НИЗКОВОЛЬТНЫЙ КВАНТОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2023 года по МПК H02K23/04 H02K1/17 

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.

Тенденции развития современных транспортных средств ведут к широкому внедрению электрических и гибридных двигателей. В связи с этим наиболее перспективными выглядят безредукторные мотор-колеса, у которых вращение колеса вызывается непосредственно электромагнитным взаимодействием магнитных систем ротора и статора. Например, известен встроенный электродвигатель (WO 93/08999), 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; US 6617746; RU 2129965; RU 2072261). 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 таких двигателей 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; US 6727668; US 6355996).

Известен также электродвигатель (RU 2285997), 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, 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.

К преимуществам такого устройства относятся: возможность рекуперировать электроэнергию, пониженный уровень искрения на токосъемниках, а также реверсивность при сохранении простоты конструкции и улучшении эксплуатационных характеристик.

Известен также асимметричный импульсный электродвигатель (RU 96294), являющийся дальнейшим усовершенствованием таких устройств. Однако дальнейшее развитие электрического транспорта требует расширения номенклатуры электродвигателей и улучшения их эксплутационно-технических характеристик, прежде всего увеличение КПД и снижение энергопотребления, получение возможности достигать высокого крутящего момента на низких токах.

Для создания коллекторных электродвигателей большой мощности может быть использована конструкция, в которой статор включает два и более кольцеобразных магнитопровода с различными комбинациями расположения на них постоянных магнитов (например, патент РФ №2172261, №2708635).

Импульсный электродвигатель в соответствии с изобретением по патенту РФ №2708635 включает два магнитопровода, каждый из которых содержит одинаковое четное число постоянных магнитов разной полярности и концентраторов. Все эти элементы установлены с одинаковым шагом, причем две пары постоянных магнитов разной полярности разделены одним концентратором таким образом, что к концентратору с обеих сторон прилегают одноименные постоянные магниты. В поперечном направлении полярность магнитов разных магнитопроводов чередуется, а напротив концентраторов одного магнитопровода лежат концентраторы другого магнитопровода.

На роторе установлены поперечные подковообразные электромагниты, которые расположены напротив друг друга и имеют по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, при этом каждая из катушек электромагнитов расположена над одним из магнитопроводов.

Распределительный коллектор содержит одинаковое четное число чередующихся положительных, отрицательных ламелей и возвратных ламелей, которые имеют возможность соединения через выпрямитель с источником тока, число ламелей каждого типа равно числу концентраторов.

Такое конструктивное исполнение электродвигателя и используемая в нем схема коммутации позволяет: уменьшить пиковые импульсы тока и, тем самым избежать перегрева обмоток электромагнитов; существенно повысить экономичность двигателя и его КПД; достигать более высокого крутящего момента при малых токах.

Наличие высокой доли возвратной ЭДС в этом электродвигателе и возможность эффективно использовать его в реверсивном режиме в качестве электрогенератора позволяет называть такое устройство мотор-генератором.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является импульсный электродвигатель для передвижных средств (патент РФ №2172261). В этом патенте предложен электродвигатель для передвижных средств, содержащий статор с двумя кольцеобразными магнитопроводами, на которых расположены равноудаленные по окружности постоянные магниты, и внешний ротор, на котором закреплены электромагниты, соединенные через токосъемники с распределительным коллектором. На одном кольцеобразном магнитопроводе статора расположены постоянные магниты северной полярности, а на другом - южной полярности, между парами разноименных полюсов размещены поперечные магнитопроводные пластины (концентраторы), перекрывающие оба магнитопровода. По одному из вариантов изобретения, электромагниты являются поперечными двухполюсными, а распределительный коллектор выполнен с возможностью совместного с токосъемниками преобразования постоянного тока в импульсный однонаправленный ток. Коллектор закреплен на корпусе статора с направлением осевых линий медных пластин параллельно осевым линиям постоянных магнитов статора. В другом варианте этого изобретения используют электромагниты, выполненые в виде явно выраженных квадроэлектромагнитов. Такие электродвигатели показали достаточную надежность и высокий крутящий момент. Однако их эксплуатация выявила сложности при их производстве и наладке, ограничение области применения (вследствие относительно большого веса и габаритов для, по крайней мере, одного из вариантов исполнения), высокие пусковые токи, значительное энергопотребление.

Настоящее изобретение направлено на оптимизацию конструкции электродвигателя, улучшение его массо-габаритных характеристик, увеличение эффективности (КПД), снижение электропотребление и уменьшение порогового напряжения электропитания, повышение максимального крутящего момента при низких токах, увеличение количества рекуперируемой энергии. Для этого была оптимизирована конструкция ротора и статора электродвигателя - изменено количество и взаиморасположение постоянных магнитов, магнитопроводных пластин (концентраторов) и электромагнитов, а также полностью изменена схема электропитания и конструкция коллектора.

