Торовый вариатор: Вариатор (CVT) – что это такое, виды вариаторов, принцип работы, плюсы и минусы

Торовый вариатор | PRO-TechInfo

Главная › Конструкции деталей машин онлайн › Передачи деталей машин › Вариаторы › Торовый вариатор

Опубликовано 2017-03-29 Автор: Cutter — Нет комментариев ↓

Содержание

• 1 Размеры колес торовых вариаторов ЦНИИТМАШ, мм
• 2 Основные данные торовых вариаторов ЦНИИТМАШ при nσx≈960 мин-1

Рабочая поверхность дисков (чашек) 1 выполнена в виде круглого тора, а поверхность роликов 4 — в виде сферы. Валы вариатора соосны. Ролики вращаются на осях, не лежащих в плоскости роликов, благодаря чему разность окружных скоростей в крайних точках площадки касания значительно уменьшена. Для выравнивания нагрузки на ролики оси их закреплены в плавающей раме 3. Валы разгружены от изгибающих моментов, так как ролики взаимно уравновешены. Фрикционные диски (чашки) прижимаются к роликам клиновым механизмом

2, расположенным на ведомом и ведущем валах. Клиновой механизм, состоящий из двух шайб с канавками переменной глубины и шариков, предназначен для уменьшения проскальзывания как при пуске (предварительное прижатые дисков к роликам осуществляется пружиной, встроенной в вал и давящей на клиновой механизм), так и при толчках, воспринимаемых вариатором от приводной машины, а также для обеспечения жесткой характеристики передачи.

Размеры колес торовых вариаторов ЦНИИТМАШ, мм

Типоразмер	H	R	r*max	r*min	d0	d
1,7-Т-6	105	75	87	34,8	112,1	12
2,8-Т-4	120	85	88	44,0	124,8	17
4,5-Т-4	140	100	100	50,0	144,2	22
7-Т-4	165	120	120	57,0	171,0	25
10-Т-4	190	136	136	68,0	197,0	30
14-Т-4	225	160	163	81,5	233,0	35
20-Т-3	280	200	187	108	290,0	44

Основные данные торовых вариаторов ЦНИИТМАШ при n

_σx≈960 мин^-1

Типоразмер	Диапазон регулирования	Мощность Р, кВт	Контактные напряжения, МПа
			σН1	σН2	σНср
1,7-Т-6	6,25	1,7	875	530	702
2,8-Т-4	4	2,8	700	500	600
4,5-Т-4	4	4,5	770	533	652
7-Т-4	4	7	700	480	590
10-Т-4	4	10	640	445	543
14-Т-4	4	14	590	410	500
20-Т-3	3	20	575	435	505

Соседние страницы

• Конусный вариатор
• Лобовые двухпоточные вариаторы
• Шаровой вариатор ВБ-40
• Многодисковый вариатор
• Вариатор с раздвижными конусами и самазатягивающимся жестким кольцом
• Ременный вариатор с широким клиновым ремнем
• Цепной вариатор
• Вариатор с роликовой цепью
• Планетарный конусный вариатор
• Вариатор с одним изменяемым шкивом
• Вариатор с двумя изменяемыми шкивами

Extroid тороидальный вариатор — Тороидальный вариатор,

Многие производители наряду с механическими, автоматическими и роботизированными коробками переключения передач предлагают своим клиентам трансмиссии вариаторного типа

В салоне припаркованного автомобиля вариатор легко перепутать с обычным автоматом или роботизированной коробкой — отсутствует педаль сцепления, селектор напоминает классический рычаг «автомата» — но на ходу почти сразу становится понятно, что это совершенно другая система.

При этом не только по особенностям поведения автомобиля вариатор стоит особняком: относительно высокая цена, фактическая непригодность к ремонту и множество окружающих клиноременные КПП ограничений — всё это заставляет удивляться, зачем же их нам предлагают обычно не склонные к необдуманным решениям автопроизводители?

Попробуем разобраться.

Зачем нужен вариатор

Двигатель внутреннего сгорания проявляет себя по-разному в зависимости от оборотов, на которых работает: так, максимальный крутящий момент реализуется на одних оборотах, а максимальная мощность на других — причем в диапазоне, редко используемом, например, при городской езде. И почти наверняка расход топлива в этих режимах работы двигателя не будет оптимальным (хотя, справедливости ради, нужно отметить, что расход зависит от множества факторов помимо числа оборотов двигателя).

Любая коробка передач нужна в автомобиле в первую очередь для того, чтобы изменять в широком диапазоне крутящий момент — а следовательно, и тяговое усилие и скорость вращения колёс автомобиля.

При этом получает коробка передач этот крутящий момент с коленчатого вала двигателя, имеющего четко ограниченный рабочий диапазон.

При разгоне, когда нам нужна максимальная динамика, мы уводим двигатель в режим повышенных оборотов и стараемся в нем оставаться, пока необходимость в максимально быстром ускорении не отпадёт. При плавном ускорении на загородной трассе мы так же будем переключаться по мере необходимости. Именно по этой причине для более полного использования возможностей двигателя выгодно внедрить большее число «коротких» ступеней с узким рабочим диапазоном — чем сейчас и занимаются производители традиционных трансмиссий — но этот подход неизбежно ведёт к увеличению стоимости, сложности и веса коробки передач.

