Патент на изобретение №2184660

(54) СПОСОБ РЕКУПЕРАЦИИ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО С РЕКУПЕРАТОРОМ (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к автомобильному транспорту и может быть применено к любым электрифицированным транспортным средствам (автомобиль, троллейбус, трамвай, электропоезд и т. п.), которые в режимах движения имеют частые разгоны и торможения. Рекуперация кинетической энергии осуществляется через преобразование кинетической энергии торможения транспортного средства, преимущественно автомобиля с электротрансмиссией, в электрическую энергию с последующим ее аккумулированием в гиромоторном рекуператоре, обеспечивающим преобразование кинетической энергии вращения высокоскоростного ротора гиромотора в электрическую, и наоборот. Режим рекуперации кинетической энергии гиромотором осуществляют в три этапа. На первом этапе высокоскоростной ротор гиромотора раскручивают от внешнего источника электрической энергии до опорной частоты вращения, при этом стабилизируют величину опорной частоты вращения высокоскоростного ротора, а затем на втором этапе рекуперации преобразуют кинетическую энергию торможения автомобиля в кинетическую энергию высокоскоростного ротора гиромотора за счет того, что высокоскоростной ротор дополнительно раскручивают до рабочей частоты вращения больше опорной частоты от источника электрической энергии, получаемой в результате торможения автомобиля. На третьем этапе гиромоторный рекуператор переводят в генераторный режим и его энергию преобразуют в электрическую и направляют на разгон автомобиля, при этом частоту вращения высокоскоростного ротора и его кинетическую энергию уменьшают до опорной частоты и направляют освободившуюся при этом энергию на разгон автомобиля. Реализация предлагаемого способа рекуперации энергии по первому варианту осуществляется преимущественно на автомобиле, включающем двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором и электротрансмиссию с мотор-колесами, который дополнительно снабжен двухроторным гиромоторным асинхронным рекуператором энергии. Второй вариант транспортного средства с рекуператором энергии реализуется преимущественно на троллейбусе, включающем контактную сеть, тяговый электродвигатель с электротрансмиссией, троллейбус дополнительно снабжен двухроторным асинхронным гиромоторным рекуператором энергии. Третий вариант транспортного средства с рекуператором энергии осуществляется преимущественно на автомобиле, включающем двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором и электротрансмиссию с мотор-колесами, автомобиль снабжен асинхронным гиромоторным рекуператором энергии. В результате использования предлагаемого технического решения удается решить задачу рекуперации кинетической энергии при торможении и трогании автомобиля. Кроме того, применение гиромоторного рекуператора позволяет снизить установленную мощность двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и электрогенератора в 3-4 раза, компенсировав недостающую импульсную мощность за счет энергии гиромоторного рекуператора. В условиях городского движения применение гиромоторного рекуператора позволяет снизить в 2 раза расход топлива автомобилем. 4 с.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

Изобретение относится к автомобильному транспорту и может быть применено к любым электрифицированным транспортным средствам.

Известны способы рекуперации кинетической энергии при торможении и разгоне автомобиля за счет использования высокоскоростного маховичного накопителя. Торможение автомобиля осуществляется не тормозными фрикционными колодками, а путем раскручивания маховика при подключении его через редуктор к трансмиссии автомобиля. Кинетическая энергия движущегося автомобиля при торможении переходит в кинетическую энергию вращающегося маховика. При разгоне автомобиля накопленная энергия маховика через реверсивный редуктор передается колесам автомобиля, разгоняя его до определенной скорости. Работа маховичных накопителей эффективна только для высокоскоростных маховиков, энергоемкость которых достигает 0,1 МДж/кг и более. Такая энергоемкость аналогична энергоемкости свинцовых аккумуляторов электрической энергии, время зарядки которых составляет несколько часов, что не позволяет использовать их в рекуператорах кинетической энергии автомобиля. (Гулиа Н.В. Накопители энергии. – М.: Наука, 1980, с.137-138).

Недостатками известных способов рекуперации энергии с помощью высокоскоростных маховиков являются сложность механического преобразования, передачи и реверсирования рекуперируемой энергии, а также низкая надежность при реализации в конкретных технических устройствах, связанных с работой механических редукторов на высоких скоростях движущихся частей редукторов. К тому же развитие в автомобилестроении комбинированных гибридных систем электротрансмиссии с мотор-колесами, электроавтомобилей на аккумуляторах и топливных элементах с тяговым электродвигателем предполагает использование электрических систем накопления кинетической энергии, когда торможение автомобиля осуществляется в режиме генерации электрической энергии мотор-колесами или тяговым двигателем.

Известен способ рекуперации механической энергии в электрическую и наоборот за счет совмещения маховичного накопителя с высокоскоростным электродвигателем-генератором. Маховик разгоняется до определенной скорости электродвигателем, который в режиме рекуперации переводится в генераторный режим, и кинетическую энергию торможения маховика преобразует в электрическую энергию на выходе генератора, обеспечивая чисто электрический вход и выход энергии рекуператора (Джента Дж. Накопление кинетической энергии. – М. : Мир, 1988, с.179, рис.3.10).

Недостатком известного способа рекуперации энергии является его инерционность, связанная с большим временем разгона высокоскоростного маховика порядка 1 мин и более. Это не позволяет использовать известный способ рекуперации энергии на автомобиле, торможение и разгон которого определяется временем порядка 5 с. К тому же известный способ рекуперации энергии сопряжен с возникновением больших гироскопических моментов, действующих на высокоскоростные маховики. Наличие больших гироскопических моментов затрудняет управление транспортным средством при маневре и может привести к его опрокидыванию и аварии.

Наиболее близким по технической сущности является способ рекуперации кинетической энергии вращения в электрическую и наоборот, реализованный в двухроторном гиромоторе, у которого роль маховика выполняет сам высокоскоростной ротор асинхронного электродвигателя, работающего на повышенных частотах питающего напряжения 400 Гц и более. Основное применение гиромоторов связано со стабилизацией направления оси вращения в гироскопических приборах и системах ориентации в пространстве. С другой стороны, как обратимая электромашина, гиромотор способен накапливать в двигательном режиме кинетическую энергию в большом объеме и преобразовывать ее в энергию электрическую в генераторном режиме (Комисар М.И. Электрические машины гироскопических систем. -. М.: Оборонгиз, 1963, с. 194, рис. 176).

Недостатком известного способа рекуперации энергии является его инерционность. Применение гиромоторов на транспорте в качестве рекуператора кинетической энергии в электрическую, и наоборот, сдерживает большая длительность разгона ротора до частоты вращения 400-500 с^-1 (24000-30000 об/мин), составляющая более 1 мин, а также наличие большого гироскопического момента, возникающего при повороте вала гиромотора в пространстве, которая неизбежна при маневре транспортного средства и может привести к опрокидыванию автомобиля.

В качестве аналога транспортного средства, наиболее просто реализующего предлагаемый способ рекуперации энергии, является троллейбус, включающий тяговый электродвигатель с электротрансмиссией и питанием от контактной электрической сети (Электротехнический справочник. Издание пятое, исправленное. Под ред. П.Г. Грудинского и др. Том 3. – М.: Энергия, 1976, с. 267).

Недостатком известного аналога транспортного средства является увеличение потерь электрической энергии в контактной сети в момент трогания троллейбуса с места, когда пусковые токи тягового двигателя превышают номинальные токи в несколько раз, увеличивая падение напряжение и потери энергии в сети. Если расчетные показатели номинальных потерь энергии в контактной сети составляют порядка 5-10%, то в момент разгона троллейбуса потери в сети могут достигать 15-30%. Существующие схемы рекуперации энергии торможения за счет перевода тягового двигателя в генераторный режим обеспечивают импульсный выброс тормозных токов, эквивалентных пусковым, а соответственно теряется в контактной сети 15-30% рекуперируемой энергии.

