МОТОР-КОЛЕСО Российский патент 1995 года по МПК H02K23/00 B60K7/00 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве мотора-колеса транспортных, дорожных и других передвижных средств.

Известен мотор-колесо, содержащее встроенную в колесо асинхронную электрическую машину, при этом статор с магнитопроводом неподвижно закреплен на оси колеса, на магнитопроводе статора размещены магнитные элементы статора, ротор установлен подвижно по оси колеса и имеет магнитопровод с короткозамкнутыми обмотками [1]
Известный мотор-колесо имеет ряд недостатков: плохие тепловой режим и регулировочные характеристики, высоковольтное питание, сложную систему управления и другие.

Известен мотор-колесо, которое в силу наибольшей схожести по технической сущности и общим признаком выбрано за прототип, содержащее обод, ось, электропривод с электродвигателем и блок регулируемого напряжения, статор электродвигателя жестко закреплен на оси, на статоре размещен магнитопровод статора с электромагнитами статора, образованными катушками, размещенными на сердечниках, соединенных с магнитопроводом статора, или на зубцах магнитопровода статора, ротор электродвигателя с магнитопроводом ротора, установленный на оси колеса с возможностью вращения относительно статора и несущий обод, на магнитопроводе ротора размещены магнитные элементы ротора, обращенные к магнитным элементам статора так, что магнитные элементы статора и ротора имеют магнитное взаимодействие, распределительный коллектор, токосъемники с минимум двумя элементами токосъема [2] Его недостатками является сложность в силу размещения электромагнитов на роторе, недостаточные мощности и скорость в силу невозможности подачи большого тока в катушки ротора через щетки, недостаточно хороший тепловой режим за счет недостаточного воздушного охлаждения постоянных магнитов (так как они неподвижны).

Цель изобретения увеличение мощности и скорости вращения, улучшение теплового режима и повышение надежности.

На фиг. 1 изображен мотор-колесо с группами электромагнитов на статоре; на фиг. 2 схема электрических элементов для рекуперации электроэнергии; на фиг. 3 схематично электрическое соединение.

Мотор-колесо с группами электромагнитов на статоре и одним кольцевым контактом содержит закрепленный на полой оси 1 якорь (статор) 2 с магнитопроводом 3, на котором размещены группы (две) электромагнитов 4.1 и 4.2. Индуктор (ротор) 5 подвижно закреплен (на подшипниках, не показано) на оси 1 и имеет магнитопровод 6 с постоянными магнитами 7, размещенными равномерно с чередующимися полярностями. На роторе 5 размещен распределительный коллектор, представляющий собой равномерно размещенные по окружности на изоляционном основании 8 токопроводящие изолированные пластины 9, 10 и 11. Пластины 9 и 10 сгруппированы через одну в группы и соответственно электрически соединены между собой. Дополнительные пластины 11 находятся между ними (и могут быть нетокопроводными). Кольцевой контакт 12 электрически соединен с одной группой пластин 9, другая группа 10 через корпус соединена с первым выводом источника регулируемого напряжения 13. На якоре 2 закреплен дополнительный токосъемник 14, элемент 15 которого имеет электрический контакт с кольцевым контактом 12 и электрически соединен с другим выводом блока регулируемого напряжения 13. На якоре 2 жестко закреплены токосъемники 16.1 и 16.2 групп электромагнитов, элементы которых 16.1.1, 16.1.2, 16.2.1 и 16.2.2 имеют электрический контакт с пластинами распределительного коллектора и электрически соединены с выводами соединений катушек соответствующих групп электромагнитов 4.1 и 4.2.

Постоянные магниты и электромагниты в группах размещены равномерно с угловыми расстояниями между их серединами α 360^о/8 45^о. Группы электромагнитов смещены (в данном случае на 22,5^о) для обеспечения трогания с места и плавности движения.

