СТАРТЕР-ГЕНЕРАТОР ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ

Полезная модель относится к электрооборудованию двигателей внутреннего сгорания, используемых на транспортных машинах с ограниченными габаритами.
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 незначительный пусковой момент стартера; что является одним из основных недостатков асинхронных электродвигателей, ограничивающим его использование для пуска двигателей внутреннего сгорания, особенно в условиях низких температур эксплуатации.
Увеличение пускового момента, необходимого для пуска двигателя внутреннего сгорания, требует для данного стартер-генератора увеличения количества катушек обмоток статора, а, следовательно, и диаметра ротора, что в целом ведет к росту габаритов электрической машины, а также к увеличению необходимой мощности источника питания (аккумуляторов). Увеличение габаритных размеров стартер-генератора, а также мощности источника питания, ограничивают возможность их применения на транспортных машинах, к которым предъявляются 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 для системы пуска. 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 транспортной машины.
Электрическая машина содержит статор с двумя шихтованными пакетами с трехфазной обмоткой, впрессованными в массивный магнитопровод, обмотку возбуждения (ОВ), 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 фазных обмоток статора и обмотки возбуждения соединены соответственно через трехканальный и двухканальный полупроводниковые инверторы с устройством управления (УУ) и источником питания, а выводы датчиков положения ротора соединены с устройством управления,
Пусковой вращающий момент данной электрической машины в режиме стартера пропорционален токам в обмотках статора и магнитодвижущим силам постоянных магнитов. Поэтому для работы в режиме стартера наиболее выгодно, с точки зрения, минимизации мощности источника питания и габаритов электромашины, иметь максимальную магнитодвижущую силу постоянных магнитов и небольшую силу тока в обмотках статора.
С другой стороны следует отметить, что при работе малогабаритной электрической машины в режиме генератора выгодно использовать магнитные потоки постоянных магнитов, как не требующих для их создания затрат электрической мощности. При этом возникающая в обмотках статора ЭДС, пропорциональна величине магнитного потока и скорости (частоте) вращения магнитов относительно обмоток статора. Так как рабочая частота вращения вала двигателя внутреннего сгорания достаточно велика, то использование значительных магнитодвижущих сил постоянных магнитов (необходимых для использования в режиме -стартера) приводит к появлению в обмотках статора ЭДС, достигающих значений в несколько сотен вольт. Учитывая, что номинальные значения напряжений источника питания и электроагрегатов транспортных машин обычно не превышают 30 вольт, то для использования возникающих ЭДС в бортовой сети машины требуются промежуточные преобразователи, зачастую значительной мощности, понижающие уровень напряжения примерно до 40…50 вольт, что в целом представляет собой достаточно сложную техническую задачу.
Следовательно, электрической машине для уменьшения ее габаритов при работе в режиме стартера требуются магнитные поля с высокими удельными характеристиками, а при работе в режиме генератора значения параметров магнитных полей желательно уменьшить. Уменьшение магнитных потоков постоянных магнитов при работе в режиме генератора с помощью встроенных в электромашину электромагнитов, обеспечивающих нейтрализацию полей постоянных магнитов, требует больших расходов электроэнергии и ведет к увеличению габаритов электрической машины.
Задачей, решаемой полезной моделью, является уменьшение амплитуд ЭДС при работе электромашины в режиме генератора, без дополнительных расходов электроэнергии.
Указанная задача решается тем, что на время работы электромашины в режиме генератора, формируются магнитопроводы, которые проводят часть магнитных потоков постоянных магнитов в обход обмоток, статора, в которых возникают ЭДС, что в целом ведет к снижению амплитуд ЭДС.
Временные магнитопроводы расположены в плоских, близких к прямоугольной форме, герметичных полостях, изготовленных из магнитонейтрального материала. Данные полости установлены в воздушном промежутке между зубцами статора, вблизи верхних частей обмоток статора. Внутри каждой полости на ее аксиальных сторонах расположены сердечники с обмотками. Внутренность полостей заполнена свободно расположенными частицами ферромагнитного наполнителя и магнитонейтральным смазывающим составом.
