СТАРТЕР-ГЕНЕРАТОР Российский патент 2008 года по МПК F02N11/04 H02N11/00 

Предлагаемое изобретение относится к электрооборудованию транспорта и предназначено для использования в автомобилестроении, авиастроении и судостроении, автономных генераторах напряжения, устройствах для испытаний двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и др. для запуска двигателей внутреннего сгорания и генерирования электроэнергии для нужд бортовой электрической сети.

Известен стартер-генератор, содержащий коллекторный двигатель постоянного тока, механическую передачу и генератор переменного тока с выпрямителем и обмоткой возбуждения на роторе, присоединенной через контактные кольца к устройству регулирования напряжения генератора, и механически подсоединенный к валу двигателя внутреннего сгорания через ременную передачу, ротор коллекторного двигателя в режиме работы его стартером соединен механически с маховиком вала двигателя внутреннего сгорания (Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. - М., Транспорт, 1995. - 303 с.).

Недостатками этого устройства являются высокая сложность конструкции, обусловленная наличием двух электрических машин, механического редуктора, ременной передачи и маховика, большие потери энергии на трение в механической передаче, ограниченный срок службы шестерни зацепления стартера с маховиком двигателя внутреннего сгорания, низкая надежность элементов, главным образом, ременной передачи, соединяющей вал двигателя внутреннего сгорания с генератором и двигателя постоянного тока с щеточно-коллекторным узлом.

Известны стартеры-генераторы, содержащие асинхронную машину, выводы трехфазной обмотки которой соединены с выводами трехфазного автономного инвертора напряжения, управляющие входы которого соединены с выходом блока автоматического управления, а электропитающий вход через дополнительный преобразователь постоянного тока подключен к выводам аккумулятора, вал асинхронной машины соединен через редуктор с валом двигателя внутреннего сгорания (Патент РФ №2173020, 2001, МПК Н02Р 9/44; F02N 11/04. Патент РФ №2150602, 2000, МПК F02N 11/04). В таких стартерах-генераторах используется одна асинхронная электрическая машина, работающая в двигательном режиме при запуске ДВС и генератором при работе ДВС.

Недостатками таких устройств являются сложность схемы электропитания асинхронного двигателя, содержащей трехфазный инвертор и дополнительный преобразователь постоянного тока, а также большие потери энергии и напряжения. Ток от аккумулятора до обмотки двигателя протекает через три последовательно соединенных транзисторных ключа (два ключа инвертора и ключ дополнительного преобразователя постоянного тока). При напряжении аккумуляторов транспортных средств 12...27 В и больших токах в режиме стартера мощность потерь на этих элементах соизмерима с мощностью стартера.

Из известных технических решений наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому устройству является стартер-генератор для двигателей внутреннего сгорания, содержащий вентильно-индукторную машину, ротор которой механически соединен с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания и датчиком положения, силовой коммутатор, датчики фазных токов, переключатель режимов «стартер-генератор», и блок управления, входы которого подключены к выходам датчика положения, датчиков фазных токов и переключателя режимов «стартер-генератор», а выходы соединены с управляющими входами силового коммутатора (Fahimi В., Emadi A., Sepe R.B. A Switched Reluctance Machine-Based Starter/Alternator for More Electric Cars / IEEE Transactions on energy conversion / Vol.19, No 1, March 2004. - P.116-124).

Недостатками этого устройства являются сложность схемы электропитания вентильно-индукторного двигателя (при применении трехфазного двигателя схема содержит шесть транзисторов и шесть диодов, а при использовании четырехфазного двигателя - восемь транзисторов и восемь диодов), а также большие потери энергии и напряжения в транзисторных ключах и диодах. При напряжении аккумулятора 12...27 В и больших токах в режиме стартера мощность потерь на этих элементах соизмерима с мощностью стартера.

Цель предлагаемого изобретения - упрощение конструкции устройства и снижение потерь энергии в элементах системы управления.

