Гибридная силовая установка

Изобретение относится к системам автономного энергообеспечения.

Из книги В.В. Красника «Вся неправда о подключении к электросетям. Розничный «рынок» электроэнергии: один продавец, остальные - покупатели», НЦ ЭНАС, Москва, 2009, а также из ознакомительного фрагмента книги, размещенного на интернет ресурсе: http://otipb.ucoz.ru/_ld/20/2089____.pdf, просмотрено 02.04.2019, известно, что в 2006 году совокупная мощность всех электростанций России составляла 216 ГВт при уровне потребления электроэнергии 210 ГВт. Из интернет ресурса https://electricalnet.ru/blog/perechen-elektrostantsii-rf-summarnaja-ustanovlennaja-moschnost-elektrogeneratsii, просмотрено 02.04.2019, известно, что в 2016 году суммарная установленная мощность электрогенерирующих станций РФ составляла 244,1 ГВт (для сравнения: - в США 1072 ГВт, в Китае 1454 ГВт). Кроме этого, ресурс отмечает, что:

- плотность размещения электростанций зависит от плотности размещения населения и наличия сырья в регионе,

- тепловые станции РФ на горючих ископаемых произвели 160,2 ГВт, гидроэнергетика 48,1 ГВт, атомные станции 27,9 ГВт электроэнергии.

- ветроэнергетика РФ выработала 0,01 ГВт (для сравнения:- в США 59 ГВт, в Китае 128 ГВт), а солнечная 0,08 ГВт (для сравнения:- в США 3 ГВт, в Китае 42 Гвт) электроэнергии.

Интернет ресурс http://peretok.ru/infographics/699/16395/, просмотрено 02.04.2019, отмечает, что усредненный коэффициент использования мощности промышленных солнечных электростанций США в 2016 году составил 27%, а ветровых 35%, что по общей установленной мощности ветряных и солнечных электростанций Китай опережает все остальные страны вместе взятые, что увеличение объемов производства «зеленой» электроэнергии в Китае ограничено, в том числе, пропускной способностью электро транспортирующих систем.

При этом из учебного пособия «Нетрадиционная энергетика - возобновляемые источники, использование биомассы, термохимическая подготовка, экологическая безопасность», Л.И. Пугач, Ф.А. Серант, Д.Ф. Серант, Новосибирский государственный технический университет, 2006, размещена на интернет ресурсе http://window.edu.ru/resource/767/77767/files/%D0%9D%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D1%86%D0%AD%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0_%D0%A3%D1%87_1.pdf, известно, что при уровне мировой добычи 1993…1999 гг, теоретически, запасов угля хватит на 1500 лет, нефти на 250 лет, газа на 120 лет (см. стр. 9), что доказанных запасов нефти у России хватит на 22 года, доказанных запасов природного газа, при уровне добычи 2003 г., может хватить на 81 год (см. стр. 11).

Из интернет ресурса https://www.kolesa.ru/news/bmw-snova-v-ogne-pozharnye-sutki-derzhali-dymyashheesva-kupe-i8-v-vannoj, опубликовано 28.03.2019, известно о возгорании подзаряжаемого гибрида BMW i8 (причина возгорания не указывается), снабженного высоковольтной литий-ионной батареей емкостью 11,6 кВт часов. В статье отмечается, что для гарантированного исключения повторного возгорания поврежденного автомобиля его на сутки погрузили в ванну с водой.

Из патента на полезную модель RU 18371, МПК B60L 11/18, публ. 20.06.2001, известна принятая в качестве прототипа гибридная тяговая установка, содержащая тепловой двигатель с валом, генератор электрической энергии с валом и устройство передачи вращающего момента от вала теплового двигателя на вал генератора (далее устройство передачи вращающего момента). В качестве последнего в решении по RU 18371 применен управляемый вариатор, который выполнен с возможностью увеличения частоты вращения вала генератора пропорционально потребляемой от генератора мощности.