При работе электрической машины в режиме генератора движущиеся магнитные поля постоянных магнитов постепенно группируют мостики из частиц ферромагнитного наполнителя в продольном направлении и часть магнитного потока постоянных магнитов не проходит по пути - зубец статора, ярмо статора, соседний зубец статора, а проходит по образовавшимся мостикам ферромагнитного наполнителя по пути - верхняя часть зубца статора, мостики ферромагнитного наполнителя, верхняя часть соседнего зубца статора. Таким образом, часть магнитного потока не проходит по обмотке статора, что уменьшает величину ЭДС. Перед включением стартера по обмоткам полостей пропускается пульсирующий ток и мостики ферромагнитного наполнителя, сформированные от предшествующей работы генератора, разрушаются, что приводит к полному использованию магнитного потока постоянных магнитов при включении электромашины в режим стартера.
Техническая сущность, полезной, модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема стартер-генератора транспортной машины, на фиг.2 поперечный разрез электрической машины, на фиг.3 фрагмент продольного разреза электрической машины, на фиг.4 электрическая схема электрической машины и коммутирующего устройства, на фиг.5 схемаустройства управления, на фиг.6 развертка магнитов ротора по внутреннему диаметру, на фиг.7 пример внешнего вида полости с ферромагнитным наполнителем, на фиг.8 пример диаграммы токов в катушках полости с ферромагнитного наполнителя перед включением стартера, на фиг.9 пример распределения ферромагнитного наполнителя перед включением стартера, на фиг.10 пример распределения ферромагнитного наполнителя при постоянной работе генератора.
Стартер-генератор транспортной машины 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. Статор состоит из двух круглых шихтованных пакетов 6 и 7, на внешней окружности которых имеются зубцы 8. На каждом паре зубцов 8, расположенных напротив друг друга в пакетах 6 и 7, размещены катушки 9, которые объединены в трехфазную обмотку (а, в, с). 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, выполненных 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. Взаимное расположение постоянных магнитов и вставок по внутреннему диаметру ротора показано на фиг.6.
В воздушном промежутке между зубцами 8 расположены гальваномагнитные датчики 15 (DX1, DX2, DX3), фиксирующие положение постоянных магнитов 13 ротора относительно зубцов 8 статора.
Вблизи верхних частей катушек 9 статора в воздушном промежутке между зубцами 8 статора располагаются полости 16, формирующие временные магнитопроводы - мостики из частиц ферромагнитного наполнителя. Общее количество полостей 16 зависит от требований к амплитуде ЭДС и от величины магнитодвижущей силы постоянных магнитов 13.
Внутри каждой полости 16 на аксиальных сторонах располагаются катушки 17 формирования временных магнитопроводов. Количество катушек 17 в полостях 16 зависит от материала и структуры ферромагнитного наполнителя, а также от смазывающего состава.
Трехфазная обмотка статора (а, в. с) соединена соответственно с выводами трехканального транзисторного инвертора 18, расположенного в коммутирующем устройстве 4. Выводы обмотки 10 возбуждения (d, е) соединены соответственно с выводами двухканального транзисторного инвертора 19 в коммутирующем устройстве 4. Выводы катушек 17 формирования временных магнитопроводов параллельно объединены (f, g) и соединены соответственно с выводами двухканального транзисторного инвертора 20 в коммутирующем устройстве 4.
Выводы датчиков 15 (DX1, DX2, DX3) положения магнитов 13 ротора соединены с устройством 5 управления. Выводы устройства 5 управления соединены с входами транзисторных инверторов 18, 19 и 20 (Y1, Y2, Y3, Y4, Y5, Y6, Y7 и Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, Z7) 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 и обмотка возбуждения 10 могут быть изготовлены 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 трехканальный транзисторный инвертор 18, а также два двухканальных транзисторных инвертора 19 и 20, которые могут быть выполнены из стандартных интегральных микросхем. Управляющее устройство 5 может быть изготовлено с использованием микропроцессорных устройств.
