Транспортное средство с гибридной силовой установкой
VEHICLE WITH HYBRID POWER PLANT

Изобретение относится к любым наземным механическим самоходным транспортным средствам, включая сельскохозяйственные тракторы, используемым для перевозки людей и/или грузов, а также для буксировки транспортных средств и/или прицепов, включая сельскохозяйственные орудия.
При этом под гибридной силовой установкой заявитель понимает любые энерго генерирующие установки, содержащие в своем составе тепловой двигатель, осуществляющий преобразование химической энергии топлива в механическую энергию вращения вала, и, по меньшей мере, одну электрическую машину. Причем, под электрической машиной, в общем случае, заявитель подразумевает как обратимые так и необратимые генераторы, осуществляющие преобразование механической энергии вращения вала в электрическую энергию, а также обратимые электродвигатели, осуществляющие преобразование электрической энергии в механическую энергию вращения вала.
Из интернет ресурса: https://en.wikipedia.org/wiki/Hybrid_Synergy_Drive, информация просмотрена 20.11.2018, известны первое, второе и третье поколения платформы Prius транспортного средства с гибридной силовой установкой, включающие в себя накопитель электрической энергии, тепловой двигатель, содержащий вал, первую и вторую обратимые электрические машины, каждая из которых содержит ротор, а также, соответственно, один, два, или три дифференциальных планетарных механизма с двумя степенями свободы, каждый из которых содержит солнечную шестерню, эпицикл и водило, и межколесный дифференциал. Вал теплового двигателя выполнен связанным, с возможностью передачи вращения, с водилом планетарного механизма (для второго и третьего поколений упомянутой платформы - с водилом первого, расположенного кинематически со стороны теплового двигателя, планетарного механизма). Вал первой электрической машины выполнен связанным, с возможностью передачи вращения, с солнечной шестерней планетарного механизма (для второго и третьего поколений упомянутой платформы - с солнечной шестерней первого, расположенного кинематически со стороны теплового двигателя, планетарного механизма). Вал второй электрической машины на первом поколении платформы Prius выполнен связанным, с возможностью передачи вращения, с эпициклом планетарного механизма; на втором поколении платформы - с солнечной шестерней второго, кинематически следующего за первым, планетарного механизма, при постоянно заторможенном водиле второго планетарного механизма. На первом поколении платформы эпицикл планетарного механизма (на втором поколении - эпицикл второго планетарного механизма) выполнены связанными, с возможностью передачи вращения с дифференциалом. При этом на втором поколении платформы эпициклы первого и второго планетарных механизмов выполнены неподвижно соединенными. На третьем поколении платформы - с солнечной шестерней второго, кинематически следующего за первым, планетарного механизма при возможности торможения солнечной шестерни и эпицикла третьего планетарного механизма. При этом на третьем поколении платформы Prius эпициклы второго и третьего планетарных механизмов выполнены неподвижно соединенными, эпицикл первого планетарного механизма выполнен неподвижно соединенным с водилом второго планетарного механизма, а водило третьего планетарного механизма выполнено связанным, с возможностью передачи вращения с дифференциалом.
Первая электрическая машина выполнена с возможностью работы либо в режиме динамического тормоза (ротор неподвижен), либо в режиме генератора (при остановленном эпицикле планетарный механизм работает в режиме мультипликатора), либо в режиме электродвигателя (планетарный механизм работает в режиме редуктора). Вторая электрическая машина выполнена с возможностью работы либо в режиме электродвигателя (планетарный механизм работает в режиме редуктора), либо в режиме генератора (при остановленном эпицикле планетарный механизм работает в режиме мультипликатора). При этом из интернет ресурса http://techno-fandom.org/~hobbit/cars/TIS/ncf/thsiicon.pdf, информация просмотрена 21.11.2018, известно, что и первая и вторая электрические машины выполнены трехфазными.
Отступление от обсуждения платформ Prius:
Из материалов к патенту RU 2556642, 6МПК H02K 31/00, 21/20, 19/18, 49/12, публ. 10.07.2015, см. стр. 7, строки №30…34 описания, известно, что величина ЭДС, генерируемой в обмотке магнитным полем, определяется скоростью движения силовых линий магнитного поля при пересечении ими данной обмотки.
Из материалов к патенту RU 2292110, 6МПК H03B 29/00, публ. 20.01.2007, см. стр. 6, строки №9…12 описания, известно, что скорость движения свободных электронов в проводнике пропорциональна плотности тока, протекающего по проводнику, и зависит, в том числе, от молярной массы и плотности материала проводника.
