СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРО-ДИФФЕРЕНЦИАЛАМИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
METHOD OF CONTROL OF VEHICLE ELECTRIC DIFFERENTIALS

Изобретение относится к области транспортных средств и электротехнике и может применяться для управления электро-дифференциалами на основе электрических синхронных двигателей [H02K 1/32, H02K 9/19, H02K 9/22].
В настоящее время в связи повышением требований к эксплуатационным показателям многоосных колесных машин, такими как подвижность, быстроходность, проходимость разработчики таких машин все чаще применяют новые конструктивные, технологические и схемные решения, призванные обеспечить выполнение указанных требований. В конструкциях упомянутых машин начинают использовать гидро- и электромеханические, гидрообъемные, дифференциальные комбинированные трансмиссии, позволяющие использовать гибкие алгоритмы управления тяговым моментом, подводимым к ведущим колесам [Шухман С.Б., Бахмутов С.В., Маляревич В.Э. Силовой привод колес полноприводного автомобиля с автоматической системой // МГТУ «МАМИ», ОАО «НАМИ-Сервис»].
Оптимизация параметров при выборе схем раздачи мощности по колесам для автомобилей различной колесной формулы и назначения важна не только в аспекте обеспечения необходимых тягово-динамических свойств, но и для соблюдения экологических требований. Таким образом, разработка закона управления индивидуальным приводом колес для транспортных средств различной колесной формулы с целью повышения энергоэффективности мотор-колес, является важной научной и практической задачей.
При формировании принципов распределения мощности по колесам, как правило, используют следующие основные подходы: обеспечение равенства крутящих моментов в приводах всех колес (полностью дифференциальная трансмиссия, активная и/или открытая), равенство частот вращения всех ведущих колес (полностью блокированная трансмиссия), равенство мощностей.
Дифференциал (от лат. differentia - разность, различие) - механизм в составе трансмиссий транспортных и (реже) технологических машин по передаче мощности посредством перемещения с одновременным делением единого потока мощности на два дифференциально связанных и/или суммированием двух независимых потоков мощности в один [Горелов В.А., Котиев Г.О., Мирошниченко А.В. Синтез системы управления тяговыми электродвигателями для индивидуального привода ведущих колес автомобиля // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2011. № 12. Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/282533.html, опубл.: 01.04.2014].
Особенность электро-дифференциала и смысл его термина в том, что деление/суммирование потоков мощности каждого мотор-колеса движущегося объекта (транспортное средство) производится именно дифференциально. То есть каждый из двух исходящих/входящих потоков мощности может в любое время получать/давать от 0 до 100 % движущей мощности относительно единого источника электрической энергии на входе/выходе (с поправкой на КПД дифференциала).
В электро-дифференциалах соотношение этих мощностей и моментов между собой может быть любое в пределах этих 100 %. В отличие от движущей мощности и угловой (линейной) скорости перемещения движущий момент, электро-дифференциалом, делится жестко и неизменно.
Автоматизация программного управления электро-дифференциалом заключается в автоматическом пуске, останове, изменении скорости и реверсировании линейных электрических синхронных двигателей мотор-колес с требуемой последовательностью. Автоматизация программного импульсного и дискретного управления часто сопровождается блокировкой, не допускающей неправильных операций. Автоматизация инженерного дискретного процесса приводит к его значительному ускорению, улучшению качества переходных процессов электропривода, сокращению потребности в дополнительных настройках, уменьшению затрат умственного труда и его облегчение операторам.
Из уровня техники известен ИНДУКТОР СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ [RU201583 U1, опубл.: 22.12.2020], содержащий магнитопровод ротора с постоянными магнитами и индуктор с катушками, образующие в совокупности трехфазный индуктор синхронного двигателя, отличающийся тем, что в индукторе смонтированы тепловые трубки с теплоотводящей жидкостью, торцы упомянутых трубок выполнены выступающими из индуктора, к поверхности индуктора над выступающими торцами тепловых трубок смонтирована теплоотводящая пластина с излучающими тепло ребрами.
Недостатком аналога является отсутствие эффективного устойчивого управления электромагнитными и механическими характеристиками индуктора синхронного двигателя с постоянными магнитами.
Также известен СПОСОБ ОГРАНИЧЕНИЯ ВИХРЕВЫХ ТОКОВ В РАЗОМКНУТОМ МАГНИТОПРОВОДЕ ИНДУКТОРА С 3-Х ФАЗНОЙ ОБМОТКОЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ [RU2692750 C2, опубл.: 27.06.2019], фазы которых сдвинуты в пространстве, а синусоиды напряжения источника питания сдвинуты во времени, отличающийся тем, что при подходе волны движущегося суммарного максимума магнитных потоков трех фаз к краю разомкнутого магнитопровода обмотки индуктора размыкают электрическую схему соединений обмоток передним фронтом волны максимума, а задним фронтом волны максимума замыкают схему электрических соединений, причем процесс повторяют периодически с каждой новой волной этого максимума. При схеме соединений обмоток «звезда» устройства в двух фазах обмотки индуктора, а при схеме соединений обмоток «треугольник» в каждой фазе установлены двухсторонние электронные ключи, к входам управления каждого из которых подключен выход электронного сумматора, один из входов которого соединен с выходом блока ограничения, а один из двух других входов через нормально открытый блок-контакт магнитного пускателя направления движения «вперед» сумматора соединен с выходом магнитного датчика Холла «вперед», а другой вход сумматора через нормально открытый блок-контакт магнитного пускателя направления движения «назад» соединен с выходом магнитного датчика Холла «назад», причем магнитные датчики Холла устанавливают: один - на одном краю разомкнутого магнитопровода, а другой магнитный датчик Холла - на противоположном краю разомкнутого магнитопровода.