Принципиально же иной подход к этому вопросу состоит в разработке системы, позволяющей в заданном диапазоне передаточных чисел бесступенчато изменять передаточное число трансмиссии. Именно такой системой и является вариатор.

История

Первые наброски бесступенчатой вариаторной трансмиссии (СVT — Continuous Variable Transmission — Постоянно Изменяемая Трансмиссия) можно найти в работах Леонардо да Винчи, датированных примерно 1490 годом. Неизвестно, нашёл ли применение тогда этот принцип, но в Европе к теме вернулись уже в 19 веке — в 1886 году выдан европейский патент на тороидальный вариатор.

В 1910 году мотоцикл Zenith с патентованной вариаторной трансмиссией Gradua-Gear настолько успешно участвовал в гонках Hill Climb, что трансмиссии подобного типа были запрещены в этих гонках для сохранения конкурентоспособности традиционных КПП.

В 1912-ом на мотогонках Tourist Trophy та же судьба постигла британцев Rudge-Whitworth с их системой Rudge Multigear. Официальная формулировка также содержала отсылку к необходимости поддержания интриги в гонке.

Запреты вариаторов в спорте продолжались до конца века — так, в 1994 году вариаторы были запрещены в Формуле-1 ввиду опасений, что одна из команд может в будущем получить огромное преимущество, разработав достаточно эффективную трансмиссию на вариаторном принципе.

История вариатора на легковом автотранспорте начинается с 1928 года. Именно тогда третий по величине британский автопроизводитель Clyno Engineering Company устанавливает на автомобиль вариаторную трансмиссию собственной разработки — впрочем, не очень надёжную и эффективную ввиду отсутствия на тот момент необходимых технологий и материалов.

В 1958 году голландский производитель DAF, ныне известный нам по грузовым автомобилям, презентовал легковую машину DAF 600 с вариатором собственной конструкции Variomatic, которая после приобретения патентов компанией Volvo стала называться VDT (Van Doorne Transmissie— в честь владельца компании DAF Губерта Ван Дорна, самостоятельно разработавшего систему). Машина была интересна ещё и тем, что обеспечивала возможность торможения двигателем — для перевода трансмиссии в этот режим достаточно было переключить тумблер на приборной панели. Именно DAF является первым массовым автомобилем с вариаторной трансмиссией.

В конце 80х годов доработанный японскими инженерами вариатор продолжил наступление в нише компактных автомобилей. Знаковым автомобилем стала нацеленная в том числе на американский рынок Subaru Justy с электронным управлением вариатором. Несмотря на ограниченную популярность модели, вариаторы на автомобилях марки продолжали использоваться и в дальнейшем.

Nissan, также начавший эксперименты с бесступенчатыми трансмиссиями на малолитражке March в 1990х, в итоге стал устанавливать на полноразмерные автомобили — примером тому была Nissan Altima с 3,5 литрами под капотом. До того одним из недостатков вариатора считалась именно неспособность работать с большими крутящими моментами.

В результате непрерывного совершенствования вариаторов сегодня мы можем наблюдать надежно работающие вариаторы как на мощных Nissan и Audi, так и на конструкциях, далеких от автомобильного мира: например, трансмиссия вариаторного типа ставится на японский основной боевой танк Type 10 весом в 48 тонн и мощностью силовой установки 1200 л.с.

Принцип работы вариатора

Простейший конусный вариатор Эванса содержит два параллельных шкива конической формы, вершины конусов при этом направлены в противоположные стороны. Вращение с одного шкива на другой передаётся ремнем.

Если сдвинуть жесткий ремень на приводном конусе в сторону его основания, то для сохранения своей длины ремень сдвинется и на втором конусе, но за счет разнонаправленности конусов — на более узкий его участок. При этом передаточное число по мере движения приводного ремня будет плавно увеличиваться.

Чаще всего встречающийся в современных автомобилях клиноременной вариатор отличается в деталях от описанной схемы, но принцип, лежащий в основе данных устройств — общий: плавное изменение передаточного числа путём изменения диаметра приводного шкива.

Техническое устройство вариаторной трансмиссии

В клиноременном вариаторе каждый приводной шкив состоит не из одного, а из двух усеченных конусов, направленных друг на друга. Между ними зажат ремень клиновидного сечения, который при движении этих «полушкивов» навстречу друг другу буквально выдавливается на внешний радиус приводных конусов и одновременно переходя на меньший радиус ведомого вала. Плавной и согласованной регулировкой расстояния между полушкивами — а, как следствие, и выбранного передаточного отношения- в современных автомобильных вариаторах занимается электроника. Помимо электронного управления, в современную вариаторную трансмиссию входит и устройство, обеспечивающее возможность движения задним ходом (чаще всего для этого используется планетарная передача) и узел, компенсирующий отсутствие в вариаторе нейтральной передачи. Производители используют в этом качестве почти все типы сцепления из присуствующих на рынке:

• гидротрансформатор (используется чаще всего), встречается на вариаторах Autotronic (Мерседес), Ecotronic (Форд), Extroid и Xtronic (Ниссан; первый чаще встречается на дорогих авто, второй — в бюджетном сегменте), Lineartronic (Субару), Multidrive (Тойота).
• многодисковое сцепление моктрого типа используется в вариаторах Multitronic (Хонда), Multimatic (Ауди)
• электромагнитное сцепление с электронным управлением встречается на системах Hyper (Ниссан)
• центробежное автоматическое сцепление ставится на вариаторы Transmatic (старые ДАФ, Форд и Фиат)

Также некоторыми производителями активно используются тороидальные вариаторы, где ремня нет, а функцию передачи крутящего момента от одного вала к другому выполняют ролики разной формы. Наиболее известен двойной тороидальный вариатор Extroid CVT, который ставился на мощные топовые модели Nissan. К сожалению, высокая стоимость и малая распространенность данного типа вариатора не позволяет считать его конкурентом традиционной клиноременной системы.

