Стартер-генератор автомобиля

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к устройствам пуска двигателей внутреннего сгорания и выработки электроэнергии на борту автомобиля. Технический результат заключается в возможности повышения надежности, эффективности характеристик и технологичности изготовления и сборки стартер-генератора. Согласно изобретению стартер-генератор автомобиля содержит вентильную электромашину с управляющим контроллером, постоянные магниты, установленные на маховике двигателя, и обмотки статора, закрепленные на картере двигателя. Маховик двигателя установлен с возможностью перемещения относительно пакета и обмоток статора вдоль оси коленвала. Пакет статора с обмотками установлен на картере двигателя посредством диска соосно с маховиком и коленвалом. А плоскость диска параллельна плоскости маховика. При этом на выходе стартер-генератора введен высоковольтный преобразователь напряжения, управляющий вход которого связан с управляющим контроллером через регулятор напряжения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к устройствам пуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и выработки электроэнергии на борту автомобиля.

В качестве аналогов предлагаемого устройства известны серийно выпускаемые стартеры и генераторы автомобилей (см., например, [1] Чижков Ю.П., Акимов С.В. Электрооборудование автомобилей. - М.: Изд-во «За рулем», 1999. - с.127-155, 81-126). Недостатком указанных стартеров является низкая надежность и малый ресурс работы тягового реле, муфты свободного хода, редуктора, особенно в условиях повышенной влажности и запыленности, затрудненный пуск при низких температурах из-за загустевания смазки, а также необходимость периодического обслуживания. Вышеуказанные известные навесные генераторы с приводом от ременной передачи требуют периодической регулировки и обслуживания, имеют низкую надежность из-за износа и обрыва ремней, попадания внутрь конструкции влаги и пыли, а для генераторов со щеточно-коллекторным узлом - еще из-за износа и загрязнения узла.

Известны также объединенные (совмещенные) стартер-генераторы (СГ) для автомобилей «Тойота-Краун» (см., например, [2] «Поверь в гибрид». - Журнал «За рулем», №6, 2002. - с.72-73), выполненные в виде навесной электромашины, соединенной с бензиновым двигателем внутреннего сгорания широким плоским ремнем. В таком стартер-генераторе отсутствуют тяговые реле, обгонная муфта, шестеренчатый редуктор, что несколько повышает надежность стартера из-за отсутствия в конструкции указанных элементов, но сохраняются недостатки, присущие ременной передаче, - износ и обрывы ремня, необходимость периодического обслуживания, а также недостатки, обусловленные открытостью конструкции для пыли и влаги.

В качестве прототипа предлагаемого устройства известен бесконтактный стартер-генератор, обмотки которого закреплены на корпусе двигателя, а ротором является маховик двигателя (см., например, [3] «В новый век без стартера». - Журнал «За рулем», № 9, 1998. - с.58). В такой конструкции устраняются недостатки известных СГ, связанные с наличием ременной передачи, и конструкция СГ закрыта от пыли и влаги.

Недостатками устройства-прототипа являются:

1. Проблематичность обеспечения равномерного воздушного зазора по окружности между пакетом статора с обмотками и магнитами из-за того, что установочные технологические базы обмоток на корпусе ДВС и маховика с магнитами на фланце коленвала разные и не привязаны между собой. В результате неравномерности воздушного зазора появляются радиальные биения возмущающей электромагнитной силы на коленвал ДВС, что может вызвать изгибные колебания коленвала, особенно недопустимые на собственных резонансных частотах конструкции ДВС.

2. Возможность залипания (с ударом) маховика с магнитами на пакете статора СГ при установке маховика на фланец коленвала, так как сила притяжения магнитов к железу статора достаточно большая, например для СГ грузового автомобиля она может быть более 10000 Н, а ввести маховик внутрь обмоток статора с равномерным зазором в известном устройстве не представляется возможным. Попытка оторвать маховик от статора после залипания может привести к повреждению обмоток и скалыванию магнитов.

3. Не обеспечивается наиболее эффективное использование массы СГ с точки зрения получения максимального момента с единицы массы и недостаточная эффективность характеристик и технологичность конструкции прототипа СГ, что поясним далее.

