RU2376158C2

RU2376158C2 - Electromechanical transmission

Info

Publication number: RU2376158C2
Application number: RU2007119085/11A
Authority: RU
Inventors: Владимир Леонидович Коломейцев (RU); Владимир Леонидович Коломейцев; Леонид Филиппович Коломейцев (RU); Леонид Филиппович Коломейцев; Сергей Александрович Пахомин (RU); Сергей Александрович Пахомин; Владимир Иванович Бибиков (RU); Владимир Иванович Бибиков; Дмитрий Викторович Крайнов (RU); Дмитрий Викторович Крайнов; Георгий Владимирович Коломейцев (RU); Георгий Владимирович Коломейцев; Дмитрий Алексеевич Звездунов (RU); Дмитрий Алексеевич Звездунов; Игорь Александрович Прокопец (RU); Игорь Александрович Прокопец; Федор Александрович Реднов (RU); Федор Александрович Реднов; Умаркади Магомедович Сулейманов (RU); Умаркади Магомедович Сулейманов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Эметрон"
Priority date: 2007-05-22
Filing date: 2007-05-22
Publication date: 2009-12-20
Also published as: RU2007119085A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed device comprises thermal engine, traction device, two reactive induction electric machines, two electronic switches, power electric buses, electric power accumulator and control unit. One electric machine is articulated with thermal engine, another one being linked with traction device. Control unit is connected to electronic switches. Electric power accumulator is connected to power buses. Reactive induction machines comprises rotor with its shaft supporting toothed magnetic core, and stator with poles and phase windings. The latter represent concentrated coils fitted on stator poles. Electronic switches serve to connect phase windings of reactive induction machines to power buses.

EFFECT: higher reliability.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области тяговых транспортных средств и может быть использовано в рабочих, гусеничных, инженерных и других типах машин.The invention relates to the field of traction vehicles and can be used in workers, caterpillar, engineering and other types of vehicles.

Известна электромеханическая трансмиссия гусеничного трактора (RU 2179119 С1, В60L 11/08,12.07.2001), содержащая тепловой двигатель, кинематически соединенный с ним электрический синхронный генератор, а также подключенный к генератору через преобразователь частоты тока тяговый асинхронный двигатель. Выходной вал электрического двигателя через зубчатую муфту связан посредством конической передачи с осевым валом, который соединен с входными валами левого и правого механизмов поворота планетарного типа. Последние через бортовые редукторы связаны с ведущими колесами трактора. Система управления трансмиссией включает в себя датчик оборотов выходного вала асинхронного двигателя, датчик и задатчик потока намагничивания асинхронного двигателя, подключенные к выходному блоку управления электромашинами, который соединен с блоком возбуждения синхронного генератора и преобразователем частоты тока. Генератор имеет выход для питания потребителей сети переменного тока. Электромеханическая трансмиссия гусеничного трактора обеспечивает возможность автоматического регулирования тягового усилия и скорости трактора в широком диапазоне за счет сохранения постоянства мощности при изменении тягового усилия трактора.A known electromechanical transmission of a caterpillar tractor (RU 2179119 C1, B60L 11 / 08,12.07.2001), comprising a heat engine, kinematically connected to it an electric synchronous generator, and also a traction asynchronous motor connected to the generator through a frequency converter. The output shaft of the electric motor through a gear clutch is connected via a bevel gear to an axial shaft, which is connected to the input shafts of the left and right planetary rotation mechanisms. The latter through the final drives connected with the driving wheels of the tractor. The transmission control system includes an asynchronous motor output shaft speed sensor, an asynchronous motor magnetization flux sensor and adjuster connected to an electric machine control output unit, which is connected to a synchronous generator excitation unit and a current frequency converter. The generator has an output for powering AC consumers. The electromechanical transmission of a caterpillar tractor provides the ability to automatically control the tractor's traction and speed in a wide range by maintaining a constant power when the tractor's traction is changed.

