ИНДУКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2008 года по МПК H02K23/04 H02K23/00 

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 скутерах, мотоциклах, электро-автомобилях и т.д., а также в иных областях техники.

Широкое применение в технике, в том числе и на транспорте, нашли электродвигатели, имеющие 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. 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 2172261 C1, 20.08.2001). К преимуществам такого устройства относятся: отсутствие редуктора, использование низковольтных источников питания, отсутствие дополнительных электронных схем, возможность рекуперации 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).

Известен также электродвигатель (RU 2285997 С1), 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, распределительный коллектор, закрепленный на корпусе статора, токосъемники, установленные с возможностью контакта с пластинами коллектора. К преимуществам такого устройства относятся: возможность рекуперировать электроэнергию, пониженный уровень искрения на токосъемниках, а также реверсивность при сохранении простоты конструкции и улучшении эксплуатационных характеристик.

Настоящее изобретение направлено на снижение себестоимости электродвигателя, повышение его экономичности, исключение искрения и реактивности, создание условий для свободного инерционного хода и большой скорости вращения электродвигателя при сохранении относительной простоты конструкции и надежности.

Индукторный электродвигатель, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, содержит:

- обод, на котором с одинаковым шагом располагаются зубцы, выполненные из магнитомягкого материала;

- круговую раму, несущую четное число подковообразных (П-образных) электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга и имеющих по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки;

- средство подачи на электромагниты электрических импульсов одинаковой полярности.

Количество зубцов на ободе, равное n, удовлетворяет соотношению:

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

Предпочтительно, чтобы количество электромагнитов, расположенных на круговой раме, удовлетворяло соотношению: m=4+2L, где L - любое целое число, удовлетворяющее условию 0≤L≤k. Наиболее часто используемые соотношения количества зубцов и электромагнитов следующие: n=10, m=8; n=14, m=6; n=18, m=8; n=22, m=10 и т.д. Обмотки катушек смежных электромагнитов соединены последовательно, а выводы обмоток противоположных электромагнитов, не подключенные к средству подачи электрических импульсов, соединены между собой.

Такое соотношение числа электромагнитов и зубцов магнитомягкого материала, 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.

В настоящем изобретении может быть использована также любая другая схема соединения обмоток электромагнитов, отвечающая вышеназванным условиям и позволяющая достичь заявленного результата.

Индукторный электродвигатель, в соответствии с настоящим изобретением, может быть выполнен в двух вариантах.

В первом варианте роль средства подачи на электромагниты электрических импульсов выполняет коллектор. В этом случае упомянутый обод с зубцами, выполненными из магнитомягкого материала, расположен на статоре электродвигателя. Ротор, отделенный от статора воздушным промежутком, содержит круговую раму, несущую четное число подковообразных электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга. Коллектор, закрепленный на статоре, имеет расположенные на изоляционной основе токопроводящие пластины, разделенные диэлектрическими промежутками. Токопроводящие пластины соединены с одним полюсом источника постоянного тока. Другой полюс источника постоянного тока соединен с корпусом электродвигателя.

Электродвигатель содержит также токосъемники, установленные с возможностью контакта с пластинами коллектора. Каждый из токосъемников подключен к одноименным выводам: или только к началу каждой обмотки, или только к концу каждой обмотоки соответствующих электромагнитов. Выводы обмоток противоположных электромагнитов, не подключенные к токосъемникам, замкнуты на корпус.

Общее число токопроводящих пластин коллектора равно числу зубцов статора. При этом осевые линии диэлектрических промежутков коллектора ориентированны по осевым линиям зубцов статора. Конструкция выполнения коллектора может быть торцевой или радиальной.

В другом варианте изобретения индукторный электродвигатель выполнен в соответствии с бесколлекторной схемой. В этом случае электродвигатель содержит:

- статор с круговой рамой, несущей четное число подковообразных (П-образных) электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга и имеющих по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки;

- ротор, отделенный от статора воздушным промежутком, на роторе расположен обод с зубцами, выполненными из магнитомягкого материала;

- электронную систему управления напряжением, которая генерирует импульсы постоянного тока;

- датчик углового положения ротора, который подает сигнал на электронную схему для запитывания или обесточивания катушек электромагнитов при прохождении мимо них зубцов ротора.

При бесколлекторном варианте исполнения индукторного электродвигателя конструкция электромагнитов и способ их коммутации аналогичен описанному выше.

Датчик положения ротора (ДПР) реализует обратную связь по положению ротора, он выполняет ту же функцию, что и коллектор в двигателе постоянного тока. Его работа может быть основана на разных физических принципах: фотоэлектрическом, индуктивном, на эффекте Холла и т.д. Наибольшую популярность приобрели датчики Холла и фотоэлектрические, поскольку они практически безынерционны и позволяют избавиться от запаздывания в канале обратной связи.

