МОТОР-КОЛЕСО Российский патент 2000 года по МПК B60K7/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве мотор-колеса транспортных, дорожных и других передвижных средств.

Известен мотор-колесо, содержащий встроенную в колесо асинхронную электрическую машину, при этом статор с магнитопроводом неподвижно закреплен на оси колеса, на магнитопроводе статора размещены магнитные элементы, ротор установлен подвижно на оси колеса и имеет магнитопровод с короткозамкнутыми обмотками (см. Патент СССР N 1725780).

Известный мотор-колесо имеет ряд недостатков: недостаточный пусковой момент, сложную систему управления и низкий КПД.

Известен мотор-колесо, содержащий обод, вал, электропривод с электродвигателем и источником регулируемого напряжения, статор электродвигателя жестко закреплен на полом валу, на статоре размещены катушки обмоток, ротор соединен с ободом колеса и подвижно закреплен на подшипниках и на валу, имеет магнитопровод с постоянными магнитами, размещенными равномерно с чередующейся полярностью магнитов, две группы коллекторов, электрически подключенных к источнику питания (см. Патент России N 2035114, М.Кл H 02 K 23/00, B 60 K 7/00, БИ 13, 1995 г.).

Существенными недостатками, также являются сложность конструкции, низкий КПД и значительные нагрузки на подшипники вала. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является "Мотор-колесо" (См. Патент России N 2035115, М.Кл. H 02 K 23/00, B 60 K 7/00, БИ 13, 1995 г. ), содержащий обод, полую ось, электропривод с электродвигателем и источником регулируемого напряжения, электродвигатель, состоящий из жестко закрепленного на оси статора с катушками обмоток, размещенных группами, с фиксированным угловым расстоянием между осями катушек, для каждой группы катушек имеется распределительный коллектор, образованный расположенными по окружности изолированными токопроводящими пластинами, расположенными на статоре, и токосъемниками на роторе колеса, ротор соединен с ободом колеса и подвижно закреплен на подшипниках на оси, магнитопровод ротора имеет постоянные магниты с чередующейся полярностью.

Недостатком устройства, как и аналогов, является сложность конструкции, низкий КПД и значительные нагрузки на подшипники оси.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание мотор-колеса с высоким КПД, простой конструкции, малыми нагрузками на подшипники оси, обеспечивающими высокую надежность.

Задача решается тем, что предлагаемый мотор-колесо, содержащий обод, полую ось, электропривод с источником регулируемого напряжения и электродвигателем, состоящим из закрепленного на полой оси статора с катушками обмоток, размещенных группами с фиксированным угловым расстоянием между катушками, ротор, соединенный с ободом колеса и подвижно закрепленный на подшипниках на оси, имеющий магнитопровод с основными, с чередующейся полярностью, постоянными магнитами, размещенными равномерно на магнитопроводе, коллектор, которые подключены к выходам источника регулируемого напряжения, отличается тем, что электродвигатель снабжен датчиками положения ротора, дополнительными магнитами, размещенными между основными магнитами, а статор снабжен расположенными в пространстве между магнитами рядами электрических блоков, каждый из которых содержит диэлектрическое кольцо с контактами и радиатор, в пазах которого установлены секции катушек с обмотками и датчики положения ротора, выводы которых присоединены к контактам диэлектрического кольца и объединены в фазовые секции, при этом все магниты установлены в обоймах, соединены между собой и с ободом колеса, с образованием зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки, причем чередующиеся магнитные поля магнитов направлены навстречу друг другу, а коллектор выполнен в виде блока переключения фазовых секций и блока управления направлением и скоростью вращения двигателя, при этом выводы датчиков положения ротора подключены к контактам колец и через отверстия колец и полой оси подключены к управляющим входам блока управления, а фазовые секции катушек подключены к контактам диэлектрических колец, а в рядах электрических блоков соединены последовательно или параллельно или последовательно-параллельно и через отверстия колец полой оси присоединены к блоку переключения фазовых секций, выходы которого подключены к блоку управления направлением и скоростью вращения колеса.