Мотор-колесо работает следующим образом. При включении блока регулируемого напряжения 13 напряжение подается на пластины 10 через корпус и 9 через элемент 15 дополнительного токосъемника 14 и кольцевой контакт 12. С пластин 9 и 10 напряжение подается на группу электромагнитов 4.1 через элементы 16.1.1 и 16.1.2 токосъемника 16.1. За счет электромагнитных сил притягивания и отталкивания постоянных магнитов и электромагнитов индуктор 5 приходит во вращение. Когда элементы токосъемника 16.2 другой группы электромагнитов оказываются на пластинах 9 и 10 в создании сил электромагнитного взаимодействия начинают участвовать электромагниты следующей группы 4.2, а когда элементы 16.1.1 и 16.1.2 оказываются на дополнительных пластинах 11, то только группа 4.2 создает вращающий момент.

Таким образом группы 4.1 и 4.2 поочередно (а в одном такте вместе) создают вращающий момент, величина которого (а, следовательно, и скорость) зависит от напряжения источника 13.

К изложенному необходимо добавить, что угловые расстояния между элементами токосъема одного токосъемника кратно нечетному числу для подачи на выводы соединения катушек электромагнитов напряжения от блока 13. При этом, когда элементы одного токосъемника находятся посередине пластин 9 и 10, то элементы другого посередине 11, и наоборот;
группы сдвинуты на угловое расстояние α/2, так как имеют место две группы электромагнитов, при N группах сдвиг равен α /N, а в общем случае может быть произволен. Увеличение числа групп увеличивает среднюю мощность и уменьшает рывкообразность;
целесообразно число магнитов выбирать четным и в зависимости от диметра в диапазоне 20-36.

В моторе-колесах по пунктам:
2 формулы имеет место два кольцевых контакта, что позволяет избежать электрического соединения через "корпус";
4 формулы введена дополнительная возможность рекуперации за счет снятия энергии с промежуточных секций, введенных между секциями 9 и 10. Конструкции таких мотор-колес отличаются от предыдущих конструкций усложнением распределительного коллектора.

На фиг. 2 представлен схематический рисунок мотора-колеса с рекуперацией электроэнергии.

Оно дополнительно имеет накопительный контакт 17, размещенный концентрично к контакту 12, накопительный токосъемник 18 с его элементом 19, имеющим электрический контакт с выводом накопительного блока 20. Посередине пластин 11 размещены промежуточные пластины 21, изолированные от них и сгруппированные в две группы: одна соединена с контактами 17, другая через корпус с вторым выводом блока 20.

Рекуперация осуществляется следующим образом: когда элементы токосъема 16.2.1 и 16.2.2 находятся на промежуточных пластинах 21 (фиг. 3) замыкается электрическая цепь с блоком 20, и за счет изменения магнитного потока в сердечниках электромагнитов индуцируемая в их катушках ЭДС заряжает блок 20. Блок 20 представляет собой в простейшем случае подключенный через диодный мост аккумулятор.

Размещение электромагнитов в группах и постоянных магнитов по окружности индуктора равномерно позволяет получить максимальную мощность. Выбор одного или двух кольцевых (накопительных) контактов зависит в каждом конкретном случае от возможности осуществления электрического соединения через корпус. Выполнение индуктора или якоря с двумя магнитопроводами или расположением магнитных элементов с их двух сторон позволяет добиться увеличения мощности.

Таким образом предлагаемое изобретение обеспечивает значительное увеличение мощности и повышение надежности и позволяет создать новую конструкцию мотора-колеса.