Из книги Д.Х. Базиева «Основы единой теории физики», М. «Педагогика», 1994, §§ 19 и 20 известно, что движение единичного электрино вдоль проводника происходит по винтовой линии переменного радиуса и шага, ортогональный к продольной оси проводника вектор которой характеризует орбитальное движение электрино в электрическом поле проводника, а параллельный к продольной оси проводника вектор - шаговое движение электрино вдоль проводника (см. нижний абзац стр. 331); что частота прохождения электрино вдоль проводника через данное сечение зависит от амплитуды тока (см. стр. 341 формулы 19.53…19.55, стр. 331 формулу 19.1); что нагрузочная способность проводника ограничена модулем его упругости (см. стр. 352 формула 19.118); что удельное сопротивление проводника зависит от линейных размеров атомов и от межатомных расстояний материала проводника (см. стр. 358 формулу 20.10); что удельная проводимость проводника пропорциональна ширине межатомных расстояний в образующем проводник материале и обратно пропорциональна квадрату амплитуды нулевого колебания его атомов (см. стр. 360 второй снизу абзац).
В частности, из интернет ресурса: http://digteh.ru/BP/Potery/, просмотрено 02.10.2018, известно, что потери в магнитопроводе разделяют на статические и динамические.
Статические потери (потери на гистерезис)- связаны с разворотом составляющих магнитопровод доменов под влиянием магнитного поля, в результате чего происходит изменение размеров кристаллической решетки и выделение тепла:
г
петли
сети
P=SfG, где
петли
S - площадь петли,
сети
f - частота электрического тока,
G - вес магнитопровода.
Динамические потери (потери на вихревые токи) определяются выражением:
B
сети
2
2
P=fΔG,  где
Δ - толщина пластин, составляющих сердечник.
При этом из интернет ресурса https://studfiles.net/preview/745388/page:26/, просмотрено 02.10.2018, известно, что ферриты «… во многих случаях в слабых полях эффективно заменяют пермаллои и электротехническую сталь. Однако в средних и сильных полях низкой частоты ферриты применять нецелесообразно, так как они имеют более низкую (в 2-3,5 раза) индукцию насыщения, чем металлические ферромагнетики».
Интернет ресурс: https://electroandi.ru/elektricheskie-mashiny/asdvig/poteri-asinkhronnogo-dvigatelya.html, просмотрено 03.10.2018, о магнитных и электрических потерях приводит следующую информацию:
Магнитные потери в статоре электродвигателей, приблизительно, определяются как
м
сети
V
Р=f, где V=1,3…1,5.
Электрические потери в статоре, приблизительно, определяются как
Э
1
1
1
2
P=mIr, где
1
r - активное сопротивление обмотки статора,
m - количество фаз,
1
I - амплитуда тока в статорной обмотке.
Из патента RU 2569214, МПК B60L 11/00, В60Н 1/00, H02K 9/00, публ. 20.11.2015 известно, что потери в магнитопроводе и обмотках электродвигателя, а также величина рабочего зазора между его статором и ротором уменьшаются при понижении температуры электродвигателя.
Из патента RU 2418333, 6МПК H01F 30/10, 27/28, публ. 10.05.2011 известен трансформатор, содержащий замкнутый магнитопровод, первичную обмотку, коаксиально охватывающую один из стержней магнитопровода, расположенную с приближением к магнитопроводу, коаксиальную, относительно первичной, вторичную обмотку, расположенную дистанцированно от первичной, и резонансный конденсатор, включенный параллельно с первичной обмоткой. Дистанцирование вторичной обмотки от первичной обеспечивает уменьшение паразитного влияния вторичной обмотки на процессы, протекающие в первичной обмотке. Введение первичной цепи трансформатора в резонанс токов обеспечивает увеличение намагничивающей силы первичной обмотки, что сохраняет ее влияние на процессы, протекающие в дистанцированной вторичной обмотке. По мнению автора патента получение технического результата изобретения возможно, в частности, при симметричном удалении вторичной обмотки трансформатора от стержня его магнитопровода. Однако, из патента SU 1086467, 3МПК H01F 19/04, публ. 15.04.1984, известен высоковольтный трансформатор, вторичная обмотка которого выполнена продольно секционированной, причем любая из секций выполнена расположенной с эксцентриситетом, относительно продольной геометрической оси магнитопровода трансформатора, где любые две соседних секции расположены со смещением векторов их эксцентриситета на угол не менее 90°. По мнению авторов, данное техническое решение, в частности, позволяет увеличить КПД трансформатора. При этом из брошюры В.А. Ацюковского «12 экспериментов по эфиродинамике», г. Жуковский, издательство «Петит», 2003, известны эксперименты «Передача энергии между обмотками в трансформаторе», см. стр. 13…15, и «Проверка зависимости коэффициента трансформации от расположения обмоток», см. стр. 16…18. Первый эксперимент обеспечен замкнутым магнитопроводом, сформированным Ш-образными пластинами, первичной и вторичной идентичными обмотками, дистанцированно расположенными на центральном стержне магнитопровода, а также сигнальной обмоткой, расположенной на центральном стержне магнитопровода эквилистантно между первичной и вторичной обмотками. Где сигнальная обмотка содержит два встречно включенных витка, расположенных в непосредственной близости друг к другу. В результате эксперимента установлено, что при уменьшении сопротивления нагрузки в цепи вторичной обмотки происходит увеличение напряжения на сигнальной обмотке. Второй эксперимент обеспечен кольцеобразным магнитопроводом и двумя идентичными обмотками, одна из которых расположена на магнитопроводе неподвижно, а другая с возможностью перемещения, с последующей фиксацией, по кольцу магнитопровода. Отмечена вариация значений относительного коэффициента трансформации при вариациях взаимного расположения обмоток.
