РЕВЕРСНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ЛЕБЕДКИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК H02P7/06 B60L11/12 

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение на подъемно-транспортных средствах с автономными генераторами и аккумуляторами.

Известны контактно-тиристорные и импульсные бесконтактные устройства реверсивного управления сервисным электродвигателем постоянного тока, осуществляющие его реверс включением одной ив двух встречно намагничивающихся обмоток в двигателях с расцепленной обмоткой возбуждения или включением отдельной обмотки возбуждения в диагональ реверсивного тиристорного моста с импульсным управлением.

Недостатком подобных устройств управления является необходимость использования двигателей специального исполнения и сложных электронных схем, что ограничивают возможности их практического применения на транспортных средствах, в частности автомобилях.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному техническому решению является электропривод транспортного средства, у которого в качестве промежуточного звена между колесной парой и первичным двигателем внутреннего сгорания транспортного средства используется реверсивный двигатель постоянного тока двойного вращения смешанного возбуждения, соединенный с источником питания через схему управления с переключателем режимов и контактами электромагнитного реле, снабженный датчиками скольжения и работы первичного двигателя и задающим устройством, сочлененным c педалью водителя.

Недостатком этого устройства являются высокая стоимость такого привода, сложность его управления, низкие энергетические показатели ввиду отсутствия режима постоянной выходной мощности генератора при изменении нагрузочной тяги, что затрудняет применение известного привода в качестве привода лебедки, а также ограничивает и другие возможности применения привода с известной схемой управления на транспортных средствах с традиционной схемой бортсети, содержащей аккумулятор и зарядный генератор с реле-регулятором.

Технической задачей изобретения является упрощение конструкции электропривода и его схемы управления, снижение стоимости электропривода, повышение мощности и коэффициента полезного действия системы двигатель-генератор за счет обеспечения повышенной выходной мощности генератора в различных режимах работы электропривода, а также расширение его функциональных возможностей.

Для решения поставленной технической задачи предложены варианты реверсивного электропривода лебедки транспортного средства.

Первый вариант реверсивного электропривода лебедки транспортного средства содержит тяговый электродвигатель постоянного тока, переключатель режимов, электромагнитное реле, аккумулятор и синхронный генератор с реле-регулятором и отличается тем, что переключатель режимов выполнен четырехпозиционным, общая точка первого вывода питания якоря и первого вывода обмотки возбуждения электродвигателя соединена через токовую обмотку электромагнитного реле с первым контактом переключателя режимов, второй контакт которого снабжен первой клеммой для подключения внешней нагрузки, третий контакт переключателя режимов соединен с анодом разделительного диода, зашунтированного контрольной лампой, и плюсовым выводом аккумулятора ползунок переключателя соединен с катодом этого диода и плюсовым выводом выпрямителя синхронного генератора четвертый контакт переключателя режимов зашунтирован демпфирующим конденсатором и соединен с вторым выводом обмотки возбуждения электродвигателя и замыкающим контактом электромагнитного реле, соединенным с вторым выводом якоря электродвигателя, соединенным с общим проводом и минусовым выводом аккумулятора через токостабилизирующий резистор, и снабжен второй клеммой для подключения внешней нагрузки.

Второй вариант реверсивного электропривода лебедки транспортного средства содержит электродвигатель постоянного тока, переключатель режимов, электромагнитное реле, аккумулятор и синхронный генератор с реле-регулятором и отличается тем, что разделительный диод зашунтирован контрольной лампой и подсоединен анодом к плюсовому выводу аккумулятора, а катодом - к плюсовому выводу выпрямителя синхронного генератора, первая пара контактов переключателя включена между первым выводом обмотки возбуждения электродвигателя и плюсовой клеммой аккумулятора, вторая пара контактов включена между вторым выводом обмотки возбуждения электродвигателя и плюсовым выводом генератора, третья пара контактов включена между вторым выводом обмотки возбуждения и якорем электродвигателя, зашунтированного демпфирующим конденсатором, четвертая пара контактов включена между якорем электродвигателя и первым выводом обмотки возбуждения, который также соединен с одной клеммой для подключения внешней нагрузки, другая клемма которой подключена к общему проводу через токостабилизирующий резистор.

На фиг.1 изображена принципиальная схема заявленного реверсивного электропривода по первому варианту; на фиг.2 - принципиальная схема заявленного реверсивного электропривода по второму варианту; на фиг.3 - дана кодовая таблица состояния контактов переключателя режимов электродвигателя в соответствии с вторым вариантом изобретения; на фиг.4 - представлена диаграмма, поясняющая работу электропривода.

