Разработка интегрированного стартер-генератора на основе вентильно-индукторной машины (стр. 1 из 3)
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 объемном интеграле тензора натяжения Максвелла для вакуума
, по тонкой оболочке S, охватывающей подвижный элемент. Суммарное усилие, действующее на подвижный элемент электрической машины (ротор), определяется по данному методу как: 
, где 
- функция, принимающая значение 1 внутри оболочки S, и 0 вне оболочки S.Реализация данного метода позволяет рассчитывать момент (Мтн рис.4), создаваемый электрической машиной, более точно, чем по методу виртуальных перемещений (Мвм рис.4).
Рис.4 Зависимость момента ВИМ конфигурации 18/12 в зависимости от углового положения зубцов статора и ротора.
В двигательном режиме импульс напряжения от источника питания через ключи S1, S2 (рис.2) подается на обмотку фазы А в момент, когда зубцы статора и ротора находятся в близком к рассогласованному положении (I рис.5). При подходе зубцов к согласованному положению (II рис.5) ключи S1 и S2 размыкаются, и к обмотке фазы через диоды D1, D2 прикладывается напряжение противоположного знака, что способствует гашению магнитного поля фазы до достижения зубцами согласованного положения. К моменту, когда зубцы займут согласованное положение, ток и потокосцепление фазы должны быть равно нулю, иначе будет создаваться тормозной момент. Последовательно переключая катушки ИМ в порядке А, В, С (рис.1) в соответствии с показаниями датчика положения ротора получают непрерывное преобразование энергии. Направление вращения ротора при этом будет противоположенным направлению переключения фаз. Основные положения, относящиеся к двигательному режиму ВИМ, описаны в [2], [3], [6].
Рис.5 Стартерный режим работы ВИМ
Для перехода к генераторному режиму ВИМ необходимо сместить время подачи импульса напряжения в момент согласованного положения или при подходе к нему (I и II рис.6). С этой целью при подходе к согласованному положению (II рис.6) (ротор генератора вращается под действием внешнего момента) замыкают ключи S1 и S2, подключая фазу А к источнику питания. Импульс напряжения, поданный на катушки фазы, создаст магнитный поток, являющийся потоком возбуждения генератора. Механический момент при этом практически равен нулю. По достижению определенного угла или определенного уровня тока ключи S1 и S2 размыкаются. В обмотке фазы создается ЭДС, под действием которой открываются диоды D1 и D2. При дальнейшем перемещении зубцов ротора относительно зубцов статора индуктивность фазы уменьшается, что приводит к увеличению ЭДС, старающейся поддержать потокосцепление фазы постоянным. Через нагрузку (рис.2) и катушки фазы под действием ЭДС генератора потечет ток, создающий тормозной момент на валу генератора (рис.6). Как и в двигательном режиме, непрерывное преобразование энергии достигается путем коммутации фаз в соответствии с показаниями датчика положения ротора.
Рис.6 Генераторный режим работы ВИМ
Регулировка выходного напряжения генератора осуществляется изменением длительности режима возбуждения по показаниям датчика положения ротора. В тех случаях, когда точность регулировки по углу коммутации недостаточна, ее осуществляют по показаниям датчиков тока, которые также служат для регулировки токов в стартерном режиме с целью их ограничения. Генераторные режимы ВИМ для различных условий эксплуатации обсуждаются в [7], [8], [9].
Стартер-генераторное устройство на основе ВИМ