19Июн

Гибридные двигатели принцип работы: Как работает гибридный двигатель: принцип работы

Содержание

Как работает гибридный двигатель: принцип работы

Главный силовой агрегат современных машин – двигатель внутреннего сгорания. Но в условиях истощения залежей нефти, роста требований к экологической чистоте топлива инженеры прибегают к новым технологиям. Полный отказ от углеводородного топлива или снижение его расхода обеспечивают электрический мотор или гибридный машинный двигатель. Последнюю деталь устанавливают на современных авто.

История гибридных двигателей

Гибридный автомобильный двигатель – это система из бензинового мотора внутреннего сгорания и электродвигателя. Впервые выпуском подобного транспорта занялся бренд Parisienne des Voitures Electriques в 1897 году. Американская компания General Electric приступила к производству гибридов с 1900 году. Инженеры корпорации создали машину с четырехцилиндровым двигателем на бензине. Абсолютно новый вид транспорта был экономически нецелесообразным по причинам низкой мощности и дешевизны топлива.

Интересно знать! Грузовики-гибриды несерийно выпускались в Чикаго до 1940-х годов.

Ввиду ухудшения экологической обстановки, подорожания топлива для ДВС идея создания смешанных силовых агрегатов стала актуальной в наше время. Серийное производство гибридов практически первыми наладил бренд Тойота. Авто Toyota Prius liftback были выпущены в 1997 году. В 1999 Хонда презентовала модель Insight. На 2014 год количество гибридов составило более 7 млн.

Принцип работы и устройство гибридных двигателей

Современные инженеры подробно объясняют, что же такое мотор-гибрид в машине.  Двигатель представляет собой систему из бензиновой (дизельной) и электрической силовых установок. Для полноценной работы цепи задействуются другие узлы с компьютерным управлением.

Полная конструкция гибрида

Понять, как же работает современный гибридный автомобильный двигатель, поможет описание его устройства. Мотор состоит из:

  • двигателя внутреннего сгорания. Конструкция детали разрабатывалась так, чтобы облегчить вес, минимизировать затраты топлива и количество вредных выбросов;
  • электрического двигателя. Он сгенерирован с топливным баком и может вырабатывать энергию для заряда АКБ. Деталь встраивается в силовую систему или располагается отдельно. Есть модели с двумя вариантами размещения;
  • трансмиссии. В зависимости от типа гибрида существуют интегрированные коробки передач, КПП с механикой или автоматическим управлением. Некоторые детали работают по принципу плавной нагрузки;
  • топливного бака. Обеспечивает подачу топлива в ДВС;
  • аккумуляторы. В гибридных машинах устанавливаются две батареи – высоковольтная для работы мотора и на 12 В для запитки бортовой системы. Системы запускаются от аккумулятора стандартного типа – высоковольтный и инвертор функционируют только при постоянном охлаждении;
  • инвертор. Нужен для преобразования тока, идущего от высоковольтного аккумулятора в переменный трехфазный для электромотора, регулировки распределения энергии;
  • генератор. Работает по принципу электрического агрегата, производит электроэнергию.

Интересно знать!

При сгорании 1 л бензина и от работы аккумулятора массой 4,5 ц получается одинаковое количество энергии.

Функционирование двигателя-гибрида

Принцип бесперебойной работы современного гибридного двигателя основывается на отдельном или одновременном функционировании ДВС и электромотора. Для управления системой применяется бортовой компьютер. Прибор по режиму движения определяет вид активного силового агрегата:

  • на городских дорогах требуется электродвигатель с небольшой мощностью;
  • при езде на загородном шоссе задействуется топливный мотор;
  • в смешанном режиме (периодические остановки и ускорения) агрегаты работают вместе.

Важно! В процессе работы ДВС происходит зарядка электрического мотора.

Схемы взаимодействия мотора и ДВС

Развитие технологии гибридных двигателей привело к реализации нескольких вариантов взаимодействия электроагрегата и стандартного мотора.

Последовательная схема

В схеме series hybrid ДВС активирует генератор, вырабатывающий энергию для запитки электрического двигателя, вращающего колеса. Последовательный автомобиль-гибрид задействует маломощный ДВС, но только в условиях максимального КПД. Модели-малолитражки выпускаются с большой АКБ.

Параллельная схема

Оснащение машины системой parallel hybrid обеспечивает вращение колес от бензинового и электрического мотора. Электрическая установка также выполняет функции стартера и генератора, располагается между коробкой передач и ДВС.  Дополнительная мощность создается электродвигателем в зависимости от режима езды. Аккумуляторные батареи отличаются компактностью, заряжаются при движении машины.

Подробное описание параллельной схемы для гибридной силовой моторной установки современного автомобиля отмечает ее недостаток. Электрический двигатель не выполняет одновременное вращение колеса и зарядку батареи.

Последовательно-параллельная схема

Смешанный гибрид совмещает последовательную и параллельную схему работы. Электрические агрегаты работают как генератор, создавая электроэнергию и как мотор, создавая тягу. Для объединения двигателей используется планетарный редуктор. ДВС вырабатывает минимум мощности при цикле Аткинсона, что обеспечивает экономию топлива. Устройство параллельно-последовательной схемы и принцип для работы смешанного гибридного двигателя предполагают:

  • работу в эконом-режиме. На электрической тяге ДВС выключен, запитка электромотора происходит от аккумулятора;
  • поддержку скорости движения. Мощность ДВС распределяется по колесной системе и генератору. В это время выполняется одновременная запитка параллельного электроагрегата и дозарядка АКБ;
  • интенсивное ускорение. При высоких нагрузках ДВС и электрическая часть функционируют параллельно. Электромотор подпитывается от батареи без утраты мощности генератором.

Важно! Наиболее эффективно принцип комбинированной тяги реализован у бренда Тойота и называется Hybrid Synergy Drive.

Преимущества и недостатки гибридных авто

Транспорт с гибридной силовой установкой расходует на 30 % меньше топлива по сравнению со стандартными моделями. На этом преимущества использования гибридного автомобильного двигателя не заканчиваются:

  • минимальное количество вредных выбросов за счет технологий рекуперативного торможения, наличия емкой АКБ;
  • согласованность функций ДВС и электромотора;
  • полезные инновации – опции стоп-старта, рециркуляции отработанных газовых смесей (подогревают тосол), изменение фазы распределения газов;
  • наличие водяного насоса с электроприводом, системы климат-контроля и усиления руля, улучшенного качения покрышек;
  • эффективность при работе на холостом ходу в городских условиях;
  • возможность продолжительной поездки без дозарядки аккумулятора – заправляется бак;
  • поддержка выбранного режима за счет компьютерного управления;
  • низкий уровень шума работающего мотора.

К недостаткам моделей с гибридными установками относятся:

  • необходимость регулярной нагрузки на АКБ;
  • батарея может разряжаться до критического состояния при низкой температуре;
  • проблемы с самостоятельным ремонтом машины;
  • дорогая цена запчастей, которые не всегда есть в наличии в сервисных центрах.

Минусом для некоторых пользователей является высокая цена транспорта – даже недорогие японские гибридные автомобили Toyota Yaris стоят около 18 тыс. евро.

Типы гибридных агрегатов

Гибридный современный двигатель – экономичный и экологичный агрегат, но полностью разобраться, что же это такое, поможет обзор вариантов исполнения основной конструкции:

  • микрогибридный силовой агрегат. Электрическим компонентом привода является стартер или генератор, отвечающий за функции старта и стопа. Кинетическая энергия используется по принципу рекуперации, то есть переходит в электрическую. Привода исключительно для электротяги нет. АКБ с наполнителем из стекловолокна – на 12 Вольт, адаптирована к частым стартам;
  • среднегибридный силовой агрегат. Что значит в этом случае гибридный машинный двигатель? Деталь поддерживает функции ДВС, но транспорт не ездит на электротяге. Средние гибриды могут регенерировать часть кинетической энергии при торможении. Она переходит в электрическую и накапливается в АКБ. Батарея и электроузлы работают на высокой мощности. В режиме смещения точки нагрузки при помощи электрического генератора у теплового мотора повышается эффективность;
  • полногибридный силовой агрегат. Высокомощный генератор интегрируется с ДВС. Есть функция движения при электрической тяге при маленькой скорости авто. Электрогенератор запитывает двигатель внутреннего сгорания с функцией старт-стоп в рабочем режиме. Высоковольтный аккумулятор заряжается в процессе рекуперации. Разделительное сцепление ДВС и электромотора обеспечивает быстрое отсоединение одной системы от другой.

Интересно знать!

Микрогибридные силовые агрегаты впервые сконструировал и выпустил бренд Тойота.

Классификация по степени электрификации

В зависимости от электрификации существует несколько видов гибридных машин.

Микрогибрид

У моделей есть функции рекуперации энергии во время торможения, автоматика типа стоп-старт. Микрогибриды подразделяются на три типа:

  • машины с системой старт-стоп;
  • транспорт со старт-стопом и рекуперативным торможением;
  • модели, объединяющие две технологии, со свинцово-кислотным AGMаккумулятором и объединенным блоком стартера/генератора.

При экономичности топлива и экологичности, электрического воздействия на привод не происходит.

Важно! Данный транспорт нельзя назвать гибридными машинами на 100 %.

Мягкий гибрид

Что же такое мягкий двигатель типа гибрид? Электрическая силовая установка обеспечивает поддержку ДВС, работа в режиме чистого электричества не осуществляется. Рекуперация происходит только при торможении. Конструкция моделей не предусматривает маховика, на его месте находится стартер-генератор. Мягкие гибриды отличаются небольшой мощностью, которая компенсируется электрической частью только при ускорении или разгоне.

Интересно знать! Система Kinetic Energy Recovery мягкогибридных машин также используется в Формуле-1.

Полный гибрид

Электрическая часть задействуется в режиме поездок по городу, на высоких скоростях работает стандартный ДВС. Схема соединения электромотора с двигателем внутреннего сгорания реализуется последовательным, комбинированным или разветвленным способом.

Транспортное средство не заряжается от сети, а только в процессе рекуперации. При разрядке литий-ионного аккумулятора можно переключиться на ДВС.

Гибриды-плагины

Что такое plug-in и надежный ли это гибридный автомобильный двигатель? Электрическая часть осуществляет сбор энергии для заряда батареи, совместно с двигателем внутреннего сгорания обеспечивает вращение колес.

Инновационные модели двигаются при задействовании усилий двух моторов, отличаются объемной мощной батарей (от 70 до 100 лошадей). Рядом с люком бензобака расположен порт для зарядки от розетки. Особенность плагинов – преодоление расстояния до 50 км только на электрической тяге.

Привод дополнительных аксессуаров в автомобилях с полным гибридным приводом

Конструкционные доработки привода дополнительных агрегатов заключались в том, чтобы компоненты работали не от ДВС, а от электричества. Приводная часть полногибридных моделей включает следующие элементы:

  • вакуумный насос электрического типа. Деталь служит для понижения давления усилителя тормоза и поддерживает подачу низкого давления при старте и остановке;
  • электрогидравлический усилитель управления рулем. Используется, чтобы во время автоматической остановки двигателя рассоединить ДВС и усилитель. Технология позволяет оптимизировать топливные затраты;
  • компрессорный кондиционер с электрическим приводом. Отвечает за охлаждение салона при автоостановке. Деталь обеспечивает отсоединение компрессорного привода кондиционера и ДВС. Электрокомпрессор всасывает, сжимает фреоновый газ и направляет его в систему для прокачки;
  • электроблок управления кондиционером. Регулирует температуру испарения от 800 до 9000 мин.

Важно!

Полный гибридный привод – единственный вариант гибридов, объединяющий функции старт-стопа, рекуперации, режим электротяги и систему E-Boost.

Перспективы автомобилей-гибридов

Новизна технологии совмещенного мотора приводит к неполному пониманию автолюбителями, что же такое и как работает гибридный двигатель на подобном автомобиле. С учетом 20-летних разработок бренда Тойота у гибридов есть множество перспектив развития. Машины с облегченным кузовом, емкими и компактными аккумуляторами, простой и быстрой зарядкой, усовершенствованным режимом рекуперации в ближайшем будущем завоюют рынок.

У гибридных авто ДВС не подвергается критическим нагрузкам, а с учетом цикла Аткинсона его моторесурс выше, чем у стандартного двигателя. Для сокращения расходов на топливо машины оснащаются ГБО, совместимыми с электронными блоками управления. При внешней схожести с бензиновой техникой автовладельцы сталкиваются со сложностью обслуживания и огромным разбегом стоимости. Даже при отсутствии поломок и значительном пробеге цена машины окупиться через 5 лет. Но минимальные затраты на горючее стоят таких вложений.

Однако, будущее гибридного транспорта – только за моделями plug-in, которые реально экономят топливо. Плагины привлекательны бесшумным плавным электродвигателем, динамикой бензинового мотора, обеспеченной массивным электрическим бустом. Чтобы использовать машину полноценно, необходимо развитие зарядной инфраструктуры – установка специальных розеток на АЗС.

Гибридный двигатель

Автор admin На чтение 7 мин. Просмотров 276

Подавляющее большинство современных автомобилей в качестве силового агрегата используют двигатель внутреннего сгорания. На фоне постепенного истощения запасов нефти, а также возрастающих требований к экологичности, автоинженеры разрабатывают новые технологии, позволяющие отказаться от использования углеводородов в качестве топлива или, как минимум, снизить расход.

Решить эту проблему можно двумя способами: установить вместо ДВС электромотор или гибридный двигатель. К последнему прибегают многие автомобильные марки.
гибридный двигательгибридный двигатель
Как видно из названия, подобный силовой агрегат представляет из себя классический двигатель внутреннего сгорания и одновременно электродвигатель, объединенные в одно целое. По многим причинам такое решение предпочтительнее одной только электрической тяги.

На сегодняшний день электромобиль имеет серьезные минусы. Наиболее значимые из них – это отсутствие развитой сети электрозаправок, а также недостаточная дальность поездки без дозарядки (у разных моделей электромобилей она составляет от 80 до 160 км).

К тому же на то, чтобы полностью зарядить батареи потребуется несколько часов, а значит, мобильность такого авто ограничивается поездками от дома до работы и обратно.

Тем не менее, нельзя забывать и про плюсы электромотора, среди которых более высокий КПД (у ДВС максимальный КПД достигается только на определенных оборотах), отсутствие каких-либо выбросов, большой крутящий момент.

Электрический двигатель, в отличие от работающего на нефтепродуктах, не нуждается в постоянной подаче топлива. Он может находиться в выключенном состоянии сколь угодно долго, пока на него не будет подано напряжение. При подаче электричества он практически моментально передает колесам максимальную тягу.
электрозаправка гибридаэлектрозаправка гибрида
Гибридный двигатель совместил преимущества обоих моторов, благодаря чему достигается экономичность, экологичность и неплохие динамические характеристики.

Принцип работы гибридных двигателей

Гибридный двигатель устроен таким образом, что оба мотора работают, условно говоря, друг на друга. Двигатель внутреннего сгорания крутит генератор и снабжает энергией электромотор, а тот позволяет «напарнику» работать в оптимальном режиме без резких колебаний и нагрузок. К тому же, гибриды обычно оснащаются системой рекуперации кинетической энергии KERS (аналогичную той, что применяется на болидах Формулы-1).

