ИМПУЛЬСНО-ИНЕРЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК H02K23/04 

Изобретение относится к области электродвигателей постоянного тока, в частности безредукторным коллекторным электродвигателям низкого напряжения, и может быть использовано в качестве мотор-колес в транспортных средствах: электроприводных велосипедах, скутерах, мотоциклах, электроавтомобилях и т.д., а также в иных областях техники.

Широкое применение в технике, в том числе и на транспорте, нашли устройства снабжаемые редуктором и асинхронным электродвигателем. Указанные электродвигатели имеют ряд преимуществ по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, являясь экологически чистыми, надежными и экономичными.

Наиболее перспективными являются безредукторные мотор-колеса, у которых вращение колеса вызывается непосредственно электромагнитным взаимодействием магнитных систем ротора и статора. Известно мотор-колесо, содержащее обод и ось со встроенным асинхронным электродвигателем (SU 628008 А, 15.10.1978). Электродвигатель выполнен в виде дисковой асинхронной электромашины, статор которой с магнитопроводом, обмотками и токопроводом закреплен на неподвижной оси колеса, а ротор с короткозамкнутой обмоткой и магнитопроводами, размещенными с двух сторон статора, образуют колесо, выполненное с возможностью вращения. Такая конструкция мотор-колеса обеспечивает большую надежность за счет отсутствия механического редуктора и имеет улучшенное по сравнению с традиционной конструкцией охлаждение за счет радиальных каналов, омываемых охлаждающей средой. Однако использование такого элемента как асинхронный двигатель приводит к высокому тепловыделению, требует сложной системы управления и высоковольтных источников питания. Кроме того, такой мотор-колесо не имеет перспективы рекуперации электроэнергии как при движении, так и при торможении транспортного средства.

Известен встроенный электродвигатель (WO 93/08999 А1, 13.05.93), содержащий две основные части: неподвижный статор, закрепленный на оси и имеющий магнитопровод с постоянными магнитами, размещенными равномерно, и подвижный ротор, несущий обод и содержащий по крайней мере две группы электромагнитов, а также распределительный коллектор, закрепленный на статоре и имеющий токопроводящие пластины, соединенные с источником постоянного тока. На роторе закреплены токосъемники, имеющие электрический контакт с пластинами распределительного коллектора.

Указанное мотор-колесо имеет различные модификации и варианты исполнения (US 6384496 B1, 07.05.2002; US 6617746 B1, 09.09.2003; RU 2129965 C1, 10.05.1999; RU 2072261 C1, 20.08.2001). К преимуществам такого устройства относятся: отсутствие редуктора, использование низковольтных источников питания, отсутствие дополнительных электронных схем, возможность рекуперции энергии, небольшие габариты и вес. Комбинирование основных элементов мотор-колеса в сочетании с дополнительными устройствами позволяет создавать аналогичные по принципу работы и обладающие указанными преимуществами мотор-колеса.

Однако описанное мотор-колесо и его разновидности имеют ряд недостатков, главный из которых заключается в необходимости больших пусковых и переходных токов при трогании и ускорении транспортного средства. Это приводит к быстрому износу и порче аккумуляторов и ухудшению теплового режима. Другим недостатком является недостаточно эффективное возвращение и использование электроэнергии. Также названные электродвигатели имеют низкий крутящий момент, что существенно ограничивает область их практического использования.

Известные технические решения, направленные на устранение указанных недостатков, связаны с применением высоковольтных источников питания и сложных схем управления, что делает их дорогостоящими и малонадежными в эксплуатации (US 6791226 B1, 14.09.2004; US 6727668 B1, 27.04.2004; US 6355996 B1, 12.03.2002).

Настоящее изобретение направлено на улучшение эксплуатационно-технических характеристик электродвигателя при сохранении относительной простоты конструкции и надежности.

