Рекуперативный тормоз с вращающимся магнитным полем

Рекуперативный тормоз с вращающимся магнитным полем относится преимущественно к автомобилестроению, может быть применен в других видах транспорта. Он накапливает кинетическую энергию при торможении и расходует при разгоне автомобиля. Для снижения количества деталей и передач энергии тормоз вмонтирован в колесо, выполнен в виде комбинированной электрической машины с короткозамкнутым ротором и состоит из трех основных частей: неподвижной - оси с размещенными на ней обмотками возбуждения; подвижной, закрепленной жестко на колесе, - промежуточными обмотками, умножителями частоты, обмотками маховика; свободновращающейся - маховика /короткозамкнутого ротора асинхронной машины/. При торможении на обмотках возбуждения создается вращающееся магнитное поле направления, противоположного вращению колеса. Через промежуточные обмотки, обмотки маховика оно воздействует на маховик, вызывая его раскручивание. При разгоне меняется направление возбуждающего поля. Через элементы подвижной части оно вызывает торможение маховика с отдачей его энергии подвижной части, т.е. колесу автомобиля. Технический результат заключается в повышении КПД автомобиля путем использования энергии маховика при разгоне. 4 ил.

 

Область техники

Предлагаемый рекуперативный тормоз с вращающимся магнитным полем /далее предлагаемый тормоз/ относится преимущественно к автомобилестроению и может быть использован для создания тормозной системы, преобразующей кинетическую энергию автомобиля в кинетическую энергию маховика-накопителя при торможении и затем при разгоне преобразующего энергию маховика в кинетическую энергию автомобиля. Также может быть применен на других видах транспорта, имеющих источники электроэнергии.

Уровень техники

Существующие автомобильные тормозные системы преобразуют кинетическую энергию в тепловую с последующим ее рассеиванием в атмосфере, что ведет к значительным потерям топлива /при движении автобуса по городскому циклу до 50%/ и изнашиванию деталей.

Известны рекуперативные тормозные системы, например планетарный рекуперативный тормоз "Гиректа" /Н.В.Гулиа, Накопители энергии, Москва, Наука, 1980 г., стр.138/, который принят за прототип. В нем маховик с трансмиссией связан механической четырехступенчатой передачей. Он не получил широкого распространения по причинам: сложности конструкции; ступенчатого изменения передаточного числа между маховиком и трансмиссией, что не обеспечивает плавности работы; значительная часть энергии маховика не могла быть использована, потому что число оборотов маховика должно быть больше числа оборотов трансмисии в количество раз, равное передаточному числу.

Сущность изобретения

Предлагаемый тормоз представляет собой комбинированную безколлекторную асинхронную электрическую машину с короткозамкнутым ротором без жестких механических связей между основными частями, передача энергии в которой осуществляется электромагнитными потоками. Применение его не исключает наличия на автомобиле обычной тормозной системы в целях безопасности движения.

Для накопления и хранения энергии, как и в прототипе, использован маховик по причинам: простоты конструкции, способности моментально принять и отдать большое количество энергии, возможности быть выполненным в виде короткозамкнутого ротора асинхронной электрической машины.

Для преобразований и передач энергии использована комбинированная асинхронная электрическая машина с короткозамкнутым ротором по причинам: простоты конструкции /отсутствие коллектора/, обратимости, реверсивности.

С целью уменьшения количества вращающихся деталей предлагаемый тормоз смонтирован на одной оси, что дает возможность разместить его в колесе автомобиля непосредственно. Кроме простоты, такая конструкция позволяет распределить преобразуемую энергию по числу колес, что снизит ее плотность на маховике.

Перечень фигур.

Фиг.1. Общая схема рекуперативного тормоза с вращающимся магнитным полем. Состоит из трех основных честей: неподвижной /оси 6 с размещенными на ней обмотками возбуждения 4, трехфазными, соединенными звездой, с выводами А, В и С/; подвижной, закрепленной жестко на колесе автомобиля /промежуточными обмотками 3,электронными умножителями частоты 1, обмотками маховика 2/ и свободновращающейся /маховиком 5, выполненным в виде короткозамкнутого ротора асинхронной электрической машины/.

Фиг.2. Схема направлений вращения при торможении: 7 - магнитного поля обмоток 4, 10-магнитного поля обмоток 2 /фиг.1/, 8 - колеса автомобиля, 9 - маховика 5.

Фиг.3. Схема направлений вращения при разгоне: 7 - магнитного поля обмоток 4, 10 - магнитного поля обмоток 2 /фиг.1/, 8 - колеса автомобиля, 9 - маховика 5.

Фиг.4. Общий вид маховика 5. 11 - сердечник, 12 - обмотка.

