ОДНОМАШИННАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ТРАНСМИССИЯ

Полезная модель относится к области электротехники и электромашиностроения и может быть использована в качестве электромеханической трансмиссии передачи вращательной механической энергии первичного двигателя к приводному механизму с изменением частоты вращения и механического момента, в том числе в гибридных силовых установках.
Известен ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА ИНДУКТОРНОГО ТИПА (патент RU 2286642). Решение описывает электрический двигатель постоянного тока индукторного типа, содержащий кольцевой корпус, в котором установлены два неподвижных статора с обмотками якоря и возбуждения, а также ротор с полюсами, отличающийся тем, что неподвижные статоры выполнены с одной общей обмоткой якоря, активные проводники секций которой уложены в пазы одного статора со сдвигом на полюсное деление относительно пазов другого статора и коммутируются коммутатором-коллектором, установленным неподвижно в торцевой части двигателя, щеточный узел которого жестко соединен с валом ротора, а ротор снабжен двумя системами добавочных полюсов, каждый из которых состоит из попарно ориентированных навстречу друг другу когтеобразных полюсных выступов, примыкающих с обеих сторон к каждому из полюсов и закрепленных на ферромагнитных цилиндрах, которые жестко соединены с валом и установлены с промежутком, равным промежутку между статорами, в промежутке между когтеобразными полюсными выступами каждого дополнительно полюса на ферромагнитном цилиндре установлена его обмотка, включенная последовательно с обмоткой якоря посредством вращающихся контактных колец и неподвижных щеток.
Недостатком является то, что решение не обеспечивает независимое вращение валов (статора и ротора), так как вращается только ротор и используется система постоянного тока, и соответственно, невозможно подводить (снимать) механическую вращательную энергию с обоих валов и подводить (снимать) электрическую энергию переменного тока с обмоток обоих валов.
Из уровня техники известен асинхронный электродвигатель с фазным ротором (патент RU 47588 U), содержащий статор, внутри которого расположена трехфазная обмотка и размещен ротор на подшипниках, установленных на подшипниковых щитах, при этом выводы обмотки ротора соединены с контактными кольцами узла контактных колец, вращающегося вместе с валом ротора, контактные кольца и щеткодержатели с щетками защищены кожухом коллекторного узла, снаружи статора расположена коробка выводов, отличающийся тем, что узел контактных колец установлен на конце вала ротора посредством шпонки и зафиксирован стопорным кольцом, на заднем подшипниковом щите параллельно валу ротора жестко закреплен палец для щеткодержателей, кожух щеточно-коллекторного узла установлен на глубокий посадочный замок на заднем подшипниковом щите и дополнительно закреплен болтами по посадочному замку, при этом коммутационные провода щеткодержателей через отверстие в этом подшипниковом щите выведены в одну коробку выводов, расположенную на корпусе статора, общую для статора и ротора, на валу ротора со стороны, противоположной щеточно-коллекторному узлу, закреплен вентилятор, а корпус статора выполнен закрытым с горизонтальным оребрением снаружи.
Решение не обеспечивает независимое вращение валов (статора и ротора) относительно корпуса, так как вращается только ротор, и поэтому невозможно подводить (снимать) механическую вращательную энергию с обоих валов.
Из уровня техники известно решение по патенту RU 65696 U на трехфазный крановый асинхронный двигатель с фазным ротором, включающий в себя литую чугунную оболочку, состоящую из станины и переднего и заднего подшипниковых щитов с подшипниками, статор, имеющий сердечник из листовой электротехнической стали и обмотку, ротор с сердечником из листовой электротехнической стали и обмоткой, узел контактных колец, включающий контактные кольца, щетки со щеткодержателями и палец на котором закреплены щеткодержатели, вентилятор для охлаждения двигателя, отличающийся тем, что он снабжен устройством для замены смазки в подшипниках без разборки двигателя, станина выполнена оребренной, а вентилятор установлен с возможностью обдува наружной поверхности двигателя, обмотка статора и ротора выполнена однослойной всыпной, при этом вводные устройства статора и ротора выполнены с возможностью осуществлять подвод кабеля с обеих боковых сторон двигателя, причем передний и задний подшипниковые щиты выполнены плоскими, а статор запрессован в станину.