Система управления содержит силовые ключи, часто тиристоры или силовые транзисторы с изолированным затвором. Из них собирается генератор импульсного напряжения. Сигналы датчиков преобразуются управляющим устройством в комбинацию управляющих напряжений, которые управляют силовыми ключами так, что в каждый такт работы электродвигателя включены соответствующие электромагниты. Система управления ключами обычно реализуется на основе использования микроконтроллера.

Вместо электронной схемы и датчика углового положения ротора для своевременной подачи и снятия питания с электромагнитов статора может использоваться поданная по обратной связи информация о противо-ЭДС и RISC-микроконтроллер, либо любой другой способ, позволяющий достичь заявленного результата.

Конструктивно оба варианта электродвигателя могут быть выполнены так, что ротор будет расположен с внешней стороны статора или ротор будет расположен внутри статора.

Отсутствие в конструкции электродвигателя постоянных магнитов снижает конечную стоимость, исключает реактивность и искрение, создает условия для свободного инерционного хода и большой скорости вращения.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:

на Фиг.1 изображена схема электродвигателя, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, у которого статор расположен снаружи ротора;

на Фиг.2 изображена принципиальная электрическая схема электродвигателя;

на Фиг.3 изображена схема электродвигателя, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, у которого статор электродвигателя расположен внутри ротора;

на Фиг.4 изображена схема бесколлекторного электродвигателя, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, у которого статор расположен внутри ротора.

На Фиг.1 представлен электродвигатель, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, который может быть использован в качестве электрического привода в различных областях науки и техники. Электродвигатель содержит обечайку 1, выполняющую роль защитного кожуха. Статор 2 электродвигателя расположен снаружи ротора 3. Статор 2 имеет круговую раму 4, на которой располагается четное количество зубцов 5 из магнитомягкого материала с одинаковым шагом. В данном случае четырнадцать зубцов. Зубцы могут представлять собой металлические пластины (выполненные отдельно из мягкой стали, например марки Э10890), закрепленные в пазах статора 2. Или, как в данном случае, весь статор вместе с зубцами набирается из шихтованных пластин (выполненных, например, из электротехнической стали 2412). Ротор 3 отделен от статора воздушным промежутком и несет четное число электромагнитов 6. В данном случае шесть. Электромагниты расположены попарно напротив друг друга и образуют три 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 токопроводящих пластин 10. Указанные токопроводящие пластины соединены с положительным полюсом источника постоянного тока и разделены диэлектрическими промежутками 11. Количество токопроводящих пластин в коллекторе соответствует числу зубцов статора и в данном случае равно четырнадцати.

Каждый из токосъемников 9 подключен к одноименным выводам обмоток одного из электромагнитов 6. На фиг.1 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 ту же сторону.) Направление вращения электродвигателя определяется углом опережения между токосъемниками и токопроводящими пластинами коллектора.

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 и замкнуты на корпус.

Общее число зубцов на статоре - n, равное четырнадцати, и количество электромагнитов - m, равное шести, удовлетворяют соотношениям:

n=10+4k,

m=4+2L, где k=L=1.

Принцип действия электродвигателя, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, основан на силах электромагнитного притяжения, возникающих при взаимодействии электромагнитов 6 ротора и зубцов 5 статора. После прохождения электромагнитом положения, когда его ось расположена между осей зубцов, через токосъемник запитываются катушки электромагнита, таким образом, электромагнит притягивается к последующему зубцу. При прохождении электромагнитом положения напротив оси зубца он обесточен, поскольку токосъемник располагается напротив диэлектрического промежутка. Это положение электромагнит проходит за счет «тяги» других фаз, геометрически сдвинутых относительно друг друга.

Распределительный коллектор 8 подключен к источнику 13 постоянного тока (Фиг.2). Ключ 14 осуществляет общее включение-выключение питания. 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.

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.

На Фиг.3 представлен электродвигатель, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, который может быть использован как мотор-колесо для различных транспортных средств, например скутер с электроприводом, мотоцикл или электромобиль. Электродвигатель содержит обечайку 14, выполняющую роль защитного кожуха и непосредственно передающую вращение на колесо. Обечайка соединена посредством спиц с ободом колеса (не показано). Статор 15 электродвигателя расположен внутри ротора 16. Статор 15 имеет круговую раму 17, на которой с одинаковым шагом располагается четное количество зубцов 18. В данном случае четырнадцать зубцов. Ротор 16 отделен от статора воздушным промежутком и несет четное число электромагнитов 19. В данном случае шесть. При работе электродвигателя катушки электромагнитов 19 запитываются от источника постоянного тока (не показан) через коллектор 20 и токосъемники 21. Коллектор 20 неподвижен относительно статора, а токосъемники 21 связаны с ротором и при его вращении перемещаются относительно токоведущих пластин 22.

Конструктивное исполнение и принцип действия у этого электродвигателя аналогичен описанному выше.