Мотор-колесо может отличаться тем, что постоянные магниты и электрические блоки установлены с зазорами, параллельно оси (см. фиг. 6).

При такой конструкции обеспечивается реализация малогабаритных изделий.

Мотор-колесо может отличаться также тем, что постоянные магниты и электрические блоки могут быть установлены зазорами под углом к оси. Такая конструкция обеспечивает реализацию обода колеса, например, конической формы (см. фиг. 7).

Кроме того, мотор-колесо отличается тем, что обмотки катушек выполнены из электропроводной ленты, например сверхпроводящего материала, покрытого изоляцией. При изготовлении обмоток из ленты катушки приобретают высокую прочность и плотность укладки. Применение сверхпроводящих материалов дает возможность значительно увеличить КПД и мощность мотор-колеса. Кроме того, мотор-колесо может отличаться тем, что постоянные магниты выполнены в виде набора секций постоянных магнитов.

Конструкция и принцип работы мотор-колеса поясняются чертежами, где:
- на фиг. 1 показан один из вариантов реализации мотор-колеса, состоящего из обода, закрепленного на обоймах, в которых установлены три тороидальных магнита с двумя чередующимися с магнитами электрическими блоками, жестко закрепленными на полой оси статора и через отверстия колец и полой оси подключены к блоку управления направлением и скоростью вращения и к блоку переключения фазовых секций, к источнику регулируемого напряжения;
- на фиг. 2 приведена схема электрическая, принципиальная мотор-колеса с блокам управления направления и скоростью вращения, блоком переключения фазовых секций и источником регулируемого напряжения;
- на фиг. 3 - конструкция электрического блока, содержащего диэлектрическое кольцо с контактами и радиатор, в пазах которого установлены ленточные катушки и датчики положения ротора, например датчики Холла;
- на фиг. 4 - топология контактов диэлектрического кольца, обеспечивающая коммутацию катушек, соединенных в секции, и соединение датчиков положения между собой;
- на фиг. 5 - эпюры напряжения в электрических блоках в зависимости от положения секций катушек и чередующегося магнитного поля постоянных магнитов ротора, направленных навстречу друг другу;
- на фиг. 6 представлена схема размещения магнитов и электрических блоков, установленных в тopoидальныx зазорах параллельно оси вала;
- на фиг. 7 представлена схема размещения магнитов и электрических блоков, установленных в тороидальных зазорах под углом к оси.

