БЕССТУПЕНЧАТЫЙ ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ ГИБРИДНЫЙ ВАРИАТОР С ЦИФРОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
STEPLESS ELECTRIC MACHINE HYBRID VARIATOR WITH DIGITAL CONTROL

Область применения
Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к способам регулирования скорости вращения валов исполнительных механизмов, и может найти применение, например, в конструкции автомобиля вместо стандартной ступенчатой коробки скоростей.
Уровень техники
Из уровня техники известен вариатор планетарный бесступенчатый (патент РФ №2095665). В конструкции вариатора присутствуют три фрикциона, узла, наиболее подверженных износу. Нет нейтрального положения. Более того, как следует из описания: «При первоначальном запуске теплового двигателя большое центральное колесо 11 с выходным валом 3 затормаживаются тормозом 23», а следовательно, один из фрикционов противодействует значительному крутящему моменту, достаточному для начального движения транспортного средства.
Часть энергии теплового двигателя поглощается генератором. Причем максимальное количество на прямой передаче, то есть тогда, когда после разгона тепловой двигатель должен работать наиболее экономично в продолжительном установившемся режиме. Вариатор имеет пониженное быстродействие. При переходных режимах и изменениях передаточных чисел сказывается инертность элементов конструкции. Это следует из описания: «…И наоборот, при переходе с низкой скорости на более высокую, необходимо ручкой 22 уменьшить сопротивление реостата 17 (R2) и, нажимая на педаль акселератора 21, увеличить обороты двигателя. При этом возможен некоторый "провал" в динамике набора скорости, так как часть увеличивающего вращающего момента двигателя будет затрачиваться на раскручивание ротора-маховика 13».
Кроме того, в описании упоминается, что для переключения вариатора нужно изменять сопротивление регулировочного реостата. А это влечет за собой дополнительные сложности согласования совместной работы педали акселератора и управления реостатом. Также недостатком является то, что реверс осуществляется только на фиксированном передаточном отношении.
Для повышения КПД вариатора предполагается добавить в устройство дополнительную муфту, которая будет работать только на прямой передаче, а следовательно, еще и затруднять работу вариатора на близлежащих к прямой передаче передаточных отношениях за счет постоянного срабатывания муфты. Кроме того, это понижает быстродействие вариатора.
Из уровня техники известен саморегулируемый голономный бесступенчатый вариатор (патент РФ №2044196). Вариатор предназначен для автоматического плавного изменения частоты вращения ведомого вала в зависимости от момента нагрузки на нем при постоянной частоте вращения приводного двигателя, в отличие от заявленного изобретения, где плавно изменяются передаточные числа вариатора при изменениях нагрузки, а также при изменениях частот вращения приводного двигателя и вторичного вала.
Недостатком вариатора является то, что при работе вариатора избыточная мощность поглощается генератором (до 25% мощности), вследствие чего изменяется передаточное отношение. Причем максимальное поглощение происходит на больших передаточных значениях вариатора, то есть при разгоне, когда требуется повышенный крутящий момент.
Также недостатком является то, что в устройстве вариатора присутствуют множество шестерен и электрическая машина. В устройстве по заявленному изобретению присутствует только электрическая машина, что упрощает конструкцию. Также недостатком является то, что разбег передаточных чисел вариатора ограничен размерами корпуса, да и число зубьев на шестернях постоянно. В устройстве по заявленному изобретению в более широких значениях изменяются передаточные числа, поскольку задаются они изменением параметров широтно-импульсной модуляции (ШИМ). От размеров корпуса разбег передаточных чисел не зависит. Также у вариатора (патент 2044196) нет нейтрального положения и реверса. Из уровня техники известен патент РФ №2264307 на ГИБРИДНЫЙ СИЛОВОЙ АГРЕГАТ. В качестве электромагнитной муфты использована машина постоянного тока. Первый недостаток - питание электрической машины осуществляется последовательно через две токопередающие ступени - сначала через токопередающие кольца, а затем через ламели коллектора. А это как минимум в два раза снижает надежность и срок службы всего узла.
В устройстве по заявленному изобретению в качестве электромагнитной муфты использована синхронная электрическая машина. Питание электрической машины осуществляется через токопередающие кольца. Также возможно исполнение вообще без токопередающих колец - самого недолговечного элемента конструкции.
Характеристика машины постоянного тока такова, что при уменьшении напряжения питания уменьшаются и бороты якоря, но увеличивается ток нагрузки. Таким образом, конструкция эффективна лишь при высокой скорости якоря, то есть при работе на высоких передаточных числах вариатора. При низких передаточных числах вариатора якорь практически неподвижен относительно ротора и по цепи протекают высокие токи нагрузки - для машины постоянного тока это режим короткого замыкания. При резкой смене нагрузки также возможны броски тока в силовой цепи машины постоянного тока. В устройстве по заявленному изобретению характеристика синхронной электрической машины совсем иная, скорость вращения ротора зависит от частоты переменного тока, питающего обмотки статора, ток нагрузки зависит лишь от величины передаваемого крутящего момента.
Также недостатком устройства является сложность резкого изменения частоты ШИМ модуляции. При резком возрастании крутящего момента тоже возрастает ток нагрузки. Но для увеличения скорости вращения якоря (по логике вещей) нужно увеличить напряжение питания, а это приведет к броску тока. При неизменном напряжении питания под нагрузкой якорь затормозится, и величина тока возрастет, суммируясь с величиной тока, необходимой для передачи крутящего момента.
Также недостатком устройства является то, что скорость вращения якоря относительно статора зависит от напряжения питания машины постоянного тока. При перепадах нагрузки якорь будет немного тормозиться или разгоняться, при этом передаточное отношение вариатора будет колебаться в пределах значений «так получилось», а скорости вращения двигателя и вторичного вала будут лишь отслеживаться тахометрами. В том случае, когда автоматика начнет вслед за изменениями скорости вращения якоря изменять напряжения, наверняка последуют и броски тока в цепи электрической машины.
В устройстве по заявленному изобретению скорость вращения ротора относительно статора зависит от частоты питания обмоток ротора, а по величине тока нагрузки компьютер лишь отслеживает величину крутящего момента. При незначительных перепадах нагрузки передаточное отношение вариатора остается неизменным, и лишь при значительных изменениях крутящего момента компьютер принимает решение изменять передаточное отношение вариатора. И что еще немаловажно передаточное отношение вариатора можно задавать с очень большой точностью.
Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении надежности, увеличении диапазона регулирования передаточного числа бесступенчатой трансмиссии, получении реверсивной и нейтральной передач, увеличении срока службы, улучшении управляемости вариатором, отсутствии ограничений по росту мощности, простоте устройства, быстродействии.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показано конструктивное устройство вариатора, где 1 - двигатель внутреннего сгорания; 2 и 3 - элементы токопередающего устройства; 4 - первичный вал вариатора (соединен с валом двигателя); 5 - подшипник (промежуточный между первичным и вторичным валом); 6 - статор, закрепленный на первичном валу (4) и соединенный электрически с токопередающим устройством (3); 7 - ротор, закрепленный на вторичном валу 9, который вращается на подшипнике 8, на раме 11 кроме двигателя закреплен генератор 16; генератор приводится во вращение двигателем через ременную передачу 10, на раме закреплен датчик 13 оптопар; между датчиком и приемником вращается диск с прорезями 12, который измеряет частоту вращения двигателя (т.е. представляет собой тахометр), на раме закреплен датчик 14; между датчиком и приемником вращается диск с прорезями 15, который измеряет частоту вращения вторичного вала (т.е. представляет собой тахометр); 17 - контроллер широтно-импульсной модуляции (ШИМ), осуществляющий управление силовыми ключами 1 кл.-6 кл.; 18 - управляемый делитель частоты (синтезатор частоты), делит частоту 50 МГц, подаваемую опорным генератором 23. Коэффициент деления частоты определяется кодом, подаваемым на делитель частоты 18 с компьютера 19; 20 - включатель, срабатывает при нажатии на педаль тормоза; 21 - включатель, срабатывает при нажатии на педаль газа; 22 - шунт, добавочное сопротивление с которого снимает напряжение для измерения; 24 - генератор, управляемый напряжением, служит для измерения тока нагрузки в цепи вариатора; 25 - рычаг переключения коробки передач.
На Фиг.2 конструктивно и на Фиг.3 схематично показан тахометр, измеряющий частоту вращения двигателя, где 26 - таймер тахометра, измеряющего частоту вращения двигателя; 27 - опорный генератор таймеров тахометров двигателя и вторичного вала.
На Фиг.4 конструктивно и на Фиг.5 схематично показан тахометр, измеряющий частоту вращения вторичного вала, где 28 - таймер тахометра вторичного вала.
На Фиг.6 показана блок-схема измерения скорости вращения двигателя и вторичного вала и изменения передаточного числа вариатора, где 30 - арифметическое устройство, рассчитывает коэффициент деления для управляемого синтезатора частоты.
На Фиг.7 показана блок-схема измерения крутящего момента на вариаторе, где 31 - измеритель крутящего момента на вариаторе; 32 - устройство, сравнивающее заданный крутящий момент с действующим.
На Фиг.8 показана структурная схема компьютера (19) вариатора, где 29 - регистр (ячейка памяти); 33 - логическое устройство, управляет изменениями параметров работы синтезатора частоты; 34 - логический элемент, осуществляет запрет изменения частоты синтезатора; 35 - логический элемент, осуществляет разрешение изменения частоты синтезатора; 36, 37 и 38 - логические элементы, принимающие участие в организации управления вариатором.
На Фиг.9 показано конструктивное устройство бесщеточного вариатора, где 39 - ротор дополнительного генератора; 40 - статор дополнительного генератора; 41 - передатчик, передает данные значения крутящего момента; 42 - приемник, передает данные значения крутящего момента на компьютер; 43 - переключатель, управляет фазами питания дополнительного генератора.
На Фиг.10 показана структурная схема компьютера (19) бесщеточного вариатора.
На Фиг.11 показана установка электродвигателя (синхронной машины) в силовую установку, где 44 - батарея, накопитель электроэнергии; 106 - статор электромотора, закрепленный на раме; 107 - ротор электромотора, закрепленный на первичном валу; 117 - контроллер широтно-импульсной модуляции (ШИМ), осуществляющий управление силовыми ключами 11 кл.-16 кл.; 118 - управляемый делитель частоты (синтезатор частоты), делит частоту 50 МГц, подаваемую опорным генератором 123; 119 - компьютер, определяющий коэффициент деления частоты для делителя частоты 118; 122 - шунт, добавочное сопротивление с которого снимает напряжение для измерения; 124 - генератор, управляемый напряжением, служит для измерения тока нагрузки в цепи электромотора; 143 - переключатель, управляет фазами питания электромотора.
На Фиг.12 показана структурная схема компьютера электродвигателя, где 129 - регистр (ячейка памяти); 130 - арифметическое устройство, рассчитывает коэффициент деления для управляемого синтезатора частоты; 131 - измеритель крутящего момента на электромоторе; 132 - устройство, сравнивающее заданный крутящий момент с действующим; 133 - логическое устройство, управляет изменениями параметров работы синтезатора частоты; 134 - логический элемент, осуществляет запрет изменения частоты синтезатора; 135 - логический элемент, осуществляет разрешение изменения частоты синтезатора; 136, 137 и 138 - логические элементы, принимающие участие в организации управления электромотором.
На Фиг.13 показана упрощенная схема совместной установки вариатора и электродвигателя, где 45 - логическое дифференциальное устройство, организует управление совместной работой двигателя, вариатора и электромотора.
На Фиг.14 упрощенно показано, каким образом дифференциальное устройство взаимодействует с элементами компьютеров, управляющими работой вариатора и электромотора.
Реализация изобретения
Заявленный технический результат достигается за счет того, что вариатор, содержащий первичный вал, соединенный с валом двигателя, который вместе с генератором закреплен на раме, отличается тем, что статор закреплен на первичном валу и соединен электрически с токопередающим устройством, а ротор, закрепленный на вторичном валу, выполнен с возможностью вращения на подшипнике, также вариатор содержит контроллер широтно-импульсной модуляции, функцией которого является управление силовыми ключами, которые, в свою очередь, имеют функцию управления частотой питания обмоток статора таким образом, что могут вносить изменения в скорость взаимного вращения статора и ротора вариатора, также вариатор содержит синтезатор частоты, выполненный с возможностью управления по параметрам крутящего момента на вариаторе, а также по параметрам скоростей вращения первичного и вторичного вала, также вариатор содержит шунт, функцией которого является снятие добавочного сопротивления для измерения напряжения, также содержит генератор, управляемый напряжением, функцией которого является измерение тока нагрузки в цепи вариатора, также вариатор содержит закрепленные на раме блоки оптопар с приемником, между которыми установлен диск с прорезями и выполнен с возможностью вращения, и функцией которых является измерение частот вращения двигателя и вторичного вала.
Вариатор может содержать элементы токопередающего устройства.