Виды ремней вариатора

Главная технически сложная деталь клиноременного вариатора — это, собственно, ремень. Он должен быть крайне жестким и одновременно гибким — чтобы, будучи зажатым гидравликой в приводе иметь возможность работать на разных диаметрах шкивов. Категорически нельзя ему сжиматься или растягиваться. Простые автомобильные ремни — наподобие ремня генератора или газораспределительного механизма — под такие требования не подходят (хотя в вариаторе снегохода, например, используется именно резинотканевый ремень). Чаще всего в автомобильных вариаторах встречается наборный металлический ремень близкого к треугольному сечения. В ряде агрегатов этот ремень применяется как «толкающий» — стальная конструкция ремня при сжатии приобретает дополнительную жесткость, что позволяет передавать вторичному валу большую мощность. Впрочем, иногда проблемы передачи большой мощности с помощью вариатора решают применением вместо ремня широкой цепи, входящей в зацеп с половинами приводных шкивов своими боковыми частями. Дополнительное сцепление цепи, как и в клиноременном вариаторе, обеспечивается специальной трансмиссионной жидкостью, меняющей свою вязкость под давлением в точке контакта ремня и полушкива. Эта жидкость дороже обычного трансмиссионного масла и крайне важна для вариатора.

Ограничения вариаторной трансмиссии и примеры их преодоления

Несмотря на наличие в системе ремня, назвать его расходником нельзя — большая часть производителей даёт на свои вариаторы гарантию в 150-200 тысяч километров. При этом несвоевременная замена жидкостей, выезды на бездорожье, резкие нагрузки и удары неизбежно приводят к снижению срока эксплуатации узла — о чем те же производители часто «забывают» написать. Иногда для продления этого срока замену ремня и валов произвести возможно, но чаще узел заменяется в сборе. Основная беда вариатора заложена конструктивно — цепь или ремень, растянувшийся ввиду неправильного обслуживания или эксплуатации, начинает проскальзывать на шкивах, образуя на них задиры. Со временем даже небольшое разрушение ремня вариатора приводит к катастрофическим последствием для всех узлов вариатора. Помимо этого могут вызвать гибель трансмиссии и проблемы с датчиками скорости или шаговым мотором, управляющим всей системой. Иногда от продолжительного движения на высоких скоростях могут отказать подшипники полушкивов. Также вариаторы, изначально созданные под спокойную езду, плохо переносят резкие старты ввиду повышенной нагрузки на ремень/цепь. Отсюда же вытекают ограничения по буксировке как других автомобилей, так и прицепов, что в принципе — не проблема, если речь идёт о небольшом автомобиле. Кстати, о буксировке автомобиля с вариатором тоже следует сказать отдельно — для этого придётся включать двигатель, чтобы приводной ремень в вариаторе смазывался в движении — но ещё лучше вообще отказаться от буксировки авто на тросе. Вариатор, как система, в немалой степени зависящая от трения, склонен к перегреву при эксплуатации в снегу или на бездорожье. Вне дорог автомобиль с вариатором эксплуатировать вообще не стоит — ударные нагрузки и проскальзывание колес смертельно опасны для ремня вариатора. Все эти технические недостатки постепенно преодолеваются. Сложнее с другим —восприятием водителем вариатора, как некорректно работающего устройства традиционного типа. При необходимости резкого ускорения вариатор, до того находившийся в режиме минимального расхода топлива, сначала дожидается смены режима работы двигателя на оптимальный для разгона. При этом он постоянно меняет передаточное число, чтобы не мешать двигателю перенастраиваться. После чего, позволяя двигателю оставаться на зачастую некомфортных для слуха водителя высоких оборотах, вариатор начинает плавно менять диаметр шкивов в трансмиссии, обеспечивая плавный, но максимально эффективный разгон с сохранением двигателя в неизменном режиме работы с максимальной отдачей крутящего момента. Разгон получается оптимальным, но ускорение без привычного изменения тембра работы двигателя с набором скорости рождает заставляет неискушенного пользователя подозревать автомобиль в некорректной работе узлов и отсутствии динамики. Именно для борьбы с этим субъективным восприятием поведения автомобиля с вариатором производители идут на всяческие ухищрения: добавляют лепестковые подрулевые переключатели виртуальных передач (например, в системе Sportronic у Mitsubishi), изменяют программы управления разгоном так, чтобы выход на оптимальные обороты двигателя происходил постепенно. По сути всё это — скорее дань человеческому консерватизму и маркетинговый компромисс — характеристики авто при этом, пусть и незначительно, но страдают. Ровно по этой же причине рычаг управления режимами вариатора на многих автомобилях до сих пор стилизуют под рукоятку АКПП, хотя можно было бы обойтись и рядом кнопок.

