СПОСОБ АДАПТАЦИИ ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ ЯКОРЬ-ПОРШНЕЙ НАСОС-ГЕНЕРАТОРА К РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЕ КОНТУРА ЛИНЕЙНОГО ГЕНЕРАТОРА
METHOD OF ADAPTING OSCILLATION FREQUENCY OF GENERATOR PUMP LIFTER-PISTONS TO LINEAR OSCILLATOR CIRCUIT RESONANCE FREQUENCY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области энергомашиностроения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Способ адаптации частоты колебаний якорь-поршней насос-генератора к резонансной частоте контура линейного генератора применим для силовой установки любой машины в составе насос-генератора и мотор-насоса и позволяет полностью рекуперировать кинетическую энергию торможения вала отбора мощности во всем диапазоне скоростей. Как пример рассматривается способ рекуперации применительно к транспортному средству. В его аналоге используются патент 2394341 «Стационарная катушка подмагничивания якоря линейной электрической машины», патент 2352797 «Способ привода клапана рабочим телом поршневой машины», патент 2422654 «Синхронизатор движения якорь-поршней в противофазе свободнопоршневого насос-генератора».
Силовая установка транспортного средства состоит из импульсного электрогидравлического насос-генератора (далее - насос-генератор), гидравлического мотор-насоса (далее - мотор-насос) и системы управления. В состав насос-генератора (см. фигуру) входят статорные магниты 1, 2 (электромагниты или, как показано на рисунке, постоянные магниты, далее - магниты), якорь-поршни 3, 4 (далее - якоря), катушки подмагничивания якорей 5, 6 (далее - катушки якорей), клапаны управления потоком рабочей жидкости 7, 8 (патент 2352797, далее - клапаны). Кроме того, имеются каналы 9, 13 и трубопроводы 10, 11, 12, 14, 15. Насос-генератор преобразует электроэнергию в энергию давления рабочей жидкости для привода мотор-насоса в режиме насоса, вал которого соединен с валом колеса. Мотор-насос - гидравлическая машина любой конструкции обратимого действия, вал которой соединен с валом колеса. Энергосистема действует следующим образом.
Система управления силовой установки (на рисунке не показана) от источника электроэнергии (аккумулятор, генератор и т.д.) подает на катушку якоря 5 насос-генератора импульс напряжения одного знака, а на катушку якоря 6 - другого знака. Так как якоря 3, 4 изготовлены из магнитомягкого материала, на их торцах возникают соответствующие магнитные полюса (патент 2394341). Если их положение таково, как показано на рисунке, то левый торец якоря 3 с северным магнитным полюсом выталкивается из левого кольцевого зазора магнита 1 с северным магнитным полюсом, а правый его торец с южным магнитным полюсом втягивается в левый кольцевой зазор магнита 2 с северным магнитным полюсом. Аналогичным образом якорь 4 взаимодействует с правым кольцевыми зазорами магнитов 2 и 1, и якоря 3, 4 начинают встречное движение. Жидкость из правой торцевой полости якоря 3 и левой торцевой полости якоря 4 по трубопроводу 12 и каналу 13 поступает в мотор-насос (на рисунке не показан) и приводит его вал во вращение. От мотор-насоса отработавшая жидкость возвращается по каналу 9 по трубопроводам 10, 11 в левую торцевую полость якоря 3 и правую торцевую полость якоря 4. По достижении якорями крайних точек схождения система управления меняет знаки подаваемых на катушки 5, 6 импульсов напряжения и одновременно переводит клапаны 7, 8 в противоположные положения. Якоря начинают расходиться, и жидкость из левой торцевой полости якоря 3 и правой торцевой полости якоря 4 по трубопроводам 10, 11 и каналу 13 поступает к мотор-насосу, а по каналу 9 и трубопроводу 12 возвращается в правую торцевую полость якоря 3 и левую торцевую полость якоря 4. В дальнейшем система управления продолжает непрерывно менять знаки импульсов напряжения на катушках якорей 5, 6 и положение клапанов 7, 8 на противоположное, поэтому жидкость продолжает движение в одном направлении и вал мотор-насоса вращается в прежнем направлении. Такой режим характерен при максимальном ускорении и максимальной скорости транспортного средства. Для снижения задаваемого темпа ускорения между циклами подачи жидкости от насос-генератора к мотор-насосу организуются паузы. Для этого система управления прекращает подачу импульсов на катушки якорей 5, 6 и переводит один из клапанов 7 или 8 в противоположное положение, и жидкость с выхода мотор-насоса по каналу 9, через клапан 7, трубопровод 14 и канал 13 снова поступает на его вход, практически не испытывая сопротивления своему движению. То есть в течение каждой паузы прерывается передача энергии от насос-генератора на мотор-насос.Таким образом, длительность паузы обратно пропорциональна задаваемому темпу ускорения, или что то же самое, прямо пропорциональна темпу снижения задаваемого ускорения. Передаваемая мотор-насосу от насос-генератора мощность снижается обратно пропорционально длительности паузы. При этом длительность импульсов напряжения остается постоянной и соответствует времени полного перемещения якорей 3, 4 из одного крайнего положения в другое.
Действие силовой установки в режиме рекуперации энергии торможения.