Вариатор может также содержать дополнительный генератор, ротор которого закреплен неподвижно на раме и к нему подведено трехфазное питание, статор дополнительного генератора выполнен питающим статор вариатора, также содержит передатчик, функцией которого является передача данных величины крутящего момента, а на раме закреплен приемник, функцией которого является передача данных на вход компьютера, также содержит переключатель, функцией которого является перемена местами двух фаз, питающих дополнительный генератор, и осуществление запрета подачи импульсов на силовые ключи.
Вариатор может быть выполнен без элементов токопередающего устройства.
Для этого вариатор может содержать дополнительный генератор, ротор которого закреплен неподвижно на раме и к нему подведено трехфазное питание, статор дополнительного генератора питает статор вариатора, также содержит передатчик, функцией которого является передача данных величины крутящего момента, а на раме закреплен приемник, функцией которого является передача данных на вход компьютера, также содержит переключатель, управляемый рычагом переключения передач, функцией которого является перемена местами двух фаз, питающих дополнительный генератор, и осуществление запрета подачи импульсов на силовые ключи.
Дополнительно вариатор может содержать датчики, срабатывающие при нажатии на педаль тормоза и газа и рычаг переключения коробки передач.
Вариатор (см. Фиг.1) представляет собой синхронную электрическую машину, статор 6 которой закреплен на валу двигателя 4 и вращается вместе с ним, а ротор 7 соединен с вторичным валом 9.
Рассмотрим на примере: статор вращается со скоростью 2000 об/мин, а на его обмотки подается трехфазный переменный ток такой частоты, чтобы скорость вращающегося магнитного поля составила тоже 2000 об/мин, но в обратном статору направлении. При этом вторичный вал остается неподвижным (это можно определить как «нулевую передачу»).
Увеличим скорость вращения магнитного поля до 2100 об/мин. Вторичный вал, согласно взаимодействию магнитных полей, вращается в обратную сторону со скоростью 100 об/мин (это реверс). Теперь уменьшим скорость вращения магнитного поля до 1900 об/мин. Вал двигателя делает 2000 об/мин, а ротор, увлекаемый статором, делает 100 об/мин. При дальнейшем уменьшении скорости вращения магнитного поля скорость вторичного вала будет увеличиваться. При достижении нулевой скорости вращения магнитного поля на статор вариатора вместо переменного тока подаются импульсы постоянного напряжения, удерживая статор и ротор взаимно неподвижными.
При этом вторичный вал вращается с той же скоростью, что и первичный (это прямая передача).
Далее при включении реверса питания статора (перемена местами двух фаз) вращающееся магнитное поле начинает вращаться в ту же сторону, что и вал двигателя. Скорость вторичного вала определяется сложением скоростей: вращения маховика двигателя и вращения магнитного поля. При этом вторичный вал будет опережать маховик (это повышенная передача: так же, как в механической КПП на 5 передаче). Управляемый делитель частоты 18 может состоять, например, из микросхем К1533ИЕ10. Они имеют входы предварительной записи кода, каждый делит частоту на 16, поэтому 4 последовательно соединенных счетчика делят частоту на 65536. Частота опорного генератора 50 МГц, поделенная на 65536 она составит 763 Гц.
При частоте модуляции 2 кГц, подаваемой на вход контроллера 17 ШИМ-модуляции, частота вращения синхронной машины составит 60 об/мин.
При частоте вращения двигателя 2000 об/мин частота модуляции «нулевой передачи» составит 66,666 кГц, при этом частота вращения вариатора составит 2000 об/мин. Для этого на делитель частоты в начале каждого цикла счета записывается код: 65536-750. Счетчик отсчитывает 750 импульсов опорного генератора 50 МГц, и на выходе делителя частоты 18 получаем частоту 66,666 кГц.
На первой передаче передаточное отношение вариатора составляет 1:4, то есть при вращении двигателя 2000 об/мин вторичный вал вращается с частотой 500 об/мин. Для этого частота вращения ротора относительно статора составит 1500 об/мин, частота модуляции на входе ШИМ-контроллера - 17-50 кГц, а записываемый на вход делителя частоты 18 код будет равен 65536-1000.
При изменении передаточного отношения от «нулевой передачи» до первой передачи (1:4) код, записываемый на входе делителя частоты, изменяется от значения 65536-750 до значения 65536-1000.
То есть между «нулевой передачей» и первой передачей (1:4) компьютер может варьировать 250 фиксированных передач.
На диске (12, см. Фиг.2; вид со стороны оси вращения) имеется 120 прорезей, и при вращении двигателя импульсы от датчика оптопары (13, см. Фиг.2) поступают на компьютер (19, Фиг.1). Таким образом работает тахометр двигателя. Через вх.1 импульсы поступают на таймер (26, Фиг.3), при этом таймер включается в режим счета, а при следующем импульсе заканчивает счет.
Во время счета таймер считает импульсы, поступающие с генератора (27, Фиг.3).
Полученная величина «А» подается на выход таймера, и она обратно пропорциональна частоте вращения двигателя. Например, при частоте вращения 2000 об/мин двигатель делает 1 оборот за 30 мс, интервал между импульсами на вх.1 таймера 26 составит 250 мкс, за это время таймер отсчитает 750 импульсов генератора 27 (частотой 3 МГц). Цифровая величина «А» будет равна 750.
Тахометр, измеряющий частоту вращения вторичного вала состоит из закрепленного на раме датчика 14 (оптопар), где между датчиком и приемником вращается диск с прорезями 15. На диске (15, см. Фиг.4; вид со стороны оси вращения) имеется 120 прорезей, и при вращении вторичного вала импульсы от датчика оптопары (14, Фиг.4) поступают на компьютер (19, Фиг.1). Через вх.2 импульсы поступают на таймер (28, Фиг.5), при этом таймер включается в режим счета, а при следующем импульсе заканчивает счет.
Во время счета таймер считает импульсы, поступающие с генератора (27, Фиг.5).
Полученная величина «В» подается на выход таймера, и она обратно пропорциональна частоте вращения вторичного вала.
Например, при частоте вращения 200 об/мин вторичный вал делает 1 оборот за 300 мс, интервал между импульсами на вх.2 таймера 28 составит 2500 мкс, за это время таймер отсчитает 7500 импульсов генератора 27 (частотой 3 МГц). Цифровая величина «В» будет равна 7500.
Датчик 14 (Фиг.4) имеет 2 оптопары, установленные примерно через 0,5 градуса окружности. При вращении вторичного вала один из датчиков оптопары подает импульс на таймер, он же и заканчивает счет. По импульсу на второй оптопаре определяется направление вращения вторичного вала, и выдает данные с выхода «+» или «-» на «указатели направления вращения» (вх.2, Фиг.5). При смене направления вращения оптопары 14 меняются ролями.