Недостатком аналога является отсутствие возможности устойчивого управления электромагнитными, механическими и угловыми характеристиками индуктора синхронного двигателя с постоянными магнитами.
Наиболее близким по технической сущности является СПОСОБ СОЗДАНИЯ ДВИЖУЩЕГО МОМЕНТА В КОЛЕСЕ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ГРУЗОПОДЪЕМНОСТЬЮ ОТ 170 ТОНН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ [RU 2667208 C2, опубл.: 17.09.2018], отличающийся тем, что внутри ступицы колеса размещают непрерывно друг за другом на неподвижном несущем цилиндре не связные между собой первичные элементы - индукторы, имеющие разомкнутые изогнутые магнитопроводы с 3-х фазными обмотками, подключенными к источнику переменного тока регулируемой частоты напряжения, а вторичные элементы, не связные между собой общим магнитопроводом, закрепляют непрерывно друг за другом на подвижной ступице так, что пары индуктор - вторичный элемент образуют в объеме ступицы секторы, число которых определяют по заданной скорости движения транспортного средства путем расчета соотношений между величинами: внешнего диаметра шины колеса, ширины ступицы, магнитодвижущей силы в движущем моменте и радиуса точки приложения магнитодвижущей силы исходя из возможности размещения в ступице всех элементов по заданной мощности электропривода с учетом увеличения объемов элементов из-за дополнительных потерь энергии от вихревых токов, магнитные поля индукторов в каждом секторе синхронизируют, а движущие моменты, создаваемые каждым индуктором через воздушный зазор во вторичном элементе секторов, суммируют.
Устройство, содержащее в подвеске колеса несущий цилиндр, на котором жестко закреплены круговая кассета с первичными элементами-индукторами и три кольца изолированных электрошин, а также размещены: два плотно посаженных роликовых подшипника с радиальными щитами, которые, соответственно, один - с левой, другой - с правой сторон жестко соединены со ступицей колеса, причем щит с внешней стороны ступицы имеет монтажное окно, расположенное против одного из индукторов, закрепленных на кассете соединением типа «ласточкин хвост» со скользящей посадкой, - два плотно посаженных опорношариковых подшипника с осевыми щитами, которые один - с левой, другой - с правой стороны фиксируют положение ступицы по оси несущего цилиндра колеса, а из полости цилиндра подвески через технологические отверстия в цилиндре подвески и несущем цилиндре, а также разрыве между верхними индукторами установлен фиксатор-шток для удержания ступицы в горизонтальном положении при раскреплении радиального щита с монтажным окном со ступицей, через вторые технологические отверстия цилиндра подвески и несущего цилиндра введены провода от источника питания к кольцевым шинам, к которым подсоединены выводы обмоток индукторов, отличающееся тем, что в качестве вторичных элементов на внутренней поверхности ступицы закреплены намагниченные пластины с радиальным направлением магнитного поля, кривизна поверхности которых в каждом секторе соответствует кривизне магнитопроводов индукторов, обеспечивающей равномерность воздушного зазора между поверхностями первичных и вторичных элементов, причем вторичные элементы образуют общий составной цилиндр.
Основной технической проблемой прототипа является отсутствие возможности устойчивого управления электромагнитными, механическими и угловыми характеристиками индуктора синхронного двигателя с постоянными магнитами. Это связано со сложностью конструкции, сравнительно малым использованием полюсного деления ротора, несинусоидальным распределением магнитного поля индуктора на внутренней стороне ротора, что в итоге ограничивает функциональные возможности электропривода транспортного средства.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа и расширение функциональных возможностей транспортного средства, повышение механической жесткости и устойчивости характеристик электропривода транспортного средства.
Технический результат изобретения заключается в повышении удельных энергетических характеристик электропривода транспортного средства, таких как полезной мощности, механического движущего момента мотор-колеса, коэффициента мощности, КПД при снижении массогабаритных показателей электропривода транспортного средства.
Указанный технический результат достигается за счет того, что способ управления активными электро-дифференциалами транспортного средства, отличающийся тем, что изменение и дискретное управление величиной мощности и движущего момента ротора в каждом мотор-колесе осуществляют изменением электромагнитного режима линейных синхронных двигателей, расположенных в плоскости каждого мотор-колеса относительно центральной оси его перемещения перераспределением сигналов управления, подаваемых на группы индукторов линейных синхронных двигателей мотор-колес и переключением режимов электро-дифференциалов с помощью дискретного управления переключением комбинаций трехфазных магнитных контакторов матрицы коммутаторов и трехфазных индукторов линейных синхронных двигателей соответствующих мотор-колес транспортного средства и дискретным соединением трехфазных обмоток индукторов последовательно в треугольник и/или каждый в независимую звезду для каждого из мотор-колес; при этом для формирования угловых характеристик линейных синхронных двигателей программное управление и регулирование электромагнитных активных режимов в индукторах осуществляют с помощью быстродействующих электронных ключей, а изменение активных режимов электро-дифференциалов осуществляют импульсным и фазово-импульсным способами; при импульсном способе включением и отключением индукторов изменяют скорость и мощность мотор-колеса, а при фазово-импульсном по начальному и конечному фронтам, получаемых от датчиков положения ротора изменяют величины механических и угловых характеристик движущего момента ротора линейного синхронного двигателя в мотор-колесе.
В частности, в качестве режимов электро-дифференциалов выбирают электро-дифференциал межколесной пары, межбортовой электро-дифференциал и электро-дифференциал межосевой пары.
