СТАРТЕР-ГЕНЕРАТОР ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к электрооборудованию транспортных средств, в первую очередь к средним и тяжелым колесным и гусеничным машинам, оборудованных, как правило, дизельными двигателями. Особенностями данных транспортных средств являются трудности пуска двигателей и наличие значительного количество вспомогательных электрических приборов и устройств.
Известен стартер-генератор автомобильного двигателя (патент РФ №2133130, МПК6 F02N 11/04, 1998), представляющий собой электрическую машину, которая в режиме стартера является асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором (маховиком), а в режиме генератора - бесщеточным генератором переменного тока с электромагнитным возбуждением.
Недостатком указанного стартер-генератора является небольшой пусковой момент стартера, что является одним из основных недостатков асинхронных электродвигателей, ограничивающим его использование для пуска дизельных двигателей внутреннего сгорания.
Увеличение пускового момента, необходимого для пуска дизельного двигателя, требует для данного стартер-генератора увеличения количества катушек обмоток статора и диаметра ротора, что в целом ведет к неприемлемому расширению размеров электрической машины, а также к увеличению необходимой мощности источника питания (аккумуляторов). Значительные габаритные размеры стартер-генераторов ограничивают возможность их применения на транспортных средствах, к которым предъявляются жесткие ограничения по размерам.
Одним из направлений, ограничивающим рост размеров электрической машины при увеличении ее пускового момента, является использование для формирования магнитного поля в электрической машине постоянных магнитов с высокими удельными показателями, например с использованием элементов Fe-Nd-B. Это объясняется тем, что размер катушки обмотки электрической машины с сердечником, как правило, превышает габариты постоянного магнита при равенстве их магнитодвижущих сил. Использование постоянных магнитов также снижает необходимую мощность источника питания. Одним из основных недостатков использования постоянных магнитов в электрических машинах является трудности регулирования магнитных потоков в машине при необходимости изменения режимов ее работы.
Известна электрическая машина (Патент на изобретение РФ №2439770, МПК Н02К 19/16, 21/14, 1/27, 2012 - прототип), в которой использованы постоянные магниты для формирования магнитного поля ротора и которая может быть применена как в качестве стартера, так и генератора транспортного средства.
Машина содержит статор с двумя шихтованными пакетами с трехфазной обмоткой, впрессованными в массивный магнитопровод, обмотку возбуждения, расположенную между шихтованными пакетами статора, и ротор с укороченными полюсами, полюса выполнены в виде намагниченных радиально и укороченных в аксиальном направлении постоянных магнитов с укорочениями для полюсов разной полярности с противоположных сторон, на место укорочений вставлены вставки из магнитомягкого материала, обмотка статора состоит из катушек, каждая из которых надета на два расположенных напротив друг друга зубца обоих шихтованных пакетов. В воздушном зазоре между статором и ротором расположены гальваномагнитные датчики положения магнитов ротора относительно статора, выводы обмоток зубцов и датчиков положения ротора соединены с электронным коммутирующим устройством.
Для формирования первоначального пускового вращающего момента при работе электрической машины в режиме стартера в обмотках статора требуются большие токи, коммутация которых требует применения электронных токовых ключей (как правило, транзисторов) с большой мощностью рассеивания. При эксплуатации мощных ключевых транзисторов проявляется закономерность, заключающаяся в том, что с увеличением величин коммутируемых токов надежность работы ключей уменьшается.
При пуске двигателей внутреннего сгорания после начала вращения вала двигателя токи обмоток статора могут быть уменьшены в период от начала вращения вала двигателя внутреннего сгорания до начала работы двигателя внутреннего сгорания в рабочем режиме (до состоявшегося пуска двигателя). Возможное уменьшение токов статора объясняется уменьшением момента сопротивления вращению вала за счет исчезновения момента сопротивления трогания вала двигателя после начала его вращения.
Уменьшение потребляемых токов в стартере в период вращения вала двигателя позволяет использовать для пуска двигателя источник энергии (аккумулятор) с уменьшенными энергетическими характеристиками.
При работе электрической машины в режиме генератора постоянные магниты используются как основное поле возбуждения генератора, наводящее переменную ЭДС в обмотках статора. Переменная ЭДС обмоток статора преобразуется с помощью полупроводниковых выпрямительных диодов в постоянное напряжение, которое поступает в бортовую сеть транспортного средства для питания многочисленных электроагрегатов и для заряда источника питания транспортного средства - аккумуляторных батарей.
