СИСТЕМА ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ С РАЗЛИЧНЫМИ ДВИЖИТЕЛЯМИ
ELECTRIC POWER SUPPLY SYSTEM FOR ELECTRIC DRIVES OF VEHICLES WITH VARIOUS PROPULSION UNITS

Изобретение относится к области энергетики, в частности - к организации питания электропривода транспортных средств с любым движителем - гребным винтом в водной среде, колесом на автодороге или рельсовом пути, пропеллером в атмосфере.
Получение транспорта, отличающегося экологической безопасностью, давно интересует людей, а в современных условиях это стало насущной необходимостью. Построить эффективное транспортное средство пытаются уже много лет с использованием природного источника энергии и технических устройств, уже применяющихся на транспорте - аккумуляторных батарей, электрогенераторов и двигателей.
Известны технические решения, например «Электромобиль с ветряным двигателем» по патенту США №7802641, «Ветряная турбина для системы генератора электромобиля» по патенту США №7147069, «Ветрогенератор электромобиля» по патенту РФ №115019, в которых в качестве природного источника энергии используется сила встречного потока воздуха для вращения турбины, кинематически связанной с ротором генератора. Сгенерированная электрическая мощность используется для зарядки аккумуляторных батарей с помощью зарядного устройства, а переменное напряжение после преобразования постоянного напряжения аккумуляторных батарей инвертором - для питания двигателей, кинематически связанных с колесами.
Недостатками этих и других подобных решений являются:
- сложность конструкции с обилием кинематических связей, снижающих КПД системы энергоснабжения двигателей;
- использование значительной части внутреннего полезного объема транспортного средства;
- снижение мощности воздушного потока разделением его на части;
- применение не прямоточного канала для ветрового потока, что создает дополнительное газодинамическое сопротивление, на преодоление которого расходуется часть полезной мощности электропривода;
- мощность применяемых генераторов (промышленных или оригинальных, как, например, в ветрогенераторе электромобиля) явно недостаточна как для быстрой подзарядки аккумуляторных батарей, так и для прямого питания электропривода. Кроме того, встречный поток сам по себе не в состоянии обеспечить постоянную скорость вращения ротора генератора, а следовательно, и постоянство параметров генерируемой электрической мощности.
Следствием указанных недостатков, в любом их сочетании, является малый пробег транспортного средства с электроприводом. А это, в свою очередь, вынуждает проектировать весьма затратную инфраструктуру для организации подзарядки аккумуляторных батарей транспортного средства от внешних источников.
Известно устройство для подзарядки аккумулятора транспортного средства, содержащее источник питания, выполненный в виде ветроэлектрического агрегата, установленного на транспортном средстве, стойка которого шарнирно установлена на основании с возможностью вращения в вертикальной плоскости, и который включает в себя лопастное колесо, вращающееся под действием воздушного потока на оси, которая кинематически связана с валом генератора, электрически связанного с аккумулятором транспортного средства, при этом на валу электрогенератора жестко установлена направляющая втулка, в которой с возможностью продольного перемещения размещена ось лопастного колеса, причем колесо выполнено складным, лопасти колеса шарнирно соединены с фланцем ползуна, на лопастях одним донцом шарнирно закреплены звенья, вторые концы которых шарнирно соединены с направляющей втулкой (патент РФ №2062707, МПК B60K 16/00, B60L 8/00, публикация 1996 г.).
К недостаткам известного устройства можно отнести невозможность движения транспортного средства во время зарядки аккумулятора, а также громоздкость устройства, его зависимость от погодных условий (силы и направления ветра).
Известна роторная ветроэнергетическая установка наземного транспортного средства, устанавливаемая на крышах в передней, средней и задней частях закрытого кузова автотранспорта и железнодорожных вагонов, характеризующаяся тем, что она содержит ветродвигатель роторного типа, воздушный полый обтекатель, устанавливаемый под углом 45° над кабиной автотранспорта или передней части вагона железнодорожного состава, криволинейный конфузор, расположенный внутри полого обтекателя, криволинейные лопасти аэродинамического профиля, криволинейные конфузоры ротора ветродвигателя, плоскую защитную заслонку, два магнитоэлектрических генератора (МЭГ) с роторами-маховиками, магниты переменной полярности, расположенные на периферии с двух сторон роторов-маховиков, две обгонные муфты, связывающие вал ветродвигателя с ротор-маховиками МЭГ, корпус ротор-маховика, составной защитный кожух, микродвигатель с шестерней, инвертор, электрически связанный с МЭГ, микровыключатели, механические защелки, аккумуляторные батареи и пульт управления (патент РФ №2480349, МПК B60K 16/00, B60L 8/00, публикация 2013 г.).
Известная установка обладает большими габаритами, что ограничивает сферу применения установки.
