ГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1998 года по МПК H02K19/36 H02K9/14 H02P9/30 H02J7/04 

Изобретение относится к области электротехники, преимущественно к конструкции электротехнического оборудования, сопряженного, например, с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), и касается выполнения источника питания с возбуждением якорной обмотки постоянными магнитами, который может быть применен с ДВС различного назначения, например, мотоциклов, мотороллеров, мопедов.

Улучшение эксплуатационных свойств мототехники характеризуется увеличением надежности изделий ее в целом с одновременным уменьшением массогабаритных характеристик изделия в целом и/или каждой из его систем.

Известны технические решения, позволяющие получить улучшение массогабаритных характеристик мототехники сопряжением электромеханических частей изделий с электрическими, но более эффективно электротехнической с силовой частью, например - сопряжение генератора с ДВС [1]. Однако в таких решениях недостаточно эффективно решается охлаждение электрических устройств, в результате чего снижается КПД изделия. Таков, например, мотоцикл с блоком коммутатором-стабилизатором в правом инструментальном ящике, где явно затруднено охлаждение его. И наоборот, в японской генераторной установке с соосно установленными отдельными двигателем и генератором, регулятором и дросселем [2] при хорошем охлаждении, явно завышены массогабаритные характеристики установки в целом.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является генераторная установка [3], представляющая собой управляемый прерывателем генератор переменного тока для зарядки батареи, содержащий статор с трехфазной обмоткой, ротор с постоянными магнитами на кольцевом магнитопроводе, установленный с возможностью вращения от приводного двигателя, выпрямитель, подключенный к выходу трехфазной обмотки статора, импульсный преобразователь постоянного тока, подсоединенный своим входом к выходу выпрямителя, а выходом - к аккумуляторной батарее, а также средства соединения с приводными устройствами. Генератор имеет устройство для регулирования знаково-пространственного соотношения импульсов прерывателя постоянного тока в зависимости от требуемого зарядного тока батареи.

Описание данного решения не имеет конструктивных признаков взаиморасположения его узлов, что предполагает все возможные компоновки изделия. Среди них могут быть такие, при которых электротехнические элементы, например - полупроводниковые, могут оказаться в зоне рассеивания тепла цикла приводного двигателя, например - ДВС, собственного тепла элемента или в зоне затрудненного отвода тепла. Сложение температурных ингредиентов может создать отклонение от оптимальных условий работы полупроводниковых приборов и тем самым уменьшить КПД их и генераторной установки в целом.

Изобретение решает задачу увеличения КПД генераторной установки увеличенной мощности с одновременным улучшением в целом ее надежности путем улучшения стабильности выходного напряжения и удельных параметров.

Генераторная установка, содержащая статор с трехфазной обмоткой, ротор с постоянными магнитами на кольцевом магнитопроводе, установленный к выходу обмотки статора выпрямитель, импульсный преобразователь постоянного тока, вход которого соединен с выходом выпрямителя, и средства соединения с приводными устройствами, отличающаяся от известной тем, что обмотка ее статора размещена на крышке картера приводного двигателя, а магнитопровод ротора - в проточке обращенного к крышке торца маховика, установленного на конце вала, связанного с приводным двигателем, при этом маховик имеет на противоположной от крышки картера стороне вентиляторные лопатки с наклонными к оси вала каналами между ними, но внешнем кожухе маховика на периферийном его участке выполнено окно для установки проходного регулятора напряжения с радиатором, при этом периферийный участок кожуха с окном выполнен наклонным и со смещением от оси вала с обеспечением расположения штырей радиатора в воздушном потоке от вентиляторных лопаток маховика, обдувающем приводной двигатель, проходной регулятор напряжения снабжен импульсным стабилизатором напряжения и его выпрямитель выполнен по мостовой схеме Ларионова.

Согласно данному изобретению, постоянные магниты ротора могут иметь переменную полярность, и ротор может быть при этом установлен с возможностью вращения от коленвала двигателя внутреннего сгорания (ДВС), связанного кинематически с валом ротора.

Проходной регулятор напряжения может быть установлен вне зоны рассеивания тепла цикла двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и/или полупроводниковых приборов с возможностью обдува радиатора регулятора воздушным потоком, возникающим при движении объекта с генераторной установкой.

Ротор генераторной установки может быть выполнен с дополнительной шестерней, кинематически связанной со стартером и расположенной на окружном торце маховика на его стороне, обращенной к крышке картера двигателя внутреннего сгорания.