В качестве прототипа для устройства, реализующего гиромоторный способ рекуперации кинетической энергии, выбрано транспортное средство, преимущественно автомобиль с электротрансмиссией и приводом колес от электродвигателя в мотор-колесах автомобиля или тягового электродвигателя.

Автомобиль с электротрансмиссией включает двигатель внутреннего сгорания (ДВС), совмещенный с электрическим генератором в систему мотор-генератор, от которой приводятся в движение мотор-колеса или тяговый электродвигатель, реализуя принцип электротрансмиссии (Погарский Н.А. Электрические трансмиссии машин с мотор-колесами. – М.: Машиностроение, 1965, стр.98, с.9, табл.1).

Недостатком известных автомобилей с электротрансмиссией является низкая эффективность рекуперации кинетической энергии при частых разгонах и торможениях автомобиля, и при его трогании с места.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности рекуперации энергии на транспорте (автомобиль, троллейбус, трамвай, электропоезд и т.п.) в режимах движения при частых разгонах и торможениях, а также повышение эффективности в момент трогания с места.

Реализация предлагаемого технического решения в автомобиле позволяет при его торможении и разгоне снизить расходы топлива порядка в 2 раза и уменьшить установленную мощность ДВС в 3-4 раза, но не снижая скоростных характеристик автомобиля. При питании электрифицированного транспортного средства от контактной сети исключаются пусковые и тормозные потери электрической энергии в контактной сети порядка 15-30%.

Указанный технический результат достигается тем, что рекуперация кинетической энергии осуществляется через преобразование кинетической энергии торможения транспортного средства, преимущественно автомобиля с электротрансмиссией, в электрическую энергию с последующим ее аккумулированием в гиромоторном рекуператоре, обеспечивающем взаимное преобразование кинетической энергии вращения высокоскоростного ротора гиромотора в электрическую, и наоборот, а режим рекуперации кинетической энергии гиромотором осуществляют в три этапа: на первом этапе высокоскоростной ротор гиромотора раскручивают от внешнего источника электрической энергии до опорной частоты вращения, при этом стабилизируют величину опорной частоты вращения высокоскоростного ротора; затем на втором этапе рекуперации преобразуют кинетическую энергию торможения автомобиля в кинетическую энергию высокоскоростного ротора гиромотора за счет того, что высокоскоростной ротор дополнительно раскручивают до рабочей частоты вращения больше опорной частоты от источника электрической энергии, получаемой в результате торможения автомобиля; на третьем этапе гиромоторный рекуператор переводят в генераторный режим, при этом частоту вращения высокоскоростного ротора уменьшают до опорной частоты и направляют освободившуюся при этом энергию на разгон автомобиля, а рабочую частоту вращения высокоскоростного ротора устанавливают по соотношению

где n_p – рабочая частота вращения ротора гиромоторного рекуператора, с^-1; J_p -момент инерции ротора гиромоторного рекуператора, кгм²; W_ok, W_kp – энергии опорная и рекуперации, соответственно, Дж.

Реализация предлагаемого способа рекуперации энергии по первому варианту осуществляется преимущественно на автомобиле, включающем двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором и электротрансмиссию с мотор-колесами, автомобиль дополнительно снабжен двухроторным гиромоторным асинхронным рекуператором энергии, состоящим из герметичного корпуса, оси, двух внешних роторов с шихтованными магнитопроводами и с короткозамкнутыми обмотками, двух пар подшипников, двух пар торцевых шайб, шихтованных статоров с двух- или трехфазными обмотками, соединенными между собой с противоположным чередованием фаз и с проходными изоляторами для вывода концов каждой фазы из герметичного корпуса, коммутатора со статическим преобразователем рабочей частоты электрического тока и с батареей конденсаторов для управления режимом работы двухроторного гиромоторного асинхронного рекуператора, причем оба шихтованных статора установлены на оси неподвижно, а роторы установлены на оси с помощью пары торцевых шайб на паре подшипников с возможностью вращения в противоположных направлениях, при этом двигатель внутреннего сгорания соединен с двухроторным гиромоторным асинхронным рекуператором через электрогенератор, который выполнен с возможностью работы на повышенной опорной частоте, а через коммутатор двухроторный гиромоторный асинхронный рекуператор соединен с электротрансмиссией и мотор-колесами с батареей конденсаторов и статическим преобразователем рабочей частоты электрического тока, который выполнен с возможностью получения рабочей частоты электрического тока выше опорной частоты электрогенератора.

Второй вариант транспортного средства с рекуператором энергии реализуется преимущественно на троллейбусе, включающего контактную сеть, тяговый электродвигатель с электротрансмиссией, а троллейбус дополнительно снабжен двухроторным асинхронным гиромоторным рекуператором энергии, состоящим из герметичного корпуса, двух высокоскоростных короткозамкнутых роторов, трех торцевых статоров с двух- или трехфазными обмотками, два вала, источника электрического тока повышенной частоты, коммутатора для управления режимом работы двухроторного гиромоторного асинхронного рекуператора, статического преобразователя частоты электрического тока, батареи конденсаторов и выпрямителя тока, причем высокоскоростными короткозамкнутые роторы установлены соосно на независимых валах, на которых располагают магнитопроводы, выполненные в виде дисков, намотанных на валу из непрерывной ленты электротехнической стали, с торцов дисков которых в пазах залиты стержни короткозамкнутых обмоток роторов, причем с внешней стороны роторы заключены в обойму, а торцевые статоры выполнены из трех отдельных магнитопроводов в виде дисков, намотанных из непрерывной ленты электротехнической стали, с торцов дисков которых в пазах уложены обмотки статоров, при этом один из статоров расположен в центре между роторами, а два других – с внешних торцов роторов, а средний статор содержит две группы торцевых обмоток, электрически соединенных между собой с противоположным чередованием фаз, при этом двухроторный гиромоторный асинхронный рекуператор электрически соединен коммутатором с тяговым электродвигателем и контактной сетью через батарею конденсаторов, выпрямитель тока и статический преобразователь частоты электрического тока, который выполнен двухчастотным с возможностью получения опорной и рабочей частот электрического тока, причем рабочая частота тока выше опорной частоты.

Третий вариант транспортного средства с рекуператором энергии осуществляется преимущественно на автомобиле, включающего двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором и электротрансмиссию с мотор-колесами, а автомобиль снабжен асинхронным гиромоторным рекуператором энергии, состоящим из герметичного корпуса, высокоскоростного короткозамкнутого ротора, высокоскоростного подвижного статора с двух- или трехфазными обмотками и кольцевым коллектором, двух полых валов, двух пар подшипников, неподвижной оси, источника электрического тока повышенной частоты, коммутатора для управления режимом работы гиромоторного асинхронного рекуператора, батареи конденсаторов и выпрямителя тока, причем высокоскоростной короткозамкнутый ротор и высокоскоростной подвижный статор с двух- или трехфазными обмотками и кольцевым коллектором установлены соосно на независимых полых валах с подшипниками на неподвижной оси с возможностью вращения в противоположных направлениях, при этом магнитопроводы высокоскоростных ротора и статора выполнены в виде одинаковых по массе и размерам дисков, намотанных на полых валах из непрерывной ленты электротехнической стали, с торцов дисков которых в пазах уложены обмотки, для короткозамкнутого ротора – в виде стержней, для статора – в виде двух или трехфазных обмоток, причем с внешней стороны диски ротора и статора заключены в обойму, при этом двигатель внутреннего сгорания соединен с гиромоторным асинхронным рекуператором через электрогенератор, который выполнен с возможностью работы на повышенной опорной частоте, а через коммутатор двухроторный гиромоторный асинхронный рекуператор соединен с электротрансмиссией и мотор-колесами с батареей конденсаторов, выпрямителем тока и статическим преобразователем рабочей частоты электрического тока, который выполнен с возможностью получения рабочей частоты электрического тока выше опорной частоты электрогенератора.