II. Сведения, раскрывающие сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является повышение надежности, эффективности характеристик и технологичности изготовления и сборки СГ. Это достигается тем, что:

1. СГ содержит вентильную электромашину с управляющим контроллером, постоянные магниты, установленные на маховике двигателя, и обмотки статора, закрепленные на картере двигателя. При этом с целью повышения надежности работы и сборки СГ маховик установлен на фланце коленвала двигателя с возможностью перемещения относительно пакета и обмоток статора вдоль оси коленвала, пакет статора с обмотками установлен на картере двигателя посредством диска соосно с маховиком и коленвалом, а плоскость диска параллельна плоскости маховика.

2. С целью повышения эффективности характеристик и технологичности изготовления СГ электромашина СГ выполнена торцевого типа (т.е. оси обмоток статора СГ расположены параллельно оси коленвала и маховика). При этом магниты установлены на плоскости маховика, обращенной к обмоткам статора. На магниты установлены алюминиевые коробочки с зазором между коробочками, боковые поверхности которых в зоне зазора имеют криволинейные (цилиндрические или спиралевидные) образующие. Отношение наружного диаметра статора с обмотками к высоте магнитов (высоте пакета обмоток статора) не менее чем 10:1, а сечения пакетов железа статора под каждый полюс обмотки статора имеют форму трапеции, площадь верхней части которой увеличена на разность площадей верхней и нижней частей трапеции от средней линии, взятых без учета указанного увеличения.

3. С целью повышения технологичности сборки СГ магниты выполнены цилиндрической формы (в форме таблеток) и установлены в цилиндрические углубления на дополнительном диске, расположенном между маховиком и фланцем коленвала с возможностью перемещения относительно пакета и обмоток статора вдоль оси коленвала, а диск с обмотками статора установлен на дополнительном диске посредством подшипника с фиксацией от разворота относительно картера двигателя.

4. Для обеспечения надежности работы при переходе СГ из режима статора (моментного двигателя) в режим генератора на выходе СГ введен высоковольтный преобразователь напряжения, управляющий вход которого связан с управляющим контроллером электромашины через регулятор напряжения. Это позволяет после запуска ДВС отключать режим стартера путем перевода инвертора вентильной электромашины в режим выпрямителя, используя то обстоятельство, что ток в обмотках в режиме стартера, обусловленный напряжением АКБ, уменьшается до нуля за счет возрастания ЭДС обратного знака при увеличении скорости вращения ротора после запуска ДВС. Режим генератора после этого реализуется путем преобразования и стабилизации выходного высоковольтного напряжения с обмоток СГ в преобразователе напряжения, сигнал на включение которого подается с управляющего контроллера вентильной электромашины через регулятор напряжения.

Такие технические решения позволяют получить новые эффекты:

1. Установка маховика на фланце коленвала с возможностью перемещения вдоль оси вращения коленвала относительно пакета и обмоток статора обеспечивает: плавное соосное перемещение маховика с магнитами при установке его на фланец коленвала, исключающее ударное касание магнитов с железом статора при сборке СГ на автомобиле (т.е. и поломку магнитов, и повреждение обмоток); равномерность воздушного зазора между магнитами и пакетом железа статора; плавную выставку положения магнитов относительно обмоток.

2. Установка пакета и обмоток статора на корпусе двигателя посредством диска соосно с маховиком и коленвалом, а расположение плоскости диска параллельно посадочной плоскости фланца маховика обеспечивает равномерность воздушного зазора между ротором и статором при сборке СГ и исключает радиальные вибрационные возмущения на коленвал двигателя от электромагнитных сил, обусловленных неравномерностью зазора, и соударения магнитов с пакетом статора при сборке СГ, что повышает надежность работы СГ и двигателя в целом.

3. Торцевое исполнение электромашины СГ позволяет:

3.1. Повысить плотность тока в обмотках на 30-40% по отношению к обычному известному стартеру (с 12 А/мм² до 16 А/мм²) за счет того, что обмотки в пазах торцевой электромашины уложены не глубоко и улучшаются условия теплоотдачи в воздух (повышается эффективность характеристик и надежность СГ).