Предел счета таймера - 2,5 млн импульсов. При частоте вращения вторичного вала менее 0,6 об/мин таймер переполняется и подает сигнал на выход «переполнение таймера» 28 (Фиг.5). Этот же сигнал - «переполнение таймера» - выдается на выходе таймера 28 и в самом начале работы, сразу после подачи электропитания.
При частоте вращения менее 0,6 об/мин можно считать, что вторичный вал неподвижен, а вариатор (при заданных технических характеристиках) обеспечивает максимальное передаточное отношение 1500-1600.
Измерение скорости вращения двигателя и вторичного вала и изменение передаточного числа вариатора осуществляется следующим образом.
Управляемый делитель частоты 18 записывает код, подающийся на его вход для определения частоты, требуемой для ШИМ-модуляции вариатора.
Для этого величина «А» с выхода таймера 26 и величина «В» с выхода таймера 28 подаются на арифметическое устройство (30, Фиг.6). В первую очередь важно синхронизировать скорость ротора относительно статора в вариаторе. Рассмотрим вариант, когда вторичный вал еще неподвижен.
Таймер 28 (Фиг.6) выдает сигнал «переполнение таймера» на вход арифметического устройства (30, Фиг.6), определяющий порядок расчета кода, подаваемого на делитель частоты 18.
В этом случае (когда С=А) величина «С» определяет частоту, подаваемую на вход контроллера ШИМ-модуляции 17 (Фиг.1).
Например, при частоте вращения 2000 об/мин, двигатель делает 1 оборот за 30 мс, интервал между импульсами на вх.1 таймера 26 составит 250 мкс, за это время таймер отсчитает 750 импульсов генератора 27 (частотой 3 МГц). Цифровая величина «А» будет равна 750.
Код на входе делителя частоты 18 будет равен 65536-750, частота на входе контроллера ШИМ-модуляции 17 составит 66,666 кГц, ротор вращается со скоростью 2000 об/мин, вторичный вал остается неподвижным - это и есть ранее упомянутая «нулевая передача». Теперь, если на вход «убывание/приращение кода» подать значение «-1», код на входе делителя частоты 18 будет равен 65536-750-1. Частота на входе контроллера ШИМ-модуляции 17 составит 66,578 кГц, соответственно скорость вращения ротора относительно статора - 1997,3 об/мин, скорость вращения вторичного вала составит 2,66 об/мин, а передаточное отношение вариатора будет равно 751.
Далее через 1000 импульсов (через 15 миллисекунд) с выхода делителя 18 код изменяется до величины 65536-750-2. Частота на входе контроллера ШИМ-модуляции 17 составит 66,489 кГц, скорость вращения ротора - 1994,7 об/мин, скорость вращения вторичного вала 5,32 об/мин, передаточное отношение вариатора будет равно 376. Далее при изменении кода каждые 1000 импульсов с выхода делителя 18 примерно через 5 секунд значение кода достигнет значения 65536-1000, а передаточное значение вариатора 1:4 (что соответствует первой передаче в обычной кпп). При изменении кода переключения вариатора происходят небольшими рывками, но при изменении длительности импульса на 0,02 мкс (частота опорного генератора делителя 18-50 МГц) это будет незаметно, а взаимодействие магнитных полей статора и ротора обеспечит мягкость передачи крутящего момента так, как если бы в устройстве были пружины.
Следующий этап - процесс синхронизации.
Способ изменения передаточных чисел вариатора, описанный ранее, действителен лишь в момент начала движения и при очень малой частоте вращения вторичного вала.
В процессе движения арифметическое устройство 30 синхронизирует статор и ротор вариатора, сравнивая данные, поступающие от таймеров 26 и 28. Величины А и В подаются на вход устройства 30, а тахометр 14 определяет данными на выходе «указатели направления вращения» порядок расчета кода для делителя частоты 18. Например, вторичный вал вращается в прямом направлении: выход «+» таймера 14 определяет порядок расчета кода устройству 30: С=А:(1-А/В) (Фиг.6). Код, равный величине 65536-С, обеспечивает синхронизацию статора и ротора вариатора. Далее на вход «убывание/приращение кода» устройства 30 подается значение убывания кода, тем самым изменяя передаточное отношение вариатора. Убывание кода происходит через определенное количество импульсов с выхода делителя 18 - количество импульсов может изменяться в зависимости от величины крутящего момента, заданных регулировок и т.д., изменяя тем самым передаточное число вариатора.
Убывание кода может накапливаться до того момента, когда с тахометров 13 и 14 отсчитываются и перезаписываются на выходы таймеров 26 и 28 новые значения величин А и В. По новым значениям А и В арифметическое устройство 30 определяет величину С, тем самым синхронизируя ротор и статор вариатора, а затем опять начинает убавлять код. При движении на задней передаче с выхода «-» таймера 14 определяется порядок расчета величины С=А:(1+А/В) для синхронизации ротора и статора, а изменение передаточного отношения вариатора производится приращением кода.
Далее производится измерение крутящего момента на вариаторе.
Скорость вращения ротора относительно статора в вариаторе зависит от частоты синхронизации, но не зависит от нагрузки на вторичном валу. При изменении нагрузки на вторичном валу (например, при движении в подъем после ровного участка дороги) увеличивается ток нагрузки в обмотках статора вариатора и, следовательно, в цепи шунта 22 (Фиг.1; Фиг.7). На шунте 22 возникает напряжение, пропорциональное току нагрузки. К шунту 22 подключен генератор, управляемый напряжением 24 (Фиг.1; Фиг.7), который в зависимости от напряжения (тока нагрузки) на шунте изменяет частоту на выходе. Частота ГУН 24 подается через вх.5 (Фиг.1) на таймер 31 (Фиг.7). С выхода управляемого делителя частоты 18 (Фиг.1) через вх.3 (Фиг.1) частота модуляции подается на таймер 31. Два из выходов ШИМ-контроллера 17 через вх.4 (Фиг.1) подключены к таймеру 31. С началом ШИМ-импульса на вх.4 таймеру 31 подается разрешение считать импульсы, поступающие с ГУН 24, но не сразу, а после нескольких (например, 3-4) импульсов со вх.3. Таймер считает импульсы генератора 24 в строго заданном интервале, например 5 мкс. Полученная цифровая величина на выходе таймера 31 отображает величину крутящего момента на вариаторе.
Сравнения крутящего момента.
Каждому значению оборотов двигателя соответствует оптимальный крутящий момент на валу. При повышении крутящего момента следует переключаться на пониженную передачу, а при уменьшении крутящего момента следует, наоборот, переключаться на повышенную передачу (уменьшать передаточное отношение вариатора) с тем, чтобы двигатель не расходовал мощность впустую.
