СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СТАРТЕР-ГЕНЕРАТОРНОЙ СИСТЕМОЙ С ПЛАНЕТАРНЫМ РЕДУКТОРОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК H02P9/44 F02N11/04 

Предложение относится к области электромеханики и может быть использовано в транспортных средствах, преимущественно в автомобилях, для запуска первичного двигателя и генерирования электрической энергии в бортовую сеть.

Известен способ управления стартер-генераторной системой (проспект фирмы БОШ: Elektrische Motorausrustung, 1988), в котором электрическая машина в начале стартерного режима работает на холостом ходу и запасает кинетическую энергию, а затем после разгона ротора до значительной скорости с помощью специального сцепления соединятся с валом ДВС, отдавая кинетическую энергию, накопленную во вращающемся роторе и вращающейся части сцепления, валу ДВС. Статор электрической машины в этом техническом решении соединен с аккумуляторной батареей через вентильный преобразователь частоты. Недостатками этого технического решения являются большие габариты и масса электрической машины и сцепления, так как при отсутствии редуктора момент прокрутки вала ДВС должен быть равен моменту электрической машины, а масса и габариты этой машины увеличиваются при увеличении ее номинального электромагнитного момента.

Наиболее близким к предложенному техническим решением является способ управления стартер-генераторной системой с планетарным редуктором (патент США №5132604) путем свободного вращения внешней кольцевой шестерни редуктора в генераторном режиме, причем в стартерном режиме кольцевую шестерню редуктора останавливают, а после этого включают электрический стартер, момент которого увеличивают с помощью редуктора и подают на вал ДВС.

Известно устройство для осуществления этого способа (патент США №5132604), в котором один вал планетарного редуктора с внешней кольцевой шестерней соединен непосредственно с валом первичного двигателя, а другой вал этого редуктора через ременную передачу связан с валом электромеханического преобразователя (синхронной машины с когтеобразным ротором). Такое выполнение системы позволяет снизить механические нагрузки на ременную передачу. Редуктор выполнен одноступенчатым, причем внешняя поверхность кольцевой шестерни редуктора выполнена зубчатой и сцеплена в стартерном режиме с устройством торможения кольцевой шестерни, что приводит к неподвижности кольцевой шестерни в стартерном режиме. В генераторном режиме работы устройство торможения кольцевой шестерни не сцеплено с внешней поверхностью кольцевой шестерни и она свободно вращается и соединяет через обгонную муфту вал ДВС с валом электромеханического преобразователя. Это упрощает устройство отключения планетарной передачи в генераторном режиме. Статор электрической машины этого стартер-генератора подключается к вентильному преобразователю регулируемой частоты в стартерном режиме и к выпрямителю, соединенному с аккумуляторной батареей и бортовой сетью транспортного средства - в генераторном режиме.

Недостатками описанных способа и устройства являются увеличенные масса и габариты электромеханического и вентильного преобразователей за счет того, что при неподвижной внешней кольцевой шестерне в стартерном режиме электрическая машина должна быть рассчитана на создание электромагнитного пускового момента значительной величины, что приводит к увеличению ее массы и габаритов, а также увеличению массы и габаритов вентильного преобразователя за счет протекания по его вентильным элементам значительных пусковых токов.

Сущность изобретения.

1. В способе управления стартер-генераторной системой с двигателем внутреннего сгорания, электрической машиной, которой управляют вентильным преобразователем, планетарным редуктором с внешней кольцевой шестерней, в соответствии с которым с помощью вентильного преобразователя устанавливают пусковую частоту электрической машины, затем разгоняют электрической машиной внешнюю кольцевую шестерню редуктора, после чего ее затормаживают, прикладывают момент к валу двигателя внутреннего сгорания, частоту вращения которого увеличивают, а при включении в работу двигателя внутреннего сгорания внешнюю кольцевую шестерню редуктора растормаживают, обеспечивая передачу вращения с вала двигателя внутреннего сгорания на внешнюю кольцевую шестерню редуктора, так, что она начинает свободно вращаться в направлении, противоположном ее вращению при ее разгоне электрической машиной, затем внешнюю кольцевую шестерню редуктора сцепляют с валом редуктора и двигателя внутреннего сгорания, обеспечивая передачу вращения на вал электрической машины.