Эта система позволяет заряжать аккумуляторные батареи во время торможения и при движении машины накатом. Принцип ее работы в том, что при торможении колеса приводят в действие электромотор, который в этом случае сам играет роль генератора и заряжает аккумуляторы. Особенно полезна KERS при езде по городу в режиме «тронулся-остановился».

Список автомобилей с гибридными двигателями
Audi Q5 Hybrid
BMW Active Tourer
Chevrolet Volt
Ford Escape Hybrid (Fusion Hybrid)
Hyundai Sonata Hybrid
Honda CR-Z (Insight Hybrid)
Jaguar Land Rover
Mitsubishi Outlander PHEV
Nissan Altima Hybrid
Toyota Prius (Camry, Highlander Hybrid, Harrier Hybrid

гибридные автомобили списокгибридные автомобили список
По степени гибридизации силовые агрегаты разделились три типа: «умеренные», «полные» и plug-in. В «умеренных» постоянно работает двигатель внутреннего сгорания, а электромотор включается только тогда, когда необходима дополнительная мощность.

Автомобиль с «полным» гибридом способен двигаться на одной электротяге, не расходуя горючего.

Plug-in, как и полный гибрид, может передвигаться только на электричестве, но имеет возможность заряжаться от розетки, совмещая таким образом все преимущества электромобиля, и избавляясь от его главного недостатка — ограниченного пробега без подзарядки. Когда заряд батарей кончается, plug-in работает как обычный гибрид.

Схемы взаимодействия электромотора и ДВС

Инженеры разных компаний по-разному подходят к вопросу гибридного двигателестроения. Современные машины оснащаются гибридными двигателями, построенными по одной из трех схем взаимодействия топливной и электрической составляющей, которые будут рассмотрены ниже.

Последовательная схема

Это наиболее простой вариант. Принцип его работы заключается в следующем: крутящий момент от ДВС в данном случае передается исключительно генератору, который вырабатывает электричество и заряжает аккумуляторы. Автомобиль при этом движется только на электротяге.

Также для зарядки аккумуляторной батареи применяется система рекуперации кинетической энергии. Своим названием данная схема обязана последовательным преобразованиям энергии: энергия сгорания топлива двигателем внутреннего сгорания превращается в механическую, затем в электрическую при помощи генератора и снова в механическую.
последовательная схемапоследовательная схема
Плюсы такой конструкции заключаются в следующем:

  • ДВС всегда работает на неизменных оборотах, с максимальным КПД;
  • нет необходимости оснащать автомобиль мощным и прожорливым двигателем;
  • не нужно сцепление и коробка передач;
  • автомобиль способен передвигаться и с выключенным двигателем внутреннего сгорания за счет энергии, запасенной аккумуляторной батареей.

Однако есть у последовательной схемы и свои минусы:

  1. потери энергии в процессе преобразований;
  2. большой размер, вес и высокая стоимость аккумуляторных батарей.

Наибольшая эффективность такой схемы достигается при движении с частыми остановками, когда активно работает KERS. Поэтому она нашла применение в городском транспорте. Также гибридные двигатели с последовательной схемой применяются в карьерных самосвалах, которым для работы важен большой крутящий момент и не требуется высокая скорость.

Параллельная схема

Принцип работы «параллельного» гибридного двигателя полностью отличается от вышеописанного. Автомобили с гибридным двигателем, построенным по параллельной схеме, ездят с использованием и ДВС, и электромотора. Электродвигатель в таком случае должен быть обратимым, т.е. способным работать в качестве генератора. Согласованная работа обоих моторов достигается посредством компьютерного управления.

В зависимости от режима езды блок управления распределяет крутящий момент, поступающий от обоих элементов гибрида. Основную работу выполняет двигатель внутреннего сгорания, электромотор же подключается когда нужна дополнительная мощность (при трогании, ускорении), при торможении и замедлении он работает как генератор.
параллельная схемапараллельная схема
Плюсы подобной компоновки в том, что нет необходимости устанавливать аккумуляторную батарею большой емкости, потери энергии намного меньше, чем при последовательной схеме, поскольку ДВС напрямую связан с ведущими колесами, а кроме того, сама по себе конструкция довольно проста, а значит, дешева.

Основные минусы схемы – меньшая топливная экономичность по сравнению с другими вариантами и низкая эффективность в городских условиях. Машины с гибридным двигателем, построенным по параллельной схеме, наиболее эффективны при движении по трассе.

По данной схеме построены гибридные автомобили марки Хонда. Главный принцип руководства компании: схема гибридного двигателя должна быть как можно более простой и дешевой, а функция электромотора заключается лишь в помощи ДВС сэкономить максимально возможное количество топлива. У этой марки существует две гибридных модели – Civic (снят с производства в 2010 году) и Insight.

Последовательно-параллельная схема

Последовательно-параллельная схема представляет собой совмещение первых двух. В параллельную схему добавлен дополнительный генератор и делитель мощности. Благодаря этому автомобиль при трогании и на малых скоростях движется только на электрической тяге, ДВС только обеспечивает работу генератора (как при последовательной схеме).

На высоких скоростях крутящий момент на ведущие колеса передается и от двигателя внутреннего сгорания. При повышенных нагрузках (например, при подъеме в гору), когда генератор не в силах обеспечить требуемый ток, электромотор получает дополнительное питание от аккумулятора (параллельная схема).
параллельно-последовательная схемапараллельно-последовательная схема
Поскольку в системе имеется отдельный генератор, заряжающий аккумуляторную батарею, электромотор используется только для привода ведущих колес и во время рекуперативного торможения. Через планетарный механизм (он же делитель мощности), часть крутящего момента от ДВС частично передается на колеса и частично отбирается для работы генератора, который питает либо электромотор, либо аккумуляторную батарею. Электронный блок управления все время регулирует подачу мощности из обоих источников.

Плюсы последовательно-параллельного гибридного двигателя данной схемы, в максимальной топливной экономичности и высокой экологичности. Минусы системы – сложность конструкции и высокая стоимость, поскольку требуется дополнительный генератор, достаточно емкая аккумуляторная батарея и сложный электронный блок управления.

Применяется последовательно-параллельная схема на автомобилях марки Тойота (Prius, Camry, Highlander Hybrid, Harrier Hybrid), а также на некоторых моделях Лексус. Подобными гибридными двигателями оснащаются машины Ford Escape Hybrid и Nissan Altima Hybrid.

Мне нравитсяНе нравится
Гибридный двигатель – схема, принцип работы, характеристика + видео » АвтоНоватор

Почему мы хотим разобрать вместе с вами вопрос, как работает гибридный двигатель? Все дело в том, что в большинстве сфер нашей жизни сегодня наблюдается взаимодействие различных технологий, которые в результате дают более эффективные методы, приборы и механизмы. Не остались в стороне и моторы для нашего любимого транспортного средства. О принципах работы, плюсах и минусах таких агрегатов мы и поговорим на этой странице.

Как работает гибридный двигатель – простыми словами о новых технологиях

Если уж мы начали о смешении технологий, то следует пояснить, как это касается и затронутой нами темы. Гибридный мотор также сочетает в себе два вида: топливный (бензин/дизель) и электрический. Этот коктейль, конечно, несовершенен, но привнес в жизнь автомобилистов много положительного. Но об этом чуть ниже, а для начала следует разобрать принцип работы гибридного двигателя.

Топливная часть такого мотора может работать совместно с электрической, но возможно и осуществление совершенно независимых циклов. Конечно, машины с гибридным двигателем снабжаются компьютерами, которые и распределяют правильно нагрузку на обе части. Так, за городом, где важна мощность силового агрегата, в дело вступает бензиновая или дизельная технология, к тому же, на трассе не так губительны для человека выхлопные газы.

А вот в городе преимущественно работает электрическая составляющая, потому что такой вариант чище и экономичнее. Автомобили с гибридным двигателем умеют сами себя обслуживать, касается это электрической части мотора. Электрический компонент не бездельничает, пока работает топливный, он аккумулирует вырабатываемую энергию, чтобы потом снова пустить ее в дело.

Не исключены ситуации, когда оба элемента двигателя работают одновременно, например, при разгоне, когда от автомобиля требуются большие силовые затраты.

Устройство гибридного двигателя – описание схемы

Что значит гибридный двигатель, мы вкратце разобрали. Теперь хотелось бы углубиться немного и рассмотреть его схему. Следует учесть, что их существует целых три. Поэтому начнем с самой простой, которая для нас представляет наименьший интерес – это последовательный гибрид. Электромотор является главным участником в запуске и движении колес транспорта, а вот двигатель внутреннего сгорания (ДВС) всего лишь находится у него на поддержке, раскручивает генератор.

Для сегодняшнего авто такое устройство гибридного двигателя не будет лучшим вариантом, ведь требуются емкие аккумуляторы, малолитражные ДВС, а сама машина будет медленная и неповоротливая. Хотя все же есть некоторые представители среди легкового автопарка, например, Chevrolet Volt. Но из-за главенствующего электро-компонента ему присущи все минусы электромобилей, взять хотя бы зависимость километража на одном заряде батареи, но это постепенно решают применением турбо-ДВС.

Следующие схемы называют параллельной и смешанной. Смешанная схема чаще всего встречается в Lexus и представляет собой плотное взаимодействие электромотора и ДВС. Они работают вместе, приводя авто в движение, принцип работы построен так, что даже трансмиссия является бесступенчатой, далекой от привычной нам. Такие варианты очень современные, но и очень дорогие.

А вот привычная нам схема называется параллельной и встречается довольно часто. Электромотор тут является хоть и не ведущим, но незаменимым помощником, страхуя ДВС в случаях потребности в дополнительной мощности. Батареи не являются большими и емкими, отчего их легко зарядить прямо во время движения, и они всегда готовы отозваться по первому требованию.

Авто с гибридным двигателем – плюсы и минусы

Информация была бы неполной без указания положительных и отрицательных сторон гибридных моторов. Конечно, плюсов будет больше, но и минусы имеются, как во всем новом и малоизученном со стороны потребителя. Например, почему-то чаще всего встречается гибридный бензиновый двигатель, хотя давно всем известна экономичность и большая мощность «дизелей». Но никакого секрета тут нет, потому что, во-первых, технологию разрабатывали за океаном, т.е. в Америке, а там с соляркой пока что знакомы слабо. Во-вторых, гибридный дизельный двигатель стоил бы еще дороже, хотя цена на такие технологии уже далеко выше средней.

Небольшой скепсис вызывают гибриды из-за электромотора, т.е. его батареи. Это достаточно капризный элемент, требующий постоянной эксплуатации, иначе срок службы гибридного двигателя значительно снизится именно из-за нее. Она плохо переносит перепады температур, может саморазряжаться, в дальнейшем возникают неясности с ее утилизацией. Так же тень на репутацию смешанных моторов накладывает не только их дороговизна, но и большая стоимость комплектующих и ремонта, если он понадобится. Причем самостоятельно его провести невозможно.

Ну, а теперь можно рассказать и о приятном. Про экологичность и экономичность можно говорить смело, это действительно так, хотя бы исходя из двойственной природы агрегата. Наличие батареи позволяет дольше ездить без заправки, сохраняя все технические показатели в актуальном состоянии. Эту батарею не нужно заряжать, заправка авто осуществляется только топливом. Двигатель, благодаря компьютеру, работает всегда в оптимальном режиме, как бы вы ни пытались его «насиловать». Иногда такие машины могут двигаться вовсе без топлива, причем отличаются они еще и тихоходностью, мотор работает чуть слышно.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

принцип работы, что значит, схема мотора

Автор автомеханик А.Зарядин На чтение 10 мин. Просмотров 13 Опубликовано

Гибридный двигатель имеет несколько источников энергии: бензиновый и электрический моторы. Оба агрегата приводят автомобиль в движение по отдельности или совместно. Разработано несколько видов гибридных конструкций, и каждая реализует в себе главное преимущество перед «обычными» моторами — топливную экономичность. А значит, и в возможность достичь высоких экологических требований к транспорту.

Гибридный двигатель

История гибридных двигателей

Гибридные силовые установки были известные ещё в 19 веке. Изобретателем первого гибрида, работающего на электроэнергии, стал Роберт Андерсон. Однако, патент на систему получил Генри Пайпер в 1905 году. В этом же направлении работал Фердинанд Порше. Серийными производителями гибридных моторов были французская компания Parisienne des Voitures Electriques, американская корпорация General Electric, бельгийская Pieper.

Гибридный автомобиль Порше 1901 года

Бурного развития технология гибридов в начале 20 века не получила по нескольким причинам:

  • низкая стоимость топлива;
  • нерентабельность по сравнению с бензиновым ДВС.

К концу 20 века рост на энергоносители и ужесточение экологических стандартов заставили автопроизводителей возвратиться к разработкам эффективных моторов. Изначально в гонку включились VW, Mercedes, GM, Audi, но до серийного производства гибридных автомобилей так и не дошли, перейдя в другие сферы разработок. Первым удачным автомобилем с гибридным двигателем стал Toyota Prius 1997 года. За год компания смогла продать 25 000 моделей. Вторым популярным гибридом на рынке стал Honda Insight.

Honda Insight.

После Приуса, Тойота наладила серийный выпуск моделей: Hybrid Harrier, Highlander, Estima Hybrid, Crown, Camry Hybrid, Lexus RX. Среди разработок Хонда с гибридной установкой известны Accord Hybrid и Civic Hybrid. Единичные автомобили встречаются у Форда, Ауди, Мазды, Рено, БМВ, Ниссан, Хёндай.

Поговорим подробнее, что значит машина-гибрид. Рассмотрим устройство, принцип работы, в чём плюсы и минусы гибридных установок.

Принцип работы и устройство гибридных двигателей

Принцип работы гибридных двигателей основан на комбинировании возможностей ДВС и электромотора. Бензиновый агрегат развивает максимальный крутящий момент на высоких оборотах, в то время, как электрический двигатель — на низких. Объединение установок позволяет исключить из конструкции механизмы преобразования механической энергии, увеличить КПД силового агрегата и снизить расход топлива.

Принцип работы и устройство гибридных двигателей

Полная конструкция

Автомобиль с гибридным мотором устроен иначе, чем привычные машины с ДВС. Здесь под днищем находятся:

  • двигатель внутреннего сгорания;
  • один или несколько электрических моторов;
  • блок аккумуляторных батарей.
  • для управления и преобразования энергии установлен электронный блок с инвертором.

Конструкция гибридного автомобиля

Источником энергии в гибридном двигателе служит ДВС, работающий на бензине или дизеле. Мощность, преобразованная генератором, запускает тяговый электродвигатель и заряжает аккумуляторные батареи. Именно от блока аккумуляторов электромотор получает дополнительное питание, если не будет хватать энергии генератора.

Инвертор преобразует постоянный ток высоковольтного аккумулятора в 3-фазный переменный ток большего напряжения. Энергия используется для:

  • управления электромотором;
  • обратной конвертации тока с генератора для подзарядки батареи;
  • питания бортовой электросети.

Конструктивно инвертор представляет собой корпус с набором электронных плат и транзисторными сборками.

ИнверторПлата инвертора гибридной установки

Общий принцип работы гибридного автомобиля рассмотрим далее.

Функционирование двигателя

Режим совместной работы ДВС и электромотора зависит от конструктивного устройства гибридного силового агрегата и режима движения автомобиля. Так, в начале движения бензиновый двигатель не всегда нужно запускать. Машина тронется за счёт работы электрического мотора, питающегося от батареи.