Поставленная цель достигается тем, что в известном стартере-генераторе для двигателей внутреннего сгорания, содержащем вентильно-индукторную машину, ротор которой механически соединен с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания и датчиком положения, силовой коммутатор, датчики токов, переключатель режимов «стартер-генератор», и блок управления, входы которого подключены к выходам датчика положения, датчиков токов и переключателя режимов «стартер-генератор», а выходы соединены с управляющими входами силового коммутатора, дополнительно вентильно-индукторная машина выполнена двухфазной с электромагнитной асимметрией, каждая фаза содержит две обмотки - основную и рекуперационную, силовой коммутатор содержит четыре транзисторных ключа и четыре диода, начала двух основных обмоток соединены вместе и через первый датчик тока подключены к положительному выводу аккумулятора, а концы через соответственно первый и второй транзисторные ключи соединены с отрицательным выводом аккумулятора, концы двух рекуперационных обмоток соединены вместе и через второй датчик тока подключены к положительному выводу аккумулятора, а начала через соответственно первый и второй диоды подключены к отрицательному выводу аккумулятора, конец первой основной обмотки через последовательно соединенные третий диод и третий транзисторный ключ подключен к положительному выводу аккумулятора, конец второй основной обмотки подключен через последовательно соединенные четвертый диод и четвертый транзисторный ключ к положительному выводу аккумулятора.

По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемое устройство имеет следующие новые признаки:

- вентильно-индукторная машина выполнена двухфазной с электромагнитной асимметрией, каждая фаза содержит две обмотки - основную и рекуперационную;

- силовой коммутатор содержит четыре транзисторных ключа и четыре диода;

- начала двух основных обмоток соединены вместе и через первый датчик тока с положительным выводом аккумулятора, а концы через соответственно первый и второй транзисторные ключи соединены с отрицательным выводом аккумулятора, концы двух рекуперационных обмоток соединены вместе и через второй датчик тока подключены к положительному выводу аккумулятора, а начала через соответственно первый и второй диоды подключены к отрицательному выводу аккумулятора, конец первой основной обмотки через последовательно соединенные третий диод и третий транзисторный ключ подключен к положительному выводу аккумулятора, конец второй основной обмотки подключен через последовательно соединенные четвертый диод и четвертый транзисторный ключ к положительному выводу аккумулятора.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».

При реализации предлагаемого изобретения упрощается конструкция стартера-генератора за счет упрощения силовой части системы управления - транзисторный коммутатор содержит минимальное количество ключей - 4. Основная обмотка каждой из двух фаз подсоединяется к источнику питания через один транзистор инвертора, а каждая из рекуперационных обмоток двух фаз присоединяется к источнику питания через один диод инвертора,

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».

По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, электропривода и электрооборудования транспортных средств.

Стартеры-генераторы, содержащие двухфазную вентильно-индукторную машину с магнитной асимметрией, каждая фаза которой содержит две обмотки - основную и рекуперационную, а силовой коммутатор содержит четыре транзисторных ключа и четыре диода, начала двух основных обмоток соединены вместе и через первый датчик тока подключены к положительному выводу аккумулятора, а концы через соответственно первый и второй транзисторные ключи соединены с отрицательным выводом аккумулятора, концы двух рекуперационных обмоток соединены вместе и через второй датчик тока подключены к положительному выводу аккумулятора, а начала через соответственно первый и второй диоды подключены к отрицательному выводу аккумулятора, конец первой основной обмотки через последовательно соединенные третий диод и третий транзисторный ключ подключен к положительному выводу аккумулятора, конец второй основной обмотки подключен через последовательно соединенные четвертый диод и четвертый транзисторный ключ к положительному выводу аккумулятора, в известных технических решениях не обнаружены.

Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 приведена функциональная схема стартера-генератора, на фиг.2 показаны временные диаграммы его работы в режиме стартера, на фиг.3 приведены диаграммы работы в режиме генератора. На фиг.1 обозначено: 1 - переключатель режимов работы «стартер - генератор»; 2 - блок управления; 3 - силовой коммутатор, содержащий первый 4, второй 5, третий 6 и четвертый 7 транзисторные ключи, первый 8, второй 9, третий 10 и четвертый 11 диоды, 12 и 13 - первый и второй датчики токов, 14 - двухфазная вентильно-индукторная машина с электромагнитной асимметрией, содержащая ротор 15, первые основную 16 и рекуперационную 17 обмотки (фаза А), вторые основную 18 и рекуперационную 19 обмотки (фаза В); 20 - датчик положения; 21 - двигатель внутреннего сгорания; 22 - аккумулятор.

В предлагаемом стартер-генераторе вентильно-индукторная машина 3 выполнена двухфазной с электромагнитной асимметрией, каждая фаза (А и В) содержит две обмотки - основную (16 и 18) и рекуперационную (17 и 19), ротор 15 вентильно-индукторной машины 14 механически соединен с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания 21 и датчиком положения 20, силовой коммутатор 3 содержит четыре транзисторных ключа 4-7 и четыре диода 8-11, начала двух основных обмоток 16 и 18 соединены вместе и через первый датчик тока 12 подключены к положительному выводу аккумулятора 22, а концы через соответственно первый 4 и второй 5 транзисторные ключи соединены с отрицательным выводом аккумулятора 22, концы двух рекуперационных обмоток 17 и 19 соединены вместе и через второй датчик тока 13 подключены к положительному выводу аккумулятора 22, а начала через соответственно первый 8 и второй 9 диоды подключены к общему выводу аккумулятора 22, конец первой основной обмотки 16 через последовательно соединенные третий диод 10 и третий транзисторный ключ 6 подключен к положительному выводу аккумулятора 22, конец второй основной обмотки 18 подключен через последовательно соединенные четвертый диод 11 и четвертый транзисторный ключ 7 к положительному выводу аккумулятора 22.

Диаграммы работы стартера-генератора в режиме стартера показаны на фиг.2, где обозначено: L_A - индуктивность основной обмотки фазы А; L_B - индуктивность основной обмотки фазы В; L_мин, L_макс - минимальное и максимальное значения индуктивности; u_б4, u_б6, u_б5, u_б7 - управляющие напряжения на входах транзисторных ключей соответственно 4, 6, 5, 7; i₁₆, i₁₇, i₁₈, i₁₉ - токи обмоток соответственно 16, 17, 18 и 19; θ - угол поворота вала.

Стартер-генератор в режиме стартера работает следующим образом. Переключатель режимов работы 1 установлен в положение С («стартер»). Блок управления формирует импульсы управления для транзисторных ключей 4, 5, 6 и 7 в соответствии с сигналами датчика положения ротора 20 таким образом, что включение транзисторного ключа соответствующей фазы происходит при рассогласованном положении ротора. Транзисторный ключ 4 (фаза А) при 0≤θ≤θ₁ открыт, ток от аккумулятор протекает через основную обмотку 16. Механический момент, развиваемый фазой А, равен

, т.к. .

При этом ,

где Е - напряжение аккумулятора;

Δu₄ - падение напряжения на открытом ключе 4;

r₁₆ - активное сопротивление первой основной обмотки 16.

При θ₁≤θ≤θ₂ транзисторный ключ 4 (фаза А) открыт, ток от аккумулятора протекает через основную обмотку 16. При этом

; .

При этом М_A>0 и , ток i₁₆ и момент М_A возрастают при увеличении угла θ.

При θ₂≤θ≤θ₆ фаза А работает в режиме токоограничения. Транзисторные ключи 4 и 6 (фаза А) переключаются в соответствии с сигналами блока управления 2. При включенных транзисторных ключах 4 и 6 эдс самоиндукции фазы А замыкается через обмотку 16, датчик тока 12, диод 10 и открытый транзистор 6. При этом

,

где Δu₆ - падение напряжения на открытом транзисторе 6;

Δu₁₀ - падение напряжения на диоде 10.

