RU2274556C2

RU2274556C2 - Regenerative brake with revolving magnetic field

Info

Publication number: RU2274556C2
Application number: RU2004121061/11A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Проценко (RU); Владимир Иванович Проценко
Original assignee: Владимир Иванович Проценко
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2006-04-20
Also published as: RU2004121061A

Abstract

FIELD: transport engineering.

SUBSTANCE: proposed regenerative brake with revolving magnetic field can be used in automotive vehicles. Said brake accumulates kinematic energy at braking and uses it at accelerating the vehicle. To reduce number of parts and energy transmissions, brake is fitted in wheel and is made in form of combination squirrel-cage electric machine consisting of three main parts: fixed one-axle with fitted-on field windings; movable one, rigidly secured on wheel, with communicating windings, frequency multipliers and flywheel windings; and freely rotating one - i.e. flywheel (squirrel-cage rotor of induction machine). In process of braking, revolving magnetic field opposite to direction of wheel rotation is created on field windings. Said field, through communicating windings and flywheel windings, acts onto flywheel causing its spinning. At acceleration direction of exciting field is changed. Said field, through elements of movable part, causes braking of flywheel with transmission of energy to movable part, i.e. to vehicle wheel.

EFFECT: increased efficiency of vehicle by using energy of flywheel at acceleration.

4 dwg

Description

Область техникиTechnical field

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.The proposed regenerative brake with a rotating magnetic field (hereinafter the proposed brake) relates mainly to the automotive industry and can be used to create a braking system that converts the kinetic energy of the car into the kinetic energy of the flywheel during braking and then accelerates when converting the energy of the flywheel to the kinetic energy of the car. It can also be used on other modes of transport that have sources of electricity.

Уровень техникиState of the art

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.Existing automobile brake systems convert kinetic energy into heat energy with its subsequent dissipation in the atmosphere, which leads to significant fuel losses (when the bus moves around the city cycle up to 50%) and parts wear out.

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.Recuperative braking systems are known, for example, the Girekt planetary regenerative brake / N.V. Gulia, Energy Storage, Moscow, Nauka, 1980, p. 138 /, which was adopted as a prototype. In it, the flywheel with the transmission is connected by a mechanical four-speed transmission. It was not widely used for reasons: design complexity; step change in gear ratio between the flywheel and the transmission, which does not ensure smooth operation; a significant part of the flywheel’s energy could not be used, because the number of revolutions of the flywheel should be greater than the number of revolutions of the transmission by the number of times equal to the gear ratio.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

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.The proposed brake is a combined brushless asynchronous electric machine with a squirrel-cage rotor without rigid mechanical connections between the main parts, the energy transfer in which is carried out by electromagnetic flows. Its use does not exclude the presence of a conventional brake system on a car for the purpose of traffic safety.

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.To accumulate and store energy, as in the prototype, a flywheel was used for reasons: simplicity of design, the ability to instantly receive and give a large amount of energy, the ability to be made in the form of a short-circuited rotor of an asynchronous electric machine.

Для преобразований и передач энергии использована комбинированная асинхронная электрическая машина с короткозамкнутым ротором по причинам: простоты конструкции /отсутствие коллектора/, обратимости, реверсивности.For transformations and energy transfers, a combined asynchronous electric machine with a squirrel-cage rotor was used for the reasons: simplicity of design / lack of collector /, reversibility, reversibility.

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.In order to reduce the number of rotating parts, the proposed brake is mounted on one axis, which makes it possible to place it directly in the car wheel. In addition to simplicity, this design allows you to distribute the converted energy by the number of wheels, which will reduce its density on the flywheel.

Перечень фигур.Enumeration of figures.

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/.Figure 1. General scheme of a regenerative brake with a rotating magnetic field. It consists of three main honors: fixed / axis 6 with excitation windings 4 located on it, three-phase, connected by a star, with terminals A, B and C /; movable, fixed rigidly on the car wheel / intermediate windings 3, electronic frequency multipliers 1, flywheel windings 2 / and freely rotating / flywheel 5, made in the form of a short-circuited rotor of an asynchronous electric machine /.

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.Figure 2. Diagram of directions of rotation during braking: 7 - magnetic field of windings 4, 10-magnetic field of windings 2 / Fig. 1/, 8 - car wheels, 9 - flywheel 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.Figure 3. Diagram of directions of rotation during acceleration: 7 - the magnetic field of the windings 4, 10 - the magnetic field of the windings 2 / Fig. 1/, 8 - the wheels of the car, 9 - the flywheel 5.

Фиг.4. Общий вид маховика 5. 11 - сердечник, 12 - обмотка.Figure 4. General view of the flywheel 5. 11 - core, 12 - winding.