Предлагаемый реверсивный электропривод на основе электродвигателя постоянного тока 1 с обмоткой возбуждения 2 (фиг.1) содержит четырехпозиционный переключатель режимов 3, у которого первый контакт I реверса электродвигателя соединен с общей точкой первого вывода питания обмотки якоря электродвигателя 1 и первого вывода обмотки возбуждения 2 через токовую обмотку электромагнитного реле 4. Второй вывод обмотки возбуждения 2 и четвертый контакт прямого вращения IV переключателя соединены с замыкающим контактом 5 электромагнитного реле 4, который соединен через токостабилизирующий резистор 6 с вторым выводом питания обмотки якоря электродвигателя 1. В качество токостабилизирующего резистора может использоваться мощный баретер, спираль накаливания иди транзистор с фиксированным током базы. Четвертый контакт IV переключателя зашунтирован демпфирующим конденсатором 7. Ползунок переключателя режимов соединен с катодом разделительного диода 8, зашунтированного контрольной лампой 9 и подключенного к штекерно-гнездовому разъему 10. Штекер этого разъема соединен с плюсовым выводом аккумулятора 11, а гнездо - с плюсовым выводом синхронного генератора 12, снабженного реле-регулятором 13, которое подключено к аккумулятору 11 через выключатель зажигания 14. Плюсовой вывод аккумулятора 11 через разъем 10 соединен с третьим зарядным контактом III переключателя режимов 3 и анодом разделительного диода 8. Второй контакт II переключателя имеет первую клемму 15, а замыкающий контакт электромагнитного реле имеет вторую клемму 15 для подключения внешней нагрузки к схеме энергоснабжения электропривода. С общим проводом соединены второй вывод обмотки питания якоря электродвигателя и минусовой вывод аккумулятора.

Схема электропривода по второму заявленному варианту на основе электродвигателя с параллельной обмоткой возбуждения (фиг.2) содержит аналогичные элементы 1, 2, 3, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15. Соответствующие контакты переключателя управляются профилированным кулачком или обмоткой реле с таблицей состояния, представленной на фиг.3, где 0 соответствует разомкнутому контакту, а 1 - замкнутому.

Второй вариант заявляемого реверсивного электропривода лебедки транспортного средства содержит электродвигатель 1 постоянного тока с обмоткой возбуждения 2, переключатель режимов 3, аккумулятор 11 и генератор 12, кинематически связанный с первичным д.в.с. транспортного средства. Разделительный диод 8 схемы управления зашунтирован контрольной лампой 9 и подсоединен анодом к плюсовой клемме аккумулятора 11, а катодом - к плюсовому выводу выпрямителя синхронного генератора 12 с реле-регулятором 13. Один вывод первой пары I контактов переключателя 3 подключен к первому выводу обмотки возбуждения 2 электродвигателя 1, а его другой вывод - к плюсовой клемме аккумулятора 11. Один вывод второй пары II контактов подключен к второму выводу обмотки возбуждения 2 электродвигателя, а его другой вывод - к плюсовому выводу генератора 12. Один вывод третьей пары III контактов подключен к второму выводу обмотки возбуждения, а другой вывод третьей пары контактов - к якорю электродвигателя, зашунтированного демпфирующим конденсатором 7. Один вывод четвертой пары IV контактов подключен к якорю электродвигателя, а его другой вывод - к первому выводу обмотки возбуждения 2 и к первой клемме внешней нагрузки 15, вторая клемма которой подключена к общему проводу через токостабилизирующий резистор 6.

Предлагаемый электропривод (фиг.1) работает следующим образом.

Режим зарядки аккумулятора.

Устанавливается при замкнутом контакте III переключателя, который шунтирует разделительный диод 8 с контрольной лампой 9, что соответствует традиционной схеме энергоснабжения бортсети, а именно при замкнутых контактах выключателя зажигания 14 обеспечивается нормальная работа реле-регулятора 13 и генератора 12 с номинальным напряжением бортсети U_a.

Режим прямого вращения. После замыкания контактов прямого вращения IV переключателя режимов 3 заряд аккумулятора 11 прекращается, т.к. разделительный диод 8 оказывается смещенным в обратном направлении. При этом реле-регулятор 13 пропускает от аккумулятора в обмотку возбуждения генератора 12 максимально возможный ток, обеспечивающий предельный ток самоограничения I_г и повышение напряжения холостого хода генератора U_x. Напряжение на выходе генератора прикладывается непосредственно к последовательно соединенным обмотке возбуждения и обмотке якоря электродвигателя 1. Это напряжение U_г=U_н определяется величиной приложенной к нему механической нагрузки. При этом номинальное напряжение электродвигателя U_н выбрано в 2 раза больше, чем напряжение аккумуляторной батареи U_a. Отсюда мощность, отдаваемая генератором P_г= U_н•I_г= 2U_а•I_г ≈2P_н. Благодаря этому происходит натяжение троса лебедки с номинальным усилием при потребляемом (номинальном) токе, не превышающем ток самоограничения генератора I_г без отбора тока от аккумуляторной батареи 11. Если же протяжка троса идет вхолостую, напряжение на выходе генератора близко к максимальному (60-70 В при напряжении аккумулятора 27 В), потребляемый ток I_x резко снижается, и тогда скорость вращения электродвигателя (и соответственно скорость протяжки троса) значительно возрастает пропорционально напряжению холостого хода U_x электродвигателя (точка X на вольтамперной характеристике, фиг.4).