Недостатками данной электромеханической трансмиссии гусеничного трактора являются:The disadvantages of this electromechanical transmission of a caterpillar tractor are:

- наличие обмоток на роторе синхронного генератора и на роторе асинхронного двигателя, на которые действуют большие центробежные силы, которые со временем могут привести к разрушению изоляции обмоток и выходу электромеханической трансмиссии из строя;- the presence of windings on the rotor of the synchronous generator and on the rotor of the induction motor, which are subject to large centrifugal forces, which over time can lead to destruction of the insulation of the windings and the failure of the electromechanical transmission;

- ограничение на работу в области высоких частот вращения;- restriction on work in the field of high speeds;

- невозможность работы при выходе из строя одной из фазных обмоток асинхронного двигателя или синхронного генератора;- the inability to work when one of the phase windings of an induction motor or synchronous generator fails;

- низкая ремонтопригодность, так как сложная конструкция статорных фазных обмоток асинхронного двигателя и синхронного генератора трансмиссии не позволяет производить ремонт вышедшей из строя фазной обмотки, не затрагивая работоспособные фазные обмотки;- low maintainability, since the complex design of the stator phase windings of the induction motor and the synchronous transmission generator does not allow the repair of a failed phase winding without affecting the workable phase windings;

- относительно невысокий КПД асинхронного электродвигателя в области низких частот вращения;- a relatively low efficiency of the induction motor in the region of low speeds;

- относительно высокая стоимость, вследствие применения в ней дорогостоящих электрических машин синхронного и асинхронного типов.- a relatively high cost, due to the use of expensive electric machines of synchronous and asynchronous types in it.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому техническому решению, принятой за прототип, является система электрического транспорта (WO 2006/037040 A1, B60K 6/04, 06.04.2006), содержащая двигатель внутреннего сгорания и генератор, соединенный с электродвигателем, силовую шину, соединенную с генератором, накопитель энергии, подключенный к силовой шине, контроллер привода, подключенный к электродвигателю и силовой шине и к контроллеру транспорта, где в качестве генератора применен синхронный генератор, электрический двигатель является асинхронным электрическим двигателем. Данная система электрического транспорта обладает теми же самыми недостатками, что и описанная выше электромеханическая трансмиссия гусеничного трактора.The closest in technical essence to the claimed technical solution adopted for the prototype is an electric transport system (WO 2006/037040 A1, B60K 6/04, 04/06/2006) containing an internal combustion engine and a generator connected to an electric motor, a power bus connected with a generator, an energy storage device connected to a power bus, a drive controller connected to an electric motor and a power bus and to a transport controller, where a synchronous generator is used as a generator, the electric motor is asynchronous nym electric motor. This electric transport system has the same drawbacks as the crawler tractor electromechanical transmission described above.

Задачей, решаемой изобретением, является создание электромеханической трансмиссии, обеспечивающей повышение надежности работы, повышение живучести, повышение ремонтопригодности, повышение КПД, а также снижение стоимости электромеханической трансмиссии при сохранении возможности регулирования тягового усилия в широком диапазоне значений.The problem solved by the invention is the creation of an electromechanical transmission, providing increased reliability, increased survivability, increased maintainability, increased efficiency, as well as reducing the cost of electromechanical transmission while maintaining the ability to control traction in a wide range of values.