Кроме того, в предлагаемой генераторной установке импульсный стабилизатор напряжения может быть выполнен в виде параметрического стабилизатора и при этом с катодной шиной выпрямителя соединены первый вывод фильтра, коллектор и через первое сопротивление база транзистора параметрического стабилизатора напряжения, эмиттер которого соединен с выходом компаратора, через второе сопротивление с катодной шиной выпрямителя соединен также первый контакт геркона схемы защиты от превышения тока нагрузки и эмиттер первого транзистора усилителя тока, база которого соединена через первый резистор также с катодной шиной выпрямителя, с которой соединены эмиттеры первого и второго транзисторов согласующего каскада регулятора тока, базы которых через первый диод соединены с базой третьего транзистора согласующего каскада регулятора тока, коллекторы первого, второго и третьего транзисторов согласующего каскада регулятора тока соединены с входом ДLC-фильтра, а база третьего транзистора согласующего каскада регулятора тока через второй резистор и конденсатор соединена с одним выводом третьего резистора и коллектором первого транзистора усилителя тока, второй вывод третьего резистора соединен с анодной шиной выпрямителя, с которой соединены также второй вывод фильтра и первый вывод стабилитрона параметрического стабилизатора напряжения, а через третье сопротивление - второй контакт геркона схемы защиты от превышения тока нагрузки, который соединен с диодом усилителя тока, четвертый резистор соединен с базой первого транзистора и с коллектором второго транзистора усилителя тока, эмиттер которого соединен с анодной шиной выпрямителя, а база - с выходом компаратора, при этом второй ввод стабилитрона соединен с базой транзистора параметрического стабилизатора, эмиттер которого через четвертое сопротивление соединен с базой второго транзистора усилителя тока, один из входов компаратора соединен с выходом генератора пилообразного напряжения через пятое сопротивление, выход генератора пилообразного напряжения через первую емкость и шестое сопротивление соединен с первой емкостью схемы сравнения, далее - через седьмое сопротивление - с одним из входов схемы сравнения, через последовательно соединенные восьмое и девятое сопротивления - с выходом ДLC-фильтра, а через второй диод - с анодной шиной выпрямителя, второй вход схемы сравнения через ее вторую емкость и десятое сопротивление соединен с выходом схемы сравнения, соединенным через одиннадцатое сопротивление с другим входом компаратора, при этом десятое сопротивление, подключенное к второму входу схемы сравнения, соединено с делителем обратной связи, соединенным одним выводом с анодной шиной выпрямителя, а другим выводом - с одним концом дросселя схемы защиты от превышения тока нагрузки, второй конец которого соединен с одной выходной клеммой проходного регулятора напряжения, при этом вторая выходная клемма проходного регулятора напряжения соединена с анодной шиной выпрямителя.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен продольный разрез генераторной установки, на фиг. 2 - ее структурная схема, а на фиг. 3 - функциональная схема проходного регулятора напряжения генераторной установки.

Генераторная установка содержит статор с трехфазной обмоткой 1 (фиг.1) на крышке 2 картера приводного двигателя, например, внутреннего сгорания (ДВС). Магнитопровод ротора с постоянными магнитами 3 укреплен в проточке торца маховика 4, имеющего вентиляторные лопатки 5 и установленного на валу 6 с шестерней 7, кинематически связанной с коленвалом приводного двигателя (ДВС) (не показан) и пусковым шкивом 8. На внешнем кожухе 9 маховика в окне установлен проходной регулятор напряжения 10 с радиатором 11. Трехфазная обмотка 1 статора, выполненная, например, по схеме "звезда", соединена с выпрямителем 13 (фиг.2 и 3), выполненным на диодах Д1 ... Д6.

