ЭЛЕКТРОСИСТЕМА ПУСКА-ОСТАНОВА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к электродвигателям, используемым в системах пуска-останова двигателей внутреннего сгорания, при эксплуатации которых производятся их частые пуски и остановки, например на двигателях, используемых в транспортных средствах, а также в силовых установках для цикличных технологических процессов.
Известна электросистема пуска-останова (старт-стопа) двигателя внутреннего сгорания автомобиля, содержащая электростартер, датчик углового положения коленчатого вала двигателя, электронное коммутирующее устройство, а также электромагнитный тормоз, соединенный с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания упругой ременной передачей (Http://www.autotechnic.su/Paздeл 2009-2011/Технологии/Mazda - технологии будущего/Система SISS). Электросистема обеспечивает пуск двигателя внутреннего сгорания из наиболее благоприятного положения коленчатого вала, в которое вал двигателя устанавливается при останове после работы. Установка вала двигателя обеспечивается электромагнитным тормозом по командам электронного коммутирующего устройства на основе показаний датчика углового положения коленчатого вала двигателя. Определенное положение коленчатого вала при пуске может либо ускорить процесс пуска (один из цилиндров двигателя установлен в начале такта сжатия), либо облегчить режим начальной (пиковой) нагрузки источника питания системы (цилиндры установлены в положения, сдвинутые по угловому положению коленчатого вала от тактов сжатия).
Недостатками указанной системы является наличие двух электрических машин - электростартера и электромагнитного тормоза, а также наличие упругой передачи между электромагнитным тормозом и коленчатым валом двигателя. Упругая ременная передача является причиной возможных перерегулирований и автоколебаний в работе электромагнитного тормоза при установлении в определенное угловое положение коленчатого вала двигателя, имеющего значительный момент инерции.
Известна электросистема, содержащая однокорпусную электрическую машину и электронное коммутирующее устройство, которая обеспечивает вращающий, тормозной, а также реверсивный момент на роторе электрической машины (патент РФ №2231202, МПК 7 Н02К 29/06, 29/00, 2004 - прототип). При жестком соединении ротора электрической машины с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания, электросистемой могут быть выполнены основные условия пуска-останова двигателя внутреннего сгорания. Электрическая машина имеет обращенную конструкцию, на внутренней поверхности ротора, соосно жестко соединенного с коленчатым валом двигателя, располагаются постоянные магниты с чередующейся полярностью намагничивания, на внешней поверхности статора располагаются зубцы, на каждом из которых намотана обмотка провода, в воздушном зазоре между статором и ротором расположены гальваномагнитные датчики положения ротора, выводы обмоток зубцов и датчиков положения ротора соединены с электронным коммутирующим устройством. Точная угловая установка ротора, соединенного с коленчатым валом двигателя, может производиться по воздействию пограничных магнитных полей между северными и южными полюсами магнитов ротора на гальваномагнитные датчики положения ротора. Ширина границы между северными и южными полюсами магнитов ротора при значительной величине магнитной индукции, применяемой в электрической машине, является весьма узкой по величине, то есть по углу поворота ротора, и при попытках точной установки ротора это может приводить к возникновению автоколебаний из-за включений электромашины машины на прямое и реверсивное вращение ротора. Причиной автоколебаний является небольшой промежуток времени переключения датчика, в течение которого должен быть остановлен ротор, а также значительный момент инерции коленчатого вала двигателя и соединенного с ним ротора.
Задачей, которая решается настоящей полезной моделью, является уменьшение вероятности возникновения автоколебательного режима работы электрической машины при установке ее ротора в заданное угловое положение.
Указанная задача решается тем, что электросистема дополнительно оборудуется датчиком диапазона углового положения ротора, который жестко соединен с коленчатым валом двигателя. Датчик диапазона содержит пластину с поверхностью поглощающей инфракрасное излучение, которая установлена на внешней поверхности ротора, излучатель инфракрасного излучения, направленный в сторону внешней поверхности ротора, три последовательно расположенных приемника инфракрасного излучения, также направленные в сторону внешней поверхности ротора. Приемники разнесены на расстояние соответствующее необходимому угловому диапазону положения ротора, а, следовательно, и коленчатого вала. Излучатель и приемники инфракрасного излучения соединены с электронным коммутирующим устройством и монтируются на корпусе двигателя, например, на кожухе закрывающим вращающийся ротор электрической машины.