Величину крутящего момента можно разделить на четыре интервала (по возрастанию):
A) Заниженный - когда двигатель работает без нагрузки;
Б) Оптимальный - когда двигатель работает в наиболее экономичном режиме;
B) Номинальный - когда двигатель работает при повышенном крутящем моменте, например при разгоне;
Г) Завышенный - когда двигатель работает при непозволительной нагрузке.
Номинальный момент может изменяться в широких пределах - от оптимального до завышенного, в зависимости от нагрузки и режима работы.
Устройство сравнения 32 (Фиг.7) получает величину «А» (обороты двигателя) от таймера 26 и по записанной во внутренней памяти таблице определяет оптимальный крутящий момент, сравнивая его с величиной действующего крутящего момента на вариаторе. Величина действующего крутящего момента подается на устройство сравнения с таймера 31 (Фиг.7).
Задача сравнивающего устройства - привести величину действующего крутящего момента в соответствие с оптимальной (наиболее экономичной, взятой из таблицы). Это достигается изменением передаточного отношения вариатора, а именно убыванием или приращением кода, которое передается с выхода устройства сравнения 32 (Фиг.7) на арифметическое устройство 30 (Фиг.6).
Если действующий крутящий момент на вариаторе немного возрос (например, при движении в подъем после ровного участка дороги), устройство сравнения начинает прибавлять код, увеличивая передаточное отношение вариатора. И наоборот, если действующий крутящий момент уменьшается, следует уменьшить передаточное отношение вариатора путем убывания кода.
Убывание (приращение) кода производится через определенное количество импульсов с выхода делителя 18, подаваемых на вх.3 и далее на таймер 31 и устройство сравнения 32 (Фиг.7). Чем выше величина действующего крутящего момента, тем реже (через большее количество импульсов с выхода делителя 18) устройство сравнения 32 производит убывание кода. Следовательно, при большей нагрузке на вторичном валу вариатор будет изменять передаточное отношение более медленно, обеспечивая достаточный для разгона крутящий момент двигателя.
Кроме того, к устройству сравнения 32 (Фиг.7) от арифметического устройства 30 (Фиг.6) подключена обратная связь. Эта величина равна «В» деленное на «А» и обозначает передаточное отношение вариатора. Это может быть также и просто величина «В», обозначающая частоту вращения вторичного вала.
По этим величинам устройство сравнения 32 определяет, в каких пределах может изменяться величина действующего крутящего момента на вариаторе. В начале разгона крутящий момент может достигать самых высоких значений, близких к завышенному. Это определяется устройством 32 по передаточному отношению вариатора.
Далее (с уменьшением передаточного отношения) крутящий момент принимает номинальное значение, плавно уменьшаясь до значения оптимального - по мере уменьшения передаточного отношения и разгона.
При этом если величина крутящего момента остается очень высокой и убывание кода производится через очень большое количество импульсов с выхода делителя 18, устройство сравнения 32 перестает отдавать команды на убывание кода.
Таким образом, при повышенной нагрузке передаточное отношение может остановиться на определенном значении, обеспечивая тем самым достаточный крутящий момент двигателя, например, при движении в подъем.
Компьютер 19 вариатора может быть реализован следующим образом.
На чертеже 8 изображена структурная схема этого компьютера. В регистр 29 (Фиг.8) периодически перезаписывается код, подаваемый на вход управляемого делителя 18. Таймер 26 измеряет частоту вращения двигателя, а таймер 28 измеряет частоту вращения вторичного вала и сигнализирует «остановку вторичного вала».
По данным таймеров 26 и 28 арифметическое устройство 30 синхронизирует двигатель и вторичный вал.
Поступающая с ГУН (24, Фиг.7) величина определяется таймером 31 как величина крутящего момента на вариаторе. Величина крутящего момента подается с таймера 31 на устройство сравнения 32 (Фиг.7), которое определяет убывание или приращение кода, изменяя тем самым передаточное отношение вариатора.
Регистр 29 служит для записи и хранения кода, код перезаписывается по команде устройства сравнения 32 (Фиг.8). При малых значениях передаточного отношения вариатора изменение кода на единицу крайне мало отражается на работе вариатора, поэтому на выходе арифметического устройства 30 (Фиг.8) код может изменяться в некотором интервале времени, а затем по команде устройства 32 перезаписывается в регистр 29. Частота перезаписи определяется по передаточному отношению вариатора (по величинам А и В). Для этого служит обратная связь между устройствами 30 и 32 (на Фиг.8 показана стрелкой).
При больших передаточных отношениях вариатора данные на регистре 29 перезаписываются при каждом изменении кода на выходе арифметического устройства 30.
Логическое устройство 33 (Фиг.8) определяет, когда следует подавать разрешение или запрет на приращение (или убывание) кода, определяющего коэффициент деления частоты. При переключении рычага 25 (Фиг.1 и 8) в положение «R» или «D» логический элемент «или» 38 (Фиг.8) подает разрешение на логический элемент «и» 35 (Фиг.8). После нажатия педали «газ» (21, Фиг.1 и 8) на выходе логического элемента 35 появляется сигнал, разрешающий логическому устройству 33 приращение (или убавление) кода. При нажатии на педаль «тормоз» (20, Фиг.1 и 8) подается сигнал на логический элемент 34 «или».
И при уменьшении частоты вращения вторичного вала ниже 0,6 об/мин таймер 28 (Фиг.8) подает сигнал «переполнение таймера» на логический элемент 34, по команде которого логическое устройство 33 переходит в устойчивое состояние запрета приращения (или убывания) кода.
Кроме того, включатель 20 подключен и напрямую к устройству 33: каждый раз при нажатии на педаль «тормоз» логическому устройству 33 подается временный запрет на приращение (убывание) кода. Это нужно для того, чтобы при кратковременном торможении двигатель отключался от нагрузки. В это время арифметическое устройство 30 только синхронизирует первичный и вторичный вал по их скоростям вращения. Крутящий момент на вариаторе (скорее всего) будет разным при одной и той же частоте вращения, в зависимости от того, в каком направлении вращается вторичный вал - прямом или обратном. Поэтому устройство сравнения 32 (Фиг.7 и 8) имеет две таблицы для определения оптимального крутящего момента, записанных во внутренней памяти - для прямой и задней передач.
При включении рычага коробки передач 25 в положение «R» подается разрешение на логический элемент «и» 36 (Фиг.8), и приращение кода подается от устройства сравнения из той таблицы, которая соответствует задней передаче. При переключении рычага 25 в положение «D» подается разрешение на логический элемент «и» 37 (Фиг.8), убывание кода подается на логическое устройство 33 из той таблицы, которая соответствует прямой передаче.
