Стартер-генератор с дифференциальным электроприводом и способ управления стартер-генератором
STARTER-GENERATOR WITH DIFFERENTIAL ELECTRIC DRIVE AND METHOD OF CONTROLLING STARTER-GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в транспортных устройствах, в частности, для электрического пуска двигателя внутреннего сгорания, а также при работающем двигателе внутреннего сгорания в качестве источника питания бортовой электрической сети.
Транспортные средства: грузовые автомобили, автобусы, промышленные тракторы, - в качестве первичного источника энергии для движения обычно используют двигатель внутреннего сгорания (ДВС). При пуске ДВС его коленчатый вал обычно раскручивают до скорости 9…10 рад/с через открытую зубчатую пару от электродвигателя постоянного тока стартера, якорная цепь которого подключена к аккумуляторной батарее [1. Квайт С.М. и др. Пусковые качества и системы пуска автотракторных двигателей / С.М. Квайт, Я.А. Менделевич, Ю.П. Чижков. - М.: Машиностроение, 1990. - С. 188-205].
Для питания бортовой сети используется другая электрическая машина (генератор), которая работает при средних и высоких скоростях ДВС.
Хотя стартер и генератор имеют близкие значения электрической мощности и не работают одновременно, но совместить их функции в одной электрической машине не удается из-за несовпадения их механических характеристик: стартеру требуются относительно малые скорости при очень больших моментах (в зимнее время превосходящих номинальный момент ДВС), а генератору - сравнительно малые моменты при высоких скоростях.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является изобретение к патенту [Патент РФ 2189691 С1. Способ электрического пуска двигателя внутреннего сгорания / Ю.С. Усынин, А.С. Несмеянов. - №2001100773/06. Заявлено 09.01.2001. Опубликовано 20.09.2002, Бюл. №26], которое авторами заявки принято за прототип. Действительно, здесь описан дифференциальный электрический привод, в котором два электрических двигателя кинематически связаны между собой и с нагрузкой через дифференциал, маховые массы одного из электрических двигателей использованы в качестве накопителя механической энергии. Однако в нем, на наш взгляд, не реализованы в полной мере регулировочные возможности одного из звеньев - дифференциального редуктора.
В основу предлагаемого изобретения положена следующая техническая идея. Так как в дифференциальном планетарном редукторе в отличие от однопоточной механической передачи имеется дополнительная степень свободы, то, используя это обстоятельство как преимущество, предлагается, задавая разные законы движения основным звеньям (солнечной шестерне, эпициклу, водилу) и совмещая регулировочные возможности электрической и механической ветвей, разрешить главное противоречие совмещения в одной электрической машине механических характеристик статора и генератора - их несовпадающие значения номинальных значений скоростей и моментов.
Технической задачей изобретения является возможность увеличения величины пускового момента на валу коленчатого вала ДВС при помощи устройства стартер-генератора с дифференциальным электроприводом без увеличения числа элементов аккумуляторной батареи и повышение безотказности пуска ДВС.
Техническая задача достигается тем, что стартер-генератор с дифференциальным электроприводом, содержащий синхронную реактивную машину независимого возбуждения и дифференциальный редуктор, электрически связанные с системой управления и с источником питания бортовой сети, согласно изобретения, дополнительно содержит узел задания режимов работы стартер-генератора, двухканальную систему управления и два преобразователя; дифференциальный планетарный редуктор, содержащий солнечную шестерню, водило с сателлитами и эпицикл, на валу которого установлен механический тормоз, а между валами эпицикла и солнечной шестерни установлена фрикционная муфта, вал солнечной шестерни механически соединен с валом синхронной реактивной машины независимого возбуждения, а вал водила - с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания, статорные обмотки синхронной реактивной машины независимого возбуждения подключены к выходным силовым зажимам первого преобразователя, входные каналы которого подключены к выходным зажимам первого канала системы управления, выходные зажимы второго канала системы управления подключены к входным зажимам второго преобразователя, а выходные зажимы второго преобразователя электрически соединены с механическим тормозом и фрикционной муфтой редуктора, входные зажимы системы управления подключены к узлу задания режимов работы. Кроме того, на валу эпицикла дополнительно установлен маховик.
