Способ создания движущего момента в колесе транспортного средства грузоподъёмностью от 170 тонн и устройство для его реализации Российский патент 2018 года по МПК B60K7/00 H02K19/10 H02K21/02 

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано при проектировании электроприводов транспортных средств особо большой грузоподъемности (170 т и выше), а также в крупных технологических механизмах, где можно применить «мотор-колесо».

Покажем вариант возможной модернизации автосамосвала Юклид грузоподъемностью 170 т с электродвигателями постоянного тока, включенными по дифференциальной схеме (ЭД) [система «Стейтекс» тяговых двигателей фирмы Дженерал Электрик, Пенсильвания 16531, США, 1981]. При делении номинального напряжения U_н=620B на выпрямительном мосту синхронного генератора мощностью 1600 л.с. и токе I_м=1600А в схеме ЭД мощность одного двигателя . Частота вращения колеса n_k при редукции i=28,8 и n_g=1900 об/мин . Для получения такой частоты вращения без редуктора на валу нагрузки в приводе переменного тока необходим двигатель, имеющий число пар полюсов , где f - частота сети, s_н - номинальное скольжение, . Мощность двигателя кВт, где М_с - момент приведенный к валу двигателя М_мех - момент нагрузки механизма в КГМ , i - передаточное отношение редуктора. В безредукторном (совмещенном) мотор-колесе i=1 и момент нагрузки на валу двигателя возрастает в 28,8 раз. Для создания движущего момента Mg=F⋅R, где F - магнитодвижущая сила, R - радиус приложения силы F. При неизменном R величина F должна увеличиться в 28,8 раз! Это значит, что для создания такой силы весо-габаритные показатели активных материалов необходимо увеличить в соответствующее число раз! При исключении двигателя и редуктора активные материалы необходимо разместить внутри колеса! Известно, что объем цилиндра ступицы колеса O=πr²L (r - внутренний радиус цилиндра ступицы колеса, L - длина цилиндра по оси). Параметр F обратно-пропорционален значению i в редукторном варианте, а О - пропорционален R². Очевидно, что зависимость объема цилиндра от квадрата радиуса создает возможность размещения активных материалов (медь и сталь) в безредукторном варианте только при значительном увеличении R. При увеличении R в 28,8 раза сохраняются электромеханические характеристики редукторного мотор-колеса. Но такое увеличение R в пределах даже диаметра колеса 3,6 м невозможно. Рассмотрим вариант модернизации привода без классического двигателя с редуктором - на базе первичных - вторичных элементов линейных асинхронных двигателей (ЛАД), в которых первичный элемент (индуктор) имеет 3-х фазную обмотку с разомкнутым магнитопроводом, -ир но в качестве вторичного элемента использован постоянный магнит. Соотношение между параметрами колеса со встроенными внутри ступицы индукторами определяем за один оборот колеса при максимальных значениях: мощности Р, частоты напряжения питающей сети f, скорости перемещения механизма V, являющиеся независимыми величинами. Магнитодвижущая сила F вторичных элементов, радиус точки приложения F (R_F), редукция i - количество секторов (индукторов) в объеме ступицы, ширина ступицы L (размер по оси вращения), диаметр шин, создающих контактную поверхность колеса с поверхностью движения - D_ш являются производными величинами. В условиях работы с короткими плечами (расстояние между погрузкой и выгрузкой) карьерных самосвалов их производительность определяется в основном величиной грузоподъемности (Г.П.) и простоем под погрузкой. В связи с этим параметр V весьма консервативен. Так для линейки БелАЗ Г.П. от 75 тонн (БелА3-549) до Г.П. 450 тонн (БелА3-75710) Vmax=40÷65 км/час. Существенную роль играет наличие разработок и выпуска комплектующих изделий. Увеличение Г.П. самосвалов решается за счет применения полноприводной трансмиссии (отдельный привод каждого колеса) и увеличения числа шин на колесе (увеличения параметра L). Предельная величина R_F ограничивается диаметром шины и толщиной стенки цилиндра ступицы колеса с учетом элементов крепления шин и размерами по оси постоянных магнитов. Увеличение объема ступицы колеса легче осуществить за счет варьирования параметра L. Если при заданной мощности Р разместить объемы элементов (сталь, электропроводные материалы) в ступице не удается, то радикальным решением следует считать увеличение D_ш, но при этом необходимо увеличить редукцию, т.е. число секторов и число индукторов в ступице, чтобы снизить частоту вращения колеса до 1 об/сек при f=50 Гц. Частота вращения колеса при V_max км/час и D_ш в метрах должна соответствовать , где i - величина редукции, р - число пар полюсов, f_max - максимальная частота в секунду, тогда ; . При f_max=50 Гц, D_ш=5M, р=1, \/_max=50 км/час . Таким образом внутри ступицы колеса необходимо разместить 56 пар индуктор - постоянный магнит, образующих в 56 секторах непрерывные поверхности. Индукторы можно запитать через концентрические шины, установленные в конструкции колеса. Каждый ИР взаимодействует с вторичным элементом на подвижной ступице колеса в своем секторе. Варьируя, числом и характеристиками ИР, можно создать унифицированный ряд, который позволит набирать электропривод мотор-колесо для различных машин и механизмов из серийно выпускаемых электротехнических изделий. Металлоемкие детали устройства при разнообразии типажа конкретных электроприводов могут быть спроектированы и изготовлены только производителями самого технологического оборудования, причем конструктор, рассчитывая плечо рычага определяет соотношение между параметрами движущего момента - магнитодвижущей силой ИР и точкой ее приложения, т.е. величину R.

