстремального режима.
1. Запуск теплового двигателя.
В начальный момент времени тепловой двигатель (не показан) остановлен, водило 3, кинематически связанное с тепловым двигателем, остановлено, техническое средство (не показано) остановлено, второе 2 центральное зубчатое колесо зубчатого механизма, кинематически связанное с трансмиссией технического средства (показана условно) остановлено, заблокировано штатным тормозным устройством технического средства (не показано), диск 12 фрикционной муфты 11, а также кинематически связанные с ним индуктор 6 и первое 1 центральное зубчатое колесо, заблокированы фрикционным механизмом муфты 11 от вращения. Подача на силовую обмотку (не показана) индуктора 6 n-фазного напряжения (по числу фаз обмотки индуктора переменного тока), с заданной пусковыми оборотами теплового двигателя частотой и заданным направлением вращения вала теплового двигателя чередованием фаз, создает вращающееся магнитное поле индуктора 6. Чередование фаз, обеспечивающее согласованное с валом теплового двигателя направление вращения магнитного поля индуктора, обозначим термином прямое чередовние фаз. Вращающееся магнитное поле индуктора 6 генерирует в короткозамкнутой обмотке 8 ротора 7 электрический ток, который создает магнитное поле ротора 7. Взаимодействие магнитных полей ротора 7 и индуктора 6 создает вращающий момент, приводящий ротор 7, водило 3 и вал теплового двигателя (не показаны) в асинхронное вращение в сторону вращения магнитного поля индуктора 6. Зубчатые венцы 4 и 5 шестерни - сателлита, связанной с возможностью вращения с водилом 3, свободно обкатываются по соответствующим им зубчатым венцам остановленных первого 1 и второго 2 центральных зубчатых колес. При достижении валом теплового двигателя пусковых оборотов, тепловой двигатель запускается. Здесь следует отметить, что плавное увеличение частоты переменного тока способствует плавному нарастанию скорости вращения вала теплового двигателя, обеспечивая его предварительную предстартовую прокрутку.
2. Работа гибридной силовой установки при обездвиженном техническом средстве.
Второе 2 центральное зубчатое колесо зубчатого механизма, кинематически связанное с трансмиссией технического средства, остановлено штатным тормозным устройством (не показано) технического средства, водило 3 зубчатого механизма и ротор 7 электрической машины вращаются с частотой вращения вала теплового двигателя. В данном случае ротор 7 является маховиком, энергия которого, в момент страгивания технического средства, может быть добавлена к энергии теплового двигателя (и электрической машины при переводе ее в режим электродвигателя).
2.1 - Силовая обмотка индуктора 6 обесточена, индуктор 6 расторможен. Шестерня - сателлит, обкатываемая водилом 3 и своим зубчатым венцом 5 по зубчатому венцу второго 2 центрального зубчатого колеса, своим зубчатым венцом 4 вращает первое 1 центральное зубчатое колесо в противоположную, относительно направления вращения водила 3, сторону. Указанное движение обусловлено малым сопротивлением вращению расторможенного индуктора 6. Данный режим оптимален для работы теплового двигателя с малой частотой вращения его выходного вала.
2.2 - Индуктор 6 заторможен. Силовая обмотка индуктора 6 обесточена. Шестерня -сателлит свободно обкатывается водилом 3 своими венцами 4 и 5 по зубчатым венцам первого 1 и второго 2 центральных зубчатых колес. Повышенная частота вращения вала теплового двигателя, равно водила 3 и ротора 7, может быть использована для работы электрической машины, в период простоя технического средства, в режиме генератора и для увеличения накопленной ротором энергии, которая, в свою очередь, может быть использована в момент страгивания технического средства.