Мотор-колесо, содержащий обод 1, ось 2, электропривод с электродвигателем и источником 3 регулируемого напряжения, электродвигатель, состоящий из закрепленного на полой оси 2 статора с катушками 4 обмоток, размещенных группами с фиксированным угловым расстоянием между катушек 4, ротор, соединенный с ободом 1 колеса и подвижно закрепленный на подшипниках 5 на полой оси 2, имеет магнитопровод 6 с постоянными магнитами 7, электродвигатель снабжен датчиками 8 положения ротора, блоком 9 переключения фазовых секций и блоком 10 управления направлением и скоростью вращения электродвигателя, в электродвигателе установлены дополнительные постоянные магниты 7. Все магниты установлены в обоймах 11, соединенных с ободом колеса и магнитопроводами 6, установленными на подшипниках 5 полой оси. Статор снабжен двумя рядами электрических блоков 12, чередующимися с тремя рядами постоянных магнитов 7, установленных в обоймах 11. Электрические блоки 12 содержат диэлектрическое кольцо 13 с контактами 15 и радиатор 14, в пазах которого установлены секции ленточных катушек 4 с обмотками и датчики 8 положения ротора, например датчики Холла. Секции катушек 4 смещены друг относительно друга на 60, а датчики положения на 120 градусов. Катушки 4 секций и датчики 8 положения установлены в пазах радиатора 14, который обеспечивает отвод тепла и механическую прочность электрических блоков 12. Диэлектрическое кольцо 13 с контактами 15 электрически соединяет шесть ленточных катушек 4 в три пары фазовых секций, которые через отверстия кольца и полой оси подключены к переключателям П1, П2 и П3 блока 9 переключения фазовых секций. Переключатели синхронизированы между собой, имеют четыре состояния, соответствующие четырем режимам работы мотор-колеса:
а - мотор-колесо отключено от источника 3 регулируемого напряжения;
б - все фазовые секции катушек 4 подключены к силовым ключам 18 блока 10 управления, т.е. мотор-колесо имеет максимальные обороты и мощность;
в - фазовые секции катушек 4 первого электрического блока 12 подключены к силовым ключам 18 блока 10 управления, фазовые секции катушек 4 второго электрического блока 12 работают в режиме генератора и через выпрямитель 16 подключены на нагрузку, к источнику 3 регулируемого напряжения, для преобразования и накопления энергии;
г - все фазовые секции электрических блоков 12 работают в режиме генератора, подключены блоком 9 через выпрямитель 16 на нагрузку - к источнику 3, для преобразования и накопления энергии, т.е. для рекуперации энергии инерционного движения в электрическую энергию в режиме например, торможения транспортного средства. Обоймы 11 с магнитами 7 соединены между собой и с магнитопроводами 6 с образованием тороидальных зазоров 17, в пространстве которых размещены электрические блоки 12, при этом тороидальные зазоры 17 установлены под прямым углом к оси, причем чередующиеся магнитные поля постоянных магнитов 7 направлены навстречу друг другу, выводы датчиков 8 положения ротора и секции обмоток катушек 4 в рядах электрических блоков 12 соединены последовательно-параллельно и через отверстия 15 колец 13 и полой оси 2 подключены через блок 10 управления и блок 9 переключения фазовых секций к источнику 3 регулируемого напряжения.

Мотор-колесо предлагаемой конструкции работает следующим образом.

В режиме "а" источник 3 регулируемого напряжения отключен от электропривода мотор-колеса.

В режиме "б" состояние переключателей П1, П2 и П3 блока 9 подсоединяет источник 3 регулируемого напряжения и подает напряжение на электрические блоки 12. Ротор приходит во вращение, поскольку предложенное объединение рядов электрических блоков 12 и расположение тороидальных магнитов 7, установленных в обоймах 11 с чередующейся полярностью формирует в зазоре 17 суммарную напряженность магнитного поля всех магнитов, которое вызывает срабатывание датчиков положения 8 и соответственно происходит срабатывание силовых ключей 18, которые создают импульсные токи I₁, I₂, I₃ в подключенных обмотках секций катушек 4 (фиг. 5). При этом возникает сила, действующая между секциями катушек 4 и магнитным полем тороидального зазора 17. В результате ротор приходит во вращение, которое передается ободу и соответственно колесу.

Режимом "г" предусмотрено движение транспортного средства по инерции.

В положении переключателей П1,П2 и П3 "г" происходит индуцирование напряжения в фазовых обмотках, т.е. двигатель переходит в режим генератора, и происходит рекуперация энергии, т.е. подзарядка источника тока.

Благодаря тому, что тороидальные магниты 7 установлены в обоймах 11 и с помощью магнитопроводов 6 и чередующихся магнитных полей, направленных навстречу друг другу, обеспечивается формирование электромагнитной подушки в тороидальных зазорах 17, в которых размещены два электрических блока 12. Взаимодействие суммарных электромагнитных полей дает снижение нагрузки на подшипники 5 оси 2. Потокосцепление магнитного поля магнитов 7 и электрического поля обмоток катушек 8 при прохождении через них токов изменяется в зависимости от положения ротора, определяющего возникновение в обмотках электродвижущей силы U₁, U₂, U₃.