В дальнейшем описании изобретения авторы не используют следующие термины: двигатель - ЛАД, статор, ротор, как неприемлемые для пояснения физических процессов и принципов конструирования предлагаемого устройства, так как в нем используется только часть ЛАД - индуктор, и его вцелом как двигатель, следует рассматривать только в виртуальном смысле. Индукторы через воздушный зазор взаимодействуют со вторичными элементами - электропроводимыми или магнитопроводимыми пластинами, закрепленными на внутренней поверхности ступицы колеса. Обе части (индуктор и вторичный элемент) занимают сектор, угол которого определяется частью внутреннего объема ступицы колеса, приходящегося на одну пару взаимодействующих элементов из их расчетного числа. Магнитные поля, синхронно пробегая периодически по магнитопроводу индуктора, создают движущие моменты во вторичных элементах, которые суммируясь, передвигают ступицу колеса на указанный угол. Таким способом совершается редукция частоты вращения колеса, а «шаговое» проталкивание ступицы многочисленными индукторами обеспечивает ее непрерывное вращательное движение. Такой режим с некоторым приближением можно сравнить с работой шагового электропривода по круговой траектории. На основании перечисленного авторы ввели вышеуказанные терминологические ограничения в предлагаемом изобретении.

Известно предложение авторов по заявке на изобретение №2014114662/07(022988) от 15.04.2014 (опубликовано в Бюллетени №29 от 20.10.2015), которая отозвана решением ФИПС от 16.05.2016 г. в связи с корректировкой авторами материалов, «изменяющих сущность заявленного изобретения». Корректировка проведена в связи с мнением экспертизы по существу, что в первоначальной заявке «признаки сформулированы таким образом, что не обеспечивают понимания специалистом на основании уровня техники их смыслового содержания».

Действительно заявленный способ «формирования магнитного поля во внешнем роторе 3-х фазного асинхронного двигателя большой мощности» сформулирован «в чрезмерно обобщенном виде и не позволяет определить назначение заявленного изобретения». Кроме того, на элементной базе заявленного способа суммирования магнитных полей вообще нет, так как вторичные элементы, также как и первичные, не связаны едиными магнитопроводами.