2.3 - Индуктор 6 заторможен, шестерня - сателлит свободно обкатывается водилом 3 по зубчатым венцам первого 1 и второго 2 центральных зубчатых колес, к силовой обмотке индуктора 6 подключены пусковые конденсаторы (не показаны). Под действием остаточного магнетизма ротора в силовой обмотке индуктора 6 генерируется остаточная ЭДС, под действием которой через пусковые конденсаторы и силовую обмотку протекает ток, который, в свою очередь, усиливает магнитный поток индуктора, в результате чего индуцируемая ЭДС увеличивается до обусловленного параметрами электрической машины и конденсаторов значения - электрическая машина переходит на режим автономного асинхронного генератора, вращаемого тепловым двигателем.
2.4 - Индуктор 6 заторможен, шестерня - сателлит свободно обкатывается водилом 3 по зубчатым венцам первого 1 и второго 2 центральных зубчатых колес, силовая обмотка переменного тока индуктора 6 подключена к электронному преобразователю (не показан) или, с синхронизацией и с заданным сетью чередованием фаз, к внешней сети (не показана) переменного тока, вал теплового двигателя (водило 3) вращает ротор 7 электрической машины с частотой, превышающей частоту тока, генерируемого электронным преобразователем (не показан) или внешней сетью (не показана). Электрическая машина переходит в режим асинхронного генератора. При этом реактивную мощность, необходимую для возникновения вращающегося магнитного поля, машина получает от электронного преобразователя тока (не показан) или из внешней электрической сети (не показана).
3. Движение технического средства (выполнение полезной работы), осуществляемое посредством теплового двигателя и электрической машины.
Индуктор 6 и первое 1 центральное зубчатое колесо зубчатого механизма заторможены посредством фрикционной муфты 11. Плавное растормаживание штатного тормозного устройства (не показано) технического средства приводит к плавному растормаживанию второго 2 центрального зубчатого колеса зубчатого механизма и, следовательно, к уменьшению момента сопротивления его вращения.
При подаче на силовую обмотку индуктора 6 переменного напряжения с прямым чередованием фаз, заданной амплитуды и частоты, с учетом увеличения частоты вращения вала управляемого теплового двигателя и с учетом скольжения ротора 7, индуцируется вращающееся магнитное поле, синфазное направлению вращения ротора 7, подтягивающее ротор 7, водило 3 и вал теплового двигателя в направлении вращения вала теплового двигателя, суммируя вращающие моменты ротора 7 электрической машины, работающей в режиме электродвигателя, и вала теплового двигателя.
Шестерня - сателлит, обкатываемая водилом 3 одним из своих зубчатых венцов по зубчатому венцу первого 1 (заторможенного) центрального зубчатого колеса, другим своим зубчатым венцом вращает второе 2 центральное зубчатое колесо в противоположную, относительно направления вращения водила 3, сторону. Техническое средство начинает движение с ускорением, или двигается без ускорения при повышенном моменте сопротивления движению технического средства (совершает работу).
Алгоритм начала движения технического средства может быть иным. В начальный момент времени индуктор 6 и первое 1 центральное зубчатое колесо зубчатого механизма расторможены, второе 2 центральное зубчатое колесо заторможено штатной тормозной системой (не показана) технического средства. Шестерня - сателлит, обкатываемая водилом 3 одним из своих зубчатых венцов по зубчатому венцу второго 2 (заторможенного) центрального зубчатого колеса, другим своим зубчатым венцом вращает первое 1 центральное зубчатое колесо в противоположную, относительно направления вращения водила 3, сторону. Для начала движения технического средства первое 1 центральное зубчатое колесо должно быть остановлено. Данное действие может быть выполнено или посредством фрикционной муфты 11, управляемой мышечной силой человека или автоматическим устройством, или посредством электрической машины подачей на силовую обмотку ее индуктора 6 переменного напряжения с соответствующим чередованием фаз. Для перевода электрической машины в режим противовключения необходимо прямое чередование фаз (в данном случае - синфазное направлению вращения водила 3), а для перевода в режим электромагнитного тормоза (режим электрогенератора) обратное (в данном случае - противофазное направлению вращения водила 3) чередование фаз. Процесс останова первого 1 центрального зубчатого колеса должен быть согласован, по моментам сопротивления вращению, с процессом растормаживания второго 2 центрального зубчатого колеса.
