электромеханическая трансмиссия

Формула изобретения

Электромеханическая трансмиссия, содержащая как минимум один тепловой двигатель, как минимум одно тяговое устройство, как минимум две реактивные индукторные машины, электронный коммутатор, силовые электрические шины, накопитель электрической энергии, блок управления, причем как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тепловым двигателем, как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тяговым устройством, блок управления подключен к электронному коммутатору, первый вывод накопителя электрической энергии подключен к первой силовой шине, причем, каждая реактивная индукторная машина содержит ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах статора, причем как минимум одна реактивная индукторная машина выполнена таким образом, что результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора машины равен или более 24, а накопитель электрической энергии содержит как минимум один пленочный конденсатор, датчики положения ротора реактивных индукторных машин подключены к блоку управления, отличающаяся тем, что электромеханическая трансмиссия дополнительно снабжена вторым накопителем энергии, который подключен ко второму выводу первого накопителя энергии и второй силовой шине, первые выводы фазных обмоток второй реактивной индукторной машины соединены с электронным коммутатором, а вторые выводы фазных обмоток первой и второй реактивных индукторных машин подключены к точке соединения первого и второго накопителей энергии, кроме того, электронный коммутатор содержит цепи, в каждой из которых управляемый ключ одним выводом соединен с фазной обмоткой первой реактивной индукторной машиной и катодом диода, а вторым выводом - с первой силовой шиной, имеющей положительный потенциал, а анод диода соединен со второй силовой шиной, имеющей отрицательный потенциал, а также содержит цепи, в каждой из которых управляемый электронный ключ одним выводом соединен с фазной обмоткой второй реактивной индукторной машины и анодом диода, а вторым выводом - со второй силовой шиной, имеющей отрицательный потенциал, причем катод диода соединен с первой силовой шиной, имеющей положительный потенциал.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электрических тяговых систем с машинами переменного тока транспортных средств с питанием от собственных источников энергоснабжения и может быть использовано в тяговых трансмиссиях гусеничных машин.

Известен автономный тяговый электропривод (Патент РФ на изобретение № 2093378 С1 МПК⁶ B60L 11/08, 1995), содержащий генератор переменного тока, ротор которого, несущий обмотку возбуждения, кинематически связан с первичным двигателем, трехфазный электродвигатель переменного тока, статорные обмотки которого подключены через преобразователь частоты к статорным обмоткам генератора переменного тока, преобразователь частоты выполнен с тремя парами встречно-параллельно включенных однофазных тиристорных мостов, выходы которых соединены в замкнутую кольцевую схему, при этом начала и концы каждой статорной обмотки генератора переменного тока соединены со входами обоих мостов соответствующей пары, фазные выводы включенных в звезду статорных обмоток электродвигателя подключены к узловым выводам образованной кольцевой схемы.

Недостатком устройства является сложность силовой схемы, наличие обмоток на роторе синхронного генератора и двигателя, низкий кпд.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому техническому решению, принятой за прототип, является электромеханическая трансмиссия (патент РФ № 2376158 С2 МПК В60К 17/00 (2006.01), Н02Р 8/00 (2006.01), содержащая как минимум один тепловой двигатель, как минимум одно тяговое устройство, как минимум две реактивные индукторные машины, как минимум два электронных коммутатора, силовые электрические шины, как минимум один накопитель электрической энергии, блок управления, причем как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тепловым двигателем, как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тяговым устройством, блок управления подключен к электронным коммутаторам, накопитель электрической энергии подключен к силовым шинам, кроме того, каждая реактивная индукторная машина содержит ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах статора, причем как минимум одна реактивная индукторная машина выполнена таким образом, что результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора машины равен или более 24, а накопитель электрической энергии содержит как минимум один пленочный конденсатор, при этом электронные коммутаторы подключают фазные обмотки электрических реактивных индукторных машин к силовым шинам, введены датчики положения ротора реактивных индукторных машин, которые подключены к блоку управления.