Техническая задача достигается тем, что способ управления стартер-генератором с дифференциальным электроприводом, содержащим синхронную реактивную машину независимого возбуждения, дифференциальный редуктор, включающий солнечную шестерню, водило с сателлитами, эпицикл с механическим тормозом, и систему управления, заключающийся в том, что электрическую машину используют в качестве стартера для электрического пуска двигателя внутреннего сгорания, а при работающем двигателе внутреннего сгорания - в качестве генератора бортовой сети, согласно изобретения, сначала включают механический тормоз, а фрикционную муфту между солнечной шестерней и водилом отключают, с помощью первого преобразователя электрической машины увеличивают ее угловую скорость коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания по заданному закону до величины, соответствующей устойчивому рабочему режиму двигателя внутреннего сгорания; после пуска двигателя внутреннего сгорания отключают механический тормоз, воздействуют с помощью второго преобразователя на дифференциальный планетарный редуктор, синхронизируют угловые скорости валов солнечной шестерни и водила; затем с помощью второго преобразователя включают фрикционную муфту между эпициклом и солнечной шестерней, блокируя все звенья дифференциального планетарного редуктора и переводя тем самым стартер-генератор в режим генератора бортовой сети.
Кроме того, согласно изобретения, сначала при отключенных механическом тормозе и фрикционной муфте накапливают механическую энергию в маховике, разгоняя его с помощью синхронной реактивной машины независимого возбуждения до заданной угловой скорости, затем резко тормозят синхронную реактивную машину независимого возбуждения, создают необходимый для пуска двигателя внутреннего сгорания момент на его валу, а после снижения угловой скорости маховика до нуля включают механический тормоз и продолжают осуществлять пуск двигателя внутреннего сгорания.
Кроме того, согласно изобретения, при работающем двигателе внутреннего сгорания, воздействуя на магнитный поток синхронной реактивной машины независимого возбуждения, снижают ее электродвижущую силу вращения, переводят из генераторного в двигательный режим и тем самым создают дополнительный крутящий момент на коленчатом валу двигателя внутреннего сгорания.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены:
- на фиг. 1 - структурная схема стартер-генератора для осуществления способа;
- на фиг. 2 - кинематическая схема дифференциального планетарного редуктора (а) и его схема замещения (б) в общем случае;
- на фиг. 3 - варианты обозначения на схемах замещения силовых цепей стартер-генератора при различных способах соединения его силовых звеньев: а) тормоз 13 включен, муфта 14 отключена; б) муфта 14 включена, тормоз 13 выключен; в) муфта 14 и тормоз 13 выключены; г) выключены тормоз 13 и муфта 14;
- на фиг. 4 - графики изменения во времени угловых скоростей звеньев электрического привода при пуске ДВС по первому примеру пуска ДВС;
- на фиг. 5 - графики изменения во времени угловых скоростей звеньев электрического привода при пуске ДВС по второму примеру пуска ДВС;
c
э
в
Буквами «с», «э» и «в» обозначены соответственно валы солнечной шестерни, эпицикла и водила, их угловые скорости - n, n, n;
Стартер-генератор содержит синхронную реактивную машину 1 с независимым возбуждением, вал которой через дифференциальный планетарный редуктор 2 механически связан с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания 3 (см. фиг. 1). Статорные обмотки электрической машины 1 подключены к выходным силовым зажимам первого преобразователя 4. Первый (управляющий) вход первого преобразователя 4 подключен к выходным клеммам второго (управляющего) канала системы управления 5. По этому каналу производят регулирование частоты и величины напряжения на статоре электрической машины 1. Второй (силовой) вход преобразователя 4 подключен к выходным (силовым) зажимам источника питания 8 (аккумуляторной батареи). Выходные зажимы первого канала (управляющего) системы управления 5 подключены к первому управляющему входу второго преобразователя 6, который воздействует на управляющие органы (катушки механического тормоза 13 и фрикционной муфты 14 дифференциального редуктора 2). Второй (силовой) вход второго преобразователя 6 подключен к выходным (силовым) зажимам источника питания 8 (аккумуляторной батареи). Входные зажимы системы управления 5 подключены к узлу 7 задания режимов работы стартер-генератора, с помощью которого устанавливается при пуске ДВС закон изменения угловой скорости вращения коленчатого вала, а при работе генератором на бортовую сеть - уровень напряжения и рабочий ток бортовой сети.
