ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ВАРИАТОР
ELECTROMECHANIC VARIATOR

Изобретение относится к электродинамическим устройствам для передачи механической энергии от ведущего вала к ведомому, работающим как в режиме двигателя, так и в режиме генератора, и может быть использовано в трансмиссиях транспортных средств в качестве автоматического вариатора скорости и крутящего момента.
Известен электромеханический вариатор с ведущим и ведомым валами, выполненный в виде электрически связанных между собой генератора и электродвигателя, имеющий два соосно установленных индуктора с обмотками возбуждения, одна из которых электрически соединена с независимым источником постоянного тока, один общий для двигателя и генератора якорь с обмоткой, пересекаемой магнитными потоками обоих индукторов, индуцирующих в ней ЭДС, направленные навстречу друг другу, и подключенной к своему токосъемному узлу, причем ведущий вал вариатора соединен с общим якорем, один из индукторов выполнен неподвижным, а второй индуктор выполнен вращающимся и связан с ведомым валом вариатора (см. патент SU 157707, кл. Н02K 51/00, опубл. 07.07.1990). Недостатками известного устройства являются передача вращения только в одну сторону, а также невозможность подключения дополнительных источников или потребителей энергии.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей вариатора. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что электромеханический вариатор с ведущим и ведомым валами выполнен в виде электрически связанных между собой генератора и электродвигателя, имеющий два соосно установленных индуктора с обмотками возбуждения, одна из которых электрически соединена с независимым источником постоянного тока, один общий для двигателя и генератора якорь с обмоткой, пересекаемой магнитными потоками обоих индукторов, индуцирующих в ней ЭДС, направленные навстречу друг другу, и подключенной к своему токосъемному узлу, причем ведущий вал вариатора соединен с общим якорем, один из индукторов выполнен неподвижным, а второй индуктор выполнен вращающимся и связан с ведомым валом вариатора, причем обмотка возбуждения вращающегося индуктора снабжена самостоятельным токосъемным узлом, выполненным с возможностью подключения, в зависимости от требуемого направления вращения ведомого вала по отношению к ведущему, к независимому источнику постоянного тока или к токосъемному узлу обмотки якоря, а обмотка возбуждения неподвижного индуктора при этом подключена к токосъемному узлу обмотки якоря или независимому источнику постоянного тока соответственно. Токосъемный узел якоря может быть выполнен в виде коллектора с щетками или токосъемных колец с щетками и выпрямителем тока. Токосъемный узел вращающегося индуктора может быть выполнен в виде коллектора с щетками или щеток с токосъемными кольцами и оснащен датчиком положения и устройством формирования и подачи питающего напряжения. Через токосъемный узел якоря последовательно или параллельно с обмоткой возбуждения одного из индукторов могут быть подключены другие независимые потребители/источники электроэнергии, например аккумуляторная батарея.
На фиг.1 схематически изображен вариатор с вращением ведущего и ведомого валов в одну сторону;
на фиг.2 - вариатор с вращением ведущего и ведомого валов в разные стороны.
Электромеханический вариатор состоит из неподвижного индуктора 1 с обмоткой возбуждения 2, вращающегося якоря 3, соединенного с ведущим валом 4, и вращающегося индуктора 5 с обмоткой возбуждения 6, соединенного с ведомым валом 7. Якорь 3 имеет обмотку 8, секции которой соединены с пластинами коллектора 9. Секции обмотки возбуждения 6 вращающегося индуктора 5 соединены с пластинами коллектора 10. Электрический контакт с пластинами коллектора 9 обеспечивают неподвижные щетки 11, а электрический контакт с пластинами коллектора 10 обеспечивают неподвижные щетки 12.
Направление магнитных потоков неподвижного 1 и вращающегося 5 индукторов противоположно друг другу, что показано стрелками на фиг.1 и фиг.2. Независимый источник постоянного тока 13, в зависимости от требуемого направления вращения ведомого вала, питает обмотки возбуждения или неподвижного индуктора (фиг.2), или вращающегося индуктора (фиг.1).
Электромеханический вариатор, изображенный на фиг.1, работает следующим образом.
