ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА И ЭНЕРГОСИСТЕМА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2013 года по МПК H02P27/06 H02M7/515 B60L11/12 B60W10/08 

Область техники

Изобретение относится к электрической машине, которая может представлять собой стартер/генератор или электропривод и в которой силовые ключи интегрированы с обмотками двигателя, причем между источником питания и электрической машиной включен инвертор тока. Изобретение относится также к уникальной энергосистеме для использования на транспортном средстве, таком как самолет.

Уровень техники

Известны электрические машины, содержащие множество обмоток. Электрическая машина может функционировать как электродвигатель (электромотор) или как генератор. Последовательно с обмотками включена схема коммутации, содержащая множество транзисторов и диодов. Известно, что схема коммутации и обмотки могут быть интегрированы в общем корпусе с обеспечением преимуществ, которые будут рассмотрены далее.

Ранее подобные машины снабжались инвертором напряжения. Такой инвертор, как правило, содержит конденсатор, включенный в цепь постоянного тока и служащий накопителем энергии. При установке данного конденсатора в общий корпус возникали проблемы, связанные с размещением всех узлов и обусловленные большими размерами конденсатора, а также его чувствительностью к температуре и пульсациями в шине постоянного тока.

Интегрирование электрической машины и привода двигателя в едином корпусе позволяет устранить длинные кабели между двигателем и его приводом и, как следствие, образование стоячих волн напряжения между двигателем и его приводом. Уменьшаются также размеры фильтра на выходе привода двигателя, или такой фильтр вообще не используется.

Достигнут определенный прогресс в интегрировании электрической машины с инвертором напряжения (ИН). Однако сохраняются нежелательные свойства ИН, включая необходимость в использовании, в качестве накопителя энергии, крупногабаритного конденсатора и проблемы "сквозного закорачивания" (shoot-through concerns). Встраивание ИН в корпус двигателя может быть значительно облегчено использованием силовых полупроводниковых компонентов на основе карбида кремния (SiC), таких как SiC-полевые МОП-транзисторы (SC MOSFETs), SiC-полевые транзисторы, управляемые pn-переходом (SC JFETs), SiC-биполярные транзисторы и SiC-диоды Шоттки. Использование высокотемпературных SiC-компонентов может облегчить осуществление охлаждения.

Однако, как уже упоминалось, присутствие в составе ИН конденсатора, подключенного к шине постоянного тока, создает проблемы, обусловленные большими размерами конденсатора, а также его чувствительностью к температуре и пульсациями в шине постоянной мощности. Пульсации тока в случае пленочного конденсатора быстро уменьшаются с ростом температуры. Другие недостатки ИН связаны с волновыми фронтами при широтно-импульсной модуляции напряжения, приводящими к значительным электромагнитным помехам, токам утечки и высоким нагрузкам на изоляцию двигателя.

Известны также инверторы тока, в которых в качестве накопителя энергии применяется индуктор в цепи постоянной тока. Однако, как уже упоминалось, такие инверторы тока не встраивались в общий корпус со схемой коммутации и обмотками двигателя.

Раскрытие изобретения

Электрическая машина согласно изобретению содержит корпус, в котором установлены статорные обмотки. Эти обмотки должны находиться в непосредственной близости от ротора. Схема коммутации содержит силовые транзисторы и диоды, подключенные к обмоткам. Инвертор тока содержит схему коммутации, пару индукторов, установленных на положительной и отрицательной шинах питания, и комплект коммутирующих конденсаторов. Пара индукторов, схема коммутации, комплект коммутирующих конденсаторов и обмотки находятся в общем корпусе.

Изобретение охватывает также энергосистему транспортного средства, которая содержит источник постоянной мощности, подключенный к электрическим машинам посредством интегрированных электроприводов. Каждый электропривод содержит, по меньшей мере, три обмотки, установленные в непосредственной близости от роторов двигателей, ассоциированных с каждым из указанных электроприводов. С каждой из обмоток электрически связана схема коммутации накопительного контура. Эта схема способна находиться в замкнутом состоянии, чтобы обеспечить вращение ротора под действием энергии от указанных обмоток, или в разомкнутом состоянии, чтобы обеспечить подачу энергии в локальный накопитель энергии вместо ее использования для приведения ротора во вращение.

Краткое описание чертежей

Эти и другие признаки изобретения станут понятны из нижеследующего подробного описания и прилагаемых чертежей.

На фиг.1 показан интегрированный стартер/генератор.