3.2. Установить магниты на плоской поверхности маховика (или дополнительного диска), сделать магниты плоскими, упростить и повысить точность установки магнитов, а также упростить и удешевить пресс-формы для магнитов, улучшить технологичность изготовления, контроля и обеспечения сборочных параметров СГ за счет более технологичных посадочных мест, а также закрыть магниты алюминиевыми коробочками, имеющими криволинейные (например, цилиндрические или спиральные) формы боковой поверхности, и обеспечить воздушный зазор между коробочками, что обеспечивает защиту магнитов от скалывания и улучшает охлаждение магнитов и обмоток при вращении маховика за счет вентиляционных пазов между коробочками (тем самым повышается надежность).

3.3. Выполнить отношение наружного диаметра Дн пакета статора к высоте пакета статора (или, что то же самое, - к диаметру магнитов Дм) не менее чем 10:1 за счет того, что расположение магнитов в этом случае не мешает изменению наружного диаметра пакета. Как показывают эксперименты с макетом СГ, это обеспечивает максимальный момент в режиме стартера при минимальной массе СГ. В противном случае, когда отношение Дн/Дм уменьшается, например, с увеличением диаметра магнитов, средний диаметр обмоток (пакета стартера) уменьшается, масса статора электромашины для обеспечения того же крутящего момента увеличивается, т.е. эффективность использования массы уменьшается.

4. Увеличение площади вершины (узкой части) трапеции сечения пакета статора под каждый полюс обмотки позволяет уравнять площади пакетов железа от центров обмоток, что обеспечивает более равномерное распределение магнитных нагрузок на листы пакета статора и уменьшает потери в стали, т.е. увеличивает КПД и эффективность характеристик СГ.

5. Выполнение магнитов цилиндрической формы и установка их в цилиндрические углубления позволяет: удешевить пресс-формы для магнитов и исключить их смещение при сборке.

6. Установка магнитов на дополнительном диске, закрепленном на фланце коленвала с возможностью перемещения диска относительно пакета и обмоток статора вдоль оси коленвала, а диска статора с обмотками - на дополнительном диске посредством подшипника с фиксацией от разворота относительно картера двигателя (или картера сцепления), позволяет выполнить СГ в виде отдельного сборочного узла и тем самым обеспечить сборочные параметры СГ за счет привязки плоскостей обмоток статора и магнитов ротора к единой установочной базе (посадочной плоскости фланца маховика), снизить трудоемкость сборки и контроля параметров, упростить регулировку осевого воздушного зазора и исключить соударение магнитов с пакетом статора, что повышает технологичность сборки и надежность СГ.

III. Осуществление изобретения

Суть предлагаемого изобретения поясняют фиг.1-4.

Фиг.1a поясняет п.1 формулы изобретения, где обозначено:

1 - фланец коленвала ДВС;

2 - промежуточный (дополнительный) диск;

3 - диск, на котором установлены пакет 4 железа статора с обмотками 5;

6 - корпус (картер) ДВС;

7 - винт крепления диска 3 с обмотками статора на корпусе 6 ДВС (первый вариант крепления);

8 - винт крепления диска 3 на корпусе 6 ДВС посредством прокладки 9, подбираемой по фактическому зазору между корпусом 6 и диском 3 (второй вариант крепления диска 3 к корпусу 6 ДВС);

10 - магниты, установленные на маховике 12;

11 - технологические болты, обеспечивающие возможность плавного перемещения маховика 12 вдоль оси коленвала относительно обмоток статора с сохранением равномерного зазора между магнитами и пакетом железа статора (резьбовые отверстия под болты 11 выполняются в сборке дисков 2, 3 и маховика 12 на технологическом фланце, что обеспечивает сборочные параметры СГ в целом);

13 - болты крепления маховика на фланце 1 коленвала;

14 - технологический вал для начальной ориентации маховика при сборке СГ, установленный в центральное отверстие коленвала, используемое для вала сцепления.