Известна система привода транспортного средства, в частности электромобиля, содержащая, по меньшей мере, один генератор и одну аккумуляторную батарею, электрически соединенные между собой, электродвигатель, электрически соединенный с аккумуляторными батареями и кинематически связанный, по меньшей мере, с одним приводным колесом транспортного средства, при этом система привода транспортного средства снабжена, по меньшей мере, одним крыльчатым ветродвигателем, крыльчатка которого охвачена кожухом-рассекателем для направления встречного потока воздуха на лопасти крыльчатки, а его вал кинематические связан с генератором (патент РФ №82168, МПК B60L 11/02, B60L 11/12, публикация 2009 г. - ближайший аналог).
Известная система обладает повышенной конструктивной сложностью, а мощность применяемого генератора, приводимого во вращение крыльчаткой, недостаточна как для быстрой подзарядки аккумуляторной батареи, так и для прямого питания электродвигателя.
Задачей предлагаемого изобретения является создание эффективной системы питания электропривода транспортного средства, обеспечивающей генерацию энергии повышенной мощности от природного источника, что позволяет повысить продолжительность движения транспортного средства в автономном режиме за счет подзарядки блока аккумуляторных батарей в период его движения, исключить надобность в высоко затратной инфраструктуре для организации такой подзарядки от внешнего источника.
Поставленная задача решается тем, что система привода транспортного средства содержит, по меньшей мере, один электрогенератор, аккумуляторную батарею, зарядное устройство и инвертор, электрически соединенные между собой, электродвигатель, электрически соединенный с аккумуляторной батареей и кинематически связанный со средством перемещения транспортного средства. Электрогенератор выполнен проточным, включающим полый ротор, в котором установлены лопатки многоступенчатой турбины, приводимой в движение силой встречного потока среды, в которой перемещается транспортное средство, и статор. Система привода снабжена преобразователем сгенерированной энергии, датчиком скорости движения, датчиком уровня зарядки аккумулятора и коммутатором, причем преобразователь сгенерированной энергии электрически связан с электрогенератором и коммутатором, коммутатор - с датчиком скорости движения, датчиком уровня зарядки аккумулятора, зарядным устройством и электродвигателем, датчик скорости - с измерителем скорости движения транспортного средства, датчик уровня зарядки - с аккумуляторной батареей или зарядным устройством.
Полость электрогенератора образована в форме сопла Лаваля.
Внутренняя поверхность статора и внешняя поверхность ротора защищены слоем электро- и гидроизоляционного материала.
Лопатки турбины электрогенератора выполнены в виде пропеллеров, жестко закрепленных в полости корпуса ротора.
Система содержит четное число электрогенераторов, которые размещены в общем немагнитном шумо- и гидроизолированном корпусе и образуют единый пакет электрогенераторов, устанавливаемый на транспортном средстве.
В каждой паре электрогенераторов пакета лопасти турбин смонтированы таким образом, чтобы роторы вращались в противоположных направлениях.
Общий корпус пакета электрогенераторов снабжен защитной решеткой и регулятором силы встречного потока среды, в которой перемещается транспортное средство.
Общий корпус пакета электрогенераторов может быть снабжен, по меньшей мере, одним глушителем.
При наличии электрогенератора достаточной мощности, во-первых, для подзарядки аккумуляторных батарей необходимо меньше времени и, во-вторых, эта мощность может быть направлена непосредственно в электропривод. Однако при переменной скорости вращения ротора электрогенератора, что зависит от силы встречного потока и скорости движения транспортного средства, параметры генерируемой мощности (частота, амплитуда ЭДС) должны быть стандартизированы. Для выполнения этой функции система питания должна включать преобразователь-формирователь, электрически связанный с электрогенератором. Дальнейшее использование сгенерированной и стандартизированной мощности может состоять либо в подзарядке аккумуляторных батарей, либо в прямой подаче на электропривод. Выбор пути направления энергии определяется сигналами датчика скорости движения (например, тахометра) и датчика уровня зарядки аккумуляторных батарей (часто совмещается с зарядным устройством) и осуществляется коммутатором-переключателем, электрически связанным с преобразователем-формирователем, датчиком скорости, датчиком уровня зарядки, зарядным устройством и электроприводом. При выработке электрогенератором мощности, недостаточной для подачи на электропривод (сигнал датчика скорости соответствует малой скорости) или для полной подзарядки аккумуляторных батарей (сигнал датчика уровня зарядки аккумуляторных батарей соответствует, например, малому току зарядки аккумуляторных батарей) коммутатор подключен к зарядному устройству. Если же и сигнал датчика уровня зарядки аккумуляторных батарей соответствует полной зарядке аккумуляторных батарей, и сигнал датчика скорости соответствует скорости движения транспортного средства, при которой электрогенератор вырабатывает мощность, достаточную для подачи на электропривод, коммутатор подключается к электроприводу. В последнем случае транспортное средство движется за счет вырабатываемой электрогенератором мощности и имеет аккумуляторную батарею в состоянии, готовом к использованию для начала движения или разгона транспортного средства.