Кинематическая схема редуктора (см. фиг. 2) представлена однорядным планетарным блоком, который содержит солнечную шестерню 9, эпицикл 10 и водило 11 с сателлитами 12.
Вал солнечной шестерни 9 механически соединен с валом электрической машины 1, а вал водила 11 - с коленчатым валом ДВС 3.
На валу эпицикла 10 установлен механический тормоз 13, кроме того, имеется фрикционная муфта 14 между валами эпицикла 10 и солнечной шестерни 9.
Включением и отключением тормоза 13 и муфты 14 реализуются различные варианты структур силовых цепей. При этом удобно пользоваться схемами замещения (см. фиг. 3а, б, в, г). На этих схемах изображены только те тормозные звенья, которые в рассматриваемом режиме включены. Если эти звенья отключены, то на схеме замещения они не показаны. На этих же схемах стрелками показаны потоки энергии, поступающие в дифференциальный редуктор 2 и выходящие из него через соответствующие звенья: солнечную шестерню 9, эпицикл 10 или водило 11. По мнению авторов, чтобы удобнее понимать фиг. 2, 3 и последующие, были добавлены следующие буквенные обозначения звеньям дифференциального редуктора 2: «с» - солнечной шестерне, «э» - эпициклу и «в» - водилу.
p
На фиг. 3а приведена схема замещения силовых цепей дифференциального редуктора 2, когда включен тормоз 13 на валу эпицикла 10, а муфта 14 между валами солнечной шестерни 9 и эпицикла 10 отключена. Тем самым реализуется обычный планетарный редуктор с неподвижным эпициклом. Его передаточное число выбрано равным i=6…8 в соответствии с рекомендациями, изложенными в (Планетарные передачи. Справочник. Под ред. В.Н. Кудрявцева и Ю.Н. Кирдяшева. - Л.: «Машиностроение», 1977. С. 10, рис. 1.3а). Этой схемой включения редуктора 2 обеспечиваются повышенные вращающие моменты стартер-генератора в режиме пуска ДВС 3.
p
На фиг. 3б представлена схема включения дифференциального редуктора 2, когда тормоз 13 на валу эпицикла 10 отключен, а муфта 14 включена. Тем самым звенья редуктора 2 между собой оказываются сблокированными (т.е. относительно друг друга неподвижны) и вращаются как одно целое. В этом режиме передаточное число редуктора 2 i=1, тем самым обеспечивается работа стартер-генератора в режиме генератора бортовой сети, когда требуется относительно большая скорость электрической машины 1 при сравнительно малых моментах.
Фиг. 3в соответствует режиму аккумуляции (накопления) кинетической энергии маховых масс, механически связанных с валом эпицикла 10. В этом режиме тормоз 13 и муфта 14 отключены. При этом вал водила 11 неподвижен, что достигается из-за сравнительно большого момента прокрутки ДВС 3. Энергия берется из источника питания бортовой сети 8 (аккумуляторной батареи) и последовательно через электрическую машину 1, солнечную шестерню 9, сателлиты 12, вращающиеся в рассматриваемом режиме вокруг своих неподвижных осей водила 11, поступает на вал эпицикла 10 и связанные с ним маховые массы.
Наконец, когда отключены муфта 14 и тормоз 13 (см. фиг. 3г), то валы электрической машины 1 и ДВС 3 вращаются независимо друг от друга. Это - режим «синхронизации», что позволяет выравнивать (за счет управления скоростью электрической машины 1) скорости электрической машины 1 и ДВС 3 при смене режима стартера на режим генератора и наоборот.
Рассмотрим два примера пуска ДВС
Первый пример пуска ДВС. В исходном положении схемы (см. фиг. 3а) вал ДВС 3 механически отсоединен от элементов ходовой части транспортного средства. Цепи питания первого преобразователя 4 подключены к источнику питания 8, сигнал задания скорости коленчатого вала ДВС 3 на выходе узла 7 установлен равным нулю. Угловые скорости электрической машины 1 и коленчатого вала ДВС 3 равны нулю. В дифференциальном редукторе 2 механический тормоз 13 на валу эпицикла 10 включен, а муфта 14 отключена.