Ток i₁₆ уменьшается, энергия , накопленная в индуктивности, преобразуется в механическую работу, совершаемую двигателем, а также частично рассеивается в активном сопротивлении r₁₆ обмотки и транзисторном ключе 4. При этом момент М_A>0.

При открытом транзисторном ключе 4 и закрытом транзисторном ключе 6 процессы аналогичны процессам, происходящим при θ₁≤θ≤θ₂.

При θ₆≤θ≤θ₈ транзисторные ключи 4 и 6 закрыты, диод 8 открыт. При этом

,

где Δu₈ - падение напряжения на диоде 8.

Ток первой рекуперационной обмотки i₅ уменьшается. При этом происходит рекуперация энергии индуктивного накопителя фазы в аккумулятор 22 и, следовательно, подзаряд аккумулятора 22. Ток i₁₇ рекуперационной обмотки при этом уменьшается, момент

.

При θ₈≤θ≤θ₉ транзисторные ключи 4 и 6 закрыты, диод 8 открыт.

При этом

, т.к. L_A=const;

М_A=0;

.

Ток i₁₇ рекуперационной обмотки 17 при этом уменьшается, энергия, накопленная в индуктивности, переходит в аккумулятор 22.

Процессы, происходящие в фазе В, аналогичны, но происходят со сдвигом на угол θ=θ₆.

Датчики тока 13 и 14 формируют сигналы, пропорциональные токам основных и рекуперационных обмоток, которые поступают на входы блока управления 2. Блок управления 2 в зависимости от значений этих сигналов выполняет коррекцию углов включения транзисторных ключей и ограничивает токи обмоток фаз А и В в режиме максимальной мощности.

На фиг.3 показаны графики работы стартера-генератора в режиме генератора. В этом режиме работа устройства происходит следующим образом. Переключатель режимов работы 1 установлен в положение Г («генератор»). Блок управления 2 формирует импульсы управления для транзисторных ключей 4, 5, 6 и 7 в соответствии с сигналами датчика положения ротора 20 таким образом, что включение транзисторного ключа соответствующей фазы происходит при положении ротора, близком к согласованному.

При θ₈≤θ≤θ₉ транзисторный ключ 4 открыт.Ток i₁₆ протекает от аккумулятора 22 через датчик тока 13, основную обмотку фазы А и транзисторный ключ 4. При этом L_A=const; ;

.

Ток в обмотке 16 возрастает, при этом происходит накопление энергии в индуктивности обмотки фазы А, т.е. начальное возбуждение генератора.

При θ₉≤θ≤θ₁₀ транзисторный ключ 4 закрыт, а транзисторный ключ открыт. При этом ; ; . Это означает, что генератор является нагрузкой для двигателя внутреннего сгорания. Механическая энергия от двигателя внутреннего сгорания за счет уменьшения индуктивности вызывает увеличение тока i₁₆.

При этом .

Так как энергия в индуктивном накопителе пропорциональна величине этой индуктивности и квадрату тока, то при линейном уменьшении индуктивности происходит увеличение тока пропорционально квадрату индуктивности, в результате чего энергия, накапливаемая в индуктивности, увеличивается. Благодаря этому возбуждение генератора осуществляется в основном за счет механической энергии двигателя внутреннего сгорания и только частично за счет аккумулятора.

При θ₁₀≤θ≤θ₁₂ все транзисторные ключи закрыты, а диод 8 открыт.

При этом ; ; .

Ток, протекающий по рекуперационной обмотке 17 фазы А, заряжает аккумулятор. При этом

.

Заряд аккумулятора происходит за счет энергии, запасенной в индуктивности, и за счет механической работы, совершаемой двигателем внутреннего сгорания.

При θ₁₂≤θ≤θ₁₃ все транзисторные ключи закрыты.

