рекуперативный тормоз с вращающимся магнитным полем

Формула изобретения

Рекуперативный тормоз с вращающимся магнитным полем, содержащий асинхронную машину, расположенную в колесе транспортного средства, и накопитель рекуперируемой энергии, отличающийся тем, что он выполнен из трех основных частей: неподвижной, выполненной в виде общей оси вращения с закрепленной на ней многофазной обмоткой возбуждения, подвижной, жестко связанной с колесом транспортного средства и несущей промежуточные обмотки и умножители частоты, играющие роль электронного вращающегося редуктора для понижения частоты переменного возбуждающего электрического тока, и свободновращающейся, состоящей из маховика, выполненного в виде короткозамкнутого ротора асинхронной электрической машины, включаемой в работу подачей на обмотки возбуждения многофазного переменного электрического тока, создающего вращающееся магнитное поле направления, соответствующего режимам торможения или разгона.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Предлагаемый рекуперативный тормоз с вращающимся магнитным полем /далее предлагаемый тормоз/ относится преимущественно к автомобилестроению и может быть использован для создания тормозной системы, преобразующей кинетическую энергию автомобиля в кинетическую энергию маховика-накопителя при торможении и затем при разгоне преобразующего энергию маховика в кинетическую энергию автомобиля. Также может быть применен на других видах транспорта, имеющих источники электроэнергии.

Уровень техники

Существующие автомобильные тормозные системы преобразуют кинетическую энергию в тепловую с последующим ее рассеиванием в атмосфере, что ведет к значительным потерям топлива /при движении автобуса по городскому циклу до 50%/ и изнашиванию деталей.

Известны рекуперативные тормозные системы, например планетарный рекуперативный тормоз "Гиректа" /Н.В.Гулиа, Накопители энергии, Москва, Наука, 1980 г., стр.138/, который принят за прототип. В нем маховик с трансмиссией связан механической четырехступенчатой передачей. Он не получил широкого распространения по причинам: сложности конструкции; ступенчатого изменения передаточного числа между маховиком и трансмиссией, что не обеспечивает плавности работы; значительная часть энергии маховика не могла быть использована, потому что число оборотов маховика должно быть больше числа оборотов трансмисии в количество раз, равное передаточному числу.

Сущность изобретения

Предлагаемый тормоз представляет собой комбинированную безколлекторную асинхронную электрическую машину с короткозамкнутым ротором без жестких механических связей между основными частями, передача энергии в которой осуществляется электромагнитными потоками. Применение его не исключает наличия на автомобиле обычной тормозной системы в целях безопасности движения.

Для накопления и хранения энергии, как и в прототипе, использован маховик по причинам: простоты конструкции, способности моментально принять и отдать большое количество энергии, возможности быть выполненным в виде короткозамкнутого ротора асинхронной электрической машины.

Для преобразований и передач энергии использована комбинированная асинхронная электрическая машина с короткозамкнутым ротором по причинам: простоты конструкции /отсутствие коллектора/, обратимости, реверсивности.

С целью уменьшения количества вращающихся деталей предлагаемый тормоз смонтирован на одной оси, что дает возможность разместить его в колесе автомобиля непосредственно. Кроме простоты, такая конструкция позволяет распределить преобразуемую энергию по числу колес, что снизит ее плотность на маховике.

Перечень фигур.

Фиг.1. Общая схема рекуперативного тормоза с вращающимся магнитным полем. Состоит из трех основных честей: неподвижной /оси 6 с размещенными на ней обмотками возбуждения 4, трехфазными, соединенными звездой, с выводами А, В и С/; подвижной, закрепленной жестко на колесе автомобиля /промежуточными обмотками 3,электронными умножителями частоты 1, обмотками маховика 2/ и свободновращающейся /маховиком 5, выполненным в виде короткозамкнутого ротора асинхронной электрической машины/.

Фиг.2. Схема направлений вращения при торможении: 7 - магнитного поля обмоток 4, 10-магнитного поля обмоток 2 /фиг.1/, 8 - колеса автомобиля, 9 - маховика 5.

Фиг.3. Схема направлений вращения при разгоне: 7 - магнитного поля обмоток 4, 10 - магнитного поля обмоток 2 /фиг.1/, 8 - колеса автомобиля, 9 - маховика 5.

Фиг.4. Общий вид маховика 5. 11 - сердечник, 12 - обмотка.