Решение не обеспечивает независимое вращение валов (статора и ротора) относительно корпуса, так как вращается только ротор, и поэтому невозможно подводить (снимать) механическую вращательную энергию с обоих валов.
Известна управляемая двухмерная электрическая машина переменного тока с управляемой частотой генерируемого ею напряжения (патенты RU 2332774 и RU 2349016), позволяющая преобразовывать механическую энергию, подаваемую на один (механический) вход машины, и электрическую энергию постоянного тока, одновременно подаваемую на другой ее вход (электрический), в суммарную электрическую энергию переменного тока. Однако такая машина и схема ее подключения не позволяет передавать механическую энергию с изменяемыми частотой вращения и механическим моментом от приводного двигателя к приводному механизму с использованием энергии скольжения и имеет в своем составе относительно малонадежный щеточно-коллекторный узел и сложную конструкцию якоря с совмещением обмоток постоянного и переменного тока.
Из уровня техники известны каскадные схемы электромеханических трансмиссий (электроприводов) «первичный двигатель - электрогенератор - приводной электродвигатель - исполнительный механизм» или «первичный двигатель - электрогенератор - силовой преобразователь - приводной электродвигатель - исполнительный механизм», преобразующие механические характеристики вращательного движения первичного двигателя к требуемым для приводного механизма характеристикам. Однако такие схемы используют в своем составе как минимум две электрические машины.
Техническим результатом заявленной полезной модели является возможность преобразования вращательной энергии первичного двигателя во вращательную энергию приводного механизма с изменением механического момента и частоты вращения при использовании только одной электрической машины. При этом реализуются функции бесступенчатой передачи (плавное регулирование частоты вращения), возможности автоматизации, динамического и рекуперативного торможения, возможности работы первичных двигателей в оптимальных и экономичных режимах, с объединением функций традиционных устройств (задней передачи, сцепления, стартера, генератора) в едином устройстве.
Т.е. технический результат состоит в обеспечении бесступенчатого изменения параметров (частоты и момента) вращательной механической энергии предаваемой на приводной механизм и использовании энергии скольжения с применением в электромеханической трансмиссии только одной электрической машины.
Указанный технический результат достигается за счет того, что одномашинная электромеханическая трансмиссия, включающая электрическую машину переменного тока для преобразования механической энергии в механическую с изменением частоты вращения и механического момента, имеющую многофазные обмотки переменного тока, уложенные в магнитопроводы первого и второго вала, и щеточные механизмы первого и второго вала для электрического вывода обмоток валов на корпус, причем первый и второй вал выполнены с возможностью независимого вращения друг относительно друга и относительно корпуса электрической машины, отличающаяся тем, что у электрической машины первый вал механически соединен с первичным двигателем, а второй вал - с приводным механизмом. Кроме того, выводы обмоток обоих валов соединены через силовой реверсивный преобразователь частоты с возможностью отбора или выдачи электрической мощности от накопителя электрической энергии постоянного тока. Кроме того, содержит объединенную систему управления первичным двигателем и силовым реверсивным преобразователем.
Бесступенчатая электромеханическая трансмиссия реализуется подключением одного из валов двухмерной электрической машины к первичному двигателю, а второго к приводному механизму, при соединении выводов обмоток обоих валов через реверсивный преобразователь частоты с возможностью отбора или выдачи электрической мощности от накопителя электрической энергии постоянного тока. Первый и второй вал двухмерной электрической машины при этом имеют возможность вращаться друг относительно друга и имеют многофазные электрические обмотки со щеточными механизмами для связи обмоток с реверсивным преобразователем частоты.
Использование накопителей электрической энергии постоянного тока достаточной мощности и емкости позволяет использовать данную трансмиссию в качестве гибридной силовой установки.
На Фиг.1 показана структурная схема одномашинной электромеханической трансмиссии.
