Разработка интегрированного стартер-генератора на основе вентильно-индукторной машины

Николаев В.В. Рыбников В.А.

Рассматриваются принципы работы стартер-генераторного устройства автономного объекта на базе вентильно-индукторной машины. Проведено исследование режимов работы вентильно-индукторного стартер-генератора на основе математического моделирования. Предложено решение проблем расширения диапазона рабочих скоростей в стартерном и генераторном режимах.

Введение

Автомобиль является одним из самых массовых видов автономных объектов. Пуско-генераторная установка автомобиля, как и в начале XX века, состоит из двух независимых устройств - синхронного генератора и стартера на основе двигателя постоянного тока. За столь большой промежуток времени данные устройства не претерпели значительных изменений. Наряду с этим, развитие автомобильной промышленности демонстрирует быстрый рост количества энергопотребителей в новых моделях автомобилей, что требует постоянного повышения мощностей их генераторных установок. Необходимо отметить, что в большинстве случаев привод генератора осуществляется с помощью ременной передачи, ресурс которой и передаваемый момент ограничены.

Решением задачи увеличения мощности одновременно с увеличением ресурса генераторной установки и уменьшения массы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) может послужить интегрированный стартер-генератор на основе вентильно-индукторной электрической машины. Он устанавливается непосредственно на коленчатый вал ДВС, что позволяет значительно увеличить надежность системы за счет отказа от большого числа изнашиваемых частей.

В стартерном режиме такое решение позволяет отказаться от традиционно применяемого редуктора, являющегося маховиком ДВС, благодаря чему запуск двигателя происходит быстрее и с меньшим уровнем шумов. Это также позволяет реализовать систему "стоп-старт", экономящую топливо во время остановки автомобиля, которая заглушает ДВС, если машина простаивает дольше определенного промежутка времени и пускает двигатель с началом движения.

Генератор также может использоваться как электромагнитный тормоз при невысоких степенях торможения, что способствует экономии топлива за счет рекуперации энергии. Суммарная экономия топлива, а значит и уменьшение количества вредных выбросов, с использованием интегрированного стартер-генераторного устройства (ИСГУ) на базе вентильно-индукторной электрической машины, как свидетельствуют зарубежные исследования [1], [2], может достигать 20%.

Вентильно-индукторная машина (ВИМ)

Вентильно-индукторная машина относится к классу синхронных реактивных машин с вентильным управлением. В мировой технической литературе ВИМ обозначается как Switched Reluctance Machine (SRM) и представляет собой совокупность электромеханического преобразователя энергии - индукторной машины (ИМ) (рис.1) - и электронного блока управления (рис.2). Необходимыми составляющими блока управления являются:

блок управления коммутацией, содержащий алгоритм и систему управления электронным коммутатором;

датчики положения ротора и тока фазы, которые могут выполняться интегрированными с блоком управления коммутацией;

электронный коммутатор, обеспечивающий подключение обмоток индукторной машины к источнику питания.

Рис.1 Конструкция индукторной машины конфигурации 6/4.

Рис.2 Схема блока управления ВИМ.

Статор и ротор ИМ - зубчатые из шихтованной электротехнической стали. Обмотка статора ИМ выполняется в виде сосредоточенных, размещенных на зубцах катушек, что обеспечивает высокую технологичность их изготовления. Ротор ИМ не имеет обмотки, что повышает надежность и уменьшает стоимость ВИМ по сравнению с другими типами вентильного привода. Конфигурацию ВИМ принято обозначать дробью, в числителе которой указывают число зубцов статора, а в знаменателе число зубцов ротора .

Принцип действия ИМ основан на реактивном взаимодействии зубцов статора и ротора. Зубцы ротора ИМ, под действием протекающего в катушках фазы тока, стараются занять положение, соответствующее наибольшему значению энергии магнитного поля, что соответствует режиму двигателя. Потокосцепления катушек зависят от взаимного углового положения зубцов статора и ротора  (за принято рассогласованное положение зубцов) и тока катушек I (рис.3).

Рассогласованным положением сердечников статора и ротора для некоторой фазы ИМ называется такое положение, при котором зубцы фазы располагаются строго напротив пазов ротора. Это положение характеризуется минимальным значением индуктивности фазы и магнитного потока, сцепленного с ней, что объясняется максимальным значением магнитного сопротивления зазора между сердечниками.

Согласованным положением сердечников статора и ротора ИМ для какой-либо фазы называется такое положение, при котором зубцы фазы располагаются строго напротив полюсов ротора. Это положение характеризуется максимальным значением индуктивности фазы и сцепленного с ней магнитного потока, что определяется минимальной величиной магнитного сопротивления зазора между сердечниками.

Рис.3 Зависимость потокосцепления катушки ИМ (18/12) от углового положения и тока.

Момент, развиваемый ИМ согласно [3] по методу виртуальных перемещений:

Момент, действующий на ротор, может быть также определен из расчета магнитного поля ИМ с помощью взвешенного тензора натяжения (Weighted Stress Tensor) по [4], [5]. Метод расчета усилий на основе взвешенного тензора натяжения базируется на объ