Режимов движения может быть несколько.
Резкий старт.
Рычаг 25 находится в положении «нейтраль». Педаль газа нажата, и двигатель вращается с частотой 2000-5000 об/мин. Вторичный вал неподвижен, арифметическое устройство 30 синхронизирует его по величине С=А.
После включения рычага 23 в положение «D» подается разрешение на убывание кода, вариатор начинает уменьшать передаточное отношение, определяя частоту изменения кода по величине крутящего момента (показания ГУН 24, Фиг.8). Большим оборотам двигателя соответствует и больший крутящий момент на вариаторе. Также высоким передаточным числам вариатора соответствует и повышенный крутящий момент на валу двигателя.
В дальнейшем синхронизация устройством 30 производится по формуле С=А:(1-А/В) - по мере того, как вторичный вал набирает обороты. Крутящий момент на вариаторе остается достаточно высоким (поскольку и обороты двигателя достаточно велики), что позволяет гораздо быстрее уменьшать значение кода, а следовательно, уменьшать передаточное значение вариатора.
Плавный разгон.
Двигатель вращается на холостых оборотах, вторичный вал неподвижен.
После включения рычага 25 в положение «D» нажимаем педаль газа (21). В момент начала движения устройство 30 осуществляет синхронизацию только по оборотам двигателя (по формуле С=А).
Постепенно двигатель набирает обороты, и через каждые 1/120 оборота таймер 26 перезаписывает данные тахометра 13, по которым осуществляется синхронизация. При этом устройство 30 будет увеличивать значение кода соответственно синхронной частоте. Убывание кода для переключения передач будет незначительным - между перезаписями данных на таймере 26 будут интервалы, во время которых двигатель набирает обороты, а потому крутящий момент будет достаточно высоким.
Если педаль газа будет нажата с большей скоростью и двигатель быстрее набирает обороты, то величина крутящего момента будет достаточно велика, и устройство сравнения 32 будет подавать устройству 30 команду уже не на убывание, а на увеличение кода, с тем чтобы увеличить передаточное отношение вариатора. То есть при более резком нажатии педали газа разгон будет более динамичным. Также если двигатель плавно набирает обороты, а крутящий момент остается достаточно высоким (например, при движении в подъем), то и в этом случае код будет увеличиваться, с тем чтобы увеличить передаточное отношение до требуемой величины.
Переключение передачи на ходу.
Рычаг 25 включен, например, в положение «R», педаль газа нажата, двигатель плавно набирает обороты, вторичный вал вращается с некоторой скоростью.
Теперь прямо на ходу, не меняя оборотов двигателя, переключаем рычаг 25 из положения «R» в положение «D». Разрешение «приращения кода» изменяется на разрешение «убывания кода». Арифметическое устройство 30 начинает увеличивать передаточное отношение вариатора, и поэтому крутящий момент двигателя оказывает тормозящее действие (как в механической коробке при переключении на пониженную передачу). Интенсивность торможения (частота изменения кода) определяется по величине крутящего момента на вариаторе. После того как вторичный вал полностью остановится, передаточное отношение вариатора принимает значение «нулевой передачи», а дальнейшее убывание кода уже будет уменьшать передаточное отношение на прямой передаче и, как результат, разгон транспортного средства.
Заявленное устройство вариатора может быть также реализовано как бесщеточная конструкция.
1
1
1
1
1
Как известно из принципа действия синхронной электрической машины (см. «Электрические машины: синхронные машины», И.Л.Осин, Ю.Г.Шакарян, под редакцией профессора И.П.Копылова, Москва, «Высшая школа», 1990 г.), если подключить статор к сети частотой f, то в обмотках создастся вращающийся магнитный поток определенной частоты вращения: n=60·f/p (где p - число пар полюсов). Угловая скорость составит: Ω=2П·f/p.
1
Если подключить к обмоткам возбуждения постоянный ток, а ротор вращать с угловой скоростью Ω, то условием синхронизации будет равенство Ω=Ω.
2
2
2
2
2
1
2
1
2
При наличии двух одинаковых обмоток возбуждения и подключении их к двухфазному источнику переменного тока частоты f создастся вращающийся магнитный поток частотой вращения относительно ротора: n=60·f/p, угловой скоростью, равной Ω=2П·f/р. Если ротор вращается с угловой скоростью Ω, то для существования установившегося режима угловые скорости Ω, Ω, Ω должны быть связаны отношением Ω=Ω+Ω. Главным отличием бесщеточного вариатора, изображенного на Фиг.9, является то, что вместо щеток и колец токопередающего устройства (поз.2 и 3, Фиг.1) установлен генератор. Ротор генератора (39, Фиг.9) закреплен неподвижно на раме 11, к нему подведено трехфазное питание. Статор генератора (40, Фиг.9) закреплен на валу двигателя и вращается вместе с ним. Статор генератора (39) питает статор вариатора (6, Фиг.9). В эту цепь включен шунт 22 и генератор, управляемый напряжением (ГУН, 24) - они служат для измерения величины крутящего момента на вариаторе, как было указано в пункте 9.
Но поскольку шунт 22 и ГУН 24 вращаются вместе с валом двигателя, для передачи данных величины крутящего момента используется передатчик 41 (Фиг.9), например, - излучатель инфракрасного спектра.
На раме закреплен приемник 42 (Фиг.9), который и передает данные на вход вх.5 компьютера 19.
Дополнением конструкции является переключатель 43, управляемый рычагом переключения передач 25 (на Фиг.9 не показано). Он служит для перемены местами двух фаз, питающих дополнительный генератор (39, 40). Также переключатель 43 служит для того, чтобы осуществлять запрет подачи импульсов на ключи 1-6, управляющие питанием обмоток ротора. В этом случае на ключи подается постоянный ток. Управление осуществляется таймером 28 (на Фиг.9 не показано).
Принцип действия бесщеточного вариатора основан на следующем.
1
2
1
2
2
l
Из работы синхронной машины следует, что частота переменного тока Ω на выходе статора дополнительно генератора 40 (Фиг.9) зависит от частоты вращения вала двигателя Ω и частоты переменного тока Ω, питающего обмотки статора 39 (Фиг.9). Из формулы Ω=Ω+Ω следует, что если на обмотки ротора подавать постоянный ток (Ω=0), то Ω=Ω, а следовательно, частота, питающая обмотки вариатора, равна частоте вращения вала двигателя. При этом магнитное поле в статоре вариатора вращается в обратную валу двигателя сторону. Ротор вариатора остается неподвижным, это нулевая передача. Для этого в конструкции вариатора предусмотрен переключатель 43 - он осуществляет запрет подачи ШИМ-импульсов на ключи (1-6) и подает на них постоянный ток.