Таким образом, в режиме прямого вращения предложенное техническое решение обеспечивает формирование крутопадающей вольт-амперной характеристики (ВАХ) генератора. При номинальном напряжении нагрузки (точка Н на ВАХ, фиг. 4), например, U_н=27 В, ток обмотки возбуждения генератора I_г практически максимален и незначительно отличается от тока самоограничения, что обеспечивает двукратное увеличение отдаваемой генератором мощности по сравнению с аналогичным режимом работы прототипа и других известных систем двигатель-генератор, режим работы которых определяется штатным питанием бортсети от аккумулятора.

В режиме полного торможения (остановка барабана, перенагрузка электропривода) противоэлектродвижущая сила якоря электродвигателя отсутствует и ток в обмотке якоря электродвигателя возрастает до величины I_т, определяемой внутренним сопротивлением электродвигателя и напряжением U_a аккумуляторной батареи 11, которая через разделительный диод 8 начинает подпитывать двигатель током I_д, равным разности тока полного торможения и тока самоограничения генератора I_д=I_т-I_г. При этом все рабочие точки электропривода, т.е. холостого хода (X), номинальной нагрузки (Н) и полного торможения (Т) хорошо совпадают с кривой допустимой мощности P = const (фиг.4), что исключает необходимость в каких-либо предохранителях и обеспечивает надежную работу всего электропривода и бортсети автомобиля.

Режим реверса электропривода. Для включения реверса, т.е. обратного вращения электродвигателя 1, необходимо замкнуть контакты I переключателя 3. Ток генератора 12 проходит по токовой обмотке электромагнитного реле 4, вызывая срабатывание его контактов 5. В этом случае обмотка возбуждения 2 и токостабилизирующий резистор 6 подключены параллельно обмотке якоря. При этом суммарное сопротивление обмотки 2 и резистор 6 подобраны равными внутреннему сопротивлению якоря электродвигателя 1. В результате через обмотку возбуждения 2 начинает протекать электрический ток, равный по величине току якоря электродвигателя 1, но противоположного направления, что и обуславливает вращение электродвигателя 1 в противоположном направлении.

Поскольку реверсом электродвигателя обычно пользуются для регулируемого стравливания троса лебедки, находящейся под воздействием механической нагрузки, при минимальных оборотах и напряжении генератора 12, то постепенно обороты якоря возрастают и на его щетках появляется э.д.с., которая стремиться увеличить ток через обмотку возбуждения 2, работающую в режиме параллельного возбуждения. Однако, этому возрастанию тока возбуждения препятствует токостабилизирующий резистор 6 и последующее размыкание контактов 5 электромагнитного реле, которое произойдет, как только напряжение на якоре электродвигателя 1 станет близким к напряжению U_a аккумулятора 11. После размыкания контактов 5 электромагнитного реле ток через обмотку возбуждения плавно уменьшится по мере перезаряда демпфирующего конденсатора 7 и соответственно падает вращающий момент реверса якоря электродвигателя 1, т.е. обеспечивается его вращение в режиме электрического торможения с постоянной скоростью, не зависящей от приложенной механической нагрузки.

Работа электропривода, представленного на фиг.2, отличается от вышеизложенного лишь тем, что в соответствии с таблицей состояния контактов (фиг.3) переключателя режимов 3 происходит по схеме последовательного возбуждения, а зарядка аккумулятора 11 и питание внешней нагрузки 15 осуществляется током, протекающим через обмотку возбуждения 2 при обесточенном якоре электродвигателя 1, который постоянно зашунтирован демпфирующим конденсатором 7. Этот конденсатор тормозит случайные вибрации и рывки якоря электродвигателя 1, но не препятствует его равномерному вращению при размотке троса лебедки. Тогда как токостабилизирующий резистор 6 ограничивает ток короткого замыкания аккумулятора, а собственная индуктивность обмотки возбуждения 2 облегчает поджиг электрической дуги на сварочном электроде, подключенном к клемме внешней нагрузки 15. Все это обеспечивает возможность электродуговой сварки от бортсети автомобиля в полевых условиях без каких-либо дополнительных устройств, что расширяет функциональные возможности заявляемого электропривода по сравнению с прототипом.