Работа рекуперативного тормоза с вращающимся магнитным полем по общей схеме, фиг.1. На неподвижной /относительно автомобиля/ оси 6 закреплены обмотки возбуждения 4. При вращении колеса относительно них вращаются промежуточные обмотки 3, умножители частоты 1 и обмотки маховика 2. Пара: обмотки 3 и обмотки 4 необходимы для создания вращающего момента /отрицательного при торможении, против часовой стрелки, и положительного при разгоне, по часовой на фиг.2 и 3/ и безколлекторной передачи электроэнергии от неподвижной части тормоза к подвижной. При подаче на обмотки возбуждения 4 трехфазного электрического тока в них возникает вращающееся магнитное поле направления 7 /фиг.2, торможение/. Оно возбуждает в промежуточных обмотках 3 фрехфазный электрический ток той же последовательности фаз с частотой n=n ₁+n₂, где n₁ - частота вращения поля обмоток возбуждения 4, n₂ - частота вращения колеса в направлении 8 /фиг.2/. Электронные умножители частоты 1 выполняют роль повышающего редуктора при передаче электрического тока от промежуточных обмоток 3 к обмоткам маховика 2. Пара: промежуточные обмотки 3, обмотки маховика 2 представлены как необъединенная трехфазная система для наглядности рисунка. Направление вращения поля 10 в обмотках маховика 2 противоположно направлению вращения поля 7 в обмотках 3 и 4 из-за изменения очередности фаз В и С. Это необходимо для того, чтобы направление вращения поля 7 при торможении было противоположно направлению вращения колеса 8 /фиг.2/.

Фиг.2. Торможение. На обмотки 4 подается трехфазный электрический ток. В них возникает вращающееся магнитное поле направления 7, являющееся тормозящим для подвижной части тормоза, закрепленной на колесе. В промежуточных обмотках 3 возбуждается трехфазный электрический ток, который передается через умножители частоты 1 на обмотки маховика 2, на которых вращающееся магнитное поле имеет уже противоположное направление и большую частоту вращения. Пара: обмотки маховика 2, маховик 5 работает, как асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, где обмотки 2 - статор, маховик 5 - ротор. Маховик начинает вращаться в направлении 9. Таким образом, отрицательный вращающий момент обмоток 4 преобразуется в положительный маховика 5.

Фиг.3. Разгон. Маховик вращается в направлении 9. На обмотки 4 подается трехфазный электрический ток для создания вращающегося магнитного поля направления 7. При этом в обмотках маховика 2 возникает вращающееся магнитное поле направления 10, противоположное направлению вращения маховика 9. В короткозамкнутой обмотке маховика возникают вихревые токи, создающие вращающий момент относительно обмоток 2, который через обмотки 2 действует на колесо и приводит его во вращение в направлении 8. Пара: обмотки маховика 2, маховик 5 работает как асинхронный двигатель в режиме противовключения.

Фиг.4. Маховик, выполненный в виде короткозамкнутого ротора асинхронной электрической машины. Поскольку в предлагаемом тормозе он постоянно работает в переходных режимах, т.е. в режимах пусковых токов, должен быть выполненным с учетом этого, в виде двойной беличьей клетки, например.

При торможении по частоте вращения колеса n₂ предлагаемый тормоз работает как асинхронный генератор с потреблением мощности на возбуждение до 5% от номинальной. По частоте вращения магнитного поля обмоток возбуждения n₁ работает как асинхронный двигатель в режиме противовключения с потреблением мощности 100% номинальной. Для понижения частоты n₁ при сохранении максимальной частоты вращения маховика применены электронные умножители частоты 1, выполняющие роль повышающего редуктора.

Если предположить, что городской автобус массой 10 т движется со скоростью 36 км/ч, обладая кинетической энергией E=m ²/2=10000·100/2=500000=500 кДж, начинает тормозить, то при допустимой плотности энергии маховика, выполненного в виде диска с отверстием 10 кДж·кг /Н.В.Гулиа, Накопители энергии, Москва, Наука, 1980 г., стр.148/ масса одного маховика при их размещении по всем колесам должна быть равна m=500 кДж/10 кДж·кг/4=12.5 кг, что вполне приемлемо для практического использования.

Преимущества:

- значительное снижение количества тепловой энергии, выделяемой в атмосферу при торможении, повышение КПД автомобиля в целом,

- отсутствие быстроизнашиваемых деталей,

- облегчение работы двигателя автомобиля при разгоне,

- более полное использование энергии маховика в сравнении с прототипом.

Недостатки:

- наличие на автомобиле источника переменного многофазного электрического тока,

- присутствует режим противовключения, что ведет к дополнительным затратам электроэнергии на раскрутку маховика,

- относительная сложность регулировки вращающих моментов.