Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании гибридных автомобилей и электромобилей. Устройство содержит источник электроэнергии, подключенный к накопительному конденсатору. Приводной двигатель переменного тока состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с трехфазными обмотками. Последовательно с каждой из обмоток статора включена дополнительная обмотка, а точки соединения указанных обмоток подключены соответственно к выводам выпрямителя, который совместно с инвертором входит в состав управляемого преобразователя. При включении источника питания начинают коммутироваться силовые ключи инвертора в соответствии с выходными сигналами блока управления. Автомобиль осуществляет поступательное движение с регулируемой скоростью, задаваемой блоком управления инвертором. При подаче команды «торможение» контроллер обеспечивает поступление управляющих сигналов на выпрямитель. В накопительный конденсатор поступает ток рекуперации. При протекании тока по обмоткам развивается тормозящий момент, а энергия торможения передается в накопительный конденсатор, который заряжается до напряжения большего, чем напряжение источника электропитания. По окончании торможения накопленная энергия конденсатора используется для поступательного движения автомобиля. Технический результат заключается в повышении энергетической эффективности электромобиля и обеспечении его простой и технологичной конструкции с оптимальными массогабаритными показателями. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании гибридных автомобилей и электромобилей.

Известны гибридные автомобили на топливных элементах, содержащие аккумуляторную батарею, присоединенную через управляемый преобразователь к приводному двигателю колес (1). В устройстве предусмотрена организация цепей для использования энергии торможения колес. Однако установка имеет низкую энергетическую эффективность. Это объясняется тем, что при рекуперационном торможении генерируемое напряжение падает, а накопленный заряд в батарее растет, в результате чего по мере выравнивания потенциалов батареи и генератора темп зарядки батареи замедляется, а затем и вовсе прекращается.

Наиболее близким к изобретению устройством является электропривод колес автомобиля (2), содержащий аккумуляторную батарею, которая подключена к приводному двигателю через управляемый преобразователь напряжения. Для повышения эффективности силовой установки и улучшения ее энергетических характеристик управляемый преобразователь выполнен с возможностью передачи электроэнергии на приводной двигатель с понижающим коэффициентом преобразования напряжения, а рекуперацию электроэнергии с приводного двигателя при его торможении - с повышающим коэффициентом преобразования напряжения. В известном устройстве роль накопительного элемента, «принимающего» энергию рекуперации, выполняет аккумуляторная батарея, однако ее функцию может выполнять и другой энергонакопительный блок, например блок молекулярных конденсаторов. В известной схеме может быть задействован как двигатель постоянного тока, так и переменного тока. При использовании в качестве приводного двигателя электрической машины переменного тока необходимо введение в известную схему (2) преобразователя постоянного напряжения в переменное (следуя традиционной методике преобразования сигналов). Однако это ведет к усложнению конструкции преобразовательного блока и, следовательно, усложнению конструкции всего устройства, увеличению его стоимости и габаритов.

Техническим результатом, которого можно достичь при использовании изобретения, является упрощение конструкции, снижение стоимости и улучшение массогабаритных показателей.

Технический результат достигается за счет того, что в электроприводе колес автомобиля, содержащем источник электропитания, трехфазный электродвигатель переменного тока с ротором на постоянных магнитах и управляемый преобразователь, регулирующий режим работы электродвигателя (2), управляемый преобразователь состоит из мостовых трехфазных инвертора и выпрямителя, выводы постоянного тока которых подключены к накопительному конденсатору, присоединенному к источнику электропитания, а фазные выводы обмоток статора электродвигателя переменного тока подсоединены к входным выводам переменного тока инвертора, при этом согласно - последовательно с каждой из обмоток статора включена дополнительная обмотка, причем точки соединения указанных обмоток подключены соответственно к выводам переменного тока выпрямителя, полярность выводов постоянного тока которого встречная по отношению к полярности подсоединенного к ним источника электропитания, при этом управляющие входы блоков управления инвертора и выпрямителя соединены соответственно с выходами управляемого контроллера, выполненного обеспечивающим при подаче на его управляющий вход команды «скорость» либо «торможение» разрешение поступления управляющих сигналов на инвертор либо выпрямитель с одновременным блокированием поступления управляющих импульсов на выпрямитель либо инвертор соответственно.

На чертеже представлена конструктивная схема устройства.

Устройство содержит источник электроэнергии 1, например аккумуляторную батарею, которая подключена к накопительному конденсатору 2, подсоединенному к выводам питания управляемого преобразователя напряжения, регулирующего режимом работы приводного двигателя переменного тока 3. В схеме электропривода реализована возможность передачи электроэнергии на приводной двигатель 3 с пониженным напряжением и рекуперации электроэнергии с приводного двигателя 3 при его торможении с повышенным напряжением. Приводной двигатель 3 переменного тока состоит из ротора 4 с постоянными магнитами и статора с трехфазными обмотками 5. Согласно - последовательно с каждой из трехфазных обмоток W 1 статора включена дополнительная обмотка W 2 , а точки соединения указанных обмоток подключены соответственно к выводам переменного тока выпрямителя 6, который совместно с инвертором 7 входит в состав управляемого преобразователя. Управляющие входы инвертора 7 и выпрямителя 6 присоединены соответственно к выходам блоков управления 8 и 9, управляющие входы которых соединены с выходами управляемого контроллера 10, выполненного обеспечивающим разрешение поступления управляющих сигналов на схему инвертора либо выпрямителя с одновременным блокированием поступления управляющих импульсов на схему выпрямителя либо инвертора при подаче команды «скорость» либо «торможение» соответственно.

Устройство работает следующим образом.

