Электрический двигатель для транспортных средств Российский патент 2022 года по МПК H02K3/04 H02K16/02 H02K17/16 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электрического привода транспортных средств.

Известна машина с аксиальным магнитным потоком RU2711493C2, содержащая в своём устройстве аксиальный статор и два ротора с постоянными магнитами, расположенными по обе стороны статора. Недостатком данной модели является отсутствие возможности рассинхронизированного друг относительно друга вращения роторов, что исключает получение дифференциала в самом двигателе.

Известна машина с осевым магнитным потоком RU2689983C2, использующая в своём роторе постоянные магниты, что также исключает возможность получения дифференциала между двумя роторами электрической машины.

Известен самотормозящийся сдвоенный аксиальный асинхронный электродвигатель, патент RU2642435, содержащий статор и ротор. Статор состоит из тормозного устройства, сборного симметричного корпуса в форме наружного цилиндрического обода с неподвижно закрепленными на нем боковыми щитами с подшипниками, который составляет единое целое с центральным опорным диском, на аксиальных поверхностях которого неподвижно закреплены магнитопроводы статора с обмотками. Ротор состоит из двух пакетов роторов в форме кольцевых дисков с вентиляционными лопатками на наружных поверхностях, содержащих магнитопроводы роторов с обмотками, с установленной между ними на валу тормозной пружиной с возможностью их аксиального перемещения вдоль оси. Устройство описанного электродвигателя исключает возможность раздельной работы частей ротора и получение дифференциала между ними.

Технической проблемой изобретения является упрощение механической трансмиссии автотранспорта путём устранения механического дифференциала, как отдельного, самостоятельного узла и перенос его функционала в электрический двигатель.

Решением такой технической проблемы является создание двухвалового асинхронного электродвигателя, в котором противолежащие валы могут вращаться с разной скоростью, определяемой нагрузкой на его осях. Таким образом, функции технически сложного узла механического дифференциала полностью переходят на электродвигатель, два вала которого, выходящие в разные стороны, соединяют с колёсными полуосями ведущего моста транспортного средства.

Технический результат заключается в распределении мощности между двумя валами в зависимости от величины приложенной к ним нагрузки, при этом фиксация в неподвижном положении одного из валов не приводит к остановке другого, незафиксированного вала.

Заявленное изобретение поясняется чертежами фиг. 1 – фиг. 11. На чертежах изображены:

фиг. 1 – обмотка ротора – беличья клетка с короткозамкнутыми стержнями и короткозамыкающей шайбой;

фиг. 2 – магнитопровод ротора;

фиг. 3 – часть ротора в собранном виде;

фиг. 4 – магнитопровод статора;

фиг. 5 – обмотки статора;

фиг. 6 – статор в сборе;

фиг. 7 – статор и часть ротора;

фиг. 8 – двигатель вид сбоку;

фиг. 9 – двигатель вид сбоку в развороте;

фиг. 10 – активная часть мотора в разрезе;

фиг. 11 – беличья клетка с короткозамыкающей шайбой в поперечном сечении, вид сбоку.

Позициями на чертежах обозначены:

1 – магнитопровод статора;

2 – зубы магнитопровода статора;

3 – катушка обмотки статора;

4 – магнитопровод ротора;

5 – зубы магнитопровода ротора;

6 – стержни короткозамкнутой беличьей клетки ротора;

7 – короткозамыкающая шайба контура-усилителя ротора;

8 – полуось ротора;

9 – статор;

10 – ротор.

Электрический двигатель для транспортных средств содержит двухсторонний, аксиальный неявнополюсный статор 9 с радиально расположенными между зубами 2 магнитопровода статора 1 (фиг. 4) катушками обмоток 3 в виде плоских, вытянутых колец (фиг. 5), охватывающих тело магнитопровода (фиг. 6), а также части аксиального асинхронного ротора 10, выполненные в виде двух плоских шайб с полуосями 8, аксиально прилегающих через воздушный зазор с двух сторон к телу статора 9, которые идентичны между собой и содержат короткозамкнутую обмотку (фиг. 1) в виде плоской радиальной беличьей клетки 6, состоящей из стержней из материала с высокой электропроводностью, к примеру из меди, алюминия, графена или сверхпроводника, расположенных между зубами 5 магнитопровода ротора 4, электрически соединённых (фиг. 11) по всему внутреннему и наружному диаметру с короткозамыкающей шайбой 7, выполненной из материала с высокой электропроводностью. Магнитопровод 4 (фиг. 2, фиг.3, фиг. 10) расположен в пространстве между рядом стержней 6 беличьей клетки и короткозамыкающей шайбой 7, играющей роль контура-усилителя. Зубы 5 магнитопровода 4 через воздушный зазор обращены к статору (фиг. 6). Катушки 3 статора (фиг. 6) соединяют между собой в три трёхфазные группы обмоток, электрически изолированные друг от друга и конструктивно имеющие сдвиг между собой величиной в 20 электрических градусов.

Две части аксиального асинхронного ротора могут работать как вместе, так и отдельно друг от друга, создавая тем самым “дифференциал” при раздельном снятии механической мощности с двух частей ротора. Это становится возможным благодаря тому, что каждая часть ротора взаимодействует с вращающимся полем статора самостоятельно, независимо от состояния и положения другой половины и если одна часть ротора под нагрузкой замедлила своё вращение, то другая продолжает вращаться с той скоростью, которая соответствующей её нагрузке. Полная остановка одной из половин ротора не приводит к изменению скорости другой половины. Каждая половина ротора имеет соединение со своей полуосью 8, которые расположены с двух сторон двигателя – фиг. 8, фиг. 9, при этом полуоси работают отдельно друг от друга, либо могут соединяться между собой, образуя единый вал с выходом в обе стороны. Механическая мощность может сниматься как с вращающихся полуосей вала, так и непосредственно с вращающихся поверхностей частей ротора.