2. В устройстве для осуществления этого способа, включающем источник постоянного тока, соединенный через вентильный преобразователь с по крайней мере одной электрической обмоткой электрической машины с валом, связанным через планетарный редуктор, включающий по крайней мере одну ступень с подвижной внешней кольцевой шестерней и обгонной муфтой, с валом двигателя внутреннего сгорания, устройство управления электрической машиной с разрешающим входом и по крайней мере одним управляющим входом, связанным с выходами датчиков для частотного управления электрической машиной, и выходом, соединенным с упомянутой обмоткой электрической машины,

блок регулирования частоты вращения внешней кольцевой шестерни редуктора с по крайней мере одним электрическим входом, электромагнитом, устройством управления этим электромагнитом и связанным с подвижной частью электромагнита, выходным механическим устройством торможения кольцевой шестерни,

переключатель режимов, имеющий входную клемму, соединенную с шиной источника постоянного тока, а также выходную рабочую клемму и выходную стартерную клемму, связанную через схему включения системы, содержащую звено с запаздыванием, с разрешающим входом устройства управления электрической машиной и электрическим входом блока регулирования частоты вращения внешней кольцевой шестерни редуктора, причем вход звена с запаздыванием соединен с выходной стартерной клеммой переключателя режимов,

блок регулирования частоты вращения внешней кольцевой шестерни редуктора выполнен с одним управляющим электрическим входом для ограничения момента, прикладываемого к этой шестерне при ее торможении, и одним разрешающим электрическим входом, к которому подключен выход звена с запаздыванием схемы включения системы, устройство управления электромагнитом выполнено в виде широтно-импульсного преобразователя, вход которого связан с выходом формирователя импульсов, вход которого является управляющим входом блока регулирования частоты вращения внешней кольцевой шестерни редуктора.

3. В устройстве по п.2 в блоке регулирования частоты вращения кольцевой шестерни устройство торможения выполнено в виде тормозной колодки, расположенной над внешней цилиндрической поверхностью кольцевой шестерни.

4. В устройстве по п.2 в редуктор введена дополнительная ступень планетарной передачи, включающая обгонную муфту и подвижную внешнюю кольцевую шестерню, которая неподвижно связана с внешней кольцевой шестерней первой ступени планетарной передачи и образует единую внешнюю кольцевую шестерню редуктора.

Существенные отличия для способа находят свое выражение в новой совокупности действий, а для устройства: по п.2 - в выполнении электрической схемы системы, по п.3 - в выполнении устройства торможения внешней кольцевой шестерни редуктора, по п.4 - в новой конструкции редуктора.

Совокупность существенных признаков изобретения позволяет достичь положительный эффект, заключающийся в уменьшении массы и габаритов стартер-генераторной системы.

В качестве конкретного выполнения стартер-генераторной системы приведен автомобильный стартер-генератор с транзисторным преобразователем частоты и асинхронной машиной, вал которой соединен через ременную передачу и планетарный редуктор, имеющий внешнюю кольцевую шестерню, с валом ДВС автомобиля.

На фиг.1 изображена блок-схема стартер-генераторной системы с кинематической схемой редуктора. На фиг.2 изображено тормозное устройство внешней кольцевой шестерни редуктора. На фиг.3 показано расположение тормозного устройства в редукторе. На фиг.4 изображена стартер-генераторная система с устройствами управления и регулирования.

На фиг.1 показан стартер-генератор 1 с асинхронной машиной 2, обмотка статора которой подключена к шинам переменного тока устройства управления стартер-генераторной системой 3, шины постоянного тока которого связаны с одноименными шинами аккумуляторной батареи 4 и бортовой сетью автомобиля 5. Устройство управления 3 служит для регулирования частоты и напряжения на фазах статора машины 2, регулирования напряжения обмотки возбуждения (если используется синхронная машина), воздействия на коэффициент передачи механической части системы. На валу машины 2 расположен шкив 6, соединенный ремнем 7 со шкивом 8, расположенном на валу 9 редуктора 10.

Редуктор 10 имеет две ступени. Он включает внешнюю кольцевую шестерню 11, общую для первой и второй ступеней, со встроенной обгонной муфтой 12, связывающей вал 9 с шестерней 11, подшипниковый узел 13 для вращения вала 9.

Первая ступень планетарного редуктора включает, кроме шестерни 11, солнечную шестерню 14, закрепленную на валу 9, и сателлиты 15, связанные с водилом 16. Водило 16 соединено со второй солнечной шестерней 17, являющейся частью второй ступени редуктора. Вторая ступень редуктора включает также кольцевую шестерню 11, сателлиты 18 и водило 19, связанное с кольцевой шестерней 11 посредством обгонной муфты 20. Водило 19 соединено через упругую муфту 21 с валом 22 ДВС 23.