Полость 16 выполняется из нейтральномагнитных материалов, например, стекло, цинк, алюминий, вольфрам. В качестве ферромагнитного наполнителя полости 16, может использоваться карбонильное железо, опилки мягкой стали или нержавеющая сталь в виде шаровых или чешуйчатых частиц с размерами нескольких долей миллиметра. В качестве смазывающих средств могут применяться жидкие (например, минеральные масла, керосин) и твердые (например, графит, тальк) вещества. Общий вид и распределение ферромагнитного наполнителя в полости 16 при выключенном состоянии, катушек 17 и при отсутствии внешнего магнитного поля показаны на фиг.7.
Все перечисленные в предлагаемом стартер-генераторе элементы применяются по их прямому назначению и используются для завершенности технического решения.
Работа стартер-генератора транспортной машины происходит следующим образом. Режимы работы стартер-генератора транспортной машины задаются подачей взаимоисключающих друг друга команд на входы управляющего устройства 5: F1 - «Работа стартера»; F2 - «Работа генератора».
Работа стартера 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, ближайщие 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 противоположными по намагниченности с ближайшими постоянными магнитами 13, сдвинутыми от рассматриваемого зубца 8 в сторону требуемого направления вращения ротора, либо одноименными 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.
Подключение обмоток катушек 9 обмоток к источнику питания стартера осуществляется с помощью трехканального транзисторного инвертора 18, который выполнен с использованием транзисторов VT1…VT6. Для защиты указанных транзисторов от обратных импульсных перенапряжений используются полупроводниковые диоды VD1…VD6. Выбор транзисторов, требующих включения и выключения, а также моментов их коммутации производится управляющим устройством 5 по показаниям; гальваномагнитных датчиков 15 (DX1, DX2, DX3), определяющих наличие магнитного поля, и в первую очередь расположение постоянных магнитов 13 над датчиками 15. По частоте переключений датчиков 15 управляющее устройство 5 определяет частоту вращения вала двигателя 2.
После подачи на вход F1 управляющего устройства 5 внешней управляющей команды «Работа стартера» управляющее устройство 5 с помощью двухканального транзисторного инвертора 20 приводит частицы ферромагнитного наполнителя в полостях 16 в положение, препятствующее прохождению  магнитных силовых линий постоянных магнитов в обход катушек 9 обмоток статора электромашины 1. Для этого на входы (Y6, Z7 и Y7, Z6) инвертора 20 управляющим устройством 5 подаются переменные управляющие команды, обеспечивающие разнонаправленное импульсное прохождение тока от источника 3 питания по катушкам 17 (выводы f, g) полостей 16. Возможная форма тока, протекающего по катушкам 17 полостей 16, показана на фиг.8. При появлении магнитного поля катушек 17 частицы ферромагнитного наполнителя стремятся группироваться по направлениям частиц силовых магнитных линий катушек 17, примерный вид установки частиц показан на фиг.9. Данное расположение, частиц ферромагнитного наполнителя препятствует продольному прохождению магнитных силовых линий постоянных магнитов 13, так как пространство полости 16, освобожденное ферромагнитным наполнителем, заполняется смазывающим веществом, которое представляет для внешних магнитных полей большое магнитное сопротивление. Радиальное прохождение силовых магнитных линий постоянных магнитов 13 в обход катушек 9 также затруднено значительным воздушным зазором между полостями 16 и основанием статора.
После пропускания тока по катушкам 17 в течение заданного интервала времени, который достаточен для группирования частиц, ферромагнитного наполнителя по магнитным силовым линиям катушек 17, электромашина 1 включается в режим проворачивания ротора. При этом ток в катушках 17 не выключается, то есть продолжается удерживание частиц ферромагнитного наполнителя от их перегруппирования при продольном движении внешних магнитных потоков постоянных магнитов.
При вращении вала двигателя 2 с пусковой частотой вала происходит запуск двигателя и при достижении минимальной рабочей частоты формирование команд управления трехканального инвертора 18 устройством 5 прекращается, режим «Работа стартера» выключается и включается режим «Работа генератора».
Работа стартер-генератора характеризуется следующими процессами.