Быть или не быть вариаторам

КПД трансмиссий вариаторного типа — едва ли не выше, чем у всех конкурентов и составляет 75%. При этом необходимо понимать, что одновременно получить рекордную экономичность и непревзойдённую динамику одной лишь установкой вариаторной трансмиссии — невозможно.

Чем заняться, билеты, туры и достопримечательности | 2022

Las Vegas, London, Paris…

Why you are seeing these recommendations

Top Destinations

Las Vegas

Chicago

New Orleans

Cancun

Чарльстон

Нэшвилл

Ки-Уэст

Сан-Франциско

Нью -Йорк

Top Attractions

Colosseum1 872 Туры и мероприятия

Эйфель Тауэр 494 Тур и мероприятия

Антилоп -каньон135 Туры и мероприятия

Статуя Liberty205 Tours and Encatire

Камень

Статуя Liberty205 Tours and Encatire

Камень. Лондон341 Туры и мероприятия

Ниагарский водопад44 Туры и мероприятия

Музеи Ватикана (Musei Vaticani)1,226 Туры и мероприятия

Национальный парк Эль-Юнке60 Экскурсии и мероприятия

Top Tours

Нью -Йорк, Нью -Йорк

в Нью -Йорке в однодневном экскурсии по экскурсии

от € 97,60

, вероятно, продажа

, Англия 111111111. Замок и Бат из Лондона

из 99,54 €

ВОЗМОЖНО ПРОДАНО

Париж, Иль-де-Франс

Круиз по реке Bateaux Parisiensin Sourmets & Seine

from €118.50

LIKELY TO SELL OUT

Rome, Italy

Skip the Line: Colosseum, Roman Forum, and Palatine Hill Tour

from €31. 80

Cancun, Riviera Майя и Юкатан

Тур «Все включено» в Чичен-Ицу, Сенот и Вальядолид

от 58,16 €

Цена зависит от размера группы0003

Лас -Вегас, Невада

Гранд -Каньон Западный Rim Tour Tour & Hoover Dam Photo Stop с дополнительным Skywalk

Из € 97,60

, вероятно, продала

HONOLULU, OAHU

1111111111111111111111111

из 123,23 €

ВОЗМОЖНО ПРОДАНО

Чикаго, Иллинойс

Речной круиз по Чикаго 4

1

1

0012

Warm Destinations

Rio de Janeiro

1,166 Tours

Bali

5,683 Tours

Cancun

2,993 Tours

Miami

709 Tours

Siem Reap

1,877 Tours

Punta Cana

1,527 Туры

Пхукет

1,377 Туры

Аруба

291 Туры

Популярные города

Популярные достопримечательности

0

00 Патент США на устройство фильтрации синфазного сигнала и вариатор скорости, содержащий такое устройство.

Патент (Патент № 7,868,730, выдан 11 января 2011 г.)

Настоящее изобретение относится к устройству фильтрации синфазного сигнала, такому как фильтр ЭМС (электромагнитной совместимости). используется на входе вариатора скорости преобразователя частоты, который питается от сети переменного тока и предназначен для управления синхронным или асинхронным электродвигателем. Изобретение также относится к вариатору скорости, содержащему такое фильтрующее устройство.

Как известно, вариатор скорости типа преобразователя частоты включает модуль выпрямителя, который выдает напряжение постоянного тока от внешнего источника питания переменного тока. Затем вариатор скорости включает в себя инверторный модуль (или прерыватель), снабженный полупроводниковыми силовыми электронными компонентами для прерывания напряжения постоянного тока в режиме ШИМ (широтно-импульсной модуляции), чтобы выдавать на выходе через силовой кабель импульсное переменное электрическое напряжение и переменная частота вращения двигателя. Устройство управления вариатором может включать и выключать полупроводниковые компоненты с частотой дискретизации, чтобы двигатель работал в режиме ШИМ с соответствующим переменным напряжением.

Частота коммутации ШИМ силовых полупроводников соответствует частоте дискретизации вариатора. В зависимости от типа и мощности вариатора эта частота переключения обычно варьируется примерно от 2 до 16 кГц.

Переключение силовых полупроводников создает на выходе вариатора скорости изменение синфазного напряжения, приводящее к синфазным электромагнитным помехам на входе и выходе системы преобразования через контур через землю токи утечки, обусловленные, в частности, паразитными емкостями как двигателя, так и силового кабеля. Поэтому фильтрующее устройство часто используется для ослабления синфазных токов, поглощаемых в электрической распределительной сети, и для предотвращения их распространения в сторону источника питания.

Фильтр ЭМС размещается перед выпрямительным модулем вариатора скорости и подключается между источником питания переменного тока и выпрямительным модулем вариатора. В зависимости от размера фильтра и размера и типа вариатора фильтр может быть либо интегрирован в блок вариатора, либо может быть внешним по отношению к вариатору. В частности, чтобы соответствовать действующим европейским стандартам электромагнитной совместимости, фильтр ЭМС должен быть эффективен в диапазоне частот от 150 кГц до 30 МГц.

