RU134368U1

RU134368U1 - VEHICLE STARTER GENERATOR

Info

Publication number: RU134368U1
Application number: RU2013116048/07U
Authority: RU
Inventors: Сергей Григорьевич Воронин; Андрей Игоревич Согрин; Павел Олегович Шабуров; Борис Дмитриевич Шумаков; Борис Александрович Мурдасов; Вячеслав Иванович Кислицин
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2013-11-10

Abstract

Стартер-генератор транспортного средства, содержащий электромашину обращенной конструкции, содержащую статор с двумя шихтованными пакетами, впрессованными в массивный магнитопровод, обмотку возбуждения, расположенную между шихтованными пакетами статора, ротор, представляющий кольцевой магнитопровод с радиально намагниченными и укороченными в аксиальном направлении постоянными магнитами, имеющими укорочения для полюсов разной полярности с противоположных сторон, на места укорочений вставлены вставки из магнитомягкого материала, трехфазную обмотку статора, состоящую из катушек, каждая из которых надета на два расположенных напротив друг друга зубца обоих шихтованных пакетов, датчики положения ротора, расположенные в воздушном зазоре между статором и ротором, причем выводы фазных обмоток статора соединены через трехканальный полупроводниковый инвертор с устройством управления и источником питания, а выводы датчиков положения ротора соединены с устройством управления, отличающийся тем, что на зубцах шихтованных пакетов размещена дополнительная трехфазная обмотка, которая через дополнительный трехфазный полупроводниковый инвертор соединена с устройством управления и источником питания, коллекторно-эмиттерные переходы транзисторов трехфазных полупроводниковых инверторов шунтированы полупроводниковыми выпрямительными диодами, выводы обмотки возбуждения через двухканальный полупроводниковый инвертор соединены с устройством управления и источником питания.A vehicle starter-generator, comprising a reversed-type electric machine, comprising a stator with two burnt packets pressed into a massive magnetic circuit, an excitation winding located between the burnt stator packets, a rotor representing an annular magnetic circuit with axially radially shortened and axially shortened permanent magnets having shortenings for poles of different polarity from opposite sides, inserts of magnetically soft material are inserted at the shortening points, a three-phase stator winding, consisting of coils, each of which is worn on two opposite teeth of both charge packages, rotor position sensors located in the air gap between the stator and the rotor, and the terminals of the stator phase windings are connected through a three-channel semiconductor inverter to the control device and a power source, and the terminals of the rotor position sensors are connected to a control device, characterized in that an additional three-phase coil is placed on the teeth of the charge packages failure, which is connected through an additional three-phase semiconductor inverter to the control device and the power source, the collector-emitter junctions of the transistors of the three-phase semiconductor inverters are shunted by the semiconductor rectifier diodes, the field winding leads are connected through the two-channel semiconductor inverter to the control device and the power source.

Description

Полезная модель относится к электрооборудованию транспортных средств, в первую очередь к средним и тяжелым колесным и гусеничным машинам, оборудованных, как правило, дизельными двигателями. Особенностями данных транспортных средств являются трудности пуска двигателей и наличие значительного количество вспомогательных электрических приборов и устройств.The utility model relates to the electrical equipment of vehicles, primarily to medium and heavy wheeled and tracked vehicles, equipped, as a rule, with diesel engines. The features of these vehicles are the difficulties of starting the engines and the presence of a significant number of auxiliary electrical appliances and devices.

Известен стартер-генератор автомобильного двигателя (патент РФ №2133130, МПК6 F02N 11/04, 1998), представляющий собой электрическую машину, которая в режиме стартера является асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором (маховиком), а в режиме генератора - бесщеточным генератором переменного тока с электромагнитным возбуждением.Known starter-generator of an automobile engine (RF patent No. 2133130, IPC6 F02N 11/04, 1998), which is an electric machine, which in the starter mode is an asynchronous motor with a squirrel-cage rotor (flywheel), and in generator mode - a brushless alternator with electromagnetic excitation.

Недостатком указанного стартер-генератора является небольшой пусковой момент стартера, что является одним из основных недостатков асинхронных электродвигателей, ограничивающим его использование для пуска дизельных двигателей внутреннего сгорания.The disadvantage of this starter-generator is a small starting moment of the starter, which is one of the main disadvantages of asynchronous electric motors, limiting its use for starting diesel internal combustion engines.

Увеличение пускового момента, необходимого для пуска дизельного двигателя, требует для данного стартер-генератора увеличения количества катушек обмоток статора и диаметра ротора, что в целом ведет к неприемлемому расширению размеров электрической машины, а также к увеличению необходимой мощности источника питания (аккумуляторов). Значительные габаритные размеры стартер-генераторов ограничивают возможность их применения на транспортных средствах, к которым предъявляются жесткие ограничения по размерам.An increase in the starting moment required to start the diesel engine requires for this starter generator an increase in the number of stator winding coils and rotor diameter, which generally leads to an unacceptable expansion in the size of the electric machine, as well as an increase in the required power of the power source (batteries). Significant overall dimensions of starter-generators limit the possibility of their use on vehicles, which are subject to stringent size restrictions.

