стартер-генератор

Формула изобретения

Стартер-генератор, содержащий обращенную бесконтактную электрическую машину, статор которой через первый конструктивный элемент жестко соединен с корпусом ДВС, а кольцеобразный ротор, закрепленный внутри полости второго конструктивного элемента со стороны большего диаметра, соединен с носком коленчатого вала ДВС через третий конструктивный элемент, выполненный в виде диска, жестко соединенного с внешней поверхностью второго конструктивного элемента и имеющего в центральной части несколько крепежных отверстий для осуществления кинематической связи второго конструктивного элемента с торцевой поверхностью носка коленчатого вала ДВС с помощью крепежных элементов с демпфирующими проставками, при этом второй конструктивный элемент выполнен с прямоугольным сечением, боковая поверхность его со стороны первого конструктивного элемента отсутствует и он жестко соединен с внутренней посадочной поверхностью подшипника качения, внешняя посадочная поверхность которого жестко соединена со статором электрической машины, отличающийся тем, что первый конструктивный элемент жестко соединен с корпусом ДВС через крепежные отверстия коробки передач, являясь одновременно держателем сальника носка коленчатого вала и чувствительных элементов датчиков определения информации о текущем положении ротора; второй конструктивный элемент на внешней поверхности имеет пазы, число которых равно числу пар полюсов электрической машины, длина дуги каждого из них равна полюсному делению, а кромки совпадают с серединой полюса ротора; третий конструктивный элемент представляет собой штатный маховик ДВС, жестко соединенный с внешней поверхностью второго конструктивного элемента через четвертый конструктивный элемент, выполненный в виде цилиндра, вдоль оси которого имеется несколько сквозных, упомянутых выше крепежных отверстий.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а именно к стартер-генераторным устройствам транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

Известно устройство (европейский патент №0406182В1, кл. F 02 N 11/04, 1992), в котором используется бесконтактная электрическая машина для запуска ДВС и для заряда бортовой аккумуляторной батареи, т.е. она выполняет функции стартера и генератора.

Недостатком этого устройства является наличие дифференциального редуктора, через который ротор машины соединяется с ДВС, что приводит к существенному усложнению и удорожанию упомянутого устройства.

Известно также устройство (см. [1]), в котором бесконтактная обращенная электрическая машина используется в качестве стартер-генератора, ротор которого закреплен непосредственно на коленчатом валу ДВС, что позволяет существенно упростить конструкцию за счет исключения редуктора.

Недостатком этого устройства является необходимость существенного завышения величины воздушного зазора машины ввиду наличия радиальных и аксиальных биений коленчатого вала ДВС, обусловленных технологическими допусками его изготовления.

Кроме того, известно также устройство (заявка Франции №2786136, кл. F 02 N 11/00, 2000), в котором бесконтактная обращенная электрическая машина, использующаяся в качестве стартер-генератора, имеет статор, жестко соединенный с корпусом ДВС через первый конструктивный элемент и ротор, который через второй конструктивный элемент жестко соединен с поверхностью подшипника качения, а через третий конструктивный элемент - с коленчатым валом ДВС.

Недостатком этого устройства является относительная конструктивная сложность сопряжения ротора с коленчатым валом ДВС и необходимость существенной доработки носка коленчатого вала.

Наиболее близким техническим решением является устройство (патент России №2197635, кл. F 02 N 11/04, Н 02 К 19/22, 2003), где в качестве стартер-генератора используется бесконтактная обращенная электрическая машина, у которой статор через первый конструктивный элемент жестко соединен с корпусом ДВС и посажен на внешнюю поверхность подшипника качения, а ротор через второй конструктивный элемент посажен на внутреннюю поверхность этого подшипника и через третий конструктивный элемент связан с торцевой поверхностью коленчатого вала ДВС.

Недостатком этого устройства является недостаточно оптимальное решение конструкторских вопросов сопряжения стартер-генератора с ДВС и отсутствие проработки конструкторских вопросов сопряжения ротора стартер-генератора со сцеплением, а также отсутствие проработки конструкторских вопросов установки датчиков определения информации о текущем положении ротора, без которой работа электрической машины в стартерном режиме принципиально невозможна.

Решение технической задачи направлено на оптимизацию конструкции стартер-генератора с учетом необходимости встраивания его в силовой агрегат автомобиля без доработки элементов ДВС и коробки перемены передач, а также с учетом необходимости установки датчиков определения информации о текущем положении ротора.

