PL203234B1 - Przekształtnik elektromechaniczny - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest przekształtnik elektromechaniczny.

Znany jest przekształtnik elektromechaniczny, a zwłaszcza elektryczna przekładnia bezstopniowa zawierająca wał pierwotny, z osadzonym na nim wirnikiem, wał wtórny z osadzonym na nim wirnikiem pośrednim, i stojan, na stałe przymocowany do obudowy przekształtnika elektromechanicznego, przy czym kolejno, od strony wału pierwotnego w kierunku promieniowym, rozmieszczone są wzajemnie współśrodkowo wirnik, wirnik pośredni i stojan. Wirnik i stojan są wykonane z co najmniej jednym dostępnym elektrycznie uzwojeniem jedno- lub wielofazowym. Część mocy dostarczanej za pośrednictwem wału pierwotnego może być przepuszczana bezpośrednio na drodze elektromagnetycznej do wirnika pośredniego na wale wtórnym, natomiast inna część może być pobierana, z użyciem na przykład pierścieni ślizgowych, z wału pierwotnego, i za pośrednictwem przekształtników elektronicznych być podawana do stojana. Ponadto, kierunek przenoszenia mocy może zostać odwrócony, a prędkość wyjściowa może być zarówno wyższa, jak niższa, niż prędkość wejściowa. Prędkości te mogą zmieniać również znak.

Takie przekształtniki elektromechaniczne są znane, między innymi, z międzynarodowego zgłoszenia patentowego WO 00/34066, z opisu patentowego USA 3.683.249 i z europejskiego zgłoszenia patentowego EP-A-0 866 544. Mogą one być stosowane w postaci elektrycznej przekładni bezstopniowej (EVT) nie tylko w różnych pojazdach drogowych, zwłaszcza autobusach, lecz również w pojazdach szynowych, na przykład zespołach dieslowskich, i na statkach.

W szczególno ś ci, w opisie WO 00/34066 opisano napę d hybrydowy, z przekładnią elektromechaniczną, zawierającą stojan, który otacza dwa umieszczone koncentrycznie wirniki, przy czym te wirniki są mechanicznie sprzężone, odpowiednio, z silnikiem spalinowym i zespołem napędowym. Wirnik zewnętrzny, który jest rozmieszczony między wirnikiem wewnętrznym a stojanem, w kontekście niniejszego zgłoszenia nazywany jest wirnikiem pośrednim. Wirnik z wirnikiem pośrednim, i wirnik pośredni ze stojanem w opisie WO 00/34066 tworzą dwie zintegrowane mechanicznie maszyny elektryczne, które mogą być typu zarówno synchronicznego, jak i asynchronicznego. Przekazywanie strumienia zarówno między wirnikiem a wirnikiem pośrednim, jak i wirnikiem pośrednim a stojanem jest promieniowe lub osiowe. Maszyny elektryczne są rozdzielone elektromagnetycznie: nie istnieje przekazywanie strumienia z wirnika za pośrednictwem wirnika pośredniego do stojana lub odwrotnie. Wirnik pośredni jest zbudowany z części sprzężonych mechanicznie, lecz rozdzielonych elektromagnetycznie. Każda z maszyn elektrycznych przekładni elektromechanicznej jest sterowana oddzielnymi środkami sterującymi.

Elektryczna przekładnia bezstopniowa (EVT) jest przekształtnikiem elektromechanicznym złożonym z dwóch części mechanicznych, mianowicie, wału pierwotnego (napędzającego) i wału wtórnego (napędzanego), oraz bramki elektrycznej, za pośrednictwem której można wymieniać energię. Jeżeli bramka elektryczna nie jest używana, to przekładnia EVT działa jako zwykła przekładnia bezstopniowa. Przekładnia EVT pełni funkcję, która jest porównywalna do funkcji sprzęgła i skrzyni biegów pojazdu. W połączeniu z przekładnią EVT, silnik spalinowy w rzeczywistości pracuje jako źródło energii, przy czym istnieje możliwość ustawienia prędkości zgodnie z optymalną charakterystyką silnika. Dzięki temu, możliwe jest zmniejszenie zużycia paliwa, poziomu hałasu i emisji gazów typu NOx z pojazdu. Ponieważ przekładnia EVT ma przełożenie zmienne bezstopniowo, nie ma szarpnięć związanych z przełączaniem biegów przy przyspieszaniu. Znaczy to również, że możliwe jest zawsze przyspieszanie przy stałej (maksymalnej dopuszczalnej) mocy, a nie, jak w konwencjonalnych skrzynkach biegów z bardziej lub mniej piłokształtnym przebiegiem mocy w funkcji czasu. Zatem przy tym samym silniku, przyspieszanie z przekładnią EVT przebiega szybciej, niż z konwencjonalną skrzynką biegów.