Устройство 24 регулирования частоты вращения кольцевой шестерни 11 электрически связано с устройством управления стартер-генераторной системой 3. Кольцевая шестерня вращается в подшипниковых узлах 25, 26.

На фиг.2 изображено тормозное устройство 24 кольцевой шестерни 11, включающее корпус электромагнита 27, подвижную часть - шток 28, соединенный с тормозной колодкой 29, расположенной над внешней гладкой цилиндрической поверхностью кольцевой шестерни 11. Тормозная колодка 29 связана с корпусом редуктора 30 пружиной 31.

На фиг.3 показано расположение тормозного устройства 24 кольцевой шестерни 11 в редукторе для случая выполнения его в виде двух аналогичных звеньев 24а, 24б, расположенных по диаметру редуктора.

На фиг.4 изображены: асинхронная машина 2, бортовая сеть (БС) 5, ременная передача (РП) 7, редуктор 10, ДВС 23. Показано также устройство управления стартер-генераторной системой, содержащее устройство управления асинхронной машиной 32 с управляющим входом 33, трехфазным выходом 34 и разрешающим входом 35. Устройство 32 включает микропроцессор (МП) 36, вход которого связан с выходами датчиков для частотного управления электрической машиной 2, вырабатывающих сигналы , а выход, с сигналами управления , - с входом формирователя импульсов (ФИП) 37 вентильного преобразователя (ВП) 38, выполненного по схеме автономного инвертора напряжения на транзисторных ключах с конденсатором фильтра 39. Выходы ФИП соединены с управляющими входами транзисторных ключей ВП 38.

На фиг.4 показан блок 40 регулирования частоты вращения внешней кольцевой шестерни редуктора (с управляющим входом 41 и разрешающим электрическим входом 42), который включает выходное механическое устройство торможения (УТ) 43 кольцевой шестерни 11, состоящее из тормозной колодки 29 и пружины 31 (фиг.2), электромагнит 44, выводы катушки которого через устройство управления электромагнитом - широтно-импульсный преобразователь (ШИП) 45 (Бирзниекс Л.В. Импульсные преобразователи постоянного тока. М., 1974) связаны с одноименными шинами аккумуляторной батареи 4. Вход ШИП 45 связан с выходом формирователя импульсов (ФИ) 46, вход которого является управляющим входом блока 40.

На фиг.4 показан переключатель режимов 47, выполненный, например, в виде автомобильного ключа зажигания, имеющий входную клемму (в), соединенную с шиной источника постоянного тока, а также выходную рабочую клемму (р) и выходную стартерную (пусковую) клемму (п), связанную через схему включения системы 48 (с входом 49 и выходом 50) с разрешающим входом 42 блока 40 и разрешающим входом 35 устройства управления асинхронной машиной 32. При этом клемма (п) непосредственно соединена с входом 35, а с входом 42 через звено (схему) с запаздыванием (СЗ) 51.

Разрешающие входы блока 40 и устройства управления 32 могут быть выполнены как шины питания формирователей импульсов 37 и 46.

На фиг.4 показан блок определения интенсивности торможения кольцевой шестерни 52, на вход которого подключен выход датчика 53 частоты вращения (скорости) кольцевой шестерни (ДС), расположенного в редукторе (Р) 10.

Этот блок осуществляет функцию:

u_вых=-Jdω_кш/dt,

где J - момент инерции вращающихся масс;

ω_кш - частота вращения кольцевой шестерни;

dω_кш/dt - ускорение кольцевой шестерни.

Выход 54 блока 52 подключен на первый вход устройства сравнения 55. На второй вход устройства сравнения 55 подключен выход блока задания допустимого момента 56, а выход устройства суммирования через электронный регулятор (ЭР) 57 соединен с управляющим входом блока 40. Блоки 52-57 могут входить в состав микропроцессорного устройства 36.

Стартер-генераторная система с асинхронной машиной работает следующим образом.