Импульсно-инерционный электродвигатель, в соответствии с настоящим изобретением, содержит: статор с круговым магнитопроводом, на котором закреплено четное количество постоянных магнитов с одинаковым шагом;

ротор, отделенный от статора воздушным промежутком и несущий четное число электромагнитов, которые расположены попарно напротив друг друга;

распределительный коллектор, закрепленный на корпусе статора и имеющий расположенные по окружности токопроводящие пластины, соединенные с чередованием полярности с постоянным источником тока и разделенные диэлектрическими промежутками;

токосъемники, установленные с возможностью контакта с пластинами коллектора, причем каждый из токосъемников подключен к одноименному выводу обмоток соответствующих электромагнитов.

Каждый из электромагнитов имеет по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, причем обмотки катушек смежных электромагнитов соединены последовательно, а выводы обмоток противоположных электромагнитов, не подключенные к токосъемникам, соединены между собой. Количество постоянных магнитов статора, равное n и количество электромагнитов ротора равное m, подбирают таким образом, чтобы они удовлетворяли соотношениям:

n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д.

m=4+2L, где L - любое целое число, удовлетворяющее условию 0≤L≤k.

Наиболее часто используемые соотношения количества постоянных магнитов и электромагнитов следующие: n=10, m=4; n=14, m=6; n=18, m=4; n=22, m=4, 6, 8, 10; n=26, m=4, 6, 8, 10, 12 и т.д.

Такое соотношение числа электромагнитов и постоянных магнитов, их взаиморасположение и используемая схема коммутации электромагнитов обеспечивает резонанс токов текущих через обмотки диаметрально противоположных электромагнитов,

и как следствие, уменьшает скачки напряжения (электропотребление) при трогании и разгоне электродвигателя и улучшает его динамические характеристики. Кроме того, такая конструкция электродвигателя позволяет максимально эффективно рекуперировать электроэнергию за счет возникновения противоЭДС при холостом ходе.

Практически ликвидировать искрение на токосъемниках можно путем выбора подходящего угла опережения между токосъемниками и токопроводящими пластинами коллектора. Поэтому обычно токосъемники устанавливают на электродвигателе с возможностью регулировки их положения относительно коллектора. Угол опережения лежит в диапазоне от 0 до 8°.

Общее число витков в обмотках катушек противоположных электромагнитов может быть различно. При этом резонансные явления усиливаются, если разница в количестве витков составляет величину 1/2^p от общего числа витков в одной из катушек, где р=2, 3, 4, 5 и т.д.

Настоящее изобретение может быть использовано как для электродвигателя однонаправленного вращения, так и для реверсивного электродвигателя, в зависимости от способа подключения электропитания. В первом случае положительные токопроводящие пластины распределительного коллектора соединяют с положительным полюсом источника постоянного тока, а отрицательные токопроводящие пластины распределительного коллектора при этом замкнуты на корпус электродвигателя.

В реверсивном электродвигателе положительные токопроводящие пластины распределительного коллектора соединяют с положительным полюсом источника постоянного тока, а отрицательные токопроводящие пластины распределительного коллектора соединяют с отрицательным полюсом источника постоянного тока и изолируют от корпуса электродвигателя. Для изменения направления вращения электродвигателя меняют подключение полюсов источника постоянного тока на противоположное.

Конструктивно электродвигатель может быть выполнен так, что ротор будет расположен с внешней стороны статора или ротор будет расположен внутри статора.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 изображена схема электродвигателя, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, у которого статор электродвигателя расположен внутри ротора;

На фиг.2 изображена принципиальная электрическая схема реверсивного электродвигателя;

На фиг.3 изображена схема электродвигателя, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, у которого статор электродвигателя расположен снаружи ротора.