Przekładnia EVT, przy połączeniu bramki elektrycznej z akumulatorem pokładowym może pracować jako w zasadzie nie zużywający się rozrusznik. W konsekwencji tego, autobusy lokalne wyposażone w przekładnie EVT mogą, na przykład, wyłączać silnik na przystankach, co jest wygodniejsze i ponadto prowadzi do znacznej oszczędności paliwa, ponieważ częsty rozruch w przypadku standardowych rozruszników powoduje niepożądane zużywanie rozrusznika, i wieńca zębatego koła zamachowego.

Za pośrednictwem bramki elektrycznej, za pośrednictwem elektronicznego przekształtnika mocy, możliwe jest zasilanie sieci pokładowej, a zatem i ładowanie akumulatora pokładowego. W ten sposób otrzymuje się w zasadzie nie zużywającą się prądnicę. Konwencjonalne prądnice mają małą

PL 203 234 B1 sprawność, co prowadzi do małej oszczędności paliwa. W układzie elektrycznym ze wspólną prądnicą moc jest w praktyce ograniczana przez napęd pasowy i niskie napięcie pokładowe. Przy stosowaniu przekładni EVT, za pośrednictwem przekształtników elektromechanicznych, można po prostu wytwarzać wyższe napięcie, a moc jest ograniczona tylko przez silnik dieslowski. Znaczy to, że pewne urządzenia pomocnicze, które teraz są napędzane bezpośrednio przez silnik, jak na przykład pompa do wspomagania kierownicy, lub sprężarka w autobusie, mogą być napędzane elektrycznie, z dużą sprawnością. Mogą one wtedy być bez problemów włączane i wyłączane, co zmniejsza straty przy pracy bez obciążenia.

Prowadzi to również do oszczędności paliwa.

Za pomocą przekładni EVT jest możliwe proste hamowanie silnikiem. Moc hamowania może być wtedy zwiększona przez zwiększenie prędkości silnika. Jednakowoż towarzyszy temu zwiększona generacja hałasu. Poza tym, możliwe jest rozpraszanie energii hamowania w rezystancjach dołączonych do bramki elektrycznej. Umożliwia to hamowanie do zatrzymania, w odróżnieniu na przykład od konwencjonalnego zwalniacza w autobusie. Przy hamowaniu, ewentualnie, silnik może być nawet wyłączony, tak że zmniejsza się zużycie paliwa, i silnik w ogóle nie wytwarza hałasu.

Do bramki elektrycznej może być dołączony bufor w postaci akumulatora lub układu koła zamachowego. Za ich pomocą możliwe jest magazynowanie energii, która następnie może być wykorzystana ponownie do przyspieszania. To stosunkowo kosztowne rozszerzenie może zapewnić znaczną oszczędność paliwa, zwłaszcza w przypadku autobusów.

Bramka elektryczna czyni przekształtnik szczególnie odpowiednim do stosowania w pojazdach hybrydowych. Energia mechaniczna dla wału Cardana może być wytwarzana zarówno przez silnik spalinowy, jak i przez źródło elektryczne.

Najpoważniejszą wadą istniejących przekładni EVT jest ich masa. Jest ona znacznie większa, niż konwencjonalnej skrzynki biegów. Poza tym, istniejące przekładnie EVT są również bardziej kosztowne, niż konwencjonalna skrzynka biegów.

Jak już wspomniano, z patentu europejskiego EP-A-0 866 544 znany jest przekształtnik elektromechaniczny, jak opisany w akapicie wstępnym. Jednakowoż, przekształtnik elektromechaniczny opisany w dokumencie, ma tę wadę, że wirnik pośredni jest utworzony przez dwie części wirnikowe, które są wzajemnie połączone, lecz są rozdzielone elektromagnetycznie, tak że wirnik z jedną częścią wirnikową stanowi pierwszą maszynę, a druga część wirnikowa ze stojanem stanowi drugą maszynę pracującą niezależnie od pierwszej. Jakkolwiek w wyniku osiąga się tę zaletę, że strumień magnetyczny w tych dwóch maszynach może być sterowany osobno, to poważną wadą jest to, że z powodu takiej konstrukcji przekształtnik elektromechaniczny jest duży i ciężki.

Na pos. I przedstawiono w uproszczeniu podstawową konstrukcję przekładni EVT, znaną z europejskiego zgłoszenia patentowego EP-A-0 866 533. Ta przekładnia EVT składa się z części elektromechanicznej 1 i elektronicznej części 2 mocy. Część elektromechaniczna 1 zawiera obudowę 3, w której umieszczona jest pierwotna maszyna indukcyjna 4 z wałem pierwotnym 5, i wtórna maszyna indukcyjna 6 z wałem wtórnym 7. Te dwa wały, 5 i 7 są osadzone za pośrednictwem łożysk w obudowie 3. Pierwotna maszyna indukcyjna 4 w tej odmianie wykonania składa się z wirnika 8 utworzonego przez twornik zaopatrzony w pierścienie ślizgowe z dostępnym elektrycznie uzwojeniem wielofazowym, oraz niedostępnego elektrycznie twornika klatkowego 9. Wtórna maszyna indukcyjna 6 składa się z części stacjonarnej, stojana 10, połączonego na stałe z obudową 3 i twornika klatkowego 11 osadzonego na wale wtórnym. Wał wtórny 7 wtórnej maszyny indukcyjnej 6 jest również osadzony za pośrednictwem łożysk w wirniku 8. Stojan 10 ma dostępne elektrycznie uzwojenie wielofazowe. Między wirnikiem 8 i stojanem 10 może odbywać się wymiana energii elektrycznej za pośrednictwem elektronicznej części 2 mocy, która w niniejszym przypadku zawiera elektroniczny przekształtnik 12 mocy i elektroniczny przekształtnik elektromechaniczny 13 mocy, które obydwa są skonstruowane jako przekształtnik napięcia przemiennego na napięcie stałe. Te dwa przekształtniki są połączone wzajemnie po stronie napięcia stałego. Podstawą przekładni EVT według niniejszego wynalazku jest pierwotna maszyna indukcyjna 3, która pracuje jako pewnego rodzaju sprzęgło elektromagnetyczne. Maszyna wtórna działa jako silnik pomocniczy z prądnicą.