При установке ключа 47 в положение "п" подается напряжение аккумуляторной батареи 4 на шину питания ФИП 37 преобразователя 33. Подаются импульсы управления на транзисторы преобразователя 38, МП 36 устанавливает пусковую частоту и пусковое напряжение статора асинхронной машины 2, ограничивающее токи через транзисторы преобразователя 38 на заданном уровне. СЗ 51 начинает отсчет времени. Блок 40 не работает, так как сигнал на его вход 42 с выхода СЗ не подается. Вал асинхронной машины 2 приходит во вращение, происходит управляемый частотный запуск машины 2. Она начинает вращать через ременную передачу 7 первую солнечную шестерню 14. Сателлиты 15 передают момент на кольцевую шестерню 11. Так как кольцевая шестерня 11 не заторможена, она приходит во вращение, начинает вращаться и водило 16 вместе со второй солнечной шестерней 17, передавая момент через сателлиты 18 на кольцевую шестерню 11.

Вал 22 ДВС 23 остается неподвижным, так как момент, прикладываемый к нему, недостаточен для его запуска. Кольцевая шестерня 11 увеличивает частоту вращения, которая в коэффициент редукции раз меньше, чем частота вращения вала 9. На вал асинхронной машины 2 действуют в основном динамические моменты, обусловленные вращающимися массами ременной передачи 7 и элементов редуктора. При увеличении частоты вращения вала 9 накапливается кинетическая энергия в роторе асинхронной машины 2, элементах ременной передачи 7 и вращающихся частях редуктора 10. После разгона вала 9 через 0,5-3 секунды после включения ключа в положение "п" схема с запаздыванием СЗ 51 выдает сигнал на включение блока 40, например подает напряжение на шину питания формирователя импульсов 46. ШИП 45 подает напряжение на катушку ЭМ 44. Сердечник ЭМ втягивается, шток 28 перемещает тормозную колодку 29 и прижимает ее с помощью пружины 31 к поверхности кольцевой шестерни 11, затормаживая ее вращение. При этом начинает увеличиваться тормозной момент, передаваемый с вала 22 ДВС 23 на вал машины 2. Вступают в работу первая и вторая ступени планетарного редуктора и момент на валу 22 ДВС увеличивается до величины в коэффициент передачи редуктора раз большей, чем момент на валу 9.

Частоты вращения вала машины 2, РП 7 и вращающихся частей редуктора 10 несколько снижаются, кинетическая энергия, запасенная в ременной передаче 7, роторе асинхронной машины 2 и вращающихся частях редуктора 10, передается на вал 22 ДВС. Момент, обусловленный запасенной кинетической энергией, складывается с электромагнитным моментом асинхронной машины 2, который в режиме запуска ДВС близок к максимальному. За счет этого достигается значительное увеличение пускового момента на валу ДВС при небольших массогабаритных показателях асинхронной машины.

Процесс торможения кольцевой шестерни 11 регулируется блоками 52-57 так, чтобы момент, прикладываемый к кольцевой шестерне 11 и элементам редуктора 10, не превосходил допустимого уровня, задаваемого блоком 56.

Так как пуск асинхронной машины 2 производится на холостом ходу без связи с ДВС, когда кольцевая шестерня 11 свободно вращается, ударные моменты, возникающие при включении напряжения на статор асинхронной машины 2, не велики и не приводят к увеличению массы и габаритов редуктора.

После того как вал 22 ДВС 23 приходит во вращение, происходит управляемый частотный запуск и разгон ДВС 23 до номинальной скорости прокрутки. При этом МП 36 увеличивает с помощью вентильного преобразователя 32 частоту и напряжение статора асинхронной машины 2 таким образом, что ограничивает ток транзисторов вентильного преобразователя 33 на заданном уровне, определяемом из условий работы в режиме прокрутки ДВС.

Когда ДВС вступает в работу, ключ 47 устанавливают в положение (р). Блок 40 выключается, поэтому тормозная колодка 29 выходит из сцепления с поверхностью кольцевой шестерни 11 и возвращается в исходное положение. Момент с вала ДВС начинает передаваться через сателлиты на кольцевую шестерню 11, которая начинает свободно вращаться в направлении, противоположном вращению в стартерном режиме. Вступают в работу обгонные муфты 12 и 20, сцепляющие кольцевую шестерню 11 с валами 9 и 22. Коэффициент передачи редуктора 10 становится равным единице. Механическая мощность с вала ДВС передается на вал 9 и через ременную передачу 7 на вал асинхронной машины 2. При этом МП 36 под действием сигнала с клеммы (р) уменьшает частоту тока в обмотках статора асинхронной машины 2 до величины, меньшей частоты вращения ротора. Асинхронная машина 2 начинает работать в генераторном режиме, вырабатывает электроэнергию, поступающую через диоды обратного моста вентильного преобразователя частоты 33 на шины постоянного тока аккумуляторной батареи 4 и в бортовую сеть автомобиля 5.