На фиг.1 представлен электродвигатель, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, который может быть использован как мотор-колесо для различных транспортных средств, например велосипеда с электроприводом. Электродвигатель содержит обечайку 1, выполняющую роль защитного кожуха, и непосредственно передающую вращение на колесо. Обечайка соединена посредством спиц с ободом колеса (не показано). Статор 2 электродвигателя расположен внутри ротора 3. Статор 2 имеет круговой магнитопровод 4, на котором закреплено четное количество постоянных магнитов 5 с одинаковым шагом и чередующейся полярностью. В данном случае десять магнитов. Ротор 3 отделен от статора воздушным промежутком и несет четное число электромагнитов 6. В данном случае четыре. Электромагниты расположены попарно напротив друг друга и образуют две пары. Каждый из указанных электромагнитов имеет по две катушки 7 с последовательно встречным направлением обмотки, (то есть, если одна из катушек намотана по часовой стрелке, то другая против часовой). Между собой катушки одного электромагнита соединены последовательно, конец обмотки первой катушки электромагнита соединен с началом обмотки второй катушки электромагнита. На фиг.1 начало обмотки первой катушки обозначено буквой "Н", конец обмотки второй катушки обозначен буквой "К".

При работе электродвигателя катушки 7 электромагнитов 6, запитываются от источника постоянного тока (не показан) через распределительный коллектор 8 и токосъемники 9. Распределительный коллектор 8 неподвижен относительно статора, а токосъемники 9 связаны с ротором и при его вращении перемещаются относительно токоведущих пластин 10. Указанные пластины соединены с чередованием полярности с постоянным источником тока и разделены диэлектрическими промежутками 11. Количество пластин в распределительном коллекторе соответствует числу магнитов статора и в данном случае равно десяти.

Каждый из токосъемников 9 подключен к одноименным выводам обмоток одного из электромагнитов 6. На фигуре изображен вариант подключения к началу обмотки первой катушки электромагнита, обозначенной буквой "Н". (Возможен также вариант подключения токосъемников к концу обмотки второй катушки, обозначенной буквой "К", в этом случае двигатель будет вращаться в противоположную сторону).

Между собой электромагниты 6 соединены по следующей схеме:

обмотки катушек смежных электромагнитов соединены последовательно, то есть вывод обмотки "К" одного электромагнита соединяется с выводом "Н" соседнего электромагнита;

а выводы обмоток противоположных электромагнитов не подключенные к токосъемникам, в данном случае "К", соединены между собой.

Общее число постоянных магнитов статора - n, равное десяти и количество электромагнитов - m, равное четырем, удовлетворяют соотношениям:

n=10+4k,

m=4+2L, где k=L=0.

Принцип действия электродвигателя, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, аналогичен традиционному электродвигателю постоянного тока и основан на силах электромагнитного притяжения и отталкивания, возникающих при взаимодействии электромагнитов 6 ротора и постоянных магнитов 5 статора. При прохождении электромагнитом положения, когда его ось расположена между осями постоянных магнитов, катушки электромагнита запитаны так, что создают магнитный полюс, противоположный полюсу последующего в направлении вращения постоянного магнита и одноименный с полюсом предыдущего постоянного магнита. Таким образом, электромагнит одновременно отталкивается от предыдущего и притягивается к последующему постоянному магниту. При прохождении электромагнитом положения напротив оси постоянного магнита он обесточен, поскольку токосъемник располагается напротив диэлектрического промежутка. Это положение электромагнит проходит по инерции. Преимущества настоящего электродвигателя заключаются в строго определенном соотношении числа электромагнитов и постоянных магнитов и их взаиморасположении, а также в используемой схеме коммутации электромагнитов.

На фиг.2 изображена принципиальная электрическая схема электродвигателя, в соответствии с настоящим изобретением. Общее число постоянных магнитов статора - n, равное четырнадцати и количество электромагнитов ротора - m, равное шести, удовлетворяют соотношениям:

n=10+4К,

m=4+2L, где k=L=1.