На фиг. 1 представлена линейная зависимость частоты вращения ротора от времени при равноускоренном разгоне ротора гиромоторного рекуператора.

На фиг. 2 представлена квадратичная зависимость кинетической энергии вращения ротора гиромоторного рекуператора от частоты вращения.

На фиг. 3 представлена зависимость вращающего момента сверхвысокоскоростного асинхронного двигателя в функции скольжения.

На фиг. 4 представлены сравнительные тормозные и разгонные диаграммы автомобиля в режиме рекуперации энергии в предлагаемом способе (кривая А) и известном (кривая Б).

На фиг.5 представлен общий вид гиромоторного рекуператора с двумя внешними роторами (в разрезе).

На фиг.6 представлен общий вид гиромоторного рекуператора с двумя внешними роторами в виде дисков (в разрезе).

На фиг.7 представлен общий вид гиромоторного рекуператора с вращающимися в разные стороны ротором и статором, выполненных в виде дисков (в разрезе).

На фиг.8 показана общая электрическая схема гибридного силового энергетического агрегата для автомобиля с электротрансмиссией и гиромоторным рекуператором энергии.

На фиг.9 представлена схема легкового автомобиля с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), электрогенератором, электротрансмиссией, мотор-колесами (или тяговым электродвигателем), снабженная гиромоторным рекуператором кинетической энергии.

На фиг. 10 представлена схема троллейбуса с гиромоторным рекуператором энергии.

Пример конкретной реализации способа
Ниже приводятся расчетные параметры, анализ энергетических и скоростных характеристик транспортных средств и гиромоторного рекуператора и обоснование режимов его работы, определяющих предлагаемый способ рекуперации энергии, краткое описание которого дано со ссылками на фиг.1, 2, 3 и 4 на примере легкового автомобиля и троллейбуса.

1. Определяем кинетическую энергию рекуперации W_kp при торможении транспортного средства m_а и его скоростью v_a, с которой начинается торможение до полной остановки:
– для легкового автомобиля m_a=1000 кг, v_a=28 м/с (100 км/ч)

– для троллейбуса m_a=20000 кг, v_a=14 м/с (50 км/ч)

2. Находим мощность Р_р рекуператора кинетической энергии транспорта
– для легкового автомобиля W_kp=0,4 МДж, время торможения t_T=4 с

– для троллейбуса W_kp=2 МДж, время торможения t_T=8 с

3. Определяем расчетную массу m_p ротора рекуператора в зависимости от его энергоемкости q=0,1-0,05 МДж/кг
– для легкового автомобиля W_kp=0,4 МДж, q=0,05 МДж/кг

– для троллейбуса W_kp=2 МДж, q=0,1 МДж/кг

4. Находим момент инерции J_p ротора рекуператора при замене его эквивалентным кольцом со средним радиусом R_к
– для легкового автомобиля R_к=0,15м
J = m_pR_k ² = 80,15² = 0,18кгм²; (7)
– для троллейбуса R_к=0,2м
J_p = m_pR_k ² = 200,2² = 0,18кгм²; (8)
5. Определяем кинетическую энергию W_ok ротора при раскрутке его до опорной (базовой) частоты вращения n₁=500 с^-1 и проверяем соответствие условию W_ok > W_kp
– для легкового автомобиля

– для троллейбуса

где ₁– угловая скорость вращения, рад/с.

6. Определяем суммарную кинетическую рабочую энергию W_k ротора с учетом энергии рекуперации (1) и (2)
– для легкового автомобиля
W_k = W_ok+W_kp = 0,9+0,4 = 1,3МДж; (11)
– для троллейбуса
W_k = W_ok+W_kp = 4+2 = 6МДж. (12)
7. Определяем рабочую частоту n_р вращения ротора гиромотора в режиме рекуперации
– для легкового автомобиля

– для троллейбуса

8. Оценим разницу в частотах вращения n_p ротора в режиме рекуперации
– для легкового автомобиля

– для троллейбуса

9. Определяем частоту вращения n_о ротора при разгоне из состояния покоя до кинетической энергии рекуперации W_kp (1) и (2)
– для легкового автомобиля

– для троллейбуса

Как видно (фиг.1) из выражений (15, 16) и (17, 18), для того чтобы накопить требуемую кинетическую энергию рекуперации в предлагаемом способе, частоту вращения высокоскоростного ротора необходимо увеличить на 100-120 с^-1 (6000-7200 об/мин). По известному способу для накопления эквивалентной кинетической энергии необходимо увеличить частоту вращения ротора на 340 с^-1 (20400 об/мин). В предлагаемом способе время на разгон ротора меньше в несколько раз по сравнению с известным.

Чтобы определить время разгона ротора, запишем дифференциальное уравнение динамики для вращательного движения

где М – момент вращения, Нм; – угловая скорость вращения, рад/с, t – время, с.

Угловая скорость связана с частотой вращения n соотношением
= 2n. (20)
Подставляя (20) в (19) запишем уравнение динамики для вращательного движения через частоты вращения ротора

Интегрирование уравнения (21) при условии постоянства момента вращения для равноускоренного вращения позволяет определить зависимость частоты вращения n ротора как линейную функцию от времени t

где w – угловое ускорение, рад/с².

Частота вращения ротора от времени при равноускоренном разгоне ротора рекуператора представлена линейной зависимостью (фиг.1). Составляем пропорцию для расчетных параметров рекуператора легкового автомобиля

Из (23) найдем отношение t₀/t

Как следует из (24) время t разгона ротора рекуператора по предлагаемому способу в представленных расчетных параметрах в 3,4 раза меньше, чем в известном. Это обусловлено тем, что время разгона ротора рекуператора кинетической энергии линейно от частоты вращения ротора, а кинетическая энергия ротора имеет квадратичную зависимость от частоты вращения (9) (фиг.2). При разгоне от нуля ротор очень медленно накапливает кинетическую энергию и чтобы достичь значений энергии рекуперации W_kp=0,4 МДж, требуемой для легкового автомобиля, ротор необходимо раскрутить до частоты n₀= 340 с^-1 (20400 об/мин). В то время как по предлагаемому способу, для того чтобы накопить дополнительно энергию рекуперации W_kp=0,4 МДж на предварительно раскрученном до опорной частоты n₁=500 с^-1 роторе, требуется докрутить ротор до рабочей частоты n_р= 600 с^-1, то есть всего на n = 100c^-1 (6000 об/мин) за время в 3,4 раза меньшее (24) по сравнению с тем, если бы ротор раскручивали с нуля.

На самом деле время разгона рекуператора в новом способе еще меньше, поскольку момент вращения у асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, применяемых в гиромоторах, увеличивается по мере раскрутки ротора.