Из информации, цитированной в отступлении, а также учитывая, что электрический генератор работает эффективно на повышенных частотах вращения, а движение транспортного средства на электрической тяге происходит на пониженной скорости можно выделить следующие направления для повышения энергетической эффективности электрических машин, используемых в составе автомобилей:
- разделение электрических машин по функциональному назначению,
- снижение рабочих температур электрических машин,
- повышение амплитуд питающих электродвигатели напряжений,
- снижение частот питающих электродвигатели напряжений,
- повышение частот вращения роторов электрогенераторов,
- вывод электрогенераторов, по меньшей мере, на части режимов их работы, в режим резонанса электрических токов,
- подбор материалов, из которых изготавливаются обмотки и магнитопроводы электрогенераторов, а также геометрических (формообразующих) особенностей обмоток и магнитопроводов электрических генераторов, их взаиморасположения, с точки зрения повышения энерго эффективности генераторов.
Возвращаясь к платформам Prius можно с уверенностью сказать, что их электрические машины характеризуются относительно высокими потерями. При этом, следует учитывать, что при работе электрических машин в режиме потребления электроэнергии исключена их работа в режиме генерации электроэнергии. Кроме того, отказ первой электрической машины, если принудительно не заблокировать солнечную шестерню, исключает передачу мощности от теплового двигателя к трансмиссии транспортного средства.
Из книги «Автомобили 1913 года. IV-я международная автомобильная выставка С.-Петербург, Май 1913 г. Часть II. Автомобили специального назначения, принадлежности и пр.», Издание ИМПЕРАТОРСКОГО Российского Автомобильного Общества (библиографические данные приведены в современной орфографии), 1913, стр. 118…120, фиг. 98…101, известно транспортное средство с гибридной силовой установкой (в оригинале - шасси трактора Балаховский и Кэръ), включающее в себя тепловой двигатель, четыре мотор-колеса, а также динамомашину, содержащую вращаемый тепловым двигателем ротор, снабженный кольцеобразным магнитопроводом ротора, и кольцеобразными, равномерно распределенными вдоль магнитопровода ротора, поперечно охватывающими магнитопровод ротора обмотками.
Данное конструктивное решение обеспечивает разделение электрических машин транспортного средства по их функциональному назначению и, как следствие, их оптимизацию, направленную на повышение энергоэффективности.
Однако, из интернет ресурса https://lp.solargroup.pro/upload/Ми_Анализ_рынка_мотор_колес_в_мире.pdf, стр. 8, известны серийно выпускаемые, по состоянию на 2017 г., преимущественно, с водяным охлаждением, электроприводы мотор-колес. Данные электроприводы характеризуются удельными длительными мощностями, ориентировочно, равными 1…2 кВт/кг (без учета, по меньшей мере, эластичной составляющей колеса).
Весовые параметры электроприводов мотор-колес исключают применение мотор-колес, по меньшей мере, на легковых автомобилях, т.к. увеличение веса неподрессоренных частей негативно влияет на комфорт и управляемость транспортных средств.
В качестве прототипа принято известное из патента RU 2600959, 7МПК B60K 6/48, 6МПК F16H 3/00, публ. 27.10.2016, транспортное средство с гибридной силовой установкой, включающее в себя накопитель электрической энергии, тепловой двигатель, содержащий вал, электрические генератор и электродвигатель, каждый из которых содержит ротор, ступенчатую коробку передач, содержащую зубчатые колеса и шестерни, синхронизаторы, межколесный дифференциал, а также первичный, полый и вторичный валы. Где, вал теплового двигателя выполнен соединенными, с возможностью передачи вращения, с первичным (входным) валом коробки передач и ротором генератора, полый вал коробки передач выполнен соединенным, с возможностью передачи вращения, с ротором электродвигателя, вторичный (выходной) вал коробки передач выполнен соединенным, с возможностью передачи вращения, с межколесным дифференциалом. Валы, зубчатые колеса, шестерни, синхронизаторы и межколесный дифференциал коробки передач выполнены с возможностью обеспечения:
- совместной работы теплового двигателя и генератора при стоящем транспортном средстве;
- движения транспортного средства на низшей передаче с приводом от электродвигателя;
- движения транспортного средства на промежуточной передаче с приводом от электродвигателя;
- движения транспортного средства на высшей передаче с приводом исключительно от теплового двигателя, при кинематическом разобщении электродвигателя от валов коробки передач;
- движения транспортного средства на низшей передаче с приводом от теплового двигателя и от электродвигателя;
- движения транспортного средства на промежуточной передаче с приводом от теплового двигателя и от электродвигателя;
- движения транспортного средства на высшей передаче с приводом от теплового двигателя и от электродвигателя.