Это приводит к возникновению магнитоэлектрических сил в каждом зазоре 17, обеспечивающих создание вращающего момента или индукцию напряжения в обмотках при автоматическом переключении обмоток катушек 4 с помощью датчиков положения 8, чередующегося магнитного поля ротора.

Из эпюр фиг. 5 следует, что предложенная конструкция мотор-колеса обеспечивает суммирование электромагнитных полей в тороидальных зазорах 17, а чередующиеся ряды электрических блоков 12 и магнитов 7 создают суммарное электромагнитное поле. Оно создает вращающий момент на роторе или индукцию напряжения в обмотках катушек 4 при автоматическом переключении пространственных и временных фазовых сдвигов с помощью датчиков 8 положения ротора.

Суммирование в зазоре электромагнитных полей нескольких рядов электрических блоков и нескольких рядов магнитов дает возможность получить высокую удельную мощность электродвигателя или генератора, а электромагнитная подушка, возникающая между статором и ротором, позволяет значительно снизить нагрузки на подшипники вала и увеличить его надежность.

Изобретение позволяет суммировать электромагнитные поля в тороидальных электромагнитных зазорах мотор-колеса путем набора необходимого количества стандартных электрических блоков и постоянных магнитов, таким образом получать заданную высокую удельную мощность при высоком уровне унификации узлов и деталей, приводящих к высокой конкурентоспособности на мировом рынке.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве мотор-колеса транспортных средств. Мотор-колесо с бесконтактной коммутацией состоит из источника регулируемого напряжения, дискового ротора, а также статора, снабженного магнитами и рядами электрических блоков. Указанные блоки содержат секции катушек и датчики положения ротора, например датчики Холла. Такая конструкция мотор-колеса позволяет получить высокую удельную мощность при унификации узлов и деталей. 4 з.п. ф-лы., 7 ил.

1. Мотор-колесо, содержащее обод, полую ось, электропривод с источником регулируемого напряжения и электродвигателем, состоящим из закрепленного на полой оси статора с катушками обмоток, размещенными группами с фиксированным угловым расстоянием между катушками, ротора, соединенного с ободом колеса и подвижно закрепленного на подшипниках на оси, имеющего магнитопровод с основными, с чередующейся полярностью постоянными магнитами, размещенными равномерно на магнитопроводе, коллектор, который подключен к выходу источника регулируемого напряжения, отличающееся тем, что электродвигатель снабжен датчиками положения ротора, дополнительными магнитами, размещенными между основными магнитами, а статор снабжен расположенными в пространстве между магнитами рядами электрических блоков, каждый из которых содержит диэлектрическое кольцо с контактами и радиатор, в пазах которого установлены секции катушек с обмотками и датчики положения ротора, выводы которых присоединены к контактам диэлектрического кольца и объединены в фазовые секции, при этом все магниты установлены в обоймах, соединены между собой и с ободом колеса с образованием зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки, причем коллектор выполнен в виде блока переключения фазовых секций и блока управления направлением и скоростью вращения, причем выводы датчиков положения ротора подключены к контактам кольца и через отверстия колец и полой оси подключены к управляющим входам блока управления, а фазовые секции катушек подключены к контактам колец, а в рядах электрических блоков они соединены последовательно или параллельно или последовательно-параллельно и через отверстия колец и полой оси присоединены к блоку переключения фазовых секций, выходы которого подключены к блоку управления направлением и скоростью вращения колеса. 2. Мотор-колесо по п.1, отличающееся тем, что магниты и электрические блоки установлены с зазорами параллельно оси. 3. Мотор-колесо по п.1, отличающееся тем, что магниты и электрические блоки установлены с зазорами под углом к оси. 4. Мотор-колесо по п.1, отличающееся тем, что обмотки катушек выполнены из электропроводной ленты, например сверхпроводящей, покрытой изоляцией. 5. Мотор-колесо по п.1, отличающееся тем, что магниты выполнены в виде набора секций магнитов.