Сущность изобретения: мотор-колесо содержит закрепленный на полой оси якорь 2 с магнитопроводом 3, на котором размещены две группы электромагнитов 4.1 и 4.2. Индуктор 5 подвижно закреплен на оси 1 и имеет магнитопровод 6 с постоянными магнитами 7, размещенными равномерно с чередующимися полярностями. На роторе 5 размещен распределительный коллектор, представляющий собой равномерно размещенные по окружности на изоляционном основании токопроводящие изолированные пластины 9, 10, 11. Пластины 9 и 10 сгруппированы через одну в группы и соответственно соединены между собой . Кольцевой контакт электрически соединен с одной группой пластин 9, другая группа 10 через корпус соединена с первым выводом источника регулируемого напряжения. Распределительный коллектор может располагаться как на роторе, так и на статоре. В результате реализуется обращенная конструкция с постоянными магнитами на роторе, что позволяет за счет размещения постоянных магнитов на роторе упростить конструкцию, повысить мощность и скорость за счет подвода большего тока и улучшить тепловой режим. 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. МОТОР-КОЛЕСО, содержащее обод, ось, электропривод, состоящий из источника регулируемого напряжения и электродвигателя, содержащего индуктор с постоянными магнитами, размещенными равномерно на поверхности его магнитопровода, якорь с магнитопроводом и катушками обмотки, которые расположены по окружности магнитопровода по меньшей мере одной группой и размещены в группах так, что угловое расстояние между осями любых двух катушек кратно угловому расстоянию α при этом любые две катушки одной группы создают противоположно направленные магнитные потоки, если угловое расстояние между их осями кратно нечетному числу a и одинаково направленные, если это расстояние кратно четному числу a группы катушек смещены друг относительно друга таким образом, что когда оси катушек как минимум одной группы совпадают с осями постоянных магнитов, оси катушек как минимум одной другой группы не совпадают с осями постоянных магнитов, токосъемники для каждой группы катушек каждой из которых с минимум двумя элементами токосъема, распределительный коллектор, выполненный с возможностью углового смещения относительно постоянных магнитов и образованный расположенными по его окружности изолированными токопроводящими основными пластинами, соединенными электрически через одну друг с другом, образуя две группы основных пластин, при этом ширина любого элемента токосъема меньше расстояния между любыми двумя основными пластинами, отличающееся тем, что, с целью улучшения регулировочных свойств, увеличения мощности и повышения надежности, индуктор электродвигателя закреплен на ободе колеса, якорь закреплен на оси колеса, распределительный коллектор расположен на индукторе, токосъемники расположены на якоре, постоянные магниты размещены так, что угловые расстояния между осями любых двух магнитов кратно угловому расстоянию a при этом любые два постоянные магниты имеют противоположную полярность, если угловое расстояние a равно нечетному числу, и одинаковую если четному числу, установлены дополнительный токосъемник, закрепленный на якоре и содержащий минимум один элемент токосъема, и минимум один кольцевой контакт, закрепленный на индукторе и соединенный с соответствующей одной группой основных пластин распределительного коллектора, каждый из элементов токосъема каждого токосъемника электрически соединен с соответствующим одним выводом катушек обмотки, другой с другим их выводом, при этом когда оси катушек обмотки любой одной группы находятся посредине между осями соответствующих постоянных магнитов, элементы токосъема токосъемника, соответствующего этой группе катушек, имеют электрический контакт с основными пластинами, которые электрически соединены с разными выводами источника регулируемого напряжения. 2. Мотор-колесо по п.1, отличающееся тем, что в конструкции электродвигателя с двумя кольцевыми контактами дополнительный токосъемник содержит два элемента токосьема, электрически соединенные с разными выводами источника регулируемого напряжения и установленные с возможностью электрического контакта с соответствующим кольцевым контактом, каждый из которых соединен электрически с соответствующей одной группой основных пластин. 