Соосность пакета статора и обмоток с маховиком и осью коленвала обеспечивается тем, что сборка дисков 3 и 2 на технологических болтах 11 обрабатывается совместно (маховик 12 при этом снят). После установки пакета статора с обмотками на диск 3 цилиндрическая поверхность пакета статора, обращенная к магнитам, будет также соосна маховику и оси 6 коленвала (в случае необходимости она может быть обработана в составе сборки с диском 3). Сборка статора с дисками 2 и 3 устанавливается на фланец коленвала и закрепляется болтами 13. После этого диск 3 закрепляется на корпусе 6 ДВС либо винтами 7, которые могут быть с потайной головкой, либо винтами 8 посредством прокладки 9 необходимой толщины. Далее болты 11 и 13 отворачиваются и дополнительный диск 2 снимается, в отверстие коленвала вставляется технологический вал 14, в отверстия маховика вворачиваются болты 11 нужной длины так, что расстояние от головки болта до поверхности маховика было не менее суммарной толщины диска 2 и маховика 12, а болты 11 выступали с другой стороны маховика не менее чем на такое же расстояние от маховика, как и их головки. Маховик одевается на вал 14 и придвигается к фланцу 1 до касания болтов 11 диска 3, при этом магниты находятся еще над обмотками. После этого болты 11 вворачиваются в отверстия диска 3 синхронно с помощью специального инструмента и тем самым маховику обеспечивается возможность перемещения в осевом направлении с сохранением равномерного воздушного зазора между магнитами и пакетом статора до касания с фланцем. Маховик закрепляется на фланце 1 болтами 13, а болты 11 выворачиваются. Таким образом обеспечиваются сборочные параметры СГ, т.е. и повышение надежности и технологичности СГ.

На фиг.1б показан вариант реализации предложенного устройства по п.1 формулы изобретения без использования дополнительного диска 2 и технологического вала 14. Обозначения деталей на фиг.1б такие же, как и на фиг.1а. В этом случае соосность диска 3 статора и маховика 12 с осью коленвала обеспечивается совместной обработкой сборки диска 3 с маховиком на технологическом фланце, скрепляемых, например, технологическими болтами 11. Болты 11, а также отверстия под них в диске 3 и маховике выполняются совместно в сборке и обеспечивают возможность перемещения маховика строго вдоль оси коленвала и сохранение равномерного зазора между пакетом статора и магнитами при сборке СГ на автомобиле.

Торцевое исполнение предлагаемого СГ поясняют фиг.2а и 2б. На фиг.2а показан вариант торцевого исполнения СГ по п.2 формулы изобретения, где обозначения деталей такие же, как и на фиг.1. Сборка диска 3 статора, дополнительного (технологического) диска 2 и маховика скрепляется технологическими болтами 11 и совместно обрабатывается. Тем самым обеспечивается соосность и параллельность диска 3 статора и маховика 12 в сборке СГ. Далее на диск 3 устанавливается пакет 4 статора с обмотками 5, при этом обеспечивается параллельность диску 3 торцев пакета железа статора, и в дальнейшем после сборки СГ - равномерность зазора между магнитами 10 и пакетом статора. Отверстия под технологические болты 11 изготавливаются совместно в сборке маховика, дисков 2 и 3 на фланце 1 коленвала (или технологическом фланце). Затем сборка дисков 2, 3 на болтах 11 устанавливается на фланце 1, а диск 3 закрепляется на корпусе ДВС с помощью либо винтов 7 (первый вариант крепления), либо с помощью винтов 8 посредством подбираемой по месту прокладки 9 (второй вариант крепления). После этого диск 2 снимается и затем маховик 12 с магнитами уже без диска 2 устанавливается на фланец 1, при этом возможность плавного и соосного перемещения маховика 12 вдоль оси коленвала обеспечивается технологическими болтами 11 и отверстиями под них в маховике и диске 3. После закрепления маховика на фланце болтами 13 болты 11 выворачиваются. Для удобства начального центрирования маховика при сборке СГ может использоваться технологический вал 14, устанавливаемый в отверстие в торце коленвала, предназначенное для вала сцепления. Толщина диска 2 в зоне касания с фланцем 1 выполняется такой, чтобы после установки маховика на фланец обеспечивалась необходимая величина воздушного зазора между магнитами и пакетом статора.