Алгоритм начала движения технического средства может иметь третий вид. В начальный момент времени индуктор 6 и первое 1 центральное зубчатое колесо планетарного механизма расторможены, второе 2 центральное зубчатое колесо расторможено, техническое средство обездвижено силами сопротивления движению. Процессы управления, в данном случае, аналогичны описанным в предыдущем абзаце.
4. Движение технического средства (выполнение полезной работы), осуществляемое посредством исключительно теплового двигателя.
Трансмиссия технического средства расторможена, второе 2 центральное зубчатое колесо расторможено, первое 1 центральное зубчатое колесо заторможено посредством фрикционной муфты И, силовая обмотка индуктора 6 обесточена. Шестерня - сателлит, обкатываемая водилом 3 одним из своих зубчатых венцов по зубчатому венцу первого 1 центрального зубчатого колеса, другим своим зубчатым венцом вращает второе 2 центральное зубчатое колесо в противоположную, относительно направления вращения водила 3, сторону. Техническое средство совершает работу.
5. Движение технического средства (выполнение полезной работы), осуществляемое посредством исключительно электрической машины.
Трансмиссия технического средства расторможена, второе 2 центральное зубчатое колесо расторможено, первое 1 центральное зубчатое колесо расторможено, водило 3 и ротор 7 индуктора заторможены моментом сопротивления вращению остановленного теплового двигателя. При подаче переменного напряжения с обратным чередованием фаз, заданной амплитуды и частоты на силовую обмотку индуктора 6, в последней индуцируется вращающееся магнитное поле, в конечном итоге приводящее в движение индуктор 6 электрической машины во вращение в направлении, противоположном направлению вращения водила 3, характерном для описанных выше режимов. Вращение первого 1 центрального зубчатого колеса, взаимодействующего с зубчатым венцом 4 шестерни - сателлита, приводит к вращению сателлита в обратную, относительно направления вращения первого 1 центрального зубчатого колеса, сторону. Шестерня - сателлит, взаимодействуя своим зубчатым венцом 5 с зубчатым венцом второго центрального зубчатого колеса вращает второе 2 центральное зубчатое колесо в противоположную, относительно характерного направления вращения водила 3, сторону. Техническое средство совершает работу.
6. О выработка электрической машиной электрической энергии.
2
с
j
г
Баланс моментов вращения и моментов сопротивления вращению гибридной силовой установки М=М+M+М, где
2
М - вращающий момент, передаваемый трансмиссии технического средства вторым центральным зубчатым колесом зубчатого механизма с вала теплового двигателя, прямо пропорционально зависящий от среднего эффективного давления, развиваемого в камере сгорания теплового двигателя / от расхода топлива.
с
М - момент сопротивления вращению второго центрального зубчатого колеса зубчатого механизма, противопоставленный трансмиссией технического средства вследствие реализации движения технического средства или его рабочего органа.
j
M - момент инерции, прямо пропорционально зависящий от веса передвигаемой части технического средства, от моментов инерции входящих в состав трансмиссии и рабочего органа вращающихся частей и от величины ускорения передвигаемой части технического средства.
г
г
М - момент сопротивления вращению ротора электрической машины, работающей в режиме генератора, прямо пропорционально зависящий от амплитуды тока (I), генерируемого в обмотках индуктора электрической машины при движении технического средства.
2
c
j
j
2
с
г
При ускоренном движении технического средства (его рабочего органа), с целью минимизации расходов топлива тепловым двигателем, электрическая машина, как генератор, должна быть обесточена, тогда уравнение баланса моментов примет вид М=M+M. При равномерном движении технического средства (его рабочего органа) M→0 и уравнение баланса моментов может принять вид М=М+М.
