Стартер-генераторные установки для легковых автомобилей

Размещено на http://www.allbest.ru/

СТАРТЕР-ГЕНЕРАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ЛЕГКОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

В.М. Анисимов,

В.В. Трошин

В настоящее время широкое применение получают совмещенные электромеханические преобразователи - стартер-генераторы (СТГ). Применение СТГ на автомобилях позволяет улучшить ряд характеристик.

Замена двух электрических машин - стартера и генератора одной СТГ снижает массу и габариты установки и ее стоимость. Для снижения выброса в атмосферу вредных веществ при частых остановках в городских условиях движения современные автомобили оснащаются системой «СТОП-СТАРТ». Эта система автоматически отключает двигатель внутреннего сгорания при остановке автомобиля и включает его при трогании с места. Эксплуатация автомобиля в режиме «СТОП-СТАРТ» снижает и расход топлива. За счет меньшего числа составляющих элементов СТГ и сохранения работоспособности при отказе электрической машины или двигателя внутреннего сгорания повышается надежность и безопасность автомобиля.

В зависимости от места установки и способа сочленения с коленчатым валом СТГ можно разделить на безредукторные и редукторные.

За рубежом фирма «БОШ» одна из первых разработала безредукторный СТГ с асинхронной машиной и транзисторным инвертором напряжения [1]. За счет применения двух сцеплений и маховика удалось уменьшить габариты электрической машины и ток в стартерном режиме работы, но наличие двух сцеплений снижает надежность установки.

Отечественный безредукторный СТГ для автомобиля «Москвич» [2] имеет большие габаритные размеры и значительный вес, что затрудняет его размещение в картере сцепления. С целью уменьшения габаритов и массы СТГ сочленяют с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания через редуктор. В большинстве разработанных конструкций применяется планетарный редуктор с изменением коэффициента передачи при переходе в генераторный режим работы. Однако конструкция таких редукторов достаточно сложная [3].

Уменьшение габаритов электрической машины и величины тока в стартерном режиме работы достигается применением СТГ на напряжение выше напряжения бортовой сети автомобиля. В этом случае предусматривается два напряжения бортовой сети. Связь между двумя накопителями электрической энергии и управление СТГ осуществляется электронной системой.

Безредукторный СТГ напряжением 42 В с асинхронной электрической машиной и управляющим полупроводниковым модулем, проект которого разработан фирмами «Continental» и «BMW AG» [4], развивает максимальный пусковой момент 200 Нм в стартерном режиме работы и максимальную мощность в генераторном режиме работы 2 кВт на 14 В и 2, 2 кВт на 42 В.

Проведенные испытания подтвердили работоспособность СТГ в различных режимах и условиях работы.

В безредукторных СТГ могут применяться синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов. Возможны две конструкции синхронных СТГ: с внутренним ротором и с внешним ротором. Синхронный СТГ с внешним ротором имеет преимущества - более простое и надежное крепление магнитов на роторе и хорошее охлаждение.

Все описанные СТГ предназначены для автомобилей с обычным приводом колес от двигателя внутреннего сгорания. Для таких автомобилей мощности двух электрических машин - стартера и генератора почти одинаковы по величине.

Основными размерами электромеханического преобразователя энергии являются диаметр якоря D_a и его длина l_a. Размеры D_a и l_a зависят от мощности P, частоты вращения n, линейной нагрузки A и магнитной индукции в воздушном зазоре B. Эти величины связаны соотношением, называемым «машинная постоянная»:

,

где - коэффициент полюсного перекрытия; k _B - коэффициент формы кривой магнитного поля; k_о - обмоточный коэффициент.

В стартерном режиме работы линейную нагрузку можно увеличить в 3, 5 раза по сравнению с генераторным режимом, а частота вращения в режиме генератора на порядок выше частоты вращения в режиме стартера. При одинаковых значениях остальных величин мощность СТГ в генераторном режиме работы будет в три раза больше, чем в стартерном режиме.

Габаритные размеры, масса магнитных и проводниковых материалов и мощность СТГ в этом случае определяют исходя из условия надежного пуска двигателя внутреннего сгорания.

Все более жесткие экологические и экономические требования к автомобилям, а также к повышению безопасности и комфорта привели к созданию электромобилей и автомобилей с гибридным приводом.

В электромобиле СТГ рассчитывается на основной режим работы - режим тягового двигателя, питаемого от аккумуляторной батареи. При торможении автомобиля СТГ переводится в генераторный режим и рекуперирует электрическую энергию в аккумуляторную батарею. На автомобиле может быть установлено несколько СТГ суммарной мощностью до 100 кВт и больше.

Основной недостаток электромобилей - это необходимость длительного заряда аккумуляторной батареи и отсутствие сети зарядных станций для них.

В последнее десятилетие многими фирмами созданы и серийно выпускаются автомобили с гибридным приводом, которые могут приводиться в движение от электродвигателя или от двигателя внутреннего сгорания или от обоих одновременно. Мощность электрических машин, установленных на автомобиле с гибридным приводом, составляет сотни кВт. В качестве тяговых электродвигателей и стартер-генераторов в автомобилях с гибридным приводом используются бесконтактные асинхронные или синхронные машины с постоянными магнитами, работающие от инверторов. С целью уменьшения габаритов они могут выполняться со встроенным редуктором и иметь водяное охлаждение.

Серийно выпускаемый автомобиль «Lexus RX 400h» оснащен двигателем внутреннего сгорания мощностью 155 кВт, передним электродвигателем мощностью 123 кВт, задним электродвигателем мощностью 50 кВт и генераторной установкой мощностью 109 кВт. Напряжение генераторной установки и электродвигателей достигает 650 В, а напряжение аккумуляторной батареи мощностью 45 кВт равно 288 В.

В обычных условиях автомобиль трогается с места и движется с малой скоростью за счет электродвигателей, используя энергию аккумуляторной батареи. При разгоне включается бензиновый двигатель, а вместе с ним могут включаться электродвигатели, повышая общую мощность. При движении с крейсерской скоростью работает двигатель внутреннего сгорания, при этом часть мощности двигателя расходуется на привод генератора, питающего аккумуляторную батарею. При торможении электродвигатели переводятся в генераторный режим работы и возвращают электроэнергию в аккумуляторную батарею. Совместная работа двигателя внутреннего сгорания и двух электродвигателей регулируется интеллектуальной системой Hybrid Synergy Drive.

Проектирование электрических машин автомобилей с гибридным приводом ведется по условиям их эксплуатации в основном режиме работы. С целью уменьшения габаритов электрических машин и снижения потерь электроэнергии в обмотках и преобразователях напряжение силовой сети необходимо увеличивать до сотен вольт.

стартер генераторный автомобиль электрооборудование

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Хенбергер Г. Электрооборудование автомобилей (Стартеры, генераторы, батареи). Проспект фирмы БОШ, ФРГ, Штутгарт, 1988. - 108 с.

2. Панарин А.Н. Автомобильный стартер-генератор // Отчет по НИР, № 02.84.0044.907. - Новосибирский электротехнический институт, 1987. - 178 с.

3. United States Patent Number 5418400. Integrated generator and starter motor. / General Motors Corporation, Dearborn, Mich. / Filed: Dec. 27, 1993 / Date of Patent: May. 23, 1995.

4. Стартер-генераторы колен-валового типа (KSG). Основы будущих концепций / Краппель А. и др. - Изд-во «EXPERT», ФРГ, 1999. - 120 с.

Размещено на Allbest.ru