Вращающий момент сверхвысокоскоростного асинхронного двигателя представлен функцией скольжения (фиг.3) (Шаров B.C. Сверхвысокоскоростные асинхронные электродвигатели. – М – Л.: Госэнергоиздат, 1963, с.103, рис.3-2), Скольжение s характеризует запаздывание частоты вращения n ротора асинхронного двигателя по отношению к синхронной частоте n_s вращающегося магнитного поля в статоре

При неподвижном роторе s=1. При разгоне ротора скольжение уменьшается и в номинальном режиме составляет s_н=0,01-0,06. Зависимость (фиг.3) показывает, что для сверхскоростного асинхронного двигателя максимальный момент вращения достигает при скольжении в диапазоне s=0,1-0,2, при этом максимальный момент превышает номинальный в 2,5 раза. В предлагаемом способе рекомендуется вначале разогнать ротор до опорной частоты вращения, например до n₁=500 с^-1, а затем в режиме рекуперации перейти на рабочую частоту вращения n_р= 600 с^-1, близкую к синхронной. Ориентировочно скольжение ротора в этом случае составит

Таким образом, предлагаемый способ с опорной частотой вращения ротора n₁=500 с^-1 в режиме рекуперации увеличивает рабочую частоту до n_p=600 с^-1, и тем самым сразу же устанавливает режим скольжения ротора s=0,17 (26), а в режиме максимального момента вращения гиромоторного рекуператора, обеспечивает действие на ротор максимального момента в 2,5 раза выше номинального. Время разгона в соответствии с (21) обратно пропорционально моменту вращения. В итоге, время разгона ротора асинхронного рекуператора по предлагаемому способу уменьшается в 8,5 раз (3,42,5=8,5). Если переходной режим торможения легкового автомобиля составляет 5 с, и это время рекуперации в 5 с обеспечивает предлагаемый способ, то по известному способу время разгона ротора асинхронного рекуператора составит 42,5 с, что неприемлемо для режима рекуперации, или же необходимо сильно завышать установленную мощность и массу гиромоторного рекуператора.

С другой стороны, конструктивно асинхронный двигатель с питанием на повышенной частоте 500-600 Гц почти на порядок имеет меньшую массу по сравнению с асинхронным двигателем такой же мощности на промышленной частоте 50 Гц. Учитывая, что мощность рекуператора должна составлять 100-250 кВт, низкие удельные показатели по материалоемкости имеют существенное значение при установке его на автомобиле, и работа на опорной частоте порядка n₁=500 с^-1 в соответствии с предлагаемым способом позволяет использовать гиромоторные рекуператоры с небольшой массой в режиме максимального вращающего момента.

Естественно, что сами частоты вращения ротора в режиме рекуперации нельзя рассматривать отдельно от энергии, поскольку ротор с небольшим моментом инерции, но раскрученный до сверхвысоких частот вращения, не сможет аккумулировать требуемой энергии. Поэтому в предлагаемом способе частота вращения ротора привязана к требуемой энергии рекуперации, поскольку только вместе энергия и частота вращения определяют удельные показатели по материалоемкости и мощность гиромоторного рекуператора.

В целом, кинетическая энергия рекуперации W_kp ротора гиромотора в режиме рекуперации по предлагаемому способу определяется из (11) и (12) разностью энергий W_k и W_ok на частотах вращения n_p и n₁ (фиг.2)

Преобразуем (27)
W_kp = 2²J_p(n²_p-n²₁) = 2²J_p(n₁+n_p)(n_p-n₁). (28)
Учитывая, что
n_p-n₁ = n, (29)
из(28) получаем

Как видно из (30), кинетическая энергия рекуперации в предлагаемом способе определяется двумя слагаемыми, а не одним, как в известном способе. Причем дополнительное слагаемое W₁ определяется не только разностью частот вращения n, но и величиной базовой (опорной) частоты вращения n₁
W₁ = 4²J_pn₁n. (31)
Чем выше опорная частота n₁, то тем меньше разность частот вращения n (29) при достижении требуемой энергии рекуперации. Естественно, что наличие дополнительного члена (31), обусловленное квадратичной зависимостью кинетической энергии от частоты вращения, делает разность частот вращения n в предлагаемом способе всегда меньше частоты вращения n_о в известном способе
n0. (32)
Наличие неравенства (32) еще раз убедительно доказывает большую эффективность предлагаемого способа рекуперации кинетической энергии с опорной частотой вращения ротора по сравнению с известным способом без опорной частоты.

На фиг. 4 представлены сравнительные тормозные и разгонные диаграммы автомобиля в режиме рекуперации энергии в предлагаемом способе (кривая А) и известном (кривая Б), привязанные к частоте вращения ротора гиромоторного рекуператора. По предлагаемому способу ротор рекуператора выводится на опорную частоту n₁ и ему задается опорная величина энергии. На кривой А этот режим соответствует точке 1. В момент времени (точка 2) автомобиль начинает тормозить, например при подъезде к светофору. Кинетическая энергия торможения автомобиля преобразуется в кинетическую энергию ротора рекуператора, увеличивая его вращение до рабочей частоты n_p (точка 3). Время стоянки автомобиля в пределах 1 мин характеризуется вращением ротора рекуператора на холостом ходу с рабочей частотой n_р на отрезке 3-4, пренебрегая небольшими потерями энергии на трение в подшипниках ротора рекуператора. При трогании автомобиля с места (точка 4) кинетическая энергия ротора рекуператора преобразуется в электрическую энергию и подается на разгон автомобиля. Частота вращения ротора падает с рабочей n_р до опорной n₁ (точка 5). Далее в следующем цикле рекуперации (точки 6, 7, 8, 9) процесс повторяется.

При движении по прямой система автоматического регулирования стабилизирует опорную частоту вращения ротора рекуператора (n₁=const), пополняя небольшие расходы энергии на трение в подшипниках от энергоблока автомобиля. Если этого не делать, то со временем частота вращения ротора рекуператора упадет ниже опорной частоты, ухудшая скоростные и инерционные характеристики рекуператора. Если опорная частота n₁ ротора стабилизирована, величина рабочей частоты n_р его вращения в режиме рекуперации является величиной переменной и зависит от уровня требуемой энергии рекуперации, то есть от начальной скорости, с которой происходит торможение автомобиля.

Во всех известных способах рекуперации отсутствует опорная стабилизированная частота вращения ротора, задающая изначально кинетическую энергию ротору, превышающую требуемую энергию рекуперации в режиме торможения и разгона автомобиля. Поэтому все скоростные характеристики известных рекуператоров значительно хуже, по сравнению с режимами в предлагаемом способе. На кривой Б (фиг.4) представлены тормозная и разгонная диаграммы автомобиля в соответствии с известным способом, когда в режиме торможения автомобиля ротор раскручивается с нулевой частоты, и в режиме разгона автомобиля сбрасывает свое вращение до нулевой частоты. При одной и той же энергии рекуперации диаграмма Б убедительно демонстрирует, что все скоростные характеристики рекуперации кинетической энергии в известном способе превышают по времени характеристики рекуперации в предлагаемом способе (кривая А).

Естественно, что при высоких частотах вращения ротора гиромоторного рекуператора при повороте автомобиля могут возникать большие гироскопические моменты, которые приведут с затруднению управлением автомобиля. Артиллерийский снаряд, раскрученный до больших частот вращения в стволе орудия, сохраняет направление оси вращения в пространстве, обеспечивая высокую точность попадания. Все гироскопические приборы также стараются сохранить направление своей оси в пространстве. Этим же свойством обладает и гиромоторный рекуператор. Поэтому важно не только оценить величину гироскопического момента, действующего на ротор гиромотора, но и полностью его скомпенсировать. В предлагаемом способе решение поставленной задачи достигается тем, что в процессе рекуперации поток кинетической энергии вращения разбивают на два противоположных по направлению и одинаковых по величине потока. Под потоком кинетической энергии вращения имеется ввиду векторная внесистемная величина, соответствующая энергии вращающегося ротора в его сечении и направленная в сторону вращения ротора.