Термин «асинхронный двигатель большой мощности» используется лишь в виртуальном смысле, как аналог для выполнения расчетов. Известно устройство по «документу» WO 2010119357 А2? Y02r 41025.21.10.2010, в котором рассмотрен один из вариантов исполнительного механизма с использованием 3-х ЛАД, разнесенных в пространстве друг от друга по окружности с интервалами, исчисляемыми в метрах, с внешней стороны поворачиваемой капсулы томографа, на которой закреплена узкая лента толщиной до 10 мм - «вторичный элемент» ЛАД, работающего в повторно - кратковременном режиме. В этом устройстве тяговые усилия 3-х ЛАД суммируются на этой ленте, а частота вращения капсулы не зависит от их количества. Очевидно, что только с изменением: диаметра ленты, радиуса сегмента, являющегося общим вторичным элементом для установленных ЛАД, или длины магнитопровода их будет меняться эта частота. В «документе» не рассмотрены вопросы: компенсации поперечных усилий возникающих во вторичном элементе ЛАД, влияния вихревых магнитных потоков; нарушен закон единства формы и содержания так как в конструкции первичные элементы с разомкнутыми магнитопроводами, взаимодействуют с вторичными элементами в виде замкнутого кольца или общего электропроводящего сегмента. При расположении ЛАД близко друг к другу, возникают вопросы по работоспособности конструкции. В проекте авторов индукторы, не имеющие общего магнитопровода, размещены друг за другом и образуют общую круговую поверхность, а вторичные элементы также не связаны общим магнитопроводом, установлены внутри ступицы колеса друг за другом и заполняют объем в виде составного цилиндра.

В известных устройствах линейных асинхронных двигателей, содержащих индуктор с сердечником, имеющим 3-х фазную обмотку, и вторичным элементом из электропроводящего материала, с целью создания усилий для поперечной стабилизации взаимного расположения элементов ЛАД катушки обмоток индуктора образуют ряды в продольном и поперечном направлениях, продольные ряды катушек образуют одинаковые порядки следования фаз, а поперечные ряды катушек имеют до середины один, а после середины - противоположный порядок следования фаз (см. а.с. №868942, МПК Н02K 41/025, 30.09.1981 г.; патент РФ №2211524, МПК Н02K 41/025, 2003 г.). Известен ЛАД (патент РФ №2268543 С1, МПК Н02K 41/025, 2006, 01) с дополнительным индуктором на общем ферромагнитном основании, расположенном параллельно основному, с тем же порядком следования фаз и вторичным элементом, образованным сочетанием пяти электропроводящих полос с разным активным сопротивлением.

В жесткой конструкции колеса поперечную стабилизацию расположения взаимодействующих элементов можно решить за счет установления осевых щитов с шарикоупорными подшипниками.

Энергетика электропривода в асинхронном варианте в значительной степени зависит от размеров воздушного зазора между первичными и вторичными элементами. При резких набросах нагрузки из-за возможной радиальной деформации как несущего цилиндра ступицы колеса, так и цилиндра подвески при недостаточной их жесткости, этот размер должен исключить возможность заклинивания вращающихся деталей, нельзя допустить и значительное снижение энергетических показателей электропривода.

В синхронном варианте, когда в качестве вторичного элемента используют постоянные магниты, требования к размеру воздушного зазора резко снижаются, поэтому такой вариант может оказаться более эффективным.

Суть изобретения поясняется примером его конкретного выполнения со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором Фиг. 1 изображает схематически конструкцию безредукторного устройства (вид сбоку - сечение по оси вращения). Фиг. 2 - крепление ИР в колесе (сечение по плоскости колеса).

На Фиг. 1 и Фиг. 2 обозначено:

1 - полый цилиндр ступицы колеса; 1А - изогнутая пластина постоянного магнита;

2, 2А - внешний и внутренний роликоподшипниковые щиты;

3, 3А - роликовые подшипники щитов 2, 2А;

4 - монтажное окно щита 2;

5 - полый несущий цилиндр;

6 - цилиндрическая кассета крепления ИР;

7 - ИР;

8 - кольца шин электропроводки;

9 - перемычка между зажимами обмоток ИР и шинами;

10 - провода от источника напряжения;

11, 11А - внешний и внутренний шарикоподшипниковые щиты;

12, 12А - внешний и внутренний шарико-упорные подшипники щитов 11, 11А;

13 - шток-фиксатор положения цилиндра ступицы колеса;

14 - шины колеса;

15 - полая консоль подвески колеса;

16 - болтовое соединение;

16А - винтовое соединение;

17 - крышка торца консоли подвески;

18, 18А - монтажные отверстия в несущем цилиндре 5 и консоли 15 цилиндра подвески колеса.

Стрелками показано направление движения ступицы колеса.

Чертеж Фиг. 1 выполнен применительно к роликовому подшипнику 3003296, имеющему предельные параметры: внутренний диаметр 480 мм, наружный - 870 мм, ширину - 310 мм.