При отсутствии пластины датчика диапазона около приемников излучение излучателя отражается от внешней поверхности ротора и фиксируется приемниками излучения. При расположении пластины около приемников излучения инфракрасное излучение перекрывается и поглощается, на что приемники реагируют соответствующими состояниями выходных сигналов.
При перекрытии первого, по времени срабатывания, приемника включается режим тормоза электромашины и затем спустя промежуток времени, определяемый частотой вращения ротора, включается реверсивный режим вращения ротора и коленчатого вала двигателя. При перекрытии второго, по направлению вращения ротора, приемника реверсивный режим вращения ротора машины выключается. Режим электромагнитного тормоза продолжает действовать в течение определенного периода, который определяется моментом инерции коленчатого вала и ротора машины.
Ротор электрической машины должен остановиться в угловом диапазоне, при котором перекрыты первый и второй приемники. Третий приемник должен оставаться открытым. В случае перекрытия третьего приемника, то есть при перерегулировании вращения ротора, электронное коммутирующее устройство отключает режим электротормоза и включает реверсивный режим работы электромашины до момента открытия третьего приемника. Наличия в начале процесса остановки ротора режима электромагнитного торможения электромашины, и последующего кратковременного формирования в ней реверсивного момента позволяют фиксировать заданное положение перекрывающей пластины ротора между вторым и третьим приемниками инфракрасного излучения. Угловой диапазон положения ротора определяется расстоянием между вторым и третьим приемниками излучения. При определенных постоянных величинах угловой скорости ротора в начале торможения, продолжительностей включения режимов торможения и реверса результат процесса остановки ротора с большой вероятностью будет однозначным и без автоколебаний.
Техническая сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема системы пуска-останова, на фиг.2 поперечный разрез электрической машины, на фиг.3 продольный разрез электрической машины, на фиг.4 структурная схема электронного коммутирующего устройства.
Электросистема пуска-останова содержит электрическую машину 1, соединенную с двигателем 2 внутреннего сгорания, источник 3 питания электросистемы, электронное коммутирующее устройство 4 и датчик 5 углового диапазона.
Электрическая машина 1 имеет обращенную конструкцию, в которой статор 6 расположен внутри машины 1, а ротор 7 снаружи машины 1. На внутренней поверхности ротора 7, расположены магнитопровод 8 и постоянные магниты 9 с чередующейся полярностью намагничивания (N и S), на внешней поверхности статора 6 расположены зубцы 10, на каждом из которых намотана обмотка 11 провода, в воздушном зазоре между статором 6 и ротором 7 расположены три гальваномагнитных датчика 12 (ДХ1, ДХ2, ДХ3) положения ротора 7. Выводы обмоток 11 зубцов 10 и выводы датчиков 12 положения ротора 7 соединены с электронным коммутирующим устройством 4, соответствующие выводы Z1, Z2, Z3 и X1, Х2, Х3.
Ротор 7 соосно жестко соединен с коленчатым валом 13 двигателя 2. На внешней поверхности ротора 7 установлена пластина 14. Вращающийся ротор 7 электромашины 1 огражден кожухом 15, который фиксируется с корпусом двигателя 2 внутреннего сгорания. На кожухе 15 установлены детали датчика 5 углового диапазона (ДД): излучатель 16 инфракрасного излучения (ИДД), направленный в сторону внешней поверхности ротора 7; три последовательно расположенных приемника 17, 18, 19 инфракрасного излучения (ПДД1, ПДД2, ПДД3), также направленные в сторону внешней поверхности ротора 7. Выводы излучателя 16 и приемников 17, 18, 19 датчика 5 углового диапазона соединены с электронным коммутирующим устройством 4, соответствующие выводы У0 и Х4, Х5, Х6.