Функционирование двигателя

Большая ёмкость аккумулятора с возможностью внешней подзарядки может сократить потребление бензина до нуля, если суточный пробег автомобиля короткий.

Электромотор поддерживает работу автомобиля на холостом ходу: при стоянке на светофоре, временной остановке. В это время ДВС отключен, до те пор, пока хватает мощности электротяги. Обычно бензиновый мотор подключается на скорости 60км/ч. При больших нагрузках, например, для заезда в горку, понадобится двойное усилие обоих агрегатов. В таком режиме автомобиль сможет проехать более 500 км.

Отличительно, как работает гибридный двигатель во время торможения. Тормозная система привычного автомобиля с ДВС преобразует кинетическую энергию в тепловую, рассеивая её в воздухе. Гибриды оснащены системой рекуперации, т.е. возвращения. При замедлении движения электромотор переключается в режим генератора, отдавая электрическую энергию в аккумуляторную батарею.

Типы гибридных агрегатов

Гибридные двигатели различаются по типу применения и компоновочной схеме. По первому критерию гибриды делятся на микрогибриды, умеренные гибриды и полные гибриды. Более подробно о них поговорим ниже.

Применение разных компоновочных систем гибридных двигателей отражает уровень развития гибридизации, суть которой заключается в желании производителей перевести автомобиль на альтернативный источник энергии. Наиболее прогрессивными в плане разработок являются компании Тойота, БМВ, Хёндай, Вольво.

Схемы взаимодействия мотора и ДВС

Конструктивная схема гибридного двигателя выбирается исходя из проектных характеристик автомобиля: требуемой мощности, скорости разгона, расхода топлива и т.д. Различают последовательную, параллельную и комбинированную схемы.

Последовательная схема

Гибридная система автомобиля с последовательной компоновкой была придумана Порше в 1899 году. Схема включает в себя ДВС с генератором, тяговый электродвигатель и аккумуляторные батареи. По этой схеме двигатель внутреннего сгорания запускает генератор, который преобразует механическую энергию в электрическую, питая электрический мотор. В свою очередь электродвигатель воздействует на ведущие колёса, приводя машину в движение.

Последовательная схема

Большая ёмкость аккумуляторов позволяет автомобилю в некоторых режимах работать только на электрической энергии, при выключенном ДВС. Батареи заряжаются от генератора, когда потребляемая мощность электромотора невысока, например, во время размеренного движения. Однако, в режиме ускорения мощности генератора может не хватать, и тогда недостаток энергии компенсирует аккумулятор.

Последовательная схема гибридного двигателя хороша тем, что ёмкая АКБ позволяет устанавливать ДВС меньших габаритов и меньшего веса. Более простая конструкция расходует меньше топлива и требует меньших затрат на обслуживание.

Электрический мотор вращается в любом направлении, что позволяет упростить конструкцию автомобиля, убрав сцепление и коробку передач. А при установке электродвигателей с редуктором в ведущие колёса, можно обойтись и без дифференциала. Подобная схема встречается на карьерных самосвалах БелАЗ и городских автобусах ЗИЛ. В легковых автомобилях встречается редко.

Параллельная схема

Гибридные двигатели с параллельной системой могут приводить автомобиль в движении от ДВС, тягового электромотора или их совместной работы. Часто электрический двигатель устанавливают вместо маховика, используя электромотор в качестве генератора и стартера для трогания и остановки автомобиля. Аккумуляторные батареи подзаряжаются во время рекуперативного торможения.

Параллельная схема

Параллельная схема подходит для автомобилей небольшой мощности. За счёт использования малоёмких батарей снижается вес и начальная стоимость машины. Подобная конструкция встречается в моделях Honda Insight, BMW 7 ActiveHybrid.

Последовательно-параллельная схема

По сути данная схема представляет собой доработку параллельной. Особенность гибридных двигателей с последовательно-параллельной системой — наличие делителя мощности в трансмиссии. Энергия ДВС разделяется на 2 потока в соответствии с режимом движения автомобиля. Часть мощности переходит к ведущим колёсам, другая — к накопителю электрической энергии.

Последовательно-параллельная схема

Для реализации подобной компоновки необходим менее мощный ДВС, но с высокой эффективностью. Например, двигатель, работающий по циклу Аткинсона с коротким тактом сжатия. По такой схеме построены Toyota Prius и Lexus RX.

https://www.youtube.com/watch?v=k1nG8PkP28E&feature=youtu.be

Классификация по степени электрификации

Разбираясь в особенностях гибридных двигателей, поговорим и о различном применении электромоторов. Степень электрификации машины указывает на возможности электрической установки. В одном случае, она идёт как приложение, в другом — позволяет полноценно передвигаться на электротяге. Чтобы понять насколько прогресс ушёл вперёд, рассмотрим этапы электрификации последовательно.

Микрогибрид

Двигатель-микрогибрид представляет собой простейшую форму гибридизации. Автомобиль оснащается системой «Старт-Стоп», в которой электрическая установка используется, как стартер и генератор, но не передаёт энергию колёсам. Во время работы машины на холостом ходу блок управления глушит бензиновый двигатель, позволяя сэкономить топливо. В среднем расход в городе снижается на 10%.

Работа системы Старт-стоп

Энергия, сохранённая от рекуперативного торможения, питает систему «Старт-Стоп» и бортовые устройства.

В силовую установку микрогибрида устанавливают штатную коробку передач с импульсным масляным насосом. В режиме «Старт-Стоп», пока двигатель не работает, необходимо сохранить элементы переключения включенными. Насос поддерживает давление масла в каналах КПП, чтобы после запуска двигателя, автомобиль был готов ехать спустя 0,3 с.

Мягкий гибрид

Термин «мягкий» или «умеренный» гибрид означает, что электромотор используется в автомобилях как лёгкая «поддержка» ДВС. Основную работу в режиме ускорения и штатного движения выполняет бензиновый двигатель. Суть использования электрической установки — помощь при трогании и ускорении автомобиля, а также для подзарядки батареи во время торможения. Мощность электродвигателя не превышает 50 кВт.

Гибридный силовой агрегат Лексус

К гибридам подобного действия относятся: BMW 7 ActiveHybrid, Honda Civic Hybrid, Suzuki Smart Hybrid, Mercedes S 400 Hybrid.

Полный гибрид

Полноценный гибридный автомобиль способен работать на одном тяговом электромоторе при выключенном ДВС. Электрический двигатель заменяет сцепление, работает как генератор для заряда аккумуляторных батарей, в том числе в режиме рекуперативного торможения. В отличие от умеренного гибрида, здесь применяется электромотор мощностью 60 — 250 кВт.

BMW_X6_ActiveHybrid_

Принцип полного гибрида реализован в Audi A1 и BMW X6 ActiveHybrid. В такие гибриды устанавливают мощные литий-ионные аккумуляторные батареи. Однако, при ёмкости в 12кВт/ч, накопитель электроэнергии сможет обеспечить пробег автомобиля не более 60 км. При низком уровне заряда ДВС подключается автоматически, но чтобы снизить потребление топлива и увеличить пробег электрического мотора, инженеры разработали Plung-In.

Гибриды плагины

Plung-In или гибрид-плагин по принципу работы схож с полным гибридом. Разница заключается в возможности подзарядки аккумулятора от внешней сети. Расстояние, которое может проехать машина на одной электрической тяге, характеризуется показателем PHEV.

Toyota Prius

Гибрид Мерседес

Чтобы превратить гибридный двигатель в Plung-In, необходимо поставить дополнительное оборудование: зарядное устройство, дополнительный блок управления и блок батарей. Розетка для заряда располагается возле лючка для заправки топливного бака. Для подпитки батареи можно использовать домашнюю электросеть, учитывая рекомендации производителя.

Преимущества и недостатки гибридных авто

Разобравшись, как работает гибридный автомобиль, подведём итог в виде объективной оценки. Сведём плюсы и минусы гибридного двигателя в таблицу.

Преимущества

Недостатки

1.   Высокий КПД за счёт использования крутящего момента от ДВС при любых нагрузках 1. Мало специалистов по ремонту и обслуживанию гибридов
2.   Экономия бензина в городе 10 — 30%  2. Высокая стоимость аккумуляторных батарей. При выходе из строя одного элемента приходится менять весь блок в сборе. Проблема с утилизацией
3.   Энергия торможения рекупируется в электрическую энергию 3. Наличие большого количества электроники. Сложность с запчастями. Дорогой ремонт.
4.   Использование ДВС меньшей мощности и габаритов. Возможность отказаться от сцепления и КПП 4. Недостаточное количество станций для подзарядки аккумуляторов. Малый пробег на одной электротяге
5.   Надёжный запуск зимой 5. Плохая маневренность
6.   Снижение токсичных выхлопов 6. Из-за холодов батареи быстрее выходят из строя
7.   Тихая работа 7. Бесшумная работа приводит к авариям

Заключение

Принцип работы гибридного автомобиля основан на использовании энергии бензинового и электрического двигателей. Их совместная работа позволяет достичь жёстких требований экологических стандартов, снижая расход топлива и выбросов. Инженеры постоянно совершенствуют конструкции, придумывают новые решения. Однако, не все компании видят перспективу в гибридах, концентрируясь на создании полноценных электромобилей.

принцип работы, устройство и схемы электромотора

Появление гибридных автомобилей стало вынужденной мерой автопроизводителей в переходный период от двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на углеводородном топливе к более чистым силовым установкам. Технологии ещё не позволяли создать полноценный электромобиль, машину на топливных элементах или какой-нибудь ещё из большого списка, теоретически возможных направлений развития автономного транспорта, а потребность уже созрела.

Содержание статьи:

Правительства начали сильно зажимать автопром экологическими требованиями, а потребителям хотелось увидеть качественный шаг вперёд, а не очередные микроскопические улучшения известного не первое столетие мотора на одном из продуктов переработки нефти.

Какой автомобиль называют «гибридом»

Силовой агрегат промежуточного этапа стал представлять собой комбинацию из уже отработанной конструкции ДВС и одного или нескольких электромоторов.

Электрическая часть тяговой установки получает питание от генераторов, связанных механически с бензомотором или дизелем, аккумуляторных батарей и системы рекуперации, возвращающих в накопитель энергию, выделяющуюся при торможении автомобиля.

Все многочисленные схемы практической реализации идеи получили название гибридов.

Читайте также: Что такое тормозной суппорт и как он работает

Иногда производители вводят в заблуждение клиентов, называя гибридами системы, где электропривод используется лишь для запуска основного мотора в режиме «старт-стоп».

Поскольку связи электродвигателей с колёсами и возможности движения на электротяге здесь нет, то такие машины к гибридным относить некорректно.

Принцип работы гибридных двигателей

При всём разнообразии конструкций у подобных машин есть и общие черты. Но отличия настолько велики с технической точки зрения, что фактически это разные автомобили со своими преимуществами и недостатками.

Устройство

В состав любого гибрида входят:

  • двигатель внутреннего сгорания со своей трансмиссией, бортовой низковольтной сетью питания и топливным баком;
  • тяговые электродвигатели;
  • накопительные аккумуляторные батареи, чаще всего достаточно высоковольтные, состоящие из последовательно и параллельно соединённых аккумуляторов;
  • силовая электропроводка с высоковольтной коммутацией;
  • электронные блоки управления и бортовые компьютеры.

Обеспечение всех режимов работы комплексной механической и электрической трансмиссии обычно происходит автоматически, на водителя возложено только общее управление движением.

Схемы работы

Соединить между собой электрическую и механическую составляющие можно разными способами, со временем выделились устоявшиеся конкретные, часто применяемые схемы.

Это не относится к позже появившейся классификации привода по удельной доли электротяги в общем энергетическом балансе.

Последовательная

Самая первая схема, наиболее логичная, но сейчас мало используемая в легковых автомобилях.

Основной её задачей стала работа в тяжёлой технике, где компактные электрические узлы успешно заменили громоздкую механическую трансмиссию, которой к тому же очень трудно управлять. Двигатель, как правило это дизель, нагружен исключительно на электрогенератор и с колёсами прямо не связан.

Вырабатываемый генератором ток может использоваться для заряда тяговой батареи, а там, где она не предусмотрена, отправляется непосредственно к электромоторам.

Тебе на заметку: Причины быстрого износа деталей тормозной системы

Их может быть один или несколько, вплоть до установки на каждое колесо автомобиля по принципу так называемых мотор-колёс. Величину тяги регулирует силовой электрический блок, а ДВС может постоянно работать в самом оптимальном режиме.

Параллельная

Эта схема сейчас наиболее распространена. В ней электромотор и ДВС работают на общую трансмиссию, а электроника регулирует оптимальное соотношение расхода энергии каждым из приводов. Связь с колёсами имеют оба двигателя.

Поддерживается режим рекуперации, когда при торможении электромотор превращается в генератор и подзаряжает накопительную батарею. Некоторое время автомобиль может двигаться только на её заряде, основной ДВС заглушен.

В ряде случаев используется батарея значительной ёмкости, снабженная возможностью внешнего заряда от бытовой сети переменного тока или специализированной зарядной станции.

В целом роль аккумуляторов тут невелика. Зато упрощается их коммутация, здесь не нужны цепи опасного высокого напряжения, а масса батареи значительно меньше, чем у электромобилей.

Смешанная

В результате развития техники электропривода и ёмкости накопителей роль электромоторов в создании тягового усилия увеличилась, что привело к появлению наиболее продвинутых систем последовательно-параллельной схемы.

Здесь старт с места и движение на небольших скоростях производятся на электрической тяге, а ДВС подключается лишь, когда потребуется высокая отдача и при исчерпании аккумуляторов.

Оба мотора могут работать в режиме привода, а продуманный электронный блок сам выбирает куда и как направлять энергетические потоки. Водитель может следить за этим на графическом информационном дисплее.

Это интересно: Что такое Адсорбер, устройство и принцип работы

Применяется дополнительный генератор, как в последовательной схеме, который может давать энергию электромоторам или заряжать аккумулятор. Рекуперация тормозной энергии происходит через реверс тягового электродвигателя.

Так устроены многие современный гибриды, в частности один из самых первых и известных – Toyota Prius

Как работает гибридный мотор на примере Тойота Приус

Этот автомобиль выпускается уже в третьем поколении и достиг определённой степени совершенства, хотя конкурирующие гибриды продолжают наращивать сложность и эффективность конструкций.

Основой привода здесь является принцип синергии, по которому в создании крутящего момента на колёсах могут в любом сочетании участвовать ДВС и электромотор. Параллельность их работы обеспечивает сложный механизм планетарного типа, где потоки мощности смешиваются и через дифференциал передаются на ведущие колёса.

Трогание с места и стартовое ускорение выполняет электромотор. Если электроника определяет, что его возможностей недостаточно, подключается экономичный бензиновый двигатель, работающий по циклу Аткинсона.

К сведению: Как проверить форсунки дизельного двигателя

В обычных автомобилях с моторами Отто такой термический цикл применять нельзя из-за переходных режимов. Но тут их обеспечивает электродвигатель.

Исключён режим холостого хода, если у Toyota Prius автоматически запускается ДВС, то для него сразу же находится работа, помогать в разгоне, заряжать батарею или обеспечивать климатическую установку.

Постоянно имея нагрузку и работая на оптимальных оборотах он минимизирует расход бензина, находясь в самой выгодной точке своей внешней скоростной характеристики.

Традиционный стартер отсутствует, поскольку такой мотор можно запустить только раскрутив его до значительных оборотов, что и делает реверсируемый генератор.