2
1
2
Частота Ω, питающая обмотки ротора 39, складывается с частотой Ω (формула Ω=Ω+Ω), но только в том случае, когда магнитное поле ротора 39 вращается в обратную валу двигателя сторону.
2
При этом частота, питающая статор вариатора, больше частоты вращения вала двигателя, а магнитное поле статора вариатора постоянно вращается в обратную валу двигателя сторону, и, следовательно, частота вращения вторичного вала будет равна Ω. Это задняя передача.
Теперь, если поменять местами питание ключей двух фаз, питающих ротор 39 дополнительного генератора, магнитное поле будет вращаться в обратном направлении, в том же, что и вал двигателя.
1
2
2
При этом частота Ω, питающая статор вариатора, будет меньше частоты вращения двигателя Ω на величину Ω. Это соответствует частоте питания ротора 39, частота вращения вторичного вала вариатора будет равна Ω. Это прямая передача. Например, если код, подаваемый на вход делителя частоты 18 (Фиг.9), равен нулю, то частота генератора 23, поделенная на 65536, будет равна 763 Гц. Частота, питающая ротор генератора 39, а следовательно, и частота вращения вторичного вала вариатора будет равна 22,9 об/мин. Направление вращения вторичного вала вариатора при этом не зависит от частоты переменного тока, а определяется направлением вращения магнитного поля, питающего ротор генератора 39.
Теперь, если увеличивать величину кода, подаваемого на вход делителя частоты 18, будет увеличиваться и частота питания ротора 39 (а следовательно, и частота вращения вторичного вала вариатора).
При этом для синхронизации вариатора компьютеру достаточно частоты вращения вторичного вала, а для изменения передаточного числа вариатора следует только увеличивать величину кода.
Примечание: частота 22,9 об/мин - минимальная для данного примера, на деле может не обеспечивать плавности в начальный момент движения или окажется достаточно большой для крупных и тяжелых механизмов. Поэтому можно установить делитель 18 с большим коэффициентом деления или генератор 23 с меньшей рабочей частотой.
1
1
Также из формулы, определяющей частоту вращения синхронной машины n=60·f/p (где p - число пар полюсов), следует, что можно увеличить число пар полюсов, уменьшив тем самым частоту вращения ротора вариатора в несколько раз. При этом изменится также порядок расчета кода.
Некоторые изменения коснутся и компьютера, управляющего работой бесщеточного вариатора. Величина «А» подается только на устройство сравнения 32 (Фиг.10), по ней определяется момент на вариаторе, соответствующий оборотам двигателя. Поскольку для синхронизации статора и ротора вариатора достаточно оборотов вторичного вала, на арифметическое устройство 30 подается только величина «В», и только при вращении вторичного вала.
При переключении рычага 25 в положение «R» или «D» переключателю 43 подаются команды менять местами управление двумя фазами (кл.1, кл.2, кл.4, кл.5), изменяя тем самым направление вращения магнитного поля питания ротора 39 (Фиг.10, показано пунктиром).
При снижении скорости вращения вторичного вала ниже 0,5 об/мин таймер 28 выдает команду «переполнение таймера». Выход «переполнение таймера» также подключен к переключателю 43, по его команде переключатель подает на ключи с 1 по 6 постоянный ток (Фиг.10, показано пунктиром).
Совместная работа вариатора и электродвигателя основана на следующих принципах.
На Фиг.11 показана установка электродвигателя (синхронной машины) в силовую установку.
Двигатель и вариатор не показаны, а на продолжении вала 9 показан ротор 107. Все элементы, схожие по назначению элементами управления вариатора, пронумерованы индексами на «100» большими, для удобства. Например, под номером 106 обозначен статор электродвигателя, номером 107 - ротор электродвигателя и т.д. Ключи управления ШИМ-модуляцией обозначены как кл.11-кл.16. Батарея, питающая электродвигатель, обозначена номером 44, в режиме торможения электродвигатель заряжает ее.
Компьютер 119 выдает код делителю частоты 118, который формирует импульсы контроллеру ШИМ-модуляции 117. Устройство 143 служит для переключения местами двух фаз и осуществления обратного вращения двигателя.
Компьютер электродвигателя 119 (Фиг.12) также имеет ряд отличий от компьютера бесщеточного вариатора. Его элементы, схожие по назначению, также обозначены индексами на «100» больше. Параметр «А» (обороты двигателя) здесь не нужен, параметр «В» поступает от таймера 28. При переполнении таймера 28 устройство 143 полностью отключает питание ключей кл.11-кл.16.
На Фиг.13 показана упрощенная схема совместной установки вариатора и электродвигателя.
Двигатель внутреннего сгорания не показан. Кроме того, не показаны педали 20 и 21, а также рычаг переключения передач. Ключи кл.1-6 и кл.11-16 условно изображены уменьшенными сборками, впрочем, как и элементы 17, 18, 23, 43, 117, 118, 123, 143, 122, 124.
Номером 45 обозначено устройство, перераспределяющее нагрузку между вариатором (двигателем внутреннего сгорания) и электромотором.
Дифференциальное устройство 45 (Фиг.13 и 14) предназначено для перераспределения нагрузки между вариатором и электромотором при их совместной работе. На Фиг.14 показано, каким образом дифференциальное устройство взаимодействует с элементами компьютеров 19 и 119, управляющими работой вариатора и электромотора. Сравниваются величины крутящих моментов на вариаторе и электромоторе по данным, поступающим от таймеров 31 и 131. Устройства сравнения 32 и 132 показывают данные соответствия крутящего момента. Делители частоты 18 и 118 подключены для подсчета импульсов, управляющих ШИМ-контроллерами. И устройствам 33 и 133 подается разница моментов изменения кода.
Например, вал двигателя вращается с некоторой постоянной частотой, а вторичный вал 9 (Фиг.13) вращается с частотой 500 об/мин. Частота модуляции для ШИМ-контроллеров 17 и 117 составит 16,666 кГц, код, подаваемый на делители частоты 18 и 118, составит 65536-3000. Предположим, частота вращения вторичного вала изменится с 500 до 510 об/мин за интервал времени, равный 12 секундам.
Для этого требуется подать частоту модуляции 16,999 кГц, а код изменить с величины 65536-3000 до величины 65536-2940; изменения кода будут происходить каждые 0,2 с.
При этом тяга между вариатором и электромотором будет распределена равномерно, поскольку изменения кода (и изменение передаточного числа на вариаторе) происходят синхронно.