Из материалов к патенту RU 2556642, 6МПК Н02К 31/00, 21/20, 19/18, 49/12, публ. 10.07.2015, см. стр. 7, строки №30…34 описания, известно, что величина ЭДС, генерируемой в обмотке магнитным полем, определяется скоростью движения силовых линий магнитного поля при пересечении ими данной обмотки, однако, из курса электротехники известно, что сопротивление вращению вала генератора пропорционально потребляемой от генератора мощности.

В случае работы теплового двигателя гибридной силовой установки прототипа на нестационарных режимах, особенно при нахождении устройства передачи в режиме «мультипликации» (генератора в режиме максимальной нагрузки), инерционная масса вала (ротора) генератора дополнительно нагружает тепловой двигатель.

Из патента RU 2629648, 6МПК F16H 3/00, 7МПК В60К 6/00, публ. 31.08.2017, известна гибридная силовая установка транспортного средства, содержащая тепловой двигатель с валом, генератор электрической энергии с валом и устройство передачи вращающего момента, включающее в себя зубчатый планетарный четырехзвенный механизм и обгонную муфту.

Применение обгонной муфты позволяет отключать инерционную массу генератора при кратковременном уменьшении частоты вращения вала теплового двигателя, а также использовать массу вращающегося по инерции ротора генератора в процессе восстановлении частоты вращения вала теплового двигателя, что улучшает энергетическую эффективность гибридной силовой установки. Однако, задача уменьшения момента сопротивления вращению (тормозящего момента/противомомента) вала генератора в гибридной силовой установке по RU 2629648 осталась не решенной.

Из патента RU 2244372, 7МПК Н02К 19/16, 39/00, публ. 10.01.2005, известен электрогенератор, включающий в себя коаксиально расположенные ротор и статор.

Ротор включает в себя кольцеобразный магнитопровод и расположенный на магнитопроводе со стороны статора индуктор, образованный радиально ориентироваными, равномерно разнесенными вдоль направляющей магнитопровода, сердечниками, каждый из которых снабжен полюсным наконечником, а также расположенными на сердечниках катушками обмотки возбуждения.

- Статор включает в себя кольцеобразный магнитопровод и расположенный на магнитопроводе со стороны ротора якорь, образованный радиально ориентироваными, равномерно разнесенными вдоль направляющей магнитопровода, сердечниками, каждый из которых снабжен полюсным наконечником, а также расположенными на сердечниках катушками якорной (генерирующей) обмотки.

Число сердечников индуктора и якоря выполнено одинаковым. Рабочие поверхности полюсных наконечников индуктора и якоря выполнены, соответственно, по дугам двух радиусов, проведенных из центра ротора, обращены друг к другу и установлены с зазором друг относительно друга, при этом сердечники выполнены из ферромагнитного материала с индукцией насыщения более 1 Т при напряженности магнитного поля, меньшей 250 А/м.

Авторы цитируемого патента указывают, что выполнение рабочих поверхностей полюсных наконечников индуктора и якоря упомянутым выше образом обеспечивает уменьшение потерь магнитной индукции от индуктора к якорю, что уменьшение величины зазора приводит к увеличению в якоре магнитного потока и, следовательно, генерируемой энергии, что создание постоянного зазора между полюсными наконечниками индуктора и якоря обеспечивает создание линейной зависимости магнитного потока от угла поворота ротора, что, в свою очередь, приводит к созданию в генерирующей обмотке тока с прямоугольной кривой изменения, что способствует уменьшению реактивного тока в якоре, снижающего потери и обеспечивающего меньшую массу и габариты статора, что выполнение сердечников ротора и статора из материала с заявленной характеристикой обеспечивает достижение магнитной индукции насыщения посредством катушек с небольшим количеством ампер-витков, приводящее к уменьшению массово-габаритных характеристик электрогенератора.

Из книги «Бесконтактные электрические машины», Д.А. Бут, - М. Высшая школа, 1990, стр. 137, рис. 3.18 (б), известна двухпакетная одноименнополюсная индукторная обратимая электрическая машина, включающая в себя коаксиально расположенные вал, ротор, статор.

Ротор включает в себя первый и второй аксиально расположенные, неподвижно соединенные, посредством магнитопроводящей втулки, с валом генератора цилиндрические магнитопроводы, каждый из которых снабжен продольно расположенными выступами.