На фиг.2 иллюстрируется поток энергии в стартере/генераторе по фиг.1 при запуске двигателя.

На фиг.3 иллюстрируется поток энергии в стартере/генераторе по фиг.1 при его работе в режиме генератора.

На фиг.4 представлена схема источника переменного тока, скомбинированного со стартером/генератором по фиг.1.

На фиг.5 стартер/генератор по фиг.4 показан при запуске двигателя.

На фиг.6 стартер/генератор по фиг.4 показан при его работе в режиме генератора.

На фиг.7 иллюстрируется архитектура самолетной энергосистемы.

На фиг.8 представлен интегрированный привод двигателя.

На фиг.9 представлен интегрированный привод двигателя, снабженный модифицированным трехфазным диодным мостом.

На фиг.10 иллюстрируется интерфейс между локальным и центральным накопителями энергии.

На фиг.11 представлена схема энергосистемы в целом.

Осуществление изобретения

На фиг.1 представлен контур 20 интегрированного стартера/генератора. Схематично показанный корпус 22 установлен с возможностью прикрепления к источнику постоянной мощности/нагрузке 24.

Инвертор тока, образованный индукторами 26, соединяет источник постоянной (DC) мощности/нагрузку 24 со схемой 28 коммутации, содержащей транзисторные ключи 29 и диоды 131. К схеме 28 подключены небольшие коммутирующие конденсаторы 32.

За конденсаторами 32 подключены статорные обмотки 30, которые расположены вблизи ротора 31.

На фиг.2 иллюстрируется работа контура 20 в режиме запуска электродвигателя (далее - двигателя). Энергия от источника 24 постоянной мощности проходит через индукторы 26 инвертора и через схему 28 коммутации, питая обмотки 30. В результате приводится во вращение схематично изображенный ротор 31. В одном варианте ротор 31 может быть присоединен к газотурбинному двигателю 33.

На фиг.3 иллюстрируется работа контура 20 в режиме генератора мощности. В этом варианте газотурбинный двигатель 33 приводится во вращение и, в свою очередь, приводит во вращение ротор 31. В результате генерируется энергия, текущая в обратном направлении через схему 28 коммутации, чтобы питать источник постоянной мощности/нагрузку 24.

Встраивание инвертора тока и индукторов 26 в корпус 22 двигателя обеспечивает преимущество уже упоминавшейся компактности.

На фиг.4 представлен контур 40. В этом варианте в корпусе 44 установлена схема 46 коммутации, содержащая диоды, транзисторы, индукторы 47 и коммутирующие конденсаторы 49. Справа от штриховой линии 43 показан контур, который может быть идентичен контуру, показанному на фиг.1-3 заключенным в корпус 22. Разумеется, штриховая линия 43 проведена только из иллюстративных соображений, в реальном контуре соответствующая физическая линия может отсутствовать.

К индукторам 47 подключен блок 42, которым может являться источник переменной (АС) мощности/нагрузка. При работе в режиме стартера переменное напряжение преобразуется в постоянное схемой 46 коммутации и индукторами 47, тогда как в режиме генератора постоянное напряжение преобразуется в переменное. Таким образом, в этом режиме обеспечивается, по существу, создание активного выпрямителя для источника тока. Работа контура 40 в режиме запуска двигателя иллюстрируется на фиг.5, тогда как на фиг.6 показано направление переноса энергии в режиме генератора.

На фиг.7 иллюстрируется архитектура энергосистемы 50, предназначенной для получения электроэнергии в самолете с использованием контуров 20 или 40 по фиг.1 и 4. С интегрированным стартером/генератором 51 (которым может служить любой из описанных, со ссылками на фиг.1-6, контуров 20, 40) связаны газотурбинные двигатели. К интегрированному стартеру/генератору 51 подсоединен также вспомогательный источник мощности (генератор) 52, который тоже может быть построен, как контур 20 или 40. Имеются также шина 53 переменного тока и шина 54 постоянного тока, а также различные компоненты 55, которые могут включать приводы двигателей (ПД) системы контроля окружающей среды (СКОС), компрессора для подачи воздуха в кабину (КПВК), а также ПД гидравлического насоса. Названные компоненты получают питание от системы по изобретению.

Электропривод 60, интегрированный в корпус 61, иллюстрируется на фиг.8. Здесь, для приведения во вращение ротора 71 двигателя, также используется источник 62 постоянной мощности, подключенный через индукторы 64, схему 66 коммутации и обмотки 70 привода. Ротор 71 двигателя может быть использован в качестве привода для различных компонентов 73. Как и в ранее рассмотренных вариантах, предусмотрены также коммутирующие конденсаторы 68.