В частности, реализация режима работы электро-дифференциала межколесной пары осуществляется включением трехфазных обмоток индукторов линейного синхронного двигателя одного мотор-колеса последовательно с трехфазными обмотками индукторов линейных синхронных двигателей второго мотор-колеса этой же оси;
В частности, отличающийся тем, что реализация режима работы межбортового электро-дифференциала осуществляется включением трехфазных обмоток индукторов линейного синхронного двигателя мотор-колеса одной оси последовательно с трехфазными обмотками индукторов линейного синхронного двигателя мотор-колеса другой оси;
В частности, отличающийся тем, что реализация режима работы электро-дифференциала межосевой пары осуществляется включением трехфазных обмоток индукторов линейных синхронных двигателей мотор-колес одной оси последовательно с трехфазными обмотками индукторов линейных синхронных двигателей мотор-колес другой оси.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 показана блок-схема способа управления электро-дифференциалами транспортного средства.
На фиг.2 схематично показан (один из 32-х) линейный синхронный двигатель в мотор-колесе транспортного средства.
На фиг.3 схематично показан индуктор линейного синхронного двигателя мотор-колеса транспортного средства.
На фиг.4 показана временная диаграмма управления функционирования парных индукторов линейных синхронных двигателей мотор-колеса.
На фиг.5 схематично показан реверсный быстродействующий ключ управления индуктором линейного синхронного двигателя мотор-колеса транспортного средства.
На фиг.6 показан график зависимости механических и скоростных обобщенных характеристик электропривода транспортного средства.
На фиг. 7 показаны графики изменения движущей мощности индуктора (пунктирная линия) и тока от угла -1.57< Q<1.57 между векторами магнитных потоков ротора и индуктора.
На фиг. 8 показаны графики изменения КПД (сплошная линия) и фазного тока линейного синхронного двигателя от угла -1.57< Q<1.57 между векторами магнитных потоков ротора и индуктора.
На фиг.9 показаны электрические режимы линейного синхронного двигателя.
На фиг.10 показаны динамические характеристики торможения линейного синхронного двигателя с постоянными магнитами для пары (1 и 17) индукторов.
На фигурах обозначено: 1 - мотор-колесо, 2 - модуль импульсного управления транспортным средством, 3 - индукторы, 4 - постоянные магниты, 5 - магнитопровод ротора, 6 - зазор, 7 - зубцы, 8 - тепловые трубки, 9 - теплоотвод, 10 - датчик Холла, 11 - магнит, 12 - фотоэлектрический датчик, 13 - матрицы коммутаторов, 14 - реверсивные быстродействующие ключи, 15 - импульсные синхронизаторы, 16 - субмодуль импульсного и дискретного управления электро-дифференциалами, 17 - субмодуль фазово-импульсного управления режимами электропривода, 18 - контроллер ключа, 19 - блок питания системы управления, 20 - датчик температуры, 21 - датчики положения ротора.
Осуществление изобретения.
Способ управления электро-дифференциалами предназначена для сохранения эффективной устойчивой работы при движении транспортного средства на плоскости и включает межколесный, и/или межосевой, или межбортовой электро-дифференциалы (на фигурах не показаны), при этом упомянутые электро-дифференциалы выполнены в виде открытого электро-дифференциала и/или активного электро-дифференциала.
Способ управления электро-дифференциалами транспортного средства заключается в перераспределении энергии мощности от электрического источника для создания движущих моментов на одном или нескольких мотор-колесах 1 транспортного средства.
Для реализации способа транспортное средство включает в себя, по крайней мере, пару осей с мотор-колесами 1 (см.Фиг.1), по два мотор-колеса 1 на каждой из осей и модуль импульсного 13 и дискретного 14 управления транспортным средством 2. Каждая из пар осей мотор-колес 1 образует межколесный электрический дифференциал с возможностями открытым, а также активным импульсными и дискретными способами управления в мотор-колесе 1 электромагнитными средствами по парам линейных синхронных двигателей 3.
В предлагаемом изобретении каждое из мотор-колес 1 транспортного средства содержит линейный синхронный двигатель (см.Фиг.2), состоящий из четного числа трехфазных индукторов 3 с постоянными магнитами 4 (см.Фиг.3) на секторах ротора линейного синхронного двигателя. Линейный синхронный двигатель содержит магнитопровод ротора 5 со смонтированными на нем постоянными магнитами 4 и индукторами 3, образующие в совокупности трехфазные парные индукторы синхронного двигателя. Между индуктором 3 и магнитопроводом ротора 5 выполнен зазор 6. Фазы индуктора 3 образованы катушками, размещенными в разных параллельных плоскостях, причем пазы, образованные между зубцами 7 в которых размещены проводники катушки одной фазы, охватывающие упомянутые зубцы 7 чередуются с пазами, в которых размещены проводники катушки другой фазы, и секции обмотки разных фаз чередуются по высоте. Для образования переменно полярного возбуждения (N, S, N, S, N..., S) по отношению к катушкам индуктора 3 постоянные магниты 4 установлены в соответствии с его полюсами.