Тепловой двигатель данного транспортного средства выполнен с возможностью запуска от стартера (дополнительного, не упомянутого выше, электродвигателя), а при совместной с генератором работе с возможностью обеспечения зарядки накопителя электрической энергии во время страгивания транспортного средства с места и при движения транспортного средства исключительно на электротяге; транспортное средство выполнено с возможностью:
- страгивания с места и движения транспортного средства на малой скорости с приводом от электродвигателя,
- движения транспортного средства на повышенной скорости с приводом от электрического и теплового двигателей,
- движения транспортного средства на высокой скорости с приводом от теплового двигателя.
К недостаткам прототипа следует отнести работу электродвигателя (равно и обеспечивающей его работу аппаратуры) при высоких частотах вращения его ротора. Данный недостаток обусловлен кинематическим расположением электродвигателя между тепловым двигателем и коробкой передач - на низших передачах редуктор, на высшей передаче мультипликатор. При этом передаточное отношением между первичным и полым валами коробки передач автомобиля - прототипа равно, ориентировочно, 1.
Из курса электротехники известно характерное для асинхронных двигателей соотношение:
сети
f=Np/60(l-S), где
сети
f - частота питающего электродвигатель напряжения,
N - частота вращения ротора электродвигателя,
p - число пар полюсов, реализованное в электродвигателе,
S - скольжение.
Из патента RU 2086069, 6МПК H02K 41/025, публ. 27.07.1997, известны двенадцатиполюсные, где фазы трехфазных обмоток образованы четверками последовательно-встречно соединенных катушек, которые попарно расположены на одноименных полюсах индукторов, причем фазы первой трехфазной обмотки соединены в треугольник, второй в звезду, а между катушками каждой фазы одной трехфазной обмотки расположены катушки другой фазы другой трехфазной обмотки, и четырехполюсные, где обмотки образованы четверками последовательно-встречно соединенных катушек, которые попарно расположены на одноименных полюсах индукторов, причем между катушками одной обмотки расположены катушки другой обмотки, линейные электродвигатели. При этом в описании к патенту указано, что упомянутые двигатели характеризуются возможностью плавной регулировки тягового усилия в широком диапазоне (1:10000) путем изменения напряжения питания. Кроме того, из интернет ресурса http://kopen.narod.ru/product_1.html, информация просмотрена 05.10.2018, известен «русский параметрический двигатель Н.В. Яловеги» (далее РПДЯ), содержащий две трехфазных обмотки, одна соединена в звезду, а другая в треугольник, расположенные с образованием единой электромагнитной системы (образно - три двухфазных электродвигателя в единой электромагнитной системе), подключаемые без фазосдвигающих устройств непосредственно в трехфазную сеть. Указанный двигатель характеризуется, в частности:
- возможностью регулировки при неизменной частоте питающего напряжения путем плавного изменения амплитуды питающего напряжения во всем скоростном диапазоне,
- возможностью работы при значительных вариациях амплитуды питающего напряжения (серийный асинхронный электродвигатель А4-400Х-УЗ мощностью 500 кВт, модернизированный по схеме РПДЯ, показал свою работоспособность при отклонениях амплитуды питающего напряжения от плюс 20 до минус 80%), что, гипотетически, увеличивает пробег автомобиля исключительно на электрической тяге при питании электродвигателя исключительно от накопителя электроэнергии,
- пониженной кратностью пусковых токов, что обеспечивает плавный пуск электродвигателя и уменьшение его тепловой нагруженности в процессе частых пусков и остановок,
- устойчивой механической характеристикой, отсутствием критического момента и увеличенным в 2…3 раза, по сравнению с обычными асинхронными двигателями, пусковым моментом,
- высоким КПД и высокой удельной мощностью.
Из патента RU 109934, 6МПК H02K 17/12, 3/12, публ. 27.10.2011, известен асинхронный электродвигатель, включающий в себя однослойную, шестифазную аксиально-симметричную статорную обмотку, состоящую из двух частей, соединенных соответственно в звезду и треугольник при соотношении чисел витков треугольника и звезды, равном √3, где на каждую из фаз приходится равное число пазов, катушки различных фаз уложены в разные пазы так, что результирующие векторы магнитного потока соседних фаз образуют между собой угол в 30 эл. градусов, нечетные фазы соединены в звезду, а четные - в треугольник, или наоборот, а выводы их фаз, отстоящие друг от друга на 30 эл. градусов, соединены между собой и образуют точки подключения фаз к питающей электрической сети.
Согласно описания к патенту упомянутый электродвигатель характеризуется относительно малыми номинальным и пусковым токами, увеличенным пусковым моментом, отсутствием критического момента, а также пониженным удельным расходом обмоточного провода и повышенной стойкостью на пробой за счет нахождения в одном пазу витков одноименных фаз.
Задачей изобретения было создание транспортного средства с гибридной силовой установкой повышенной энергоэффективности.