На фиг.9, слева от разделительной линии 72, показан интегрированный электропривод 60 по фиг.8. Разумеется, разделительная линия 72 проведена только из иллюстративных соображений, в реальном контуре соответствующая физическая линия может отсутствовать. Ключи 76 могут переводиться в состояния "разомкнут"/"замкнут". Будучи замкнутыми, они позволяют осуществлять передачу энергии от интегрированного электропривода 60 для приведения в действие ротора 75 двигателя. Однако данный вариант позволяет также накапливать энергию в локальном накопителе энергии 74, в качестве которого может использоваться накопитель энергии любого типа. В данном варианте, когда все ключи 76 разомкнуты, энергия течет через диоды 77 и запасается в локальном накопителе 74 энергии.

Как показано на фиг.10, локальный накопитель 74 энергии может быть снабжен изолированным реверсивным преобразователем 100 постоянного тока (ПТ), содержащим конденсатор 82 (Cdc), схему 84 коммутации, высокочастотный (ВЧ) трансформатор 86 для гальванической развязки, схему 88 коммутации, индуктор 90 (L₁) и конденсатор 91 (C₁). Такое выполнение позволяет передавать энергию от локального накопителя 74 энергии для ее накопления в центральном накопителе 92 энергии. Центральным накопителем 92 энергии может быть любая подходящая система накопления энергии.

На фиг.11 представлена схема электрической системы в целом. Источник 62 постоянной мощности может обеспечивать питание любого количества интегрированных электроприводов (ИЭ) 96, которые приводят в действие двигатели или, альтернативно, накапливают энергию в локальных накопителях 74 энергии. Реверсивные преобразователи 100 постоянного тока затем могут передать эту энергию в центральный накопитель 92 энергии. Представленная на фиг.11 система обеспечивает эффективное использование энергии, поступающей от источника 62 постоянной мощности либо для питания двигателей, либо для ее накопления в локальных накопителях 74 энергии с последующей передачей в центральный накопитель 92 энергии.

Данный вариант был описан как обеспечивающий перенос энергии от локальных накопителей в центральный накопитель энергии. Разумеется, реверсивный характер преобразователей делает возможным, в случае необходимости, перенос энергии и от центрального в локальные накопители энергии. В этом случае транзисторы 76 (справа от разделительной линии 72) могут быть подключены к положительной шине (не изображена). Такое выполнение придаст интегрированному электроприводу низкую чувствительность к сбоям. Если энергия от основного источника становится недоступной, подачу электроэнергии для приведения в действие двигателя могут обеспечить локальные накопители энергии. В этой ситуации транзисторы слева от разделительной линии 72 должны быть заперты. Хотя это не было описано, специалисту в данной области будет понятно, как обеспечить необходимое управление всеми компонентами, показанными на фиг.11, в данном режиме работы.

Специалисту в данной области будет также понятно, что в описанные варианты изобретения могут быть внесены различные модификации, не выходящие за его пределы, которые определяются прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано на транспорте. Техническим результатом является уменьшение массогабаритных показателей. Электрическая машина содержит корпус, в котором в непосредственной близости от ротора установлены статорные обмотки. Имеется также схема, содержащая транзисторы и диоды и подключенная к указанным обмоткам. Схема коммутации входит в состав инвертора тока, который содержит также пару индукторов, установленных на шинах питания, и коммутирующие конденсаторы. Инвертор тока, как и обмотки, находится внутри корпуса. Энергосистема транспортного средства содержит источник постоянной мощности, подключенный к электрическим машинам посредством интегрированных электроприводов. Каждый из электроприводов содержит, по меньшей мере, три обмотки, установленные в непосредственной близости от роторов двигателей, ассоциированных с данными электроприводами. Схема коммутации накопительного контура, электрически связанная с каждой из обмоток, находится в замкнутом состоянии для приведения роторов во вращение или в разомкнутом состоянии для подачи энергии в локальный накопитель энергии. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Электрическая машина, содержащая:
корпус, в котором в непосредственной близости от ротора установлены статорные обмотки, причем корпус выполнен с возможностью подключения к источнику постоянной мощности;
инвертор тока, содержащий схему коммутации, которая содержит диоды и ключи и которая подключена к статорным обмоткам, пару индукторов, установленных на шинах постоянной мощности, и комплект коммутирующих конденсаторов, при этом инвертор тока установлен в одном корпусе со статорными обмотками;
причем электрическая машина выполнена с возможностью альтернативного функционирования в качестве стартера и генератора.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что коммутирующие конденсаторы подключены к линии, соединяющей схему коммутации и каждую из статорных обмоток.