Dla uproszczenia objaśnienia działania tej znanej przekładni EVT załóżmy, że nie występują w niej straty. Po pierwsze, zakłada się, że twornik 8 z pierścieniami ślizgowymi jest zasilany ze źródła napięcia stałego następnie kształtowanego przez pierwotny przekształtnik napięciowy 12, i że wał wtórny 7 obraca się z tą samą w przybliżeniu prędkością, co wał pierwotny 5. Pole wirujące w pierwszej maszynie indukcyjnej 4 wtedy wiruje synchronicznie z twornikiem 8 zaopatrzonym w pierścienie

PL 203 234 B1 ślizgowe. Wtórna maszyna indukcyjna 6 jeszcze nie jest aktywna. W wyniku różnicy prędkości między wałem pierwotnym 5 a pierwotnym twornikiem klatkowym 9, a zatem wałem wtórnym 7, powstaje wirujące pole magnetyczne i w tworniku klatkowym 9 indukowany jest prąd elektryczny, tak że powstaje moment elektromagnetyczny, przy czym moment obrotowy wału pierwotnego jest przenoszony do wału wtórnego z tylko niewielkimi stratami poślizgu. Źródło napięcia stałego dostarcza tylko mocy do rozproszenia w rezystancji wirującego uzwojenia prądowego twornika 8 z pierścieniami ślizgowymi, które się poniżej zaniedbuje.

Przy normalnej pracy, pierwotny przekształtnik napięcia nie ma dostarczać napięcia stałego lecz napięcie przemienne, i za pośrednictwem elektronicznej części 2 mocy odbywa się wymiana energii.

Przy pominięciu kątowej prędkości poślizgu twornika klatkowego 9, co ma zastosowanie w warunkach stacjonarnych, to znaczy w warunkach równowagi momentu obrotowego, występuje zależność T₁=T_c1, gdzie T₁ jest momentem obrotowym wywieranym na wał pierwotny 5 przez, na przykład, silnik spalinowy, a T_c1 jest momentem obrotowym wywieranym za pośrednictwem pola elektromagnetycznego przez twornik 8 z pierścieniami ślizgowymi na wirnik klatkowy 9 pierwotnej maszyny indukcyjnej 4. Dla mocy mechanicznych można zapisać następujące zależności: P_m1 = ω_η1ϊ₁ i P_m12 = ω_π2Τ_ο1 = ω_η2Τ_ο1, przy czym P_m1 jest mocą mechaniczną dostarczaną za pośrednictwem wału pierwotnego 5, ω_π1 jest prędkością kątową wału pierwotnego 5, P_m12 jest mocą mechaniczną dostarczaną do wtórnej maszyny indukcyjnej 6, a ω_π2 jest prędkością kątową wału wtórnego 7. Różnica tych dwóch mocy Pe = (ω_π1 - ω_π2)Τ₁ jest usuwana za pośrednictwem kombinacji 14 pierścieni ślizgowych i stykających się z nimi szczotek, oraz elektronicznej części 2 mocy. Tutaj, (ω_π1 - ω_π2) reprezentuje prędkość pola wirującego w odniesieniu do twornika 8 z pierścieniami ślizgowymi; ta prędkość, wraz z momentem obrotowym szczeliny powietrznej, jest decydująca o mocy, która jest przetwarzana za pośrednictwem uzwojenia z prądami wirowymi. Jeżeli wał wtórny 7 wiruje z prędkością mniejszą (włącznie z pozostawaniem nieruchomy) niż wał pierwotny 5, to znaczy ω_π1 > ω_π2, to wtedy twornik 8 z pierścieniami ślizgowymi dostarcza mocy elektrycznej za pośrednictwem wspomnianej kombinacji 14 pierścieni ślizgowych i stykających się z nimi szczotek. W przypadku, kiedy ω_π1 < ω_π2 (nadbieg w pojazdach drogowych), odwrotnie, konieczne jest dostarczanie mocy elektrycznej do twornika 8 z pierścieniami ślizgowymi.