На высокоскоростной ротор действует гироскопический момент _г, лежащий в плоскости, перпендикулярной плоскости возмущающей силе (или возмущающего момента) и определяемый векторным произведением
M_г = J_p|_1п|, (33)
где ₁ – вектор угловой скорости вращения ротора гиромоторного рекуператора на опорной частоте вращения n₁, рад/с, _п – вектор угловой скорости поворота автомобиля при его маневре, рад/с.

Учитывая, что масса высокоскоростного ротора составляет от нескольких килограмм до десяткой килограмм, обеспечивая необходимый момент инерции, величина возникающего гироскопического момента, действующего на ротор гиромоторного рекуператора, достаточна, чтобы затруднить управление автомобилем при резком маневре и даже привести к его аварии.

В предлагаемом способе рекомендуется поток кинетической энергии вращения разбить на два противоположных по направлению и одинаковых по величине потока. Это достигается тем, ротор гиромотора разделяют на два одинаковых ротора с моментом инерции 0,5J_p и закрученных в разные стороны. В этом случае вектор угловой скорости первого ротора примем со знаком плюс (+₁₁), а вектор угловой скорости второго ротора, вращающегося в противоположном направлении к первому, будет со знаком минус (-₁₂). Тогда в соответствии с (33) суммарный гироскопический момент двухроторного гиромоторного рекуператора будет определяться двумя гироскопическими моментами М₁₁ и -M₁₂, равными по величине, но противоположными по направлению, векторная сумма которых равна нулю

Таким образом, предложение о разбиении потока кинетической энергии вращения на два противоположных по направлению и одинаковых по величине потока позволяет полностью компенсировать действие гироскопического момента у двухроторного гиромоторного рекуператора. При этом все приведенные выше расчеты по рекуперации энергии для однороторного рекуператора справедливы и для двухроторного рекуператора при условии разделения одного ротора на два одинаковых по массе и моменту инерции ротора.

Реализация предлагаемого способа рекуперации кинетической энергии в конкретном транспортном средстве рассматривается для трех различных конструктивных вариантов гиромоторных рекуператоров в составе автомобиля с электротрансмиссией и троллейбуса.

По первому варианту транспортное средство с рекуператором энергии, преимущественно автомобиль, включающее двигатель внутреннего сгорания, сочлененный с электрогенератором на повышенной частоте в систему мотор-генератор и электротрансмиссию с мотор-колесами, снабжено двухроторным гиромоторным асинхронным рекуператором 1 с внешними роторами (фиг.5). Рекуператор включает герметичный корпус 2, ось 3, на которой установлены два внешних ротора 4 и 5 на подшипниках 6, два шихтованных статора 7 и 8, жестко закрепленных на валу 3 внутри роторов 4 и 5. Ротор 4 и 5 состоит из шихтованного магнитопровода 9 с короткозамкнутой обмоткой 10, помещенных во внешнюю обойму 11. Установка ротора 4 и 5 на подшипниках 6 осуществляется с помощью торцевых шайб 12. Шихтованный статор 7 и 8 в пазах содержит двухфазную или трехфазную обмотки 13, соединенные между собой с противоположным чередованием фаз, напряжение на которые подводится через проходные герметичные изоляторы 14. Откачка воздуха из корпуса 2 производится через трубку 15, которая запаивается. Крепление гиромоторного рекуператора на шасси автомобиля производится с помощью кронштейнов 16. Этот вариант рекуператора энергии прост в реализации, мал размером и может быть использован для легкового автомобиля.

Для питания гиромоторного рекуператора на опорной частоте используется электрический одно- или трехфазный генератор повышенной частоты, например 500 Гц, сочлененный с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) в систему мотор-генератор, а также статический тиристорный одно- или трехфазный преобразователь частоты, рассчитанный на получение рабочей частоты, например 600 Гц (не показаны). Питание обмоток 13 статоров 7 и 8 производится в режиме противофазного включения, при котором чередование фаз в обмотке статора 7 противоположно чередованию фаз в обмотке статора 8. Такое включение обеспечивает вращение роторов 4 и 5 в противоположных направлениях, полностью компенсируя действие гироскопического момента. При питании обмоток двухфазного статора от однофазного генератора и преобразователя частоты сдвиг второй фазы на 90^o обеспечивает фазосдвигающий конденсатор. Перевод асинхронного рекуператора в генераторный режим обеспечивается подключением к обмоткам статора конденсаторной батареи. Для выпрямления тока в генераторном режиме рекуператора используется полупроводниковый выпрямитель тока. Управление режимами рекуперации производится коммутатором, который соединяет в определенной последовательности электрический генератор опорной частоты 500 Гц, статический преобразователь рабочей частоты 600 Гц, конденсаторную батарею, выпрямитель тока и мотор-колеса (не показаны), обеспечивая режим рекуперации кинетической энергии автомобиля.

Работает по первому варианту транспортное средство с гиромоторным рекуператором энергии следующим образом. Трехфазное напряжение от электрического генератора опорной частоты 500 Гц подается на обмотки 13 статоров 7 и 8 в режиме противофазного включения. Роторы 4 и 5 раскручиваются до опорной частоты вращения несколько ниже частоты 500 с^-1 на величину скольжения, которая на холостом ходу для мощных двигателей не превышает 0,01, то есть 5 с^-1.

При торможении автомобиля кинетическая энергия торможения преобразуется в электрическую и подается на статический преобразователь частоты, который генерирует рабочую частоту 600Гц, раскручивая роторы до частоты несколько меньше 600 с^-1, аккумулируя энергию в гиромоторном рекуператора. При этом все электрические переключения производятся коммутатором. При трогании автомобиля с места и его разгоне гиромоторный рекуператор переводится в генераторный режим и отдает аккумулированную энергию на привод мотор-колес автомобиля, обеспечивая режим рекуперации кинетической энергии.

По второму варианту транспортное средство с рекуператором энергии, преимущественно троллейбус, включающее контактную сеть, тяговый электродвигатель и электротрансмиссию, снабжено двухроторным асинхронным гиромоторным рекуператором кинетической энергии с роторами в виде дисков (фиг.6). Рекуператор включает герметичный корпус 2, роторы 17 и 18, установленные на раздельных валах 19 и 20 в подшипниках 21, и три статора 22, 23, 24. Роторы 17 и 18 выполняются в виде диска, который наматывается из непрерывной ленты электротехнической стали на болванке 25 и представляет собой магнитопровод 26, запрессованный в обойму 27. С торцов магнитопровода 27 в пазах залиты стержни 28 короткозамкнутой обмотки, соединенные с болванкой 25 и обоймой 27. Магнитопроводы 29 и 30 статоров 22, 23, 24 так же, как и роторов, наматываются из непрерывной ленты электротехнической стали на болванках 31 и 32 и запрессовываются в обоймы 33 и 34. Статоры 22 и 24 содержат с одного торца статорные обмотки 34, уложенные в пазы магнитопроводов 29, и устанавливаются в внешних торцов роторов 17 и 18. Статор 23 установлен между роторами 17 и 18 и содержит с двух торцов статорные обмотки 35.