Фильтр ЭМС обычно включает синфазную катушку индуктивности, состоящую из обмотки на каждой проводящей линии источника питания, и синфазные конденсаторы, подключенные между каждой линией и землей после синфазной катушки индуктивности. Таким образом, фильтр образует пассивную цепь типа нижних частот с частотой среза, позволяющей получить желаемое ослабление синфазных токов в установленном стандартами диапазоне частот.

Требуемый диапазон частоты среза фильтра ЭМС задает номиналы синфазных конденсаторов и катушки индуктивности. Емкость синфазных конденсаторов, как правило, постоянна, тогда как индуктивность синфазной катушки индуктивности сильно зависит от синфазных токов, протекающих через нее. Эти токи являются функциями синфазного напряжения, возникающего при переключении переключателей вариатора скорости, и паразитных емкостей основных элементов, а именно двигателя и силового кабеля. Поэтому в зависимости от принятого уровня синфазных токов синфазный индуктор должен быть больших размеров, чтобы не насыщать.

Поскольку фильтр ЭМС является пассивной схемой второго порядка, его резонансная частота близка к частоте среза. Таким образом, может случиться так, что в пределах определенной полосы частот вокруг резонансной частоты фильтр ЭМС усиливает синфазные токи вместо их ослабления, способствуя тем самым насыщению катушки индуктивности.

Эта резонансная частота, очевидно, зависит от индуктивности синфазной катушки индуктивности, которая зависит от синфазного тока. Следовательно, резонансная частота также изменяется в зависимости от того, воздействует ли вариатор скорости на нагрузку. Так, например, резонансная частота может составлять от 8 до 16 кГц для ферритового индуктора фильтра ЭМС и, например, от 2 до 8 кГц для индуктора из нанокристаллического материала. Установлено, что эти частоты близки к обычным частотам дискретизации вариатора.

Поэтому для достижения более эффективной фильтрации желательно установить фильтрующее устройство, которое включает средства для очень простого и недорогого предотвращения насыщения синфазной катушки индуктивности фильтра ЭМС в диапазоне частот, близком к резонансному. частоту фильтра ЭМС (т.е. в районе от 1 до 16 кГц), не ухудшая тем самым характеристики фильтра ЭМС в нормативном диапазоне частот фильтрации, выше 150 кГц.

Патентная заявка FR 06/52040 уже раскрывает решение, которое рекомендует использовать подходящую шунтирующую цепь. Такое решение экономически выгодно, особенно для маломощных вариаторов, например мощностью менее 5 кВт. Для мощных вариаторов также возможно применение двухкаскадных (4-го порядка) фильтров, но такое решение громоздко и дорого. Таким образом, задачей изобретения является предложить решение, подходящее для вариаторов большей мощности, основанное на одноступенчатом фильтрующем устройстве (2-го порядка).

По этой причине изобретение раскрывает фильтрующее устройство, подключенное к источнику питания переменного тока, фильтрующее устройство, включающее в себя синфазную катушку индуктивности, содержащую обмотку на каждой линии источника питания, и магнитный сердечник, состоящий из первого тора и второй тор. Первый тор изготовлен из первого материала, имеющего первую магнитную проницаемость, а второй тор изготовлен из второго материала, имеющего вторую магнитную проницаемость. Индукция насыщения первого материала по существу равна или превышает индукцию насыщения второго материала. Кроме того, первая магнитная проницаемость равна или больше трехкратной второй магнитной проницаемости при частоте 10 кГц тока, протекающего по обмоткам, для предотвращения насыщения синфазного индуктора в диапазоне резонансных частот фильтрующее устройство.

Согласно одному признаку первый материал и второй материал представляют собой нанокристаллические материалы с разной структурой. В соответствии с другим признаком первый материал представляет собой нанокристаллический материал, а второй материал представляет собой ферритовый материал. Преимущество ферритового материала в том, что он дешевле, но нанокристаллический материал обеспечивает лучшую термостойкость.

Таким образом, благодаря изобретению может быть выгодно значительно уменьшить размер фильтра ЭМС вариатора скорости, сохранив при этом его фильтрующую способность на частоте 150 кГц и выше, и, следовательно, снизить стоимость фильтра и вариатора . За счет устранения насыщения синфазного индуктора фильтра ЭМС в области резонансных частот фильтра ЭМС (около нескольких кГц) становится возможным также непрерывное изменение частоты дискретизации вариатора в течение всего рабочего времени. диапазона (обычно примерно от 2 до 16 кГц) без ухудшения характеристик фильтра ЭМС. Изобретение также позволяет уменьшить нагрев фильтра ЭМС и уменьшить самоиндукцию рассеяния за счет меньшего числа витков. Кроме того, в зависимости от емкости синфазных конденсаторов фильтра ЭМС также можно будет значительно увеличить длину силовых кабелей между вариатором и двигателем.