Poniżej zakłada się, że ω_π1 > ω_π2. Wtedy twornik 8 z pierścieniami ślizgowymi dostarcza mocy elektrycznej. Ta moc elektryczna jest dostarczana za pomocą przekształtników 12 i 13 mocy za pośrednictwem procesu konwersji, do wtórnej maszyny indukcyjnej 6. Załóżmy, że ten proces konwersji jest również bezstratny, i że nie występują poślizgowe prędkości kątowej i inne straty, tak że cała dostarczana moc elektryczna jest przekształcana w moc elektryczną. Co się tyczy momentu obrotowego wywieranego na wirnik wtórny, to: T_c1 = P_e/<a_m2 = (ω_π1 - ω_π2)Τ₁/ω_π2. Moment wywierany przez wał wtórny, na przykład na obciążenie mechaniczne, jest sumą momentu pierwotnego i momentu wywieranego na wirnik wtórny: T₂ = T₁ + T_c2 = ω_π1Τ₁/ω_π2. W tym przypadku (ω_π1 > ω_π2) moment wyjściowy jest większy, niż moment wejściowy.

W przypadku, w którym wał wtórny wiruje z prędkością większą, niż wał pierwotny (ω_π1 < ω_π2) powyższe równania po prostu pozostają ważne. W takim przypadku jednakowoż, za pośrednictwem kombinacji 14 pierścieni ślizgowych i stykających się z nimi szczotek, konieczne jest dostarczanie mocy elektrycznej do pierwotnej maszyny indukcyjnej 4 (Pe < 0). Mocy tej dostarcza wtórna maszyna indukcyjna 6, która przy tym pracuje jako prądnica. W tym położeniu roboczym, moment obrotowy, który jest wywierany na wirnik 11 wtórnej maszyny indukcyjnej 6 jest ujemny (T_c2 < 0) i T₂ będzie mniejsze, niż T1.

Z opisu patentowego US 5917248 znany jest przekształtnik elektromechaniczny, którego wirnik pośredni stanowi jedną całość zarówno mechanicznie, jak i elektromagnetycznie, i jest skonstruowany jako przewodnik dla strumienia magnetycznego przynajmniej w kierunku stycznym. W opisie patentowym US 5917248 przedstawiono dwie możliwości. Pierwszą możliwością jest wyposażenie wirnika pośredniego w stałe pole magnetyczne przy użyciu magnesów (np. stałych magnesów). Taki rodzaj wirnika pośredniego umożliwia przepływ strumienia w kierunku radialnym. Drugą możliwością jest wyposażenie wirnika pośredniego w zmienne pole magnetyczne, wykorzystując uzwojenia tworzące obwód elektryczny (klatki). Ten rodzaj wirnika pośredniego nie umożliwia przepływu strumienia w kierunku radialnym.

Ponadto, z europejskiego zgłoszenia patentowego EP-A-1 154 551 znane jest zastosowanie wirnika pośredniego stanowiącego jedną całość, ale wirnik pośredni opisany w tym zgłoszeniu nadaje

PL 203 234 B1 się tylko i wyłącznie do wykorzystania jako przewodnik strumienia magnetycznego w kierunku promieniowym. W tym celu, wirnik pośredni, opisany w tym europejskim zgłoszeniu patentowym jest wykonany z jednostki rurowej o stosunkowo cienkiej ścianie, podczas gdy, w kierunku stycznym, materiał przewodzący strumień występuje zawsze na przemian z materiałem nie przewodzącym strumienia magnetycznego lub przewodzącym go tylko w bardzo małym stopniu, zwłaszcza miedzią.

Przekształtnik elektromechaniczny, zawierający wał pierwotny, z osadzonym na nim wirnikiem, wał wtórny z osadzonym na nim wirnikiem pośrednim, i stojan na stałe przymocowany do obudowy przekształtnika elektromechanicznego, przy czym, kolejno od strony wału pierwotnego w kierunku promieniowym, rozmieszczone są wzajemnie współśrodkowo wirnik, wirnik pośredni i stojan, zaś wirnik i stojan zawierają co najmniej jedno uzwojenie, natomiast wirnik pośredni stanowi jedną całość zarówno mechanicznie, jak i elektromagnetycznie, i zawiera obwód magnetyczny i elektryczny, według wynalazku charakteryzuje się tym, że obwód magnetyczny zawiera cylinder przewodzący strumień magnetyczny, zaś obwód elektryczny zawiera liczne uzwojenia, tworzące obwód elektryczny, usytuowane w cylindrze przewodzącym strumień magnetyczny, natomiast wirnik pośredni jest zainstalowany jako przewodnik dla strumienia magnetycznego w kierunku stycznym i w kierunku promieniowym, przy czym wywieranie bezpośredniego momentu obrotowego pomiędzy wirnikiem a stojanem następuje przy magnetycznym nasyceniu wirnika pośredniego.