При включении источника питания и подаче команды «Скорость» контроллер 10 формирует выходной сигнал, который разрешает поступление управляющих сигналов с блока управления 8 на инвертор 7 и одновременно блокирует работу блока управления 9, в результате чего силовые ключи инвертора 7 начинают коммутироваться в соответствии с выходными сигналами блока управления 8. За счет протекания токов в обмотках W 1 статора 5 электродвигателя возникает вращающееся магнитное поле, под действием которого начинает вращаться ротор 4 на постоянных магнитах. Блок управления 8 осуществляет высокочастотную модуляцию основной гармоники и регулирует величину напряжения и его частоту, используя, например, управление по вектору поля. Вращение ротора 4 непосредственно или через редуктор передается на колеса. Автомобиль осуществляет поступательное движение с регулируемой скоростью, задаваемой блоком управления 8, при этом идет прямая передача энергии на приводной двигатель.

По приходу сигнала «Торможение» контроллер 10 блокирует работу блока управления 8 и включает блок 9. При торможении под действием сил инерции колеса продолжают свое движение, вращая ротор 4 электрической машины 3, которая переходит в режим генерирования энергии. На вход выпрямителя 6 поступает суммарное напряжение обмоток W 1 , W 2 статора, а в накопительный конденсатор 2 поступает ток рекуперации. Напряжение на конденсаторе 2 возрастает до величины приведенного суммарного напряжения на обмотках W 1 , W 2 . При протекании тока по обмоткам W 1 , W 2 развивается тормозящий момент, а энергия торможения форсированно передается в накопительный конденсатор 2, который заряжается до напряжения большего, чем напряжение источника электропитания 1. При этом доля рекуперируемой энергии значительно увеличивается, т.к. величина энергии, накопленной в конденсаторе 2, находится в квадратичной зависимости от его напряжения.

По окончании торможения накопленная энергия конденсатора 2 используется для поступательного движения автомобиля.

Таким образом, управляемый преобразователь совместно с трехфазными обмотками W 1 , W 1 обеспечивает передачу электроэнергии на приводной двигатель 3 с пониженным напряжением и рекуперацию электроэнергии с приводного двигателя 3 при его торможении с повышенным напряжением. Устройство имеет высокий кпд, т.к. позволяет рекуперировать не менее 70% энергии торможения.

Высокие энергетические показатели устройства достигнуты при одновременном упрощении конструкции, снижении ее себестоимости и улучшении массогабаритных показателей.

Высокий кпд, простота конструкции и хорошие массогабаритные показатели данного устройства позволяют ему быть наиболее предпочтительным при проектировании гибридных автомобилей и электромобилей.

Источники информации, принятые во внимание

1. Ж. «АвтоМир» №1, 2007 г., с.9.

2. Ж. «АвтоМир» №48, 2007 г., с.8.

Электропривод колес автомобиля, содержащий источник электропитания, трехфазный электродвигатель переменного тока с ротором на постоянных магнитах и управляемый преобразователь, регулирующий режим работы электродвигателя, отличающийся тем, что управляемый преобразователь состоит из мостовых трехфазных инвертора и выпрямителя, выводы постоянного тока которых подключены к накопительному конденсатору, присоединенному к источнику электропитания, а фазные выводы обмоток статора электродвигателя переменного тока подсоединены к входным выводам переменного тока инвертора, при этом согласно-последовательно с каждой из обмоток статора включена дополнительная обмотка, причем точки соединения указанных обмоток подключены соответственно к выводам переменного тока выпрямителя, полярность выводов постоянного тока которого встречная по отношению к полярности подсоединенного к ним источника электропитания, при этом управляющие входы блоков управления инвертора и выпрямителя соединены соответственно с выходами управляемого контроллера, выполненного обеспечивающим при подаче на его управляющий вход команды «скорость» либо «торможение» разрешение поступления управляющих сигналов на инвертор либо выпрямитель с одновременным блокированием поступления управляющих импульсов на выпрямитель либо инвертор соответственно.

Вспомогательным электрооборудованием называют группу вспо­могательных приборов и аппаратов, обеспечивающих отопление и вентиляцию кабины и кузова, очистку стекол кабины и фар, звуковую сигнализацию, радиоприем и другие вспомогательные функции.

Тенденции развития различных систем автомобиля, связанные с повышением экономичности, надежности, комфорта и безопасно­сти движения, приводят к тому, что роль электрооборудования, в частности электропривода вспомогательных систем, неуклонно возрастает. Если 25...30 лет назад на серийных автомобилях прак­тически не встречалось механизмов с электроприводом, то в на­стоящее время даже на грузовых автомобилях устанавливается минимум 3...4 электродвигателя, а на легковых - 5...8 и более, в зависимости от класса.

Электроприводом называется электромеханическая система, состоящая из электродвигателя (или нескольких электродвигате­лей), передаточного механизма к рабочей машине и всей аппарату­ры для управления электродвигателем. Основными устройствами автомобиля, где находит применение электропривод, являются отопители и вентиляторы салона, предпусковые подогреватели, стекло- и фароочистители, механизмы подъема стекал, антенн, пе­ремещения сидений и др.

Длительность работы и ее характер определяют рабочий режим привода. Для электропривода принято различать три основных ре­жима работы: продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный.

Продолжительный режим характеризуется такой длительно­стью, при которой за время работы электродвигателя его темпера­тура достигает установившегося значения. В качестве примера ме­ханизмов с длительным режимом работы можно назвать отопители и вентиляторы салона автомобиля.

Кратковременный режим имеет относительно краткий рабочий период и температура двигателя не успевает достигнуть устано­вившегося значения. Перерыв же в работе исполнительного меха­низма достаточен для того, чтобы двигатель успевал охладиться до температуры окружающей среды. Такой режим работы характерен на самых различных устройств кратковременного действия: подъ­ема стекол, привода антенн, перемещения сидений и др.

Повторно-кратковременный режим характеризуется рабочим периодом, который чередуется с паузами (остановка или холостой ход), причем ни в один из периодов работы температура двигателя не достигает установившегося значения, а во время снятия нагруз­ки двигатель не успевает охладиться до температуры окружающей среды. Примером устройств автомобиля, работающих в таком ре­жиме, могут служить стеклоочистители (на соответствующих режи­мах), стеклоомыватели и др.