При работе электромашины 1 в режиме генератора транзисторы трехканального инвертора 18 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 соседние постоянные магниты 13 поступает в магнитопровод 12 ротора, по которому 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 магнитного 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 трехканальном инверторе 18 диоды защиты VD1…VD6 при закрытых транзисторах VT1…VT6 образуют схему трехфазного двухполупериодного выпрямления переменного тока в постоянный. Таким образом, при использовании диодов защиты с необходимой мощностью и при условии закрытых транзисторов схема трехканального инвертора 18 может быть использована при работе генератора для выпрямления переменного тока. При этом выходное напряжение выпрямителя подключено к источнику 3 питания, то есть к бортовой сети машины.
При 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 индуцированная в обмотках статора ЭДС увеличивается. При изменении направления тока в обмотке 10 возбуждения на противоположное, происходит уменьшение суммарного потока в зубцах 8 и индуцируемая в обмотках статора ЭДС уменьшается.
При работе электрической машины 1 в режиме генератора на входы U1 и U2 управляющего устройства 5 поступает информация от источника 3 питания и выпрямителя генератора о величине суммарного напряжения. Если величина данного напряжения меньше заданного порогового значения, то управляющее устройство 5 формирует команды (Y4, Y5 или Y5, Z4) управления двухканальным инвертором 19 таким образом, что в обмотке 10 возбуждения начинает протекать ток в таком направлением, при котором общий магнитный поток через зубцы 8 возбуждения увеличивается, повышая амплитуду ЭДС.
При увеличении напряжения бортовой сети свыше заданного порогового значения управляющее устройство 5 через инвертор 19 изменяет направление тока в обмотки возбуждения на противоположное, что ведет к уменьшению суммарного магнитного потока, а, следовательно, и напряжения бортовой сети.
Таким образом, изменением направления тока в обмотке 10 возбуждения регулируется величина ЭДС, формируемая в обмотках статора. Однако, если величина индуцируемой ЭДС значительно больше номинального напряжения бортовой сети транспортной машины, то требуется постоянное ограничение магнитного потока, то есть необходимо постоянное пропускание тока определенного направления через обмотку возбуждения 10, что требует дополнительных затрат энергии. Данное обстоятельство в целом уменьшает коэффициент полезного действия электрической машины 1 при работе в режиме генератора.
При наличии между верхними частями зубцов полостей с частицами ферромагнитного наполнителя магнитные силовые линии вращающихся постоянных магнитов постепенно группируют внутри полостей мостики из ферромагнитного материала. Примерный вид группирования ферромагнитного материала при работе генератора показан на фиг.10. При длительном вращении постоянных магнитов 13 сопротивление прохождению их силовых магнитных линий по образовавшимся в полостях 16 мостикам из ферромагнитного материала становится сравнимым с прохождением силовых магнитных линий по соседним зубцам 8 с катушками 9 и по телу статора. Следовательно, при работе генератора часть магнитных силовых линий каждого постоянного магнита 13 возвращается к исходному магниту 13, минуя катушки 9, в которых индуцируется ЭДС. Так как при уменьшении величины магнитного потока через катушки 9 величина индуцируемой ЭДС снижается, то при использовании полостей 16 с ферромагнитным материалом индуцируемая ЭДС уменьшается. На выходе выпрямителя переменной ЭДС VD1…VD6 величина выпрямленного напряжения также снижается. Степень уменьшения выпрямленного напряжения определяется количеством и геометрическими размерами полостей 16, а также составом ферромагнитного наполнителя и смазывающего вещества. При этом следует отметить, что для уменьшения величин ЭДС дополнительных затрат энергии не требуется.
Таким образом, группируя с помощью катушек 17 перед работой стартера в полостях 16 частицы ферромагнитного наполнителя, получаем при запуске двигателя 2 максимальное действие магнитодвижущих сил постоянных магнитов 13. При отключении катушек 17 от источника 3 питания, то есть устраняя воздействие катушек 17 на частицы ферромагнитного наполнителя и варьируя параметрами полостей 16 и материалами в них, можно получить близкие к оптимальным значениям величины индуцируемых ЭДС без дополнительных затрат энергии источника 3 питания.
Следовательно, наличие между зубцами статора герметичных полостей с ферромагнитным материалом, смазывающим веществом и катушками, позволяет оптимально реализовать в одной электромашине с возбуждением от постоянных магнитов работу, как стартера, так и генератора транспортной машины.