Для решения поставленной задачи в электромеханической трансмиссии, содержащей как минимум один тепловой двигатель, как минимум одно тяговое устройство, как минимум две электрические машины, как минимум два электронных коммутатора, силовые электрические шины, как минимум один накопитель электрический энергии, блок управления, причем одна электрическая машина кинематически соединена с первичным тепловым двигателем, одна электрическая машина кинематически соединена с тяговым устройством, блок управления подключен к электронным коммутаторам, накопитель электрической энергии подключен к силовым шинам, согласно данному заявлению в качестве электрических машин применены реактивные индукторные машины, каждая из которых содержит ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах статора, при этом фазные обмотки реактивных индукторных машин подключены через электронные коммутаторы к силовым шинам.To solve the problem in an electromechanical transmission containing at least one heat engine, at least one traction device, at least two electric machines, at least two electronic switches, power busbars, at least one electric energy storage device, a control unit, and one electric the machine is kinematically connected to the primary heat engine, one electric machine is kinematically connected to the traction device, the control unit is connected to the electronic switch Atoramors, the electric energy storage device is connected to the power busbars, according to this statement, reactive induction machines are used as electric machines, each of which contains a rotor, on the shaft of which a toothed magnetic circuit is fixed, a stator with poles and phase windings made in the form of lumped coils placed on the stator poles, while the phase windings of the reactive induction machines are connected via electronic switches to the power buses.

В частных случаях предлагаемая электромеханическая трансмиссия может характеризоваться одним или несколькими из нижеперечисленных признаков:In special cases, the proposed electromechanical transmission may be characterized by one or more of the following features:

- как минимум одна электрическая реактивная индукторная машина выполнена таким образом, что результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора машины равен или более 24;- at least one electric reactive induction machine is made in such a way that the result of the product of the number of teeth of the rotor by the number of phases of the stator of the machine is equal to or more than 24;

- накопитель электрической энергии содержит как минимум один пленочный конденсатор;- the electric energy storage device contains at least one film capacitor;

- ведены датчики положения ротора электрических реактивных индукторных машин, которые подключены к блоку управления.- The rotor position sensors of electric reactive induction machines are connected, which are connected to the control unit.

Устранение недостатка, связанного с разрушением изоляции обмотки ротора под действием центробежных сил, достигается применением электрических реактивных индукторных машин, у которых отсутствуют обмотки на роторе, что повышает надежность работы предлагаемой электромеханической трансмиссии.The elimination of the disadvantage associated with the destruction of the insulation of the rotor winding under the action of centrifugal forces is achieved by the use of electric reactive induction machines that do not have windings on the rotor, which increases the reliability of the proposed electromechanical transmission.

Сохранение работоспособности предлагаемой электромеханической трансмиссии при выходе из строя одной из фазных обмоток электрических машин достигается путем применения электрических реактивных индукторных машин, которые могут безопасно функционировать при выходе из строя одной из фазных обмоток. При этом вышедшая из строя фазная обмотка обесточивается, а мощность трансмиссии снижается. Таким образом, повышается живучесть электромеханической трансмиссии.Maintaining the operability of the proposed electromechanical transmission in the event of failure of one of the phase windings of electric machines is achieved by the use of electric reactive induction machines that can safely function when one of the phase windings fails. In this case, the failed phase winding is de-energized, and the transmission power is reduced. Thus, the survivability of the electromechanical transmission is increased.

Повышение ремонтопригодности предлагаемой электромеханической трансмиссии достигается применением электрических реактивных индукторных машин, у которых фазная обмотка состоит из простых по конструкции сосредоточенных электрических катушек, что позволяет производить замену вышедшей из строя фазной обмотки, не затрагивая работоспособные фазные обмотки.Improving the maintainability of the proposed electromechanical transmission is achieved by the use of electric reactive induction machines, in which the phase winding consists of lumped simple electric coils in design, which allows the replacement of a failed phase winding without affecting operable phase windings.

Повышение КПД предлагаемой электромеханической трансмиссии достигается применением электрических реактивных индукторных машин, которые имеют больший по сравнению с асинхронными и синхронными электрическими машинами КПД, особенно в области низких частот вращения.An increase in the efficiency of the proposed electromechanical transmission is achieved by the use of electric reactive induction machines, which have greater efficiency compared to asynchronous and synchronous electric machines, especially in the low-speed region.