Ролико-конические подшипники, внутренний диаметр которых не превышает 170 мм, в рассматриваемом случае неприемлемы, поэтому использована комбинация роликового и шарикового подшипников.

Очевидно, что для сохранения равномерности воздушного зазора между составным цилиндром вторичных элементов внутри ступицы колеса и ИР последние должны иметь соответствующую по кривизне поверхность активной части.

Предлагаемое изобретение с одной стороны - увеличивает объем работы в машиностроении, связанный с необходимостью конструирования и производства металлоемких деталей с повышенными требованиями к качеству материалов и точности изготовлений, относящихся к электротехническому оборудованию, но с другой стороны, - при увеличении объемов перемещаемых грузов, - является перспективным средством ограничения роста единичной мощности двигателей и позволяет электротехнической промышленности увеличить серийность высокотехнологичных индукторов средней мощности с разомкнутым магнитопроводом (ИР).

В рассматриваемом устройстве:

- ввод питающей сети 9 к индукторам 7 осуществляют через полости внутри консоли 15 подвески колеса несущего цилиндра 5, причем последние фиксируют штифтами так, чтобы монтажные отверстия 18 и 18А, предназначенные для прокладки проводов к кольцам шин 8 совпадали;

- при монтаже - демонтаже цилиндр ступицы колеса 1 подпирают через регулировочное устройство штоком фиксатора положения цилиндра ступицы колеса 13, проходящим через отверстия в деталях 5, 15 из полости цилиндра подвески колеса и промежуток между двумя верхними индукторами 7 в кассете 6 для сопряжения деталей 1, 2 и 1, 2А, - поскольку величина воздушного зазора на два порядка меньше линейных размеров соединяемых деталей. В рабочем режиме шток фиксатора 13 выводят из воздушного зазора;

- размеры проема 4 в подшипниковом щите 2 обеспечивают выемку ИР 7 и отсоединение обмоток ИР от шин 8. В рабочем режиме проем закрывают крышкой с уплотнением;

- фиксацию цилиндров 5, 15 со скользящей посадкой 5 на консоли 15, крышки 11 осуществляют болтовым соединением 16; крепление крышки 11А с деталью 5 осуществляют винтами 16А без проникновения в тело консоли 15, работающую в этом сечении на излом при больших статических и ударных нагрузках;

- контакт щитов 11, 11А с щитами 2, 2А делают с сальниковыми уплотнениями;

- внешний торец цилиндров 5, 15 закрывают крышкой 17 с уплотнением.

Способ и устройство позволяют:

1. Исключить двигатель и редуктор в электроприводе колеса за счет дробления одного оборота ступицы колеса на секторы по числу пар первичных-вторичных элементов.

2. Единичную мощность привода набирать из съемных индукторов, что резко упрощает ремонтные и монтажные работы оборудования и является единственной альтернативой ограничения роста единичной мощности электродвигателей при росте грузоподъемности транспорта.

Число индукторов определяют как редукцию при максимальной частоте напряжения источника питания и расчетному внешнему диаметру колеса исходя из соотношения между магнитодвижущей силой, радиусом точки ее приложения и шириной колеса.

Жесткое крепление кассеты на несущем цилиндре может быть выполнено с помощью сварки, а сам несущий цилиндр, имеющий скользящую посадку, должен иметь болтовое соединение с цилиндром подвески колеса со стороны внешнего торца. В рассматриваемом примере самосвала грузоподъемностью 170 т детали колеса подвержены статическим и динамическим нагрузкам во многие десятки тонн, что может вызвать их деформацию, поэтому для проведения профилактических и монтажных работ необходимо раскреплять роликоподшипниковые щиты, а фиксатор положения цилиндра ступицы колеса, в виде штока, проходящего из полости цилиндра подвески колеса вертикально вворачивают или перемещают выдвижным клином. Поворачивая раскрепленный внешний подшипниковый щит по всему кругу (при введенном фиксаторе) через монтажное окно в этом щите можно:

1. Вести монтаж - демонтаж любого ИР, в том числе соединений его проводки с шинами, осматривать крепления в зоне ласточкина хвоста.

2. Выполнять периодический осмотр и профилактические работы на электрооборудовании.