Характерной чертой для повторно-кратковременного режима яв­ляется отношение рабочей части периода Т" к всему периоду Т. Этот показатель именуется относительной продолжительностью работы ПР или относительной продолжительностью включения ПВ, измеряемыми в процентах.

Требования, предъявляемые к электродвигателям, устанавли­ваемым в том или ином узле автомобиля, отличаются особой спе­цификой и обусловлены режимами работы этого узла. При выборе типа двигателя необходимо сопоставить условия работы привода с особенностями механических характеристик различных видов электродвигателей. Принято различать естественную и искусствен­ную механические характеристики двигателя. Первая соответствует номинальным условиям его включения, нормальной схеме соеди­нений и отсутствию каких-либо добавочных элементов в цепях дви­гателя. Искусственные характеристики получаются при изменении напряжения на двигателе, включении добавочных элементов в це­пи двигателя и соединении этих цепей по специальным схемам.

Одним из наиболее перспективных направлений в развитии элек­тропривода вспомогательных систем автомобиля является создание электродвигателей мощностью до 100 Вт с возбуждением от посто­янных магнитов.

Применение постоянных магнитов позволяет в значительной мере повысить технико-экономические показатели электродвигате­лей: уменьшить массу, габаритные размеры, повысить КПД. К пре­имуществам следует отнести отсутствие обмоток возбуждения, что упрощает внутренние соединения, повышает надежность электро­двигателей. Кроме того, благодаря независимому возбуждению все электродвигатели с постоянными магнитами могут быть реверсив­ными.

Типичная конструкция электродвигателя с постоянными магни­тами, применяемого в отопителях, показана на рис.7.1.

Постоянные магниты 4 закреплены в корпусе 3 с помощью двух стальных пло­ских пружин 6 , прикрепленных к корпусу. Якорь 7 электродвигателя вращается в двух самоустанавливающихся подшипниках скольже­ния 5 . Графитные щетки 2 прижимаются пружинами к коллектору 1, выполненному из полосы меди и профрезерованному на отдельные ламели.

Принцип действия электрических машин с постоянными магни­тами аналогичен общеизвестному принципу действия машин с электромагнитным возбуждением - в электродвигателе взаимодей­ствие полей якоря и статора создает вращающий момент. Источник магнитного потока в таких электродвигателях - постоянный магнит. Характеристикой магнита является кривая его размагничивания (часть петли гистерезиса, лежащая во II квадранте), представлен­ная на рис. 7.2. Свойства материала определяются значениями ос­таточной индукции В r и коэрцитивной силы H с. Полезный поток, от­даваемый магнитом во внешнюю цепь, не является постоянным, а зависит от суммарного воздействия внешних размагничивающих факторов.

Как видно из рис. 7.2, рабочая точка магнита вне системы элек­тродвигателя N , рабочая точка в сборе с корпусом М и рабочая точка магнита в электродвигателе в сборе К различны. Причем для большинства магнитных материалов процесс размагничивания магнита необратим, так как возврат из точки с меньшей индукцией в точку с большей индукцией (например, при разборке и сборке элек­тродвигателя) происходит по кривым возврата, не совпадающим с кривой размагничивания.

В связи с этим важным преимуществом используемых в автотракторной промышленности оксидно-бариевых магнитов является не только их относительная дешевизна, но и совпадение в определенных пределах (до точки перегиба) кривых возврата и размагничивания. Если воздействие внешних размагничивающих факторов таково, что рабочая точка магнита перемещается за колено, то возврат в точку К уже невозможен и рабочей точкой в собранной системе будет уже точка К 1 с меньшей индукцией. Поэтому при расчете электродвигателей с постоянными магнитами очень важен правильный выбор объема магнита, обеспечивающий не только рабочий режим работы электродвигателя, но и стабильность рабочей точки при воздействии максимально возможных размагничивающих факторов.

Электродвигатели предпусковых подогревателей. Предпусковые нагреватели используются для обеспечения надежного пуска ДВС при низких температурах. Назначение электродвигателей этого типа - подача воздуха для поддержания горения в бензиновых подогревателях, подача воздуха, топлива и обеспечение циркуляции жидкости в дизелях.

Особенностью режима работы является то, что при таких температурах необходимо развивать большой пусковой момент и функционировать непродолжительное время. Для обеспечения этих требований электродвигатели предпусковых подогревателей выполняются с последовательной обмоткой и работают в кратковременном и повторно-кратковременном режимах. В зависимости от температурных условий электродвигатели имеют различную продолжительность включения: -5...-10 0 С не более 20 мин; -10...-25 0 С не более 30 мин; -25...-50 0 С не более 50 мин.

Нашедшие широкое применение в предпусковых подогревателях электродвигатели МЭ252 (24В) и 32.3730 (12В) имеют номинальную мощность 180 Вт и частоту вращения 6500 мин -1 .

Электродвигатели для привода вентиляционных и отопительных установок. Венти­ляционные и отопительные ус­тановки предназначены для обогрева и вентиляции салонов легковых автомобилей, автобу­сов, кабин грузовых автомобилей и тракторов. Действие их осно­вано на использовании тепла двигателя внутреннего сгорания, а производительность в значи­тельной степени зависит от ха­рактеристик электропривода. Все электродвигатели такого назна­чения представляют собой двигатели длительного режима работы, эксплуатируемые при температуре окружающей среды -40...+70°С. В зависимости от компоновки на автомобиле отопительной и вен­тиляционной установки электродвигатели имеют разное направле­ние вращения. Эти электродвигатели одно- или двухскоростные в основном с возбуждением от постоянных магнитов. Двухскорост­ные электродвигатели обеспечивают два режима работы отопи­тельной установки. Частичный режим работы (режим низшей ско­рости, а следовательно, и низшей производительности) обеспечивается за счет дополнительной обмотки возбуждения.