В индукторе 3 (RU201583 U1, RU2692750 C2, RU 2667208 C2) выполнены отверстия, в которые смонтированы тепловые трубки 8, выполненные в виде герметично закрытых трубок из теплопроводящего металла, например, меди, при этом торцы тепловых трубок 8 выступают наружу. Внутреннее покрытие тепловых трубок 8 выполнено пористым. Упомянутые трубки 8 заполнены легкокипящая жидкость. На выступающие торцы тепловых трубок 8 смонтирован теплоотвод 9, опирающийся своей поверхностью на поверхность индуктора 9, при этом теплоотвод 8 смонтирован на теплоотводящий состав, выполненный в виде, например, термопасты. Теплоотвод 9 выполнен в виде металлической пластины на поверхности которой ортогонально смонтированы теплоотводящие ребра (на фигурах не показаны). Для получения и контроля синхронного режима линейного синхронного двигателя установлена система положения 21 ротора 5 относительно индуктора 3.
По фронтам постоянных магнитов 4 и зубцов 7 ротора каждого из индукторов 3 линейного синхронного двигателя вдоль зазора 6 смонтированы датчики положения ротора 21, содержащие датчик Холла 10, ответная часть которого выполнена в виде магнита 11, постоянное магнитное поле которого воздействует на датчик Холла 10, и фотоэлектрический датчик 12. При этом магнит 11 смонтирован на магнитопроводе ротора 5, а датчик Холла 10 и фотоэлектрический датчик 12 смонтированы на индукторе 3 соответственно в начале и в конце полюсного деления магнитопровода индуктора 3 линейного синхронного двигателя. (RU201583 U1, RU2692750 C2, RU 2667208 C2)
Принцип работы линейного синхронного двигателя основан на взаимодействии бегущего магнитного поля, созданного током, протекающим в обмотках индуктора 3 и постоянного магнитного поля магнитопровода ротора 5.
Магнитное поле магнитопровода ротора 5, взаимодействуя с синхронным переменным током, протекающим в обмотках индуктора 3, создает движущий, крутящий момент подвижного магнитопровода ротора 5 относительно неподвижного индуктора 3.
сд
p
р
В одном из вариантов (RU201583 U1, RU2692750 C2, RU 2667208 C2) реализации настоящего изобретения каждое мотор-колесо 1 содержит линейный синхронный двигатель, состоящий из 16 пар индукторов 3 с активной мощностью каждого индуктора 3 Р=52 кВт. Напряжение питания трехфазное, 220 В, номинальная частота 50 Гц. Все индукторы 3 размещены по образующей радиусом R, где R - радиус ротора мотор-колеса 1. Каждая из пар индукторов 3 создает в роторе движущий момент импульса силы:
p
ир
М= 2R⋅F,
ир
где F - сила тока в обмотке индуктора 3, действующая на элементы каждого сектора подвижного ротора в постоянном магнитном поле.
р
ир
То есть, имеет место взаимодействие в секторах линейного синхронного двигателя вектора магнитного потока от постоянного магнитного поля ротора Ф и бегущего результирующего вектора Ф, движущего в воздушном зазоре 6 линейного синхронного двигателя, созданного токами трехфазной обмотки неподвижного индуктора 3:
р
ир
р
ир
M=k×Ф⋅Ф⋅sin(Ф/Ф),
где k - конструктивный коэффициент пропорциональности момента импульса силы М произведению потоков ротора и статора.
м
Движущий момент Н линейного синхронного двигателя (фиг. 7) в генераторном (-) и двигательном (+) режимах изменяется пропорционально от угла -1.57< Q<1.57 между векторами магнитных потоков ротора и индуктора 3 линейного синхронного двигателя и/или угла между векторами ЭДС и напряжения, подведенного к индуктору 3.
Модуль импульсного управления транспортным средством 2 включает последовательно подключенные к линейным синхронным двигателям мотор-колес 1 матрицу коммутаторов 13 (см.Фиг.1), состоящую из вакуумных магнитных контакторов, реверсивные быстродействующие ключи 14, выполненные 3-х фазными, импульсные синхронизаторы 15 линейных синхронных двигателей, субмодуль импульсного дискретного управления электро-дифференциалами 16 и субмодуль фазово-импульсного управления режимами электропривода 17.
Каждый из магнитных контакторов матрицы коммутаторов 13 подключен своим управляющим выходом к каждому из индукторов 3, а к управляющему входу каждого из магнитных контакторов матрицы коммутаторов 13 подключен своим управляющим выходом реверсивный быстродействующий ключ 14 (см.Фиг.4). Количество упомянутых ключей 14, также, как и магнитных контакторов, выполнено по количеству индукторов 3 в линейном синхронном двигателе мотор-колеса 1. Реверсивный быстродействующий ключ 14 выполнен с возможностью управления контроллером ключа 18, питание которого выполнено от блока питания 19. К контроллеру ключа 18 подключен датчик температуры 20.
Реверсивные быстродействующие ключи 14 линейного синхронного двигателя каждого из мотор-колеса 1 подключены к импульсным синхронизаторам 15, выполненным с возможностью контроля и управления комплектом датчиков положения роторов 21, которые в свою очередь подключены к субмодулю импульсного дискретного управления электро-дифференциалами 16 межколесными, и/или межосевыми, и/или способами управления электронными средствами линейных синхронных двигателей и мотор-колес 1 в транспортном средстве.
Субмодуль импульсного дискретного управления электро-дифференциалами 16 выполнен с возможностью распределения движущих моментов между мотор-колесами 1 транспортного средства и подключен к субмодулю фазово-импульсными способами управления режимами электропривода 17 мотор-колес 1, выполненным с возможностью контроля и управления датчиками положения роторов 21.