Кроме того, если уменьшить обороты генератора 12, например, за счет прикрытия дроссельной заслонки д.в.с. автомобиля, то напряжение холостого хода генератора упадет до величины U_г и соответственно уменьшится сила и скорость намотки, т.е. появляется возможность управления электроприводом без введения специальных средств управления, что также свидетельствует о расширении функциональных возможностей электропривода.

Если переключатель режимов 3 (фиг.1, первый вариант реверсивного электропривода) находится в состоянии замкнутых контактов II внешней нагрузки, то к соответствующим выводам контакта 15 могут подключаться различные внешние нагрузки, например, электроинструмент, аккумуляторы ускоренной зарядки и даже сварочные приставки по патентам РФ 2020691 (H 02 P 9/30), 1814600 (B 23 K 9/00). При этом яркость свечения контрольной лампы 9 будет пропорциональна избыточному напряжению на внешней нагрузке, а ток через нее будет обеспечивать частичную подзарядку бортового аккумулятора 11.

При отключении или съемке электропривода лебедки с транспортного средства аккумуляторный штекер разъема 10 соединяется с генераторным гнездом этого же разъема, восстанавливая тем самым штатную схему электропитания бортсети.

Лабораторные и натурные испытания предложенного электропривода на автомобилях семейства ВАЗ и УАЗ с бортсетью номинальным напряжением 12 В полностью подтвердили его эффективность.

Благодаря форсированному питанию электропривода лебедки, рассчитанного на номинальное напряжение 24-27 В удалось в 2 раза снизить потребляемый электроприводом ток и существенно увеличить скорость протяжки троса лебедки. Синхронная взаимосвязь мощности электропривода и скорости вращения колес буксующего автомобиля значительно облегчает его самовытаскивание лебедкой с таким электроприводом, что облегчает его управление даже неопытным водителям.

Предложенный электропривод может быть изготовлен в производственных условиях и индивидуально на основе типовых комплектующих узлов и деталей, что существенно снижает его стоимость по сравнению с прототипом.

Использование: на. подъемно-транспортных средствах с автономными генераторами и аккумуляторами. Сущность: реверсивный электропривод автомобильной лебедки содержит электродвигатель постоянного тока, соединенный через переключатель режимов с выпрямителем синхронного генератора, снабженного реле регулятором напряжения бортового аккумулятора. Новым является включение разделительного диода между плюсовыми выводами аккумулятора и генератора, который питает электродвигатель регулируемым током с напряжением в несколько раз больше номинального напряжения аккумулятора, а также оригинальная схема реверсивного включения электродвигателя с токостабилизирующим резистором и контактами электромагнитного реле в цепи обмотки возбуждения, которые обеспечивают постоянную скорость размотки троса лебедки. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Реверсивный электропривод лебедки транспортного средства, содержащий электродвигатель постоянного тока, переключатель режимов, электромагнитное реле, аккумулятор и синхронный генератор с реле-регулятором, отличающийся тем, что переключатель режимов выполнен четырехпозиционным, общая точка первого вывода питания якоря и первого вывода обмотки возбуждения электродвигателя соединена через токовую обмотку электромагнитного реле с первым контактом переключателя режимов, второй контакт которого снабжен первой клеммой для подключения внешней нагрузки, третий контакт переключателя режимов соединен с анодом разделительного диода, зашунтированного контрольной лампой, и плюсовым выводом аккумулятора, ползунок переключателя соединен с катодом этого диода и плюсовым выводом выпрямителя синхронного генератора, четвертый контакт переключателя режимов зашунтирован демпфирующим конденсатором и соединен с вторым выводом обмотки возбуждения электродвигателя и замыкающим контактом электромагнитного реле, который через токостабилизирующий резистор соединен с вторым выводом питания якоря электродвигателя и минусовым выводом аккумулятора, соединенными с общим проводом, и снабжен второй клеммой для подключения внешней нагрузки. 2. Реверсивный электропривод лебедки транспортного средства, содержащий электродвигатель постоянного тока, переключатель режимов, электромагнитное реле, аккумулятор и синхронный генератор с реле-регулятором, отличающийся тем, что разделительный диод зашунтирован контрольной лампой и подсоединен анодом к плюсовому выводу аккумулятора, а катодом - к плюсовому выводу выпрямителя синхронного генератора, первая пара контактов переключателя включена между первым выводом обмотки возбуждения электродвигателя и плюсовой клеммой аккумулятора, вторая пара контактов включена между вторым выводом обмотки возбуждения электродвигателя и плюсовым выводом генератора, третья пара контактов включена между вторым выводом обмотки возбуждения и якорем электродвигателя, зашунтированного демпфирующим конденсатором, четвертая пара контактов включена между якорем электродвигателя и первым выводом обмотки возбуждения, который также соединен с одной клеммой для подключения внешней нагрузки, другая клемма которой подключена к общему проводу через токостабилизирующий резистор.