Статор включает в себя обмотку возбуждения, выполненный в виде полого цилиндра магнитопровод, установленные в полости магнитопровода первый, расположенный коаксиально, относительно первого магнитопровода ротора, и второй, расположеный коаксиально, относительно второго магнитопровода ротора, кольцеобразные магнитопроводы якоря, каждый из которых снабжен продольно расположенными пазами, а также уложенные в пазы катушки якорной (генерирующей, в случае работы индукторной машины в режиме генератора) обмотки.

Обмотка возбуждения сформирована в виде кольца, расположенного коаксиально, относительно втулки ротора и в интервале между первым и вторым магнитопроводами якоря.

При этом индуктор машины, цитируемой по упомянутой выше книге, выполнен сформировованым обмоткой возбуждения, магнитопроводом статора, первым и вторым магнитопроводами якоря, а также первым и вторым (мы помним, что они снабжены выступами) магнитопроводами ротора.

Среди недостатков упомянутой решения автор книги указывает низкую, по сравнению с синхронными машинами, эффективность использования магнитного потока обмотки возбуждения, обусловленную однополярностью генерируемого индуктором магнитного потока.

Из патента RU 2615631, 6МПК Н02К 1/27 и 21/14, публ. 20.04.2017, известен электрогенератор, включающий в себя коаксиально расположенные ротор и статор.

Ротор включает в себя кольцеобразный магнитопровод и расположенный на магнитопроводе со стороны статора индуктор, образованный радиально ориентироваными, равномерно разнесенными вдоль направляющей магнитопровода, намагниченными сердечниками, каждый из которых снабжен полюсным наконечником.

Статор включает в себя кольцеобразный составной магнитопровод якоря, образованный внешним и внутренним (расположенным со стороны ротора) коаксиально дистанцированными кольцами, а также расположенные на магнитопроводе якоря кольцеобразные, поперечно охватывающие магнитопровод, катушки якорной (генерирующей) обмотки, равномерно распределенные вдоль направляющей магнитопровода. Количество генерирующих катушек равно числу магнитных полюсов индуктора. Внутреннее кольцо магнитопровода якоря выполнено цельным (с отсутствием в его теле немагнитопроводящих промежутков), с возможностью минимизации зазора между катушками генерирующей обмотки и полюсными наконечниками индуктора, а также из материала, обеспечивающего магнитонасыщеное состояние внутреннего кольца на всех режимах работы генератора. Внешнее кольцо магнитопровода якоря, может быть выполнено снабженным немагнитопроводящими разрывами, а также из материала, обеспечивающего магнито насыщеное состояние внешнего кольца при максимальной нагрузке генератора.

Автор цитируемого патента указывает, что решение уменьшает тормозящий момент генератора, что обусловлено разнесением в магнитопроводе якоря магнитных потоков, генерируемых индуктором и катушками якорной обмотки статора.

При этом известно о существовании кинетической силы (силы Ампера), действующий на проводник с электрическим током при его непараллельном расположении относительно линий магнитного поля. В цитируемых выше электрических машинах силы Ампера, в различной степени, сохраняют место и при работе электрических машин в режиме генератора создают дополнительный (к силам трения и аэродинамическим силам) тормозящий момент.

Задачей изобретения было создание гибридной силовой установки генератор которой характеризуется отсутствием противовращающего момента, обусловленного силами Ампера.

Задача решается в гибридной силовой установке, содержащей тепловой двигатель с валом, генератор электрической энергии с валом, кинематически связанными посредством устройства передачи вращающего момента.

Задача решается тем, что:

1 - Генератор включает в себя коаксиально расположенные вал, ротор и статор.

2 - Ротор включает в себя первый и второй аксиально расположенные магнитопроводы, неподвижно соединенные с валом генератора, а также базовый (опорный), расположенный на первом роторе со стороны статора, и корелирующий, расположенный на втором магнитопроводе со стороны статора, индукторы.

3 - Статор включает в себя неподвижно установленные кольцеобразные магнитопровод базового якоря, расположенный коаксиально, относительно первого магнитопровода ротора, и магнитопровод корелирующего якоря, расположеный коаксиально, относительно второго магнитопровода ротора.