Одним из направлений, ограничивающим рост размеров электрической машины при увеличении ее пускового момента, является использование для формирования магнитного поля в электрической машине постоянных магнитов с высокими удельными показателями, например с использованием элементов Fe-Nd-B. Это объясняется тем, что размер катушки обмотки электрической машины с сердечником, как правило, превышает габариты постоянного магнита при равенстве их магнитодвижущих сил. Использование постоянных магнитов также снижает необходимую мощность источника питания. Одним из основных недостатков использования постоянных магнитов в электрических машинах является трудности регулирования магнитных потоков в машине при необходимости изменения режимов ее работы.One of the directions limiting the growth of the size of an electric machine with an increase in its starting torque is the use of permanent magnets with high specific indices for the formation of a magnetic field in an electric machine, for example, using Fe-Nd-B elements. This is because the size of the coil of the winding of an electric machine with a core, as a rule, exceeds the dimensions of a permanent magnet with the equality of their magnetically moving forces. The use of permanent magnets also reduces the required power of the power source. One of the main disadvantages of using permanent magnets in electric machines is the difficulty in regulating magnetic fluxes in a machine when it is necessary to change its operating modes.

Известна электрическая машина (Патент на изобретение РФ №2439770, МПК Н02К 19/16, 21/14, 1/27, 2012 - прототип), в которой использованы постоянные магниты для формирования магнитного поля ротора и которая может быть применена как в качестве стартера, так и генератора транспортного средства.A known electric machine (Patent for the invention of the Russian Federation No. 2439770, IPC Н02К 19/16, 21/14, 1/27, 2012 - prototype), which uses permanent magnets to form the magnetic field of the rotor and which can be used as a starter, and vehicle generator.

Машина содержит статор с двумя шихтованными пакетами с трехфазной обмоткой, впрессованными в массивный магнитопровод, обмотку возбуждения, расположенную между шихтованными пакетами статора, и ротор с укороченными полюсами, полюса выполнены в виде намагниченных радиально и укороченных в аксиальном направлении постоянных магнитов с укорочениями для полюсов разной полярности с противоположных сторон, на место укорочений вставлены вставки из магнитомягкого материала, обмотка статора состоит из катушек, каждая из которых надета на два расположенных напротив друг друга зубца обоих шихтованных пакетов. В воздушном зазоре между статором и ротором расположены гальваномагнитные датчики положения магнитов ротора относительно статора, выводы обмоток зубцов и датчиков положения ротора соединены с электронным коммутирующим устройством.The machine contains a stator with two burnt packages with a three-phase winding, pressed into a massive magnetic circuit, an excitation winding located between the burnt stator packages, and a rotor with shortened poles, the poles are made in the form of magnetized radially and axially shortened permanent magnets with shortening for poles of different polarity from opposite sides, inserts of magnetically soft material are inserted in the place of shortening, the stator winding consists of coils, each of which is worn on two p memory location opposite to each other both tooth laminations. In the air gap between the stator and the rotor are galvanomagnetic sensors of the position of the rotor magnets relative to the stator, the conclusions of the windings of the teeth and rotor position sensors are connected to an electronic switching device.

Для формирования первоначального пускового вращающего момента при работе электрической машины в режиме стартера в обмотках статора требуются большие токи, коммутация которых требует применения электронных токовых ключей (как правило, транзисторов) с большой мощностью рассеивания. При эксплуатации мощных ключевых транзисторов проявляется закономерность, заключающаяся в том, что с увеличением величин коммутируемых токов надежность работы ключей уменьшается.To form the initial starting torque during operation of the electric machine in starter mode, high currents are required in the stator windings, the switching of which requires the use of electronic current switches (usually transistors) with high dissipation power. During the operation of powerful key transistors, the pattern manifests itself in the fact that with an increase in the values of switched currents, the reliability of the keys decreases.

При пуске двигателей внутреннего сгорания после начала вращения вала двигателя токи обмоток статора могут быть уменьшены в период от начала вращения вала двигателя внутреннего сгорания до начала работы двигателя внутреннего сгорания в рабочем режиме (до состоявшегося пуска двигателя). Возможное уменьшение токов статора объясняется уменьшением момента сопротивления вращению вала за счет исчезновения момента сопротивления трогания вала двигателя после начала его вращения.When starting internal combustion engines after the start of rotation of the motor shaft, the currents of the stator windings can be reduced in the period from the beginning of rotation of the shaft of the internal combustion engine to the start of operation of the internal combustion engine in operating mode (until the engine starts up). A possible decrease in stator currents is explained by a decrease in the moment of resistance to rotation of the shaft due to the disappearance of the moment of resistance to starting the motor shaft after the start of its rotation.

Уменьшение потребляемых токов в стартере в период вращения вала двигателя позволяет использовать для пуска двигателя источник энергии (аккумулятор) с уменьшенными энергетическими характеристиками.Reducing the current consumption in the starter during the rotation period of the motor shaft allows you to use an energy source (battery) with reduced energy characteristics to start the engine.

При работе электрической машины в режиме генератора постоянные магниты используются как основное поле возбуждения генератора, наводящее переменную ЭДС в обмотках статора. Переменная ЭДС обмоток статора преобразуется с помощью полупроводниковых выпрямительных диодов в постоянное напряжение, которое поступает в бортовую сеть транспортного средства для питания многочисленных электроагрегатов и для заряда источника питания транспортного средства - аккумуляторных батарей.When the electric machine is in generator mode, permanent magnets are used as the main field of the generator excitation, inducing a variable EMF in the stator windings. Using the semiconductor rectifier diodes, the variable emf of the stator windings is converted to a constant voltage, which is supplied to the vehicle’s on-board network to supply numerous electrical units and to charge the vehicle’s power source - rechargeable batteries.