Выпрямитель 13 импульсного стабилизатора напряжения проходного регулятора выполнен по мостовой схеме Ларионова, с катодной шиной его соединены первый вывод фильтра 14, коллектор и через первое сопротивление база транзистора 15-1 параметрического стабилизатора напряжения, эмиттер которого соединен с выходом компаратора 16-1, через второе сопротивление - первый контакт геркона 17-1 схемы защиты от превышения тока нагрузки, база транзистора 18-1 первого усилителя тока через первый резистор, а также эмиттеры первого и второго транзисторов 19-1 и 19-2 согласующего каскада регулятора тока. База каждого из транзисторов 19-1 и 19-2 через первый диод соединена с базой третьего транзистора 19-3 этого каскада, а коллекторы всех трех упомянутых транзисторов соединены с входом ДLC-фильтра 20. Через второй резистор 19-4 и конденсатор база третьего транзистора 19-3 согласующего каскада регулятора тока соединена с одним выводом третьего резистора 19-5 и коллектором первого транзистора 18-1 усилителя тока. Второй вывод третьего резистора 19-5 соединен с анодной шиной. С анодной шиной соединены также, соответственно, второй вывод фильтра 14, первый вывод стабилитрона 15-2 параметрического стабилизатора напряжения, а через третье сопротивление - второй контакт геркона 17-1 схемы защиты от превышения тока нагрузки, который соединен также с диодом усилителя тока. Четвертый резистор соединен с базой первого транзистора 18-1 и с коллектором второго транзистора 18-2 усилителя тока, эмиттер которого соединен с анодной шиной выпрямителя. База транзистора 18-2 соединена с выходом компаратора 16-1. При этом второй вывод стабилизатора 15-2 соединен с базой транзистора 15-1 параметрического стабилизатора, эмиттер которого через четвертое сопротивление соединен с базой второго транзистора 18-2 усилителя тока.

Один из входов компаратора 16-1 соединен с выходом генератора пилообразного напряжения (ГПН) 21-1 через резистор 16-2 и пятое сопротивление 21-2. Выход ГПН соединен через первую емкость и через шестое сопротивление с первой емкостью схемы сравнения 22-1, далее - через седьмое сопротивление - с одним из входов схемы сравнения, через восьмое и девятое сопротивление - с выходом ДLC-фильтра 20, а через второй диод - с анодной шиной выпрямителя. Второй вход схемы сравнения 22-1 через ее вторую емкость и десятое сопротивление 22-2 соединен с выходом схемы сравнения, который через одиннадцатое сопротивление соединен с упругим входом компаратора 16-1. При этом десятое сопротивление 22-2, подключенное к второму входу схемы сравнения, соединено с делителем обратной связи 22-3.

Делитель обратной связи соединен одним выводом с анодной шиной выпрямителя, а другим выводом - с одним концом дросселя 17-2 схемы защиты от превышения тока нагрузки, второй конец которого соединен с одной выходной клеммой проходного регулятора напряжения. При этом вторая выходная клемма проходного регулятора напряжения соединена с анодной шиной выпрямителя.

Вход генератора пилообразного напряжения (ГПН) 21-1 через сопротивление 21-2 замкнут с цепью контакта времязадающей цепочки 21-4.

Работает предлагаемая генераторная установка следующим образом. С помощью шкива 8 или шестерни 12 от стартера вращают вал 6 с шестерней 7 и маховиком 3. Вращающееся при этом магнитное поле магнитов 4 (фиг.1) индуцирует в трехфазной обмотке 1 генератора трехфазную ЭДС, лопатки 5 маховика создают воздушный поток, обдувающий стержни 10 проходного регулятора напряжения 11. Кинематически связанная с коленвалом шестерня 7 вращающего и все системы приводного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), которые на чертежах не показаны. Трехфазное напряжение с трехфазной обмотки 1 передается на выпрямитель 13, а выпрямленное пульсирующее напряжение поступает на транзисторы 19-1, 19-2 и 19-3 согласующего каскада регулятора тока, при этом фильтр 14 обеспечивает большое значение импульса и устраняет влияние индуктивности проводов. Транзисторы согласующего каскада регулятора тока создают последовательность импульсов, а ДLC-фильтр 20 обеспечивает непрерывный ток нагрузки в момент закрытого состояния регулятора тока. Одновременно с подачей напряжения на регулятор тока с эмиттера транзистора 15-1 параметрического стабилизатора подается питание на компаратор 16-1 и от стабилизатора 15-2 параметрического стабилизатора на усилители 21-1 ГПН.

Выходное напряжение проходного регулятора с ДLC-фильтра 20 через цепочку регулировочного резистора делителя обратной связи 22-3 и цепь коррекции поступает на ГПН 22-1 и первый вод компаратора 16-1, а также на генератор пилообразного напряжения (ГПН) 22-1 и на второй вход компаратора 16-1 через времязадающую цепочку 21-4.