Для решения поставленной технической задачи в стартер-генераторе, содержащем обращенную бесконтактную электрическую машину, статор которой через первый конструктивный элемент жестко соединен с корпусом ДВС, а кольцеобразный ротор, закрепленный внутри полости второго конструктивного элемента со стороны большего диаметра, соединен с носком коленчатого вала ДВС через третий конструктивный элемент, выполненный в виде диска, жестко соединенного с внешней поверхностью второго конструктивного элемента и имеющего в центральной части несколько крепежных отверстий для осуществления кинематической связи второго конструктивного элемента с торцевой поверхностью носка коленчатого вала ДВС с помощью крепежных элементов с демпфирующими проставками, при этом второй конструктивный элемент выполнен с прямоугольным сечением, боковая поверхность его со стороны первого конструктивного элемента отсутствует, и он жестко соединен с внутренней посадочной поверхностью подшипника качения, внешняя посадочная поверхность которого жестко соединена со статором электрической машины, первый конструктивный элемент жестко соединен с корпусом ДВС через крепежные отверстия коробки передач, являясь одновременно держателем сальника носка коленчатого вала и чувствительных элементов датчиков определения информации о текущем положении ротора; второй конструктивный элемент на внешней поверхности имеет пазы, число которых равно числу пар полюсов электрической машины, длина дуги каждого из них равна полюсному делению; а кромки совпадают с серединой полюса ротора; третий конструктивный элемент представляет собой штатный маховик ДВС, жестко соединенный с внешней поверхностью второго конструктивного элемента через четвертый конструктивный элемент, выполненный в виде цилиндра, вдоль оси которого имеется несколько сквозных, упомянутых выше, крепежных отверстий.

На фиг.1 изображен эскиз одного из возможных вариантов конструктивного исполнения патентуемого стартер-генератора; на фиг.2 изображен фрагмент одного из возможных вариантов исполнения внешней цилиндрической части второго конструктивного элемента (поверхности 4а и 4б условно не показаны); на фиг.3 изображен один из возможных вариантов встраивания стартер-генератора в силовой агрегат автомобиля ВАЗ десятого семейства (сцепление условно не показано); на фиг.4 изображен один из возможных вариантов конструктивного исполнения первого конструктивного элемента, на фиг.5 изображен держатель сальника носка коленчатого вала ДВС автомобиля ВАЗ десятого семейства, а на фиг.6 изображен штатный маховик ДВС автомобиля ВАЗ десятого семейства.

Стартер-генератор (фиг.1) содержит обращенную бесконтактную электрическую машину, статор 1 которой через первый конструктивный элемент 2 жестко соединен с корпусом 3 ДВС посредством крепежных элементов (на фиг.1 условно не показаны), а кольцеобразный ротор 4, закрепленный внутри полости второго конструктивного элемента 5 со стороны большего диаметра, соединен с носком 6 коленчатого вала ДВС через третий конструктивный элемент 7, выполненный в виде диска, жестко соединенного с внешней поверхностью второго конструктивного элемента 5 и имеющего в центральной части несколько крепежных отверстий для осуществления кинематической связи второго конструктивного элемента 5 с торцевой поверхностью носка 6 коленчатого вала ДВС с помощью крепежных элементов 8 с демпфирующими проставками 9, при этом второй конструктивный элемент 5 выполнен с прямоугольным сечением, боковая поверхность его со стороны первого конструктивного элемента 2 отсутствует, и он жестко соединен с внутренней посадочной поверхностью подшипника 10 качения, внешняя посадочная поверхность которого жестко соединена со статором 1 электрической машины. Первый конструктивный элемент 2 осуществляет жесткое соединение статора 1 с корпусом 3 ДВС через крепежные отверстия 11 коробки 12 передач, являясь одновременно держателем сальника 13 носка 6 коленчатого вала и чувствительных элементов 14 датчиков определения информации о текущем положении ротора 4. Второй конструктивный элемент 5 на внешней поверхности имеет пазы 15, число которых равно числу пар полюсов электрической машины, длина дуги каждого из них равна полюсному делению 16, а кромки 17 строго совпадают с серединой 18 полюса ротора 4. Третий конструктивный элемент 7 представляет собой штатный маховик ДВС, жестко соединенный с внешней поверхностью второго конструктивного элемента 5 через четвертый конструктивный элемент 19, выполненный в виде цилиндра, вдоль оси которого имеется несколько сквозных, упомянутых выше, крепежных отверстий. Соединение второго конструктивного элемента 5 с носком 6 коленчатого вала ДВС через третий 7 и четвертый 8 конструктивные элементы с помощью крепежных элементов 8 с демпфирующими проставками 9 допускает радиальные и аксиальные биения носка 6 коленчатого вала в пределах технологических допусков изготовления ДВС. Пазы 20, выфрезерованные на внутренней поверхности второго конструктивного элемента 5, предназначены для установки постоянных магнитов 21 (фиг.3) ротора 4, каждый из которых является соответственно "северным" или "южным" полюсом.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Для обеспечения работы в стартерном режиме в обмотки статора 1 электрической машины необходимо подать ток от внешнего источника тока, как правило, это аккумуляторная батарея. Формирование тока в обмотках машины осуществляется с помощью силовых транзисторов, включение - выключение которых осуществляется с помощью блока управления, выполненного любым из известных способов, например как в [2, с.57]. Принципиальным условием, необходимым для работы блока управления, является наличие информации о текущем положении ротора, чтобы включить или выключить соответствующие силовые транзисторы. Как правило, информация о текущем положении ротора формируется в виде трех импульсных последовательностей управляющих сигналов, сдвинутых друг относительно друга на 120 электрических градусов. Каждая из трех импульсных последовательностей управляющих сигналов формируется с помощью чувствительных элементов (элементов Холла), реагирующих на изменение магнитной проводимости при нахождении или отсутствии под ним паза 15, выфрезерованного на внешней поверхности второго конструктивного элемента 5. Сдвиг в 120 электрических градусов легко осуществляется за счет соответствующего размещения чувствительных элементов на первом конструктивном элементе 2. Переключение силовых транзисторов по сигналам блока управления приводит к формированию на статорной обмотке напряжений прямоугольной формы, первые гармоники которых сдвинуты друг относительно друга на 120 электрических градусов и образуют симметричную трехфазную систему напряжений, вызывающую протекание соответствующих токов по обмоткам статора 1 и, как следствие, образование вращающегося электромагнитного поля. Электромагнитное поле через воздушный зазор взаимодействует с ротором 4, в результате чего между статором 1 и ротором 4 возникает вращающий момент. Так как статор 1 жестко соединен с корпусом 3 ДВС, то ротор 4 начинает вращаться относительно статора 1, раскручивая тем самым носок 6, а следовательно, и коленчатый вал относительно корпуса 3 ДВС. При достижении оборотов холостого хода ДВС заводится и стартер-генератор переводится в генераторный режим работы.