В основе способа управления электро-дифференциалами транспортного средства используются дискретные схемы с логическими методами формирования синхронных импульсов и цифровыми инженерными способами управления и регулирования. Сущность способа которого заключается в последовательном включении определенного числа пар индукторов 3 линейного синхронного двигателя в мотор-колесе 1 в зависимости от активного режима работы электро-дифференциалов в соответствии с алгоритмом управления мотор-колесом 1 для сохранения устойчивого положения транспортного средства и создания гироскопического эффекта для момента импульса пар сил и момента относительно оси центра масс вращения ротора индукторов 3 линейного синхронного двигателя мотор-колеса 1. Иными словами, дискретные синхронные импульсы от реверсивных быстродействующих ключей 14 включают или отключают пары индукторы 3 синхронного линейного двигателя мотор-колеса 1 путем изменения электромагнитного активного режима пары индукторов 3, а также, включения и/или переключения соответствующих пар индукторов 3 линейного синхронного двигателя, расположенных в плоскости мотор-колеса 1 относительно центральной оси перемещения ротора индукторов 3 линейного синхронного двигателя, соответствующего мотор-колеса 1.
Логическое переключение импульсных и дискретных активных режимов электро-дифференциалов осуществляются с помощью управления матрицами коммутаторов 13.
На фиг.4 показана временная диаграмма функционирования групп индукторов 3 линейного синхронного двигателя одного мотор-колеса 1 с интервалом, кратным 3.3 мс (ось абсцисс), показывающая принцип управления электро-дифференциалами транспортного средства где v1-v16 - функция-число одновременно включенных и отключенных пар индукторов 3 в мотор-колесе 1 из 2Н попарно, при создании движущего момента мотор-колеса 1, а i1-i16 - одна из 2Н i-той пар индукторов 3 линейных синхронных двигателей в мотор-колесе 1.
Т
сд
При импульсном электронном включении и отключении i-той пар индукторов 3 с частотой управления в диапазоне от v1 до v16 изменяются скорость и мощность мотор-колеса 1, при этом при v16 скорость начала движения будет минимальная V=1.5 м/с, мощность пуска для каждого мотор-колеса 1 будет максимальная Рт= 2⋅16⋅Рсд= 1664 кВт, а при v1 движущая мощность транспортного средства Р = 2⋅Р= 104 кВт будет минимальна для каждого мотор-колеса 1, а скорость движения транспортного средства V=25 м/с будет максимальна движения.
На фиг.5 показана схема реверсивного быстродействующего ключа 14, работа которым управляется с помощью контроллера ключа 18, выполненного в виде программируемой логической интегральной схемы, в которой управляющие сигналы от импульсного синхронизатора 15 преобразуются контроллером ключа 18 в 120 градусные импульсы управления быстродействующими ключами (тиристорами).
На фиг.6 показан график зависимости механических и скоростных обобщенных характеристик электропривода, соответствующие равномерной нагрузке одной оси открытого межколесного электро-дифференциала транспортного средства. Характеристики электропривода приведены при разных значениях подведенного к парам индукторов 3 линейных синхронных двигателей изменяемого сетевого напряжения, U1<U2<U3<U4 от реверсивных быстродействующих ключей 14, из сетевого трехфазного электроснабжения транспортного средства.
Контроль и управление величиной движущего момента и контроль моментов действующих нагрузок на мотор-колеса 1 осуществляют с помощью субмодуля фазово-импульсного управления режимами электропривода 17 к которому подключены датчики положения 21 ротора, состоящих, как было описано выше из датчиков Холла 10, ответных им магнитов 11 и фотоэлектрических датчиков 12, установленных в секциях на секторах каждого из индукторов 3 линейного синхронного двигателя (см.Фиг.3) каждого из мотор-колес 1.
С помощью импульсов по начальному (1ф) и конечному (2ф) фронтам, получаемых от упомянутых датчиков положения ротора 21 путем дискретной фиксации измерения угла между вектором магнитного потока подвижного ротора и движущего магнитного потока индуктора 3 неподвижного на станине транспортного средства для синхронного оптимального устойчивого режима линейных синхронных двигателей при пусках, ускорении, торможении и реверсах управляются трехфазными реверсивными электронными ключами 14.
В предлагаемом варианте реализации возможны следующие режимы работы:
уст
сд
сд
уст
в режиме межколесного дифференциала, когда одновременно включены два мотор-колеса 1 одной из осей транспортного средства, при этом установленная мощность транспортного средства P = 2х2НхР, где Н - количество i-той пар индукторов. Для рассматриваемого варианта реализации с активной мощностью каждого индуктора Р=52 кВт, при Н=16, Р= 3328 кВт;
уст
сд
сд
уст
в режиме межбортового дифференциала, когда одновременно включены два мотор-колеса 1 каждой из осей транспортного средства, расположенных вдоль одного борта транспортного средства, при этом установленная мощность транспортного средства P = 2х2НхР, где Н - количество i-той пар индукторов. Для рассматриваемого варианта реализации с активной мощностью каждого индуктора Р=52 кВт, при Н=16, Р= 3328 кВт;
уст
в режиме межосевого дифференциала, когда одновременно включены все мотор-колеса 1 транспортного средства установленная мощность транспортного средства равна P = 2х3328 = 6656 кВт.
Субмодуль импульсного дискретного управления электро-дифференциалами 16 с помощью реверсных быстродействующих ключей 14 позволяет с помощью программируемых алгоритмов и микропроцессорной схемы фазового управления вентилями:
- изменять величину подводимого к индукторам 3 линейных синхронных двигателей напряжения для изменения механических и угловых характеристик движущего момента ротора линейного синхронного двигателя в мотор-колесе 1 при движении транспортного средства;
- осуществлять контроль токов и напряжений в линейных синхронных двигателях, которые пропорциональны результирующему моменту, действующему на образование движущего момента каждого мотор-колеса 1.