Генератор пилообразного напряжения (ГПН) 22-1 вырабатывает сигал рассогласования между выходным и опорным напряжением, поступающий на один из входов компаратора 16-1, на второй вход которого подается напряжение с ГПН 21-1. На выходе компаратора 16-1 формируется последовательность импульсов с длительностью, изменяющейся соответственно изменению сигнала рассогласования - прямоугольные сигналы, которые через второй транзистор 18-2 усилителя тока управляют первым транзистором 18-1 усилителя тока, как и длительностью замкнутого и разомкнутого состояния транзисторов 19-1, 19-2 и 19-3 согласующего каскада регулятора тока. При этом элементы ДLC-фильтра 20 (дроссели, диоды и конденсаторы) уменьшают пульсацию выходного напряжения.

При коротком замыкании нагрузки осуществляется размыкание контактов геркона 17-1 схемы защиты с ее дросселем 17-2, тиристором 17-3 и резисторами.

Для уменьшения времени рассасывания избыточных зарядов в мощном ключе осуществляется связь без транзисторов 19-1, 19-2 и 19-3 согласующего каскада регулятора тока через первый диод и параллельно соединенные второе сопротивление и конденсатор с цепью 19-4, соединяющей коллектор первого транзистора 18-1 усилителя тока с анодной шиной выпрямителя через третий резистор 19-5.

Описанный вариант выполнения генераторной установки является оптимальным. В эквивалентном исполнении постоянные магниты ротора могут быть закреплены на ступице маховика или на крышке блока цилиндров приводного ДВС с соответствующим закреплением трехфазной обмотки на маховике и со щетками, а также с другими необходимыми для нормальной работы данной компоновки узлами. Проходной регулятор напряжения комплектуется на известной элементной базе. Испытаниями опытного образца установлено, что в ряде случаев эксплуатации надежность генераторной установки достаточна и при выполнении схемы проходного регулятора напряжения без схемы защиты. В результате обеспечения большого значения импульсного тока, проходящего через первый регулирующий транзистор 18-1 усилителя тока и устранения влияния индуктивности проводов на выходе выпрямителя напряжения с помощью ДLC-фильтра преобразования тока в последовательность импульсов в транзисторах согласующего каскада регулятора тока с обеспечением непрерывного тока нагрузки в момент закрытого состояния регулятора тока и изменения сигнала рассогласования между выходным и опорным напряжением, согласования последовательности импульсов компаратора с напряжением генератора пилообразного напряжения частотой 30 кГц на выходе регулятора обеспечивают стабильное напряжение в генераторной установке при токе нагрузки не более 20 А. При этом в интервале температур (-40^oC)-(+80^oC) сохраняется КПД регулятора тока на уровне 80%, что в сочетании с высоким КПД генератора (70%) обеспечивает установке в целом КПД 56% при мощности 270 Вт и существенно улучшает надежность работы установки и нагрузочной цепи, то есть конкурентоспособность генераторной установки.

Приведенные цифровые данные генераторной установки подтверждены испытаниями опытного образца, изготовленного по разработанной техдокументации предлагаемой генераторной установки.