Аккумуляторы имеют разную ёмкость и напряжение, в наиболее сложной подзаряжаемой версии PHV это уже вполне обычные для электромобилей 350 вольт при 25 А*ч.

Достоинства и недостатки гибридов

Как и всякий компромисс, гибриды уступают чистым электромобилям и привычным классическим на нефтяном топливе.

Но при этом дают выигрыш по ряду свойств, для кого-то выступающих главными:

  • упрощение средств, применяемых для борьбы с вредными выбросами ДВС;
  • достижение некоторой экономии топлива, как бы это ни оспаривалось;
  • возможность передвижения на чистой электротяге там, где применение ДВС запрещено;
  • достаточно простое наращивание заявленной мощности;
  • невозможность, в отличие от электромобиля, остаться без энергии вдали от электрической сети.

Все недостатки связаны с усложнением техники:

  • потребность в грамотном персонале, специально обученном работе с гибридами;
  • увеличение массы транспортного средства, на что тоже тратится топливо;
  • более высокая цена автомобиля;
  • проигрыш электромобилям из-за сохранения ДВС и всего, что с ним связано;
  • пока ещё недостаточно отработанные технологии и отсутствие единого подхода к конструированию;
  • плохая экологичность в производстве батарей и их утилизации.

Вполне возможно, что производство гибридов сохранится и после полного исчезновения классических автомобилей.

Это надо знать: Моторное масло с Молибденом — плюсы и минусы

Но произойдёт это только если будет создан единый компактный, экономичный и хорошо управляемый двигатель на углеводородном топливе, который станет хорошим дополнением к электрическому автомобилю будущего, существенно повысив его пока недостаточную автономность.

Устройство и принцип действия гибридного двигателя

Как работает гибридный двигатель?

 

Как работает, рассмотрим на примере Touareg, с гибридным силовым агрегатом.

Что означает понятие «техника гибридного привода»?

Термин «гибрид» берет свое начало от латинского слова hybrida, и означает нечто скрещенное, или смешанное. В технике гибридом называют систему, в которой комбинируются друг с другом две разных технологии. В связи с концепциями привода термин технология гибридного привода применяется для обозначения двух направлений: бивалентный (или двухтопливный) силовой агрегат гибридный силовой агрегат

 

В случае гибридной технологии привода речь идет о комбинации из двух разных силовых агрегатов, работа которых основана на разных принципах действия. В настоящее время под технологией гибридного привода подразумевают комбинацию двигателя внутреннего сгорания и электродвигателягенератора (электромашины). Эта электромашина может использоваться как генератор для выработки электрической энергии, тяговый электродвигатель для движения автомобиля, и стартер для запуска двигателя внутреннего сгорания. В зависимости от исполнения основной конструкции различают три вида гибридного силового агрегата: т.н. «микрогибридный» силовой агрегат, т.н. «среднегибридный» силовой агрегат, т.н. «полногибридный» силовой агрегат.

 

"Микрогибридный" силовой агрегат

В этой концепции привода электрический компонент (стартер/генератор) служит исключительно для реализации функции Стартстоп. Часть кинетической энергии можно снова использовать в качестве электрической энергии (рекуперация). Привод только от электрической тяги не предусмотрен. Параметры 12 вольтной АКБ со стекловолоконным наполнителем адаптированы к частым запускам двигателя.

«Среднегибридный» привод

Электрический привод поддерживает работу двигателя внутреннего сгорания. Движение автомобиля только на электрической тяге невозможно. У «среднегибридного» привода большая часть кинетической энергии при торможении регенерируется, и в виде электрической энергии накапливается в высоковольтной батарее. Высоковольтная батарея, а также электрические компоненты сконструированы для более высокого электрического напряжения и, таким образом, более высокой мощности. Благодаря поддержке электродвигателягенератора режим работы теплового двигателя может быть смещен в область максимальной эффективности. Это обозначается как смещение точки нагрузки.

 

«Полногибридный» силовой агрегат

Мощный электродвигательгенератор комбинируется с двигателем внутреннего сгорания. Возможно движение только на электрической тяге. Электродвигательгенератор, если только позволяют условия, поддерживает работу двигателя внутреннего сгорания. Движение с малой скоростью осуществляется только на электрической тяге. Реализована функция Стартстоп для двигателя внутреннего сгорания. Рекуперация используется для зарядки высоковольтной батареи. Благодаря разделительному сцеплению между двигателем внутреннего сгорания и электродвигателемгенератором можно обеспечить разъединение обеих систем. Двигатель внутреннего сгорания подключается в работу только при необходимости.

 

Основы гибридной техники

Системы полного гибридных силовых агрегатов делятся на три подгруппы: параллельный гибридный силовой агрегат, раздельный силовой агрегат (с разделёнными потоками мощности), последовательный гибридный силовой агрегат.

Параллельный гибридный силовой агрегат

Параллельное исполнение гибридного силового агрегата отличается простотой. Он используется в случае, когда необходимо «гибридизировать» существующий автомобиль. Двигатель внутреннего сгорания, электромоторгенератор и коробка передач располагаются на одной оси. Обычно в системе параллельного гибридного силового агрегата используется один электродвигатель генератор. Сумма единичной мощности двигателя внутреннего сгорания и мощности электродвигателягенератора соответствует полной мощности. Эта концепция обеспечивает высокую степень заимствования узлов и деталей прежнего автомобиля. У полноприводных автомобилей со схемой параллельного гибридного силового агрегата привод всех четырех колёс реализован с помощью дифференциала Torsen и раздаточной коробки.

Раздельный гибридный привод

В системе раздельного гибридного привода помимо двигателя внутреннего сгорания имеется электродвигательгенератор. Оба двигателя располагаются под капотом. Крутящий момент двигателя внутреннего сгорания, также как и от электродвигателягенератора, через планетарную передачу подаётся на коробку передач автомобиля. В противоположность параллельному гибридному приводу, снять таким образом сумму отдельных мощностей для привода колёс невозможно. Вырабатываемая мощность частично тратится на приведение автомобиля в движение, частично, в виде электрической энергии, накапливается в высоковольтной батарее.

Последовательный гибридный силовой агрегат

Автомобиль оборудован двигателем внутреннего сгорания, генератором и электродвигателем генератором. Однако в отличие от обеих описанных ранее концепций, двигатель внутреннего сгорания не имеет возможности самостоятельно приводить автомобиль в движение валом, или через коробку передач. Мощность от двигателя внутреннего сгорания на колеса не передаётся. Основной привод автомобиля осуществляет электродвигатель генератор. Если ёмкость высоковольтной батареи слишком низкая, запускается двигатель внутреннего сгорания. Через генератор двигатель внутреннего сгорания заряжает высоковольтную батарею. Электродвигательгенератор снова может получать энергию от высоковольтной батареи.

 

Раздельный последовательный гибридный силовой агрегат

Раздельный последовательный гибридный силовой агрегат представляет собой смешанную форму двух описанных выше гибридных приводов. Автомобиль оборудован одним двигателем внутреннего сгорания и двумя электродвигателями генераторами. Двигатель внутреннего сгорания и первый электродвигательгенератор размещены под капотом. Второй электродвигательгенератор расположен на задней оси. Эта концепция используется для полноприводных автомобилей. Двигатель внутреннего сгорания и первый электродвигательгенератор через планетарную передачу могут приводить коробку передач автомобиля. И в этом случае действует правило, согласно которому одиночные мощности привода не могут отбираться для привода колёс в виде суммарной мощности. Второй электродвигатель генератор на задней оси активируется при необходимости. В связи с таким конструктивным исполнением привода высоковольтная батарея располагается между обеими осями автомобиля.

 

Другие термины и определения Здесь будут кратко разъяснены другие термины и определения, часто используемые в связи с технологией гибридного привода.

Рекуперация. В общем случае этот термин в технике означает способ возврата энергии. При рекуперации имеющаяся энергия одного вида преобразуется в другой, используемый в последующем вид энергии. Потенциальная химическая энергия топлива преобразуется в трансмиссии в кинетическую энергию. Если автомобиль затормаживается обычным тормозом, то избыточная кинетическая энергия посредством трения тормозов превращается в тепловую энергию. Возникающее тепло рассеивается в окружающем пространстве, и поэтому использовать его в дальнейшем невозможно.

Если же напротив, как при использовании технологии гибридного привода, дополнительно к классическим тормозам генератор используется в качестве моторного тормоза, то часть кинетической энергии преобразуется в электрическую энергию, и таким образом становится доступной для последующего использования. Энергетический баланс автомобиля улучшается. Этот вид регенеративного торможения называют рекуперативным тормозом.

 

Как только в режиме принудительного холостого хода скорость автомобиля снижается путем торможения нажатием педали тормоза или автомобиль движется накатом или автомобиль движется под уклон cистема гибридного привода включает электродвигатель - генератор, и использует его в режиме генератора.

В этом случае он заряжает высоковольтную батарею. Таким образом в режиме принудительного холостого
хода появляется возможность «заправлять» автомобили с электрическим гибридным приводом электроэнергией.
При движении автомобиля накатом электродвигатель генератор, работающий в режиме генератора,
преобразует из энергии движения в электрическую энергию только такое количество энергии, которое
требуется для работы 12 вольтной бортовой сети.

Электродвигатель-генератор (электромашина)

Термин электродвигатель-генератор, или электромашина, используется вместо терминов генератор, электродвигатель и стартер. В принципе, любой электродвигатель можно применять и в качестве генератора. Если вал электродвигателя приводится от внешнего привода, то электродвигатель, подобно генератору, вырабатывает электрическую энергию. Если к электромашине подводится электрическая энергия, то она работает как электродвигатель. Таким образом, электродвигательгенератор автомобилей с электрическим гибридным приводом заменяет обычный стартер двигателя внутреннего сгорания, а также обычный генератор (осветительный генератор).

 

Электрический ускоритель (E-boost)

По аналогии с функцией Kickdown двигателей внутреннего сгорания, которая делает доступной максимальную мощность двигателя, гибридный привод располагает функцией электрического ускорителя E-Boost. При использовании функции электродвигатель-генератор и двигатель внутреннего сгорания выдают свои максимальные индивидуальные мощности, которые складываются в более высокое значение суммарной мощности. Сумма индивидуальных мощностей обоих видов двигателей соответствует суммарной мощности трансмиссии.

Вследствие потерь мощности в электродвигателе-генераторе, его мощность в режиме генератора ниже, чем в режиме тягового электродвигателя. Мощность электродвигателя-генератора в режиме двигателя составляет 34 кВт. Мощность электродвигателя-генератора в режиме генератора равна 31 кВт. У Touareg с гибридным приводом двигатель внутреннего сгорания имеет мощность 245 кВт, а электродвигатель-генератор мощность 31 кВт. В режиме тягового электродвигателя электродвигатель-генератор выдаёт мощность 34 кВт. Вместе двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель-генератор в режиме тягового электродвигателя развивают суммарную мощность 279 кВт.

Функция Старт-стоп

 

Технология гибридного привода позволяет реализовать в этой конструкции автомобиля функцию Стартстоп. В случае обычного автомобиля с системой Стартстоп, для отключения двигателя внутреннего сгорания автомобиль должен остановиться (пример: Passat BlueMotion).

Однако автомобиль с полным гибридным приводом может двигаться и на электрической тяге. Эта особенность позволяет системе Стартстоп отключать двигатель внутреннего сгорания на движущемся, или катящемся накатом автомобиле. Двигатель внутреннего сгорания включается в зависимости от потребности. Это может происходить в случае быстрого разгона, при движении на высокой скорости, с высокой нагрузкой, или при высокой степени разряженности высоковольтной батареи. При высокой степени разряженности высоковольтной батареи система гибридного привода может использовать двигатель внутреннего сгорания в сочетании с электродвигателем-генератором, работающим в режиме генератора, для зарядки высоковольтной батареи.

В других случаях автомобиль с полным гибридным приводом может двигаться на электрической тяге. Двигатель внутреннего сгорания при этом находится в режиме останова. Это действительно и в случае медленного движения транспортоного потока, остановки на светофоре, при движении в режиме принудительного холостого хода под уклон, или при движении автомобиля накатом.

Когда двигатель внутреннего сгорания не работает, он не расходует топливо и не выбрасывает в атмосферу вредные вещества.

Интегрированная в систему гибридного привода функция Старт-стоп повышает КПД и экологичность автомобиля.

В то время, когда двигатель внутреннего сгорания находится в режиме останова, климатическая установка может продолжать работу. Компрессор климатической установки является элементом высоковольтной системы.

Аргументы в пользу гибридной техники

Почему мы комбинируем электродвигатель-генератор с двигателем внутреннего сгорания? Для отбора крутящего момента частота вращения двигателя внутреннего сгорания должна быть не ниже частоты вращения холостого хода. При остановке двигатель не может отдавать крутящий момент. При увеличении частоты вращения двигателя внутреннего сгорания его крутящий момент увеличивается. Электромоторгенератор с первыми оборотами выдает максимальный крутящий момент. Для него не существует частоты вращения холостого хода. При увеличении частоты вращения его крутящий моментуменьшается. Благодаря работе электродвигателя-генератора у двигателя внутреннего сгорания исключен наиболее сложный режим работы: в диапазоне ниже оборотов холостого хода. Благодаря поддержке электродвигателягенератора двигатель внутреннего сгорания может эксплуатироваться в более эффективных режимах. Это смещение точки нагрузки повышает КПД силового агрегата.

Почему применяется полный гибридный силовой агрегат (привод)?

Полный гибридный агрегат, в отличие от остальных вариантов гибридного привода, объединяет функцию встроенной системы Стартстоп, систему E-Boost, функцию рекуперации и возможность движения только на электродвигателе (режим электрической тяги).

Электродвигатель-генератор

 

Электродвигатель-генератор размещён между двигателем внутреннего сгорания и АКП. Он представляет собой синхронный двигатель трехфазного тока. С помощью силового электронного модуля постоянное напряжение 288 В преобразуется в трёхфазное переменное напряжение. Три фазы напряжение создают в электродвигателегенераторе трёхфазное электромагнитное поле.

Высоковольтная батарея

Доступ к высоковольтной батарее обеспечивается через напольное покрытие багажного отсека. Она выполнена в виде модуля и включает различные компоненты высоковольтной системы Touareg. Модуль высоковольтной батареи имеет массу 85 кг и может заменятьсятолько в сборе.

Высоковольтную батарею нельзя сравнивать с обычной аккумуляторной батареей с напряжением 12 В. В нормальном режиме эксплуатации высоковольтная батарея задействуется в свободном диапазоне уровня зарядки от 20% до 85%. Переносить такие нагрузки в течение длительного времени обычная 12 вольтная АКБ неспособна. Поэтому высоковольтную батарею следует рассматривать как оперативное устройство накопления энергии для электрического привода. Подобно конденсатору она может накапливать и снова отдавать электрическую энергию. В принципе, рекуперацию, регенерацию энергии, можно рассматривать как возможность заправки автомобиля энергией во время движения. Применение высоковольтной батареи в автомобиле с гибридным приводом отличается чередование циклов зарядки (рекуперация) и разрядки (движение на электрическом приводе) высоковольтной батареи.

Пример: Если сравнить энергию высоковольтной батареи с энергией, образующейся при сжигании топлива, то количество энергии, которую может выработать батарея, будет соответствовать примерно 200 мл топлива. Этот пример демонстрирует, что на пути к созданию электромобилей, аккумуляторные батареи, с точки зрения способности накапливать энергию, должны быть существенно модернизированы.