Из приведенных выше балансов моментов равноускоренного и равномерного движений следует, что гибридная силовая установка, при равномерном движении технического средства (его рабочего органа) и сохранении тепловым двигателем величины расхода топлива на характерном для равноускоренного движения уровне, обладает избытком энергии, который может быть преобразован электрической машиной, с учетом потерь, в энергию силового накопителя электрической энергии.
j
г
M=М
д
j
д
Исходя из относительной кратковременности режимов движения технического средства (его рабочего органа) с ускорением, относительно времени предстартового простоя и времени равномерного движения, вытекает возможность компенсации момента сопротивления переводом электрической машины на работу в режим электродвигателя. М=-M, где М - вращающий момент, развиваемый ротором электрической машины, переведенной в режим электродвигателя, при питании силовой обмотки ее индуктора от силового накопителя электрической энергии.
2
г stop,
г stop
г stop
г.
г stop
г
г stop
Совершенно очевидно, что при заторможенных первом 1 и втором 2 центральных зубчатых колесах зубчатого механизма и работающем тепловом двигателе при сохранении им величины расхода топлива на характерном для равноускоренного движения уровне, уравнение баланса моментов примет вид М=М где М - момент сопротивления вращению ротора электрической машины, работающей в режиме генератора при обездвиженном техническом средстве, причем М>>М Учитывая, что  можно утверждать, что I>>I, где I амплитуда тока, вырабатываемого обмоткой индуктора во время работы электрической машины в режиме генератора при обездвиженном техническом средстве. В данном режиме электрическая машина обеспечивает быструю зарядку силового накопителя электрической энергии, в качестве которого целесообразно использовать электрохимический конденсатор (ионистор). Перевод электрической машины в режим генератора осуществляется увеличением частоты вращения ротора электрической машины (вала теплового двигателя) относительно частоты n-фазного напряжения, подаваемого преобразователем тока (не показан) на обмотку индуктора или подключением параллельно нагрузке электрических конденсаторов (не показаны) регламентированной емкости, величина которой зависит от импеданса электрической нагрузки и от мощности электрической машины в генераторном режиме.
При подключении выводов обмотки индуктора, вращаемой тепловым двигателем (при обездвиженном техническом средстве), к внешней электрической сети или к автономной сети внешней синхронной электрической машины (не показаны), электрическая машина технического средства может быть использована в качестве дополнительного источника энергии, обеспечивающего работоспособность энергосистемы, созданной вышеуказанным подключением. В данном режиме перевод электрической машины в режим генератора обеспечивается увеличением частоты вращения ротора электрической машины (вала теплового двигателя) относительно частоты напряжения внешней (созданной подключением) электрической сети (не показана), при этом необходимую для возбуждения электрической машины реактивную мощность последняя может получать из внешней сети. Способы включения асинхронных генераторов на параллельную работу с электрической сетью известны из уровня техники, один из множества способов описан, например, в техническом решении по патенту RU 2417501, 6МПК H02J 3/42, Н02Р 9/46, F25B 11/00, F03D 7/04, публ. 27.04.2011.
Все приведенные выше формулы носят иллюстративный характер и относятся к работе электрической машины в контексте работы силовой обмотки индуктора.
О вспомогательной обмотке индуктора:
Индуктор электрической машины, фактически, представляет собой трансформатор, выполненный с возможностью вращения на ряде режимов гибридной силовой установки. Вращающееся магнитное поле, созданное силовой обмоткой индуктора электрической машины, работающей как в режиме генератора, так и в режиме электродвигателя, взаимодействует с замкнутой на нагрузку (на вспомогательные преобразователь и накопитель электрической энергии) вспомогательной обмоткой индуктора, где и индуцируется ЭДС вспомогательной обмотки, под воздействием которой в электрической цепи вспомогательной обмотки начинает протекать электрический ток.