4 - И базовый и корелирующий магнитопроводы якоря снабжены кольцеобразными, поперечно охватывающими магнитопровод, катушками, равномерно распределенными вдоль направляющих магнитопроводов, сформированными с образованием, соответственно, базовой и корелирующей якорных (генерирующих) обмоток.

5 - Базовый и корелирующий индукторы ротора выполнены с возможностью образования, при вращении ротора, вращающихся, радиально направленных, разнополярных магнитных полей, взаимодействующих с обмотками и магнитопроводами, соответственно, базового и корелирующего якорей статора, при этом базовый индуктор ротора выполнен с возможностью образования вращающегося магнитного поля частота и направление вращения которого обусловлены частотой вращения вала теплового двигателя и параметрами устройства передачи вращающего момента.

6 - Корелирующий индуктор ротора сформирован содержащим сердечники, выполненные из магнитопроводящего материала, а также катушки обмотки возбуждения, расположенные на сердечниках.

7 - гибридная силовая установка снабжена стационарными и/или подключаемыми потребителями и накопителем электрической энергии.

8 - гибридная силовая установка снабжена интерфейсом.

9 - интерфейс выполнен с возможностью транспортировки электрической энергии, генерируемой при вращении ротора базовым индуктором в обмотке базового якоря статора, в накопитель и/или к потребителям электрической энергии.

10 - для цели данного изобретения интерфейс выполнен:

10.1 - с возможностью формирования посредством корелирующего индуктора вращающегося магнитного поля направление вращения которого реверсировано, относительно направления вращения магнитного поля базового индуктора, а значение частоты удвоено, по сравнению с частотой вращения магнитного поля базового индуктора;

10.2 - с возможностью транспортировки электрической энергии, генерируемой при вращении ротора в обмотке корелирующего якоря статора, в накопитель электрической энергии и/или к потребителям;

10.3 - с возможностью формирования в обмотке корелирующего якоря статора тока, величина амплитуды которого больше или равна величине амплитуды тока, генерируемого в обмотке базового якоря.

Задача также может решаться тем, что

- Устройство передачи вращающего момента может быть выполнено образованным управляемым вариатором.

- Устройство передачи вращающего момента может быть выполнено образованным управляемым планетарным механизмом.

- Устройство передачи вращающего момента может быть выполнено образованным обгонной муфтой.

- Устройство передачи вращающего момента может быть выполнено образованным управляемым вариатором и обгонной муфтой.

- Устройство передачи вращающего момента может быть выполнено образованным управляемым планетарным механизмом и обгонной муфтой.

- Базовый индуктор ротора может быть сформирован содержащим сердечники, выполненные в виде постоянных магнитов.

-Базовый индуктор ротора может быть сформирован содержащим сердечники, выполненные из магнитопроводящего материала, а также катушки обмотки возбуждения, расположенные на сердечниках. При этом интерфейс может быть выполнен с возможностью опосредованного базовым индуктором регулирования амплитуды напряжения, генерируемого в обмотке базового якоря статора.

Изобретение может быть реализовано в гибридной силовой установке, содержащей тепловой двигатель с валом, генератор электрической энергии с валом, кинематически связанными посредством устройства передачи вращающего момента.

В качестве теплового двигателя может быть использовано любое устройство, преобразующее энергию окисления топлива в энергию вращения вала (поршневые, роторно-поршневые, паровые двигатели и турбины).

В качестве устройства передачи вращающего момента могут быть использованы:

- Управляемый вариатор, один из представителей которых упомянут в прототипе. Вариаторы известны из учебной литературы, в частности, из книг «Механические вариаторы скорости», Я.И. Есипенко, «Государственное издательство технической литературы УССР», Киев, 1961, «Проектирование механических передач», С.А. Чернавский и др., М. «Машиностроение», 1976, а также из источников патентной информации.

- Планетарный механизм, один из представителей, которых упомянут в выше цитированном RU 2629648. Планетарные механизмы известны, в частности, из книг «Планетарные передачи. Справочник», В.Н. Кудрявцев и др., Л. «Машиностроение», 1977, «Проектирование механических передач», С.А. Чернавский и др., М. Машиностроение, 1976, а также из источников патентной информации.

