ЭЛЕКТРОПРИВОД АВТОНОМНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 1997 года по МПК B60L11/16 

Изобретение представляет собой совокупность частей транспортного средства, например автомобиля, гирокара, локомотива, трактора и т.д. предназначенных для передачи энергии от маховикового накопителя к ведущим колесам и обратно через бесступенчатую трансмиссию.

Известны конструктивные схемы привода транспортных средств с маховиковым накопителем энергии и бесступенчатой трансмиссией: гидрообъемной, фрикционной, с муфтой свободного хода, многоступенчатой с фрикционной муфтой и т. д. (Мани Л. Транспорт, энергетика и будущее. М. Мир, 1987, с. 47 56).

Кроме конструктивной сложности собственного шасси, включающего передачу усиления от двигателя через сцепление к маховику с редуктором, второе сцепление к бесступенчатой трансмиссии, карданной передаче, главной передаче и движителю (колесам), эти технические решения привода автономных транспортных средств имеют существенные недостатки, связанные с конкретным исполнением известной бесступенчатой трансмиссии.

Например, гидрообъемные трансмиссии тяжелы и громоздки; фрикционные бесступенчатые и муфты свободного хода осуществляют передачу энергии только в одном направлении; эффективность многоступенчатой передачи с фрикционной муфтой зависит от допустимой величины пробуксовки, которая, в свою очередь, зависит от числа передач.

Известны также электрические тяговые системы транспортных средств. Они содержат аккумулятор энергии в виде вращающегося маховика, зарядный электродвигатель, в качестве которого применена электрическая машина постоянного тока, связанная через редуктор зарядки с маховиком, который соединен через редуктор хода и муфту реверса с ведущей осью движителя, и источник переменного тока с преобразователем (авт. св. СССР N 1516389, кл. B 60 L 11/16, 1989).

При значительной сложности и громоздкости описанной схемы электропривода хороших характеристик трансмиссии и маховикового накопителя достичь не удается, так как основная трудность заключается в разработке бесступенчатой трансмиссии, которая позволяла бы плавно регулировать силу тяги в соответствии с условиями движения.

В качестве прототипа может быть принят электропривод автономного средства (авт. св. СССР N 1425108, кл. B 60 L 11/16, 1988).

Он содержит тяговый электродвигатель с блоком управления, который подключен к тяговой аккумуляторной батарее и электромеханическому аккумулятору энергии, который состоит из электрической машины с обмотками якоря и независимого возбуждения, маховикового двигателя и возбудителя.

Прототипу свойственны вышеотмеченные недостатки электрических тяговых систем транспортных средств с использованием энергии, аккумулируемой в маховике.

Кроме того, запасаемой в маховике энергии недостаточно для расчетной автономности, о чем свидетельствует обязательное наличие связи с сетью трехфазового тока или тяговой аккумуляторной батареей.

Цель изобретения создание электропривода автономных транспортных средств, позволяющих за счет разделения во времени процессов и потребления энергии оптимизировать эти процессы, упростить устройство и обслуживание транспорта, улучшить удельные показатели энергоемкости и другие характеристики трансмиссии и маховикового накопителя, обеспечить автономность, экологичность и экономичность транспортных средств.

Цель достигается объединением в органическое целое и взаимным дополнением свойств и достоинств супермаховика, магнитной подвески, дисковой униполярной электрической машины и бесконтактного термоэмиссионного токосъема с сеточным управлением по аналогии с трехэлектронной лампой.

Сущность изобретения заключается в том, что зарядно-разрядный электромашинный орган выполнен с одной или двумя дисковыми униполярными машинами электромагнитного возбуждения, а накопитель энергии в виде ободкового сумермаховика, навитого из высокопрочных нитей. При этом якоря дисковых униполярных машин выточены со ступицей супермаховика или жестко закреплены на установленном вертикально посредством радиально-аксиальной магнитной подвески токопроводящем валу и расположены между полюсами статоров, общий центральный токосъем для дисковых униполярных машин выполнен в виде жидкометаллического контакта, связанного с управляющим электромагнитом с возможностью дистанционного прерывания и возобновления, а раздельные периферийные токосъемы являются термоэмиссионными и включают в себя неподвижные нагреваемые катоды, помещенные в кольцевые выточки статорных магнитопроводов, аноды, образованные краями якорных дисков, и управляющие сетки, установленные между анодами и катодами.