На виде А-А фиг.2а показаны формы алюминиевых коробочек 16, закрывающих сверху магниты 10. Коробочки 16 закреплены на маховике винтами 15, боковые поверхности коробочек имеют в зоне зазоров криволинейную, например, цилиндрическую или спиральную форму, что при вращении маховика с магнитами обеспечивает эффект вентиляции воздуха и улучшает охлаждение магнитов и обмоток и дает возможность использовать большие токи в обмотках при той же массе СГ.

На виде В-В фиг.2а, где показаны с торца пакет сердечника и обмотки статора, видно, что сечение пакета сердечника под каждым полюсом обмотки имеет форму трапеции с параметрами: h+Δh - высота трапеции; h - высота трапеции до увеличения ее площади; Δh - увеличение высоты, соответствующее увеличению площади верхней части трапеции на величину ΔS=S₁-S₂, где S₁ - площадь трапеции от основания до линии, параллельной основанию, на высоте , S₂ - площадь трапеции между линиями на высоте и h, параллельными основанию.

На фиг.2б показан вариант выполнения торцевой конструкции СГ без дополнительного (промежуточного) диска 2 и технологического вала 14. Обозначения деталей такие же, как и на фиг.1 и фиг.2а. В этом случае для обеспечения сборочных параметров СГ диск 3 в сборке с маховиком обрабатывается совместно на технологическом фланце, при этом нарезаются отверстия под технологические болты 11, обрабатываются посадочные места под статор и поверхности и отверстия для крепления диска на корпусе ДВС. Технологические болты 11 и соосные отверстия под них в диске 3 и маховике обеспечивают возможность перемещения маховика вдоль оси коленвала до выставки нужного воздушного зазора между магнитами и пакетом статора. После закрепления маховика на фланце болты 11 снимаются.

На фиг.3 показана конструкция СГ по п.3 формулы предлагаемого изобретения, где введены такие же обозначения деталей, как и на фиг.2. Дополнения заключаются в том, что магниты выполнены цилиндрической формы и установлены в цилиндрических углублениях не на маховике, а на дополнительном диске 21, расположенном между маховиком и фланцем с возможностью перемещения относительно обмоток статора. Диск 3 установлен на дополнительном диске 21 посредством подшипника 17. В этом случае сборка СГ изготавливается отдельно с обеспечением всех сборочных параметров. При этом соосные отверстия 19 в диске 3 и 20 - в диске 21 под технологические болты 11 (на фиг.3 болты не показаны) и сами болты обеспечивают возможность перемещения указанных дисков друг относительно друга и выставку необходимого зазора между магнитами и пакетом статора. В этом случае отверстия в маховике 12 под технологические болты не делаются. Готовая сборка СГ, состоящая из дисков 3 с обмотками, подшипника 17, диска 21 с магнитами, устанавливается на фланец 1 коленвала и вместе с маховиком 12 закрепляется болтами 13. От проворота относительного корпуса ДВС диск 3 фиксируется либо винтами 7, либо винтами 8. Для удобства выставки необходимой величины зазора могут использоваться прокладки 18 нужной толщины между подшипником 17 и диском 21. Предложенное на фиг.3 техническое решение обеспечивает повышение технологичности сборки СГ.

Работу СГ поясняет структурная электрическая схема, изображенная на фиг.4, где обозначено:

О - обмотка статора 3-фазной электромашины СГ;

И - 3-фазный мостовой инвертор, ключи которого имеют обратные диоды;

Ф - фильтр;

В - выпрямитель (диод);

АКБ - аккумуляторная батарея;

Р - ротор 3-фазной электромашины СГ;

ДПР - датчик положения ротора (датчик Холла);

СУ - система управления, включающая контроллер и управляющая переключением ключей в инверторе, то есть переключением обмоток, и работой регулятора напряжений;

РН - регулятор напряжения, на входы которого подается напряжение уставки Uопорное и напряжение обратной связи Uoc бортовой сети (РН может включать в себя последовательно соединенный ПИД-регулятор (операционный усилитель, на вход которого подается Uопорное и Uoc) и ШИМ (широтно-импульсный модулятор));

ПН - преобразователь напряжения на выходе генератора (может включать в себя силовой ключ, обратный диод и силовой дроссель), работающий на частоте, например, 25 кГц.