Число витков в обмотках катушек противоположных электромагнитов может быть различно. Для усиления резонансных явлений предпочтительно, чтобы эта разница составляла величину 1/2^p от общего числа витков в одной из катушек, где р=2, 3, 4, 5 и т.д. Например, если суммарное количество витков в катушках одного электромагнита равно 128 и р=5, то суммарное количество витков в катушках диаметрально противоположного электромагнита будет 124. Если р=4, то суммарное количество витков в катушках диаметрально противоположного электромагнита будет равно 120 и т.д.

Распределительный коллектор 8 подключен к источнику 13 постоянного тока. Ключ 14 осуществляет общее включение-выключение питания. Схема может также содержать дополнительный переключатель 15, изменяющий полярность подводимого к распределительному коллектору напряжения. Изменение положения переключателя 15 позволяет сразу изменять направление вращения электродвигателя с прямого на реверсивное. Кроме того, электрическая схема может включать дополнительные блоки (не показаны) для стабилизации и управления электрическим током. Например, для ускорений и трогания с места может быть использован накопитель-хемотрон, имеющий импульсный разряд большой емкости и высокую надежность.

На фиг.3 изображен электродвигатель, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, у которого статор 2 электродвигателя расположен снаружи ротора 3. Такой электродвигатель может быть использован для электроподъемников, электрогенераторов и т.п. Конструктивное исполнение и принцип действия у этого электродвигателя аналогичен описанному выше.

Примеры реализации.

Пример 1.

Электродвигатель, изготовленный в соответствии с настоящим изобретением, демонстрирует высокие эксплутационные характеристики и надежность конструкции.

Электродвигатель имеет 22 постоянных магнита статора, 3 пары электромагнитов ротора, обмотка каждой катушки электромагнита содержит 68 витков провода диаметром 1,06 мм. При этом электродвигатель обладает следующими параметрами.

Габариты - диаметр 300 мм, ширина 50 мм.

Вес - 7,5 кг.

Потребляемая мощность - 240 Вт.

Напряжение питания - 24 В.

Крутящий момент - 9,6 Н/м.

Данный электродвигатель был установлен в качестве мотор-колеса на велосипед марки "STELS" с диаметром колеса 26 дюймов. В качестве источника питания были использованы две аккумуляторные батареи по 12 В и емкостью 20 А/ч. Велосипед с электрическим приводом на трековых испытаниях показал следующие характеристики.

Грузоподъемность - 120 кг.

Крейсерская скорость - 25 км/ч.

Длина пробега - 40 км (при разряде батарей до уровня 10,5 В).

Пример 2.

Другой вариант электродвигателя имеет 22 постоянных магнита статора и 5 пар электромагнитов ротора, обмотка каждой катушки электромагнита содержит 50 витков провода диаметром 1,25 мм. При этом электродвигатель обладает следующими параметрами.

Габариты - диаметр 300 мм, ширина 60 мм.

Вес - 9,6 кг.

Потребляемая мощность - 1000 Вт.

Напряжение питания - 48 В.

Крутящий момент - 40 Н/м.

Данный электродвигатель был установлен в качестве мотор-колеса на скутер с диаметром мотоциклетного колеса 16 дюймов. В качестве источника питания были использованы 4 аккумуляторные батареи по 12 В и емкостью 20 А/ч. Данный скутер на трековых испытаниях показал следующие характеристики.

Грузоподъемность - 150 кг.

Крейсерская скорость - 45 км/ч (максимальная 60 км/ч).

Длина пробега - 50 км (при разряде батарей до уровня 10,5 В).

Пример 3.

Другой вариант электродвигателя имеет 18 постоянных магнитов статора и 4 пары электромагнитов ротора, обмотка каждой катушки электромагнита содержит 55 витков провода диаметром 1,32 мм. При этом электродвигатель обладает следующими параметрами.

Габариты - диаметр 306 мм, ширина 72 мм.

Вес - 11 кг.

Потребляемая мощность - 1500 Вт.

Напряжение питания - 48 В.

Крутящий момент - 52 Н/м.