Электронное коммутирующее устройство 4 содержит управляющее устройство 20 (УУ), которое на входе подключено к формирователям команд «Пуск» (Х7) и «Останов» (Х8), к выводам датчиков 12 (X1, Х2, Х3) в электрической машине 1, к выводам приемников 17, 18, 19 (Х4, Х5, Х6) в датчике 5 углового диапазона. Управляющее устройство 20 по показаниям входных сигналов формирует команды включения излучателя 16 (У0) датчика 5 диапазона и управления ключами инвертора 21 (У1, У2, У3, У4, У5, У6) напряжений (ИН). Инвертор 21 подключен к обмоткам 11 (Z1, Z2, Z3) электрической машины 1, объединенным в фазные обмотки «а», «б», «с», согласно фиг.2, а также подключен к источнику 3 (Z4, Z5) питания (ИП) электрической системы пуска-останова.
Электромашина 1 выполняется по технологиям, используемым в производстве электрических машин переменного тока.
Статор 6 электромашины может быть изготовлен с использованием технологии производства фазных роторов электрических машин переменного тока необращенной конструкции.
Внешняя часть ротора 7 электромашины 1 может изготавливаться из металлической отливки с соответствующей металлообработкой. На внутренней поверхности ротора 7 послойно размещены: ферромагнитный материал, например электротехническая сталь, и плоские постоянные магниты 9, изготавливаемые из магнитных материалов с высокими удельными показателями, например FeNdB.
В качестве датчика 12 положения ротора 7 целесообразно использовать гальваномагнитный элемент, реагирующий на магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами, например, датчик Холла, широко используемый в автомобильном электрооборудовании.
В качестве двигателя 2 могут использоваться карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания.
Источник 3 питания электросистемы состоит из аккумуляторных батарей, каждая из которых содержит несколько последовательно соединенных свинцово-кислотных гальванических элементов.
Электронное коммутирующее устройство 4 содержит трехфазный транзисторный инвертор 21 напряжения и управляющее устройство 20, которое по сигналам с датчиков 12 положения ротора 7 и датчика 5 диапазона формирует импульсы управления ключами инвертора 21. Инвертор 21 напряжения и управляющее устройство 20 могут быть выполнены на стандартных интегральных микросхемах.
Датчик 5 диапазона выполняется с применением деталей и технологий, используемых в устройствах беспроводного дистанционного управления прямого видения. Излучение инфракрасного диапазона обладает хорошими отражающими свойствами, а также незначительными искажениями от загрязнений воздуха в рабочем пространстве. Пластина 14, выполняющая роль экрана инфракрасного излучения, может быть изготовлена из металлического листа, покрытого материалом, поглощающим инфракрасное излучение, например, резинобитумной мастикой.
Все перечисленные в предлагаемой электросистеме элементы применяются по их прямому назначению и используются для завершенности технического решения.
Работа электросистемы пуска-останова происходит следующим образом.
Силовые моменты, вращающие ротор 7 в электромашине 1, образуются при взаимодействии магнитных полей постоянных магнитов 9 и магнитных полей обмоток 11, расположенных на зубцах 10 статора 6. Направления намагниченности и величины магнитных полей, формируемых обмотками 11 определяются направлениями и величинами токов протекающих в них. Магнитопровод 8 ротора 7, зубцы 10 и статор 6 изготавливаются из ферромагнитного материала, способствующего прохождению магнитного поля. Магнитное поле, созданное обмоткой 11, проходит по телу зубца 10, воздушный промежуток между зубцом 10 статора 6 и ротора 7, постоянный магнит 9 ротора 7, магнитопровод 8 ротора 7. Далее магнитное поле возвращается в статор 6 через соседние постоянные магниты 9 с противоположной рассматриваемому магнитному полю намагниченностью, воздушный зазор и через соседние зубцы 10, которые имеют противоположную намагниченность или не намагничены.