Для современного транспортного средства с многочисленными электрическими нагрузками требуемая мощность генератора сравнима с мощностью основного двигателя внутреннего сгорания. В этом случае недостатком генератора является то, что его продолжительная работа с большой выходной мощностью, зачастую в условиях повышенной, температуры, требует принудительного охлаждения элементов генератора (обмоток статора и выпрямительных диодов), а также требуется применение выпрямительных диодов со значительными рабочими токами, надежность которых снижается с ростом рабочих токов.For a modern vehicle with many electrical loads, the required generator power is comparable to the power of the main internal combustion engine. In this case, the disadvantage of the generator is that its long-term operation with a large output power, often in conditions of elevated temperature, requires forced cooling of the generator elements (stator windings and rectifier diodes), and also requires the use of rectifier diodes with significant operating currents, the reliability of which decreases with increasing working currents.

Техническая задача заявляемой полезной модели направлена на уменьшение токовой нагрузки ключевых транзисторов коммутирующего устройства фазных обмоток электрической машины и снижение энергетических требований к источнику энергии пуска двигателя путем уменьшения фазных токов статора после начала вращения ротора, а также на уменьшение токовой нагрузки на выпрямительные диоды генератора и облегчение теплового режима работы фазных обмоток при работе в режиме генератора.The technical task of the claimed utility model is aimed at reducing the current load of the key transistors of the switching device of the phase windings of an electric machine and reducing energy requirements for the start-up energy source by reducing the stator phase currents after the rotor starts to rotate, as well as reducing the current load on the generator rectifier diodes and facilitating thermal operating mode of phase windings when operating in generator mode.

Указанная задача решается тем, что на зубцах шихтованных пакетов статора размещена дополнительная трехфазная обмотка, которая через дополнительный трехфазный полупроводниковый инвертор соединена с устройством управления и источником питания, коллекторно-эмиттерные переходы транзисторов трехфазных полупроводниковых инверторов шунтированы полупроводниковыми выпрямительными диодами.This problem is solved by the fact that an additional three-phase winding is placed on the teeth of the stator charge packages, which is connected to a control device and a power source through an additional three-phase semiconductor inverter, and the collector-emitter transistors of three-phase semiconductor inverters are shunted by semiconductor rectifier diodes.

Наличие дополнительной, независимой от основной, трехфазной обмотки статора позволяет формировать начальный пусковой момент параллельно основной и дополнительной обмотками путем их соответствующего подключения к источнику питания. После начала вращения вала двигателя внутреннего сгорания требуемый момент прокручивания уменьшается, и действие дополнительной обмотки может быть ограничено путем ее отключения, что уменьшает электрическую нагрузку на источник питания стартера.The presence of an additional, independent of the main, three-phase stator winding allows you to form the initial starting moment in parallel with the main and additional windings by appropriate connection to the power source. After the start of rotation of the shaft of the internal combustion engine, the required torque is reduced, and the action of the additional winding can be limited by turning it off, which reduces the electrical load on the starter power source.

В качестве устройств коммутирующих обмотки статора в основном используются транзисторные инверторы. Для защиты транзисторов от импульсных перенапряжений, формируемых при отключении индуктивных нагрузок, которыми являются обмотки статора, используются импульсные полупроводниковые диоды. Данные диоды подключаются параллельно (шунтируют) коллекторно-эмиттерные переходы транзисторов и при возникновении импульсов перенапряжений обратной полярности обеспечивают протекание токов гашения ЭДС в обход транзисторов, чем защищают переходы транзисторов от электрического пробоя в широком диапазоне рабочих частот.As devices for switching stator windings, transistor inverters are mainly used. To protect transistors from surge surges generated when inductive loads are disconnected, which are the stator windings, pulsed semiconductor diodes are used. These diodes are connected in parallel (bypass) the collector-emitter junctions of the transistors and, when voltage pulses of reverse polarity occur, provide the suppression of EMF suppression currents bypassing the transistors, which protects the transistor transitions from electrical breakdown in a wide range of operating frequencies.

В трехканальном коммутаторе импульсные диоды защиты транзисторов от импульсов перенапряжений при закрытых транзисторах образуют схему трехфазного двухполупериодного выпрямления переменного тока в постоянный. Импульсные диоды могут быть заменены на мощные выпрямительные диоды при условии невысоких частот работы. Так как частота следования импульсов перенапряжений в генераторе является невысокой (сравнимой с частотой вращения вала двигателя внутреннего сгорания), то при использовании вместо импульсных диодов защиты мощных выпрямительных диодов, трехканальный инвертор может быть использован как для управления транзисторами обмотками статора в режиме стартера, с сохранением функции защиты транзисторов, так и в режиме для выпрямления переменного тока генератора, при условии закрытых транзисторов в инверторе.In a three-channel switch, pulse diodes for protecting transistors against overvoltage pulses with closed transistors form a three-phase two-half-wave rectification of alternating current into direct current. Pulse diodes can be replaced by powerful rectifier diodes under the condition of low frequencies. Since the pulse repetition rate of the overvoltage pulses in the generator is low (comparable to the rotational speed of the shaft of an internal combustion engine), when using instead of pulse protection diodes, powerful rectifier diodes, a three-channel inverter can be used to control transistors of stator windings in starter mode, while maintaining the function protection of transistors, and in the mode for rectification of alternating current of the generator, provided closed transistors in the inverter.