Изобретение относится к области электротехники, и касается конструкции электротехнического оборудования, а именно генераторных установок для двигателей внутреннего сгорания с возбуждением постоянными магнитами и с регулятором напряжения. Изобретение направлено на увеличение КПД и улучшение удельных показателей с одновременным увеличением надежности изделия и нагрузочной сети путем улучшения стабильности выходного напряжения. Генераторная установка состоит из статора с трехфазной обмоткой 1 на крышке 2 картера, маховика 3 с постоянными магнитами 4 на кольцевом магнитопроводе ротора и с вентиляторными лопатками 5. Маховик установлен на конце вала, связанного с приводным двигателем. Между лопатками 5 маховика 3 имеются наклонные к оси вала каналы. Во внешнем кожухе маховика на его периферийном участке выполнено окно для установки проходного регулятора напряжения с радиатором 11. Проходной регулятор состоит из выпрямителя по мостовой схеме Ларионова и импульсного стабилизатора напряжения. При этом периферийный участок кожуха маховика с окном выполнен наклонным и со смещением от оси вала с обеспечением расположения штырей радиатора в воздушном потоке от вентиляторных лопаток маховика 3, обдувающем приводной двигатель. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Генераторная установка, содержащая статор с трехфазной обмоткой, ротор с постоянными магнитами на кольцевом магнитопроводе, установленный с возможностью вращения от приводного двигателя, подсоединенный к выходу обмотки статора выпрямитель, импульсный преобразователь постоянного тока, вход которого соединен с выходом выпрямителя, и средства соединения с приводными устройствами, отличающаяся тем, что обмотка статора размещена на крышке картера приводного двигателя, а магнитопровод ротора - в проточке обращенного к крышке торца маховика, установленного на конце вала, связанного с приводным двигателем, при этом маховик имеет на противоположной от крышки картера стороне вентиляторные лопатки с наклонными к оси вала каналами между ними, во внешнем кожухе маховика на периферийном его участке выполнено окно для установки проходного регулятора напряжения с радиатором, при этом периферийный участок кожуха с окном выполнен наклонным и со смещением от оси вала с обеспечением расположения штырей радиатора в воздушном потоке от вентиляторных лопаток маховика, обдувающем приводной двигатель, проходной регулятор напряжения снабжен импульсным стабилизатором напряжения и его выпрямитель выполнен по мостовой схеме Ларионова. 2. Генераторная установка по п.1, отличающаяся тем, что постоянные магниты ротора имеют переменную полярность, а ротор установлен с возможностью вращения от коленвала двигателя внутреннего сгорания, связанного кинематически с валом ротора. 3. Генераторная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что ротор выполнен с дополнительной шестерней, кинематически связанной со стартером и расположенной на окружном торце маховика на его стороне, обращенной к крышке картера двигателя внутреннего сгорания. 4. Генераторная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что проходной регулятор напряжения установлен вне зоны рассеивания тепла цикла двигателя внутреннего сгорания и/или полупроводниковых приборов с возможностью обдува радиатора проходного регулятора напряжения воздушным потоком, возникающим при движении объекта с генераторной установкой. 5. Генераторная установка по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что импульсный стабилизатор напряжения выполнен в виде параметрического стабилизатора, с катодной шиной выпрямителя соединены первый вывод фильтра, коллектор и через первое сопротивление база транзистора параметрического стабилизатора напряжения, эмиттер которого соединен с выходом компаратора, через второе сопротивление с катодной шиной выпрямителя соединен также первый контакт геркона схемы защиты от превышения тока нагрузки и эмиттер первого транзистора усилителя тока, база которого соединена через первый резистор также с катодной шиной выпрямителя, с которой соединены эмиттеры первого и второго транзисторов согласующего каскада регулятора тока, базы которых через первый диод соединены с базой третьего транзистора согласующего каскада регулятора тока, коллекторы первого, второго и третьего транзисторов согласующего каскада регулятора тока соединены с выходом ДLС-фильтра, а база третьего транзистора согласующего каскада регулятора тока через второй резистор и конденсатор соединена с одним выводом третьего резистора и коллектором первого транзистора усилителя тока, второй вывод третьего резистора соединен с анодной шиной выпрямителя, с которой соединены также второй вывод фильтра и первый вывод стабилитрона параметрического стабилизатора напряжения, а через третье сопротивление - второй контакт геркона схемы защиты от превышения тока нагрузки, который соединен с диодом усилителя тока, четвертый резистор соединен с базой первого транзистора и с коллектором второго транзистора усилителя тока, эмиттер которого соединен с анодной шиной выпрямителя, а база - с выходом компаратора, при этом второй вывод стабилитрона соединен с базой транзистора параметрического стабилизатора, эмиттер которого через четвертое сопротивление соединен с базой второго транзистора усилителя тока, один из входов компаратора соединен с выходом генератора пилообразного напряжения через пятое сопротивление, выход генератора пилообразного напряжения через первую емкость и шестое сопротивление соединен с первой емкостью схемы сравнения, далее - через седьмое сопротивление - с одним из входов схемы сравнения, через последовательно соединенные восьмое и девятое сопротивления - с выходом ДLС-фильтра, а через второй диод - с анодной шиной выпрямителя, второй вход схемы сравнения через ее вторую емкость и десятое сопротивление соединен с выходом схемы сравнения, соединенным через одиннадцатое сопротивление с другим входом компаратора, при этом десятое сопротивление, подключенное к второму входу схемы сравнения, соединено с делителем обратной связи, соединенным одним выводом с анодной шиной выпрямителя, а другим выводом с одним концом дросселя схемы защиты от превышения тока нагрузки, второй конец которого соединен с одной выходной клеммой проходного регулятора напряжения, при этом вторая выходная клемма проходного регулятора напряжения соединена с анодной шиной выпрямителя.