Задача решается в транспортном средстве с гибидной силовой установкой, включающем в себя накопитель электрической энергии, тепловой двигатель, содержащий вал, электрические генератор и электродвигатель, каждый из которых содержит ротор, коробку передач, содержащую входной и выходной валы, а также дифференциал. Где вал теплового двигателя выполнен соединенным, с возможностью передачи вращения, с ротором генератора и входным валом коробки передач, а выходной вал коробки передач выполнен соединенным, с возможностью передачи вращения, с дифференциалом. При этом под дифференциалом заявитель понимает любой дифференциальный, межколесный или межосевой, механизм автомобиля. Задача решается тем, что:
- Генератор выполнен синхронным, необращаемым, а электродвигатель асинхронным, обращаемым,
- генератор выполнен содержащим магнитопровод индутора, выполненный в виде ферромагнитного кольца, и обмотку индуктора, образованную кольцеобразными, преимущественно поперечно охватывающими магнитопровод индуктора, равномерно распределенными по магнитопроводу индуктора катушками,
- электродвигатель выполнен содержащим составную трехфазную обмотку, одна из частей которой соединена в треугольник, другая в звезду, где отстоящие друг от друга на 120 эл. градусов выводы фаз соединены между собой с образованием точек подключения фаз к питающей электрической сети, или шести фазную однослойную аксиально-симметричную составную обмотку, одна из частей которой, соединена в треугольник, другая в звезду при соотношении чисел витков треугольника и звезды, равном √3, где на каждую из фаз приходится равное число пазов, катушки различных фаз уложены в разные пазы так, что результирующие векторы магнитного потока соседних фаз образуют между собой угол в 30 эл. градусов, выводы фаз, отстоящие друг от друга на 30 эл. градусов, соединены между собой с образованием точек подключения фаз к питающей электрической сети,
- ротор электродвигателя выполнен соединенным, с возможностью передачи вращения, с выходным валом коробки передач.
При этом:
- ротор генератора выполнен соединенным с валом теплового двигателя посредством нереверсируемой или, предпочтительно реверсируемой обгонной муфты,
- ротор генератора выполнен соединенным с валом теплового двигателя посредством обгонной муфты, кинематически расположенной со стороны теплового двигателя, и фрикционного вариатора, кинематически расположенного со стороны генератора,
- обмотка индуктора генератора выполнена содержащей генераторные, количество которых, преимущественно, равно числу магнитных полюсов ротора генератора, и трансформаторные, расположенные между генераторными, катушки. Где, любая из генераторных катушек выполнена бескаркасной или сформированной на тонкостенном полимерном каркасе, а каждая из трансформаторных катушек выполнена сформированной на утолщенном, по сравнению с каркасом генераторной катушки, каркасе, изготовленном из полимерного связующего и наполнителя, содержащего или, по меньшей мере, один диамагнетик, или, по меньшей мере, один диамагнетик и, по меньшей мере, один парамагнетик. При этом, генератор выполнен снабженным резонансными конденсаторами, расположенными в гальванической цепи генераторных катушек с образованием резонансных контуров, а трансформаторные катушки выполнены соединенными, через соответствующее преобразующее устройство, с накопителем электрической энергии.
- коробка передач выполнена в виде ступенчатого или бесступенчатого редуктора, передаточное отношение которого может варьироваться в диапазоне от 1 до i, где i>1,
- ротор электродвигателя выполнен соединенным с выходным валом коробки передач, более предпочтительно, посредством пондеромоторного сцепления, менее предпочтительно, посредством реверсируемой обгонной муфты, наименее предпочтительно, посредством нереверсируемой обгонной муфты. При этом ротор электродвигателя, предпочтительно, выполнен проходным, выходной вал редуктора выполнен трассированным через ротор электродвигателя, а электрическая обмотка электродвигателя выполнена соединенной, через соответствующее преобразующее устройство, с накопителем электрической энергии.
Изобретение иллюстрируется рисунком:
- Фиг. 1, где показана структурная схема транспортного средства с гибридной силовой установкой.
Обозначения, приведенные на структурной схеме:
СГ - синхронный необращаемый генератор,
ОМ - обгонная муфта,
ФВ - фрикционный вариатор,
ТД - тепловой двигатель,
Р - редуктор (коробка перемены передач),
РАД - ротор асинхронного двигателя (обратимой электрической машины),
САД - статор асинхронного двигателя (обратимой электрической машины),
ПМС - пондеромоторное сцепление,
Д - дифференциал (межколесный или межосевой),
НЭ - накопитель электрической энергии (электрохимический аккумулятор и/или конденсатор),
ПУАД - преобразующе-управляющее устройство асинхронного двигателя,
ПУСГ - преобразующе-управляющее устройство синхронного генератора.