Техническая сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема стартер-генератора, на фиг.2 поперечный разрез электрической машины, на фиг.З фрагмент продольного разреза электрической машины, на фиг.4 электрическая схема стартер-генератора, на фиг.5 схема устройства управления, на фиг.6 развертка магнитов ротора по внутреннему диаметру.The technical essence of the utility model is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a structural diagram of a starter-generator, in Fig. 2 is a cross-sectional view of an electric machine, in Fig. 3 a fragment of a longitudinal section of an electric machine, in Fig. 4, an electrical diagram of a starter-generator, in Fig. .5 diagram of the control device, in Fig.6 scan of the rotor magnets along the inner diameter.

Стартер-генератор транспортного средства содержит электрическую машину 1, соединенную с двигателем 2 внутреннего сгорания, источник 3 питания стартер-генератора, коммутирующее устройство 4 и устройство 5 управления стартер-генератором.The vehicle’s starter-generator comprises an electric machine 1 connected to an internal combustion engine 2, a starter-generator power supply 3, a switching device 4 and a starter-generator control device 5.

Электрическая машина 1 имеет обращенную конструкцию, в которой статор расположен внутри, а ротор снаружи (фиг.2). Статор состоит из двух круглых шихтованных пакетов 6 и 7, на внешней окружности которых выполнены зубцы 8. На каждой паре зубцов 8, расположенных напротив друг друга в пакетах 6 и 7, размещены катушки 9, которые объединены в основную (a1, a1, a1) и в дополнительную (a2, в2, c2) трехфазные обмотки. Между шихтованными пакетами 6 и 7 по периметру оснований зубцов 8 расположена обмотка 10 возбуждения генератора.The electric machine 1 has a reversed structure in which the stator is located inside and the rotor is outside (Fig. 2). The stator consists of two round burnt bags 6 and 7, on the outer circumference of which teeth 8 are made. On each pair of teeth 8 located opposite each other in packages 6 and 7, coils 9 are placed, which are combined into the main one (a1, a1, a1) and in additional (a2, b2, c2) three-phase windings. Between the burnt bags 6 and 7 along the perimeter of the bases of the teeth 8 is located the excitation winding 10 of the generator.

Ротор содержит корпус 11 кольцевой формы, на внутренней поверхности которого расположен магнитопровод 12 с магнитными полюсами, выполненными в виде намагниченных радиально и укороченных в аксиальном направлении постоянных магнитов 13 с чередующейся полярностью намагничивания (N и S) причем укорочения для полюсов разной полярности выполнены с противоположных сторон и на места укорочений установлены вставки 14 из магнитомягкого материала, при этом число полюсов ротора отличается от числа зубцов 8 статора на один или на два.The rotor includes a ring-shaped housing 11, on the inner surface of which there is a magnetic core 12 with magnetic poles made in the form of permanent magnets magnetized radially and axially shortened with alternating magnetization polarity 13 (N and S), and shortening for poles of different polarity is made from opposite sides and inserts 14 made of soft magnetic material are installed at the shortening points, while the number of rotor poles differs from the number of stator teeth 8 by one or two.

В воздушном пространстве между статором и ротором расположено шесть гальваномагнитных датчиков 15 (DX1, DX2, DX3, DX4, DX5, DX6), фиксирующих положение постоянных магнитов 13 ротора относительно зубцов 8 статора.In the air space between the stator and the rotor there are six galvanomagnetic sensors 15 (DX1, DX2, DX3, DX4, DX5, DX6), which fix the position of the permanent magnets 13 of the rotor relative to the teeth 8 of the stator.

Основная трехфазная обмотка статора (а1, в1, c1) соединена соответственно с выводами основного трехканального транзисторного инвертора 16, расположенного в коммутирующем устройстве 4, а дополнительная обмотки статора (а2, в2, c2) соответственно с выводами дополнительного трехканального транзисторного инвертора 17. Выводы обмотки 10 возбуждения (f d) соединены соответственно с выводами двухканального транзисторного инвертора 18 в коммутирующем устройстве 4. Выводы датчиков 15 (X1, Х2, Х3, Х4, Х5, Х6) положения магнитов 13 ротора соединены с устройством 5 управления. Выводы устройства 5 управления соединены с входами транзисторных инверторов 16, 17 и 18 (Y1, Y2, Y3, Y4, Y5, Y6, Y7, Y8 и Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, Z7, Z8) в коммутирующем устройстве 4.The main three-phase stator winding (a1, b1, c1) is connected respectively to the terminals of the main three-channel transistor inverter 16 located in the switching device 4, and the additional stator windings (a2, b2, c2), respectively, with the terminals of the additional three-channel transistor inverter 17. Winding conclusions 10 excitations (fd) are respectively connected to the terminals of the two-channel transistor inverter 18 in the switching device 4. The terminals of the sensors 15 (X1, X2, X3, X4, X5, X6) of the position of the rotor magnets 13 are connected to the device 5 pack equalization. The terminals of the control device 5 are connected to the inputs of the transistor inverters 16, 17 and 18 (Y1, Y2, Y3, Y4, Y5, Y6, Y7, Y8 and Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, Z7, Z8) in the switching device four.

Выводы источника питания U1 (+) и U2 (-) подключены к коммутирующему устройству 4 и к устройству 5 управления. К устройству 5 управления также подключены выводы формирователей команд управления «Работа стартера» -F1 и «Работа генератора» - F2.The findings of the power source U1 (+) and U2 (-) are connected to the switching device 4 and to the control device 5. To the control device 5 are also connected the conclusions of the shapers of the control commands “Starter operation” -F1 and “Generator operation” - F2.