На рис. 7.3 показано устройство электродвигателя с возбужде­нием от постоянных магнитов для отопителей. Он состоит: 1 и 5 – подшипник скольжения; 2 – постоянный магнит; 3 – щеткодержатель; 4 – щетка; 6 – коллектор; 7 – траверса; 8 – крышка; 9 – крепежная пластина; 10 – пружина; 11 – якорь; 12 – корпус. Постоянные магни­ты 2 закреплены на корпусе 12 пружинами 10. Крышка 8 прикре­плена к корпусу винтами, которые вворачиваются в крепежные пластины 9, расположенные в пазах корпуса. В корпусе и крыш­ке установлены подшипники 7 и 5 в которых вращается вал якоря 11. Все щеткодержатели 3 находятся на траверсе 7 из изоля­ционного материала.

Траверса закреплена на крышке 8. Щетки 4, по которым ток подводится к коллектору6, размещены в щеткодержателях 3 коробчатого типа. Коллекторы, так же, как и в электродвигателях с электромагнитным возбуждением штампуются из медной ленты с последующей опрессовкой пластмассой или из трубы с про­дольными пазами на внутренней поверхности.

Крышки и корпус изготовлены из листовой стали. У электро­двигателей стеклоомывателей крышка и корпус могут быть выпол­нены из пластмассы.

Кроме отопительных установок, использующих тепло ДВС, на­ходят применение отопительные установки независимого действия. В этих установках электродвигатель, имеющий два выхода вала, приводит во вращение два вентилятора, один направляет холод­ный воздух в теплообменник, а затем в отапливаемое помещение, другой подает воздух в камеру горения.

Применяемые на целом ряде моделей легковых и грузовых авто­мобилей электродвигатели отопителей имеют номинальную мощ­ность 25...35 Вт и номинальную частоту вращения 2500...3000 мин -1 .

Электродвигатели для привода стеклоочистительных устано­вок. К электродвигателям, используемым для привода стеклоочи­стителей, предъявляются требования обеспечения жесткой меха­нической характеристики, возможности регулирования частоты вращения при различных нагрузках, повышенного пускового момен­та. Это связано со спецификой работы стеклоочистителей - надеж­ной и качественной очистки поверхности ветрового стекла в раз­личных климатических условиях.

Для обеспечения необходимой жесткости механической харак­теристики используются двигатели с возбуждением от постоянных магнитов, с параллельным и смешанным возбуждением, а для уве­личения момента и снижения частоты вращения используется спе­циальный редуктор. В некоторых электродвигателях редуктор вы­полнен как составная часть электродвигателя. В этом случае элек­тродвигатель называют моторедуктором. Изменение скорости элек­тродвигателей с электромагнитным возбуждением достигается из­менением тока возбуждения в параллельной обмотке. В электро­двигателях с возбуждением от постоянных магнитов изменение частоты вращения якоря достигается установкой дополнительной щетки и организацией прерывистого режима работы.

На рис. 7.4 приведена принципиальная схема электропривода стеклоочистителя СЛ136 с электродвигателем на постоянных маг­нитах. Режим прерывистой работы стеклоочистителя осуществляет­ся включением переключателя 1 в положение III . В этом случае в цепь якоря 4 электродвигателя включается реле 7. Реле имеет нагревательную спираль 8, которая нагревает биметаллическую пла­стину 9. По мере нагрева биметаллическая пластина изгибается и контакты 10 размыкаются, отключая питание реле 11, контакты 12 которого прерывают питание якорной цепи электродвигателя. По­сле того, как пластина 9 остынет и замкнутся контакты 10, реле 11 сработает и на электродвигатель вновь будет подаваться питание. Цикл работы стеклоочистителя повторяется 7-19 раз в минуту.

Режим малой скорости осуществляется путем включения пере­ключателя 1 в положение II . При этом питание на якорь 4 электро­двигателя подается через дополнительную щетку 3, установленную под углом к основным щеткам. В этом режиме ток проходит только по части обмотки якоря 4, что является причиной уменьшения час­тоты вращения якоря и вращающего момента. Режим большой ско­рости стеклоочистителя происходит при установке переключателя 1 в положение I . При этом питание электродвигателя осуществляется через основные щетки и ток проходит по всей обмотке якоря. При установке переключателя 1 в положение IV питание подается на якоря 4 и 2 электродвигателей стеклоочистителя и омывателя вет­рового стекла и происходит их одновременная работа. После вы­ключения стеклоочистителя (положение переключателя 0) электро­двигатель остается включенным под напряжение до момента под­хода кулачка б к подвижному контакту 5. В этот момент кулачок ра­зомкнет цепь и двигатель остановится. Выключение электродвигателя в строго определенный момент необходимо для укладки щеток стеклоочистителя в первоначальное положение. В цепь якоря 4 электродвигателя включен термобиметаллический предохранитель 13, который предназначен для ограничения силы тока в цепи при перегрузке.

Работа стеклоочистителя при моросящем дожде или слабом снеге осложняется тем, что на ветровое стекло попадает мало вла­ги. По этой причине увеличиваются трение и износ щеток, а также расход энергии на очистку стекла, что может вызвать перегрев при­водного двигателя. Периодичность включения на один-два такта и выключение, осуществляемое водителем вручную, неудобно, да и небезопасно, так как внимание водителя на короткое время отвле­кается от управления автомобилем.

Для организации кратковременного включения стеклоочистителя система управления электродвигателем может дополняться элек­тронным регулятором тактов, который через определенные проме­жутки времени автоматически выключает электродвигатель стекло­очистителя на один-два такта. Интервал между остановками стек­лоочистителя может изменяться в пределах 2...30 с. Большинство моделей электродвигателей стеклоочистителей имеют номиналь­ную мощность 12...15 Вт и номинальную частоту вращения 2000...3000 мин -1 .

В современных автомобилях получили распространение стекло-омыватели переднего стекла и фароочистители с электрическим приводом. Электродвигатели смывателей и фароочистителей ра­ботают в повторно-кратковременном режиме и выполняются с воз­буждением от постоянных магнитов, имеют небольшую номиналь­ную мощность (2,5...10 Вт).