Изобретение может быть реализовано в транспортном средстве, включающем в себя накопитель электрической энергии, тепловой двигатель, электрические необращаемый синхронный генератор и обращаемый асинхронный электродвигатель, каждый из которых содержит ротор, ступенчатую или бесступенчатую коробку передач, содержащую входной и выходной валы, а также дифференциал и преобразующе-управляющие устройства асинхронного двигателя и синхронного генератора. Транспортное средство выполнено снабженным обгонной муфтой генератора, а в предпочтительном варианте и фрикционным вариатором генератора. Транспортное средство выполнено также снабженным соединительной муфтой асинхронного двигателя, в качестве которой, в лучшем варианте реализации может быть применено известное из патента RU 2559375, 6МПК F16D 3/00, 13/69, 27/00, публ. 10.08.2015, пондеромоторное сцепление или, в менее предпочтительном варианте, реверсируемая обгонная муфта; в ряде случаев может быть применена также нереверсируемая обгонная муфта.
Коробка передач выполнена в виде редуктора, передаточное отношение которого может варьироваться в диапазоне от 1 до i, где i>1.
Вал теплового двигателя выполнен соединенным, с возможностью передачи вращения, с ротором генератора и входным валом коробки передач. При этом вал теплового двигателя выполнен соединенным с ротором генератора, по меньшей мере, посредством нереверсируемой обгонной муфты (известны из уровня техники), исходя из значительной инерционности ротора генератора, предпочтительно использование реверсируемой (известны из уровня техники) обгонной муфты, а в наиболее предпочтительном варианте, посредством обгонной муфты, кинематически расположенной со стороны теплового двигателя, и фрикционного вариатора (известны из уровня техники), кинематически расположенного со стороны генератора. Учитывая инерционность ротора генератора передача вращающего момента от теплового двигателя к ротору генератора, предпочтительно, должна быть выполнена осуществленной с применением демпфера крутильных колебаний (не показан, известны из уровня техники), расположенного, кинематически, со стороны генератора.
Выходной вал коробки передач выполнен соединенным, с возможностью передачи вращения, с дифференциалом. При этом под дифференциалом заявитель подразумевает:
- Показанный, в частности, в прототипе, см. Фиг. 1 патента RU 2600959, сблокированный с главной передачей и коробкой передач межколесный дифференциальный механизм.
- Известный, например, из книги «Автомобиль ГА3-66-11. Устройство, техническое обслуживание и ремонт» под ред. А.Д. Просвирина, М. «Транспорт», 1988, см. стр. 126, 127, рис. 108, сблокированный с главной передачей, встраиваемый в картер ведущего моста, межколесный дифференциальный механизм. При этом кинематическая связь между выходным валом коробки передач и дифференциалом выполнена опосредованной раздаточной коробкой и карданным валом транспортного средства.
- Известный из патента RU 62561, 6МПК B60K 17/34, публ. 27.04.2007, межосевой дифференциальный механизм, встроенный в планетарную раздаточную коробку.
Конструктивные особенности упомянутых дифференциальных механизмов не имеют прямого отношения к сути изобретения, поэтому их детальное описание не приводится.
Ротор генератора выполнен с возможностью образования, при вращении ротора, вращающегося магнитного поля переменной полярности (снабженным магнитопроводом и постоянными магнитами, расположенными с чередованием их магнитных полюсов вдоль направляющей магнитопровода ротора, или магнитопроводом и обмоткой, сформированными с возможностью образования чередующихся вдоль направляющей магнитопровода ротора магнитных полюсов). Генератор выполнен содержащим магнитопровод индутора, выполненный в виде ферромагнитного, коаксиального, относительно продольной геометрической оси ротора, кольца, и обмотку индуктора, образованную кольцеобразными, преимущественно поперечно охватывающими магнитопровод индуктора, равномерно распределенными по магнитопроводу индуктора катушками. В предпочтительном варианте обмотка индуктора генератора может быть выполнена содержащей генераторные, количество которых, преимущественно, равно числу магнитных полюсов ротора генератора, и трансформаторные, расположенные между генераторными, катушки. В последнем случае любая из генераторных катушек выполнена бескаркасной или сформированной на тонкостенном полимерном каркасе, а каждая из трансформаторных катушек выполнена сформированной на утолщенном, по сравнению с каркасом генераторной катушки, каркасе, изготовленном из полимерного связующего и наполнителя, содержащего или, по меньшей мере, один диамагнетик, например, поликристаллические графит, цинк, корунд, карборунд, или, по меньшей мере, один диамагнетик и, по меньшей мере, один парамагнетик, например, мелкодисперсный алюминий. Генераторы, индуктор которых выполнен содержащим трансформаторные катушки, выполнен также снабженным резонансными конденсаторами, количество которых равно количеству трансформаторных катушек.
Обмотка генератора, в случае если она сформирована исключительно генераторными катушками, выполнена подключенной, через преобразующе-управляющее устройство синхронного генератора, к накопителю электрической энергии. Если генератор выполнен содержащим резонансные конденсаторы, а обмотка выполнена содержащей генераторные и трансформаторные катушки, то трансформаторные катушки выполнены подключенными, через преобразующе-управляющее устройство синхронного генератора, к накопителю электрической энергии, а конденсаторы установленными в гальванической цепи генераторных катушек с образованием резонансных контуров.