Питание по второму варианту гиромоторного рекуператора токами повышенной частоты осуществляется от двухчастотного статического тиристорного преобразователя частоты с двумя выходами: для опорной частоте 500 Гц и рабочей частоты 620 Гц (не показан). Питание обмоток 35, статоров 22 и 24 производится в режиме противофазного включения, при котором чередование фаз в обмотке статора 22 противоположно чередованию фаз в обмотке статора 24, а торцевые обмотки 35 среднего статора 23 также соединены с противоположным чередованием фаз. Такое включение обеспечивает вращение роторов 17 и 18 в противоположных направлениях, полностью компенсируя действие гироскопического момента. Статорные обмотки могут быть в двух- или трехфазном исполнении. При питании обмоток двухфазного статора от однофазного генератора и преобразователя частоты сдвиг второй фазы на 90^o обеспечивает фазосдвигающий конденсатор. Перевод асинхронного рекуператора в генераторный режим обеспечивается подключением к обмоткам статора конденсаторной батареи. Для выпрямления тока в генераторном режиме рекуператора используется полупроводниковый выпрямитель тока. Управление режимами рекуперации производится коммутатором, который соединяет в определенной последовательности выходы 500 Гц и 620 Гц статического преобразователя частоты и его вход, конденсаторную батарею, выпрямитель тока, мотор-колеса и контактную сеть (не показаны), обеспечивая режим рекуперации кинетической энергии троллейбуса.

Преимущества второго варианта заключаются в том, что его ротор, выполненный в виде массивного диска, обладает большим моментом инерции и по своей конструкции обладает большей прочностью на разрыв. К тому же, представленная установка ротора на валу 19 в подшипниках 21, когда вращение вала происходит во внутренней обойме подшипника, обеспечивает оптимальные условия работы подшипников в высокоскоростном режиме. В целом конструкция гиромоторного рекуператора 2 позволяет увеличить величину аккумулированной энергии в единице объема рекуператора и его массы, то есть увеличить его энергоемкость, при одновременном увеличении мощности.

Работает по второму варианту транспортное средство с гиромоторным рекуператором энергии следующим образом. Напряжение из контактной сети подается на вход статического преобразователя частоты, выход которого с опорной частотой 500 Гц через коммутатор соединен с обмотками 35 статоров 22, 23, 24 гиромоторного рекуператора. При этом роторы 17 и 18 гиромоторного рекуператора раскручиваются в противоположных направлениях до частоты вращения, близкой к 500 с^-1, накапливая кинетическую энергию. При трогании с места троллейбуса, гиромоторный рекуператор переводится в генераторный режим, и его энергия направляется в тяговой электродвигатель, обеспечивая разгон троллейбуса, разгружая контактную сеть от больших пусковых токов. Далее тяговый двигатель подсоединяется к контактной сети, обеспечивая номинальный режим работы тягового двигателя, а гиромоторный рекуператор в этом режиме также подсоединен к контактной сети через статический преобразователь частоты на выход с опорной частотой 500 Гц, обеспечивая раскрутку роторов гиромоторного рекуператора на опорной частоте 500 Гц в соответствии с предлагаемым способом рекуперации. При торможении троллейбуса контактор обеспечивает электрическое соединение всех элементов цепи таким образом, что энергия от тягового двигателя, работающего в генераторном тормозном режиме, подается на вход статического преобразователя частоты, выход которого с рабочей частотой 620 Гц соединяется с гиромоторным рекуператором, обеспечивая дополнительную раскрутку его роторов и накапливая в них кинетическую энергию торможения троллейбуса. При трогании троллейбуса с места и его разгоне гиромоторный рекуператор переводится в генераторный режим и отдает аккумулированную энергию на привод тягового электродвигателя, обеспечивая режим рекуперации кинетической энергии и разгружая контактную сеть. Применение гиромоторного рекуператора на троллейбусе позволяет уменьшить потери энергии в контактной сети на 15-30% рекуперируемой энергии.

По третьему варианту транспортное средство с рекуператором энергии, преимущественно легковой автомобиль, включающее двигатель внутреннего сгорания сочлененный с электрогенератором на повышенной частоте в систему мотор-генератор и электротрансмиссию с мотор-колесами или тяговым электродвигателем, снабжено гиромоторным асинхронным рекуператором, у которого статор и ротор вращаются в противоположных направлениях (фиг.7). Рекуператор включает герметичный корпус 2, статор 36 и ротор 37, которые установлены на двух полых валах 38 и 39 на двух парах подшипников 40 и 41 на неподвижной оси 42. Статор 36 и ротор 37 выполняются в виде одинаковых по массе и размерам дисков, которые наматывается из непрерывной ленты электротехнической стали на полых валах 38 и 39, и представляет собой магнитопроводы 43 и 44, запрессованные в обоймы 45 и 46. С торцов магнитопроводов 43 и 44 в пазах заложены обмотки. В пазах магнитопровода 43 статора 36 заложены двух- или трехфазные статорные обмотки 47, которые запитываются через кольцевой коллектор (не показан), установленный на валу 38. В пазах магнитопровода 44 ротора 37 залиты стержни 48 короткозамкнутой обмотки, соединенные с валом 39 и обоймой 46. Установка статора 36 и ротора 37 на валах 38 и 39 позволяет статору и ротору вращаться в противоположных направлениях при подаче напряжения на обмотки статора, поскольку вращающий момент, действующий на ротор и статор, равен по величине, но противоположен по направлению. При одинаковом выполнении статора и ротора по моменту инерции, их частоты вращения будут одинаковыми. Этот вариант рекуператора энергии прост в реализации, мал размером, обладает более высокой энергоемкостью по сравнению двумя предыдущими гиромоторными рекуператорами. По сути дела представлен двухроторный рекуператор энергии, у которого роль второго ротора выполняет подвижный статор. Отличительной особенностью данного рекуператора является работа на удвоенной опорной и рабочей частотах питающего напряжения, поскольку статор и ротор вращаются в разные стороны под действием момента вращающегося магнитного поля статора с одинаковыми частотами в два раза меньше синхронной частоты вращающегося магнитного поля статора с учетом скольжения ротора.

Для питания гиромоторного рекуператора на опорной удвоенной частоте используется электрический одно- или трехфазный электрогенератор повышенной частоты, например 1000 Гц, сочлененный с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) в систему мотор-генератор, а также статический тиристорный одно- или трехфазный преобразователь частоты, рассчитанный на получение удвоенной рабочей частоты, например, 1200 Гц (не показаны). Перевод асинхронного рекуператора в генераторный режим обеспечивается подключением к обмоткам статора конденсаторной батареи. Для выпрямления тока в генераторном режиме рекуператора используется полупроводниковый выпрямитель тока. Управление режимами рекуперации производится коммутатором, который соединяет в определенной последовательности электрический генератор удвоенной опорной частоты 1000 Гц, статический преобразователь удвоенной рабочей частоты 1200 Гц, конденсаторную батарею, выпрямитель тока и мотор-колеса (не показаны), обеспечивая режим рекуперации кинетической энергии автомобиля. Работа данного гиромоторного рекуператора аналогична работе с транспортным средством по первому варианту.

На фиг. 8 показана электрическая схема питания легкового автомобиля с гиромоторным рекуператором энергии, работающим с электротрансмиссией и мотор-колесами. Схема включает обмотки генераторную 49 и возбуждения 50 синхронного однофазного электрогенератора 51 повышенной удвоенной опорной частоты 1000 Гц с приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) 52, обмотки рабочую 53 и возбуждения 54 асинхронного двухфазного гиромоторного рекуператора 55, фазосдвигающий конденсатор 56 для расщепления одной фазы синхронного электрогенератора 51 на две фазы, блок управления и контроля 57 со статическим преобразователем удвоенной рабочей частоты 1200 Гц (не показан), молекулярный конденсаторный накопитель электрической энергии 58, мотор-колесо 59 (работающее на постоянном токе), контактор 60.