Снижение стоимости предлагаемой электромеханической трансмиссии достигается применением электрических реактивных индукторных машин, которые содержат простые по конструкции фазные обмотки только на статоре и по этой причине имеют более низкую стоимость по сравнению с электрическими машинами известной системы электрического транспорта.The reduction in the cost of the proposed electromechanical transmission is achieved by the use of electric reactive induction machines, which contain simple in design phase windings only on the stator and for this reason have a lower cost compared to electric machines of the known electric transport system.

Исполнение электрических реактивных индукторных машин, при котором результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора каждой электрической реактивной индукторной машины электромеханической трансмиссии равен или больше 24, при прочих равных условиях обеспечивает повышенную частоту выходного и питающего напряжений этих электрических машин. Это, в свою очередь, способствует уменьшению пульсаций напряжения на накопителе электрической энергии, а следовательно, уменьшению требуемой величины емкости накопителя энергии, что позволяет применить в накопителе предлагаемой электромеханической трансмиссии пленочные конденсаторы, которые при равных значениях рабочего тока и напряжения обладают более высокой надежностью и меньшими габаритами по сравнению с электролитическими конденсаторами. Указанное исполнение электрических реактивных индукторных машин в совокупности с применением накопителя электрической энергии, содержащего пленочные конденсаторы, будут способствовать уменьшению габаритов и повышению надежности работы предлагаемой электромеханической трансмиссии.Execution of electric reactive induction machines, in which the result of the product of the number of rotor teeth by the number of stator phases of each electric reactive induction machine of an electromechanical transmission is equal to or greater than 24, ceteris paribus provides an increased frequency of the output and supply voltages of these electric machines. This, in turn, helps to reduce voltage ripples in the electric energy storage device, and therefore, to reduce the required value of the energy storage capacity, which makes it possible to use film capacitors in the storage device of the proposed electromechanical transmission, which for equal values of the operating current and voltage have higher reliability and lower dimensions compared to electrolytic capacitors. The specified embodiment of electric reactive induction machines in combination with the use of an electric energy storage device containing film capacitors will help to reduce the size and increase the reliability of the proposed electromechanical transmission.

На фиг.1 схематично изображена одна из многих возможных конфигураций предлагаемой электромеханической трансмиссии, которая содержит тепловой двигатель 1, электрическую реактивную индукторную машину 2, кинематически соединенную с тепловым двигателем 1, электронный коммутатор 3, силовые шины 4, к которым коммутатор 3 осуществляет подключение фазных обмоток реактивной индукторной машины 2, электронный коммутатор 5, электрическую реактивную индукторную машину 6, подключение фазных обмоток которой к силовым шинам 4 осуществляет электронный коммутатор 5, тяговое устройство 7, с которым кинематически соединена реактивная индукторная машина 6, накопитель электрической энергии 8, который подключен к силовым шинам 4, блок управления 9, датчики положения ротора 10 и 11 электрических реактивных индукторных машин 2 и 6, причем датчики положения ротора 10 и 11 подключены к блоку управления 9.Figure 1 schematically depicts one of the many possible configurations of the proposed electromechanical transmission, which contains a heat engine 1, an electric reactive induction machine 2, kinematically connected to a heat engine 1, an electronic switch 3, power bus 4, to which the switch 3 connects the phase windings reactive induction machine 2, electronic switch 5, electric reactive induction machine 6, the connection of the phase windings of which to the power buses 4 carries out electronic to mutator 5, traction device 7 with which the reactive induction machine 6 is kinematically connected, an electric energy storage device 8 that is connected to the power buses 4, a control unit 9, rotor position sensors 10 and 11 of the electric reactive induction machines 2 and 6, and rotor position sensors 10 and 11 are connected to the control unit 9.

На фиг.2 схематично изображена электрическая реактивная индукторная машина, содержащая безобмоточный ротор 12, на валу 13 которого закреплен зубчатый магнитопровод 14, статор 15 с полюсами 16 и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек 17, размещенных на полюсах 16 статора 15.Figure 2 schematically shows an electric reactive induction machine containing a windingless rotor 12, on the shaft 13 of which is mounted a toothed magnetic circuit 14, a stator 15 with poles 16 and phase windings made in the form of lumped coils 17 located on the poles 16 of the stator 15.