Wirnik pośredni zawiera obwód elektryczny i obwód magnetyczny, przy czym obwód magnetyczny zawiera cylinder mający dwie strony i po obu stronach biegnące wzdłużnie rowki, w których ułożone są uzwojenia krótkozwarte tworzące obwód elektryczny.

Wirnik pośredni jest utworzony przez cylinder przewodzący strumień magnetyczny, przy czym przekształtnik elektromechaniczny zawiera ponadto materiał magnetycznie twardy, usytuowany z jednej strony wirnika pośredniego oraz ciągnące się wzdłużnie rowki powiązane z drugą stroną wirnika pośredniego, w których usytuowane jest elektrycznie dostępne uzwojenie.

Uzwojenie stojana i uzwojenie wirnika są połączone wzajemnie za pośrednictwem przynajmniej jednego elektronicznego przekształtnika mocy.

Ten przynajmniej jeden elektroniczny przekształtnik mocy jest dostępny elektrycznie za pośrednictwem pojedynczej bramki elektrycznej.

Uzwojenie stojana i uzwojenie wirnika są dostępne oddzielnie za pośrednictwem elektronicznego przekształtnika mocy, i bramki elektronicznej.

Wynalazek umożliwia osiągnięcie pożądanych oszczędności objętości i ciężaru. W przekształtniku elektromechanicznym według niniejszego wynalazku, oczywiście, pozostaje przewodzenie strumienia w kierunku promieniowym.

Części maszyny elektrycznej są sprzężone elektromagnetycznie: występuje przewodzenie strumienia od wirnika przez wirnik pośredni do stojana, i na odwrót. Maszyna stanowi jedną całość zarówno pod względem mechanicznym, jak i elektromagnetycznym. Części przekładni elektromagnetycznej są sterowane przez pojedyncze urządzenie sterujące.

Z powodu w ła ś ciwoś ci wedł ug niniejszego wynalazku polegają cej na tym, ż e wirnik poś redni stanowi nie tylko przewodnik dla strumienia magnetycznego w kierunku promieniowym, lecz również w kierunku stycznym, to jest możliwe, co dodatkowo objaśniono poniżej, zastosowanie osłabiania strumienia w jednej części przekształtnika elektromechanicznego, podczas gdy nie czyni się tego w drugiej części.

Korzystne jest, jeśli obwód wirnika pośredniego, przewodzący strumień magnetyczny, w szczególności jarzmo z zębami, między którymi rozmieszczone są rowki, ma powierzchnię w zasadzie gładką po promieniowo wewnętrznej i/lub promieniowo zewnętrznej stronie wirnika pośredniego. W szczególności strona promieniowo wewnętrzna i/lub strona promieniowo zewnętrzna materiału przewodzącego strumień magnetyczny w obwodzie mają części wychodzące swobodnie na zewnątrz w odniesieniu do obrysu obwodu. Osią ga się w ten sposób to, ż e nie wystę pują bieguny wydatne wyznaczające określony stały wzór biegunów magnetycznych materiału przewodzącego strumień magnetyczny we wnętrzu, tak że wzór biegunów magnetycznych na materiale przewodzącym strumień magnetyczny jest dowolny i może być zmieniany podczas pracy. Należy zaznaczyć, że w tym kontekś cie przez w zasadzie gł adką powierzchnię rozumie się nie tylko powierzchnię cał kowicie gładką, lecz również mogącą zawierać powierzchnię, na której znajdują się rowki (szczeliny) skierowane promieniowo do wewnątrz w odniesieniu do obwodu gładkiego obrysu, na przykład w postaci walca kołowego. Takie wgłębienia wtedy stanowią mniej, niż połowę całego obwodu

PL 203 234 B1 powierzchni, odpowiednio, po promieniowo wewnętrznej lub promieniowo zewnętrznej stronie obwodu, a korzystnie mniej, niż około 20% - 30% obwodu.

Uzwojenie stojana i uzwojenie wirnika mogą być połączone wzajemnie za pośrednictwem przynajmniej jednego elektronicznego przekształtnika mocy. W wyniku tego otrzymuje się możliwość przekazywania energii elektrycznej od wirnika do stojana, na przykład podczas zjeżdżania pojazdu z góry lub na odwrót, na przykład na nadbiegu. W konkretnym przypadku ten przynajmniej jeden elektroniczny przekształtnik mocy może być dostępny elektrycznie za pośrednictwem pojedynczej bramki elektrycznej, na przykład dla umożliwienia dołączenia do akumulatora pokładowego, tak że dzięki przekładni EVT można otrzymać niezużywalny rozrusznik. Odwrotnie, z przekładni EVT za pośrednictwem tej bramki elektronicznej można ładować akumulator pokładowy, tak że otrzymuje się prądnicę pracującą w zasadzie bez zużycia. W innej odmianie wykonania uzwojenie stojana i uzwojenie wirnika mogą być dostępne oddzielnie za pośrednictwem elektronicznych przekształtników mocy, przez bramkę elektroniczną. W takim przypadku możliwe jest, że podczas postoju pojazdu, i aktywny jest tylko silnik spalinowy, kombinacja wirnik-wirnik pośredni może pracować jako prądnica dla, na przykład, instalacji chłodniczej w pojeździe. Możliwe jest również wykorzystywanie wtedy kombinacji wirnika pośredniego ze stojanem w charakterze silnika, na przykład w pojazdach hybrydowych, kiedy kombinacja wirnika z wirnikiem wewnę trznym nie jest wykorzystywana.

