CC BY
44УДК 629.113.
СТАРТЕР-ГЕНЕРАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ЛЕГКОВЫХ
АВТОМОБИЛЕЙ
В.М. Анисимов, В.В. Трошин
Самарский государственный технический университет,
443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244
Предлагается классификация и подход к выбору основных размеров стартер-
генераторных установок для легковых автомобилей с классическим и гибридным приводом.
Ключевые слова: автомобиль, стартер-генератор, классификация, проектирование.
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.
1 Анисимов Владимир Михайлович, профессор Трошин Валентин Васильевич, кандидат технических наук, доцент
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 Da и его длина /а. Размеры Д, и /а зависят от мощности Р, частоты вращения п, линейной нагрузки А и магнитной индукции в воздушном зазоре В. Эти величины связаны соотношением, называемым «машинная постоянная»:
Р2д1дП = 6,1*1 О4
Р аьквк0АВъ ’
где as - коэффициент полюсного перекрытия; к д - коэффициент формы кривой
магнитного поля; ка- 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.
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.
Статья поступила в редакцию 5 мая 2009 г.
UDC 629.313
STARTER-GENERATOR SETTINGS FOR PASSENGER CARS
VM. Anisimov, V.V. Troshin]
Samara State Technical University,
244, Molodogvardeyskaya str., Samara, 443100
Classification and going near the choice of basic sizes of the starter-generator settings is offeredfor passenger cars with a classic and hybrid drive.
Key words: car, starter-generator, classification, project.
1 Vladimir M. Anisimov - Professor.
Valentin V. Troshin - Candidate of Technical Sciences, Associate professor.