Электромашина 1 выполняется по технологиям, используемым в производстве электрических машин переменного тока. Статор электромашины может быть изготовлен с использованием технологии производства фазных роторов электрических машин переменного тока необращенной конструкции.Electric machine 1 is performed according to the technologies used in the manufacture of electrical AC machines. The stator of an electric machine can be manufactured using the technology of production of phase rotors of electric machines of alternating current of an unconverted design.

Корпус 11 ротора электромашины 1 может изготавливаться из металлической отливки с соответствующей металлообработкой. На внутренней поверхности ротора корпуса 11 послойно размещены:The housing 11 of the rotor of the electric machine 1 can be made of metal casting with appropriate metalworking. On the inner surface of the rotor of the housing 11 in layers:

магнитопровод 12 из ферромагнитного материала, например электротехнической стали, и постоянные магниты 13, изготавливаемые из материалов с высокими удельными магнитными показателями, например Fe-Nd-B.a magnetic core 12 of ferromagnetic material, for example electrical steel, and permanent magnets 13 made of materials with high specific magnetic characteristics, for example Fe-Nd-B.

В качестве датчика 15 положения магнитов 13 ротора целесообразно использовать гальваномагнитный элемент, реагирующий на магнитные потоки, например, датчик Холла, широко используемый в автомобильном электрооборудовании.As the sensor 15 of the position of the magnets 13 of the rotor, it is advisable to use a galvanomagnetic element that responds to magnetic fluxes, for example, a Hall sensor, widely used in automotive electrical equipment.

В качестве двигателя 2 могут использоваться карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания.As the engine 2 can be used carburetor and diesel internal combustion engines.

Источник 3 питания стартер-генератора состоит из аккумуляторных батарей, каждая из которых содержит несколько последовательно соединенных свинцово-кислотных гальванических элементов.The power source 3 of the starter-generator consists of storage batteries, each of which contains several series-connected lead-acid galvanic cells.

Коммутирующее устройство 4 содержит два трехканальных транзисторных инвертора 16 и 17, а также двухканальный транзисторный инвертор 18, которые быть выполнены из стандартных интегральных микросхем. Управляющее устройство 5 может быть изготовлено с использованием микропроцессорных устройств.The switching device 4 contains two three-channel transistor inverters 16 and 17, as well as a two-channel transistor inverter 18, which are made of standard integrated circuits. The control device 5 can be manufactured using microprocessor devices.

Все перечисленные элементы стартер-генератора применяются по их прямому назначению и используются для завершенности технического решения.All of the listed elements of the starter generator are used for their intended purpose and are used to complete the technical solution.

Работа стартер-генератора происходит следующим образом. Режимы работы стартер-генератора задаются подачей взаимоисключающих друг друга команд на входы управляющего устройства 5: F1 - «Работа стартера»; F2 -«Работа генератора».The operation of the starter generator is as follows. The operating modes of the starter generator are set by submitting mutually exclusive commands to the inputs of the control device 5: F1 - “Starter operation”; F2 - “Generator Operation”.

Работа стартер-генератора характеризуется следующими процессами.The operation of the starter generator is characterized by the following processes.

Силовые моменты, вращающие ротор в электромашине 1, образуются при взаимодействии магнитных полей от постоянных магнитов 13 и от катушек 9, расположенных на зубцах 8 статора. Направления намагниченности и величины магнитных полей, формируемых катушками 9, определяются направлениями и величинами токов, протекающих в их обмотках. Магнитопровод 12 ротора, зубцы 8 и шихтованные пакеты 6 и 7 статора изготавливаются из ферромагнитного материала, способствующего прохождению магнитного поля. Магнитное поле, созданное обмоткой катушки 9, проходит по телу зубца 8, воздушный промежуток между статором и ротором, ближайшие магнитомягкие вставки 14 и постоянные магниты 13 магнитопровода 12. Далее магнитное поле через магнитопровод 12 ротора, соседние магнитомягкие вставки 14 и постоянные магниты 13 с противоположной рассматриваемому магнитному полю намагниченностью, воздушный зазор, соседние зубцы 8, которые имеют противоположную намагниченность или не намагничены, возвращается в статор и замыкается в исходной катушке 9.Power moments rotating the rotor in the electric machine 1 are formed during the interaction of magnetic fields from the permanent magnets 13 and from the coils 9 located on the teeth 8 of the stator. The directions of magnetization and the magnitude of the magnetic fields generated by the coils 9 are determined by the directions and magnitudes of the currents flowing in their windings. The magnetic core 12 of the rotor, the teeth 8 and the burnt packages 6 and 7 of the stator are made of ferromagnetic material that contributes to the passage of the magnetic field. The magnetic field created by the winding of the coil 9 passes through the body of the tooth 8, the air gap between the stator and the rotor, the nearest soft magnetic inserts 14 and permanent magnets 13 of the magnetic circuit 12. Next, the magnetic field through the magnetic circuit 12 of the rotor, adjacent soft magnetic inserts 14 and permanent magnets 13 with the opposite the magnetic field under consideration by magnetization, the air gap, adjacent teeth 8, which have opposite magnetization or are not magnetized, returns to the stator and closes in the original coil 9.