1
1
1
1
2
2
2
3
При пуске и последующей работе ДВС взаимодействие элементов схемы иллюстрируется графиками кривых, изображенных на фиг. 4. На начальном участке пуска ДВС (отрезок времени 0…t) узлом задания 7 увеличивают сигнал задания скорости по требуемому, например, линейному закону. С помощью системы управления 5 и преобразователя 4 электрическая машина 1 переводится в режим двигателя (т.е. стартера) и разгоняет коленчатый вал ДВС 3, пока тот не включится. В момент времени t происходит включение ДВС благодаря реализации процесса воспламенения горючей смеси внутри цилиндров ДВС. Так как непосредственно после момента времени t гарантировать устойчивый режим работы обычно нельзя, то некоторое время (отрезок времени t…t) электропривод оставляют работать в режиме стартера, чтобы ДВС «не заглох» (режим «сопровождения»). В момент времени t ДВС достигает минимальной устойчивой скорости холостого хода. На отрезке времени t…t продолжают вращать коленчатый вал ДВС с этой скоростью.
3
На всем отрезке времени 0…t электрическая машина 1 получает энергию от аккумуляторной батареи, работает в режиме двигателя (стартера) и вращает вал солнечной шестерни 9, а она вращает вал водила 11 и связанного с ним коленчатого вала ДВС 3. Вал эпицикла 10 в этом режиме неподвижен (тормоз 13 включен) и работает как механическая опора для сателлитов 12 (см. фиг. 2а). В нижней части фиг. 4 стрелками на мнемосхемах показаны направления перетоков энергии между звеньями в дифференциальном редукторе 2. Так, на отрезке времени 0…t3 энергия с вала электрической машины 1 через солнечную шестерню 9 поступает на вход дифференциального редуктора, потом передается на водило 10 и далее поступает на коленчатый вал ДВС 3.
3
3
Когда будет обеспечен устойчивый режим холостого хода ДВС (на фиг. 4 это соответствует моменту времени t), готовят к переключению электрическую машину 1 с режима двигателя (стартера) на режим генератора. С этой целью в момент времени t отключают тормоз 13 на валу эпицикла 10, а муфта 14 между валами солнечной шестерни 9 и эпицикла 10 остается отключенной.
С помощью системы управления 5 и преобразователя 4, воздействуя на электрическую машину 1, а через нее - на вал солнечной шестерни 9, интенсивно снижают угловую скорость шестерни 9, а через нее - увеличивают скорость вала эпицикла 10 до тех пор, пока они не станут равными между собой (режим «синхронизации»). Скорость вала водила 11 и связанного с ним коленчатого вала ДВС 3 может изменяться (под действием момента сопротивления со стороны коленчатого вала). Ее величина и направление изменения определяются соотношением величин индикаторного момента ДВС и момента сил сопротивления в ДВС 3, но на процессе синхронизации это не отражается.
3
4
По этой причине на фиг. 4 скорость водила 11 в режиме синхронизации (отрезок времени t…t) условно принята постоянной.
3
4
3
4
Направление энергетических потоков в режиме синхронизации может быть принято следующим. Так как в этом режиме обычно задают интенсивное торможение электрической машины 1, то кинетической энергии, запасенной во вращающихся маховых массах, связанных с ее валом, бывает достаточно, чтобы увеличить угловую скорость эпицикла 10 и даже частично рекуперировать ее в источник питания бортовой сети (см. мнемосхему замещения дифференциального редуктора для отрезка времени t…t на фиг. 4). Направление перетоков энергии между коленчатым валом ДВС 3 и водилом 11 дифференциального редуктора может быть любым и зависит от интенсивности режима торможения электрической машины 1 на отрезке времени t…t.
4
p
В момент времени t угловые скорости валов солнечной шестерни 9 и эпицикла 10 выравниваются, поэтому производят включение муфты 14, из-за чего звенья дифференциального редуктора: солнечная шестерня 9, эпицикл 10 и водило 11 блокируются между собой, т.е. начинают вращаться, как одно целое с равными угловыми скоростями. В этом режиме передаточное число редуктора i=1, угловые скорости электрической машины 1 и коленчатого вала ДВС 3 равны между собой. Электрическая машина 1 работает в режиме генератора (источника питания бортовой сети), а ее рабочий ток регулируют, воздействуя на цепь возбуждения.