Переменное напряжение повышенной частоты 1000 Гц снимается с генераторной обмотки 49 синхронного однофазного электрогенератора 51. Питание обмотки возбуждения 50 осуществляется постоянным током от блока 57, который устанавливает необходимый режим возбуждения и величину напряжения на генераторной обмотке 49. Асинхронный гиромоторный рекуператор 55 подключен через контактор 60 рабочей обмоткой 53 к генераторной обмотке 49 электрогенератора 51. Обмотка возбуждения 54 асинхронного гиромоторного рекуператора 55 включена через фазосдвигающий конденсатор 56, который расщепляет одну фазу электрогенератора 51 на две фазы, со сдвигом на 90^o. Наличие двух фаз обеспечивает вращение статора и ротора асинхронного гиромоторного рекуператора 55 на опорной частоте в противоположных направлениях относительно друг друга, компенсируя тем самым действие гироскопических моментов.

В блоке 57 управления и контроля можно предусмотреть микропроцессорный контроль за работой всех агрегатов и узлов в целом автомобиля с электротрансмиссией и мотор-колесами. Микропроцессорный контроль и управление позволяет обеспечить работу ДВС в номинальном режиме с максимальным кпд в условиях знакопеременной нагрузки при движении автомобиля, используя режим рекуперации кинетической энергии при его торможении.

В режиме рекуперации кинетической энергии автомобиля обмотки 53 и 54 асинхронного гиромоторного рекуператора 55 с помощью контактора 60 переключаются на блок 57, в который встроен статический преобразователь рабочей частоты 1200 Гц. При торможении автомобиля мотор-колеса 59 переводят из двигательного режима в генераторный режим. Вырабатываемая при этом дополнительно электрическая энергия запускает статический преобразователь рабочей частоты 1200 Гц, и дополнительно раскручивает ротор и статор асинхронного гиромоторного рекуператора 55, аккумулируя в нем кинетическую энергию торможения. При разгоне автомобиля асинхронный гиромоторный рекуператор 55 из двигательного режима переводится в генераторный режим и отдает электрическую энергию мотор-колесам 59. В качестве примера привод мотор-колес осуществляется от коллекторного двигателя постоянного тока. Однако схема предусматривает привод от асинхронного двигателя переменного тока через тиристорный преобразователь частоты.

В электрической схеме предусмотрено включение молекулярного конденсаторного накопителя электрической энергии 58 (Голиков М.В., и др. Результаты испытаний автономных энергоагрегатов на базе молекулярных накопителей энергии по пускам двигателей автомобильной и бронетанковой техники. – М.: Сборник трудов Российской инженерной академии, выпуск 6, 1998, стр.68-70). В импульсном режиме энергоемкость молекулярных накопителей меньше, чем в тяговом и достигает порядка 0,002 МДж/кг, то есть в 25-50 раз меньше предлагаемого накопителя кинетической энергии на базе асинхронного гиромоторного рекуператора 55. Поэтому использование молекулярных конденсаторных накопителей наиболее эффективно в сглаживающих мощных фильтрах выпрямленного напряжения в преобразователях напряжения и частоты.

В таблице приведены сравнительные удельные характеристики основных рекуператоров энергии, использующих способности накапливать и отдавать электрическую энергию. Как видно из таблицы, гиромоторный асинхронный рекуператор энергии по своей энергоемкости эквивалентен свинцовому аккумулятору, но в отличие от свинцового аккумулятора позволяет накапливать и отдавать энергию в импульсном режиме в течение нескольких секунд, которыми характеризуется режим рекуперации энергии при движении автомобиля. Свинцовый аккумулятор имеет очень большое время зарядки, исчисляемое часами, и не годится в качестве рекуператора кинетической энергии автомобиля. К тому же кпд свинцовых аккумуляторов не превышает 45%, в то время как кпд гиромоторного рекуператора составляет 90-95%. Молекулярный конденсатор имеет прекрасные характеристики в импульсном режиме, но существенно уступает гиромоторному рекуператору по энергоемкости. Так, для легкового автомобиля масса гиромоторного рекуператора составит 40-50 кг, а масса импульсного молекулярного конденсатора будет в 25 раз больше и составит 800-1000 кг, что практически делает неприемлемым его применение в качестве рекуператора энергии легкового автомобиля. Сравнительный анализ характеристик различных рекуператоров энергии, использующих преобразование кинетической и электрической энергий, показывает, что на сегодняшний день альтернативы гиромоторному рекуператору кинетической энергии при торможении и разгоне автомобиля не имеется. Учитывая, что энергоемкость гиромоторных рекуператоров энергии может быть доведена до 1 МДж/кг, их энергоемкость в перспективе может быть увеличена в 10-20 раз.

На фиг. 9 представлена схема установки гиромоторного рекуператора 1 на легковой автомобиль, включающей двигатель внутреннего сгорания (ДВС) 52, электрогенератор 51 повышенной частоты и мотор-колеса 59 (или тяговый электродвигатель). Преимущества схемы с рекуператором энергии проявляются не только при торможении и очередном разгоне автомобиля, но при любом трогании с места. Дело в то, что при трогании с места автомобиля без электротрансмиссии с ДВС, момент трогания обеспечивается на малых оборотах двигателя, когда его мощность и кпд резко падают. Для того чтобы обеспечить необходимое ускорение легкового автомобиля с места приходится в 3-4 раза завышать установленную мощность ДВС.

Наличие гиромоторного рекуператора 1 в схеме легкового автомобиля с ДВС и электротрансмиссией переносит всю тяжесть момента трогания и разгона автомобиля с ДВС на гиромоторный рекуператор, энергия которого идет на разгон автомобиля. При этом ДВС работает в номинальном режиме на определенной стабилизированной частоте вращения, осуществляя привод электрогенератора повышенной опорной частоты. Напряжение с электрогенератора подается на гиромоторный рекуператор и раскручивает его роторы до высоких скоростей, аккумулируя в легковом автомобиле энергию порядка 0,9 МДж (9), которая в 2,25 раза превышает энергию (1), необходимую на разгон легкового автомобиля. В момент трогания автомобиля энергия из гиромоторного рекуператора передается тяговому электродвигателю или мотор-колесам, разгоняя автомобиль до определенной скорости. При равномерном движении автомобиля ротор гиромоторного рекуператора восстанавливает потраченную на разгон автомобиля энергию.

Наличие гиромоторного рекуператора позволяет в 3-4 раза снизить установленную мощность ДВС легкового автомобиля с 100 кВт (136 л.с) до 25-30 кВт и соответственно снизить установленную мощность электрического генератора повышенной частоты также до 25-30 кВт. При этом скоростные характеристики легкового автомобиля соответствуют скоростным характеристикам автомобиля с двигателем 100 кВт. Необходимая часть мощности на разгон автомобиля поступает из гиромоторного рекуператора мощностью 100 кВт за счет рекуперации кинетической энергии при торможении и разгоне легкового автомобиля. Единственным дополнительным условием после запуска ДВС мощностью 25-30 кВт является время порядка 30-40 с, необходимое для первоначального накопления энергии гиромоторным рекуператором до опорной величины 0,9 МДж. Применение гиромоторного рекуператора на автомобиле в условиях городского движения при частом торможении и разгоне позволит почти в 2 раза сэкономить расход топлива ДВС.

Кроме эффективного применения гиромоторного рекуператора на автомобилях, его применение на электрифицированном транспорте (троллейбусы, трамваи, электрички) позволит сэкономить часть электроэнергии при разгоне и торможении транспортного средства. На фиг.10 представлена схема троллейбуса, снабженного гиромоторным рекуператором 1 с тяговым двигателем 61 с питанием от контактной сети.