Предлагаемое техническое решение представлено на чертежах, где на фиг.1 изображена структурно-функциональная схема системы питания электропривода транспортного средства; на фиг.2 - разрез по АА электрогенератора из пакета электрогенераторов; на фиг.3 - пакет электрогенераторов в общем корпусе; на фиг.4 - разрез по ББ электрогенератора на фиг.2.
В структурно-функциональной схеме на фиг.1 блокам системы питания электропривода транспортного средства присвоены следующие номера: 1 - электрогенератор, 2 - преобразователь-формирователь, 3 - датчик скорости, 4 - коммутатор-переключатель, 5 - датчик уровня зарядки аккумулятора, 6 - зарядное устройство, 7 - аккумулятор аккумуляторных батарей, 8 - инвертор, 9 - электропривод.
При такой системе питания водитель транспортного средства управляет только электроприводом, а его энергоснабжение обеспечивается автоматически. Конечно, перед первым использованием транспортного средства его аккумуляторная батарея должна быть полностью заряжена от внешнего источника.
Горизонтальный проточный электрогенератор, изображенный на фиг.2, включает статор 10 и полый ротор 11, расположенные соосно с турбиной, приводимой в движение силой встречного потока среды, в которой движется транспортное средство. Внутренняя полость ротора выполнена в форме сопла Лаваля, в котором установлены и жестко закреплены лопатки 12 турбины в форме пропеллеров, развернутых в плоскостях, перпендикулярных оси ротора, на некоторый угол. Лопатки турбины выполнены из прочного термопластичного материала, например поликарбоната или сплавов на основе алюминия, а корпуса ротора и статора - из легких немагнитных сплавов на основе алюминия. Жесткость крепления лопаток обеспечивается установкой их в пазах корпуса ротора с последующим развариванием с внешней стороны корпуса ротора.
Таким образом, ротор электрогенератора совмещен с турбиной. Между статором 10 и ротором 11 установлены радиально-упорные подшипники 13, обеспечивающие свободное вращение ротора в статоре.
Повышенная мощность электрогенератора обеспечивается увеличенными габаритами за счет длины, поскольку его размещение предполагается снаружи транспортного средства без уменьшения полезного внутреннего объема.
Обмотки 14 ротора и 15 статора выполнены по схеме с минимальными потерями. Обмотки ротора выполнены из плоской шинной меди, наматываемой на ребро, изолированной, например, фторопластом и термоусадочной трубкой, а оставшиеся пустоты залиты магнитополимером. Обмотки статора - катушечного типа или винтовые стержневые с термореактивной или стеклокерамической изоляцией. Внутренняя поверхность статора и внешняя поверхность ротора покрыты слоем электро- и гидроизоляции, например из стеклокерамики (на фиг.4 позиции 16 и 17 соответственно). Все токосъемники защищены изоляцией, например, стеклокерамикой (условно не показано). В таком исполнении статор и ротор представляют собой монолиты, способные функционировать в условиях динамичного воздушного или водного потока.
С целью наращивания общей генерируемой мощности четное число электрогенераторов комплектуется в пакет (на фиг.3 он состоит из 4-х электрогенераторов). Транспортное средство может быть снабжено несколькими такими пакетами. Каждый пакет монтируется в общем корпусе 18, состоящем из двух частей и помещенном в шумопоглощающую оболочку 19. В заборной части 20 корпуса 18 размещен регулятор 21 встречного потока, например, в виде заслонки, с помощью которой можно ограничить чрезмерную силу встречного потока или перекрыть его полностью при неблагоприятных условиях. Заборная часть 20 корпуса 18 снабжена предохранительной сеткой 22 для предотвращения попадания в электрогенератор предметов, способных его заклинить.
В каждой паре электрогенераторов пакета лопатки 12 их турбин смонтированы таким образом, чтобы роторы вращались в противоположные стороны. Это снижает общую вибрацию пакета.
В случае применения пакета электрогенераторов, работающих на воздушном потоке, для снижения шума на выходе потока корпус 18 снабжается глушителем 23. Их количество определяется числом электрогенераторов.
Для крепления пакета на транспортном средстве предусмотрены специальные места: уголки, проушины и т.д., жестко соединенные с общим корпусом 18 (условно не показаны).
Предлагаемая система питания электроприводов транспортного средства с генерацией энергии повышенной мощности от природного источника может серьезно увеличить пробег транспортного средства без подзарядки от внешнего источника и исключить надобность в высоко затратной инфраструктуре для организации такой подзарядки.