Работа рекуперативного тормоза с вращающимся магнитным полем по общей схеме, фиг.1. На неподвижной /относительно автомобиля/ оси 6 закреплены обмотки возбуждения 4. При вращении колеса относительно них вращаются промежуточные обмотки 3, умножители частоты 1 и обмотки маховика 2. Пара: обмотки 3 и обмотки 4 необходимы для создания вращающего момента /отрицательного при торможении, против часовой стрелки, и положительного при разгоне, по часовой на фиг.2 и 3/ и безколлекторной передачи электроэнергии от неподвижной части тормоза к подвижной. При подаче на обмотки возбуждения 4 трехфазного электрического тока в них возникает вращающееся магнитное поле направления 7 /фиг.2, торможение/. Оно возбуждает в промежуточных обмотках 3 фрехфазный электрический ток той же последовательности фаз с частотой n=n₁+n₂, где n₁ - частота вращения поля обмоток возбуждения 4, n₂ - частота вращения колеса в направлении 8 /фиг.2/. Электронные умножители частоты 1 выполняют роль повышающего редуктора при передаче электрического тока от промежуточных обмоток 3 к обмоткам маховика 2. Пара: промежуточные обмотки 3, обмотки маховика 2 представлены как необъединенная трехфазная система для наглядности рисунка. Направление вращения поля 10 в обмотках маховика 2 противоположно направлению вращения поля 7 в обмотках 3 и 4 из-за изменения очередности фаз В и С. Это необходимо для того, чтобы направление вращения поля 7 при торможении было противоположно направлению вращения колеса 8 /фиг.2/.

Фиг.2. Торможение. На обмотки 4 подается трехфазный электрический ток. В них возникает вращающееся магнитное поле направления 7, являющееся тормозящим для подвижной части тормоза, закрепленной на колесе. В промежуточных обмотках 3 возбуждается трехфазный электрический ток, который передается через умножители частоты 1 на обмотки маховика 2, на которых вращающееся магнитное поле имеет уже противоположное направление и большую частоту вращения. Пара: обмотки маховика 2, маховик 5 работает, как асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, где обмотки 2 - статор, маховик 5 - ротор. Маховик начинает вращаться в направлении 9. Таким образом, отрицательный вращающий момент обмоток 4 преобразуется в положительный маховика 5.

Фиг.3. Разгон. Маховик вращается в направлении 9. На обмотки 4 подается трехфазный электрический ток для создания вращающегося магнитного поля направления 7. При этом в обмотках маховика 2 возникает вращающееся магнитное поле направления 10, противоположное направлению вращения маховика 9. В короткозамкнутой обмотке маховика возникают вихревые токи, создающие вращающий момент относительно обмоток 2, который через обмотки 2 действует на колесо и приводит его во вращение в направлении 8. Пара: обмотки маховика 2, маховик 5 работает как асинхронный двигатель в режиме противовключения.

Фиг.4. Маховик, выполненный в виде короткозамкнутого ротора асинхронной электрической машины. Поскольку в предлагаемом тормозе он постоянно работает в переходных режимах, т.е. в режимах пусковых токов, должен быть выполненным с учетом этого, в виде двойной беличьей клетки, например.

При торможении по частоте вращения колеса n₂ предлагаемый тормоз работает как асинхронный генератор с потреблением мощности на возбуждение до 5% от номинальной. По частоте вращения магнитного поля обмоток возбуждения n₁ работает как асинхронный двигатель в режиме противовключения с потреблением мощности 100% номинальной. Для понижения частоты n₁ при сохранении максимальной частоты вращения маховика применены электронные умножители частоты 1, выполняющие роль повышающего редуктора.

Если предположить, что городской автобус массой 10 т движется со скоростью 36 км/ч, обладая кинетической энергией E=mυ²/2=10000·100/2=500000=500 кДж, начинает тормозить, то при допустимой плотности энергии маховика, выполненного в виде диска с отверстием 10 кДж·кг /Н.В.Гулиа, Накопители энергии, Москва, Наука, 1980 г., стр.148/ масса одного маховика при их размещении по всем колесам должна быть равна m=500 кДж/10 кДж·кг/4=12.5 кг, что вполне приемлемо для практического использования.

Преимущества:

- значительное снижение количества тепловой энергии, выделяемой в атмосферу при торможении, повышение КПД автомобиля в целом,

- отсутствие быстроизнашиваемых деталей,

- облегчение работы двигателя автомобиля при разгоне,

- более полное использование энергии маховика в сравнении с прототипом.

Недостатки:

- наличие на автомобиле источника переменного многофазного электрического тока,

- присутствует режим противовключения, что ведет к дополнительным затратам электроэнергии на раскрутку маховика,

- относительная сложность регулировки вращающих моментов.

Рекуперативный тормоз с вращающимся магнитным полем, содержащий асинхронную машину, расположенную в колесе транспортного средства, и накопитель рекуперируемой энергии, отличающийся тем, что он выполнен из трех основных частей: неподвижной, выполненной в виде общей оси вращения с закрепленной на ней многофазной обмоткой возбуждения, подвижной, жестко связанной с колесом транспортного средства и несущей промежуточные обмотки и умножители частоты, играющие роль электронного вращающегося редуктора для понижения частоты переменного возбуждающего электрического тока, и свободновращающейся, состоящей из маховика, выполненного в виде короткозамкнутого ротора асинхронной электрической машины, включаемой в работу подачей на обмотки возбуждения многофазного переменного электрического тока, создающего вращающееся магнитное поле направления, соответствующего режимам торможения или разгона.