Проведенный патентный поиск показал отсутствие электропривода автономных транспортных средств с предлагаемой совокупностью признаков.

Таким образом, в данном случае известные элементы объединены новыми связями, придают тяговым системам новые свойства, проявившиеся в положительных эффектах, вследствие чего решение может быть признано имеющим изобретательский уровень.

На чертеже показан электропривод, продольный разрез по оси вращения ротора, с вариантом применения машин переменного тока в качестве тягового электродвигателя.

Электропривод автономного транспортного средства состоит из герметичного корпуса 1 с силовыми 2 и управленческими 3 электрическими выводами.

Внутри корпуса 1 на радиально-аксиальной магнитной подвески 4 вертикально подвижно закреплен вал 5.

На валу 5 неподвижно закреплены или вытачиваются заодно ступица 6 ободкового супермаховика 7 и два диска-якоря 8 двух униполярных электрических машин электромагнитного возбуждения.

Супермаховик 7 навивается из высокопрочных нитей, например стекловолокна, бора, кеелара, графита, кварца, полимеров и т. д. (Гулиа Н. В. Накопители энергии. М. Наука, 1980).

Якорные диски 8 выполняются из электропроводного материала, располагаются между полюсами магнитопривода (статора) 9 каждой электрической машины и вместе с супермаховиком 7 образуют общий ротор.

Общий центральный жидкометаллический контакт 10 вытачивается вместе с валом 5, имеет минимально возможный диаметр и располагается в изолированном стакане 11. Для него в магнитоприводе 9 предусмотрена кольцевая выемка.

В качестве жидкого металла, обеспечивающего надежный центральный токосъем с подвижного диска-якоря 8, могут применяться ртуть, эвтектика (сплав Na-R), индий, палладий и др.

Наиболее предпочтительным является применения сплава Na-K как обеспечивающего минимальные гидравлические потери, которые пропорциональны окружной скорости вращения в третьей степени. Его химическая активность к кислороду и влаге будет несущественна для ваккумированного герметичного корпуса 1.

Периферийные токосъемы 12 каждого диска-якоря 8 выполнены бесконтактными, работающими на основе термоэлектронной эмиссии. Нагреваемый катод 13 и управляющая сетка 14 неподвижны, располагаются в кольцевой расточке магнитопривода 9, анодом является периферийная часть подвижного диска-якоря 8.

Внутри корпуса 1 создается разрежение порядка 10 мм рт.ст. В среде столь разреженного газа электроны распространяются беспрепятственно, а нужная величина снимаемого тока нагрузки обеспечивается расчетной площадью нагреваемого катода. Для оценки возможностей такого бесконтактного токосъема в табл. 1 приведены некоторые данные распространенных типов катодов.

Например, импренированный катод может дать токосъем 8 А/см² при температуре 1000^oC (Менке Х. Гундлах Ф. Радиотехнический справочник, Т. II, М-Л. Госэнергоиздат, 1962, с. 45).

Вместе с тем для форсированного разгона ротора и сокращения времени заряда может быть применен дополнительно периферийный жидко металлический контакт, но в этом случае он должен быть обязательно прерываемым и возобновляемым (авт. св. СССР N 1450538, кл. G 01 C 19/08, q 01 C 19/24, 1986).

Для обеспечения неизменности принятого расположения катода 13 и анода 8 в зарядном и разрядном циклах принят электромагнитный способ создания магнитного потока Φ₁(Φ₂), полярность которого в этом случае легко изменить направлением тока в обмотке возбуждения 15. Т. е. режим работы (зарядный или разядный) каждого диска-якоря 8 при неизменном направлении их вращения определяется направлением регулируемого в широких пределах тока в обмотках возбуждения 15, которые располагаются с внутренней стороны периферийной части диска-якоря 8.