Гибридный двигатель на автомобиле - устройство и принципы работы

Дорогие соотечественники, сегодня поговорим, что такое гибридный двигатель на автомобиле, как он работает, из чего состоит, о плюсах и минусах новых разработок.

В большинстве современных автомобилей в качестве силовой установки используется двигатель внутреннего сгорания, но учитывая истощение запасов нефти, и возрастающие требования к экологичности двигателей, автокорпорации занялись разработкой новых технологий, которые позволили бы отказаться от углеводородов как от основного топлива или хотя бы снизить их потребление.

Вместо двигателя внутреннего сгорания устанавливать электромоторы пока не эффективно, потому как энергоемкость аккумуляторов связана с большим весом и соответственно их высокой стоимостью.

Однако уже почти все крупнейшие мировые авто производители начали выпускать свои модели гибридных автомобилей. Они сочетают двигатель внутреннего сгорания и электрическую энергоустановку.

Признанный лидер в разработке и выпуске гибридных автомобилей остается Toyota. Этот концерн выпустил в серию первый гибрид еще в 1997 году и продолжает выпускать еще несколько моделей надежных автомобилей.

Что такое гибридный двигатель. Принцип работы энергоустановки

Гибрид — переводится на русский как скрещивание. Сочетание этих двух различных технологий благополучно выполняют основную задачу — движения автомобиля.

Функция гибридного двигателя состоит в том, что мотор внутреннего сгорания приводит в движение генератор, который отдаёт энергию на энергоустановку: аккумуляторная батарея-электродвигатель. А энергоустановка в свою очередь, через трансмиссию передает крутящий момент на колеса.

Таким образом достигается оптимальный режим движения и создаётся добавочное усилие. Кроме того сглаживются пиковые нагрузки и колебания, в следствии чего растёт производительность и КПД.Что такое гибридный двигатель на автомобиле? Сочетание ДВС и электродвигателя

Гибридный двигатель. Устройство

Существует несколько вариантов гибридного двигателя:

  • Параллельный. Бензиновый движок питается от топливного бака, а электродвигатель от аккумуляторной батареи. В итоге два двигателя вращают трансмиссию, которая затем передаёт крутящий момент на колёса.Гибридный параллельный агрегат
  • Микрогибридный. Этот вариант разработали специалисты компании «Тойота». Их гибридный автомобиль стартует и движется на малых скоростях только с помощью электрической тяги. А вот на повышенной скорости начинает работать двигатель внутреннего сгорания. При этом на сложных участках дороги – подъёмы, песок, грязь, другие нагрузки, электродвигатель подпитывается ещё и от аккумуляторной батареи для параллельной работы и усиления тяги. Все эти режимы контролирует электроника.Микрогибридный силовой агрегат
  • Среднегибридный. У такого авто свои особенности ‒ на электрическом двигателе езда не предусмотрена. Но электротяга заметно увеличивает эффективность, благодаря получению более высокого напряжения, чем даёт аккумуляторная батарея, а это соответственно повышает мощность силовой установки в целом.Среднегибридный привод
  • Полногибридный. Здесь электричество на первом месте ‒ за его счёт обеспечивается движение. Батарея заряжается благодаря рекуперации. А раздельное сцепление между двумя двигателями обеспечивает возможность разъединения этих систем. В результате бензиновый двигатель подключается лишь в случае крайней необходимости.Полногибридная силовая установка
  • Раздельный. Содержит пару двигатель-генератор и бензиновый мотор. Посредством планетарной передачи крутящий момент поступает на коробку передач. Какая-то часть энергии используется для обеспечения движения машины, а другая направляется в высоковольтную батарею.Раздельная гибридная силовая установка
  • Последовательный. Здесь схема следующая: бензиновый двигатель вращает генератор, который заряжает аккумуляторную батарею, а с неё энергия поступает к электродвигателю, а уже тот вращает трансмиссию и, собственно, колёса.Последовательная гибридная силовая установка

Плюсы и минусы гибридного двигателя автомобиля

Конечно, плюсы перевешивают, но есть и минусы, как во всех новинках. К примеру, чаще встречается бензиновый гибридный двигатель, хотя экономичность дизелей не подвергается сомнению.

Но так уж сложилось – технологию разрабатывали в Америке, а там солярка не в почёте. Да и гибридный дизельный агрегат стоил бы дороже, а учитывая, что цена и так далеко выше средней, то вопрос можно считать закрытым.

Гибридный двигатель Porshe

Больше всего автолюбителей смущает гибридный двигатель из-за аккумуляторной батареи. Это весьма капризный компонент, так как требует постоянной эксплуатации, иначе срок её службы значительно снизится.

Также аккумуляторы боятся перепадов температур, саморазряжаются. Плюс ко всему высокая стоимость запчастей и ремонта. Причём самому его сделать вряд ли получится.

Но давайте о приятном. Одно из главных преимуществ гибридного двигателя низкий расхода топлива и минимальные выбросы вредных веществ в атмосферу, а все это благодаря:

  • согласованной работе двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя;
  • применению батареи большой емкости;
  • использованию энергии торможения (рекуперативное торможение), которое преобразует кинетическую энергию движения в электричество.

Кроме того гибридный двигатель собрал в себе массу других инноваций, которые позволят сэкономить топливо и сберечь атмосферу. Среди них:

  • изменение фаз газораспределения;
  • стоп-старт;
  • рециркуляция отработавших газов;
  • подогрев тосола отработавшими газами;
  • электропривод водяного насоса, климат-контроля и усилителя руля;
  • шины с улучшенным качением.

Разработка гибрида концерном BMW

Заметный эффект наблюдается при использовании гибридного автомобиля в городском цикле, когда происходят частые остановки, двигатель работает на холостом ходу.

А вот на трассе, при движении с высокой скоростью, гибридный двигатель уже не так эффективен.
С другой стороны та же батарея даёт возможность более продолжительное время ездить без заправки. Притом батарею можно не заряжать, а заправлять авто лишь топливом.

Двигатель, благодаря компьютерному управлению, всегда работает в оптимальном режиме, как бы вы ни старались его перегрузить.

Часто подобные гибридные автомобили могут передвигаться без топлива. А ещё они отличаются тем, что мотор работает едва слышно.

Надеюсь что статья поможет вам найти правильное решение, если встанет вопрос выбора автомобиля с гибридной силовой установкой.

Разместите ссылку на статью в социальных сетях – возможно ваши друзья уже имеют опыт эксплуатации подобной техники и поделятся своими впечатлениями с вами, а также с читателями нашего блога.

До новых встреч.

Как работают гибридные автомобили? Внутренняя структура и базовый принцип

Обновлено

Большинство водителей в мире никогда раньше не водили гибридные автомобили. Все, что они знают об этих гибридных автомобилях, - это то, что они работают от бензинового двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя с питанием от батареи. Но немногие из них знают, как эта комбинация на самом деле заставляет машину работать. На самом деле у водителей есть выбор между количеством электроэнергии от электродвигателя, которое они могут использовать для своего вождения, и количеством бензина, которое они получают от двигателя внутреннего сгорания.

Обычно водитель использует и двигатель, и электродвигатель, чтобы сберечь энергию батареи и бензин. Батарея внутри гибридного автомобиля намного больше, чем у обычного обычного автомобильного аккумулятора. Гибридная батарея не только должна обеспечивать питание основных аксессуаров, таких как кондиционер и радио, она также должна обеспечивать некоторую часть движения автомобиля. Это требует, чтобы это была гораздо более массивная батарея, которая стоит тысячи долларов и прослужит около 100000 миль.

Читайте также: Средний срок службы аккумуляторной батареи гибридного автомобиля

Шесть основных характеристик внутренней структуры гибридного автомобиля

Чтобы понять, как работает гибридный автомобиль, вы должны понимать его внутреннюю структуру. Ниже приведены 6 основных особенностей его структуры.

  1. Топливный бак - у вас все еще будет топливный бак для хранения бензина, как в обычном автомобиле. Благодаря передовым технологиям в гибридных автомобилях не нужно будет расходовать столько газа.У вас будет более высокая топливная эффективность и, как следствие, меньше выбросов.
  2. Трансмиссия - В большинстве гибридных автомобилей по-прежнему будет использоваться обычная трансмиссия, которую вы найдете в обычных бензиновых автомобилях. Однако есть новые трансмиссии, которые строятся специально для некоторых гибридных автомобилей, таких как Toyota Prius.
  3. Аккумуляторы - Аккумуляторы питают электродвигатель гибридного автомобиля. И не только это, но и аккумуляторы могут получать энергию от электродвигателя.Это один из способов сохранить продолжительность их жизни.
  4. Генератор - Если у вас серийный гибридный автомобиль, у них есть генератор, работающий от бензинового двигателя. Оттуда генератор может вырабатывать мощность для электродвигателя и помогать перезаряжать аккумулятор. По сути, это способ преобразования бензина в электрическую энергию для двигателя и аккумулятора.
  5. Электродвигатель - это особенность, которая делает гибридный автомобиль особенным.Электродвигатель может ускорять автомобиль, потребляя энергию от аккумулятора. Однако он также может вернуть энергию аккумулятору, если вы замедляете движение автомобиля.
  6. Бензиновый двигатель - Гибридный автомобиль по-прежнему имеет бензиновый двигатель. Он остается основным источником энергии транспортного средства, поскольку 1 галлон бензина имеет такую ​​же энергию, как полтонны заряда аккумулятора.

Дополнительная информация

Некоторые гибридные автомобили можно подключить для подзарядки аккумулятора, в то время как другие не имеют такой возможности.Подключаемые гибриды считаются электромобилями, а гибриды, которые нельзя подключить, не являются электромобилями. Те, которые вы можете подключить, обычно имеют функцию «только электрического привода», которая позволяет вам приводить в действие механизм полностью с помощью электродвигателя. Единственная проблема в том, что вы можете двигаться только на низкой скорости от 10 до 30 миль в час. Электродвигатель недостаточно мощный, чтобы разогнать автомобиль быстрее, не задействуя бензиновый двигатель для увеличения мощности. Если вы попытаетесь разогнаться со скоростью более 30 миль в час в режиме «только электрический привод», то вы быстро разрядите заряд аккумулятора, и тогда вам придется ехать только на бензине, как в обычной машине.

Гибридный шаговый двигатель

- его рабочие преимущества и недостатки - Circuit Globe

Слово «гибрид» означает комбинацию или смесь. Гибридный шаговый двигатель представляет собой комбинацию характеристик шагового двигателя с переменным сопротивлением и шагового двигателя с постоянным магнитом. В центре ротора расположен осевой постоянный магнит. Он намагничивается для образования пары полюсов как Север (N) и Юг (S), как показано на рисунке ниже.

hybrid-stepper-motor-figure-1

На обоих концах осевого магнита предусмотрены торцевые крышки, которые содержат равное количество зубцов, намагничиваемых магнитом.Рисунок поперечного сечения двух торцевых крышек ротора показан ниже.

hybrid-stepper-motor-figure-2

Статор имеет 8 полюсов, каждый из которых имеет одну катушку и S зубцов. На статоре 40 полюсов, на каждой торцевой крышке по 50 зубцов. Поскольку зубья статора и ротора имеют размер 40 и 50 соответственно, угол шага выражен, как показано ниже.

hybrid stepper motor eq 1

Зубья ротора идеально совмещены с зубьями статора. Зубцы двух торцевых крышек смещены друг от друга на половину шага полюсов.Поскольку магнит намагничен в осевом направлении, все зубцы на левой и правой торцевой крышке приобретают полярность как южный и северный полюс соответственно.

Катушки на полюсах 1, 3, 5 и 7 соединены последовательно, чтобы сформировать фазу А. Аналогичным образом катушки на полюсах 2, 4, 6 и 8 соединены последовательно, чтобы сформировать фазу В.

Когда фаза возбуждается путем подачи положительного тока, полюса статора 1 и 5 становятся южными полюсами, а полюсы статора 3 и 7 становятся северными полюсами.

Теперь, когда фаза A обесточена, а фаза B возбуждена, ротор повернется на полный шаг угла 1.8⁰ против часовой стрелки. Фаза A теперь находится под напряжением отрицательно; ротор перемещается дальше на 1,8 ° в том же направлении против часовой стрелки. Дальнейшее вращение ротора требует отрицательного возбуждения фазы B.

Таким образом, чтобы вызвать движение ротора против часовой стрелки, фазы возбуждаются в следующей последовательности + A, + B, -A, -B, + B, + A …… .. Для вращения по часовой стрелке последовательность + A, -B, + B, + A …… ..

Одним из основных преимуществ гибридного шагового двигателя является то, что, если возбуждение двигателя прекращается, ротор продолжает оставаться заблокированным в том же положении, что и до отключения возбуждения.Это из-за крутящего момента фиксации, создаваемого постоянным магнитом.

Преимущества гибридного шагового двигателя

Преимущества гибридного шагового двигателя следующие: -

  • Длина ступеньки меньше.
  • Он имеет больший крутящий момент.
  • Обеспечивает фиксирующий момент с обесточенными обмотками.
  • Более высокая эффективность при более низкой скорости.
  • Более низкая частота шагов.

Недостатки гибридного шагового двигателя

Гибридный шаговый двигатель имеет следующие недостатки.

  • Повышенная инерция.
  • Вес двигателя больше из-за наличия магнита ротора.
  • Если магнитная сила изменяется, производительность двигателя изменяется.
  • Стоимость гибридного двигателя больше по сравнению с двигателем с регулируемым сопротивлением.
,
Что такое шаговый двигатель? Типы, конструкция, работа и применение

Типы шаговых двигателей - их конструкция, работа и применение

Изобретение специализированных карт драйверов шаговых двигателей и других технологий цифрового управления для сопряжения шагового двигателя с системами на базе ПК являются причиной широкого распространения шаговых двигателей в последнее время. Шаговые двигатели становятся идеальным выбором для систем автоматизации, требующих точного управления скоростью или точного позиционирования, либо того и другого.

Как мы знаем, многие промышленные электродвигатели используются с управлением с обратной связью с обратной связью для достижения точного позиционирования или точного управления скоростью, с другой стороны, шаговый двигатель может работать с контроллером без обратной связи. Это, в свою очередь, снижает общую стоимость системы и упрощает конструкцию машины по сравнению с сервосистемой управления. Кратко остановимся на шаговом двигателе и его типах . What is a Stepper Motor? Construction, Types and Modes of Operation What is a Stepper Motor? Construction, Types and Modes of Operation

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель - это бесщеточное электромеханическое устройство, которое преобразует последовательность электрических импульсов, приложенных к их обмоткам возбуждения, в точно определенное пошаговое механическое вращение вала.Вал двигателя вращается на фиксированный угол для каждого дискретного импульса. Это вращение может быть линейным или угловым, при вводе единичного импульса выполняется одно шаговое движение.

Когда применяется последовательность импульсов, она поворачивается на определенный угол. Угол поворота вала шагового двигателя для каждого импульса называется углом шага, который обычно выражается в градусах.

All You Have to Know about Stepper Motor: Types and Modes of Operation All You Have to Know about Stepper Motor: Types and Modes of Operation

Количество входных импульсов, подаваемых на двигатель, определяет угол шага, и, следовательно, положение вала двигателя регулируется путем управления количеством импульсов.Эта уникальная особенность делает шаговый двигатель подходящим для системы управления без обратной связи, в которой точное положение вала поддерживается с помощью точного количества импульсов без использования датчика обратной связи.