Помимо перечисленных назначений, электродвигатели исполь­зуются для привода различных механизмов: подъема стекол две­рей и перегородок, перемещения сидений, привода антенн и др. Для обеспечения большого пускового момента эти электродвигате­ли имеют последовательное возбуждение, используются в кратко­временном и повторно-кратковременном режимах работы.

В процессе работы электродвигатели должны обеспечивать из­менение направления вращения, т. е. быть реверсивными. Для это­го в них имеются две обмотки возбуждения, попеременное включе­ние которых обеспечивает разные направления вращения. Конст­руктивно электродвигатели этого назначения выполнены в одной геометрической базе и по магнитной системе унифицированы с электродвигателями отопителей мощностью 25 Вт.

Электропривод с каждым годом находит все большее примене­ние на автомобилях. Требования к электродвигателям постоянно возрастают, и это связано с повышением качества различных сис­тем автомобиля, безопасности движения, снижением уровня ра­диопомех, токсичности, повышением технологичности изготовле­ния. Выполнение этих требований обусловило переход от электро­двигателей с электромагнитным возбуждением к электродвигате­лям с возбуждением от постоянных магнитов. При этом масса элек­тродвигателей снизилась, а КПД увеличился примерно в 1,5 раза. Их срок службы достигает 250...300 тыс. км пробега.

Электродвигатели отопительных, вентиляционных и стеклоочистительных устройств разрабатываются на базе четырех типораз­меров анизотропных магнитов. Это позволяет сократить число вы­пускаемых типов электродвигателей и провести их унификацию.

Другим направлением является применение в конструкциях электродвигателей эффективных фильтров радиопомех. Для элек­тродвигателей мощностью до 100 Вт фильтры будут унифициро­ваться применительно к каждой базе электродвигателя и выпол­няться встроенными. Для перспективных электродвигателей мощ­ностью 100...300 Вт разрабатываются фильтры с применением конденсаторов - проходных или блокировочных больших емкостей. В случае невозможности обеспечения требований по уровню ра­диопомех за счет встроенных фильтров намечаются применение выносных фильтров и экранирование электродвигателей.

В более отдаленной перспективе предполагается использовать бесконтактные двигатели постоянного тока. Эти двигатели снабжа­ются статическими полупроводниковыми коммутаторами, заме­щающими механический коммутатор-коллектор, и встроенными датчиками положения ротора. Отсутствие щеточно-коллекторного узла позволяет увеличить ресурс электродвигателя до 5 тыс. ч и более, значительно повысить его надежность и снизить уровень радиопомех.

Проводятся работы по созданию электродвигателей с ограни­ченными осевыми размерами, что необходимо, например, для при­вода вентилятора охлаждения ДВС. В этом направлении поиск ве­дется по пути создания двигателей с торцовым коллектором, кото­рый располагают совместно со щетками внутри полого якоря, или с дисковыми якорями, выполненными со штампованной или печатной обмоткой.

Имеют свое продолжение разработки специальных электродви­гателей, в частности герметизированных электродвигателей предпусковых подогревателей, что необходимо для повышения надеж­ности и применения на специальных автомобилях.

На современном автомобиле установлено большое число агрегатов, требующих для приведения в действие затрат механической энергии. Эту энергию они получают в большинстве случаев от электродвигателей.

Электродвигатель с механизмом передачи механической энергии и схемой управления электродвигателем образуют систему электропривода автомобиля . Для передачи энергии в автомобильном электроприводе используются зубчатые и червячные передачи, кривошипно-шатунные механизмы. Часто электродвигатель и механизм передачи механической энергий объединяют в моторедуктор или электродвигатель совмещают с исполнительным элементом.

Электроприводы автомобиля приводят в действие вентиляторы отопителей и системы охлаждения двигателя, стеклоподъемники, устройства выдвижения антенн, стеклоочистители, насосы омывателей, фароочистители , подогреватели, топливные насосы и т.п. Расмотрим требования предъявляемые к электродвигателям и типы электрических двигателей используемых в системах электропривода агрегатов автомобиля.

Электродвигатели приводов агрегатов автомобиля

Требования, предъявляемые к электродвигателям, весьма разнообразны. Электродвигатели отопителей и вентиляторов автомобиля имеют продолжительный режим работы и малый пусковой момент; электродвигатели стеклоподъемника обладают большим пусковым моментом, но работают кратковременно; электродвигатели стеклоочистителей воспринимают переменные нагрузки и, следовательно, должны обладать жесткой выходной характеристикой, частота вращения вала не должна существенно меняться при перемене нагрузки; электродвигатели предпусковых подогревателей должны нормально работать при очень низких температурах окружающего воздуха.

В приводах агрегатов автомобиля применяют электродвигатели только постоянного тока . Их номинальные мощности должны соответствовать ряду 6, 10, 16, 25, 40, 60, 90, 120, 150, 180, 250, 370 Вт, а номинальные частоты вращения валов ряду 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 8000, 9000 и 10 000 об/мин.

Электродвигатели с электромагнитным возбуждением в системе электропривода агрегатов автомобиля имеют последовательное, параллельное или смешанное возбуждение. Реверсивные электродвигатели снабжены двумя обмотками возбуждения. Однако применение электродвигателей с электромагнитным возбуждением в настоящее время сокращается. Более широко распространены электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов.

Конструкции электродвигателей чрезвычайно разнообразны.

Рис. 2. Электродвигатель отопителя

На рис. 2 показано устройство электродвигателя отопителя. Постоянные магниты 2 закреплены на корпусе 12 электродвигателя пружинами 10. Вал якоря 11 установлен в металлокерамических подшипниках 1 и 5, расположенных в корпусе и в крышке 8. Крышка крепится к корпусу винтами, ввернутыми в пластины 9. Ток к коллектору 6 подводится через щетки 4, помещенные в щеткодержатель 3. Траверса 7 из изоляционного материала, объединяющая все щеткодержатели в общий узел, прикреплена к крышке 8.

На электродвигателях мощностью до 100 Вт общим является применение подшипников скольжения с металлокерамическими вкладышами, щеткодержателей коробчатого типа и коллекторов, штампованных из медной ленты с опрессовкой пластмассой. Применяют и коллекторы, изготовленные из трубы, имеющей на внутренней поверхности продольные пазы.