3. Машина по п.3, отличающаяся тем, что в указанный корпус дополнительно установлен преобразователь тока, способный преобразовывать переменный ток в постоянный при функционировании машины в качестве стартера, и постоянный ток от статорных обмоток в переменный ток при ее функционировании в качестве генератора.

4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что является интегрированным электроприводом.

5. Машина по п.4, отличающаяся тем, что между статорными обмотками и локальным накопителем энергии включен модифицированный трехфазный диодный мост.

6. Машина по п.4 или 5, отличающаяся тем, что за статорными обмотками расположена схема коммутации накопительного контура, причем указанная схема выполнена с возможностью изменения направления энергии, передаваемой от статорных обмоток к ротору двигателя или альтернативной подачи энергии к локальному накопителю энергии.

7. Машина по п.6, отличающаяся тем, что локальный накопитель энергии электрически связан с центральным накопителем энергии.

8. Электрическая машина, содержащая:
корпус, в котором в непосредственной близости от ротора установлены статорные обмотки, причем корпус выполнен с возможностью подключения к источнику постоянной мощности;
инвертор тока, содержащий схему коммутации, которая содержит диоды и ключи и которая подключена к статорным обмоткам, пару индукторов, установленных на шинах постоянной мощности, и комплект коммутирующих конденсаторов, при этом инвертор тока установлен в одном корпусе со статорными обмотками;
причем электрическая машина является интегрированным электроприводом, а между статорными обмотками и локальным накопителем энергии включен модифицированный трехфазный диодный мост.

9. Электрическая машина, содержащая:
корпус, в котором в непосредственной близости от ротора установлены статорные обмотки, причем корпус выполнен с возможностью подключения к источнику постоянной мощности;
инвертор тока, содержащий схему коммутации, которая содержит диоды и ключи и которая подключена к статорным обмоткам, пару индукторов, установленных на шинах постоянной мощности, и комплект коммутирующих конденсаторов, при этом инвертор тока установлен в одном корпусе со статорными обмотками;
причем электрическая машина является интегрированным электроприводом, а за статорными обмотками расположена схема коммутации накопительного контура, при этом указанная схема выполнена с возможностью изменения направления энергии, передаваемой от статорных обмоток к ротору двигателя, или альтернативной подачи энергии к локальному накопителю энергии.

10. Энергосистема транспортного средства, содержащая:
источник постоянной мощности, подключенный к электрическим машинам посредством интегрированных электроприводов, каждый из которых содержит комплект из, по меньшей мере, трех обмоток, установленных в непосредственной близости от роторов двигателей, ассоциированных с каждым из указанных электроприводов, и
схему коммутации накопительного контура, электрически связанную с каждой из обмоток и способную находиться в замкнутом состоянии, с обеспечением возможности приведения роторов во вращение под действием энергии от указанных обмоток, или в разомкнутом состоянии, с обеспечением возможности подачи энергии в локальный накопитель энергии вместо ее использования для приведения роторов во вращение.

11. Энергосистема по п.10, отличающаяся тем, что каждый из интегрированных электроприводов содержит корпус, в котором установлены: указанные обмотки, находящиеся в непосредственной близости от ротора, инвертор тока, содержащий диоды и ключи, подключенные к обмоткам, пару индукторов, установленных на шинах питания, и комплект коммутирующих конденсаторов.

12. Энергосистема по п.11, отличающаяся тем, что ключи замкнуты при приведении ротора во вращение посредством интегрированного электропривода и разомкнуты при использовании интегрированного электропривода для подачи энергии на локальный накопитель энергии.

13. Энергосистема по п.10, отличающаяся тем, что локальные накопители энергии способны передавать накопленную в них энергию центральному накопителю энергии.

14. Энергосистема по п.13, отличающаяся тем, что между каждым локальным накопителем энергии и центральным накопителем энергии включен реверсивный преобразователь постоянного тока.

15. Энергосистема по п.14, отличающаяся тем, что реверсивный преобразователь постоянного тока содержит высокочастотный трансформатор.

16. Энергосистема по п.15, отличающаяся тем, что источник переменной мощности выполнен с возможностью генерирования переменного напряжения, которое подается на выпрямитель для преобразования в постоянное напряжение, питающее указанный источник постоянной мощности.