Для создания сил, действующих в требуемом направлении вращения ротора, на зубцах 8 статора катушками 9 формируются соответствующие магнитные поля. Поле катушки 9, направленное в сторону ротора, должно быть либо противоположным по намагниченности с ближайшими постоянными магнитами 13, сдвинутыми от рассматриваемого зубца 8 в сторону требуемого направления вращения ротора, либо одноименным по направлению намагниченности с ближайшими постоянными магнитами 13, сдвинутым от зубца 8 в сторону противоположную требуемому направлению вращения ротора. Возникающие при этом притягивающие и отталкивающие магнитные поля между постоянными магнитами 13 и намагниченными зубцами 8 статора формируют суммарный вращающий момент. Таким образом, при расположении на роторе постоянных магнитов 13 и при пропускании по обмоткам катушек 9 токов определенного значения, направления и времени действия формируется вращающий момент ротора требуемой величины и направленности.To create forces acting in the required direction of rotation of the rotor, corresponding magnetic fields are formed on the teeth of the stator 8 by coils 9. The field of the coil 9, directed towards the rotor, should be either opposite in magnetization with the nearest permanent magnets 13, shifted from the tooth 8 in the direction of the desired direction of rotation of the rotor, or the same in the direction of magnetization with the nearest permanent magnets 13, shifted from the tooth 8 in the direction opposite to the desired direction of rotation of the rotor. The resulting attractive and repulsive magnetic fields between the permanent magnets 13 and the magnetized teeth 8 of the stator form the total torque. Thus, when the permanent magnets 13 are located on the rotor and when currents of a certain value, direction and action time are passed through the windings of the coils 9, the rotor torque of the required magnitude and directivity is formed.

Если число постоянных магнитов 13 равно числу зубцов 8 статора, то в случае предпускового расположения постоянных магнитов 13 ротора строго напротив зубцов 8 статора вращающий момент ротора не создается при любых токах в катушках 9. Для полного исключения возможности установки ротора машины 1 перед пуском в положение, когда постоянные магниты 13 ротора располагаются строго напротив зубцов 8 статора, число магнитов 13 ротора делают отличным от числа зубцов 8 статора на один или на два.If the number of permanent magnets 13 is equal to the number of teeth 8 of the stator, then in the case of a pre-start arrangement of permanent magnets 13 of the rotor strictly opposite the teeth of the stator 8, the rotor torque is not generated at any currents in the coils 9. when the permanent magnets 13 of the rotor are located exactly opposite the teeth 8 of the stator, the number of magnets 13 of the rotor is made different from the number of teeth 8 of the stator by one or two.

Для возможности варьирования потребления тока обмоткой статора после начала вращения вала двигателя 2, когда требуемый момент вращения. уменьшается, обмотка статора распределена на основную (а1 в1, с1) и дополнительную (а2, в2, с2) трехфазные обмотки. Первоначально, при включении стартера, когда момент сопротивления вращения вала двигателя 2 максимален, вращающий момент электрической машины 1 формируется с использованием основной и дополнительной обмоток. После начала вращения вала двигателя 2 его момент сопротивления уменьшается и дополнительная обмотка (а2, в2, с2) отключается, что облегчает режим нагрузки источника 3 питания стартера. Момент отключения дополнительной обмотки определяется по величине частоты вращения вала двигателя 2.For the possibility of varying the current consumption of the stator winding after the start of rotation of the motor shaft 2, when the required torque. decreases, the stator winding is distributed on the main (a1 b1, s1) and additional (a2, b2, c2) three-phase windings. Initially, when the starter is turned on, when the torque of rotation of the shaft of the engine 2 is maximum, the torque of the electric machine 1 is formed using the main and additional windings. After the start of rotation of the motor shaft 2, its resistance moment decreases and the additional winding (a2, b2, c2) is turned off, which facilitates the load mode of the starter power supply 3. The moment of disconnection of the additional winding is determined by the value of the rotational speed of the motor shaft 2.

Подключение обмоток катушек 9 основной и дополнительной обмоток к источнику питания стартера осуществляется с помощью трехканальных транзисторных инверторов 16 и 17. Инверторы 16 и 17 выполнены с использованием транзисторов соответственно VT1…VT6 и VT11…VT16. Для защиты указанных транзисторов от обратных импульсных перенапряжений используются полупроводниковые диоды VD1…VD6 и VD 11…VD 16.The windings of the coils 9 of the main and additional windings are connected to the starter power supply using three-channel transistor inverters 16 and 17. Inverters 16 and 17 are made using transistors VT1 ... VT6 and VT11 ... VT16, respectively. To protect these transistors from reverse pulse surges used semiconductor diodes VD1 ... VD6 and VD 11 ... VD 16.

Выбор транзисторов, требующих включения и выключения, а также моментов их коммутации производится управляющим устройством 5 по показаниям, шести гальваномагнитных датчиков 15, определяющих наличие магнитного поля, и в первую очередь расположение постоянных магнитов 13 над датчиками 15. Датчики 15 (DX1, DX2, DX3) позволяют оценить магнитные потоки и расположение постоянных магнитов 13 вблизи основной обмотки, а оставшиеся три (DX4, DX5, DX6) - вблизи дополнительной.The choice of transistors that require turning on and off, as well as the moments of their switching, is made by the control device 5 according to indications, six galvanomagnetic sensors 15, which determine the presence of a magnetic field, and primarily the location of permanent magnets 13 above the sensors 15. Sensors 15 (DX1, DX2, DX3 ) make it possible to estimate magnetic fluxes and the arrangement of permanent magnets 13 near the main winding, and the remaining three (DX4, DX5, DX6) - near the additional one.