Крышки и корпус изготовляют цельнотянутыми из листовой стали. В электродвигателях стеклоомывателей крышки и корпус - пластмассовые. Статор электродвигателей электромагнитного возбуждения набирают из пластин; причем оба полюса и ярмо штампуют как одно целое из листовой стали.

Постоянные магниты типов 1 и 2 (см. табл. ниже) устанавливают в магнитопровод, залитый в пластмассовый корпус. Магниты типов 3, 4 и 5 прикрепляют к корпусу плоскими стальными пружинами или приклеивают. Магнит типа 6 устанавливают и приклеивают в магнитопровод, который размещается в крышке электродвигателя. Якорь набирают из пластин электротехнической стали толщиной 1-1,5 мм.

Технические данные основных типов электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов

таблица 1. Основные типы электродвигателей в электроприводах отечественных автомобилей.

Электродвигатель	Тип магнита	Назначение	Напряжение, В	Полезная мощность, Вт		Масса, кг
МЭ268	1	Привод омывателей	12	10	9000	0,14
МЭ268Б	1	То же	24	10	9000	0,15
45.3730	4	Привод отопителей	12	90	4100	1
МЭИ	3	То же	12	5	2500	0,5
МЭ237	4	»	24	25	3000	0,9
МЭ236	4	»	12	25	3000	1
МЭ255	4	»	12	20	3000	0,8
19.3730	5	»	12	40	2500	1,3
МЭ250	5	»	24	40	3000	1,3
МЭ237Б	4	Привод стекло- очистителей	12	12	2000	0,9
МЭ237Е	4	То же	24	12	2000	0,9
МЭ251	2	Привод вентиляра	24	5	2500	0,5
МЭ272	6	То же	12	100	2600	2,25

Технические данные основных типов электродвигателей с электромагнитным возбуждением

таблица 2. Основные типы электродвигателей в электроприводах отечественных автомобилей.

Электродвигатель	Назначение	Напряжение, В	Полезная мощность, Вт	Частота вращения вала, об/мин	Масса, кг
МЭ201	Привод отопителей	12	11	5500	0,5
МЭ208	То же	24	11	5500	0,5
МЭНА	Привод стеклоочисти-телей	12	15	1500	1,3
МЭ202	Привод предпускового	12	11	4500	0,5
МЭ202Б	То же	24	11	4500	0,5
МЭ252	»	24	180	6500	4,7
32.3730	»	12	180	6500	4,7
МЭ228А	Привод антенны	12	12	4000	0,8

Электродвигатели мощностью более 100 Вт близки по конструкции к генераторам постоянного тока . Они имеют корпус, изготовленный из полосовой малоуглеродистой стали или из трубы, на котором винтами закреплены полюса с обмоткой возбуждения. Крышки стянуты между собой болтами. В крышках расположены шариковые подшипники. Реактивные щеткодержатели обеспечивают стабильную работу щеток на коллекторе.

Двухскоростные двигатели с электромагнитным возбуждением имеют выводы каждой катушки возбуждения, электродвигатели с постоянными магнитами оборудованы третьей дополнительной щеткой, при подаче питания на которую частота вращения вала увеличивается.

Технические данные основных типов электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов представлены в табл. 1, а с электромагнитным возбуждением в табл. 2.

Прогресс не стоит на месте и все движется вперед и развивается. Это относится и к системам электроприводов. Появление частотно-регулируемых электроприводов и различных способов управления ими вносит свои коррективы в степень развития этих устройств. И это привело к тому, что асинхронный электропривод постепенно начинает заменять машины постоянного тока в тяговых системах – электропоездах, троллейбусах, магистральных электровозах. Не исключения и автомобильная техника.

Современные реалии таковы, что эксплуатация и обслуживание приводов постоянного тока в экскаваторах и большегрузных самосвалах сопряжено с целым рядом неудобств, но современное развитие науки, а также наличие необходимой элементной базы значительно облегчило решение этой задачи. Именно поэтому в 2005 году конструкторы «Силовых машин» приступили к созданию новой линейки электроприводов – асинхронных (частотных). Они разрабатываются специально для производимых ОАО «БЕЛАЗ» погрузчиков и карьерных самосвалов, а также мощных экскаваторов, выпускаемых заводами «Уралмаш» и «Ижорские заводы».

Тяговый асинхронный электропривод

Система асинхронный двигатель – преобразователь частоты на сегодняшний день, пожалуй, самая сложная из систем электроприводов. В основе тягового асинхронного привода лежит векторное управление. Также необходимо обеспечить многоуровневую систему защит и сигнализаций для безопасной работы систем, и, соответственно системы программного обеспечения и визуализации для обеспечения возможности мониторинга и настроек системы.

Но помимо значительного усложнения системы управления тяговым асинхронным электроприводом он обладает значительными преимуществами, по сравнению со старыми системами постоянного тока, которые использовались в карьерных самосвалах ОАО «БЕЛАЗ»:

• Отсутствие коллекторно-щеточного узла, присущего системе , что уменьшает затраты на эксплуатацию значительно.
• Кроме того, тяговый электродвигатель расположен так, что электрику необходимо буквально протискиваться к нему, что тоже предъявляет особые требования к обслуживающему персоналу.
• При неудовлетворительном состоянии коллектора могут понадобится более сложные ремонтные работы – а это простой и убытки. В асинхронной машине коллектора просто нет.
• При работе на постоянном токе переключения между тяговым и тормозным режимом производилось механически – с помощью контакторов. В системе с АД переключения производятся силовыми вентилями, с помощью алгоритмов управления ПЧ.