Другие особенности и преимущества станут очевидными из следующего подробного описания со ссылкой на вариант осуществления, приведенный в качестве примера и представленный прилагаемыми чертежами, на которых:

РИС. 1 показана известная упрощенная принципиальная схема вариатора скорости;

РИС. 2 и 3 показаны примеры выполнения синфазного индуктора фильтрующего устройства согласно изобретению;

РИС. 4 представлена ​​диаграмма зависимости магнитной индукции индуктора от ампер-витков для частоты порядка 10 кГц; и

РИС. 5 показана диаграмма зависимости относительной магнитной проницаемости различных материалов от частоты.

Ссылаясь на упрощенную принципиальную схему на РИС. 1, вариатор скорости предназначен для работы электродвигателя М синхронного или асинхронного типа. Вариатор содержит инверторный модуль 10 , соединенный с двигателем М силовым кабелем 19 . Для каждой фазы двигателя инверторный модуль 10 имеет два силовых полупроводниковых электронных компонента типа IGBT или других подобных компонентов (показаны на фиг. 1 как простые переключатели для упрощения чертежа), которые способны подавать импульсный напряжение в режиме ШИМ на двигатель М от шины постоянного напряжения.

Вариатор также включает перед модулем инвертора 10 модуль выпрямителя 20 , который подает шину постоянного напряжения для питания модуля инвертора 10 . Между модулем выпрямителя 20 и модулем инвертора 10 расположен балластный конденсатор 29 .

Модуль выпрямителя 20 питается от внешнего источника питания 40 трехфазного переменного напряжения L ₁ , L ₂ , L ₃ , например в сети ТТ, в которой нейтраль соединена с землей. Обычно модуль выпрямителя 20 содержит диодные мосты, расположенные таким образом, чтобы обеспечивать шину постоянного напряжения. ИНЖИР. 1 показан внешний трехфазный источник питания, но изобретение эквивалентно применимо к однофазному источнику питания. Аналогично, двигатель М, изображенный на фиг. 1 питается трехфазным напряжением, но изобретение, конечно, также применимо к электродвигателю, питаемому однофазным напряжением.

Фильтрующее устройство 30 , состоящее из фильтра ЭМС, расположено между источником питания 40 и модулем выпрямителя 20 . Характеристики этого фильтра ЭМС рассчитаны на то, чтобы вариатор скорости соответствовал стандартам ЭМС в диапазоне частот выше 150 кГц. Фильтр ЭМС 30 включает синфазную катушку индуктивности L _F , соединенную последовательно между блоком питания 40 и модулем выпрямителя 20 . Он состоит из обмотки на каждой линии L ₁ , L ₂ , L ₃ источника питания, обмотки магнитно связаны друг с другом. Фильтр ЭМС 30 также включает в себя синфазные конденсаторы C _F , подключенные между каждой линией L ₁ , L ₂ , L ₃ и землей после синфазного индуктора L _F . Фильтр ЭМС 30 может также включать в себя дифференциальные емкости между фазами (дифференциальная фильтрация), которые не показаны на фиг. 1. В зависимости от размера фильтра, мощности и типа вариатора фильтр ЭМС 30 может быть интегрирован в пакет вариатора или может быть внешним по отношению к вариатору.

Известно, что двигатель M и кабель 19 имеют распределенные паразитные емкости на земле, которые можно смоделировать с помощью общего конденсатора C _M . Переключение полупроводников инверторного модуля 10 вызывает очень большие колебания напряжения, которые создают синфазный ток I _MC , определяемый выражением I _MC =C _M ×dV/dt.

Этот синфазный ток I _MC проходит через землю через конденсатор двигателя/кабеля C _M , следуя по пути, обозначенному I _F на фиг. 1, через модуль выпрямителя 20 , модуль инвертора 10 , C _M и C _F или путь, обозначенный I _P , через модуль выпрямителя 20 , модуль инвертора 1909011 C _M , блок питания 40 и L _F . Для минимизации распространения помех во внешней сети, очевидно, желательно отдавать предпочтение пути I _F , а не путь I _P , чтобы предотвратить распространение помех во внешней сети питания. Поэтому для этой цели используются более низкие значения импеданса для синфазных конденсаторов C _F1 , C _F2 , C _F3 и высокие значения импеданса для синфазного дросселя L _F .

Однако, чем длиннее кабель 19 , тем больше емкость конденсатора С _М и больше синфазный ток I _МС . Поэтому в некоторых приложениях существует риск насыщения синфазной катушки индуктивности L _F , которая больше не будет фильтровать ток I _MC . В этом случае путь I _F рискует перестать быть предпочтительным путем, что ухудшит работу фильтра ЭМС. Этот риск насыщения может усугубляться в момент переключения полупроводниковых компонентов инверторного модуля 10 , то есть на частоте переключения для работы ШИМ силовых полупроводников. Эта частота переключения соответствует частоте дискретизации вариатора, т.е. обычно между 2 и 16 кГц.

Таким образом, при данной частоте дискретизации существует риск появления пиков тока на стороне источника питания, обусловленных насыщением синфазной катушки индуктивности L _F , когда синфазный ток I _MC , генерируемый коммутацией полупроводников инверторного модуля 10 , имеет высокий уровень и усиливается резонансом входного ЭМС-фильтра. Поэтому необходимо найти средства для устранения резонанса фильтра ЭМС и, таким образом, ограничения роста синфазного тока I _MC течет в синфазном дросселе L _F .