Два таких электродвигателя были установлены в качестве мотор-колес на 3-колесную рикшу, рассчитанную на водителя и двух пассажиров. Диаметр мотоциклетного колеса с электродвигателем 16 дюймов. В качестве источника питания были использованы 4 аккумуляторные батареи по 12 В и емкостью 60 А/ч. Данная электрорикша на трековых испытаниях показала следующие характеристики.

Грузоподъемность - 500 кг.

Крейсерская скорость - 45 км/ч (максимальная 70 км/ч).

Длина пробега - 70 км (при разряде батарей до уровня 10,5 В).

Изобретение относится к электротехнике, к электродвигателям постоянного тока, в частности к безредукторным коллекторным электродвигателям низкого напряжения, и может быть использовано в качестве мотор-колес на транспорте или иных областях техники. Технический результат состоит в улучшении эксплуатационно-технических характеристик при сохранении простоты конструкции и надежности. Электродвигатель содержит статор с магнитопроводем, на котором закреплено с одинаковым шагом четное количество постоянных магнитов. Ротор несет четное число электромагнитов, которые расположены попарно напротив друг друга. Распределительный коллектор закреплен на корпусе статора и имеет расположенные по окружности токопроводящие пластины, соединенные с чередованием полярности с источником постоянного тока и разделенные диэлектрическими промежутками. Токосъемники контактируют с пластинами коллектора и каждый из них подключен к одноименному выводу обмоток соответствующих электромагнитов, имеющих по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки. Обмотки катушек смежных электромагнитов соединены последовательно, а выводы обмоток противоположных электромагнитов, не подключенные к токосъемникам, соединены между собой. Количество n постоянных магнитов статора и количество m электромагнитов ротора подбирают таким образом, чтобы они удовлетворяли соотношениями n=10+4k, где k=0, 1, 2, 3..., m=4+2L, где 0≤L≤k. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электродвигатель, содержащий статор с круговым магнитопроводом, на котором закреплено четное количество постоянных магнитов с одинаковым шагом; ротор, отделенный от статора воздушным промежутком и несущий четное число электромагнитов, каждый из которых имеет по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки; распределительный коллектор, закрепленный на корпусе статора и имеющий расположенные по окружности токопроводящие пластины, соединенные с чередованием полярности с постоянным источником тока и разделенные диэлектрическими промежутками; токосъемники, установленные с возможностью контакта с пластинами коллектора, причем каждый из токосъемников подключен к одноименному выводу обмоток соответствующих электромагнитов, где электромагниты расположены попарно напротив друг друга, и обмотки катушек смежных электромагнитов соединены последовательно, а выводы обмоток противоположных электромагнитов, не подключенные к токосъемникам, соединены между собой, при этом количество постоянных магнитов статора, равное n, удовлетворяет соотношению n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3..., а количество электромагнитов ротора m удовлетворяет соотношению m=4+2L, где L - любое целое число, удовлетворяющее условию 0≤L≤k.2. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что количество токопроводящих пластин в распределительном коллекторе равно числу постоянных магнитов статора.3. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что осевые линии диэлектрических промежутков распределительного коллектора ориентированны по осевым линиям постоянных магнитов статора.4. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что число витков в обмотках катушек противоположных электромагнитов различно и эта разница составляет величину 1/2^P от общего числа витков в одной из катушек, где р=2, 3, 4, 5 и т.д.5. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что положительные токопроводящие пластины распределительного коллектора соединены с положительным полюсом источника постоянного тока, а отрицательные токопроводящие пластины распределительного коллектора замкнуты на корпус электродвигателя.6. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что положительные токопроводящие пластины распределительного коллектора соединены с положительным полюсом источника постоянного тока, а отрицательные токопроводящие пластины распределительного коллектора соединены с отрицательным полюсом источника постоянного тока и изолированы от корпуса электродвигателя.7. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что угол опережения между токосъемниками и токопроводящими пластинами коллектора лежит в диапазоне от 0 до 8°.8. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что ротор расположен с внешней стороны статора.9. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что ротор расположен внутри статора.