Для современного транспортного средства с многочисленными электрическими нагрузками требуемая мощность генератора сравнима с мощностью основного двигателя внутреннего сгорания. В этом случае недостатком генератора является то, что его продолжительная работа с большой выходной мощностью, зачастую в условиях повышенной, температуры, требует принудительного охлаждения элементов генератора (обмоток статора и выпрямительных диодов), а также требуется применение выпрямительных диодов со значительными рабочими токами, надежность которых снижается с ростом рабочих токов.
Техническая задача заявляемой полезной модели направлена на уменьшение токовой нагрузки ключевых транзисторов коммутирующего устройства фазных обмоток электрической машины и снижение энергетических требований к источнику энергии пуска двигателя путем уменьшения фазных токов статора после начала вращения ротора, а также на уменьшение токовой нагрузки на выпрямительные диоды генератора и облегчение теплового режима работы фазных обмоток при работе в режиме генератора.
Указанная задача решается тем, что на зубцах шихтованных пакетов статора размещена дополнительная трехфазная обмотка, которая через дополнительный трехфазный полупроводниковый инвертор соединена с устройством управления и источником питания, коллекторно-эмиттерные переходы транзисторов трехфазных полупроводниковых инверторов шунтированы полупроводниковыми выпрямительными диодами.
Наличие дополнительной, независимой от основной, трехфазной обмотки статора позволяет формировать начальный пусковой момент параллельно основной и дополнительной обмотками путем их соответствующего подключения к источнику питания. После начала вращения вала двигателя внутреннего сгорания требуемый момент прокручивания уменьшается, и действие дополнительной обмотки может быть ограничено путем ее отключения, что уменьшает электрическую нагрузку на источник питания стартера.
В качестве устройств коммутирующих обмотки статора в основном используются транзисторные инверторы. Для защиты транзисторов от импульсных перенапряжений, формируемых при отключении индуктивных нагрузок, которыми являются обмотки статора, используются импульсные полупроводниковые диоды. Данные диоды подключаются параллельно (шунтируют) коллекторно-эмиттерные переходы транзисторов и при возникновении импульсов перенапряжений обратной полярности обеспечивают протекание токов гашения ЭДС в обход транзисторов, чем защищают переходы транзисторов от электрического пробоя в широком диапазоне рабочих частот.
В трехканальном коммутаторе импульсные диоды защиты транзисторов от импульсов перенапряжений при закрытых транзисторах образуют схему трехфазного двухполупериодного выпрямления переменного тока в постоянный. Импульсные диоды могут быть заменены на мощные выпрямительные диоды при условии невысоких частот работы. Так как частота следования импульсов перенапряжений в генераторе является невысокой (сравнимой с частотой вращения вала двигателя внутреннего сгорания), то при использовании вместо импульсных диодов защиты мощных выпрямительных диодов, трехканальный инвертор может быть использован как для управления транзисторами обмотками статора в режиме стартера, с сохранением функции защиты транзисторов, так и в режиме для выпрямления переменного тока генератора, при условии закрытых транзисторов в инверторе.
Техническая сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема стартер-генератора, на фиг.2 поперечный разрез электрической машины, на фиг.З фрагмент продольного разреза электрической машины, на фиг.4 электрическая схема стартер-генератора, на фиг.5 схема устройства управления, на фиг.6 развертка магнитов ротора по внутреннему диаметру.
Стартер-генератор транспортного средства содержит электрическую машину 1, соединенную с двигателем 2 внутреннего сгорания, источник 3 питания стартер-генератора, коммутирующее устройство 4 и устройство 5 управления стартер-генератором.
Электрическая машина 1 имеет обращенную конструкцию, в которой статор расположен внутри, а ротор снаружи (фиг.2). Статор состоит из двух круглых шихтованных пакетов 6 и 7, на внешней окружности которых выполнены зубцы 8. На каждой паре зубцов 8, расположенных напротив друг друга в пакетах 6 и 7, размещены катушки 9, которые объединены в основную (a1, a1, a1) и в дополнительную (a2, в2, c2) трехфазные обмотки. Между шихтованными пакетами 6 и 7 по периметру оснований зубцов 8 расположена обмотка 10 возбуждения генератора.