При этом ; ; ;

.

Энергия, запасенная в индуктивном накопителе, обеспечивает заряд аккумулятора.

Процессы в фазе В аналогичны, но происходят со сдвигом по отношению к фазе А на угол θ=θ₆.

Таким образом, использование в стартере-генераторе для двигателей внутреннего сгорания, содержащем вентильно-индукторную машину, ротор которой механически соединен с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания и датчиком положения, силовой коммутатор, датчики фазных токов, переключатель режимов «стартер-генератор» и блок управления, входы которого подключены к выходам датчика положения, датчиков фазных токов и переключателя режимов «стартер-генератор», а выходы соединены с управляющими входами силового коммутатора, дополнительно двухфазной вентильно-индукторной машины с магнитной асимметрией, каждая фаза которой содержит две обмотки - основную и рекуперационную, а силовой коммутатор содержит четыре транзисторных ключа и четыре диода, начала двух основных обмоток соединены вместе и через первый датчик тока подключены к положительному выводу аккумулятора, а концы через соответственно первый и второй транзисторные ключи соединены с отрицательным выводом аккумулятора, концы двух рекуперационных обмоток соединены вместе и через второй датчик тока подключены к положительному выводу аккумулятора, а начала через соответственно первый и второй диоды подключены к отрицательному выводу аккумулятора, конец первой основной обмотки через последовательно соединенные третий диод и третий транзисторный ключ подключен к положительному выводу аккумулятора, конец второй основной обмотки подключен через последовательно соединенные четвертый диод и четвертый транзисторный ключ к положительному выводу аккумулятора, позволяет упростить конструкцию устройства и снизить потери энергии в элементах системы управления.

Использование предлагаемого технического решения в автомобилях обеспечит повышение эффективности и качества работы стартер-генераторного устройства.

Изобретение относится к электрооборудованию транспорта и позволяет упростить конструкцию и снизить потери энергии в элементах системы управления стартера-генератора для двигателей внутреннего сгорания. В предлагаемом стартере-генераторе упрощена конструкция за счет применения двухфазной вентильно-индукторной машины с электромагнитной асимметрией и упрощения силовой части системы управления: транзисторный коммутатор содержит минимальное количество ключей - 4. Основная обмотка каждой из двух фаз подсоединяется к источнику питания через один транзистор инвертора, а каждая из рекуперационных обмоток двух фаз присоединяется к источнику питания через один диод инвертора. Целью изобретения является упрощение конструкции стартера-генератора и снижение потерь в элементах системы управления. 3 ил.

Стартер-генератор для двигателей внутреннего сгорания, содержащий вентильно-индукторную машину, ротор которой механически соединен с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания и датчиком положения, силовой коммутатор, датчики токов, переключатель режимов «стартер-генератор» и блок управления, входы которого подключены к выходам датчика положения, датчиков токов и переключателя режимов «стартер-генератор», а выходы соединены с управляющими входами силового коммутатора, отличающийся тем, что дополнительно вентильно-индукторная машина выполнена двухфазной с электромагнитной асимметрией, каждая фаза содержит две обмотки - основную и рекуперационную, силовой коммутатор содержит четыре транзисторных ключа и четыре диода, начала двух основных обмоток соединены вместе и через первый датчик тока подключены к положительному выводу аккумулятора, а концы через соответственно первый и второй транзисторные ключи соединены с отрицательным выводом аккумулятора, концы двух рекуперационных обмоток соединены вместе и через второй датчик тока подключены к положительному выводу аккумулятора, а начала через соответственно первый и второй диоды подключены к отрицательному выводу аккумулятора, конец первой основной обмотки через последовательно соединенные третий диод и третий транзисторный ключ подключен к положительному выводу аккумулятора, конец второй основной обмотки подключен через последовательно соединенные четвертый диод и четвертый транзисторный ключ к положительному выводу аккумулятора.