3. Мотор-колесо по п.1, отличающееся тем, что в конструкции электродвигателя с одним кольцевым контактом дополнительный токосъемник содержит один элемент токосъема, электрически соединенный с одним из выводов источника регулируемого напряжения и установленный с возможностью электрического контакта с кольцевым контактом, электрически соединенным с одной группой основных пластин, а вторая группа основных пластин имеет электрическое соединение с другим выводом источника регулируемого напряжения. 4. Мотор-колесо по пп.1 3, отличающееся тем, что дополнительно введены накопительный блок (аккумулятор), минимум один накопительный контакт, выполненный в виде токопроводного кольца, накопительный токосъемник с минимум одним элементом токосъема и токопроводящие промежуточные пластины, каждая из которых размещена между двумя соседними основными пластинами, соединенные электрически через одну друг с другом, образуя две группы промежуточных пластин. 5. Мотор-колесо по п.4, отличающееся тем, что в конструкции с одним накопительным контактом и одним элементом накопительного токосъемника накопительный контакт размещен на индукторе и электрически соединен с одной группой промежуточных пластин, вторая группа которых имеет электрическое соединение с одним выводом накопительного блока, второй вывод которого соединен электрически с элементом токосъема накопительного токосъемника, размещенного на якоре, имеющим электрический контакт с накопительным контактом. 6. Мотор-колесо по п.4, отличающееся тем, что в конструкции с двумя накопительными контактами и двумя элементами накопительного токосъемника элементы токосъема накопительного токосъемника электрически соединены с соответствующими выводами накопительного блока и имеют электрический контакт с соответствующими накопительными контактами, размещенными на индукторе и электрически соединенными с соответствующими группами промежуточных пластин. 7. Мотор-колесо по п. 4, отличающееся тем, что в конструкции с одним накопительным контактом и одним элементом накопительного токосъемника накопительный контакт размещен на якоре и электрически соединен с одним из выводов накопительного блока, второй вывод которого имеет электрическое соединение с одной группой промежуточных пластин, вторая из которых электрически соединена с элементом накопительного токосъемника, размещенного на индукторе, имеющим электрический контакт с накопительным контактом. 8. Мотор-колесо по п.4, отличающееся тем, что в конструкции с двумя накопительными контактами и двумя элементами накопительного токосъемника накопительные контакты размещены на якоре и электрически соединены с соответствующими выводами накопительного блока, элементы накопительного токосъемника имеют электрический контакт с соответствующими накопительными контактами и электрически соединены с соответствующими группами промежуточных пластин. 9. Мотор-колесо по пп.1 8, отличающееся тем, что катушки обмотки в любой группе размещены равномерно с чередующимися по окружности полюсами, при этом угловые расстояния между осями двух любых соседних катушек обмотки равны между собой и равны a, а α = 360^°/m, где m натуральное четное число, равное числу катушек. 10. Мотор-колесо по пп.1 9, отличающееся тем, что индуктор снабжен вторыми магнитопроводом с постоянными магнитами, распределительным коллектором и токосъемниками с элементами токосъема, выполненными, расположенными и соединенными аналогично основным магнитопроводу, распределительному коллектору и токосъемникам. 11. Мотор-колесо по пп.1 10, отличающееся тем, что катушки обмотки расположены с двух сторон магнитопровода якоря, магнитопроводы индуктора с токосъемниками расположены по сторонам магнитопровода якоря, постоянные магниты размещены напротив катушек обмотки, а оси намагниченности постоянных магнитов параллельны оси колеса. 12. Мотор-колесо по пп.1 10, отличающееся тем, что магнитопроводы индуктора расположены по сторонам магнитопровода якоря, постоянные магниты размещены напротив катушек обмотки, а оси намагниченности постоянных магнитов параллельны оси колеса. 13. Мотор-колесо по пп.1 10, отличающееся тем, что оси намагниченности постоянных магнитов радиальны. 14. Мотор-колесо по пп.1 10, отличающееся тем, что якорь снабжен минимум одним дополнительным магнитопроводом с катушками обмотки и токосъемниками, индуктор снабжен минимум двумя магнитопроводами с постоянными магнитами и токосъемниками, выполненными, расположенными и соединенными подобно основному якорю и индуктору. 15. Мотор-колесо по пп.1 14, отличающееся тем, что токосъемники выполнены с возможностью углового смещения относительно катушек обмотки.