Таким образом, одна из целей изобретения состоит в том, чтобы предложить систему, способную предотвращать насыщение синфазной катушки индуктивности L _F в диапазоне резонансных частот фильтра ЭМС без ухудшения характеристик фильтра ЭМС в диапазоне частот диапазоне выше 150 кГц, чтобы соответствовать стандартам ЭМС.

На фиг. 2, синфазный дроссель L _F содержит обмотку L ₁ , L ₂ на каждой линии источника питания и магнитопровод, состоящий из первого тора T ₁ и второго тора T ₂ . В этом примере и для удобства чертежа источник питания содержит только две линии питания L ₁ , L ₂ (однофазное питание).

Первый тор T ₁ сопоставляется со вторым тором T ₂ и питающие линии наматываются одновременно вокруг двух торов с одинаковым числом витков, равным n. Согласно изобретению первый тор Т ₁ изготовлен из первого материала, имеющего первую магнитную проницаемость μ ₁ , а второй тор T ₂ изготовлен из второго материала, имеющего вторую магнитную проницаемость μ ₂ . Значение μ ₁ равно или превышает трехкратное значение второй магнитной проницаемости μ ₂ . Цель наличия большой разницы между двумя значениями магнитной проницаемости состоит в том, чтобы в полной мере использовать различные свойства каждого материала и обеспечить достижение желаемого эффекта.

Понятие «магнитная проницаемость», используемое в настоящем документе, фактически представляет собой относительную магнитную проницаемость материала относительно проницаемости свободного пространства. Ради согласованности и если не указано иное, эта относительная магнитная проницаемость является исходной магнитной проницаемостью, то есть измеренной для тока, протекающего через обмотки синфазного индуктора низкого значения и имеющего частоту 10 кГц.

РИС. 3 показан вариант фиг. 2. При этом синфазный дроссель L _Ф содержит два тора Т ₁ и Т ₂ , не совмещенные, а разделенные, а силовые линии L ₁ , L ₂ проходят сначала через первый тор Т ₁ с первым номером витков n ₁ и затем второй тор T ₂ со вторым числом витков n ₂ . Этот вариант эквивалентен примеру, показанному на фиг. 2, если n ₁ и n ₂ равны n. Однако для этого требуется две серии обмоток.

Возможны различные конструкции синфазного дросселя L _F . Например, не имеет значения, содержит ли индуктор L _F торы T ₁ и T ₂ , имеющие одинаковые размеры (см. фиг. 2 и 3) или они имеют разные формы и размеры. Например, один тор может быть вставлен во внутреннее пространство другого тора. Аналогично, в случае, показанном на фиг. 3 количество витков n ₁ и n ₂ может быть одинаковым или различным в зависимости от желаемых характеристик фильтра ЭМС. Кроме того, питающие линии L ₁ , L ₂ также могут проходить сначала через тор T ₂ , а затем через тор T ₁ .

Первый материал представляет собой, например, нанокристаллический материал, диаметр зерен которого составляет от 10 до 20 нм или меньше, чтобы получить первую магнитную проницаемость μ ₁ 50 000 или выше. Предпочтительно будет выбран первый материал с магнитной проницаемостью μ ₁ примерно от 60 000 до 100 000 и с индукцией насыщения примерно от 1,2 до 1,5 Тл.

Второй материал должен обладать магнитной проницаемостью менее одной трети магнитной проницаемости первого материала. Этот второй материал может, в частности, представлять собой феррит, преимущество которого состоит в том, что он недорог и обладает, например, магнитной проницаемостью μ ₂ от около 8000 до 10 000 с индукцией насыщения около 0,5 Тл.

Второй материал также может представлять собой нанокристаллический материал, структура и/или состав которого отличаются от первого материала, чтобы получить магнитную проницаемость μ′ ₂ от 30 000 или меньше. Предпочтительно будет выбран второй материал, имеющий магнитную проницаемость μ’ ₂ примерно от 10 000 до 20 000 с индукцией насыщения примерно от 1,2 до 1,5 тесла.

Таким образом, отношение магнитных проницаемостей μ ₁ и μ ₂ (или μ′ ₂ ) предпочтительно будет равно или больше 4, например, при μ ₁ около 100 000 и μ ₂ (или μ′ ₂ ) около 20 000, или μ ₁ около 60 000 и μ ₂ (или μ′ ₂ ) около 10 000. точку Кюри, которая обычно близка к 100°С, и, следовательно, фильтрация менее эффективна, чего нельзя сказать о нанокристаллическом материале. Вариант, заключающийся в использовании двух нанокристаллических материалов с различной магнитной проницаемостью μ ₁ и µ’ ₂ для первого тора и второго тора соответственно, что позволяет достичь приемлемой эффективности фильтрации до температур около 150°C.

Фиг. 4 показаны для различных магнитных материалов сердечника индуктора различные кривые, дающие магнитную индукцию В в зависимости от ампер-витков n×I индуктора (обмотка из n витков, по которой протекает ток I) при частоте порядка 10 кГц. ИНЖИР. 5 показаны различные примеры зависимости магнитной проницаемости от частоты. Следует отметить, что высокая магнитная проницаемость μ ₁ на частоте 10 кГц существенно падает при увеличении частоты между 10 кГц и 150 кГц, в отличие от более низкой магнитной проницаемости μ ₂ . На фиг. 5 область, заштрихованная серым цветом, приблизительно символизирует область вблизи резонансной частоты.