Таким образом, предложенная система со стартер-генератором и двигателем внутреннего сгорания позволяет снизить массу асинхронной машины за счет снижения ее расчетной мощности до мощности, определяемой режимом прокрутки ДВС, снизить массу и габариты вентильного преобразователя за счет снижения уровня пусковых токов, а также снизить массу и габариты редуктора за счет снижения воздействующих на его элементы моментов в период пуска.

Как показано, в предложенном техническом решении снижаются массы и габариты всех основных составляющих стартер-генераторной системы.

Использование: в транспортных средствах, преимущественно автомобилях, для запуска первичного двигателя и генерирования электрической энергии в бортовую сеть. Технический результат заключается в увеличении пускового момента и уменьшении массы и габаритов электромеханической и электрической частей за счет кинетической энергии, накапливаемой в роторе электрической машины, ременной передаче и вращающихся частях редуктора в начале стартерного режима. В способе управления стартер-генераторной системой с планетарным редуктором путем свободного вращения внешней кольцевой шестерни редуктора в генераторном режиме в стартерном режиме после включения системы внешнюю кольцевую шестерню редуктора разгоняют, а после разгона останавливают. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ управления стартер-генераторной системой с двигателем внутреннего сгорания, электрической машиной, на валу которой расположен шкив, соединенный ремнем со шкивом, расположенным на валу планетарного редуктора, включающего подвижную внешнюю кольцевую шестерню и, по крайней мере, одну обгонную муфту, причем водило планетарного редуктора соединено с валом двигателя внутреннего сгорания, в соответствии с которым сначала внешнюю кольцевую шестерню редуктора разгоняют электрической машиной до частоты вращения, в коэффициент редукции раз меньшей, чем частота вращения вала планетарного редуктора, после чего ее затормаживают так, что обеспечивается передача вращающего момента на вал двигателя внутреннего сгорания, частоту вращения вала двигателя внутреннего сгорания увеличивают до номинальной, затем внешнюю кольцевую шестерню планетарного редуктора растормаживают, обеспечивая передачу вращения с вала двигателя внутреннего сгорания на внешнюю кольцевую шестерню планетарного редуктора так, что она начинает свободно вращаться, затем внешнюю кольцевую шестерню планетарного редуктора сцепляют с валом планетарного редуктора и двигателя внутреннего сгорания, обеспечивая передачу вращения через ременную передачу на вал электрической машины.2. Устройство управления стартер-генераторной системой, включающее источник постоянного тока, электрическую машину с, по крайней мере, одной электрической обмоткой и валом, связанным через планетарный редуктор, включающий, по крайней мере, одну ступень с подвижной внешней кольцевой шестерней и обгонной муфтой, с валом двигателя внутреннего сгорания, устройство управления электрической машиной с разрешающим входом и, по крайней мере, одним управляющим входом, связанным с выходами датчиков режима ее работы, обеспечивающее регулирование частоты вращения и напряжения обмоток электрической машины, выход которого соединен с упомянутыми обмотками электрической машины, блок регулирования частоты вращения внешней кольцевой шестерни планетарного редуктора с, по крайней мере, одним электрическим входом, электромагнитом и выходным механическим устройством торможения внешней кольцевой шестерни, переключатель режимов, имеющий входную клемму, соединенную с шиной источника постоянного тока, а также выходную рабочую клемму и выходную стартерную клемму, связанную через схему включения, содержащую звено с запаздыванием, с разрешающим входом устройства управления электрической машиной и электрическим входом блока регулирования частоты вращения внешней кольцевой шестерни планетарного редуктора, отличающееся тем, что выходное механическое устройство торможения внешней кольцевой шестерни блока регулирования частоты вращения внешней кольцевой шестерни планетарного редуктора выполнено в виде тормозной колодки, расположенной над внешней цилиндрической поверхностью внешней кольцевой шестерни планетарного редуктора, блок регулирования частоты вращения внешней кольцевой шестерни планетарного редуктора выполнен с одним управляющим электрическим входом и одним разрешающим электрическим входом, к которому подключен выход звена с запаздыванием схемы включения устройства, вход которого соединен с выходной стартерной клеммой переключателя режимов.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в редуктор введена дополнительная ступень планетарного редуктора, включающая обгонную муфту и подвижную внешнюю кольцевую шестерню, которая неподвижно связана с внешней кольцевой шестерней первой ступени планетарного редуктора и образует единую внешнюю кольцевую шестерню планетарного редуктора.