Электродвигатель выполнен содержащим короткозамкнутый ротор и статорную обмотку:
- либо составную трехфазную, одна из частей которой соединена в треугольник, другая в звезду, где отстоящие друг от друга на 120 эл. градусов выводы фаз соединены между собой с образованием точек подключения фаз к питающей электрической сети,
- либо составную шести фазную однослойную аксиально-симметричную, одна из частей которой, соединена в треугольник, другая в звезду при соотношении чисел витков треугольника и звезды, равном √3, где на каждую из фаз приходится равное число пазов, катушки различных фаз уложены в разные пазы так, что результирующие векторы магнитного потока соседних фаз образуют между собой угол в 30 эл. градусов, выводы фаз, отстоящие друг от друга на 30 эл. градусов, соединены между собой с образованием точек подключения фаз к питающей электрической сети.
Статорная обмотка электродвигателя выполнена соединенной, через соответствующее преобразующе-управляющее устройство асинхронного двигателя, с накопителем электрической энергии.
Ротор электродвигателя выполнен соединенным, с возможностью передачи вращения, с выходным валом коробки передач. Ротор электродвигателя, предпочтительно, выполнен проходным, выходной вал коробки передач выполнен трассированным через ротор электродвигателя. При этом кинематическая связь ротора электродвиателя с выходным валом коробки передач может быть выполнена ссодержащей демпфер крутильных колебаний (не показан, известны из уровня техники).
В наименее предпочтительном варианте ротор электродвигателя выполнен соединенным с выходным валом коробки передач посредством нереверсируемой (известны из уровня техники) обгонной муфты. В более предпочтительном варианте ротор электродвигателя выполнен соединенным с выходным валом коробки передач посредством реверсируемой (известны из уровня техники) обгонной муфты. В лучшем варианте ротор электродвигателя выполнен соединенным с выходным валом коробки передач посредством пондеромоторного сцепления (известно из упомянутого выше патента RU 2559375).
Пондеромоторное сцепление (показано условное графическое обозначение) выполнено содержащим ведущий и ведомый аксиально расположенные валы (не показаны), каретку (не показана), ведущий и ведомый, а также первый и второй управляющий и управляемый диски (не показаны).
Ведущий диск выполнен неподвижно закрепленным на ведущем вале сцепления, сформированным из металла и, как вариант, содержащим фрикционное покрытие.
Каретка выполнена установленной на ведомом вале сцепления со стороны ведущего диска (со стороны фрикционной накладки ведущего диска) с возможностью передачи вращения ведомому валу и аксиального смещения вдоль его продольной геометрической оси.
Ведомый диск выполнен аксиально расположенным, относительно ведущего диска, неподвижно закрепленным на каретке со стороны ведущего диска, сформированным из металла, снабженным фрикционной накладкой, расположенной со стороны ведущего диска.
Управляемый диск выполнен аксиально расположенным, относительно ведомого диска, неподвижно закрепленным на оппозитном, относительно ведомого диска, конце каретки, сформированным из диэлектрического материала, снабженным электретными, с большим удельным зарядом, накладками, расположенным на его оппозитных поверхностях.
Первый и второй управляющие диски выполнены неподвижно установленными, аксиально расположенными, относительно ведомого и управляемого дисков, сформированными из диэлектрического материала, снабженными электропроводящими накладками. При этом управляемый диск выполнен расположенным в интервале между первым и вторым управляющими дисками, а электропроводящие накладки первого и второго управляющих дисков расположенными со стороны управляемого диска, сформированными с возможностью подключения к источнику высокого напряжения (не показан).
Из обратимости электродвигателя и обусловленной данным фактом возможности осуществления электродвигателем режима рекуперации энергии при движении транспортного средства накатом примененные выше термины «ведомый и ведущий валы», «ведомый и ведущий диски» носят условный характер. В соответствие со структурной схемой, показанной на Фиг. 1, ведущий диск пондеромоторного сцепления выполнен кинематически соединенным с ротором электродвигателя (с валом электродвигателя (контекстуально - с ведущим валом пондеромоторного сцепления), который, как и ротор, должен быть выполнен полым /проходным; ведомый диск пондеромоторного сцепления выполнен кинематически соединенным с выходным валом коробки передач (контекстуально - с ведомым валом пондеромоторного сцепления) и далее с дифференциалом.
Конструктивные особенности демпферов крутильных колебаний (при их использовании), обгонных муфт, механизмов управления их реверсом (при использовании реверсиуемых обгонных муфт), источника высокого напряжения и аппаратуры управления, применяемых в целях управления пондеромоторным сцеплением, преобразующе-управляющих устройств асинхронного двигателя и синхронного генератора выходят за рамки изобретения. 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.
Работа изобретения понятна из уровня техники и цитированных выше материалов.