Один из возможных примеров конструктивного исполнения предлагаемого устройства изображен на фиг 3 (сцепление условно не показано).

Первый конструктивный элемент 2 выполнен в виде достаточно сложной литой детали (фиг.4), основной отличительной особенностью которой является то, что она не только осуществляет жесткое соединение статора 1 с корпусом 3 ДВС через крепежные отверстия 11 коробки 12 переключения передач, но одновременно выполняет функции держателя (фиг.5) сальника 13 носка 6 коленчатого вала ДВС.

Второй конструктивный элемент 5 выполнен в виде кольца с прямоугольным сечением, боковая поверхность которого со стороны первого конструктивного элемента 2 отсутствует, а внутри полости, со стороны большего диаметра жестко закреплен кольцеобразный ротор 4. На внешней поверхности второго конструктивного элемента выфрезерованы пазы 15, число которых равно числу пар полюсов электрической машины, а длина каждого из них равна полюсному делению 16, причем кромка 17 каждого из пазов 16 на внешней поверхности второго конструктивного элемента 5 строго совпадает с серединой 18 полюса ротора 4. Пазы 20, выфрезерованные на внутренней поверхности второго конструктивного элемента 5, предназначены для установки постоянных магнитов 21 (фиг.3) ротора, каждый из которых является соответственно "северным" или "южным" полюсом.

Третий конструктивный элемент 7 представляет собой штатный маховик ДВС (фиг.6).

Четвертый конструктивный элемент 19 выполнен в виде цилиндра, вдоль оси которого имеется несколько сквозных крепежных отверстий для осуществления кинематической связи третьего конструктивного элемента 7 (маховик) с торцевой поверхностью носка 6 коленчатого вала с помощью крепежных элементов 8 с демпфирующими проставками 9. На цилиндрической поверхности четвертого конструктивного элемента 19 в радиальном направлении имеется несколько резьбовых крепежных отверстий для осуществления жесткого соединения третьего конструктивного элемента 7 (маховик) с внешней поверхностью второго конструктивного элемента 5.

Таким образом, за счет того, что на внешней поверхности второго конструктивного элемента 5 выфрезерованы пазы 15, число которых равно числу пар полюсов машины, а длина каждого из них равна полюсному делению 16, причем кромка 17 каждого из этих пазов строго совпадает с серединой полюса ротора 4, удается легко получить информацию о текущем положении ротора 4 без установки на него каких-либо дополнительных элементов типа зубчатого колеса с устройством фазировки. Существенно, что в предлагаемом устройстве точность фазировки импульсных последовательностей управляющих сигналов относительно фазных эдс электрической машины неизмеримо выше и получается естественным образом, т.к. определяется только технологическими возможностями металлорежущего оборудования по производству электрических машин, а не технологическими допусками сборки стартер-генератора и установки его на ДВС. В то же время использование первого конструктивного элемента 2, осуществляющего жесткое соединение статора 1 с корпусом 3 ДВС через крепежные отверстия 11 коробки перемены передач с одновременным выполнением функций держателя сальника носка коленчатого вала, и использование штатного маховика ДВС в качестве третьего конструктивного элемента 7 позволяет избежать необходимости каких-либо доработок ДВС и коробки перемены передач, что является очень существенным в экономическом плане.

Источники информации

1. "Saft und Kraft, Citroën Xsara Dynalto", журнал Mot, 1998, №7, стр.10-11.

2. Кенио Т., Нагамори С. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. Пер. с анг. - М.: Энергоатомиздат, 1989, - 184 с., ил.