Управление режимами «пуск», «реверс», «торможение» транспортным средством осуществляется регулированием рабочими характеристиками линейных синхронных двигателей мотор-колес 1. Для этого реализация активных режимов управления и регулирования в мотор-колесах 1 транспортного средства достигается изменением электрических параметров линейных синхронных двигателей по алгоритмам, приведенным в таблице 1, т.е. дискретной коммутацией групп i-той пар индукторов 3 линейных синхронных двигателей в мотор-колесе 1 транспортного средства по алгоритмам первой и второй строкам таблицы 1.
Таблица 1.
1-17
2-18
3-19
4-20
5-21
6-22
7-23
8-24
9-25
10-26
11-27
12-28
13-29
14-30
15-31
16-32
Приведенный в таблице 1 (наименования пар для включенной/отключенной i-той пары (1и17) индукторов 3, при опросе по диаграммам импульсов, фиг.4) режим соответствует активному управлению одной парой линейных синхронных двигателей при максимальной частоте опроса включения парных индукторов 3 (v1 на фиг.4).
Механические и скоростные характеристики электропривода мотор-колеса 1 формируются с использованием угловых характеристик M=f(Q) изменением напряжения и управлением по фронтам импульсов от датчиков положения ротора 21 в переходных процессах движения транспортного средства.
На фиг. 7 показаны графики изменения движущей мощности индуктора (пунктирная линия) и тока (сплошная линия) линейного синхронного двигателя в генераторном (-) и двигательном (+) режимах от угла между векторами магнитных потоков ротора и индуктора 3 линейного синхронного двигателя и/или угла между векторами ЭДС и напряжения питания индуктора 3 линейного синхронного двигателя.
На фиг. 8 показаны графики изменения КПД (сплошная линия) и фазного тока линейного синхронного двигателя (пунктирная линия) в зависимости от угла Q (-1.57< Q<1.57) управления между векторами магнитных потоков для достижения режимами генератор или двигатель и/или от угла управления между векторами ЭДС и напряжения питания индуктора линейного синхронного двигателя.
Распределение энергопотоков и управление в индукторах 3 линейных синхронных двигателях во всех режимах транспортного средства осуществляют следующим образом.
М
М
с
с
Ротор линейного синхронного двигателя от каждого мотор-колеса 1 сцеплен с поверхностью движения транспортного средства, потребляющей механическую энергию и создающей момент сопротивления . В результате действия тормозящего момента полюсы ротора отстают от полюсов результирующего поля индуктора 3 линейного синхронного двигателя.
рез
с
М
М
В двигательном режиме результирующий магнитный поток двигателя Ф является ведущим; перемещаясь, он увлекает за собой ротор, создавая движущий момент  двигателя, преодолевающий тормозной момент механической нагрузки при движении транспортного средства.
o
o
o
cин
о
синI
o
син
o,
,
o
X
>>
В двигательном режиме синхронная машина потребляет из сети ток I, который направлен навстречу ЭДС E (см.Фиг.9). Уравнение, записанное по второму закону Кирхгофа для фазы обмотки статора U = E + jXI показывает, что противо-ЭДС Е и индуктивное падение напряжения jXI уравновешивают напряжение сетиU(т.к. Rтопредполагается, что RI=0).
Если рассмотреть векторную диаграмму линейного синхронного двигателя, то угол θ будет образовываться фазовым смещением ЭДС, наведенной в индукторной обмотке магнитным потоком от постоянных магнитов ротора и напряжения, приложенным к фазам индукторной обмотке.
М
.
с
0
рез
o
o
o
В результате действия механической нагрузки  вектор магнитного потока ротора Ф отстает от вектора результирующего магнитного потока Ф на угол Q. Поэтому в двигательном режиме вектор ЭДСE отстает по фазе на угол Q от вектора напряжения электрической сети UСопоставление векторных диаграмм линейного синхронного двигателя (см.Фиг. 11, режим двигателя) и линейного синхронного генератора (см.Фиг.11, режим генератора) показывает, что угол Q меняет свой знак (фиг.7 и фиг.8). При построении векторной диаграммы двигателя вектор Uпринимается за исходный.
син
Вектор тока I отстает по фазе на 90° от вектора jX.I.
c
с
c
mex
0
Активная мощность, потребляемая трехфазным линейным синхронным двигателем (ЛСД) равна утроенной фазной мощности P=3×U×I×cos(U-I). Если пренебречь потерями, которые относительно малы, то активная потребляемая мощность равна электромагнитной мощности, т. е. мощности, передаваемой магнитным полем из индуктора в ротор, P = 3×E×I×cos(psi), где psi - угол сдвига фаз между током и ЭДС.
оса
асb
,
c
син
Из треугольников и  векторной диаграммы следует, что отрезок ac = mUsinθ = mXIcosψ где m - масштабный коэффициент.
Р
эм
0
с
син
max
Подставляя значение Icosψ в выражение для , получаем выражение для определения механической мощности на каждый подключенный х-сектор линейного синхронного двигателя, ЛСД-х Рмех = Рэм = 3ЕUsinθ /Х = Psinθ.
Механический момент на роторе двигателя, ЛСД-х:
мех
0
с
син
max
М = Р/Ω = 3ЕUsinθ / Ω Х = Мsinθ.
М
U
Е
.