Перераспределение нагрузки: при частоте модуляции 16,666 кГц изменение кода происходит каждые 0,2 секунды; за это время на ШИМ-контроллеры 17 и 117 подается 3333 импульса (длительностью 60 мкс каждый - это частота 16,666 кГц) с делителей частоты 18 и 118. Каждый из импульсов включает в себя 3000 микроимпульсов длительностью 0,02 микросекунды - это частота 50 МГц, подаваемая от задающих генераторов 23 и 123.
Теперь, если последний импульс, подаваемый на ШИМ-контроллер 17, оставить без изменения, а на делитель частоты 118 подать код 65536 - 2999 (на единицу меньше), то в этом случае счет окончится раньше (на 0,02 мкс); импульс на ШИМ-контроллер 117 поступит раньше, а следовательно, и электромотор 106, 107 (Фиг.13) возьмет на себя немного большую нагрузку.
Если код 65536-2999 делителю частоты 118 подать еще раньше (два импульса по 60 мкс), электромотор возьмет на себя еще большую нагрузку. Дифференциальное устройство 45, сравнивая величины крутящих моментов (таймеры 31 и 131, Фиг.14), определяет, насколько раньше требуется подать изменение кода на делитель 118 (в том случае, если необходимо большую нагрузку забрать электромотору).
Подсчитывая импульсы, поступающие от делителей частоты (18 и 118, Фиг.14), дифференциальное устройство определяет момент, когда следует изменить код одному из компьютеров. При этом электромагнитная сила сцепления роторов и статоров в вариаторе и электромоторе обеспечит мягкость распределения нагрузки так, как если бы в устройстве присутствовали демпферные пружины.
Повышение надежности вариатора обеспечивается за счет того, что вместо ламелей установлены токопередающие кольца - более надежный узел. При установке дополнительного генератора можно вообще отказаться от щеток, а это, в свою очередь, уменьшает количество трущихся частей, что способствует повышению надежности вариатора и увеличению его срока службы.
Увеличение диапазона регулирования передаточного числа бесступенчатой трансмиссии реализуется за счет того, что поскольку частота опорного генератора достигает десятков мегагерц, следовательно, и длительность импульсов, управляющих ШИМ-контроллером, можно изменять на сотые доли микросекунды, а число фиксированных передач вариатора может достигать нескольких миллионов. Это дает возможность выбрать наиболее экономичный или просто оптимальный режим движения, а также обеспечить плавное изменение передаточного отношения вариатора, что благоприятно на малых скоростях движения и для крупных и тяжелых механизмов.
Получение реверсивной и нейтральной передач обеспечивается тем, что передаточное отношение вариатора изменяется путем изменения взаимных скоростей вращения ротора и статора. При достижении скорости вращения равной, но противоположной скорости вращения вала двигателя и статора, ротор с вторичным валом остаются неподвижными - что можно рассматривать как нейтральную передачу. При дальнейшем изменении скорости вращения ротора относительно статора изменяется направление вращения вторичного вала, что и является реверсивной передачей. Нейтральную передачу можно получить также простым обесточиванием цепей управления вариатором.
Получение реверсивной и нейтральной передач возможно при использовании бесщеточной конструкции вариатора. Переключение передачи на реверсивную получают переключением цепей управления силовыми ключами вариатора. Нейтральную передачу получают подачей постоянного тока на силовые ключи вариатора или обесточиванием цепей управления.
Увеличение срока службы вариатора обеспечивается за счет того, что крутящий момент передается за счет взаимодействия электромагнитных сил ротора и статора, износ рабочей поверхности полностью исключен. Замена ламелей коллектора на токопередающие кольца значительно повышает срок службы узла, а в случае с бесщеточной конструкцией вариатора позволяет практически полностью отказаться от трущихся и изнашивающихся поверхностей за исключением подшипников (5 и 8; Фиг.1).
Измерение крутящего момента производится по величине тока нагрузки в обмотках, поэтому возможности перегрева и перегорания обмоток значительно снижены, что также повышает срок службы всего устройства.
Улучшение управляемости вариатором реализуется за счет того, что изменение взаимных скоростей вращения ротора и статора производится с помощью ШИМ-модуляции, импульсы которой, в свою очередь, с высокой точностью моделируются компьютером. При этом скорости вращения частей вариатора постоянно измеряются и всегда известны управляющему компьютеру, а передаточное отношение вариатора всегда может быть рассчитано (по этим данным).
За счет того, что возможно включение в нагрузку двух и более источников механической энергии, например двигателя в сочетании с электромотором, ШИМ-модуляция позволит очень плавно перераспределять между ними нагрузку. То есть управляемость вариатором значительно улучшится, компьютер будет управлять процессами более точно и осмысленно, нежели чем коллекторной машиной постоянного тока.
Отсутствие ограничений по росту передаваемой мощности реализуется за счет того, что передаваемая от двигателя на привод нагрузка распределена по всей рабочей поверхности электромагнитной муфты (вариатора), в отличие от ременных вариаторов, где нагрузка сосредоточена на пятаках соприкосновения ремня и шкивов, данная конструкция позволяет создать вариатор на сколь угодно большую мощность, нужно только соответственно увеличить размеры.
Простота устройства заключается в том, что вариатор состоит из минимального количества деталей. В устройстве вариатора минимальное количество высокоточных деталей и деталей, требующих высокотехнологичной и дорогостоящей обработки (цементация, закалка, шлифовка). В конструкции вариатора нет каких-либо специальных механических устройств переключения реверса, переключение производится также изменением параметров управления широтно-импульсной модуляции или производится в логических цепях микросхем и на силовых ключах управления. В конструкции нет устройства разрыва потока мощности (такого как, например, корзина сцепления или гидротрансформатор). Электромагнитная муфта передает поток мощности лишь после подачи питания на силовые ключи управления. А также после подачи питания на силовые ключи управления возможен режим работы, при котором ротор и статор синхронизированы, но крутящий момент вариатором не передается - этот режим обозначен как «нулевая передача». Вариатору не требуются для работы какие-либо специальные масла. Конструкция вариатора максимально упрощена: отсутствуют рычаги, качалки, взаимно подвижные части и т.п., из чего также следует повышение надежности и долговечности вариатора.
Быстродействие вариатора обеспечивается тем, что формирование импульсов ШИМ-модуляции происходит в компьютере, силовые ключи лишь немного отстают от компьютера по быстродействию. Сердечники статора и ротора имеют инертность при перемагничивании (петля гистерезиса), но, тем не менее, превосходят по быстродействию механические и гидравлические системы, а поскольку крутящий момент передается за счет взаимодействия электромагнитных полей, электромагнитную муфту невозможно повредить при любых динамичных переключениях.