Силовые выводы 2 напрямую соединены с тяговым электродвигателем 16 движителя, например мотор-колеса, а управленческие 3 с блоком управления БУ.

В качестве тягового электродвигателя 16 может быть принята как машина постоянного, так и переменного токов, что открывает широкие возможности для конструктора.

Таким образом, электропривод автономного транспортного средства состоит из двух простейших безообмоточных машин с общим валом, каждая из которых может работать как двигателем, так и генератором вместе или в отдельности в широком диапазоне регулирования своих параметров по напряжению, мощности, частоте и роду тока (постоянного или переменного), а также фазового сдвига.

Питание диска-якоря 8 постоянным или переменным (бесконтактный токосъем 12 работает выпрямителем при постоянном потенциале управляющей сетки 14) током от внутреннего или наружного источника через жидкометаллический контакт 10 и термоэмиссионный токосъем 12 при наличии магнитного тока-возбуждения Φ₁(Φ₂) обусловит по закону электромагнитных сил разгон ротора.

Электромагнитный вращающий момент M_э, развиваемый электрической машиной, работающей двигателем, пропорционален произведению тока на рабочий магнитный поток Φ₁, а электродвижущая сила (ЭДС), наведенная в диске-якоре 8 генератора, будет равна или e = πΦ₂ т.е. пропорциональна скорости вращения диска-якоря 8 и пронизывающего его магнитного потока Ф₂.

При этом характер и величина управляющего потенциала сетки 14 по нелинейному закону обусловит характер и величину выходного напряжения.

Несмотря на то что в принципе ограничений в получении нужной единичной мощности нет, в общем случае описанную конструкцию надо рассматривать как элемент или несколько элементов, последовательно-параллельное соединение которых позволит получить любой диапазон по энергоемкости, по напряжению, току и, следовательно, мощности.

Магнитная подвеска и глубокий вакуум внутри корпуса 1 обеспечат исключение потерь на трение движущихся частей, а специальное исполнение супермаховика относительно большую предельно-допустимую скорость вращения ротора (до 600-800 тыс. об/мин), которая, в свою очередь, исключит такой недостаток известных униполярных электрических машин, как низкое рабочее напряжение. Что касается потерь в стали, то в униполярных машинах они отсутствуют, потери в "меди" также будут незначительны из-за малой плотности тока в диске-якоре 8.

Но главное это энергоемкость. Приведенные в табл. 2 сравнительные характеристики известных накопителей энергии показывают, что предложенный электропривод обладает наибольшей энергоемкостью.

Кроме этого витой маховик 7 в случае превышения предельно допустимой скорости вращения выходит из строя безопасно (безосколочно), плавно тормозясь о корпус 1.

Следует иметь в виду, что энергоемкость 90 кВт/ч обеспечивает современному автомобилю весом в 1 т запас около 450 км. Для его движения со скоростью 60 км/ч нужна мощность 5-6 л.с. при весе энергоустановки 30 40 кг. Моторесурс маховиковых накопителей в 5-6 раз выше бензинового двигателя, а экономичность автомобиля с маховиком увеличивается более чем на 50% (Мани Л. Транспорт, энергетика и будущее. М. Мир, 1987, с. 52-56).

Электропривод автономного транспортного средства не требует обслуживания, при конструктивной простоте и сравнительно более высоких показателях энергоемкости обладает совершенно уникальными свойствами и может выполнять функции аккумулятора, преобразователя энергии, усилителя мощности, выпрямителя, инвертора, выключателя нагрузки, выравнивателя нагрузки, трехэлектродной электронной лампы, трансформатора, преобразователя частоты, регулятора частоты и напряжения, рекуператора, реле мощности, бесступенчатой трансмиссии, фильтра высших гармонических составляющих, гироплатформы и т.д. большинство из которых может быть использовано для улучшения технических характеристик транспортных средств.