тах
0
с
син
c
0
где Ω = 2πn/60 - угловая скорость ротора, = 3ЕU/ΩХ - максимальный момент, развиваемый электродвигателем (фиг.7 и фиг.8). При постоянном напряжении сети  максимальный момент двигателя зависит только от ЭДС
1
2
Например, для рассматриваемого в качестве примера реализации транспортного средства, возможный диапазон регулирования мощности и движущего момента в электроприводе мотор-колеса 1 при движении транспортного средства находится в пределах от Р=104 кВт до Р=3328 кВт с выбором использования вида режима: межколесного, межбортового или межосевого электро-дифференциала в транспортном средстве.
В каждом из описанных выше режимах работы электро-дифференциала - межколесном, межбортовом или межосевом способ управления электро-дифференциалами транспортного средства позволяет реализовать открытый или активный электро-дифференциал, представляющий собой перераспределение мощностей между линейными синхронными двигателями мотор-колес 1. Перераспределение осуществляются с помощью переключения комбинаций трехфазных вакуумных контакторов матрицы коммутаторов 13 и трехфазных i-той пары индукторов 3 линейных синхронных двигателей, соответствующих мотор-колес 1 транспортного средства путем дискретного соединения трехфазных обмоток с числом пар 2Н индукторов 3 последовательно в треугольник и/или каждый в независимую звезду для каждого мотор-колес 1.
Открытый электро-дифференциал межколесной пары, где трехфазные обмотки 2Н индукторов 3 линейных синхронных двигателей одного мотор-колеса 1 включены контактором матрицы коммутаторов 13 последовательно с трехфазными обмотками 2Н парных индукторов 3 линейных синхронных двигателей второго мотор-колеса 1 этой же оси.
Открытый межбортовой электро-дифференциал, где трехфазные обмотки 2Н i-той пары индукторов 3 линейного синхронного двигателя мотор-колеса 1 одной оси включены контактором матрицы коммутаторов 13 последовательно с трехфазными обмотками 2Н индукторов 3 линейного синхронного двигателя мотор-колеса 1 другой оси.
Открытый электро-дифференциал межосевой пары, где трехфазные обмотки 2Н i-той пары индукторов 3 линейных синхронных двигателей мотор-колес 1 одной оси включены контактором матрицы коммутаторов 13 последовательно с трехфазными обмотками 2Н индукторов 3 линейных синхронных двигателей мотор-колес 1 другой оси.
Способ управления и регулирования активных режимов электро-дифференциалов производится с помощью реверсивных быстродействующих ключей 14. Устойчивость управления электро-дифференциалов в дискретных режимах электропривода транспортного средства (пуск, останов, торможение, реверс) осуществляют также с помощью датчиков положения ротора 21 и субмодуля импульсного управления режимами электропривода 16.
На фиг. 10 показаны динамические характеристики торможения линейного синхронного двигателя с постоянными магнитами для пары 1 и 17 индукторов 3. Начало торможения мотор-колеса 1 осуществляется при минимальной движущей мощности 104 кВт, и максимальной скорости движения мотор-колеса 1 равной 25 м/с. Минимальная тормозная удерживающая мощность равна 28 кВт. Изменение тормозной мощности, пропорционально, постоянному току и напряжению, подключенного к двум фазам обмоток i-той пары индукторов 3, производится фазово-импульсным регулированием постоянного напряжения в фазных обмотках от реверсивного быстродействующего ключа 14, где упомянутый ключ 14 для динамического торможения переключается в трехфазный реверсивный каскад однополупериодного постоянного тока.
Технический результат изобретения - повышение удельных энергетических характеристик электропривода транспортного средства достигается за счет реализации управления величиной мощности и движущего момента линейных синхронных двигателей мотор-колес 1 транспортного средства, содержащих подвижный магнитопровод ротора 5 и неподвижные 2Н i-той пары индукторов 3 с трехфазными катушками с помощью модуля импульсного управления транспортным средством 2, путем изменения, управление величиной мощности и движущего момента подвижного ротора в каждом мотор-колесе 1 перераспределением логических синхронизирующих импульсных сигналов управления, подаваемые на определенные группы индукторов 3 на образующих мотор-колесах 1 частотно импульсными и фазоимпульсными синхронными методами по алгоритмам устойчивого сохранения нагрузок мощности и движущего момента, в соответствии с действующими нагрузками на каждое мотор-колесо с целью сохранения устойчивого положения транспортным средством в заданном программой управления состоянии его движения. Управление, изменение угловых скоростей роторов мотор-колес 1 и движущих моментов линейных синхронных двигателей в транспортном средстве осуществлены с помощью реверсивных быстродействующих ключей 14 за счет изменения электромагнитного режима парных индукторов 3, а также, включения и/или переключения соответствующих i-той пар 2Н индукторов 3 расположенных в плоскости мотор-колеса 1 относительно центральной оси его перемещения с использование моментов сил на секторы ротора 2Н парных индукторов 3 линейного синхронного двигателя соответствующего мотор колеса 1.
Логическое переключение режимов электро-дифференциалов осуществлено с помощью дискретного управления матрицей коммутаторов 13 и переключения комбинаций парных индукторов 3 последовательно под управлением субмодулем импульсного дискретного управления электро-дифференциалами 16, в треугольник и/или включения каждой обмотки индуктора 3 в независимую звезду под управлением субмодуля фазово-импульсного управления режимами электропривода.
Программное управление и регулирование электромагнитных активных режимов в парных индукторах 3, производится с помощью электронных реверсивных быстродействующих ключей 14 для формирования угловых характеристик линейных синхронных двигателей мотор-колес 1 в транспортном средстве ТС, при этом выбирают активный режим электропривода: пуск, останов, торможение, реверс.