РИС. 4 показано, что индукция насыщения B _sat1 первого материала больше, чем насыщение второго материала. Второй тор T ₂ имеет меньшую магнитную проницаемость μ ₂ , что означает, что магнитная индукция довольно медленно растет с ростом тока (см. рис. 4). Поэтому для достижения тока насыщения I _sat2 необходимо иметь более высокое значение ампер-витков n×I. Напротив, поскольку первый тор T ₁ имеет высокую магнитную проницаемость μ ₁ , магнитная индукция очень быстро растет с током, и ток насыщения I _sat1 , соответствующий индукции насыщения B _sat1 , очень быстро возрастает. достиг.

Таким образом, катушка индуктивности L _F с сердечником, состоящим только из материала с высокой магнитной проницаемостью μ ₁ , имеет преимущество высокой индуктивности на низкой частоте и, следовательно, обеспечивает эффективную фильтрацию синфазных помех, но имеет тот недостаток, что быстро насыщается при небольшом токе, протекающем в катушке индуктивности. Это связано с тем, что индуктивность пропорциональна магнитной проницаемости u материала сердечника индуктора, тогда как ток насыщения I _сат обратно пропорциональна этой магнитной проницаемости μ.

И наоборот, катушка индуктивности L _F с сердечником, состоящим только из материала с низкой магнитной проницаемостью μ ₂ , имеет преимущество, заключающееся в том, что она поддерживает более высокие ампер-витки до насыщения, но имеет недостаток, заключающийся в более низкой индуктивности при низкая частота и, следовательно, менее эффективная фильтрация синфазных помех.

Таким образом, изобретение объединяет эти два различных материала последовательно в синфазном дросселе L _F , чтобы воспользоваться преимуществами каждой из них, добавив эффекты двух технологий.

Работа такой синфазной катушки индуктивности следующая:

Вначале на низкой частоте ниже частоты дискретизации вариатора эффекты T ₁ и T ₂ для фильтрации соответствующих синфазных тока I _MC объединены. В частности, фильтрация, полученная с помощью T ₁ +T ₂ , намного эффективнее, чем если бы имелся только один тор T ₂ эквивалентного размера с низкой магнитной проницаемостью.

По мере увеличения частоты и соответствующего синфазного тока I _MC увеличиваются ампер-витки и быстро достигается теоретический порог насыщения I _sat1 тора T ₁ , поскольку его магнитная проницаемость μ ₁ в приоритете. Следовательно, если бы T ₁ был единственным тором, то синфазный ток I _MC тогда очень быстро возрастал бы. Однако благодаря низкой магнитной проницаемости μ ₂ (или µ′ ₂ ), тор T ₂ не насыщается и поэтому синфазный ток I _MC будет ограничен так, чтобы оставаться близким к значению насыщения I _sat1 в изгиб насыщения кривой T ₁ на фиг. 4 (т.е. операция с квазинасыщением T ₁ ).

Если тор Т ₁ насыщается на низкой частоте, а тор Т ₂ нет, то при дальнейшем увеличении частоты синфазного тока магнитная проницаемость μ ₁ из T ₁ будет уменьшаться, как показано на фиг. 5, что приводит к предпочтительному увеличению его порога насыщения I _sat1 . Таким образом, благодаря наличию T ₂ , позволяющего работать в изгибе насыщения тора T ₁ , можно будет выше определенной частоты вернуться ниже порога насыщения I _sat1 вплоть до частота 150 кГц при условии, что характеристики фильтра ЭМС рассчитаны на отодвигание резонансной частоты фильтра ЭМС от диапазона частот дискретизации вариатора.

Если синфазный ток I _MC остается ниже порога насыщения I _sat1 , насыщение тора T ₁ может, тем не менее, быть связано с резонансом фильтра ЭМС, создаваемым возбуждением синфазного гармоники тока режима, генерируемые на частоте дискретизации вариатора. В этом случае насыщение тора Т ₁ выгодно модифицирует индуктивность синфазного индуктора, который теперь включает только тор Т ₂ , тем самым изменяя резонансную частоту фильтра ЭМС и тем самым подавляя его резонанс.

Таким образом, когда в фильтре ЭМС вариатора используется обычный синфазный индуктор, длина силового кабеля ограничена несколькими метрами, поскольку насыщение индуктора быстро достигается независимо от природы используемого магнитного материала. Это связано с тем, что если магнитный материал имеет низкую магнитную проницаемость, насыщение происходит из-за низкого предела синфазного тока. Если магнитный материал имеет высокую магнитную проницаемость, насыщение происходит из-за магнитной индукции, которая очень быстро возрастает с синфазным током.

Использование синфазной катушки индуктивности L _F , состоящей из двух торов с очень разными магнитными проницаемостями, в соответствии с изобретением имеет преимущество как в сильно ограниченном синфазном токе (эффект тора T ₁ ), так и в магнитном поле. материал, индукция которого растет медленно (эффект тора T ₂ ). Таким образом, можно предотвратить насыщение этой катушки индуктивности и тем самым обеспечить очень хорошую фильтрацию синфазного тока во всем диапазоне частот.