Ротор содержит корпус 11 кольцевой формы, на внутренней поверхности которого расположен магнитопровод 12 с магнитными полюсами, выполненными в виде намагниченных радиально и укороченных в аксиальном направлении постоянных магнитов 13 с чередующейся полярностью намагничивания (N и S) причем укорочения для полюсов разной полярности выполнены с противоположных сторон и на места укорочений установлены вставки 14 из магнитомягкого материала, при этом число полюсов ротора отличается от числа зубцов 8 статора на один или на два.
В воздушном пространстве между статором и ротором расположено шесть гальваномагнитных датчиков 15 (DX1, DX2, DX3, DX4, DX5, DX6), фиксирующих положение постоянных магнитов 13 ротора относительно зубцов 8 статора.
Основная трехфазная обмотка статора (а1, в1, c1) соединена соответственно с выводами основного трехканального транзисторного инвертора 16, расположенного в коммутирующем устройстве 4, а дополнительная обмотки статора (а2, в2, c2) соответственно с выводами дополнительного трехканального транзисторного инвертора 17. Выводы обмотки 10 возбуждения (f d) соединены соответственно с выводами двухканального транзисторного инвертора 18 в коммутирующем устройстве 4. Выводы датчиков 15 (X1, Х2, Х3, Х4, Х5, Х6) положения магнитов 13 ротора соединены с устройством 5 управления. Выводы устройства 5 управления соединены с входами транзисторных инверторов 16, 17 и 18 (Y1, Y2, Y3, Y4, Y5, Y6, Y7, Y8 и Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, Z7, Z8) в коммутирующем устройстве 4.
Выводы источника питания U1 (+) и U2 (-) подключены к коммутирующему устройству 4 и к устройству 5 управления. К устройству 5 управления также подключены выводы формирователей команд управления «Работа стартера» -F1 и «Работа генератора» - F2.
Электромашина 1 выполняется по технологиям, используемым в производстве электрических машин переменного тока. Статор электромашины может быть изготовлен с использованием технологии производства фазных роторов электрических машин переменного тока необращенной конструкции.
Корпус 11 ротора электромашины 1 может изготавливаться из металлической отливки с соответствующей металлообработкой. На внутренней поверхности ротора корпуса 11 послойно размещены:
магнитопровод 12 из ферромагнитного материала, например электротехнической стали, и постоянные магниты 13, изготавливаемые из материалов с высокими удельными магнитными показателями, например Fe-Nd-B.
В качестве датчика 15 положения магнитов 13 ротора целесообразно использовать гальваномагнитный элемент, реагирующий на магнитные потоки, например, датчик Холла, широко используемый в автомобильном электрооборудовании.
В качестве двигателя 2 могут использоваться карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания.
Источник 3 питания стартер-генератора состоит из аккумуляторных батарей, каждая из которых содержит несколько последовательно соединенных свинцово-кислотных гальванических элементов.
Коммутирующее устройство 4 содержит два трехканальных транзисторных инвертора 16 и 17, а также двухканальный транзисторный инвертор 18, которые быть выполнены из стандартных интегральных микросхем. Управляющее устройство 5 может быть изготовлено с использованием микропроцессорных устройств.
Все перечисленные элементы стартер-генератора применяются по их прямому назначению и используются для завершенности технического решения.
Работа стартер-генератора происходит следующим образом. Режимы работы стартер-генератора задаются подачей взаимоисключающих друг друга команд на входы управляющего устройства 5: F1 - «Работа стартера»; F2 -«Работа генератора».
Работа стартер-генератора характеризуется следующими процессами.
Силовые моменты, вращающие ротор в электромашине 1, образуются при взаимодействии магнитных полей от постоянных магнитов 13 и от катушек 9, расположенных на зубцах 8 статора. Направления намагниченности и величины магнитных полей, формируемых катушками 9, определяются направлениями и величинами токов, протекающих в их обмотках. Магнитопровод 12 ротора, зубцы 8 и шихтованные пакеты 6 и 7 статора изготавливаются из ферромагнитного материала, способствующего прохождению магнитного поля. Магнитное поле, созданное обмоткой катушки 9, проходит по телу зубца 8, воздушный промежуток между статором и ротором, ближайшие магнитомягкие вставки 14 и постоянные магниты 13 магнитопровода 12. Далее магнитное поле через магнитопровод 12 ротора, соседние магнитомягкие вставки 14 и постоянные магниты 13 с противоположной рассматриваемому магнитному полю намагниченностью, воздушный зазор, соседние зубцы 8, которые имеют противоположную намагниченность или не намагничены, возвращается в статор и замыкается в исходной катушке 9.