Второй пример пуска ДВС 3 в предлагаемой заявке на стартер-генератор рекомендован, когда увеличен момент сопротивления прокручиванию коленчатого вала (например, пуск ДВС в зимнее время) или когда частично разряжена аккумуляторная батарея источника питания бортовой сети.
В исходном положении (фиг. 2а) механический тормоз 13 и муфта 14 отключены. При таком соединении звеньев дифференциального редуктора 2 исключают передачу механического движения стартер-генератора на вал ДВС 3.
6
Графики кривых переходного процесса пуска ДВС по второму примеру изображены на фиг. 5. Сначала (фиг. 5) с помощью управляемого первого преобразователя 4 электрическую машину 1 на отрезке времени 0…t разгоняют до требуемой скорости по заданному (например, линейному) закону в направлении «назад». При этом вал эпицикла 10 будет разгоняться «вперед», а вал водила 11 - оставаться неподвижным, так как для его вращения необходимо преодолеть большой момент сопротивления (например, при зимнем пуске ДВС) со стороны коленчатого вала ДВС 3. Направление вращения валов «вперед» - это направление, совпадающее с направлением вращения в рабочем режиме коленчатого вала ДВС 3.
э
6
6
7
6
По мере увеличении скорости вала эпицикла 10 n в его маховых массах происходит накопление (аккумуляция) кинетической энергии и при достижении валом эпицикла 10 требуемого значения скорости в момент времени t производят следующее переключение в схеме стартер-генератора: тормоз 13 и муфту 14 оставляют отключенными, а электрическую машину 1 резко тормозят, воздействуя на нее через первый преобразователь 4 с помощью системы управления 5. В результате на отрезке времени t…t электрическая машина 1 и эпицикл 10 тормозятся, высвобождая кинетическую энергию своих маховых масс и направляя ее через водило 11 на разгон коленчатого вала ДВС 3. При достаточно большом значении момента инерции вращающихся масс со стороны эпицикла 10 и интенсивном торможении электрическая машина 1 даже может переходит в режим рекуперативного торможения, отдавая часть накопленной за время 0…t кинетической энергии в источник питания бортовой сети 8 (аккумуляторную батарею) по следующей электрической цепи: электрическая машина 1, (работающая в режиме рекуперации) и управляемый преобразователь 4, (работающий в режиме активного выпрямителя).
7
7
8
э
В момент времени t угловая скорость электрической машины 1 падает до нуля и характер процессов меняется: электрическую машину 1 на отрезке времени t…t переводят в двигательный режим, скорость эпицикла 10 n продолжает снижаться до нуля, а энергия, необходимая для разгона коленчатого вала при пуске ДВС 3, поступает из бортовой сети 8 через электрическую машину 1, а также за счет продолжающейся разрядки маховых масс эпицикла 10.
8
3
c
в
В момент времени t, когда скорость эпицикла 10 упадет до нуля, включают тормоз 13. В результате электрическая машина 1 механически соединяется с коленчатым валом ДВС 3 по однопоточной схеме через планетарный редуктор 2, который в рассматриваемом режиме работает с неподвижным эпициклом 10. Процессы при этом протекают в стартер-генераторе по схеме, которая описана на отрезке времени 0…t (фиг. 4). Отличие заключается лишь в том, что в случае (фиг. 5) они протекают при не нулевых начальных значениях скоростей солнечной шестерни 9 n и водила 11 n.
Как показано в первом и втором примерах пуска ДВС техническим результатом предлагаемого технического решения является обеспечение безотказности пуска ДВС в холодное время года без увеличения мощности автономного источника питания.
Источники информации 1. Квайт С.М. и др. Пусковые качества и системы пуска автотракторных двигателей / С.М. Квайт, Я.А. Менделевич, Ю.П. Чижков. - М.: машиностроение, 1990, - с. 188-205.
2. Патент РФ 2189691 С1. Способ электрического пуска двигателя внутреннего сгорания / Ю.С Усынин, А.С. Несмеянов. - №2001100773/06. Заявлено 09.01.2001. Опубликовано 20.09.2002, Бюл. №26.
3. Планетарные передачи. Справочник. Под ред. В.Н. Кудрявцева и Ю.Н. Кирдяшева. - Л.: «Машиностроение», 1977. С. 10.