В применении к гирокару электропривод жестко крепится к раме; в остальных случаях для исключения влияния прецессии может свободно крепиться на карданном подвесе, поскольку не обладает реактивным моментом.

В режиме зарядки обе электрические машины работают как двигатели, обеспечивая разгон маховику и накопление энергии, которая зависит от его скорости вращения в квадрате.

В разрядном режиме изменением направления потока обеспечивается плавность регулирования силы тяги в соответствии с условиями движения.

В режиме рекуперативного торможения одна или обе электрические машины электропривода работают двигателем, разгоняя ротор с маховиком, а генерирует электроэнергию при этом тяговая электрическая машина 16.

В режиме постоянного подзаряда одна из машин электропривода напрямую соединяется с бортовым энергоисточником, который работает с максимальным КПД при неизменной нагрузке. При этом мощность подзарядного агрегата может быть на порядок меньше требуемой для получения покрытия пиков реальной нагрузки на колеса.

Другая же машина электропривода работает генератором, питая тяговый двигатель 16, а при торможении двигателем, дополнительно раскручивая маховик.

Если имеется режим постоянного подзаряда и бортовой подзарядный энергоисточник не предусмотрен, то возможно упрощение описанной конструкции за счет исключения одной из двух электрических машин электропривода, так как все остальные режимы, включая рекуперативное торможение, может обеспечить одна электрическая машина, вал которой жестко соединен со ступицей супермаховика.

Что касается блока управления (БУ), то его устройство будет зависеть от принятого типа тягового электродвигателя 16. Применение машины постоянного тока определит наличие в БУ регуляторов постоянного тока, а переменного - регуляторов частоты с воздействием на управляющую сетку 14 в ключевом или широтно-импульсном режиме.

Использование: электрические тяговые системы транспортных средств с применением энергии, аккумулируемой в маховике. Сущность изобретения: произведено объединение в органическое целое маховикового накопителя энергии, бесступенчатой трансмиссии и некоторых других составляющих шасси транспортных средств. Отличительной особенностью электропривода является то, что в герметичном корпусе, в котором создан глубокий вакуум, на стабилизированном при помощи радиально-аксиальной магнитной подвески валу жестко закреплены ступица ободкового супермаховика и якори двух дисковых униполярных электрических машин, у которых общий центральный жидкометаллический контакт выполнен прерываемым и возобновляемым, а раздельные периферийные бесконтактные термоэмиссионные токосъемы снабжены сеточным управлением. При этом обеспечиваются режимы: зарядки от внутреннего или наружного источника энергии; разгона, плавной регулировки силы тяги в соответствии с условиями движения в разрядном цикле; подзарядки; рекуперативного торможения с увеличением запасенной энергии маховика. Управление режимами осуществляется воздействием на величину и направление тока возбуждения и потенциал сетки. I ил, 2 табл.

Электропривод автономного транспортного средства, содержащий установленные на общем валу и связанные с ведущими колесами бесступенчатой трансмиссией тяговый электродвигатель, маховиковый накопитель энергии и зарядно-разрядный электромашинный орган, из которых два последних размещены в герметичном вакуумированном корпусе, отличающийся тем, что зарядно-разрядный электромашинный орган выполнен с одной или двумя дисковыми униполярными машинами электромагнитного возбуждения, а накопитель энергии в виде ободкового супермаховика, навитого из высокопрочных нитей, при этом якоря дисковых униполярных машин выточены за одно со ступицей супермаховика или жестко закреплены на установленном вертикально посредством радиально-аксиальной магнитной подвески токопроводящем валу и расположены между полюсами статоров, общий центральный токосъем для дисковых униполярных машин выполнен в виде жидкометаллического контакта, связанного с управляющим электромагнитом с возможностью дистанционного прерывания и возобновления, а раздельные периферийные токосъемы являются термоэмиссионными и включают в себя неподвижные нагреваемые катоды, помещенные в кольцевые выточки статорных магнитопроводов, аноды, образованные краями якорных дисков, и управляющие сетки, установленные между анодами и катодами.