- Обгонная муфта, некоторые из представителей, которых упомянуты в описании к патенту RU 2629648. Обгонные муфты известны, в частности, из книг «Справочник конструктора-машиностроителя, В.И. Анурьев, т. 2, М. «Машиностроение», 2001, «Справочник по муфтам», В.С. Поляков и др., Л. «Машиностроение», 1974, а также из источников патентной информации.

- Управляемый вариатор в сочетании с обгонной муфтой.

- Планетарный механизм в сочетании с обгонной муфтой.

В любом случае, конструктивное исполнение теплового двигателя и устройства передачи вращающего момента имеют значение только в контексте приведения вала генератора во вращение.

Генератор включает в себя коаксиально расположенные вал, ротор и статор.

Ротор включает в себя первый и второй аксиально расположенные магнитопроводы, неподвижно соединенные с валом генератора, а также базовый (опорный), расположенный на первом роторе со стороны статора, и корелирующий, расположенный на втором магнитопроводе со стороны статора, индукторы.

Статор включает в себя неподвижно установленные кольцеобразные магнитопровод базового якоря, расположенный коаксиально, относительно первого магнитопровода ротора, и магнитопровод корелирующего якоря, расположеный коаксиально, относительно второго магнитопровода ротора.

Базовый и корелирующий магнитопроводы якоря снабжены кольцеобразными, поперечно охватывающими магнитопровод, катушками, равномерно распределенными вдоль направляющих магнитопроводов, сформированными с образованием, соответственно, базовой и корелирующей якорных (генерирующих) обмоток.

Корелирующий индуктор ротора, в любом случае, сформирован содержащим сердечники, выполненные из магнитопроводящего материала, катушки обмотки возбуждения, расположенные на сердечниках, а также контактные кольца обмотки возбуждения и контактно-щеточный узел.

Базовый индуктор ротора может быть сформирован содержащим сердечники, выполненные в виде постоянных магнитов, или содержащим сердечники, выполненные из магнитопроводящего материала, а также катушки обмотки возбуждения, расположенные на сердечниках. Во втором случае базовый индуктор выполнен содержащим контактные кольца обмотки возбуждения и контактно-щеточный узел.

Базовый и корелирующий индукторы ротора выполнены с возможностью образования, при вращении ротора и соответсвующем инициировании, вращающихся, радиально направленных, разнополярных магнитных полей, взаимодействующих с обмотками и магнитопроводами, соответственно, базового и корелирующего якорей статора, при этом базовый индуктор ротора выполнен с возможностью образования вращающегося магнитного поля частота и направление вращения которого обусловлены количеством пар магнитных полюсов, а также частотой вращения вала теплового двигателя и параметрами устройства передачи вращающего момента.

Иными словами, генератор представляет собой две электрических аксиально расположенных машины, каждая из которых выполнена по схеме «Грамма», роторы которых неподвижно закреплены на вале генератора. При этом одна из машин принята в качестве базовой, ее параметры задаются как опорные, а другая - в качестве корелирующей - ее параметры выполнены зависимыми от соответствующих параметров базовой.

Гибридная силовая установка снабжена, по меньшей мере, стационарными потребителями и накопителем электрической энергии и может быть выполнена с возможностью подключения внешних потребителей и накопителей электрической энергии.

Гибридная силовая установка снабжена интерфейсом. Интерфейс может быть выполнен как в виде моноблока, так и в виде раздельно изготовленных блоков, часть из которых может быть интегрирована в состав генератора, взаимосвязанных посредством коммутирующих линий электропередач с генератором (с контактно-щеточными узлами обмоток возбуждения и якорными обмотками) и накопителем электрической энергии гибридной силовой установки.

В случае выполнения базового индуктора ротора содержащим сердечники, выполненные в виде постоянных магнитов, интерфейс выполнен с возможностью преобразования и транспортировки электрической энергии, генерируемой в обмотке базового якоря статора, в накопитель и/или к потребителям электрической энергии.