При движении транспортного средства вал колес приводит мотор-насос во вращение, жидкость от которого по каналу 9 и трубопроводам 10, 11 поступает в левую торцевую полость якоря 3 и в правую торцевую полость якоря 4. Якоря 3, 4 начинают встречное движение и выдавливают жидкость из правой торцевой полости якоря 3 и левой торцевой полости якоря 4. Жидкость из этих полостей по трубопроводу 12 и каналу 13 возвращается к мотор-насосу. При движении якорей 3, 4 в кольцевых зазорах магнитов 1, 2 в телах магнитов 1, 2 индуцируются переменные магнитные потоки, в результате чего в катушках якорей 5, 6 генерируются импульсы электроэнергии, которые направляются в аккумулятор. При этом транспортное средство получает импульс торможения. По достижению якорями крайних точек схождения система управления переводит клапаны 7, 8 в крайние точки расхождения. Теперь жидкость от мотор-насоса по каналу 9 и трубопроводам 14, 12 поступает в правую торцевую полость якоря 3 и в левую торцевую полость якоря 4, а по трубопроводам 10, 11 и каналу 13 возвращается к мотор-насосу. Якоря расходятся, и в катушках якорей 5, 6 генерируются импульсы электроэнергии противоположного знака, и транспортное средство получает очередной импульс торможения. В дальнейшем система управления, переводя клапаны 7, 8 из одних крайних положений в другие, обеспечивает генерирование электроэнергии в катушках якорей 5, 6.
Синхронизация движения якорь-поршней насос-генератора (патент 2422654): в силу неточности изготовления якорь-поршней насос-генератора - неравенство их масс, искажений формы и размеров и других факторов, скорости их движения по модулю в противофазе неминуемо будут отличаться. Синхронизация движения якорей насос-генератора осуществляется разрыванием цепи одной из катушек якорей 5 или 6 на определенное время. Например, если скорость якоря 3 меньше скорости якоря 4, система управления разрывает цепь катушки подмагничивания 6. Магнитные полюса якоря 4 исчезают, и его скорость уменьшается. В момент, при котором обеспечивается одновременность прибытия якорей в крайние точки движения, система управления восстанавливает цепь катушки подмагничивания якоря 6. Если же скорость якоря 4 меньше скорости якоря 3, система управления действует аналогичным образом.
ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью изобретения является обеспечение полной рекуперации кинетической энергии торможения транспортного средства во всем диапазоне скоростей транспортного средства.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
При рекуперации кинетической энергии торможения в силу снижения скорости транспортного средства соответственно снижается угловая скорость вращения вала колеса и вала мотор-насоса, снижается скорость движения рабочей жидкости в магистрали между мотор-насосом и насос-генератором и, как следствие, скорость колебательных движений якорей. Эффективное преобразование кинетической энергии якоря линейного генератора в электроэнергию, как и в генераторе с вращающимся ротором, наблюдается в узком диапазоне частоты колебания якорей, близкой к резонансной частоте контура генератора. Отклонение от этой частоты в любую сторону приводит к снижению эффективности преобразования энергии - снижению добротности контура генератора. Следовательно, для обеспечения стабильной частоты колебательных движений якорей во всем диапазоне скоростей транспортного средства необходимо добиться, чтобы в момент каждого начала подачи рабочей жидкости в торцевые полости якорей давление рабочей жидкости оказывалось одинаковым. Для этого после перемещения якорей из одной крайней точки движения в другую крайнюю точку система управления переводит клапаны 7, 8 в противоположные положения с определенной задержкой. В результате задержки путь жидкости через насос-генератор оказывается перекрыт. Так как при движении транспортного средства мотор-насос продолжает вращаться, то давление жидкости в магистрали между мотор-насосом и насос-генератором увеличивается. В момент, когда давление жидкости достигнет величины, при которой частота колебательного движения якорей совпадет с резонансной частотой контура генератора, система управления переводит клапаны 7, 8 в противоположные положения, и генерируется очередной импульс электроэнергии с периодом, равным предыдущему импульсу генерирования электроэнергии.
Это означает, что генератор работает в режиме максимальной добротности контура генератора - необходимое условие для обеспечения максимальной эффективности преобразования кинетической энергии якорей в электроэнергию во всем диапазоне скоростей транспортного средства от максимальной скорости до почти нулевой.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ адаптации частоты колебаний якорь-поршней насос-генератора к резонансной частоте контура линейного генератора, применяемый в силовой установке машины с рекуперацией кинетической энергии вала отбора мощности, включающей импульсный электрогидравлический насос-генератор, состоящий из линейного электрогенератора с якорь-поршнями и клапанов управления потоком рабочей жидкости, гидравлический мотор-насос и систему управления силовой установки, отличающийся тем, что после каждого цикла генерирования импульса электроэнергии при движении якорь-поршня насос-генератора из одной крайней точки движения в другую крайнюю точку движения система управления переводит клапаны управления потоком жидкости в противоположные положения с задержкой, длительность которой определяется так, чтобы давление рабочей жидкости в магистрали, соединяющей мотор-насос с насос-генератором, увеличилось до значения, при котором частота колебательных движений якорь-поршней насос-генератора совпадет с резонансной частотой контура линейного электрогенератора, после чего система управления переводит клапаны управления потоком жидкости в противоположные положения, и генерируется очередной импульс электроэнергии с периодом, равным предыдущему импульсу генерирования электроэнергии.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Материалы и технология для реализации заявленного изобретения не выходят за рамки современных возможностей. При современном уровне развития электроники создание системы управления является вполне ординарной задачей.
ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
Фигура. Принципиальная схема насос-генератора энергосистемы транспортного средства.
1, 2 - статорные магниты; 3, 4 - катушки подмагничивания якорей; 5, 6 - катушки подмагничивания якорей; 7, 8 - клапаны управления потоком жидкости; 9, 13 - каналы; 10, 11, 12, 14, 15 - трубопроводы.