Для создания сил, действующих в требуемом направлении вращения ротора, на зубцах 8 статора катушками 9 формируются соответствующие магнитные поля. Поле катушки 9, направленное в сторону ротора, должно быть либо противоположным по намагниченности с ближайшими постоянными магнитами 13, сдвинутыми от рассматриваемого зубца 8 в сторону требуемого направления вращения ротора, либо одноименным по направлению намагниченности с ближайшими постоянными магнитами 13, сдвинутым от зубца 8 в сторону противоположную требуемому направлению вращения ротора. Возникающие при этом притягивающие и отталкивающие магнитные поля между постоянными магнитами 13 и намагниченными зубцами 8 статора формируют суммарный вращающий момент. Таким образом, при расположении на роторе постоянных магнитов 13 и при пропускании по обмоткам катушек 9 токов определенного значения, направления и времени действия формируется вращающий момент ротора требуемой величины и направленности.
Если число постоянных магнитов 13 равно числу зубцов 8 статора, то в случае предпускового расположения постоянных магнитов 13 ротора строго напротив зубцов 8 статора вращающий момент ротора не создается при любых токах в катушках 9. Для полного исключения возможности установки ротора машины 1 перед пуском в положение, когда постоянные магниты 13 ротора располагаются строго напротив зубцов 8 статора, число магнитов 13 ротора делают отличным от числа зубцов 8 статора на один или на два.
Для возможности варьирования потребления тока обмоткой статора после начала вращения вала двигателя 2, когда требуемый момент вращения. уменьшается, обмотка статора распределена на основную (а1 в1, с1) и дополнительную (а2, в2, с2) трехфазные обмотки. Первоначально, при включении стартера, когда момент сопротивления вращения вала двигателя 2 максимален, вращающий момент электрической машины 1 формируется с использованием основной и дополнительной обмоток. После начала вращения вала двигателя 2 его момент сопротивления уменьшается и дополнительная обмотка (а2, в2, с2) отключается, что облегчает режим нагрузки источника 3 питания стартера. Момент отключения дополнительной обмотки определяется по величине частоты вращения вала двигателя 2.
Подключение обмоток катушек 9 основной и дополнительной обмоток к источнику питания стартера осуществляется с помощью трехканальных транзисторных инверторов 16 и 17. Инверторы 16 и 17 выполнены с использованием транзисторов соответственно VT1…VT6 и VT11…VT16. Для защиты указанных транзисторов от обратных импульсных перенапряжений используются полупроводниковые диоды VD1…VD6 и VD 11…VD 16.
Выбор транзисторов, требующих включения и выключения, а также моментов их коммутации производится управляющим устройством 5 по показаниям, шести гальваномагнитных датчиков 15, определяющих наличие магнитного поля, и в первую очередь расположение постоянных магнитов 13 над датчиками 15. Датчики 15 (DX1, DX2, DX3) позволяют оценить магнитные потоки и расположение постоянных магнитов 13 вблизи основной обмотки, а оставшиеся три (DX4, DX5, DX6) - вблизи дополнительной.
При подаче на вход F1 управляющего устройства 5 внешней управляющей команды «Работа стартера» управляющее устройство 5 оценивает на своих входах XI, Х2, ХЗ, Х4, Х5 и Х6 сигналы гальваномагнитных датчиков 15, которые показывают положение и полярность постоянных магнитов 13 ротора, находящихся вблизи датчиков 15. По положению постоянных магнитов 13 относительно зубцов 8 управляющее устройство 5 по заложенному в нем алгоритму определяет катушки 9 и направления токов в них, которые необходимы для формирования максимального вращающего момента ротора.