Wał wejściowy i wał wyjściowy mogą opcjonalnie być łączone mechanicznie, na przykład za pomocą sprzęgła kłowego lub ciernego, tworząc tak zwaną pozycję stałej blokady, w której następuje bezpośrednie przekazywanie siły mechanicznej między wałem wejściowym wyjściowym.

Przekształtnik elektromechaniczny, jak opisany powyżej, może być wykorzystywany do rozruchu napędowego silnika spalinowego lub do zasilania sprzętu elektrycznego, może też być stosowany wraz z układem do magazynowania energii.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładach wykonania na załączonym rysunku, na którym pos. I w uproszczeniu przedstawia podstawową konstrukcję elektrycznej przekładni bezstopniowej w rozwiązaniu znanym; fig. 1 w uproszczeniu przedstawia konstrukcję takiej elektrycznej przek ładni bezstopniowej według wynalazku; fig. 2 przedstawia bardziej szczegółowo odmianę wykonania elektrycznej przekładni bezstopniowej według niniejszego wynalazku; a fig. 3-5 przedstawiają przekroje kombinacji wirnik-wirnik pośredni-stojan w elektrycznej przekładni bezstopniowej według niniejszego wynalazku, służące do objaśnienia jej działania.

Odpowiednie części na poszczególnych figurach rysunku oznaczono tymi samymi odnośnikami liczbowymi.

Elektryczna przekładnia bezstopniowa (EVT) jest przekształtnikiem elektromechanicznym z dwiema bramkami mechanicznymi i bramką elektryczną. Przekładnia EVT jest w zasadzie przekładnią bezstopniową, przy czym ponadto za pośrednictwem bramki elektrycznej może odbywać się wymiana energii. W poniższym opisie figur rysunków, wstępnie bramkę elektryczną pominięto.

Fig. 1 w uproszczeniu przedstawia układ przekładni EVT według wynalazku. Wtórna maszyna indukcyjna 6 jest rozmieszczona wokół pierwotnej maszyny indukcyjnej 4. W obudowie 3, rozmieszczono współśrodkowo kolejno, poczynając od osi: twornik pierścieniowy 8, twornik klatkowy 9, drugi twornik klatkowy 11 i stojan 10. Tworniki klatkowe, pierwotny i wtórny, odpowiednio 9 i 11, łącznie stanowią wydrążony wirnik pośredni 15.

Daje to możliwość wykorzystywania przez maszynę indukcyjną pierwotną i wtórną, 4 i 6 wspólnie części strumienia, tak że możliwe jest zastosowanie lżejszej konstrukcji jarzma między uzwojeniami klatkowymi. W tym celu te dwa tworniki są nie tylko sprzężone mechanicznie, jak w przypadku przekształtnika magnetycznego z europejskiego zgłoszenia patentowego EP-A-0 866 544, lecz również sprzężone elektromagnetycznie. Najkorzystniej jest, jeżeli odbywa się to przez konstruowanie dwóch tworników klatkowych 9 i 11 jako jednej całości. Otrzymany w ten sposób wirnik pośredni 15 jest przedstawiony na fig. 2 a ponadto na fig. 3-5, które przedstawiają przekrój A-A wirnika pośredniego i stojana z fig. 2. Wirnik pośredni 15 składa się z obwodu elektrycznego i magnetycznego. W odmianie wykonania z fig. 2 i fig. 3-5, obwód magnetyczny jest utworzony przez laminowany cylinder 16 mający po obu stronach biegnące wzdłużnie rowki, w których znajduje się uzwojenie krótkozwarte 17 stanowiące obwód elektryczny. Na fig. 3-5 te uzwojenia zostały zaznaczone tylko w kilku miejscach. Ta ostatnia uwaga, nawiasem mówiąc odnosi się również do uzwojenia 18 i 19, odpowiednio wirnika i stojana, w rowkach cylindra wirnika 8 i stojana 10.

Obwód przewodzący strumień magnetyczny wirnika pośredniego, w tym przypadku jarzmo z zębami, między którymi rozmieszczone są rowki, ma powierzchnię w zasadzie gładką po swojej

PL 203 234 B1 stronie promieniowo wewnętrznej i promieniowo zewnętrznej. Rozkład biegunów magnetycznych w materiale przewodzącym magnetycznie wirnika pośredniego może być podczas pracy zmieniany. Części przekształtnika elektromechanicznego, wirnik, wirnik pośredni i stojan, są sprzężone elektromagnetycznie: następuje przepływ strumienia z wirnika za pośrednictwem wirnika pośredniego do stojana i na odwrót. Wirnik pośredni mechanicznie i elektromagnetycznie stanowi jedną całość. Części przekładni elektromagnetycznej są sterowane wspólnie przez jedno urządzenie sterujące.