Число пазов и зубов магнитопровода ротора отличается от числа обращённых к нему пазов и зубов магнитопровода статора на число пар полюсов в меньшую сторону. Такое соотношение выбрано по результатам испытаний всех рационально возможных комбинаций числовых соотношений зубцово-полюсного деления ротора и статора во множестве действующих прототипов асинхронных роторов в стандартном неявнополюсном статоре с распределённой обмоткой.

При подаче многофазного (две, три и более фаз) напряжения на обмотки статора 3 на его магнитных выводах – зубах 2 создаётся поверхность магнитного вращения со вращающимся знакопеременным, синусоидально меняющимся магнитным напряжением, которое индуцирует в беличьей клетке 1 ротора 10 встречный поток магнитной индукции, который, в свою очередь начинает взаимодействовать с вращающимся полем статора 9, приводя в движение магнитопроводы ротора 10 с присоединёнными к нему полуосями 8. При этом с каждой стороны статора создаются вращающиеся с одинаковой скоростью потоки магнитной индукции, которые взаимодействуют с индуцированными потоками частей ротора 10 по отдельности, независимо друг от друга. При этом подводимая мощность вращающегося магнитного потока статора делится на две равные части, переходящие в раздельное взаимодействие с двумя отдельными частями ротора (фиг. 3) с дифференцированным выходом механической энергии на полуоси 8 вала двигателя или непосредственно на вращающиеся поверхности частей ротора (фиг. 3).

Пример практической реализации. Реализовано устройство активной части двигателя, включающей в себя статор и ротор на примере двухполюсной девятифазной модели. Магнитопровод статора представляет собой кольцо с 36-ю зубами 2 грибовидной формы, аксиально выходящими на обе стороны двумя противолежащими группами по 18 зубов. Катушки фазных обмоток статора радиально уложены в пазы магнитопровода противолежащими парами в порядке, определяемом девятифазной векторной диаграммой. Катушки соединены между собой в три трёхфазные группы обмоток, электрически изолированных друг от друга и смещённые между собой на 20 электрических градусов. Две части ротора имеют идентичную конструкцию (фиг. 3) и содержат магнитопровод с зубами в количестве 17 штук. В пазах между зубами расположены стержни короткозамкнутой беличьей клетки, выполненные из материала с высокой электропроводностью (фиг. 3, фиг. 10). С другой стороны магнитопровода ротора расположена короткозамыкающая шайба, выполненная из материала с высокой электропроводностью – меди, которая по внутреннему и наружному диаметру имеет непосредственное электрическое соединение со стержнями короткозамкнутой беличьей клетки (фиг. 11).

Испытания реализованного электрического двигателя, выполненного по описанной модели показали, что его механическая мощность распределяется между двумя валами, в зависимости от величины, приложенной к ним нагрузки и фиксация в неподвижном положении одного из валов не приводит к остановке другого, незафиксированного вала. Этот результат был достигнут применением асинхронной конструкции роторов, которые могут вращаться со скоростью, отличающейся от скорости вращения поля статора. Таким образом, за счёт использования этого двигателя удалось убрать из трансмиссии технически сложный и дорогостоящий узел механического дифференциала без ухудшения ходовых качеств транспортного средства. Это значительно повысило надёжность привода и уменьшило его себестоимость.

Изобретение относится к электротехнике. Электрический двигатель для транспортных средств содержит двухсторонний аксиальный неявнополюсный статор с радиально расположенными катушками обмоток и две плоские части аксиального асинхронного ротора. Части ротора расположены с двух сторон от статора и содержат короткозамкнутую обмотку в виде плоской радиальной беличьей клетки. Обмотка электрически соединена по всему внутреннему и наружному диаметру с короткозамыкающей шайбой. Шайба выполнена из материала с высокой электропроводностью. Магнитопровод расположен в пространстве между рядом стержней беличьей клетки и короткозамыкающей шайбой, играющей роль контура-усилителя. Расширяются функциональные возможности электродвигателя. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Электрический двигатель для транспортных средств, содержащий в своей активной части двухсторонний аксиальный неявнополюсный статор с радиально расположенными катушками обмоток и две плоские части аксиального асинхронного ротора, расположенные с двух сторон от статора, содержащие короткозамкнутую обмотку в виде плоской радиальной беличьей клетки, электрически соединённой по всему внутреннему и наружному диаметру с короткозамыкающей шайбой, выполненной из материала с высокой электропроводностью, и магнитопровод, расположенный в пространстве между рядом стержней беличьей клетки и короткозамыкающей шайбой, играющей роль контура-усилителя.

2. Электрический двигатель для транспортных средств по п.1, отличающийся тем, что две части аксиального асинхронного ротора выполнены с возможностью обеспечения их работы как вместе, так и отдельно друг от друга, создавая тем самым дифференциал при раздельном снятии механической мощности с двух частей ротора.

3. Электрический двигатель для транспортных средств по п.1, отличающийся тем, что число зубов магнитопровода ротора отличается от числа обращённых к нему зубов магнитопровода статора на число пар полюсов в меньшую сторону.