3. Проверять качество монтажа деталей по контролю равномерности воздушного зазора.

Дополнительные материалы:

1. Электрический дифференциал автомобилей особо большой грузоподъемности. Автомобильный транспорт, №5, 1985 г., с. 49-50.

2. Ткачев В.М., Некоторые вопросы терминологии в теории и практике электропривода -электротехники. Труды IX Международной (XX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2016(ICPDS'2016). Москва - Пермь. 2016.

Группа изобретений относится к расположению двигателей в ведущих колесах транспортного средства. Способ создания движущего момента в колесе транспортного средства грузоподъемностью от 170 тонн заключается в следующем. Внутри ступицы колеса размещают не связные между собой первичные элементы - индукторы, имеющие разомкнутые изогнутые магнитопроводы. Вторичные элементы, не связные между собой общим магнитопроводом, закрепляют на подвижной ступице так, что пары индуктор - вторичный элемент образуют в объеме ступицы секторы. Число секторов определяют путем расчета. Магнитные поля индукторов в каждом секторе синхронизируют, а движущие моменты, создаваемые каждым индуктором через воздушный зазор во вторичном элементе секторов, суммируют. Также заявлено устройство создания движущего момента, содержащее в подвеске колеса несущий цилиндр, на котором жестко закреплены круговая кассета с первичными элементами - индукторами. В качестве вторичных элементов на внутренней поверхности ступицы закреплены намагниченные пластины с радиальным направлением магнитного поля. Технический результат заключается в повышении надежности работы электромеханической трансмиссии. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ создания движущего момента в колесе транспортного средства грузоподъемностью от 170 тонн, отличающийся тем, что внутри ступицы колеса размещают непрерывно друг за другом на неподвижном несущем цилиндре не связные между собой первичные элементы - индукторы, имеющие разомкнутые изогнутые магнитопроводы с 3-х фазными обмотками, подключенными к источнику переменного тока регулируемой частоты напряжения, а вторичные элементы, не связные между собой общим магнитопроводом, закрепляют непрерывно друг за другом на подвижной ступице так, что пары индуктор - вторичный элемент образуют в объеме ступицы секторы, число которых определяют по заданной скорости движения транспортного средства путем расчета соотношений между величинами: внешнего диаметра шины колеса, ширины ступицы, магнитодвижущей силы в движущем моменте и радиуса точки приложения магнитодвижущей силы исходя из возможности размещения в ступице всех элементов по заданной мощности электропривода с учетом увеличения объемов элементов из-за дополнительных потерь энергии от вихревых токов, магнитные поля индукторов в каждом секторе синхронизируют, а движущие моменты, создаваемые каждым индуктором через воздушный зазор во вторичном элементе секторов, суммируют.

2. Устройство по п. 1, содержащее в подвеске колеса несущий цилиндр, на котором жестко закреплены круговая кассета с первичными элементами-индукторами и три кольца изолированных электрошин, а также размещены: два плотно посаженных роликовых подшипника с радиальными щитами, которые, соответственно, один - с левой, другой - с правой сторон жестко соединены со ступицей колеса, причем щит с внешней стороны ступицы имеет монтажное окно, расположенное против одного из индукторов, закрепленных на кассете соединением типа «ласточкин хвост» со скользящей посадкой, - два плотно посаженных опорношариковых подшипника с осевыми щитами, которые один - с левой, другой - с правой стороны фиксируют положение ступицы по оси несущего цилиндра колеса, а из полости цилиндра подвески через технологические отверстия в цилиндре подвески и несущем цилиндре, а также разрыве между верхними индукторами установлен фиксатор-шток для удержания ступицы в горизонтальном положении при раскреплении радиального щита с монтажным окном со ступицей, через вторые технологические отверстия цилиндра подвески и несущего цилиндра введены провода от источника питания к кольцевым шинам, к которым подсоединены выводы обмоток индукторов, отличающееся тем, что в качестве вторичных элементов на внутренней поверхности ступицы закреплены намагниченные пластины с радиальным направлением магнитного поля, кривизна поверхности которых в каждом секторе соответствует кривизне магнитопроводов индукторов, обеспечивающей равномерность воздушного зазора между поверхностями первичных и вторичных элементов, причем вторичные элементы образуют общий составной цилиндр.