Если угол шага меньше, тем больше будет количество шагов на оборот и выше будет точность полученного положения. Углы шага могут составлять от 90 градусов до 0,72 градуса, однако обычно используемые углы шага составляют 1,8 градуса, 2.5 градусов, 7,5 градусов и 15 градусов.

Stepper motor winding Stepper motor winding

Направление вращения вала зависит от последовательности импульсов, подаваемых на статор. Скорость вала или средняя скорость двигателя прямо пропорциональна частоте (частоте входных импульсов) входных импульсов, подаваемых на обмотки возбуждения. Следовательно, если частота низкая, шаговый двигатель вращается ступенчато, а при высокой частоте он постоянно вращается, как двигатель постоянного тока, за счет инерции.

Как и все электродвигатели, имеет статор и ротор.Ротор - подвижная часть, не имеющая обмоток, щеток и коммутатора. Обычно роторы либо с переменным сопротивлением, либо с постоянными магнитами. Статор часто конструируется с многополюсными и многофазными обмотками, обычно из трех или четырех фазных обмоток, намотанных на необходимое количество полюсов, определяемое желаемым угловым смещением на входной импульс.

В отличие от других двигателей он работает с запрограммированными дискретными импульсами управления, которые подаются на обмотки статора через электронный привод.Вращение происходит за счет магнитного взаимодействия между полюсами последовательно запитанной обмотки статора и полюсами ротора.

Construction of a stepper motor Construction of a stepper motor Конструкция шагового двигателя

На сегодняшнем рынке доступно несколько типов шаговых двигателей с широким диапазоном размеров, количества шагов, конструкций, проводки, зубчатой ​​передачи и других электрических характеристик. Поскольку эти двигатели могут работать в дискретном режиме, они хорошо подходят для взаимодействия с цифровыми устройствами управления, такими как компьютеры.

Благодаря точному контролю скорости, вращения, направления и углового положения, они представляют особый интерес в системах управления производственными процессами, станках с ЧПУ, робототехнике, системах автоматизации производства и контрольно-измерительных приборах.

Типы шаговых двигателей

Существует три основных категории шаговых двигателей , а именно

  • Шаговый двигатель с постоянным магнитом
  • Шаговый двигатель с переменным сопротивлением
  • Гибридный шаговый двигатель
Во всех этих двигателях в статоре используются обмотки возбуждения, где количество обмоток относится к количеству фаз.

Напряжение постоянного тока применяется в качестве возбуждения к катушкам обмоток, и каждый вывод обмотки подключается к источнику через твердотельный переключатель. В зависимости от типа шагового двигателя конструкция его ротора включает ротор из мягкой стали с выступающими полюсами, цилиндрический ротор с постоянными магнитами и постоянный магнит с зубьями из мягкой стали. Обсудим эти типы подробнее.

types-of-stepper-motors types-of-stepper-motors

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением

Это базовый тип шагового двигателя , который существует уже долгое время и обеспечивает самый простой способ понять принцип работы с точки зрения конструкции.Как следует из названия, угловое положение ротора зависит от сопротивления магнитной цепи, образованной между полюсами (зубцами) статора и зубьями ротора.

Variable Reluctance Stepper Motor Variable Reluctance Stepper Motor Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением
Конструкция шагового двигателя с регулируемым сопротивлением

Он состоит из статора с обмоткой и многозубого ротора из мягкого железа. Статор состоит из листов кремнистой стали, на которые намотаны обмотки статора. Обычно он наматывается на три фазы, которые распределяются между парами полюсов.

Количество полюсов на статоре, сформированное таким образом, равно кратному количеству фаз, для которых на статоре намотаны обмотки. На рисунке ниже статор имеет 12 равноотстоящих полюсов, каждый из которых намотан возбуждающей катушкой. Эти три фазы получают питание от источника постоянного тока с помощью твердотельных переключателей.

Ротор не имеет обмоток и является явнополюсным, полностью изготовленным из листовой стали с прорезями. Выступающие зубья полюса ротора имеют такую ​​же ширину, как и зубцы статора.Число полюсов статора отличается от числа полюсов ротора, что обеспечивает возможность самозапуска и двунаправленного вращения двигателя.

Отношение полюсов ротора к полюсам статора для трехфазного шагового двигателя определяется как Nr = Ns ± (Ns / q). Здесь Ns = 12 и q = 3, и, следовательно, Nr = 12 ± (12/3) = 16 или 8. Ниже показан 8-полюсный ротор без возбуждения.

Construction of Variable Reluctance Stepper Motor Construction of Variable Reluctance Stepper Motor Конструкция шагового двигателя с переменным сопротивлением
Работа шагового двигателя с переменным сопротивлением

Шаговый двигатель работает по принципу , согласно которому ротор совмещается в определенном положении с зубцами полюса возбуждения в магнитной цепи, при этом существует путь минимального сопротивления.Когда к двигателю подается питание и возбуждая конкретную обмотку, он создает свое магнитное поле и развивает свои собственные магнитные полюса.

Из-за остаточного магнетизма в полюсах магнита ротора это заставит ротор перемещаться в такое положение, чтобы достичь положения минимального сопротивления, и, следовательно, один набор полюсов ротора совмещается с набором полюсов статора под напряжением. В этом положении ось магнитного поля статора совпадает с осью, проходящей через любые два магнитных полюса ротора.

Когда ротор совмещен с полюсами статора, он обладает достаточной магнитной силой, чтобы удерживать вал от перемещения в следующее положение по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Рассмотрим принципиальную схему 3-х фазного, 6 полюсов статора и 4 зубьев ротора, показанную на рисунке ниже. Когда на фазу A-A ’подается постоянный ток путем замыкания переключателя -1, обмотка становится магнитом, в результате чего один зуб становится северным, а другой - южным. Таким образом, магнитная ось статора лежит вдоль этих полюсов.

За счет силы притяжения, северный полюс катушки статора притягивает ближайший зуб ротора противоположной полярности, то есть южный и южный полюс притягивают ближайший зуб ротора противоположной полярности, то есть север. Затем ротор настраивается в положение с минимальным сопротивлением, при котором магнитная ось ротора точно совпадает с магнитной осью статора.

Working of variable reluctance motor Working of variable reluctance motor Работа шагового двигателя с переменным сопротивлением

Когда фаза B-B 'активируется включением переключателя -2, сохраняя фазу A-A', остается обесточенной путем размыкания переключателя-1, обмотка B-B 'будет создавать магнитный поток и, следовательно, магнитная ось статора смещается вдоль образованных ею полюсов.Следовательно, ротор смещается в сторону наименьшего сопротивления с намагниченными зубцами статора и вращается на угол 30 градусов по часовой стрелке.

Когда переключатель-3 находится под напряжением после размыкания переключателя-2, включается фаза C-C ’, зубья ротора выравниваются с новым положением путем перемещения на дополнительный угол 30 градусов. Таким образом, ротор движется по часовой стрелке или против часовой стрелки, последовательно возбуждая обмотки статора в определенной последовательности. Угол шага этого 3-фазного 4-полюсного шагового двигателя с зубьями ротора выражается как 360 / (4 × 3) = 30 градусов (как угол шага = 360 / Nr × q).

Угол шага можно дополнительно уменьшить, увеличив количество полюсов на статоре и роторе, в этом случае двигатели часто имеют дополнительные фазные обмотки. Это также может быть достигнуто за счет принятия другой конструкции шаговых двигателей , такой как многостековая конструкция и редукторный механизм.

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Двигатель с постоянным магнитом, пожалуй, самый распространенный среди нескольких типов шаговых двигателей.Как следует из названия, он добавляет постоянные магниты в конструкцию двигателя. Этот тип шаговых двигателей также называется двигателем с жестяным стеклопакетом или электродвигателем с жестяным стеклом . Главное достоинство этого мотора - невысокая стоимость изготовления. Этот тип двигателя имеет 48-24 шага на оборот.

Permanent Magnet Stepper Motor Permanent Magnet Stepper Motor Шаговый двигатель с постоянным магнитом
Конструкция Шаговый двигатель с постоянным магнитом

В этом двигателе статор является многополюсным, и его конструкция аналогична конструкции шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением, как описано выше.Он состоит из периферии с прорезями, на которые намотаны катушки статора. Он имеет выступающие полюса на щелевой конструкции, где намотанные обмотки могут быть двух-, трех- или четырехфазными.

Концевые клеммы всех этих обмоток выкуплены и подключены к возбуждению постоянного тока через твердотельные переключатели в цепи управления.

Permanent Magnet Stepper Motor Construction Permanent Magnet Stepper Motor Construction Конструкция Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Ротор состоит из материала с постоянным магнитом, такого как феррит, который может иметь форму цилиндрического или выступающего полюса, но обычно это гладкий цилиндрический тип.Ротор имеет четное количество полюсов постоянного магнита с чередованием северной и южной полярностей.

Работа шагового двигателя с постоянным магнитом

Этот двигатель работает по принципу, согласно которому разные полюса притягиваются друг к другу, а подобные полюса отталкиваются. Когда обмотки статора возбуждаются источником постоянного тока, он создает магнитный поток и устанавливает северный и южный полюса. Из-за силы притяжения и отталкивания между полюсами ротора постоянного магнита и полюсами статора, ротор начинает двигаться вверх до положения, для которого на статор подаются импульсы.

Рассмотрим двухфазный шаговый двигатель с двумя полюсами ротора с постоянными магнитами, как показано на рисунке ниже.

Workin of Permanent Magnet Stepper Motor Workin of Permanent Magnet Stepper Motor Работа шагового двигателя с постоянным магнитом:

Когда фаза A запитана плюсом по отношению к A ’, обмотки устанавливают северный и южный полюса. Из-за силы притяжения полюса ротора совпадают с полюсами статора, так что ось магнитного полюса ротора регулируется с осью статора, как показано на рисунке.

Когда возбуждение переключается на фазу B и отключается фаза A, ротор дополнительно настраивается на магнитную ось фазы B и, таким образом, поворачивается на 90 градусов по часовой стрелке.

Затем, если на фазу A подается ток, отрицательный по отношению к A ’, образование полюсов статора заставляет ротор перемещаться еще на 90 градусов по часовой стрелке.

Таким же образом, если фаза B возбуждается отрицательным током путем замыкания переключателя фазы A, ротор поворачивается еще на 90 градусов в том же направлении. Затем, если фаза A возбуждается положительным током, ротор возвращается в исходное положение, совершая полный оборот на 360 градусов.Это означает, что всякий раз, когда статор возбужден, ротор стремится повернуться на 90 градусов по часовой стрелке.

Угол шага этого 2-фазного 2-полюсного роторного двигателя с постоянными магнитами выражается как 360 / (2 × 2) = 90 градусов. Размер шага может быть уменьшен за счет одновременного включения двух фаз или последовательности режимов однофазного включения и двухфазного включения с правильной полярностью.

Гибридный шаговый двигатель

Это самый популярный тип шагового двигателя , поскольку он обеспечивает лучшую производительность, чем ротор с постоянными магнитами, с точки зрения шагового разрешения, удерживающего момента и скорости.Однако эти двигатели дороже шаговых двигателей с постоянными магнитами. Он сочетает в себе лучшие характеристики шаговых двигателей с регулируемым сопротивлением и постоянных магнитов. Эти двигатели используются в приложениях, где требуется очень маленький шаговый угол, например 1,5, 1,8 и 2,5 градуса.

Hybrid Stepper Motor Hybrid Stepper Motor Гибридный шаговый двигатель
Конструкция гибридного шагового двигателя

Статор этого двигателя такой же, как у его аналога с постоянным магнитом или реактивного типа. Катушки статора намотаны на чередующиеся полюсы.При этом катушки разных фаз намотаны на каждый полюс, обычно две катушки на полюсе, что называется бифилярным соединением.

Ротор состоит из постоянного магнита, намагниченного в осевом направлении для создания пары магнитных полюсов (полюсов N и S). Каждый полюс покрыт равномерно расположенными зубцами. Зубья состоят из мягкой стали и двух секций, на каждом полюсе которых смещены друг к другу с шагом ползуба.

Работа гибридного шагового двигателя

Этот двигатель работает так же, как и шаговый двигатель с постоянными магнитами.На рисунке выше показан двухфазный 4-полюсный гибридный шаговый двигатель с 6 зубьями. Когда фаза A-A ’возбуждается источником постоянного тока, сохраняя невозбужденный B-B’, ротор выравнивается так, что южный полюс ротора обращен к северному полюсу статора, а северный полюс ротора обращен к южному полюсу статора.

Working of Hybrid Stepper Motor Working of Hybrid Stepper Motor Работа гибридного шагового двигателя

Теперь, если фаза B-B 'возбуждена, удерживая A-A' выключенным таким образом, что верхний полюс становится северным, а нижний - южным, тогда ротор будет выровнен по новому положение, двигаясь против часовой стрелки.Если фаза B-B ’возбуждается противоположным образом, так что верхний полюс становится южным, а нижний - северным, то ротор будет вращаться по часовой стрелке.

При правильной последовательности импульсов на статор двигатель будет вращаться в нужном направлении. При каждом возбуждении ротор блокируется в новом положении, и даже если возбуждение снимается, двигатель по-прежнему сохраняет заблокированное состояние из-за возбуждения постоянным магнитом. Угол шага этого 2-фазного, 4-полюсного, 6-зубчатого роторного двигателя составляет 360 / (2 × 6) = 30 градусов.На практике гибридные двигатели конструируются с большим количеством полюсов ротора, чтобы получить высокое угловое разрешение.

Униполярные и биполярные шаговые двигатели

Рассмотренные выше двигатели могут быть униполярными или биполярными в зависимости от расположения обмоток катушки. Используется униполярный двигатель с двумя обмотками на фазу, и, следовательно, направление тока через эти обмотки изменяет вращение двигателя. В этой конфигурации ток проходит в одном направлении в одной катушке и в противоположном направлении в другой катушке.

На рисунке ниже показан двухфазный униполярный шаговый двигатель, в котором катушки A и C предназначены для одной фазы, а B и D - для другой фазы. В каждой фазе каждая катушка проводит ток в направлении, противоположном направлению тока другой катушки. Только одна катушка будет пропускать ток в каждой фазе для достижения определенного направления вращения. Таким образом, просто переключая клеммы на каждую катушку, можно контролировать направление вращения.

2-phase unipolar stepper motor working 2-phase unipolar stepper motor working Работа 2-фазного униполярного шагового двигателя

В случае биполярного шагового двигателя каждая фаза состоит из одной обмотки, а не из двух в случае униполярной.В этом случае направление вращения регулируется путем изменения направления тока через обмотки. Следовательно, для реверсирования тока требуется сложная схема возбуждения.

2-phase bipolar stepper motor construction 2-phase bipolar stepper motor construction 2-фазный биполярный шаговый двигатель

Тактовые режимы шагового двигателя

Типичное шаговое действие заставляет двигатель шагать через последовательность положений равновесия в ответ на подаваемые ему импульсы тока. Шаговое действие можно изменять по-разному, просто изменяя последовательность подачи питания на обмотки статора.Ниже приведены наиболее распространенные режимы работы или движения шаговых двигателей.