В режиме стартера (моментного двигателя) ток I с АКБ через выпрямитель (диод) В и инвертор подается на обмотки СГ, при этом по сигналу с ДПР СУ переключает обмотки, соответствующие текущему углу поворота ротора относительно статора. Под действием момента стартера коленвал ДВС раскручивается и по достижении угловой скорости величины порядка (200÷300) об/мин происходит запуск ДВС, который набирает обороты до оборотов холостого хода порядка (800÷1100) об/мин. С ростом угловой скорости w вращения ротора растет и ЭДС Есг, индуцируемая в обмотках СГ. При этом выражение для тока I в каждой фазе электромашины можно представить в виде

где Е_АКБ - ЭДС АКБ;

r - внутреннее активное сопротивление АКБ;

r_ф - активное сопротивление фазы;

E_СГ⁼ k_E·w, где k_E - коэффициент пропорциональности.

Очевидно, что с ростом w растет величина Е_СГ и ток в обмотках уменьшается. При очень малых значениях тока I, когда w>400 об/мин и когда ДВС уже запустился, СУ закрывает ключи в инверторе И и режим стартера (моментного двигателя) выключается. Инвертор начинает работать в режиме трехфазного мостового выпрямителя и таким образом осуществляется переход СГ в режим генератора. При этом для w>w₂>450 об/мин (когда величина тока близка к нулю) по сигналу с СУ включается РН. С выхода ШИМ блока РН сигнал поступает на силовой ключ ПН. ПН преобразует напряжение с выхода генератора, стабилизирует до величины напряжения бортовой сети и подает его в бортовую сеть.

Введение ПН и связь его управляющего входа с СУ через РН реализует режим генератора и бортовой сети автомобиля и повышает надежность работы СГ при пуске ДВС.

Таким образом, предлагаемые технические решения обладают новизной и обеспечивают эффект повышения надежности, эффективности характеристик и технологичности изготовления и сборки СГ.

1. Стартер-генератор автомобиля, содержащий вентильную электромашину с управляющим контроллером, постоянные магниты, установленные на маховике двигателя, и обмотки статора, закрепленные на картере двигателя, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы и сборки стартер-генератора, маховик установлен с возможностью перемещения относительно пакета и обмоток статора вдоль оси коленвала, пакет статора с обмотками установлен на картере двигателя посредством диска соосно с маховиком и коленвалом, а плоскость диска параллельна плоскости маховика; на выходе стартер-генератора введен высоковольтный преобразователь напряжения, управляющий вход которого связан с управляющим контроллером через регулятор напряжения.

2. Стартер-генератор автомобиля по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности характеристик и технологичности изготовления стартер-генератора, оси обмоток статора расположены параллельно оси коленвала, магниты установлены на плоскости маховика, обращенной к обмоткам статора, на магниты установлены алюминиевые коробочки с зазором между коробочками, боковые поверхности коробочек в зоне зазора имеют криволинейную образующую, отношение наружного диаметра статора к высоте магнитов не менее 10:1, сечения пакетов железа статора под каждый полюс обмотки имеют форму трапеции, площадь верхней части которой увеличена на разность площадей верхней и нижней частей трапеции от средней линии, взятых без учета указанного увеличения.

3. Стартер-генератор автомобиля по п.1 или 2, отличающийся тем, что, с целью повышения технологичности сборки стартер-генератора, магниты выполнены цилиндрической формы и установлены в цилиндрических углублениях на дополнительном диске, расположенном между маховиком и фланцем коленвала с возможностью перемещения относительно пакета и обмоток статора вдоль оси коленвала, а диск с обмотками статора установлен на дополнительном диске посредством подшипника с фиксацией от разворота относительно картера двигателя.