В случае выполнения базового индуктора ротора содержащим сердечники, выполненные из магнитопроводящего материала, катушки обмотки возбуждения, расположенные на сердечниках, а также контактно-щеточный узел - интерфейс, кроме указанной выше функции, выполнен с возможностью питания упомянутой обмотки от накопителя электрической энергии и опосредованного базовым индуктором регулирования амплитуды напряжения, генерируемого в обмотке базового якоря статора.

Для цели данного изобретения интерфейс выполнен:

1 - с возможностью формирования посредством корелирующего индуктора вращающегося магнитного поля направление вращения которого реверсировано, относительно направления вращения магнитного поля базового индуктора, а значение частоты удвоено, по сравнению с частотой вращения магнитного поля базового индуктора;

2 - с возможностью формирования в обмотке корелирующего якоря статора тока, величина амплитуды которого больше или равна величине амплитуды тока, генерируемого в обмотке базового якоря.

При этом интерфейс выполнен с возможностью преобразования и транспортировки электрической энергии, генерируемой при вращении ротора в обмотке корелирующего якоря статора, в накопитель электрической энергии и/или к потребителям.

Принцип работы генераторов «Грамма» известен, описан, в частности, в книге «Популярные лекции об электричестве и магнетизме», О. Хвольсон, 2-е издание, пересмотренное и дополненное, С-Петербург, Типография Товарищества «Общественная Польза», Большая Подьяческая, №89, издание Ф. Павленкова, 1886 г., стр. 194…211, а также проанализирован, например, в описании к патенту RU 2671437, 7МПК В60К 6/00. 6МПК Н02К 1/22 и 3/46. публ. 31.10.2018.

Иллюстрация работы гибридной силовой установки:

1. Соотношение направлений вращения вала теплового двигателя и магнитного поля, формируемого базовым индуктором генератора, характеризуется зависимостями:

или

где

N_d - направление вращения вала теплового двигателя.

N_b - направление вращения магнитного поля, генерируемого базовым индуктором -зависит от конструктивных особенностей устройства передачи вращающего момента.

2. Соотношение направлений вращения магнитных полей, формируемых базовым и корелирующим индукторами генератора, характеризуется зависимостью:

где

N_k - направление вращения магнитного поля, генерируемого корелирующим индуктором - задается интерфейсом.

3. Частоты вращения вала теплового двигателя и магнитного поля, формируемого базовым индуктором генератора, характеризуется зависимостью:

где

f_d - частота вращения вала теплового двигателя - определяется эксплуатационным режимом.

f_b - частота вращения магнитного поля, генерируемого базовым индуктором - зависит от частоты вращения вала теплового двигателя, конструктивных особенностей и передаточного отношения устройства передачи вращающего момента, а также от количества пар магнитных полюсов, реализованных в базовом индукторе.

4. Частота вращения магнитного поля, формируемого корелирующим индуктором генератора, характеризуется зависимостью:

где

f_k - частота вращения магнитного поля, генерируемого корелирующим индуктором - задается интерфейсом.

Момент противовращения генератора по изобретению (без учета аэродинамических потерь и потерь на трение скольжения/качения) может быть выражен зависимостью:

где

M_g - момент сопротивления вращению генератора.

C_b и C_k - коэффициенты, величины которых зависят от конструктивных особенностей, соответственно, базового и корелирующего генераторов.

F_b и F_k - магнитные потоки, формируемые, соответственно, базовым и корелирующим индукторами.

I_b и I_k - токи, протекающие в обмотках, соответственно, базового и корелирующего якорей.

При этом в случае выполнения базового и корелирующего генераторов идентичными, без учета потерь на вихревые токи в магнитопроводе и сердечниках корелирующего индуктора, уравнение (6) примет вид:

из которого следует, что обусловленное работой интерфейса равенство амплитуд токов, генерируемых в обмотках базового и корелирующего якорей генератора, а также вращение магнитных полей базового и корелирующего индукторов в соответствие с зависимостями 3 и 5, обеспечивают взаимную компенсацию сил Ампера, обычно противодействующих вращению роторов генераторов.

Заявленное техническое решение увеличивает КПД энергосиловой установки.