При этом хотелось бы отметить, что асинхронные электрические генераторы, по сравнению с синхронными, характеризуются повышенной перегрузочной способностью, а также меньшей степенью нелинейных искажений выходного напряжения (среднестатистически - у синхронных генераторов величина клирфактора может достигать 15% в то время как у асинхронных, она не превышает 2%), что позволяет использовать асинхронные генераторы для питания различного рода электронных устройств.
7. О работе электрической машины в режиме электродвигателя.
Принципиальная возможность регулирования угловой скорости асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения вытекает из зависимости:
, где
Э
ω - угловая частота вращения ротора электрической машины,
И
f - частота тока, протекающего в силовых обмотках индуктора,
S - скольжение ротора,
p - число пар полюсов индуктора.
Из уровня техники известно, что частотное регулирование скорости вращения роторов асинхронных электродвигателей применяется при повторно-кратковременных режимах их работы, в том числе с частым изменением направления вращения или интенсивным торможением ротора. При этом при регулировании частоты также возникает необходимость регулирования амплитуды напряжения, что следует из зависимости:
, где
И
U- амплитуда напряжения, подводимого к обмоткам индуктора,
k - коэффициент пропорциональности, зависящий от конструктивных особенностей электрической машины,
Ф - магнитный поток индуктора.
При неизменной амплитуде напряжения, подводимого к обмоткам индуктора:
- при уменьшении его частоты магнитный поток возрастает, что приводит к увеличению тока, протекающего через обмотки индуктора и, как следствие к увеличению вращающего момента ротора, но процесс сопровождается повышенным тепловыделением в обмотках электрической машины;
- при увеличении частоты магнитный поток, соответственно, уменьшается, соответственно уменьшается ток, протекающий через обмотки индуктора и, как следствие, уменьшается вращающий момент, развиваемый ротором электродвигателя.
Принципиальная возможность работы электродвигателя на общую с тепловым двигателем нагрузку вытекает из упомянутого в данном пункте выражения 1, из мощностного баланса технического средства, а также из зависимости:
, где
i
N - индикаторная мощность теплового двигателя,
Q - теплотворная способность топлива,
L - расход воздуха,
V - рабочий объем теплового двигателя,
д
ω - угловая частота вращения вала теплового двигателя.
Приведенные формулы 1, 2, 3 носят иллюстративный характер.
Увеличение вращающего момента на роторе электрической машины, который кинематически соединен с водилом зубчатого механизма и с валом теплового двигателя, приводит к уменьшению сопротивления вращению вала теплового двигателя и, при сохранении заданного расхода топлива, к увеличению частоты вращения вала теплового двигателя, соответственно к увеличению скорости перемещения технического средства или его рабочего органа.
При превышении величины вращающего момента, развиваемого на валу теплового двигателя, относительно величины вращающего момента, развиваемого ротором электрической машины, индуктор электрической машины должен быть обесточен. При разряженном накопителе электрической энергии, в случае избытка мощности, развиваемой тепловым двигателем, электрическая машина должна/может быть переведена в режим генератора. Перевод электрической машины в режим генератора может быть осуществлен подачей, посредством преобразователя (не показан), на обмотку индуктора переменного напряжения с частотой, обеспечивающей создание индуктором вращающегося магнитного поля, угловая частота вращения которого меньше угловой частоты вращения ротора или подключением упомянутых выше пусковых конденсаторов (не показаны). В последнем случае, выход электрической машины, как генератора, на режим отдачи мощности, осуществляется с небольшой задержкой.
Изобретение обеспечивает создание гибридной силовой установки для технического средства, оснащенной одной электрической машиной и не содержащей в своем составе обгонной муфты. При этом гибридная силовая установка обеспечивает ограниченную по времени эксплуатацию технического средства при отказе теплового двигателя и относительно длительную эксплуатацию технического средства при отказе электрической машины.