  1. Шаг волны
  2. Полный шаг
  3. Полушаг
  4. Микрошаговый Stepping Modes of a Stepper Motor Stepping Modes of a Stepper Motor
Волновой шаговый режим

Волновой шаговый режим является самым простым из всех остальных режимов. одна обмотка находится под напряжением в любой момент времени. Каждая катушка фазы поочередно подключается к источнику питания. В таблице ниже показан порядок включения катушек в 4-фазном шаговом двигателе.

В этом режиме двигатель обеспечивает максимальный угол шага по сравнению со всеми другими режимами. Это самый простой и наиболее часто используемый режим для пошагового выполнения; однако создаваемый крутящий момент меньше, поскольку он использует некоторую часть всей обмотки в данный момент. Steping Mode of Stepper Motors - Signal Sequence of Wave Step Drive Steping Mode of Stepper Motors - Signal Sequence of Wave Step Drive

Режим полного шага

В этом приводе или режиме две фазы статора активируются одновременно в любой момент времени. Когда две фазы запитываются вместе, ротор испытывает крутящий момент от обеих фаз и приходит в положение равновесия, которое будет чередоваться между двумя соседними положениями ступенек волны или однофазным возбуждением.Таким образом, этот шаг обеспечивает лучший удерживающий момент, чем волновой шаг. В таблице ниже показан полный шаговый привод для 4-фазного шагового двигателя. Signal Sequence of Full Step Drive Signal Sequence of Full Step Drive

Полушаговый режим

Это комбинация волнового и полушагового режимов. При этом однофазное и двухфазное возбуждение выполняются поочередно, то есть однофазное включение, двухфазное включение и так далее. Угол шага в этом режиме становится половиной от полного угла шага. Этот режим привода имеет самый высокий крутящий момент и стабильность по сравнению со всеми другими режимами.Таблица, содержащая последовательность импульсов фазы для 4-фазного двигателя с полушагом, приведена ниже. Signal Sequence of Half Step Drive Signal Sequence of Half Step Drive

Режим микрошага

В этом режиме каждый шаг двигателя разделен на несколько маленьких шагов, даже на сотни фиксированных положений, поэтому достигается большее разрешение позиционирования. При этом токи через обмотки постоянно меняются, чтобы получить очень маленькие шаги. При этом одновременно возбуждаются две фазы, но с разными токами в каждой фазе.

Например, ток через фазу -1 поддерживается постоянным, в то время как ток через фазу 2 увеличивается пошагово до максимального значения тока, будь то отрицательное или положительное. Затем ток в фазе 1 постепенно уменьшается или увеличивается до нуля. Таким образом, двигатель будет производить шаг небольшого размера.

Все эти пошаговые режимы могут быть получены с помощью каждого типа шагового двигателя, описанного выше. Однако направление тока в каждой обмотке во время этих этапов может изменяться в зависимости от типа двигателя, будь то однополярный или биполярный.

Преимущества шагового двигателя

  • В состоянии покоя двигатель развивает полный крутящий момент. Неважно, нет ли момента или смены позиции.
  • Обладает хорошей реакцией на пуск, остановку и движение задним ходом.
  • Поскольку в шаговом двигателе нет контактных щеток, он надежен, а срок службы зависит от подшипников двигателя.
  • Угол поворота двигателя прямо пропорционален входным сигналам.
  • Это просто и менее затратно в управлении, поскольку двигатель обеспечивает управление без обратной связи при ответе на цифровые входные сигналы.
  • Скорость двигателя прямо пропорциональна частоте входных импульсов, таким образом можно получить широкий диапазон скорости вращения.
  • Когда нагрузка приложена к валу, все еще возможно реализовать синхронное вращение с низкой скоростью.
  • Точное позиционирование и повторяемость движения хороши, так как имеет точность шага 3-5%, при этом ошибка не суммируется от одного шага к другому.
  • Шаговые двигатели более безопасны и дешевы (по сравнению с серводвигателями), имеют высокий крутящий момент на низких скоростях, высокую надежность и простую конструкцию, которая работает в любых условиях.
Недостатки шаговых двигателей
  • Шаговые двигатели с низким КПД.
  • Имеет низкую точность.
  • Его крутящий момент очень быстро снижается со скоростью.
  • Поскольку шаговый двигатель работает в режиме управления без обратной связи, нет обратной связи, указывающей на возможные пропущенные шаги.
  • Он имеет низкое отношение крутящего момента к моменту инерции, что означает, что он не может очень быстро разгонять груз.
  • Они шумные.

Применение шаговых двигателей

  • Шаговые двигатели используются в автоматизированном производственном оборудовании, автомобильных датчиках и промышленных машинах, таких как упаковка, этикетирование, наполнение и резка и т. Д.
  • Он широко используется в устройствах безопасности, таких как камеры безопасности и наблюдения.
  • В медицинской промышленности шаговые двигатели широко используются в образцах, цифровой стоматологической фотографии, респираторах, жидкостных насосах, оборудовании для анализа крови, медицинских сканерах и т. Д.
  • Они используются в бытовой электронике в сканерах изображений, копировальных аппаратах и ​​печатных машинах, а также в других отраслях промышленности. цифровая камера для автоматического увеличения и фокусировки с функциями и положениями.
  • Шаговые двигатели также используются в лифтах, конвейерных лентах и ​​переключателях полосы движения.

Вы также можете прочитать:

.Гибридный реактивный электродвигатель
и приводы, применяемые в гибридном электромобиле

1. Введение

Электрическая машина - одна из ключевых частей гибридных электромобилей, которая влияет на динамические характеристики и характеристики расхода топлива, и является ядром для реализации всех видов стратегии. Асинхронный двигатель, синхронный двигатель с постоянным магнитом, бесщеточный двигатель постоянного тока и реактивный двигатель с регулируемым сопротивлением - все это применяется в HEV. Тяговые двигатели для HEV отличаются от двигателей, применяемых в промышленности. Нагрузка меняется часто и широко.Требуются такие характеристики, как высокий максимальный крутящий момент и максимальная скорость, высокое отношение максимальной скорости к базовой скорости, обычно больше 4, высокая эффективность по всей рабочей зоне, меньший объем и меньший вес при высокой мощности. Кроме того, электрическая машина обычно устанавливается на шасси, на котором среда вибрирующая, пыльная и влажная. Таким образом, тяговые двигатели для HEV должны обладать следующими характеристиками: высокая мощность и плотность крутящего момента, расширенный диапазон скоростей, высокий КПД по всей рабочей зоне, ударопрочность, водонепроницаемость и пыленепроницаемость. [ 1 ] Разработаны новые гибридные приводы с вентильными реактивными электродвигателями. Благодаря простой настройке магнитного потока достигается большой крутящий момент и высокая скорость. Когда катушка неподвижна в двигателе, определяется положение ротора и рассчитывается скорость.

Кривая характеристики крутящего момента-скорости и карта эффективности системы электрического оборудования, применяемого на HEV, являются важными элементами при испытании силовой сборки. Электрооборудование поможет запустить двигатель или автомобиль, управлять автомобилем, зарядить аккумулятор и поглотить тормозное усилие, а иногда и задним ходом.Таким образом, электрические машины часто работают как в режиме двигателя, так и в режиме генератора, а иногда и в прямом, и в обратном направлении. Это означает, что область рабочего крутящего момента-скорости распределена на 2 или 4 квадранта. Тормоз с магнитными частицами и электрическая вихретоковая нагрузка, как на обычном испытательном стенде электрического оборудования, не могут работать, потому что они не могут тянуть испытываемое электрическое оборудование. Некоторые электрические динамометры могут проводить такие испытания. Но с блоком генерации в сети система стоит дорого.

Разработан стенд для испытания моторных приводов.Это энергосбережение, и мощность в сеть не поступает.

2. Силовой агрегат и стратегия управления гибридного электромобиля

На рис.1 показана конструкция привода гибридного электромобиля. На рисунке показаны 3 электрические машины: G / M, стартер и M. G / M - это интегрированный пусковой механизм и генератор (ISG), который соединяется с двигателем внутреннего сгорания (ICE) ремнем. Стартер резервный. Двигатель M, о котором идет речь в статье, называется главным двигателем. Он соединяется с колесами через конечную передачу.Батареи NiH (288 В, 10 Ач).

Рисунок 1.

Схема силовой сборки гибридного электромобиля

Гибридный электромобиль имеет 8 режимов работы: остановка на холостом ходу, привод ДВС, привод двигателя, последовательный режим, параллельный режим, последовательный и параллельный режим, привод ДВС и заряд аккумулятора. и рекуперативный тормоз. На рис.2 показаны 4 режима протекания мощности.

Рис. 2.

Рабочие режимы и маршрут потока мощности гибридного электромобиля

ДВС прекращает работу, когда он находится в состоянии холостого хода, и запускается не более чем через 100 мс после M / G, чтобы снова заработать.Режим остановки на холостом ходу устраняет расход топлива и выбросы в режиме холостого хода. Режим движения ДВС такой же, как у традиционного автомобиля, и применяется в наиболее эффективной рабочей зоне ДВС. Режим привода мотора такой же, как у электромобиля с аккумулятором, и будет происходить на очень низкой скорости. В последовательном режиме, показанном на рис. 2 (а), ICE перетаскивает M / G для зарядки аккумулятора, а M приводит в движение колесо. В параллельном режиме, показанном на рисунке 2 (b), оба двигателя ICE и M приводят в движение колесо. Это произойдет, когда требуется высокая производительность.Последовательный и параллельный режимы показаны на рис. 2 (c). Когда уровень заряда (SOC) низкий, ICE перетаскивает M / G для зарядки аккумулятора и одновременно приводит в движение колеса. В режиме рекуперативного торможения, показанном на рисунке 2 (d), M / G и M работают в режиме генератора для зарядки аккумулятора. Это значительно снизит расход топлива.

3.Моделирование рабочих точек электрической машины

Чтобы спроектировать диапазон скорости и крутящего момента электрической машины, особенно базовую скорость, на Simulink ADVISOR разработано моделирование на основе режима движения транспортного средства и стратегии управления. программное обеспечение для моделирования электромобилей.В рамках ездового цикла ECE-EUDC моделируются рабочие точки электрического оборудования. По нему определяется базовая скорость электрического оборудования. Система приводов электрооборудования спроектирована с учетом часто работающих точек. Рассмотрены основные электрические механизмы. Процесс проектирования M / G такой же.

В зависимости от степени гибридности этого гибридного автомобиля мощность M составляет 20 кВт; максимальная скорость вращения 5000 об / мин. Согласно моделированию, для автомобиля подходят электрические механизмы с большим крутящим моментом и низкой базовой скоростью.Здесь представлены результаты моделирования двух электрических машин одинаковой мощности. Одно с базовой скоростью 1280 об / мин называется электрическим оборудованием с низкой базовой скоростью. Другой с базовой скоростью 4000 об / мин называется высокоскоростной.

Основные параметры автомобиля приведены в таблице 1.

Мощность ДВС объемом 1,5 л составляет 43 кВт. Коробка передач автоматическая. Мощность Г / М 8кВт.

В таблице 2 показаны результаты моделирования только привода ДВС, с высокоскоростным электрическим оборудованием и с низкоскоростным электрическим оборудованием.Условия моделирования такие же. При максимальном крутящем моменте привод в сборе с электрическими механизмами с низкой базовой скоростью обеспечивает лучшие динамические характеристики. И его расход топлива ниже, потому что ДВС работают в более эффективной области. Их можно найти в смоделированных рабочих точках ICE в рамках 1 цикла ECE-EUDC на рисунке 3.

Масса / кг Коэффициент сопротивления качению Коэффициент аэродинамического сопротивления C d Площадь лобовой части автомобиля / м 2 Радиус колеса / м КПД передачи
1655 0.00917 0,31 2,15P 0,301 0,92
1 st передаточное число 2 nd передаточное число 3 rd передаточное число 4 th передаточное число Конечное передаточное число
3,6 2,125 1,32 0,857 3,889

Таблица 1.

Основные параметры автомобиля

Расход топлива на 100 км / л 0-96.Скорость ускорения 6 км / ч / с Скорость ускорения 64,4-96,6 км / ч / с Уклон со скоростью 88,5 км / ч
Только привод ICE 6,7 84 53,9 3,5%
С двигателем с высокой базовой скоростью 6,1 33 10,9 5,7%
С двигателем с низкой базовой скоростью 5,2 21,5 9,5 6,3%
Рисунок 3.

Рабочие точки ДВС. а) ДВС работает самостоятельно без моторов; б) ДВС, работающий с высокоскоростным основным двигателем; c) ДВС, работающий с основным двигателем с низкой базовой скоростью

На основе анализа моделирования и с учетом других факторов, параметры главного электрического оборудования соответствуют данным в таблице 3.

Мощность / кВт Максимальный крутящий момент / Нм Номинальный крутящий момент / Нм Базовая скорость / об / мин
20 150 63 1280

Таблица 3.

Параметры основного электрического оборудования

В течение 1 цикла ECE-EUDC рабочие точки основных электрических механизмов показаны на рисунке 4. В конструкции приводной системы особое внимание уделяется часто используемым точкам.

Рисунок 4.

Рабочие точки основного двигателя с низкой базовой скоростью в течение одного цикла ECE-EUDC

4. Архитектура и принцип новой электрической машины

Согласно приведенному выше анализу, гибридный вентильный реактивный двигатель с регулировкой магнитного потока разработан для получения характеристики крутящего момента и скорости основного двигателя с низкой базовой скоростью.Гибридный вентильный реактивный двигатель разработан на основе гибридного шагового двигателя. В двигателе с обеих сторон торцевой крышки расположены катушки осевого возбуждения, что отличается от шагового двигателя HB. Эти катушки создают осевой поток, который регулируется для компенсации и регулирования потока PM.

Структурная схема трехфазного гибридного вентильного реактивного электродвигателя показана на рисунке 5. Двигатель состоит из сердечника 1 ротора, сердечника статора 2, радиального воздушного зазора 3, радиальной трехфазной катушки возбуждения 4, постоянного магнита 5 с осевым намагничиванием. , сердечник 6 катушки осевого компенсирующего возбуждения, катушка 7 осевого компенсирующего возбуждения, намагниченная торцевая крышка 8, намагниченный корпус 9, осевой воздушный зазор 10 и оси 11.12 указывает путь потока, создаваемого осевой компенсирующей катушкой возбуждения, а 13 указывает путь потока PM. За исключением 6, 7 и 10, конструкция такая же, как у шагового двигателя HB. Катушка и сердечник осевого компенсирующего возбуждения соосны с ПМ через осевой воздушный зазор. Управление величиной и направлением токов, протекающих в осевой катушке, будет компенсировать и регулировать осевой поток, создаваемый в основном PM. Следовательно, можно регулировать основной поток.

Рисунок 5.