W odmianie wykonania przedstawionej na fig. 2, przekształ tnik elektromechaniczny ma cztery bieguny, podczas gdy na fig. 3-5, czcionką pogrubioną wskazano pewną liczbę linii magnetycznych tych biegunów. Fig. 3 przedstawia sytuację, która jest porównywalna z sytuacją, która występuje zwłaszcza w przypadku przekładni EVT z europejskiego zgłoszenia patentowego EP-A-1 154 551:

w wirniku pośrednim 15 nie występuje żadne przewodzenie w kierunku stycznym, lecz tylko w promieniowym. Odpowiednie linie pola magnetycznego wskazano na fig. 3 odnośnikiem liczbowym 20. Osłabienie lokalnego pola magnetycznego w przekładni EVT nie jest możliwe; staje się to możliwe w przypadku przewodzenia strumienia magnetycznego w wirniku pośrednim 15 w kierunku stycznym, co wystąpi w opisie poniżej, i zostało przedstawione na fig. 4 i 5.

Fig. 4 przedstawia sytuację, która wystąpi w przekładni EVT według niniejszego wynalazku, na przykład przy zjeżdżaniu w pojeździe zaopatrzonym w taką przekładnię EVT. Wirnik 8 wtedy początkowo ma pewną prędkość (o_mt) która jest stosunkowo duża w porównaniu z prędkością (o_m2) wirnika pośredniego 15. Przy stosunkowo dużej wartości różnicy prędkości (ω_π1 - ω_π2) i konkretnym napięciu przykładanym przez pierwotny elektroniczny przekształtnik 12 mocy do pierścieni ślizgowych wirnika 8, to znaczy U_r = c • (ω_π1 - ω_π2) • Φ_Γ gdzie Φ_Γ jest to strumień magnetyczny generowany w wirniku a c jest pewną stałą, to wtedy w wirniku będzie generowany stosunkowo słaby strumień magnetyczny Φ_Γ . W tym przypadku strumień magnetyczny nie musi być duży, ponieważ nie musi być również duży moment obrotowy wywierany przez wirnik 8 na wirnik pośredni 15. Wirnik 8 wtedy pracuje jako prądnica dla stojana 10 jakkolwiek za pośrednictwem przekształtników 12 i 13 mocy do stojana jest przekazywana moc; wtedy do stojana jest przykładane stosunkowo duże napięcie U_s = c' • ω_π2 • <I>_s, gdzie <1>_s jest to strumień generowany w stojanie c' jest pewną stałą. Znaczy to, że w stojanie jest generowany stosunkowo silny strumień magnetyczny <1>_s, tak że z kolei do wirnika pośredniego 15 a zatem stosunkowo duży moment obrotowy T_c2 może być przenoszony do wirnika pośredniego 15, a zatem do wału 7 i do dołączonego do niego obciążenia. Kombinacja wirnik pośredni - stojan pracuje wtedy jako silnik. Strumień magnetyczny w kombinacji wirnik pośredni - stojan będzie wtedy w nasyceniu. Przebieg linii sił w tej sytuacji oznaczony jest odnośnikiem 21 na fig. 4, zgodnie z którą w wirniku pośrednim 15 występuje styczny przebieg strumienia.

Fig. 5 przedstawia sytuację, która występuje w przekładni EVT według niniejszego wynalazku, na przykład w konwencjonalnym zakresie roboczym przekładni EVT pojazdu. Wirnik 8 wtedy na prędkość (ω_π1) która jest stosunkowo mała w porównaniu z prędkością (ω_π2) wirnika pośredniego 15.

Przy stosunkowo małej wartości różnicy prędkości (ω_π1 - ω_π2) i konkretnym napięciu przykładanym przez pierwotny elektroniczny przekształtnik 12 mocy do pierścieni ślizgowych wirnika 8, to znaczy U_r = c (ω_π1 - f'i_m2) φ_γ, gdzie Φ_Γ jest strumieniem magnetycznym generowanym w wirniku a c jest pewną stałą, to wtedy w wirniku będzie generowany stosunkowo silny strumień magnetyczny Φ_Γ, tak że duży może być moment obrotowy wywierany przez wirnik 8 na wirnik pośredni 15. W takim przypadku za pośrednictwem przekształtników 12 i 13 i mocy do stojana jest przekazywana niewielka moc; wtedy do stojana jest przykładane stosunkowo małe napięcie U_s = c' • ω_π2 • <I>_s, gdzie <1>_s jest to strumień generowany w stojanie, a c' jest pewną stałą. Znaczy to, że w stojanie jest generowany stosunkowo słaby strumień magnetyczny <1>_s, w wyniku czego następnie - za pośrednictwem elektronicznej części 2 mocy - do wirnika pośredniego 15, a zatem do wału 7 i do dołączonego do niego obciążenia może być przenoszony stosunkowo mniejszy moment obrotowy Tc2. Kombinacja wirnik pośredni - stojan pracuje tu jako silnik. Strumień magnetyczny w kombinacji wirnik pośredni - stojan będzie wtedy w nasyceniu. Przebieg linii sił w tej sytuacji oznaczony jest na fig. 4 odnośnikiem 22, przy czym również i teraz w wirniku pośrednim 15 występuje styczny przebieg strumienia.