Для формирования сил, действующих в требуемом направлении вращения ротора 7, на зубцах 10 статора 6 их обмотками 11 должны быть сформировано соответствующие магнитные поля. Поля обмоток 11, направленные в сторону ротора 7, должны быть либо противоположными по намагниченности с ближайшими постоянными магнитами 9, сдвинутыми от обмотки 11 в сторону требуемого направления вращения ротора 7, либо одноименными по направлению намагниченности с ближайшими постоянными магнитами 9, сдвинутыми от обмотки 11 в сторону противоположную от требуемого направления вращения ротора 7. Возникающие при этом притягивающие и отталкивающие магнитные поля между постоянными магнитами 9 и намагниченными зубцами 10 статора 6 формируют суммарный вращающий момент требуемой направленности. Следовательно, пропуская в определенные моменты времени по обмоткам 11 зубцов 10 токи определенного направления, можно формировать вращающий момент ротора 7 определенной направленности. Таким образом, используя постоянные магниты 9 с определенной величиной намагниченности и пропуская в обмотках 11 ток определенного значения, направления и времени действия можно получать вращающий момент ротора 7 с требуемой величиной и направленностью.
В случае расположении постоянных магнитов 9 напротив противоположно намагниченных обмоток 11 вращающий момент формироваться не будет, а угловое поворачивание ротора 7 в любом направлении будет сопровождаться электромагнитным тормозящим моментом, который объясняется необходимостью силовых затрат для разрыва магнитных силовых линий между постоянными магнитами 9 и намагниченными обмотками 11 зубцов 10 статора 6. Режим электромагнитного торможения возможен также и при вращении ротора 7, при этом фазы и протекающие в них токи должны изменяться в соответствии с изменениями показаний датчиков 12 углового положения ротора 7.
Применяемое в электромашине 1 количество постоянных магнитов 9 (10 шт) на внутренней поверхности ротора 7 и зубцов 10 (12 шт) статора 6 позволяет объединить по одновременности действия магнитные потоки четырех обмоток 11, представляя их как одну фазу при трехфазном питания всех обмоток 11. При этом одной фазой являются обмотки 11 четырех зубцов 10, которые располагаются попарно и имеют сдвиг между парами, равный четырем зубцам 10. Для оценки общего положения зубцов 10 статора 6 каждой из фаз относительно постоянных магнитов 9 достаточно трех равномерно распределенных по периметру статора 6 гальваномагнитных датчиков 12, определяющих направление намагниченности (N или S) постоянных магнитов 9, расположенных непосредственно над датчиками 12. Датчики 12 располагаются между парными зубцами 10 в каждой из фаз, при этом межзубцовый сдвиг между датчиками 12 составляет четыре зубца 10.
При подаче команды «Пуск» на вход Х7, управляющее устройство 20 оценивает на входах X1, Х2 и Х3 сигналы гальваномагнитных датчиков 12, которые показывают направление намагниченности постоянных магнитов 9 ротора 7 находящихся непосредственно над датчиками 12. По положению постоянных магнитов 9 и зубцов 10 управляющим устройством 20 определяются фазы обмоток 11 и требуемые направления токов в них. Выбранные фазы и направления токов задаются путем формирования на выходной шине управляющего устройства 20 сигналов управляющих команд (У1, У2, У3, У4, У5, У6), которые поступают на входы инвертора 21 напряжений. В соответствии с сигналами управления транзисторные ключи инвертора 21 (K1, K2, К3, К4, К5, К6) подключают к выводам источника питания 3 (Z4, Z5) выводы фаз обмоток 11 (Z1, Z2, Z3). Протекающие по обмоткам 11 статора 6 токи создают магнитные поля, которые взаимодействуя с магнитными полями постоянных магнитов 9 формируют вращающий момент ротора 7. Ротор 7 под действием вращающего момента поворачивается, одновременно вращая коленчатый вал 13 двигателя 2 внутреннего сгорания.