Стоимость. За и против

Стоимость тягового асинхронного электропривода довольно высока и это отпугивает. Но помимо затрат на приобретение, монтаж и пуско-наладку существуют затраты и на эксплуатацию. За счет того, что щеточно-коллекторный узел в АД с КЗ ротором

отсутствует, то значительно снижаются затраты на эксплуатацию. Ведь основным слабым местом машин постоянного тока является именно коллекторный узел, который необходимо периодически чистить, менять щетки, а иногда и сам коллектор. Также асинхронники меньше по габаритным размерам, чем ДПТ. Преобразователи частоты оборудованы устройствами диагностики и сигнализации, что помогает находить и устранять неисправности. Также при выходе из строя какого-то элемента достаточно заменить ячейку или силовой модуль устройства, и оно готово к работе.

Тенденции развития различных систем автомобиля, связанные с повышением экономичности, надежности, комфорта и безопасности движения, приводят к тому, что роль электрооборудования, в част­ности электропривода вспомогательных систем, неуклонно возрас­тает. В настоящее время даже на грузовых автомобилях устанав­ливается минимум 3-4 электродвигателя, а на легковых - 5 и более, в зависимости от класса.

Электроприводом называется электромеханическая система, со­стоящая из электродвигателя (или нескольких электродвигателей), передаточного механизма к рабочей машине и всей аппаратуры для управления электродвигателем. Основными устройствами автомобиля, где находит применение электропривод, являются отопители и вентиляторы салона, предпусковые подогреватели, стекло- и фаро­очистители, механизмы подъема стекол, антенн, перемещения сиде­ний и др.

Требования, предъявляемые к электродвигателям, устанавливае­мым в том или ином узле автомобиля, обусловлены режимами рабо­ты этого узла. При выборе типа двигателя необходимо сопоставить условия работы привода с особенностями механических характеристик различных видов электродвигателей. Принято различать естественную и искусственную механические характеристики двигателя. Первая соответствует номинальным условиям его включения, нормальной схеме соединений и отсутствию каких-либо добавочных элементов в цепях двигателя. Искусственные характеристики получаются при изменении напряжения на двигателе, включении добавочных элементов в цепи двигателя и соединении этих цепей по специальным схемам.

Структурная схема электронной системы управления подвеской

Одним из наиболее перспективных направлений в развитии электропривода вспомогательных систем автомобиля является со­здание электродвигателей мощностью до 100Вт с возбуждением от
постоянных магнитов. Применение постоянных магнитов позволяет в значительной мере повысить технико-экономические показатели электродвигателей: уменьшить массу, габаритные размеры повысить КПД. К преимуществам следует отнести отсутствие обмотки возбуждения, что упрощает внутренние соединения, повышает надежность электродвигателей. Кроме того, благодаря независимомувозбуждению все электродвигатели с постоянными магнитами могут быть реверсивными.

Принцип действия электрических машин с постоянными магнитами аналогичен общеизвестному принципу действия машин с электромагнитным возбуждением - в электродвигателе взаимодейст­вие полей якоря и статора создает вращающий момент. Источник магнитного потока в таких электродвигателях - постоянный магнит. Полезный поток, отдаваемый магнитом во внешнюю цепь, не явля­ется постоянным, а зависит от суммарного воздействия внешних размагничивающих факторов. Магнитные потоки магнита вне сис­темы электродвигателя и в электродвигателе в сборе различны. Причем для большинства магнитных материалов процесс размаг­ничивания магнита необратим, так как возврат из точки с меньшей индукцией в точку с большей индукцией (например при разборке и сборке электродвигателя) происходит по кривым возврата, не сов­падающим с кривой размагничивания (явление гистерезиса). По­этому при сборке электродвигателя магнитный поток магнита стано­вится меньше, чем он был перед разборкой электродвигателя.

В связи с этим важным преимуществом используемых в авто­тракторной промышленности оксидно-бариевых магнитов является не только их относительная дешевизна, но и совпадение в определенных пределах кривых возврата и размагничивания. Но даже в них при сильном размагничивающем воздействии магнитный по­ток магнита после снятия размагничивающих воздействий стано­вится меньше. Поэтому при расчете электродвигателей с постоян­ными магнитами очень важен правильный выбор объема магнита, обеспечивающего не только рабочий режим электродвигателя, но и стабильность рабочей точки при воздействии максимально возмож­ных размагничивающих факторов.

Электродвигатели предпусковых подогревателей. Предпуско­вые подогреватели используются для обеспечения надежного пуска ДВС при низких температурах.. Назначение электродвигателей это­го типа - подача воздуха для поддержания горения в бензиновых подогревателях, подача воздуха, топлива и" обеспечение циркуляции жидкости в дизелях.

Особенностью режима работы является то, что при таких тем­пературах необходимо развивать большой пусковой момент и функ­ционировать непродолжительное время. Для обеспечения этих тре­бований электродвигатели предпусковых подогревателей выполня­ются с последовательной обмоткой и работают в кратковременном и повторно-кратковременном режимах. В зависимости от температур­ных условий электродвигатели имеют различную продолжитель­ность включения: при минус 5...минус 10 "С не более 20 мин; при минус 10...минус 2.5 °С не более 30 мин; при минус 25...минус 50 °С не более 50 мин.

Номинальная мощность большинства электродвигателей в пред­пусковых подогревателях составляет 180 Вт, частота их вращения равна 6500 мин" 1 .

Электродвигатели для привода вентиляционных и отопитель­ных установок. Вентиляционные и отопительные установки предна­значены для обогрева и вентиляции салонов легковых автомобилей, автобусов, кабин грузовых автомобилей и тракторов. Действие их основано на использовании тепла двигателя внутреннего сгорания, а производительность в значительной степени зависит от характерис­тик электропривода. Все электродвигатели такого назначения пред­ставляют собой двигатели длительного режима работы, эксплуа­тируемые при температуре окружающей среды минус 40...+70 °С. В зависимости от компоновки на автомобиле отопитель­ной и вентиляционной установок электродвигатели имеют разное направление вращения. Эти электродвигатели одно- или двухскоростные в основном, с возбуждением от постоянных магнитов. Двухскоростные электродвигатели обеспечивают два режима работы отопительной установки. Частичный режим работы (режим низшей скорости, а следовательно, и низшей производительности) обеспечи­вается за счет дополнительной обмотки возбуждения.