W sytuacji nadbiegu, za pośrednictwem przekształtnika 12 i 13 mocy odbywa się przekazywanie mocy ze stojana 10 do wirnika 8. Stojan wtedy wywiera na wirnik pośredni 15 stosunkowo mniejszy moment obrotowy. W odróżnieniu od tego wirnik 8 wywiera duży moment obrotowy na wirnik pośredni.

Wynalazek nie jest ograniczony do przykładów wykonania opisanych w niniejszym dokumencie, w odniesieniu do fig. 2 i fig. 3-5, lecz obejmuje wszystkie modyfikacje, oczywiście, o ile są one objęte

PL 203 234 B1 zakresem ochrony załączonych zastrzeżeń. Zatem, możliwe jest na przykład skonstruowanie wirnika pośredniego jako cylindra przewodzącego strumień magnetyczny przy czym po jego przeciwległych stronach rozmieszczony jest materiał magnetycznie twardy, na przykład w postaci bloków. W innej możliwej odmianie wykonania, wirnik pośredni jest utworzony przez cylinder z materiału przewodzącego magnetycznie, na którego jednej stronie rozmieszczony jest materiał magnetycznie twardy a na drugiej stronie wykonane są biegnące wzdłużnie rowki, w których rozmieszczone jest dostępne elektrycznie uzwojenie. W tym ostatnim przypadku jednakowoż, należy zapewnić, że punkt doprowadzania prądu będzie znajdował się w wirniku pośrednim 15 lub na wale wtórnym 7; na tym wale 7 łatwo można zainstalować pierścienie ślizgowe za których pośrednictwem możliwe jest doprowadzanie lub odbieranie prądu.

Claims (6)

1. Przekształtnik elektromechaniczny, zawierający wał pierwotny, z osadzonym na nim wirnikiem, wał wtórny z osadzonym na nim wirnikiem pośrednim, i stojan na stałe przymocowany do obudowy przekształtnika elektromechanicznego, przy czym, kolejno od strony wału pierwotnego w kierunku promieniowym, rozmieszczone są wzajemnie współśrodkowo wirnik, wirnik pośredni i stojan, zaś wirnik i stojan zawierają co najmniej jedno uzwojenie, natomiast wirnik pośredni stanowi jedną całość zarówno mechanicznie, jak i elektromagnetycznie, i zawiera obwód magnetyczny i elektryczny, znamienny tym, że obwód magnetyczny zawiera cylinder przewodzący strumień magnetyczny, zaś obwód elektryczny zawiera liczne uzwojenia, tworzące obwód elektryczny, usytuowane w cylindrze przewodzącym strumień magnetyczny, natomiast wirnik pośredni (15) jest zainstalowany jako przewodnik dla strumienia magnetycznego w kierunku stycznym i w kierunku promieniowym, przy czym wywieranie bezpośredniego momentu obrotowego pomiędzy wirnikiem (8) a stojanem (10) następuje przy magnetycznym nasyceniu wirnika pośredniego (15).

2. Przekształtnik elektromechaniczny według zastrz. 1, znamienny tym, że wirnik pośredni (15) zawiera obwód elektryczny i obwód magnetyczny, przy czym obwód magnetyczny zawiera cylinder mający dwie strony i po obu stronach biegnące wzdłużnie rowki, w których ułożone są uzwojenia krótkozwarte tworzące obwód elektryczny.

3. Przekształtnik elektromechaniczny według zastrz. 1, znamienny tym, że wirnik pośredni (15) jest utworzony przez cylinder przewodzący strumień magnetyczny, przy czym przekształtnik elektromechaniczny zawiera ponadto materiał magnetycznie twardy, usytuowany z jednej strony wirnika pośredniego (15) oraz ciągnące się wzdłużnie rowki powiązane z drugą stroną wirnika pośredniego (15), w których usytuowane jest elektrycznie dostępne uzwojenie.

4. Przekształtnik elektromechaniczny według zastrz. 1, znamienny tym, że uzwojenie stojana i uzwojenie wirnika są połączone wzajemnie za pośrednictwem przynajmniej jednego elektronicznego przekształtnika (12, 13) mocy.

5. Przekształtnik elektromechaniczny według zastrz. 4, znamienny tym, że ten przynajmniej jeden elektroniczny przekształtnik (12, 13) mocy jest dostępny elektrycznie za pośrednictwem pojedynczej bramki elektrycznej.

6. Przekształtnik elektromechaniczny według zastrz. 1, znamienny tym, że uzwojenie stojana (10) i uzwojenie wirnika (8) są dostępne oddzielnie za pośrednictwem elektronicznego przekształtnika mocy, i bramki elektronicznej.