При прохождении постоянного тока от источника 13 через щетки 12 и коллектор 10 по обмотке возбуждения 6 вращающегося индуктора 5, в последнем возникает магнитный поток. При вращении в магнитном потоке индуктора 5 якоря 3 в его обмотке 8 наводится ЭДС, которая через коллектор 9 и щетки 11 вызывает прохождение постоянного тока по обмотке возбуждения 2 неподвижного индуктора 1. Прохождение постоянного тока по обмотке возбуждения 2 неподвижного индуктора 1 вызывает в нем возникновение магнитного потока, направленного против магнитного потока индуктора 5. При вращении в магнитном поле индуктора 1 якоря 3 в его обмотке 8 наводится ЭДС, направленная против ЭДС, индуцируемой магнитным полем индуктора 5, что приводит к уменьшению тока, протекающего по обмотке 8 якоря 3 и по обмотке 2 индуктора 1, уменьшая магнитный поток последнего. В итоге ток в обмотках 8 и 2 устанавливается на таком уровне, чтобы разность ЭДС, наводимых в обмотке 8 якоря 3 от пересечения ею магнитных потоков индукторов 5 и 1, компенсировала электрические потери в обмотках 8 и 2 от прохождения в них постоянного тока. Взаимодействие магнитного потока индуктора 5, связанного с ведомым валом 7, с током, протекающим по обмотке 8 якоря 3, приводит к возникновению вращающего момента на индукторе 5 и он начинает вращаться в одну сторону с вращением якоря 3, связанного с ведущим валом 4 вариатора. При увеличении скорости вращения ведомого вала и связанного с ним индуктора 5 происходит уменьшение относительной скорости пересечения магнитным потоком индуктора 5 обмотки 8 якоря 3. Это приводит к уменьшению составляющей ЭДС, наводимой в обмотке 8 якоря 3 от пересечения ею магнитного потока индуктора 5, что, в свою очередь, уменьшает общую разность ЭДС и уменьшает силу тока, протекающего по обмоткам 8 и 2. В итоге вращающий момент на ведомом валу также уменьшается. Таким образом, в электромеханическом вариаторе реализуется автоматическое уменьшение вращающего момента на ведомом валу с увеличением скорости его вращения.
Электромеханический вариатор, изображенный на фиг.2, работает следующим образом.
При прохождении постоянного тока от источника 13 по обмотке возбуждения 2 неподвижного индуктора 1, в последнем возникает магнитный поток. При вращении в магнитном потоке индуктора 1 якоря 3 в его обмотке 8 наводится ЭДС, которая через коллекторы 9 и 10 и щетки 11 и 12 вызывает прохождение постоянного тока по обмотке возбуждения 6 вращающегося индуктора 5. Прохождение постоянного тока по обмотке возбуждения 6 вращающегося индуктора 5 вызывает в нем возникновение магнитного потока, направленного против магнитного потока индуктора 1. При вращении в магнитном поле индуктора 5 якоря 3 в его обмотке 8 наводится ЭДС, направленная против ЭДС, индуцируемой магнитным полем индуктора 1, что приводит к уменьшению тока, протекающего по обмотке 8 якоря 3 и по обмотке 6 индуктора 5, уменьшая магнитный поток последнего. В итоге ток в обмотках 8 и 6 устанавливается на таком уровне, чтобы разность ЭДС, наводимых в обмотке 8 якоря 3 от пересечения ею магнитных потоков индукторов 5 и 1, компенсировала электрические потери в обмотках 8 и 6 от прохождения в них постоянного тока. Взаимодействие магнитного потока индуктора 5, связанного с ведомым валом 7, с током, протекающим по обмотке 8 якоря 3, приводит к возникновению вращающего момента на индукторе 5 и он начинает вращаться в сторону, противоположную вращению якоря 3, связанного с ведущим валом 4 вариатора. При увеличении скорости вращения ведомого вала и связанного с ним индуктора 5 происходит увеличение относительной скорости пересечения магнитным потоком индуктора 5 обмотки 8 якоря 3. Это приводит к увеличению составляющей ЭДС, наводимой в обмотке 8 якоря 3 от пересечения ею магнитного потока индуктора 5, что, в свою очередь, уменьшает общую разность ЭДС и уменьшает силу тока, протекающего по обмоткам 8 и 6. В итоге вращающий момент на ведомом валу также уменьшается. Таким образом, в электромеханическом вариаторе реализуется автоматическое уменьшение вращающего момента на ведомом валу с увеличением скорости его вращения.
Таким образом, реверсирование вращения ведомого вала по отношению к ведущему валу можно легко осуществлять простым электрическим переключением обмоток вариатора согласно схемам, изображенным на фиг.1 и фиг.2. Если к щеткам 11 подключить дополнительный потребитель электроэнергии, например аккумуляторную батарею, то электромеханический вариатор будет работать не только как преобразователь крутящего момента, но и как генератор электроэнергии. Если к щеткам 11 подключить дополнительный источник электроэнергии, например аккумуляторную батарею, то это вызовет дополнительное увеличение мощности и момента на ведомом валу.