На Фиг.4 представлен бесколлекторный двигатель, выполненный в соответствии с другим вариантом настоящего изобретения. Электродвигатель содержит обечайку 23, выполняющую роль защитного кожуха. Статор 24 электродвигателя расположен снаружи ротора 25. На статоре 24 с одинаковым шагом располагается четное число электромагнитов 26. В данном случае шесть электромагнитов. Электромагниты расположены попарно напротив друг друга и образуют три пары (фазы). Ротор 25 отделен от статора воздушным промежутком и несет четное число зубцов 27. В данном случае 14. Конструктивно исполнение электромагнитов и схема их коммутации аналогичны описанному выше. Электродвигатель также содержит датчик 29 углового положения ротора, который подает сигнал на электронную схему 28 для запитывания или обесточивания катушек электромагнитов 26 при прохождении мимо них зубцов 27 ротора.

Пример реализации

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

Электродвигатель имеет 14 зубцов статора (изготовлен из шихтованных пластин, сталь 2412), шесть электромагнитов ротора, обмотка каждой катушки электромагнита содержит 90 витков проводом ПЭТФ диаметром 1,06 мм. При этом электродвигатель обладает следующими параметрами:

габариты - диаметр 250 мм, ширина 100 мм;

вес - 6,5 кг;

напряжение питания - 36 В;

среднее значение тока - 12 А;

крутящий момент - 15 Н/м;

КПД - 77-81%

Данный электродвигатель был установлен в качестве мотор-колеса на скутер с диаметром колеса 14 дюймов. В качестве источника питания были использованы три аккумуляторные батареи по 12 В и емкостью 20 А/ч. Скутер с электрическим приводом на трековых испытаниях показал следующие характеристики:

грузоподъемность - 160 кг;

крейсерская скорость - до 60 км/ч;

длина пробега - до 100 км (при разряде батарей до уровня 10,5 В).

Для электродвигателя, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, отсутствие постоянных магнитов ведет к снижению конечной стоимости и улучшению масс-габаритных характеристик; отсутствие необходимости переключения полярности питания повышает экономичность электродвигателя, исключает искрение; отсутствие «залипания» на магнитах создает условия для свободного инерционного хода и большой скорости вращения электродвигателя, а уникальные технические характеристики электродвигателя достигаются также выбором строго определенного соотношения числа взаимодействующих электромагнитов и зубцов, их взаиморасположением и используемой схемой коммутации электромагнитов.

Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения электродвигателей постоянного тока, частности - безредукторных коллекторных электродвигателей низкого напряжения, и может быть использовано в различных областях техники, например в качестве мотор-колес в таких транспортных средствах, как электроприводные скутера, мотоциклы, электро-автомобили и т.д. Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, состоит в снижении себестоимости электродвигателя, повышении его экономичности, исключении искрения и реактивности, создании условий для свободного инерционного хода и большой скорости вращения электродвигателя при сохранении его надежности и относительной простоты конструкции. Сущность изобретения состоит в том, что индукторный электродвигатель, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, содержит обод, на котором с одинаковым шагом располагаются зубцы, выполненные из магнитомягкого материала, круговую раму, несущую четное число подковообразных (П-образных) электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга и имеющих по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, средство подачи на электромагниты электрических импульсов одинаковой полярности. При этом количество зубцов на ободе, равное n, удовлетворяет соотношению: n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Индукторный электродвигатель постоянного тока, содержащий статор, содержащий обод, на котором с одинаковым шагом располагаются зубцы из магнитомягкого материала; ротор, отделенный от статора воздушным промежутком, содержащий круговую раму, несущую четное число подковообразных электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга и имеющих по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки; коллектор, закрепленный на корпусе статора, имеющий расположенные на изоляционной основе токопроводящие пластины, соединенные с одним полюсом источника постоянного тока и разделенные диэлектрическими промежутками, другой полюс источника постоянного тока соединен с корпусом электродвигателя; токосъемники, установленные с возможностью контакта с пластинами коллектора, причем каждый из токосъемников подключен к одноименному выводу обмоток соответствующих электромагнитов, где обмотки катушек смежных электромагнитов соединены последовательно, а выводы обмоток противоположных электромагнитов, не подключенные к токосъемникам, соединены между собой и замкнуты на корпус электродвигателя,

при этом количество зубцов статора, равное n, удовлетворяет соотношению n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д.

датчик углового положения, который подает сигнал на электронную схему для запитывания или обесточивания катушек электромагнитов при прохождении мимо них зубцов ротора; электронную схему управления напряжением, где обмотки катушек смежных электромагнитов соединены последовательно, одноименные выводы каждого из электромагнитов подключены к системе управления напряжением, а выводы обмоток противоположных электромагнитов, не подключенные к системе управления напряжением, соединены между собой и замкнуты на корпус электродвигателя, при этом количество зубцов статора, равное n, удовлетворяет соотношению 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.