Стартер - генераторное устройство для легковых автомобилей класса ВАЗ-2110

Стартер - генераторное устройство для легковых

автомобилей класса ВАЗ-2110

ШЕВЧЕНКО А.Ф., МЕДВЕДКО А.С., БУХГОЛЬЦ Ю.Г.,

СИНГАТУЛИН Ш.Р., СКОРОБОГАТОВ Д.Н., ЕРОХИН А.И.

Бурное развитие автомобильной техники в прошлом веке, казалось бы, довело автомобили до верха совершенства. До совершенства доведен также процесс сжигания топлива в двигателе внутреннего сгорания (ДВС). Однако во всех ДВС существует один большой общий изъян: двигатели, оптимизированные для режимов работы на высоких оборотах, довольно малоэффективны при малых оборотах, когда не происходит полного сгорания топлива. Выхлопные газы при таких режимах работы вызывают повышенное загрязнение окружающей среды, создавая серьезные экологические проблемы, особенно в больших городах, а в них – особенно на перекрестках при старте от светофора или от места стоянки.

Попытки создать электромобиль или перейти к применению альтернативных топлив пока не нашли эффективного решения. В частности, создание электромобиля пока что тормозится отсутствием достаточно эффективных накопителей электрической энергии. Существующие разработки имеют до сих пор сравнительно малый пробег между дозарядками, поэтому имеют очень ограниченное применение.

Неожиданно удачным, можно сказать оптимальным, решением проблемы является появление гибридных автомобилей. Это название присвоено автомобилям, содержащим как традиционный ДВС, так и электродвигатель (стартер) с вращающим моментом на валу сравнимым или даже превосходящим вращающий момент ДВС на малых оборотах. Электродвигатель, питаемый от аккумулятора или промежуточного накопителя энергии, развивает вращающий момент, достаточный не только для раскрутки ДВС, но даже и для разгона автомобиля до сравнительно большой скорости. В качестве управляющего микропроцессора, как правило, применяется сигнальный процессор, который оптимизирует процесс старта или разгона. Далее этот же процессор дает команду на начало работы ДВС, что происходит при достаточно больших оборотах коленчатого вала ДВС, при которых сжигание горючего идет уже достаточно эффективно. Одновременно процессор переводит электродвигатель (стартер) в режим генератора, производящего энергию для бортового оборудования и для подзарядки аккумулятора, следит за зарядкой накопительного конденсатора и за процессами зарядки-разрядки аккумулятора, стабилизирует выходное напряжение генератора и т.д.  Применение промежуточного (как правило, емкостного) накопителя энергии в сочетании с гибким микропроцессорным управлением способно придать образовавшемуся гибридному двигателю ряд новых положительных качеств. Например, сравнительно успешно может быть реализован режим рекуперации энергии при движении под уклон или при торможении двигателем. Следует заметить, что разработки гибридных автомобилей в некоторых авто-предприятиях Японии и Германии уже прошли этап ОКР, и начато серийное производство таких автомобилей.

Поскольку разработки гибридных автомобилей в мировой автомобильной промышленности вышли из стадии первоначальных проб и ошибок, некоторые принципиальные решения можно считать установившимися, отработанными. Так, электромеханическая часть стартер - генераторного устройства (СГУ) устанавливается между ДВС и муфтой сцепления, при этом, ось ротора является продолжением оси коленчатого вала ДВС. Ротор выполняет также роль маховика. Всё это требует значительной переработки отдельных узлов конструкции автомобиля. Вписаться в нее с минимальными издержками довольно трудно, в то время как сама цель – переход к гибридному автомобилю – не дает качественного скачка в комфорте для водителя или пассажиров. С другой стороны, уменьшение расхода горючего проявляется постепенно, поэтому финансовый выигрыш от СГУ легко будет забыт. Главное предназначение СГУ, предназначение гибридного автомобиля – это решение экологических проблем.

          Однако есть еще, по крайней мере, одно техническое обстоятельство, которое может подтолкнуть автомобилестроителей к применению СГУ – это постоянно, от модели к модели, растущая энерговооруженность автомобиля. Установленная мощность электрического оборудования в современных западных автомобилях составляет около 4 кВт и стремится к 10 кВт. Следует также обратить внимание на то, что в некоторых иностранных разработках автомобилей конструкторы начинают переходить к приводу колес от электродвигателей, а это, в конечном итоге, десятки киловатт в электроприводе.

          Описываемая разработка СГУ в значительной мере основывается на вышеприведенных рассуждениях и имеет своей целью дать автомобилестроителям средство, способное решить большинство принципиальных проблем, возникающих при создании гибридного автомобиля.

          Основным элементом СГУ является электрическая машина. В разработанном нами СГУ используется многополюсная синхронная машина с постоянными магнитами и дробными зубцовыми обмотками [1,3]. Другие типы машин нецелесообразно применять по ряду причин: асинхронная машина имеет как минимум в два раза большие габариты и массу, а индукторные машины неэффективны из-за необходимости выполнения воздушного зазора большой величины, кроме этого в них невозможно получение больших форсировок момента. Обмотка статора выбрана с числом пазов на полюс и фазу q =2/5. Такая обмотка создаёт две сильные гармоники магнитодвижущей силы – пятую и седьмую, вращающиеся в противоположных направлениях [2]. При выбранном числе зубцов статора Z=36, ротор можно выполнить с числом полюсов 2р=30 или 2р=42. С целью снижения потерь в стали выбран первый вариант. Ротор (он же маховик) расположен снаружи относительно статора, то есть, магниты находятся на внутренней стороне обечайки ротора, что сильно облегчает проблему их удержания при больших частотах вращения (до 6500 об/мин.). Постоянные магниты выполнены на основе материала Nd-Fe-Br (Неодим – Железо – Бор). Конструкция электрической машины СГУ приведена на рис.1. Здесь же показано её размещение на двигателе внутреннего сгорания. Следует заметить, что вал ротора электрической машины является продолжением коленчатого вала ДВС, что избавляет конструкцию от зубчатых и/или клиноременных передач. При диаметре расточки статора 244 мм и длине пакета статора 40 мм СГУ в режиме стартера развивает усилие на валу с моментом до 200 Нм. Его выходная мощность в режиме генератора на частоте вращения 1200 об/мин. составляет около 4 кВт, а на частоте вращения 4000 об/мин. кратковременно до 20 кВт.