Недостатками данной электромеханической трансмиссии являются:

- относительно высокая стоимость, обусловленная тем, что электромеханическая трансмиссия содержит два электронных коммутатора, каждый из которых содержит большое количество дорогостоящих управляемых ключей и диодов;

- относительно низкий кпд, обусловленный тем, что электромеханическая трансмиссия содержит два и более электронных коммутатора, в каждом из которых образуются потери в электронных ключах и других силовых элементах, что снижает общий кпд трансмиссии;

высокие массо-габаритные показатели, обусловленные тем, что электромеханическая трансмиссия содержит два и более электронных коммутатора, каждый из которых занимает определенный объем и увеличивает массу трансмиссии.

Задачей, решаемой изобретением, является создание более простой электромеханической трансмиссии, обеспечивающей снижение стоимости, повышение кпд, снижение массо-габаритных показателей при сохранении возможности регулирования тягового усилия в широком диапазоне значений.

Для решения поставленной задачи электромеханическая трансмиссия содержит как минимум один тепловой двигатель, как минимум одно тяговое устройство, как минимум две реактивные индукторные машины, электронный коммутатор, силовые электрические шины, накопитель электрической энергии, блок управления, причем как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тепловым двигателем, как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тяговым устройством, блок управления подключен к электронному коммутатору, первый вывод накопителя электрической энергии подключен к первой силовой шине, причем каждая реактивная индукторная машина содержит ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах статора, причем как минимум одна реактивная индукторная машина выполнена таким образом, что результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора машины равен или более 24, а накопитель электрической энергии содержит как минимум один пленочный конденсатор, датчики положения ротора реактивных индукторных машин подключены к блоку управления.

Электромеханическая трансмиссия имеет отличия от прототипа: она снабжена вторым накопителем энергии, который подключен ко второму выводу первого накопителя энергии и второй силовой шине, причем первые выводы фазных обмоток второй реактивной индукторной машины соединены с электронным коммутатором, а вторые выводы фазных обмоток первой и второй реактивных индукторных машин подключены к точке соединения первого и второго накопителей энергии, кроме того, электронный коммутатор содержит цепи, в каждой из которых управляемый электронный ключ одним выводом соединен с фазной обмоткой первой реактивной индукторной машины и катодом диода, а вторым выводом - с силовой шиной, имеющей положительный потенциал, а анод диода соединен со второй силовой шиной, имеющей отрицательный потенциал, а также она содержит цепи, в каждой из которых управляемый электронный ключ одним выводом соединен с фазной обмоткой второй реактивной индукторной машины и анодом диода, а вторым выводом - с силовой шиной, имеющей отрицательный потенциал, а катод диода соединен с первой силовой шиной, имеющей положительный потенциал.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение стоимости, повышение кпд, снижение массо-габаритных показателей.

Снижение стоимости электромеханической трансмиссии достигается тем, что в результате упрощения устройства за счет введения дополнительного накопителя энергии и изменения связей между элементами устройства, уменьшено количество электронных коммутаторов, а следовательно, и количество дорогостоящих силовых элементов, значительно превышающих стоимость введенного в устройство накопителя энергии. Например, для тягового привода с реактивными индукторными машинами применяется полумостовая схема электронного коммутатора, содержащая в каждой фазе два управляемых ключа, соединенных последовательно с фазной обмоткой реактивной индукторной машины и подключенных к силовым шинам, два обратных диода, шунтирующих фазную обмотку и соответствующие управляемые ключи. (Тяговые двигатели электровозов. В.И.Бочаров, В.И.Захаров, Л.Ф.Коломейцев и др. Под общей редакцией В.Г.Щербакова. Агентство Наутилус. Новочеркасск, 1998. с.667, на с.379). Предлагаемое устройство выгодно отличается от известного тем, что на одну фазу реактивной индукторной машины приходится один управляемый ключ и один диод.

Повышение кпд трансмиссии достигается за счет уменьшения потерь мощности в силовых элементах электронного коммутатора. В известном устройстве потери образуются в двух управляемых ключах и двух диодах каждой фазы. В предлагаемом устройстве - в одном управляемом ключе и одном диоде. Так как токовая загрузка силовых элементов в обоих устройствах примерно одинакова во всех режимах работы электрических машин, то потери мощности в силовых элементах в предлагаемом устройстве примерно в два раза меньше, чем в известном устройстве.