Тепловой двигатель является лидирующей энергетической установкой, электрические машины и накопитель электрической энергии - вспомогательными. Движение транспортного средства, осуществляемое исключительно посредством электрической тяги или исключительно посредством теплового двигателя, следует рассматривать в качестве экстремального режима. Запуск теплового двигателя осуществляется известными из уровня техники пусковым тепловым или электрическим двигателем (не показаны) или соответствующей подачей сжатого воздуха, через известный из уровня техники распределитель (не показан), в цилиндры (силового) теплового двигателя. Исходя из значительной инерционности ротора генератора, последний, при наличии обгонной муфты синхронного генератора, выполненной с возможностью реверсирования, может быть использован в качестве инерционного пускового устройства (также известно из уровня техники), предварительно раскручиваемого электрическим или тепловым, или воздушным пусковым двигателем (на худой конец - вручную, через механический мультипликатор). При этом инерционный запуск характеризуется меньшей мощностью, потребной от пускового двигателя (не показан), а наличие реверсируемой обгонной муфты обеспечивает возможность прогрева теплового двигателя с исключенной инерционной массой ротора генератора.
Управление тепловым двигателем осуществляется известным из уровня техники образом
Работа теплового двигателя сопровождается вращением ротора синхронного необратимого генератора. Приведенный в описании тип генераторов характеризуется пониженным моментом сопротивления вращению его ротора, по сравнению с аналогичным показателем синхронных обратимых генераторов. Резкое уменьшение частоты вращения вала теплового двигателя (сброс газа), вследствие значительной инерции ротора генератора, сопровождается расцеплением обгонной муфты синхронного генератора с дальнейшим вращением его ротора по инерции. При достижении валом теплового двигателя частоты вращения, величина которой больше или равна скорости вращения ротора генератора происходит замыкание обгонной муфты генератора и передача части мощности теплового двигателя ротору генератора. Потребляемая генератором мощность зависит от величины его нагрузки и от внутренних потерь в генераторе.
В случае применения в транспортном средстве генераторов с трансформаторными обмотками и, соответственно, резонансных конденсаторов, шунтирующих генераторные обмотки, применение фрикционных вариаторов обеспечивает стабилизацию частоты вращения ротора генератора в некотором, наиболее оптимальном с точки зрения реализации резонанса, диапазоне.
При достижении ротором электродвигателя скорости вращения, величина которой больше или равна скорости вращения выходного вала коробки передач, происходит замыкание обгонной муфты электродвигателя и суммирование мощностей теплового и электрического двигателей. Превышение скорости вращения выходного вала коробки передач, относительно скорости вращения ротора электродвигателя, ведет к расцеплению обгонной муфты электродвигателя и кинематическому отсоединению ротора электродвигателя от дифференциала (трансмиссии) транспортного средства.
Применение нереверсируемой обгонной муфты электродвигателя исключает реализацию режима рекуперации энергии при торможении транспортного средства. В случае применения реверсируемой обгонной муфты, при своевременном ее реверсировании, а также в случае превышения скорости вращения выходного вала коробки передач, относительно скорости вращения ротора электродвигателя, который посредством преобразующе-управляющего устройства должен быть нагружен тормозным моментом, может быть осуществлен режим рекуперации энергии замедления транспортного средства.
В случае применения пондеромоторного сцепления:
Подача высокого потенциала одного знака на электропроводящие накладки первого и второго управляющих дисков, вследствие действия Кулоновских сил, приводит к смещению управляемого диска в эквидистантное, относительно первого и второго управляющих дисков, положение, а также к смещению каретки в противоположную от ведомого диска сторону и, как следствие, к дистанцированию ведомого и ведущего дисков, что исключает инерционную массу электродвигателя из кинематической цепи трансмиссии транспортного средства.
Снятие потенциала с электропроводящих накладок управляющего диска, расположенненных со стороны ведомого диска, а также с электретньгх накладок управляемого диска, расположенных также со стороны ведомого диска, вследствие действия Кулоновских сил, действующих между электропроводящими и электретными накладками управляющего и управляемого дисков, расположенных на их оппозитной, относительно ведущего диска, стороне, приводит к смещению управляемого диска, а равно каретки и ведомого диска в сторону ведущего, что ведет к кинематическому соединению ротора электродвигателя с вторичным валом коробки передач.
Регулируя скорость стекания/накопления и амплитуду управляющего сцеплением потенциала обеспечивают необходимую плавность включения/отключения сцепления.
В отличие от реверсивной обгонной муфты, применение описанного выше сцепления обеспечивает быстрое переключение электродвигателя из режима электротяги на режим рекуперации и обратно.
Таким образом, заявляемое транспортное средство обеспечивает разделение электрических машин по их функциональному назначению, что позволяет оптимизировать магнитные системы электрических машин, облегчает организацию их охлаждения, обеспечивает работу генератора на повышенных, а электродвигателя на пониженных частотах вращения, а также обеспечивает питание электродвигателя повышенным напряжением пониженной частоты.
Заявленное техническое средство увеличивает КПД энергосиловой установки.