СИСТЕМА СТАРТЕР-ГЕНЕРАТОР ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
STARTER-GENERATOR SYSTEM FOR COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к электротехнике, а именно к стартер-генераторным устройствам транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания.
Из уровня техники известен стартер-генератор автомобиля (патент RU на изобретение №2265133, опубл. 27.11.2005). Согласно изобретению стартер-генератор автомобиля содержит вентильную электромашину с управляющим контроллером, постоянные магниты, установленные на маховике двигателя, и обмотки статора, закрепленные на картере двигателя. Маховик двигателя установлен с возможностью перемещения относительно пакета и обмоток статора вдоль оси коленвала. Пакет статора с обмотками установлен на картере двигателя (ДВС) посредством диска соосно с маховиком и коленвалом, а плоскость диска параллельна плоскости маховика. При этом на выходе стартер-генератора введен высоковольтный преобразователь напряжения, управляющий вход которого связан с управляющим контроллером через регулятор напряжения.
К недостаткам данного устройства относятся сложность механической конструкции и отсутствие возможности гашения колебаний ротора.
Также из уровня техники известна система генератор - двигатель (JP 200231392429.10.02, опубл. 12.02.2009), которая содержит вращающуюся электрическую машину, имеющую многофазную обмотку и работающую, как в режиме электродвигателя; схему управления вращающейся электрической машиной. Схема управления включает в себя инвертор, состоящий из трех последовательных цепей, соединенных параллельно друг другу. Каждая последовательная цепь подсоединена к плюсовой и минусовой шинам питания и содержит по два ключевых элемента, каждый из которых зашунтирован обратным диодом. Общие точки соединения ключевых элементов последовательных цепей подсоединены к фазам статорной обмотки вращающейся электрической машины.
Недостатком известной системы является сложность электрической схемы и неравномерность вращения общего вала в режиме холостого хода ДВС.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для управления стартер-генератором ДВС, которое выбрано в качестве прототипа (JP 20022175770 17.06.02, опубл. 23.04.2008).
Стартер-генератор 2 имеет ротор с магнитными полюсами, закрепленный на коленчатом валу двигателя, и статор с n (n - целое число больше 3) выводами от n якорных обмоток, соединенных в звезду или кольцо.
Устройство управления содержит: датчик 7 положения ротора; мостовой инвестор 4, выполненный на ключевых элементах и обратных диодах, подключенных параллельно ключевым элементам, и соединенный с выводами якорных обмоток стартера - генератора; блок 10 управления инвестором, который при пуске двигателя подает управляющий сигнал на ключевые элементы инвестора; блок 12 для задания тока нагрузки, подсоединенной к аккумуляторной батарее; блок 14 памяти, в котором хранится зависимость между частотой вращения ротора, нагрузочным током и моментом превышения выходным напряжением якорной обмотки заданной величины.
К недостаткам данного устройства относятся сложность конструкции и электрической схемы, а также отсутствие демпфирования неравномерности вращения ротора.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является упрощение конструкции, электрической схемы за счет сокращения числа элементов, а также демпфирование колебаний ротора, возникающих при вращении из-за пульсаций моментов ДВС и электрической машины.
Поставленная задача решается тем, что система стартер-генератор двигателя внутреннего сгорания (ДВС), содержащая накопитель электрической энергии, например емкостной или аккумулятор, электрически связанный с системой управления, включающей в себя широтно-импульсный преобразователь напряжения, коммутатором и вентильной электрической машиной, статор которой жестко закреплен на картере ДВС, а ротор является маховиком ДВС, и датчик положения ротора, выход которого электрически связан с коммутатором, согласно изобретению дополнительно снабжена дифференциальным звеном второго порядка, вход которого электрически связан с выходом датчика положения ротора, причем на выходе дифференциального звена второго порядка вырабатывается отрицательная обратная связь по второй производной угла поворота ротора на вход системы управления.
Технический результат по предлагаемому изобретению состоит в упрощении конструкции электрической схемы за счет сокращения числа элементов, а также демпфировании колебаний ротора, возникающих при вращении, из-за пульсаций моментов ДВС и электрической машины.
Предлагаемая система иллюстрируется чертежом, на котором изображена структурная схема «Системы стартер-генератор двигателя внутреннего сгорания».
Система состоит из накопителя электрической энергии (НЭЭ) - 1, например емкостного или аккумулятора, или сочетания этих устройств, электрически связанного с СУ - системой управления 2, включающей в себя широтно-импульсный преобразователь напряжения, К - коммутатором 3 и ВЭМ - вентильной электрической машиной 4, статор которой жестко закреплен на картере ДВС - двигателя внутреннего сгорания 5, а ротор является маховиком ДВС 5, и ДП - датчика положения ротора 6, выход которого связан с коммутатором 3, электрически соединенным с обмотками статора вентильной электрической машиной 4, система дополнительно снабжена ДЗ -дифференциальным звеном второго порядка 7, вход которого электрически связан с выходом датчика положения ротора 6, причем выход дифференциального звена второго порядка 7 электрически связан с входом системы управления 2.
Система по предлагаемому изобретению работает следующим образом. ДВС 5, ВЭМ 4 и ДП 6 имеют общий вал вращения. ВЭМ 4 работает как двигатель, потребляя энергию от НЭЭ 1, при пуске ДВС 5, или - как генератор, отдавая электроэнергию в НЭЭ 1, после пуска ДВС 5. В обоих случаях на общий вал воздействуют возмущения по моменту, создаваемые ДВС 5 и ВЭМ 4, вызывая отклонения скорости вращения от постоянного значения. Особенно это проявляется на холостом ходу ДВС 5, когда общий вал механически отсоединен от массы транспортного средства. Возникает динамический момент
где
<mrow><msub><mi>M</mi><mi>g</mi></msub><mo>=</mo><mi>J</mi><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>w</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
2
где J - суммарный момент инерции системы, приведенный к общему валу, кгм;
<mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>w</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
2
- ускорение вращения общего вала, 1/с.
<mrow><mi>J</mi><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>w</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
Датчик положения ротора 6 выдает на коммутатор 3 информацию об угле положения ротора для управления силовыми ключами, создающими вращающееся магнитное поле статора ВЭМ 4. Также информация об угле положения ротора поступает на вход дифференциального звена 7, который берет от нее вторую производную. Таким образом, вырабатывается сигнал обратной связи, пропорциональный ускорению ротора или динамическому моменту
. Величина сигнала обратной связи регулируется пропорциональным звеном, входящим в состав системы управления 2, и со знаком минус подается на вход широтно-импульсного преобразователя напряжения (ШИП). Формируется обратно пропорциональная зависимость скважности ШИП или, что то же самое - напряжения НЭЭ 1 на обмотках статора ВЭМ 4 от ускорения ротора. В двигательном режиме работы, при положительном ускорении ротора, электромагнитный момент ВЭМ 4 уменьшается. В генераторном режиме работы, при положительном ускорении ротора, тормозной электромагнитный момент ВЭМ 4 увеличивается. Таким образом, происходит демпфирование колебаний общего вала относительно постоянной скорости вращения.
Предлагаемое изобретение позволяет снизить неравномерность вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, возникающую от пульсаций моментов ДВС 5 и ВЭМ 4. Тем самым повышается комфортность транспортного средства и уменьшается влияние вибраций на долговечность комплектующих элементов.