При подаче на вход F1 управляющего устройства 5 внешней управляющей команды «Работа стартера» управляющее устройство 5 оценивает на своих входах XI, Х2, ХЗ, Х4, Х5 и Х6 сигналы гальваномагнитных датчиков 15, которые показывают положение и полярность постоянных магнитов 13 ротора, находящихся вблизи датчиков 15. По положению постоянных магнитов 13 относительно зубцов 8 управляющее устройство 5 по заложенному в нем алгоритму определяет катушки 9 и направления токов в них, которые необходимы для формирования максимального вращающего момента ротора.When applying to the input F1 of the control device 5 of the external control command "Starter Operation", the control device 5 evaluates at its inputs XI, X2, X3, X4, X5 and X6 the signals of the galvanomagnetic sensors 15, which show the position and polarity of the permanent magnets 13 of the rotor located near sensors 15. According to the position of the permanent magnets 13 relative to the teeth 8, the control device 5, according to the algorithm laid down in it, determines the coils 9 and the directions of the currents in them, which are necessary for the formation of the maximum rotor torque.

Команды от управляющего устройства 5 поступают на входы транзисторов трехфазных инверторов 16 и 17 (Y1, Y2, Y3, Y4, Y5, Y6, Y7, Y8, Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, Z7, Z8). Выбранные транзисторы трехфазных инверторов 16 и 17 открываются и обеспечивают протекание тока по выбранным катушкам 9 статора от источника 3 питания стартера. Протекающие токи формируют магнитные поля, которые взаимодействуют с постоянными магнитами и формируют вращающий момент ротора, который начинает вращать вал двигателя 2. Управляющее устройство 5 по частоте переключений датчиков 15 оценивает частоту вращения вала двигателя 2 и при достижении им заданной частоты, известной для пускаемого двигателя 2, прекращает формирование управляющих команд для дополнительного транзисторного инвертора 17. Далее вращение вала двигателя 2 производится с использованием основного инвертора 16 и катушек 9 основной обмотки статора. В случае уменьшения частоты вращения ротора до заданной производится подключение дополнительного инвертора 17 и катушек 9 дополнительной обмотки.The commands from the control device 5 are received at the inputs of the transistors of three-phase inverters 16 and 17 (Y1, Y2, Y3, Y4, Y5, Y6, Y7, Y8, Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, Z7, Z8). The selected transistors of the three-phase inverters 16 and 17 open and provide the flow of current along the selected coils 9 of the stator from the power supply 3 of the starter. The flowing currents form magnetic fields that interact with permanent magnets and form a rotor torque that starts to rotate the motor shaft 2. The control device 5 estimates the rotational speed of the motor shaft 2 by the switching frequency of the sensors 15 and when it reaches the set frequency known for the starting motor 2 , stops the formation of control commands for the additional transistor inverter 17. Next, the rotation of the shaft of the motor 2 is carried out using the main inverter 16 and the coils 9 osn implicit stator winding. In the case of reducing the rotor speed to the specified one, an additional inverter 17 and coils 9 of the additional winding are connected.

При достижении валом двигателя 2 минимальной рабочей частоты вращения формирование команд управления устройством 5 прекращается, режим «Работа стартера» выключается и включается режим «Работа генератора».When the shaft of the engine 2 reaches the minimum operating speed, the generation of control commands for the device 5 is stopped, the "Starter operation" mode is turned off and the "Generator operation" mode is turned on.

Работа генератора характеризуется следующими процессами.The operation of the generator is characterized by the following processes.

При работе генератора транзисторы трехканальных инверторов 16 и 17 закрыты, так как команд на их управление управляющее устройство 5 не формирует.When the generator is operating, the transistors of the three-channel inverters 16 and 17 are closed, since the control device 5 does not generate commands for their control.

Магнитный поток, создаваемый каждым постоянным магнитом 13 ротора, через воздушный зазор поступает в зубцы 8 шихтованных пакетов 6 и 7 статора, находящихся под данным постоянным магнитом 13. Далее магнитный поток по основанию статору проходит на соседние зубцы 8 шихтованных пакетов статора 6 и 7, находящихся под соседним магнитом 13 противоположной полярности. По данным зубцам 8 магнитный поток через воздушный зазор, магнитомягкие вставки 14 и постоянные магниты 13 поступает в магнитопровод 12 ротора, по которому затем замыкается на исходный магнит 13.The magnetic flux generated by each permanent magnet 13 of the rotor through the air gap enters the teeth 8 of the charge packages 6 and 7 of the stator located under this permanent magnet 13. Next, the magnetic flux at the base of the stator passes to the adjacent teeth 8 of the charge packages of the stator 6 and 7 located under a neighboring magnet 13 of opposite polarity. According to the teeth 8, the magnetic flux through the air gap, magnetically soft inserts 14 and permanent magnets 13 enters the rotor core 12, which then closes to the original magnet 13.

При вращении ротора двигателем 2 из-за чередования магнитов 13 с разными полюсов над зубцами 8 шихтованных пакетов 6 и 7 изменяется величина и направление потока через зубцы 8, и в катушках 9 обмотки статора наводится переменная электродвижущая сила (ЭДС), величина которой зависит от величины магнитного потока и скорости вращения ротора.When the rotor is rotated by motor 2 due to the alternation of magnets 13 with different poles above the teeth 8 of the burnt packages 6 and 7, the magnitude and direction of flow through the teeth 8 changes, and a variable electromotive force (EMF) is induced in the coils 9 of the stator winding, the magnitude of which depends on the magnitude magnetic flux and rotor speed.