Команды от управляющего устройства 5 поступают на входы транзисторов трехфазных инверторов 16 и 17 (Y1, Y2, Y3, Y4, Y5, Y6, Y7, Y8, Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, Z7, Z8). Выбранные транзисторы трехфазных инверторов 16 и 17 открываются и обеспечивают протекание тока по выбранным катушкам 9 статора от источника 3 питания стартера. Протекающие токи формируют магнитные поля, которые взаимодействуют с постоянными магнитами и формируют вращающий момент ротора, который начинает вращать вал двигателя 2. Управляющее устройство 5 по частоте переключений датчиков 15 оценивает частоту вращения вала двигателя 2 и при достижении им заданной частоты, известной для пускаемого двигателя 2, прекращает формирование управляющих команд для дополнительного транзисторного инвертора 17. Далее вращение вала двигателя 2 производится с использованием основного инвертора 16 и катушек 9 основной обмотки статора. В случае уменьшения частоты вращения ротора до заданной производится подключение дополнительного инвертора 17 и катушек 9 дополнительной обмотки.
При достижении валом двигателя 2 минимальной рабочей частоты вращения формирование команд управления устройством 5 прекращается, режим «Работа стартера» выключается и включается режим «Работа генератора».
Работа генератора характеризуется следующими процессами.
При работе генератора транзисторы трехканальных инверторов 16 и 17 закрыты, так как команд на их управление управляющее устройство 5 не формирует.
Магнитный поток, создаваемый каждым постоянным магнитом 13 ротора, через воздушный зазор поступает в зубцы 8 шихтованных пакетов 6 и 7 статора, находящихся под данным постоянным магнитом 13. Далее магнитный поток по основанию статору проходит на соседние зубцы 8 шихтованных пакетов статора 6 и 7, находящихся под соседним магнитом 13 противоположной полярности. По данным зубцам 8 магнитный поток через воздушный зазор, магнитомягкие вставки 14 и постоянные магниты 13 поступает в магнитопровод 12 ротора, по которому затем замыкается на исходный магнит 13.
При вращении ротора двигателем 2 из-за чередования магнитов 13 с разными полюсов над зубцами 8 шихтованных пакетов 6 и 7 изменяется величина и направление потока через зубцы 8, и в катушках 9 обмотки статора наводится переменная электродвижущая сила (ЭДС), величина которой зависит от величины магнитного потока и скорости вращения ротора.
В случае протекании постоянного тока по обмотке 10 возбуждения, расположенной в статоре, формируется магнитный поток возбуждения, проходящий через зубцы 8 пакетов 6 и 7 статора. Если направление потока, создаваемого обмоткой 10 возбуждения, совпадает с направлением потока, создаваемого магнитами 13, то в зубцах 8 происходит суммирование магнитных потоков, и наводимая ЭДС в обмотках статора увеличивается. При изменении направления тока в обмотке 10 возбуждения на противоположное, происходит уменьшение суммарного потока в зубцах 8, и наводимая ЭДС в обмотках статора уменьшается. Таким образом, изменением направления тока в обмотке 10 возбуждения регулируется величина ЭДС, формируемая в обмотках статора.
ЭДС, наведенная в каждой фазной обмотке статора, поступает в трехканальные инверторы 16 и 17 на точки соединений эмиттера и коллектора транзисторов, а также анода и катода диодов, например VT1 и VT2, VD1 и VD2. При отсутствии команд управления транзисторами инверторов 16 и 17 от управляющего устройство 5 сопротивления транзисторов велики и они не пропускают ЭДС обмоток статора. Диоды трехканальных инверторов 16 и 17 при выключенных транзисторах образуют две схемы трехфазного двухполупериодного выпрямления на диодах VD1…VD6 и VD1…VD16 для основной и дополнительной обмоток статора. Применяя в данных схемах выпрямления мощные выпрямительные диоды, получаем двухканальный источник постоянного напряжения. Мощность данного источника лимитируется только тепловыми ограничениями обмоток статора и выпрямительных диодов.
Источник постоянного тока подключен к источнику 3 питания стартер-генератора. Величина напряжения на источнике 3 питания контролируется управляющим устройством 5. При отклонении напряжения на источнике 3 питания от заданного уровня управляющее устройство 5 формирует команды (Y7 и Z8 или Y8 и Z7) для двухканального инвертора 18 в коммутирующем устройстве 4, согласно которым происходят изменения направления тока и магнитного потока обмотки 10 возбуждения, а, следовательно, увеличение или уменьшение величины ЭДС и, соответственно, обеспечивается постоянный контроль величины выпрямленного напряжения.
Таким образом, разделение обмотки статора на две независимые части и использование дополнительного инвертора позволяют облегчить тепловые режимы и снизить мощностные требования к элементам коммутирующего устройства, ограничить энергетические требования к источнику питания транспортного средства и в целом повысить надежность работы стартер-генератора.