Предлагаемая электромеханическая трансмиссия в тяговом режиме работает следующим образом.The proposed electromechanical transmission in traction mode works as follows.

При вращении выходного вала теплового двигателя 1 блок управления 9 в соответствии с сигналами, поступающими от датчиков положения ротора 10 и 11 электрических реактивных индукторных машин 2 и 6, вырабатывает сигналы управления и подает их на электронные коммутаторы 3 и 5. В соответствии с сигналами управления, поступающими от блока управления 9, электронные коммутаторы 3 и 5 подключают к силовым шинам 4 фазные обмотки электрических реактивных индукторных машин 2 и 6 таким образом, что электрическая реактивная индукторная машина 2 через коммутатор 3 и силовые шины 4 потребляет необходимую для возбуждения электрическую энергию от накопителя электрической энергии 8, затем преобразует вращательную механическую энергию теплового двигателя 1 в электрическую энергию, которая через электронный коммутатор 3 и силовые шины 4 поступает обратно в накопитель электрической энергии 8, накопитель электрической энергии 8 поддерживает на силовых шинах 4 уровень напряжения, необходимый для передачи электрической энергии между электрическими реактивными индукторными машинами 2 и 6, электрическая реактивная индукторная машина 6 через электронный коммутатор 5 и силовые шины 4 потребляет электрическую энергию от накопителя электрической энергии 8, преобразует ее во вращательную механическую энергию и передает вращающий момент на тяговое устройство 7. Блок управления обеспечивает регулирование тягового усилия предлагаемой электромеханической трансмиссии в широком диапазоне значений.When the output shaft of the heat engine 1 is rotated, the control unit 9, in accordance with the signals from the position sensors of the rotor 10 and 11 of the electric reactive induction machines 2 and 6, generates control signals and provides them to the electronic switches 3 and 5. In accordance with the control signals, coming from the control unit 9, the electronic switches 3 and 5 connect to the power buses 4 phase windings of the electric reactive induction machines 2 and 6 in such a way that the electric reactive induction machine 2 through the switch OP 3 and power buses 4 consumes the electric energy necessary for excitation from the electric energy storage device 8, then converts the rotational mechanical energy of the heat engine 1 into electric energy, which, through the electronic switch 3 and power buses 4, is fed back to the electric energy storage device 8, the electric energy storage device 8 supports, on power buses 4, the voltage level necessary to transfer electric energy between electric reactive induction machines 2 and 6, an electric reactive induction machine 6 through an electronic switch 5 and power bus 4 consumes electrical energy from an electric energy storage device 8, converts it into rotational mechanical energy and transfers torque to the traction device 7. The control unit provides control of the traction of the proposed electromechanical transmission in a wide range of values.

Claims

1. An electromechanical transmission containing at least one heat engine, at least one traction device, at least two electric machines, at least two electronic switches, power busbars, at least one electric energy storage device, a control unit, and at least one electric machine kinematically connected to at least one heat engine, at least one electric machine is kinematically connected to at least one traction device, the control unit is connected to to electronic switches, the electric energy storage device is connected to power buses, characterized in that reactive induction machines are used as electric machines, each of which contains a rotor, on the shaft of which a toothed magnetic circuit is fixed, a stator with poles and phase windings made in the form of lumped coils, placed at the poles of the stator, and at least one reactive induction machine is designed so that the result of the product of the number of teeth of the rotor by the number of phases of the stator of the machine is or more than 24, and the electric energy storage device contains at least one film capacitor, while the electronic switches connect the phase windings of the electric reactive induction machines to the power buses.

2. The electromechanical transmission according to claim 1, characterized in that the position sensors of the rotor of the jet induction machines are introduced, which are connected to the control unit.