В случае протекании постоянного тока по обмотке 10 возбуждения, расположенной в статоре, формируется магнитный поток возбуждения, проходящий через зубцы 8 пакетов 6 и 7 статора. Если направление потока, создаваемого обмоткой 10 возбуждения, совпадает с направлением потока, создаваемого магнитами 13, то в зубцах 8 происходит суммирование магнитных потоков, и наводимая ЭДС в обмотках статора увеличивается. При изменении направления тока в обмотке 10 возбуждения на противоположное, происходит уменьшение суммарного потока в зубцах 8, и наводимая ЭДС в обмотках статора уменьшается. Таким образом, изменением направления тока в обмотке 10 возбуждения регулируется величина ЭДС, формируемая в обмотках статора.In the case of direct current flowing through the excitation winding 10 located in the stator, a magnetic excitation flux is formed that passes through the teeth 8 of the stator packets 6 and 7. If the direction of the flux created by the excitation winding 10 coincides with the direction of the flux created by the magnets 13, then in the teeth 8 the magnetic fluxes are summed, and the induced EMF in the stator windings increases. When the direction of the current in the excitation winding 10 is reversed, the total flow in the teeth 8 decreases, and the induced EMF in the stator windings decreases. Thus, by changing the direction of the current in the excitation winding 10, the magnitude of the EMF formed in the stator windings is regulated.

ЭДС, наведенная в каждой фазной обмотке статора, поступает в трехканальные инверторы 16 и 17 на точки соединений эмиттера и коллектора транзисторов, а также анода и катода диодов, например VT1 и VT2, VD1 и VD2. При отсутствии команд управления транзисторами инверторов 16 и 17 от управляющего устройство 5 сопротивления транзисторов велики и они не пропускают ЭДС обмоток статора. Диоды трехканальных инверторов 16 и 17 при выключенных транзисторах образуют две схемы трехфазного двухполупериодного выпрямления на диодах VD1…VD6 и VD1…VD16 для основной и дополнительной обмоток статора. Применяя в данных схемах выпрямления мощные выпрямительные диоды, получаем двухканальный источник постоянного напряжения. Мощность данного источника лимитируется только тепловыми ограничениями обмоток статора и выпрямительных диодов.The EMF induced in each phase stator winding enters the three-channel inverters 16 and 17 at the junction points of the emitter and collector of transistors, as well as the anode and cathode of the diodes, for example VT1 and VT2, VD1 and VD2. In the absence of commands to control the transistors of the inverters 16 and 17 from the control device 5, the resistance of the transistors is large and they do not pass the EMF of the stator windings. The diodes of three-channel inverters 16 and 17 with the transistors turned off form two circuits of three-phase two-half-wave rectification on the diodes VD1 ... VD6 and VD1 ... VD16 for the main and additional stator windings. Applying powerful rectifier diodes in these rectification schemes, we obtain a two-channel constant voltage source. The power of this source is limited only by the thermal limitations of the stator windings and rectifier diodes.

Источник постоянного тока подключен к источнику 3 питания стартер-генератора. Величина напряжения на источнике 3 питания контролируется управляющим устройством 5. При отклонении напряжения на источнике 3 питания от заданного уровня управляющее устройство 5 формирует команды (Y7 и Z8 или Y8 и Z7) для двухканального инвертора 18 в коммутирующем устройстве 4, согласно которым происходят изменения направления тока и магнитного потока обмотки 10 возбуждения, а, следовательно, увеличение или уменьшение величины ЭДС и, соответственно, обеспечивается постоянный контроль величины выпрямленного напряжения.A direct current source is connected to a power source 3 of the starter-generator. The magnitude of the voltage at the power supply 3 is controlled by the control device 5. When the voltage on the power supply 3 deviates from the set level, the control device 5 generates commands (Y7 and Z8 or Y8 and Z7) for the two-channel inverter 18 in the switching device 4, according to which changes in the current direction occur and magnetic flux of the field winding 10, and, consequently, an increase or decrease in the magnitude of the EMF and, accordingly, constant monitoring of the magnitude of the rectified voltage is ensured.

Таким образом, разделение обмотки статора на две независимые части и использование дополнительного инвертора позволяют облегчить тепловые режимы и снизить мощностные требования к элементам коммутирующего устройства, ограничить энергетические требования к источнику питания транспортного средства и в целом повысить надежность работы стартер-генератора.Thus, the separation of the stator winding into two independent parts and the use of an additional inverter can facilitate thermal conditions and reduce power requirements for the elements of the switching device, limit the energy requirements for the vehicle’s power source and, in general, increase the reliability of the starter generator.

Claims

A vehicle starter-generator, comprising a reversed-type electric machine, comprising a stator with two burnt packets pressed into a massive magnetic circuit, an excitation winding located between the burnt stator packets, a rotor representing an annular magnetic circuit with axially radially shortened and axially shortened permanent magnets having shortenings for poles of different polarity from opposite sides, inserts of magnetically soft material are inserted at the shortening points, a three-phase stator winding, consisting of coils, each of which is worn on two opposite teeth of both charge packages, rotor position sensors located in the air gap between the stator and the rotor, and the terminals of the stator phase windings are connected through a three-channel semiconductor inverter to the control device and a power source, and the terminals of the rotor position sensors are connected to a control device, characterized in that an additional three-phase coil is placed on the teeth of the burnt packages failure, which is connected through an additional three-phase semiconductor inverter to the control device and the power source, the collector-emitter junctions of the transistors of the three-phase semiconductor inverters are shunted by the semiconductor rectifier diodes, the field winding leads are connected through the two-channel semiconductor inverter to the control device and the power source.