Кроме отопительных установок, использующих тепло ДВС, на­ходят применение отопительные установки независимого действия. В этих установках электродвигатель, имеющий два выходных вала, приводит во вращение два вентилятора, один направляет холодный воздух в теплообменник, а затем в отапливаемое помещение, другой подает воздух в камеру горения.

Применяемые на целом ряде моделей легковых и грузовых ав­томобилей электродвигатели отопителей имеют номинальную мощ­ность 25-35 Вт и номинальную частоту вращения 2500-3000 мин 1 .

Электродвигатели для привода стеклоочистителъных устано­вок. К электродвигателям, используемым для привода стеклоочис­тителей, предъявляются требования обеспечения жесткой механи­ческой характеристики, возможности регулирования частоты вра­щения при различных нагрузках, повышенного пускового момента. Это связано со спецификой работы стеклоочистителей - надежной и качественной очистки поверхности ветрового стекла в различных климатических условиях.

Для обеспечения необходимой жесткости механической харак­теристики используются двигатели с возбуждением от постоянных магнитов, двигатели с параллельным и смешанным возбуждением, а для увеличения момента и снижения частоты вращения использу­ется специальный редуктор. В некоторых электродвигателях ре­дуктор выполнен как составная часть электродвигателя. В этом слу­чае электродвигатель называют моторедуктором. Изменение скорос­ти электродвигателей с электромагнитным возбуждением дости­гается изменением тока возбуждения в параллельной обмотке. В электродвигателях с возбуждением от постоянных магнитов измене­ние частоты вращения якоря достигается установкой дополни­тельной щетки.

На рис. 8.2 приведена принципиальная схема электропривода стеклоочистителя СЛ136 с электродвигателем на постоянных маг­нитах. Режим прерывистой работы стеклоочистителя осуществля­ется включением переключателя 5А в положение III. В этом случае цепь якоря 3 электродвигателя стеклоочистителя является следующей: «+» аккумуляторной батареи GВ - термобиметаллический преобразователь 6 - переключатель SА (конт. 5, 6) - контакты K1:1 - SА (конт. 1, 2) - якорь - «масса». Параллельно якорю че­рез контакты К1:1 к аккумуляторной батарее подключается чувст­вительный элемент (нагревательная спираль) электротеплового реле КК1. Через определенное время нагрев чувствительного элемента приводит к размыканию контактов электротеплового реле КК1:1. Это вызывает размыкание цепи питания обмотки реле К1. Это реле отключается. Его контакты К1:1 размыкаются, а контакты К1:2 становятся замкнутыми. Благодаря контактам реле К1:2 и контак­там конечного выключателя 80 электродвигатель остается подклю­ченным к аккумуляторной батарее до тех пор, пока щетки стекло­очистителя не займут исходное положение. В момент укладки щеток кулачок 4 размыкает контакты 80, в результате чего электро­двигатель останавливается. Очередное включение электродвигателя произойдет, когда чувствительный элемент электротеплового реле КК1 остынет и это реле вновь отключится. Цикл работы стеклоочи­стителя повторяется 7-19 раз в минуту. Режим малой скорости обеспечивается путем включения пере­ключателя в положение И. При этом питание якоря 3 электродвига­теля осуществляется через дополнительную щетку 2, установленную под углом к основным щеткам. В этом режиме ток проходит только по части обмотки якоря 3. что является причиной уменьшения частоты вращения якоря. Режим большой скорости стеклоочистителя происходит при установке переключателя ЗА в положение I. При этом питание электродвигателя осуществляется через основные щет­ки и ток проходит по всей обмотке якоря. При установке переклю­чателя ЗА в положение IV напряжение подается на якори 3 и 1 электродвигателей стеклоочистителя и омывателя ветрового стекла и происходит их одновременная работа.

Рис. 8.2. Принципиальная схема электропривода стеклоочистителя:

1 - якорь электродвигателя омывателя; 2 - дополнительная щетка;

3 - якорь электродвигателя стеклоочистителя; 4 - кулачок;

5 - реле времени; б - термобиметаллический предохранитель

После выключения стекло­очистителя (положение переключателя «О»-) благодаря конечному вы­ключателю 50 электродвигатель остается включенным до момента ук­ладки щеток в исходное положение. В этот момент кулачок 4 разомк­нет цепь и двигатель остановится. В цепь якоря 3 электродвигателя включен термобиметаллический предохранитель 6, который предна­значен для ограничения силы тока в цепи при перегрузке.

Работа стеклоочистителя при моросящем дожде или слабом снеге осложняется тем, что на ветровое стекло попадает мало влаги. По этой причине увеличиваются трение и износ щеток, а также расход энергии на очистку стекла, что может вызвать перегрев приводного двигателя. Периодичность включения на один - два такта и выключение, осуществляемое водителем вручную, неудобны, да и небезопасны, так как внимание водителя на короткое время отвлекается I от управления автомобилем. Поэтому для организации кратковре­менного включения стеклоочистителя система управления электро­двигателем дополняется электронным регулятором тактов, который через определенные промежутки времени автоматически выключает электродвигатель стеклоочистителя на один - два такта. Интервал между остановками стеклоочистителя может изменяться в пределах 2-30 с. Большинство моделей электродвигателей стеклоочистителей имеет номинальную мощность 12-15 Вт и номинальную частоту вращения 2000-3000 мин" 1 .

В современных автомобилях получили распространение стеклоомыватели переднего стекла и фароочистители с электрическим приводом. Электродвигатели омывателей и фароочистителей рабо­тают в повторно-кратковременном режиме и выполняются с воз­буждением от постоянных магнитов, имеют небольшую номиналь­ную мощность (2,5-10 Вт).

Помимо перечисленных назначений, электродвигатели исполь­зуются для привода различных механизмов: подъема стекол дверей и перегородок, перемещения сидений, привода антенн и др. Для обеспечения большого пускового момента эти электродвигатели