1 - сердечник ротора, 2 - сердечник статора, 3 - радиальный воздушный зазор, 4 - радиальная трехфазная катушка возбуждения (якорь), 5 - намагничивающий постоянный магнит, 6 - сердечник осевой компенсирующей катушки возбуждения, 7 - осевая компенсационная катушка возбуждения, 8 - намагниченная торцевая крышка, 9 - намагниченный корпус, 10 - осевой воздушный зазор, 11 - оси, 12 - магнитный путь, создаваемый осевой компенсирующей катушкой возбуждения, 13 - магнитный путь, создаваемый постоянным магнитом Гибридный реактивный двигатель с осевым возбуждением

Как и у трехфазного гибридного шагового двигателя HB, на сердечнике 2 статора имеется шесть больших полюсов.На полюс намотаны радиальные катушки 4. На лицевой стороне несколько зубцов. Сердечник 1 ротора состоит из двух частей: сердечника 1-1 и сердечника 1-2. Постоянный магнит 5 расположен между 1-1 и 1-2 , он намагничен в направлении оси. На сердечнике 1 ротора несколько зубцов. Шаг такой же, как у зубьев статора. Относительное отклонение осевой линии зубьев на 1-1 от таковой на 1-2 составляет половину шага. Для двух соседних полюсов статора относительное отклонение средней линии зуба статора от зуба ротора отличается на одну треть шага.Это означает, что к одному полюсу статора осевая линия зуба статора совпадает с осевой линией зуба ротора, а затем на соседнем полюсе статора осевая линия зубца статора отходит от оси зуба ротора на одну треть. Сердечник статора 2 и сердечник ротора 1 соединены подшипником, а зазор между 1 и 2 представляет собой воздушный зазор 3.

Путь потока, создаваемого PM, показан на рис. 5 на 13. Поток течет через сердечник ротора 1-1. , радиальный воздушный зазор 3, сердечник статора 2, радиальный воздушный зазор 3 и сердечник ротора 1-2.Путь потока, создаваемого осевыми катушками, показан на рис. 5 на 12. Поток проходит через сердечник 6, осевой воздушный зазор 10, сердечник 1 ротора, радиальный воздушный зазор 3, сердечник 2 статора, намагниченный корпус 9 и намагниченную торцевую крышку 8. Создаваемый поток трехфазной катушкой 4 протекает через корпус полюса статора, радиальный воздушный зазор 3, сердечник 1 ротора, радиальный воздушный зазор 3, соседние тела полюса статора и ярмо. MMF, создаваемый 5, 7 и 4, представляет собой гибридный путь космического потока. Коммутирующие токи в трехфазных катушках 4 создают вращающееся космическое магнитное поле, и тогда двигатель будет вращаться.Управление токами в осевых катушках и радиальных катушках будет регулировать главный поток в воздушном зазоре.

5. Определение положения ротора

Рассмотрим осевую катушку на стороне 1-1 на рисунке 5. Когда в катушке протекает ток, основной поток, связывающий катушку, создается самой катушкой и радиальной катушкой возбуждения на полюсах статора. Из-за падения MMF на межлистовый зазор сердечника ротора влияние магнитного потока от PM является слабым. Этот эффект игнорируется при анализе. Эквивалентная схема пути потока на стороне 1-1 показана на рисунке 6.

Рисунок 6.

Эквивалентная схема пути потока на стороне 1-1

Учтите, что MMF F x , F a , F b и F c применяются соответственно, тогда поток течет через Λ x is Φ 0 , Φ 1 , Φ237 , Φ 3 соответственно и

Φ0 = Fx1Λx + 1Λa + Λb + ΛcΦ1 = Fa1Λa + 1Λx + Λb + Λc⋅ΛxΛx + ΛΛΛb + ΛcΦ2 = Fb1Λb + 1ΛΛx + ⋅a + c + ΛcΦ3 = Fc1Λc + 1Λx + Λb + Λa⋅ΛxΛx + Λb + ΛaE1

Это постоянный ток в осевых катушках и трехфазный переменный ток в радиальных катушках.Учитывайте только базовую составляющую переменного тока, тогда

Fx = NIxFa = NIsinωtFb = NIsin (ωt − 23π) Fc = NIsin (ωt − 43π) E2

Где I максимальное значение основной частотной составляющей тока при радиальном возбуждении катушки.

Игнорировать эффект насыщения, поток Φ связующей осевой катушки

Φ = Φ0 + Φ1 + Φ2 + Φ3E3

Когда (3) заменяется на (1) и (2), мы получаем

Φ = (Λx -Λx2Λx + 3Λ0) ⋅NIx + 3Λ3NIxΛx2 (Хх + 3Λ0) 2cos (3⋅ω⋅t) + 32NΛxΛ2I (Хх + 3Λ0) Sin (3⋅ω⋅t) -9Λ3Λ2ΛxNI4 (Хх + 3Λ0) 2sin (6⋅ω⋅ t) E4

Из (4) мы видим, что когда 3-фазный балансный переменный ток течет в радиальных катушках, а постоянный ток течет в осевых катушках, магнитный поток, связывающий осевую катушку, состоит из постоянной составляющей и частотных составляющих, значение которых умножено на 3.

ЭДС E в осевой катушке

E = −NddtΦE5

Подставляя (5) на (4), получаем

E = 92NΛxω (Λx + 3Λ0) 2 (2Λ3ΛxIxsin (3⋅ω⋅t) −NIΛ2 ( Λx + 3Λ0) cos (3⋅ω⋅t) + 3Λ3Λ2NIcos (6⋅ω⋅t)) E6

Частотная составляющая ЭДС в осевой катушке имеет третий порядок и порядок, умноженный на 3. Это означает, что осевая катушка может быть датчик положения ротора, обнаружив нулевое значение сигнала.

6. Моторные приводы

6.1. Метод управления регулировкой магнитного потока

Векторное управление выполняется для достижения управления ослаблением магнитного потока в синхронном двигателе с постоянными магнитами.Ток в якоре делится на ток по прямой оси и ток по квадратурной оси. Управляя током прямой оси для создания встречного потока с основным магнитным полюсом, достигается управление ослаблением потока. Для гибридного реактивного электродвигателя с осевым возбуждением управление ослаблением магнитного потока может быть достигнуто простым управлением величиной тока в катушке осевого возбуждения. Управление упрощено. Ниже приводится разрешение крутящего момента и максимальной скорости двигателя. Они теоретически показывают, как достигается ослабление магнитного потока и усиление управления двигателем.

Уравнение фазных напряжений трехфазного двигателя:

[uAuBuC] = R [iAiBiC] + [LMMMLMMML] ⋅ddt [iAiBiC] + ddt [ψAm + ψAzψBm + ψBzψCm + ψ8Cz 9000] E4 A , u B , u C напряжение фаз A, B, C,

i A , i 8 B , i C ток фаз A, B, C,

R сопротивление катушки,

L самоиндуктивность катушки,

M взаимная индуктивность катушки катушка,

ψ Am , ψ Bm, ψ Cm поток магнита в фазах A, B, C катушки, индуцированные постоянным магнитом,

3 908237 ψ Az, ψ Bz, ψ Cz Магнитный поток в фазных катушках A, B, C, индуцированный осевым током катушки.

Игнорируя влияние сопротивления катушки, одно уравнение фазного напряжения:

u = (L − M) didt + ddt (ψm + ψz) E8

Векторное уравнение:

U˙ = jω (L − M) I ˙ + jω (ψ˙m + ψ˙z) E9

Пусть вектор тока и напряжения в одном и том же фазовом угле, получаем

U = ω (L − M) 2I2 + (ψm + ψm) 2E10

I = 1L − MU2ω2− (ψm + ψz) 2E11

Когда напряжение на фазной катушке является максимальным значением, которое может выдавать источник питания, максимальная скорость двигателя составляет

n = 30π⋅ZrUψm + ψzE12

Магнитный поток индуцированный осевым током катушки возбуждения

ψz = LzsIzE13

, где L zs взаимная индуктивность между якорем и осевыми катушками возбуждения, I Z ток, протекающий в катушках осевого возбуждения.Из (12) и (13) получаем

n = 30π⋅ZrUψm + LzsIzE14

Из (14) мы можем найти, что максимальная скорость двигателя увеличится, если I z будет отрицательный. Это означает, что когда магнитный поток в фазовой катушке, индуцированный осевым током катушки, не совпадает с направлением, индуцированным постоянным магнитом, максимальная скорость двигателя увеличивается. Достигнут контроль ослабления потока. Когда токи трехфазной катушки запитываются одновременно, электромагнитный момент равен

Tem = 32Zr (Ψm + Ψz) I + 34L2I2E15

Из (11) и (15) мы получаем

Tem = 32Zr (Ψm + LzsIz) L −MU2ω2− (Ψm + LzsIz) 2+ 34ZrL2 (L − M) 2 (U2ω2− (Ψm + LzsIz) 2) E16

где, Z r количество зубьев на роторе;

Ψ м потокосцепление на постоянном магните;

U напряжение на якоре;

Ом скорость вращения ротора;

L 2 приращение индуктивности.

Результат моделирования кривых крутящий момент-скорость вращения при разном осевом токе катушки показан на рисунке 7. На рисунке, чем больше положительный осевой ток катушки, тем больше максимальный крутящий момент. Чем больше отрицательный осевой ток катушки, тем выше рабочая скорость с крутящим моментом. Электромагнитный момент не указан на рисунке. Он определяется заданным максимальным током якоря. Мы видим, что большой крутящий момент на низкой скорости и приемлемый крутящий момент на высокой скорости достигаются только за счет управления осевым током катушки (величиной и направлением).

Рисунок 7.

Кривая крутящего момента-скорости вращения при разном осевом токе катушки Iz

При моделировании параметры двигателя показаны в таблице 4.

Λm / H Λz / H Λ0 / H Λ1 / H N Im / A Iz / A
3.654 × 10- 6 7.792 × 10 -6 1.4625 × 10 -5 1.2922 × 10 -5 16 200 43,75 × Iz0
D / мм л / мм Zr Nz
250 130 16 700

Таблица 4.

Параметры типа двигателя

Λ м эквивалентная проницаемость постоянного магнита,

Λ z эквивалентная проницаемость выходных осевых катушек,

Λ 0 постоянное значение проницаемости основного воздушного зазора ,

Λ 1 основное значение проницаемости основного воздушного зазора

D Диаметр двигателя,

л длина двигателя тор,

N Z витков осевых катушек возбуждения,

I Z 0 ток осевой катушки,

6.2. Принцип гибридных вентильных реактивных электродвигателей

В качестве основного электродвигателя в гибридной трансмиссии необходимо регулирование крутящего момента в моторных приводах. Двигатель выполняет команду положительного крутящего момента в двигательном режиме и отрицательный крутящий момент в режиме рекуперативного торможения и генерации. Когда частота вращения ротора высока, требуется контроль ослабления магнитного потока с ограниченным напряжением батареи на шине постоянного тока. Мы можем управлять электромагнитным крутящим моментом в соответствии с уравнением (16) в приводах гибридных вентильных реактивных двигателей.

Чтобы управлять электромагнитным моментом в соответствии с уравнением (16), необходимы два условия, а именно:

  1. Векторная ЭДС и ток в каждом якоре находятся в одной угловой фазе;

  2. Трехфазный ток подается одновременно в каждый момент времени.

Мы контролируем трехфазный ток якоря, как показано на рисунке 8. Сигнал в осевых катушках может быть модулирован в синусоидальный сигнал с частотой, в три раза превышающей ЭДС якоря.Импульс обнаружения нуля этого сигнала применяется для управления током якоря, как показано на рисунке 8. Выполнены два вышеуказанных условия.

Разработан моторный привод. Блок-схема привода электродвигателя управления крутящим моментом показана на рис.9. Секция обработки датчика обрабатывает осевой сигнал катушки и работает как датчик положения и скорости ротора. Реализовано только управление величиной и направлением тока в выходящих осевых катушках, усиление потока (подача положительного тока на осевые катушки возбуждения) и управление ослаблением потока (подача отрицательного тока на катушки осевого возбуждения).Когда требуется большой крутящий момент, например, при немедленном запуске транспортного средства, выполняется управление усилением магнитного потока. Контроль ослабления потока выполняется при зарядке аккумулятора на высокой скорости. Ток якоря и ЭДС сохраняют одинаковую угловую фазу.

Простое управление коммутацией тока якоря и регулировкой осевого потока катушки разработаны для достижения большого крутящего момента и высокой скорости. Блок-схема управления представлена ​​на рисунке 9.

Рисунок 8.

Схема текущего управления

Рисунок 9.

Блок-схема управления моторным приводом

7. Обоснование эксперимента

7.1. Схема эксперимента

Блок-схема, показанная на рисунке 10, предназначена для тестирования приводов двигателей в лаборатории. Электрическая машина управляется для имитации нагрузки. Электроприводы в лаборатории питаются от сети переменного тока, а не от батареи. Значение напряжения шины тестируемого моторного привода составляет 288 В, как у многих электромобилей и сверхвысокого напряжения. Таким образом, напряжение преобразователя нагрузки составляет 220 В. Испытываемый преобразователь и преобразователь нагрузки имеют общую шину постоянного тока.Когда испытанное электрическое оборудование работает как двигатель, электрическое оборудование нагрузки работает как генератор, который вырабатывает электроэнергию для привода испытанного оборудования через шину постоянного тока, тогда как испытанное электрическое оборудование вырабатывает энергию для привода нагрузочного оборудования. Мощность течет по шине постоянного тока между проверяемой стороной и стороной нагрузки. Потребляемая мощность - это потеря как тестируемой системы, так и системы нагрузки.

Выходная мощность, крутящий момент и скорость вращения испытанного электрического оборудования измеряются датчиком скорости крутящего момента.Электрическая мощность, напряжение и ток переменного тока, а также напряжение и ток постоянного тока измеряются цифровым измерителем мощности.

Задание скорости и крутящего момента как для проверяемого, так и для преобразователя нагрузки выдает компьютер. Все измеренные данные также собираются компьютером. Протестированные кривые выводятся после процедуры очень быстро.

Рисунок 10.

Блок-схема тестовой системы

7.2. Результаты

На Рис.11, Рис.12 и Рис.13 представлены измеренные формы волны ЭДС якоря (верхняя) и ЭДС осевой катушки при скоростях ротора 300, 1200 и 2400 об / мин.Видно, что имеется 6 нулевых точек в сигнале ЭДС осевой катушки, соответствующих 1 циклу сигнала ЭДС якоря, которые могут быть коммутируемыми сигналами для привода двигателя.

Рисунок 11.

Измеренная форма осевой ЭДС катушки и ЭДС якоря при 300 об / мин

Рисунок 12.

Измеренная форма волны осевой ЭДС катушки и ЭДС якоря при 1200 об / мин

Рисунок 13.

Измеренная форма волны якоря ЭДС и осевая ЭДС катушки при 2400 об / мин

На рис.14 приведена характеристика крутящего момента и КПД моторных приводов.Большой крутящий момент и высокая скорость достигаются регулировкой магнитного потока.

Рисунок 14.

Карта эффективности моторных приводов

8. Заключение

Потребности моторного привода для гибридного электромобиля среднего размера анализируются с помощью моделирования. Разработан новый гибридный привод с импульсным реактивным электродвигателем, который подходит для применения в электромобилях. Частота ЭДС в осевой катушке в три раза больше, чем напряжение на клеммах одной фазы радиальной катушки, и в три раза больше, чем у ЭДС в радиальной катушке.Это означает, что осевая катушка может быть датчиком положения ротора. Простая регулировка магнитного потока разработана для достижения большого крутящего момента и высокой скорости. Разработан энергосберегающий испытательный стенд. При использовании метода общей шины постоянного тока испытание характеристик привода 4-х квадрантного электрического оборудования выполняется просто без рекуперации энергии в энергосистему.

Выражение признательности

Это исследование проводится при поддержке Natural Scientific Research Innovation в Харбинском технологическом институте (HIT. NSRIF.2009042) и Фонд научных исследований для вернувшихся ученых Харбинского научно-технического бюро (RC2009LX007004).

.