Улучшение массо-габаритных показателей достигается созданием более компактной облегченной конструкции электронного коммутатора за счет уменьшения количества силовых элементов и снижения мощности потерь.

На фигуре 1 показана схема электромеханической трансмиссии. Схема содержит тепловой двигатель 1, кинематически соединенный с первой многофазной реактивной индукторной машиной 2, снабженной датчиком положения ротора 3, тяговое устройство 4, кинематически соединенное со второй многофазной реактивной индукторной машиной 5, снабженной датчиком положения ротора 6, первые выводы фазных обмоток реактивных индукторных машин 2 и 5 подключены к электронному коммутатору 7, а вторые выводы фазных обмоток подключены к точке соединения выводов накопителей энергии 8 и 9, вторые выводы которых подключены к электронному коммутатору 7 через силовые шины 10. Блок управления 11 соединен с датчиками положения ротора 3, 6 и подключен к электронному коммутатору 7.

На фигуре 2 показана схема подключения цепей электронного коммутатора 7 к силовым цепям схемы на примере применения трехфазных реактивных индукторных машин. Электронный коммутатор 7 содержит цепи, в каждой из которых управляемые электронные ключи 7.1-7.3, соединенные с первыми выводами фазных обмоток реактивной индукторной машины 2 и катодами диодов 7.7-7.9, вторые выводы электронных ключей 7.1-7.3 подключены к силовой шине 10.1, имеющей положительный потенциал, а аноды диодов 7.7-7.9 подключены к силовой шине 10.2, имеющей отрицательный потенциал, а также цепи, в каждой из которых управляемые электронные ключи 7.10-7.12, соединенные с первыми выводами фазных обмоток второй реактивной индукторной машины 5 и анодами диодов 7.4-7.6, причем, вторые выводы электронных ключей 7.10-7.12 подключены к силовой шине 10.2, имеющей отрицательный потенциал, а катоды диодов 7.4-7.6 подключены к силовой шине 10.1, имеющей положительный потенциал. К силовым шинам 10.1, 10.2 подключена цепь из последовательно включенных накопителей энергии 8 и 9, а вторые выводы фазных обмоток реактивных индукторных машин 2 и 5 подключены к точке соединения накопителей энергии 8 и 9.

Предлагаемая электромеханическая трансмиссия в тяговом режиме работает следующим образом.

Тепловой двигатель 1 приводит во вращение вал реактивной индукторной машины 2. Блок управления 11, в соответствии с сигналами, поступающими от датчиков положения ротора 3 и 6 реактивных индукторных машин 2 и 5, вырабатывает сигналы управления и подает их на управляемые ключи электронного коммутатора 7 таким образом, что при замыкании ключей 7.1-7.3 фазные обмотки реактивной индукторной машины 2 подключаются через силовую шину 10.1 к накопителю энергии 8 и потребляют от него энергию, необходимую для возбуждения реактивной индукторной машины 2. При размыкании ключей 7.1-7.3 в фазных обмотках реактивной индукторной машины 2 генерируется электрическая энергия, которая передается через диоды 7.7-7.9 и шину 10.2 в накопитель энергии 9, а при замыкании ключей 7.10-7.12 фазные обмотки реактивной индукторной машины 5, кинематически соединенной с тяговым устройством 4, подключаются к накопителю энергии 9 и потребляют от него электрическую энергию, преобразуя ее в механическую энергию, которая передается на тяговое устройство 4. При размыкании ключей 7.10-7.12 энергия, запасенная в фазных контурах реактивной индукторной машины 5, передается в накопитель энергии 8 через диоды 7.4-7.6 и силовую шину 10.1 и в следующем цикле работы устройства она снова используется для возбуждения реактивной индукторной машины 2.

Положительный эффект от использования предлагаемого изобретения заключается в том, что создана более простая электромеханическая трансмиссия, обеспечивающая снижение стоимости, повышение кпд, снижение массо-габаритных показателей при сохранении возможности регулирования тягового усилия в широком диапазоне значений.