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/.The work of a regenerative brake with a rotating magnetic field according to the general scheme, figure 1. Excitation windings 4 are fixed on the stationary / relative to the car / axle 6. When the wheel rotates, intermediate windings 3, frequency multipliers 1 and flywheel windings 2 rotate relative to them. Pair: windings 3 and windings 4 are necessary to create torque / negative when braking, counterclockwise arrows, and positive during acceleration, clockwise in FIGS. 2 and 3 / and brushless transmission of electricity from the fixed part of the brake to the moving one. When a three-phase electric current is supplied to the field windings 4, a rotating magnetic field of direction 7 appears in them (Fig. 2, braking). It excites in the intermediate windings 3 a three-phase electric current of the same sequence of phases with a frequency n = n ₁ + n ₂ , where n ₁ is the frequency of rotation of the field of field windings 4, n ₂ is the frequency of rotation of the wheel in direction 8/2 /. Frequency electronic multipliers 1 act as a step-up reducer when transmitting electric current from the intermediate windings 3 to the flywheel windings 2. Pair: intermediate windings 3, flywheel windings 2 are presented as an unified three-phase system for illustrative purposes. The direction of rotation of the field 10 in the windings of the flywheel 2 is opposite to the direction of rotation of the field 7 in the windings 3 and 4 due to a change in the sequence of phases B and C. This is necessary so that the direction of rotation of the field 7 during braking is opposite to the direction of rotation of the wheel 8 / Fig. 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.Figure 2. Braking. A three-phase electric current is supplied to the windings 4. A rotating magnetic field of direction 7 arises in them, which is inhibitory for the moving part of the brake mounted on the wheel. In the intermediate windings 3, a three-phase electric current is excited, which is transmitted through frequency multipliers 1 to the flywheel windings 2, on which the rotating magnetic field has an opposite direction and a high speed. Pair: flywheel windings 2, flywheel 5 operates as an squirrel-cage induction motor, where windings 2 are a stator, flywheel 5 is a rotor. The flywheel begins to rotate in direction 9. Thus, the negative torque of the windings 4 is converted to a positive flywheel 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.Figure 3. Acceleration The flywheel rotates in direction 9. A three-phase electric current is supplied to the windings 4 to create a rotating magnetic field of direction 7. In this case, a rotating magnetic field of direction 10 opposite to the direction of rotation of the flywheel 9 appears in the windings of the flywheel 2. Eddy currents appear in the short-circuited winding of the flywheel, creating moment relative to windings 2, which acts through the windings 2 on the wheel and rotates it in direction 8. Couple: windings of flywheel 2, flywheel 5 works as an induction motor Opposition mode.

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.Figure 4. Flywheel, made in the form of a squirrel-cage rotor of an asynchronous electric machine. Since in the proposed brake it constantly works in transient modes, i.e. in inrush current modes, it should be performed taking into account this, in the form of a double squirrel cage, for example.

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.When braking on the frequency of rotation of the wheel n _{2 the} proposed brake works as an asynchronous generator with a power consumption of excitation up to 5% of the nominal. According to the frequency of rotation of the magnetic field of the field windings, n ₁ operates as an induction motor in the opposition mode with a power consumption of 100% nominal. To reduce the frequency n ₁ while maintaining the maximum speed of the flywheel, electronic frequency multipliers 1 are used, which act as a step-up gearbox.

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.Assuming that bus weighing 10 tons moves at a speed of 36 km / h, having a kinetic energy E = mυ ^2/2 = 10000 · 100/2 = 500000 = 500 kJ, begins to slow down, then the allowable flywheel energy density formed in in the form of a disk with an opening of 10 kJ · kg / N.V. Gulia, Energy Storage, Moscow, Nauka, 1980, p. 148 / mass of one flywheel when placed on all wheels should be equal to m = 500 kJ / 10 kJ · kg / 4 = 12.5 kg, which is quite acceptable for practical use.

Преимущества:Benefits:

- значительное снижение количества тепловой энергии, выделяемой в атмосферу при торможении, повышение КПД автомобиля в целом,- a significant reduction in the amount of thermal energy released into the atmosphere during braking, increasing the efficiency of the car as a whole,

- отсутствие быстроизнашиваемых деталей,- lack of wearing parts,

- облегчение работы двигателя автомобиля при разгоне,- facilitating the operation of the car engine during acceleration,

- более полное использование энергии маховика в сравнении с прототипом.- fuller use of flywheel energy in comparison with the prototype.

Недостатки:Disadvantages:

- наличие на автомобиле источника переменного многофазного электрического тока,- the presence on the vehicle of a source of alternating multiphase electric current,

- присутствует режим противовключения, что ведет к дополнительным затратам электроэнергии на раскрутку маховика,- there is an opposition mode, which leads to additional energy costs for the promotion of the flywheel,

- относительная сложность регулировки вращающих моментов.- the relative complexity of adjusting the torques.

Claims

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.A regenerative brake with a rotating magnetic field, comprising an asynchronous machine located in the vehicle’s wheel and a recuperated energy storage device, characterized in that it is made of three main parts: fixed, made in the form of a common axis of rotation with a multiphase field winding fixed to it, movable rigidly connected to the vehicle wheel and carrying intermediate windings and frequency multipliers, playing the role of an electronic rotating gear to lower the frequency of the alternating excitation creeping electric current, and freely rotating, consisting of a flywheel made in the form of a short-circuited rotor of an asynchronous electric machine, which is switched on by supplying a multiphase alternating electric current to the excitation windings, creating a rotating magnetic field of direction corresponding to the braking or acceleration modes.