При вращении ротора 7 положение постоянных магнитов 9 относительно обмоток 11 изменяется, вращающий момент начинает уменьшаться. Поворот ротора 7 отражается в сигналах датчиков 5 положения ротора 7. Управляющее устройство 20 оценивает изменения в данных датчиков 12 положения ротора 7 и на их основе определяет необходимые для создания вращающего момента фазы и направления токов в них. Изменившиеся сигналы управления поступают на входы инвертора 21 напряжений, происходят соответствующие переключения ключей инвертора 21, что приводит к увеличению вращающего момента ротора 7. Дальнейшее поворачивание ротора 7 ведет к новым переключениям ключей в инверторе 21 напряжений, что в конечном итоге приводит к вращению ротора 7 и к пуску двигателя 2.
Управляющее устройство 20 при вращении ротора 7 по частоте переключений датчиков 12 положения ротора 7 анализирует величину частоты вращения ротора 7 и связанного с ним коленчатого вала 13. При достижении ротором 7 минимальной пусковой частоты двигателя 2 внутреннего сгорания управляющее устройство 20 отключает команды управления инвертором 21 напряжений.
При подаче команды «Останов» рабочие циклы в цилиндрах двигателя 2 внутреннего сгорания прекращаются, коленчатый вал 13 двигателя 2 вместе с ротором 7, вращаясь по инерции, останавливается. Одновременно, при подаче команды «Останов» на вход Х8, управляющее устройство 20 включает излучатель 16 инфракрасного излучения (У0) датчика 5 диапазона, подключается к выходам датчиков 12 положения ротора 7 и к выходам приемников 17, 18, 19 инфракрасного излучения (Х4, Х5, Х6). На основании частоты переключений датчиков 12 положения ротора 7 управляющее устройство 20 определяет текущую частоту вращения останавливающегося ротора 7. При уменьшении частоты вращения ротора 7 до определенной величины, при которой мощности электромашины 1 достаточно для быстрой остановки ротора 7, производится точная установка ротора в заданное угловое положение, которая производится следующим образом.
При перекрытии пластиной 14 первого приемника 17 датчика 5 диапазона (ПДД1) управляющее устройство 20, по показаниям датчиков 12 положения ротора 7, определяет фазы и направления токов для включения электромашины 1 в режим электромагнитного тормоза. По сигналам управляющего устройства 20 инвертор 21 напряжения и источник 3 питания обеспечивают требуемый режим работы электрической машины 1.
По истечению заданного промежутка времени после включения режима торможения, управляющее устройство производит анализ состояний приемников 17, 18 и 19 датчика 5 диапазона. В случае перекрытия приемника 17 и открытых приемников 18 и 19 (ПДД2 и ПДД3) управляющим устройством 20 формируются сигналы управляющие инвертором 21 на доворачивание ротоpa 7 на угол, при котором перекрывается приемник 18. В случае перекрытия пластиной 14 приемников 18 и 19, управляющим устройством 20 формируются сигналы управляющие инвертором 21 на обратное поворачивание ротора 7 на величину угла, при котором приемник 19 перейдет в открытое состояние.
Таким образом, после остановки двигателя 2 ротор 7, а также и коленчатый вал 13 двигателя 2 будут находиться в заданном угловом положении, при котором край пластины 14 датчика 5 диапазона будет расположен между приемниками 18 и 19 датчика 5 диапазона. При необходимости изменения углового положения коленчатого вала 13 при остановке двигателя 2 следует изменять место расположения пластины 14 на роторе 7.
По истечению заданного промежутка времени после установки приемников 18 и 19 в соответственно перекрытое и открытое состояния, управляющее устройство 20 отключает команды управления инвертором 21 напряжений.
Таким образом, наличие в электрической системе пуска-останова двигателя внутреннего сгорания дополнительного диапазонного датчика углового положения коленчатого вала двигателя, с контролем его установки, позволяет исключить перерегулирования и уменьшить вероятность возникновения автоколебаний в механизме привода, устанавливающего коленчатый вал в заданное угловое положение.