На Фиг.1 первый вал 4 двухмерной электрической машины 1 механически соединен с первичным двигателем 2, а второй вал 5 - с приводным механизмом 3. Электрические обмотки 12 и 13 первого и второго вала через щеточные механизмы 14 и 15 соединяются через силовой реверсивный преобразователь частоты 6, который в свою очередь связан и с накопителем электрической энергии постоянного тока 7. Первичный двигатель 2 и силовой реверсивный преобразователь частоты 6 управляются общей системой управления 11.
Первичный двигатель 2 развивает механический момент, который передается на вал первой обмотки двухмерной электрической машины 1 переменного тока. Обмотки первого 12 и второго 13 вала получают электрическое возбуждение от силового реверсивного преобразователя частоты 6 и создают совместное магнитное поле, посредством которого создается электромагнитный момент. Электромагнитный момент заставляет вращаться второй вал 5, механически связанный с приводным механизмом 3. При наличии скольжения во вращении первого вала 4 и второго вала 5 в обмотке второго вала 13, циркулирует мощность скольжения. Мощность скольжения посредством силового реверсивного преобразователя частоты 6 преобразуется и передается на обмотку первого вала 12, механически связанного с первичным двигателем, с частотой позволяющей минимизировать скольжение и вращаться первому и второму валу без потери синхронизма. Избыток или потребность мощности циркулирующей в контуре «первая обмотка 12 - вторая обмотка 13 - силовой реверсивный преобразователь частоты 6 - первая обмотка» отбирается в накопитель энергии 7 для накопления в случае избытка, или расходуется из накопителя энергии 7 в случае потребности. Силовые электрические цепи переменного тока 8 и 9 от силового преобразователя частоты 6 до щеточных механизмов 14 и 15 обмоток первого и второго вала двухмерной электрической машины являются минимально трехлинейными, силовые электрические цепи постоянного тока 10 от силового преобразователя частоты 6 до накопителя электрической энергии 7 являются двух линейными. Система управления 11, анализируя параметры работы первичного двигателя 2, приводного механизма 3, электрической машины 1, силового реверсивного преобразователя частоты 6, программные и операторские задания, управляет параметрами работы первичного двигателя 2 (механическим моментом и частотой вращение) и силового реверсивного преобразователя частоты (частотой и напряжением электрической мощности и ее направлением, величиной выдачи или отбора в накопитель электрической энергии постоянного тока 7) обеспечивает согласованные, с минимальным скольжением и без потери устойчивости вращательные движения первичного двигателя и приводного механизма.
На Фиг.1 передача механической мощности «первичный двигатель 2 - первый вал 4 электрической машины 1» Рд (с механическим моментом Мд и частотой вращения Wд), передача механической мощности «второй вал 5 электрической машины 1 - приводной механизм 3» Рм (с механическим моментом Мм и частотой вращения Wм), передача электрической мощности «обмотка второго вала 13 электрческой машины 1 - силовой реверсивный преобразователь 6» Рs=Рд-Рм (с частотой Ws=Wд-Wм), передача электрической мощности «обмотка первого вала 12 электрической машины 1 - силовой реверсивный преобразователь 6» Р=Ps-Рнэ (с частотой W2), передача электрической мощности постоянного тока «силовой реверсивный преобразователь 6 - накопитель электрической энергии постоянного тока 7» Рнэ показаны без учета потерь электрической и механической энергии и в направлении для одного из режимов работы - режима движения приводного механизма со скольжением при Wд>Wм. Для других режимов работы (запуск первичного двигателя, холостой ход первичного двигателя, рекуперативное торможение, динамическое торможение, переходные режимы, режимы гибридной силовой установки) направления передачи мощности могут изменяться на противоположные или быть нулевыми.
Во всех режимах передачи энергии от первичного двигателя 2 к приводному механизму 3 и наоборот предлагаемая трансмиссия позволяет не рассеивать энергию скольжения, а продуктивно использовать ее для согласования скоростно-моментной характеристик первичного двигателя 2 и исполнительного механизма 3.
При достаточной мощности и емкости накопителя электрической энергии предлагаемая одномашинная электромеханическая трансмиссия является новым вариантом гибридной силовой установки транспортного средства.