При отсутствии гиромоторного рекуператора в момент трогания троллейбуса с места пусковые токи тягового двигателя превышают номинальные токи в несколько раз, увеличивая падение напряжение и потери в сети. Если расчетные показатели номинальных потерь энергии в контактной сети составляют порядка 5-10%, то в момент разгона троллейбуса потери в сети могут увеличиваться до 15-30% и более. Существующие схемы рекуперации энергии торможения за счет перевода тягового двигателя в генераторный режим обеспечивают импульсный выброс тормозных токов, эквивалентных пусковым, а соответственно теряется в контактной сети 15-30% и более рекуперируемой энергии.

При наличии гиромоторного рекуператора в схеме троллейбуса (фиг.10) исключаются пусковые и тормозные потери электрической энергии в контактной сети порядка 15-30% и более за счет разгрузки самой контактной сети в момент пуска и торможения тягового электродвигателя при рекуперации энергии посредством гиромоторного рекуператора.

В результате использования предлагаемого технического решения удается решить задачу рекуперации кинетической энергии при торможении и трогании автомобиля и электрифицированных транспортных средств. Кроме того, применение гиромоторного рекуператора позволяет снизить на автомобиле установленную мощность двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и электрогенератора в 3-4 раза, компенсировав недостающую импульсную мощность за счет энергии гиромоторного рекуператора. В условиях городского движения применение гиромоторного рекуператора позволяет снизить в 2 и более раза расход топлива автомобилем.

Формула изобретения

1. Способ рекуперации кинетической энергии, включающий преобразование кинетической энергии торможения транспортного средства, преимущественно автомобиля с электротрансмиссией, в электрическую энергию с последующим ее аккумулированием в гиромоторном рекуператоре, обеспечивающим взаимное преобразование кинетической энергии вращения высокоскоростного ротора гиромотора в электрическую, и наоборот, отличающийся тем, что режим рекуперации кинетической энергии гиромотором осуществляют в три этапа, на первом этапе высокоскоростной ротор гиромотора раскручивают от внешнего источника электрической энергии до опорной частоты вращения, на втором этапе рекуперации преобразуют кинетическую энергию торможения автомобиля в кинетическую энергию высокоскоростного ротора гиромотора за счет того, что высокоскоростной ротор дополнительно раскручивают до рабочей частоты вращения больше опорной частоты от источника электрической энергии, получаемой в результате торможения автомобиля, на третьем этапе гиромоторный рекуператор переводят в генераторный режим и уменьшают частоту вращения высокоскоростного ротора до опорной частоты и направляют освободившуюся при этом энергию на разгон автомобиля, а рабочую частоту вращения высокоскоростного ротора устанавливают по соотношению

где n_p – рабочая частота вращения ротора гиромоторного рекуператора, с^-1;
J_p – момент инерции ротора гиромоторного рекуператора, кгм²;
W_ok, W_kp – энергии опорная и рекуперации соответственно, Дж.

2. Транспортное средство с рекуператором энергии, преимущественно автомобиль, включающее двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором и электротрансмиссию с мотор-колесами, отличающееся тем, что автомобиль снабжен двухроторным гиромоторным асинхронным рекуператором энергии, состоящим из герметичного корпуса, оси, двух внешних роторов с шихтованными магнитопроводами и короткозамкнутыми обмотками, двух пар подшипников, двух пар торцевых шайб, шихтованных статоров с двух- или трехфазными обмотками, соединенными между собой с противоположным чередованием фаз и с проходными изоляторами для вывода концов каждой фазы из герметичного корпуса, коммутатора со статическим преобразователем рабочей частоты электрического тока и с батареей конденсаторов для управления режимом работы двухроторного гиромоторного асинхронного рекуператора, причем оба шихтованных статора установлены на оси неподвижно, а роторы установлены на оси с помощью пары торцевых шайб на паре подшипников с возможностью вращения в противоположных направлениях, при этом двигатель внутреннего сгорания соединен с двухроторным гиромоторным асинхронным рекуператором через электрогенератор, который выполнен с возможностью работы на повышенной опорной частоте, а через коммутатор двухроторный гиромоторный асинхронный рекуператор соединен с электротрансмиссией c мотор-колесами, с батареей конденсаторов и статическим преобразователем рабочей частоты электрического тока, который выполнен с возможностью получения рабочей частоты электрического тока выше опорной частоты электрогенератора.

3. Транспортное средство с рекуператором энергии, преимущественно троллейбус, включающее контактную сеть, тяговый электродвигатель с электротрансмиссией, отличающееся тем, что троллейбус снабжен двухроторным асинхронным гиромоторным рекуператором энергии, состоящим из герметичного корпуса, двух высокоскоростных короткозамкнутых роторов, трех торцевых статоров с двух- или трехфазными обмотками, двух валов, и включает источник электрического тока повышенной частоты, коммутатор для управления режимом работы двухроторного гиромоторного асинхронного рекуператора, статический преобразователь частоты электрического тока, батарею конденсаторов и выпрямитель тока, причем высокоскоростные короткозамкнутые роторы установлены соосно на независимых валах, на которых расположены магнитопроводы, выполненные в виде дисков, намотанных на валу из непрерывной ленты электротехнической стали, с торцов дисков в пазах залиты стержни короткозамкнутых обмоток роторов, причем с внешней стороны роторы заключены в обойму, а торцевые статоры выполнены из трех отдельных магнитопроводов в виде дисков, намотанных из непрерывной ленты электротехнической стали, с торцов дисков в пазах уложены обмотки статоров, при этом один из статоров расположен в центре между роторами, а два других – с внешних торцов роторов, а средний статор содержит две группы торцевых обмоток, электрически соединенных между собой с противоположным чередованием фаз, при этом двухроторный гиромоторный асинхронный рекуператор электрически соединен коммутатором с тяговым электродвигателем и контактной сетью через батарею конденсаторов, выпрямитель тока и статический преобразователь частоты электрического тока, который выполнен двухчастотным с возможностью получения опорной и рабочей частот электрического тока, причем рабочая частота тока выше опорной частоты.

4. Транспортное средство с рекуператором энергии, преимущественно автомобиль, включающее двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором и электротрансмиссию с мотор-колесами, отличающееся тем, что автомобиль снабжен асинхронным гиромоторным рекуператором энергии, состоящим из герметичного корпуса, высокоскоростного короткозамкнутого ротора, высокоскоростного подвижного статора с двух- или трехфазными обмотками и кольцевым коллектором, двух полых валов, двух пар подшипников, неподвижной оси, и включает источник электрического тока повышенной частоты, коммутатор для управления режимом работы гиромоторного асинхронного рекуператора, батарею конденсаторов и выпрямитель тока, причем высокоскоростной короткозамкнутый ротор и высокоскоростной подвижный статор с двух- или трехфазными обмотками и кольцевым коллектором установлены соосно на независимых полых валах с подшипниками на неподвижной оси с возможностью вращения в противоположных направлениях, при этом магнитопроводы высокоскоростных ротора и статора выполнены в виде одинаковых по массе и размерам дисков, намотанных на полых валах из непрерывной ленты электротехнической стали, с торцов дисков в пазах уложены обмотки, для короткозамкнутого ротора в виде стержней, для статора – в виде двух- или трехфазных обмоток, причем с внешней стороны диски ротора и статора заключены в обойму, при этом двигатель внутреннего сгорания соединен с гиромоторным асинхронным рекуператором через электрогенератор, который выполнен с возможностью работы на повышенной опорной частоте, а через коммутатор двухроторный гиромоторный асинхронный рекуператор соединен с электротрансмиссией с мотор-колесами, с батареей конденсаторов, выпрямителем тока и статическим преобразователем рабочей частоты электрического тока, который выполнен с возможностью получения рабочей частоты электрического тока выше опорной частоты электрогенератора.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 30.01.2005

Извещение опубликовано: 20.02.2006 БИ: 05/2006