Изменение активных режимов электропривода осуществляют дискретными электронными импульсами от датчиков положения ротора 21 и синхронизирующими импульсами от импульсных синхронизаторов 15 и реверсивных быстродействующих ключей 14 к индукторам 3 по угловым характеристикам движущего момента линейных синхронных двигателей заданного мотор-колеса 1.
Датчики положения ротора 21, включающие в себя фотоэлектрический датчик 12 и магнитный датчик Холла 10, уставленные на границах полюсного деления в каждом из 2Н секторов в мотор-колесе 1 из 2Н парных индукторов 3, соответственно в начале и в конце полюсного деления магнитопровода индуктора 3, синхронизируют электромагнитные режимы. Электронные импульсы от датчиков положения ротора 21 по начальному (1ф) и конечному (2ф) фронту использованы в способе управления трехфазными электронными реверсными быстродействующими ключами 14 для установления синхронного оптимального устойчивого режима линейного синхронного двигателя при дискретных управлениях: пусках, ускорении, торможении и реверсах с заданным движущим моментом мотор-колес в транспортном средстве.
Режимы электро-дифференциала дискретных способов управления электроприводом в осуществляются путем контроля трехфазных токов, углов векторов: магнитных потоков, напряжений в фазах линейных синхронных двигателей, и углового положения вектора магнитного потока ротора мотор-колес 1, и вектора магнитного потока индуктора линейных синхронных двигателей при пусках, ускорении, торможении и реверсах, для достижения результатов с заданным движущим моментом мотор-колес 1 в транспортном средстве.
Предложенный способ управления электро-дифференциалами транспортного средства и управления тяговым электроприводом ведущих осей, включающий в себя дискретное управление тяговыми и тормозными моментами на мотор-колесах 1, оценен методами имитационного математического моделирования по результатам которых подтверждена работоспособность предложенного дискретного способа управления, универсального способа управления электронными, дискретными, электромеханическими трансмиссиями, выполненными по схеме «электро-дифференциал - мотор-ось», сочетающего функции распределения мощности по мотор-колесам 1 в переходных движениях транспортного средства.
При дополнении способа управления программируемыми алгоритмами динамической стабилизации транспортного средства позволит повысить его курсовую и траекторную устойчивость.
Способ управления электро-дифференциалами транспортного средства предназначен для повышения устойчивости транспортного средства движения и/или положения воздушного, космического, морского, наземного корабля для динамического позиционирования.
За счет предложенных технических решений, синхронный двигатель с распределенными по обечайке ротора постоянными магнитами 4 и с автоматизированным пуском, торможением, после входа в синхронизм, будет иметь более устойчивую механическую характеристику, меньшее потребление энергии из сети в номинальном режиме работы, и переходных режимах работы электропривода транспортного средства, увеличенный коэффициент мощности, чем в прототипах.
Заявленное изобретение позволяет расширить функциональные возможности, увеличить использование полюсного деления, повысить механическую жесткость, а также повысить энергетические характеристики (полезную мощность, механический движущий момент, коэффициент мощности, КПД) при снижении массогабаритных показателей.
мощности и движущие моменты
Технический результат достигается за счет того, что описанный способ позволяет осуществлять перераспределение от электрического источника энергии  на определенные синхронные двигатели мотор-колес 1 с распределенными по образующей мотор-колес 1 четным числом парных индукторов 3 с постоянными магнитами 4 на роторе в соответствии с действующими нагрузками на каждое мотор-колесо 1 с целью сохранения устойчивого положения транспортного средства с помощью модуля импульсного управления транспортным средством 2.
Изменение и дискретное управление величиной мощности и движущего момента ротора в каждом мотор-колесе 1 осуществляется путем перераспределения логических синхронизирующих сигналов управления, подаваемые на определенные четные группы индукторов линейных синхронных двигателей распределенных на образующих мотор-колеса 1 частотно импульсными и фазоимпульсными синхронными методами по алгоритмам устойчивого сохранения нагрузок мощности и движущего момента линейного синхронного двигателя в соответствии с действующими нагрузками на каждое мотор-колесо 1 с целью сохранения устойчивого положения транспортного средства в заданном программой дискретного управления состоянии его движения.
Управление, изменение угловых скоростей роторов мотор-колес 1 и движущих моментов линейных синхронных двигателей транспортного средства осуществляют с помощью модуля импульсного управления 2 путем воздействия на электронною часть электро-дифференциала транспортного средства частотным, фазоимпульсным методами за счет изменения электромагнитного режима парных индукторов 3, а также, периодического включения и/или переключения соответствующих парных индукторов 3 с использованием моментов сил действующих на секторы ротора от парных индукторов 3 линейного синхронного двигателя соответствующего мотор-колеса 1.
Логическое переключение режимов электро-дифференциалов осуществляют с помощью дискретного управления в матрице коммутаторов 13 путем переключения комбинаций контакторов и трехфазных индукторов 3 путем программного соединения по выбранному дискретному алгоритму нагрузки за счет включения трехфазных обмоток индукторов последовательно, в треугольник и/или включения каждой обмотки индуктора 3 в независимую звезду.
Программное управление и регулирование электромагнитных активных режимов в индукторах 3, осуществляют с помощью реверсивных быстродействующих ключей 14, формирующих угловые характеристика линейных синхронных двигателей мотор-колес 1. при этом, выбирается активный режим электро-дифференциалов: пуск, останов, торможение, реверс.
Изменение активных режимов электро-дифференциалов осуществляется дискретными электронными импульсами от датчиков положения ротора 21 и синхронизирующими импульсами от субмодуля фазово-импульсного управления режимами электропривода 17 по угловым характеристикам движущего момента линейных синхронных двигателей с заданным номером мотор-колеса 1.