Заявленный технический результат достигается тем, что импульсный электродвигатель, содержит статор с двумя кольцеобразными магнитопроводами, на каждом из которых с одинаковым шагом установлены по окружности постоянные магниты с одинаковой полярностью и магнитопроводные пластины (концентраторы). Постоянные магниты одного магнитопровода установлены напротив постоянных магнитов другой полярности другого магнитопровода. На внешнем роторе закреплены поперечные двухзубцовые электромагниты, имеющие по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, соединенные через токосъемники с распределительным коллектором. При этом магнитопровод содержит n постоянных магнитов одинаковой полярности, ротор включает m двухзубцовых электромагнитов и l токосъемников, причем их количество удовлетворяет следующим соотношениям:

n=3 (3+2k)

m=6 (2+k)

l=2 (2+k), где k может принимать значения 0, 1, 2, 3, 4, 5 и так далее.

Для повышения эффективности электродвигателя предпочтительно, чтобы количество витков N на каждой из катушек электромагнитов, удовлетворяло соотношению: N=[8U / S], где U - напряжение источника питания электродвигателя, выраженное в вольтах, S - площадь поперечного сечения сердечника электромагнита, выраженная в квадратных сантиметрах, а квадратные скобки [] означают, что берется целая часть полученного значения.

Распределительный коллектор содержит одинаковое число чередующихся положительных и возвратных ламелей, которые имеют возможность соединения через выпрямитель с источником тока. Число ламелей каждого типа равно количеству пар магнитов.

Обмотки трех равноудаленных электромагнитов, соединенных последовательно, образуют фазу электродвигателя. Предпочтительно подключать фазы параллельно друг с другом через конденсатор емкостью в диапазоне от 2 до 6 мкф. Образующиеся при этом колебательные контуры позволяют сглаживать пульсации тока при переключении нагрузок и уменьшить потери тока на обмотках электромагнитов при скачках напряжения.

Общее количество постоянных магнитов и электромагнитов в электродвигателе выбирается в соответствии с типом транспортного средства (велосипеды, скутеры, квадрациклы, автомобили и т.д.). Обычно для индивидуальных транспортных средств, в соответствии с требуемой мощностью электродвигателя используют следующие схемы:

- для велосипеда и скутера низковольтный квантовый электродвигатель с 4 фазами (4 колебательных контура с конденсаторами), 9 пар магнитов различной полярности для каждого магнитопровода и соответственно 9 концентраторов, 12 двухзубцовых электромагнитов, количество ламелей каждого типа (положительных и возвратных) на коллекторе равно 9;

- для квадроцикла (мотовездехода) и велорикши предпочтительно использовать 6-ти фазный электродвигатель, содержащий 15 пар постоянных магнитов разной полярности и 18 электромагнитов;

- для электромобиля - 8-ми фазный электродвигатель, содержащий 21 пару постоянных магнитов разной полярности и 24 электромагнита; или 10-ти фазный с 27 парами постоянных магнитов и 30 электромагнитами.

При необходимости также используются электродвигатели, содержащие большее количество фаз.

Такое соотношение числа электромагнитов и постоянных магнитов и концентраторов, их взаиморасположение, а также используемая схема коммутации позволяет:

- предотвратить перенасыщение обмоток электромагнитов в пиковых импульсах токов и тем самым избежать их перегрева;

- создать условия для инерционного прохождения электромагнитами в обесточенном состоянии значительного сектора (около 120°), а также возврат («сброс» импульсов) противо-ЭДС через возвратные ламели и диоды на источник тока, что существенно повышает экономичность двигателя и его КПД (до 95%);

- обеспечить эффективное импульсное перемагничивание электромагнитов, позволяющее достигать высокого крутящего момента при малых токах (транспортное средство, работающее на 24 В).

Конструктивно электродвигатель может быть выполнен так, что ротор будет расположен с внешней стороны статора (например, мотор-колесо для наземных транспортных средств) или ротор будет расположен внутри статора (например, винтовой движитель для водных транспортных средств).

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.

На Фигуре 1 изображена схема электродвигателя, выполненного в соответствии с настоящим изобретением;

На Фигуре 2 представлен поперечный осевой разрез электродвигателя;

На Фигуре 3 представлен фрагмент статора с двухрядным магнитопроводом;

На Фигуре 4 изображена принципиальная электрическая схема электродвигателя.

На Фигурах 1, 2 представлен низковольтный квантовый электродвигатель, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, который может быть использован, как мотор-колесо для различных транспортных средств, например, велосипеда с электроприводом, скутера, автомобиля и т.д. Электродвигатель содержит обечайку (корпус электродвигателя) 1, выполняющую роль защитного кожуха, и непосредственно передающую вращение на колесо. Обечайка соединена посредством спиц с ободом колеса (не показано). Статор 2 электродвигателя обычно расположен внутри ротора 3. Статор 2 имеет два кольцеобразных магнитопровода 4, на каждом из которых закреплено четное количество постоянных магнитов 5 одинаковой полярности. На одном магнитопроводе расположены постоянные магниты северной полярности N, на другом южной S. На каждом магнитопроводе магниты разделены концентраторами 6 (магнитопроводными пластинами, имеющими размер, соответствующий размеру постоянных магнитов). Все перечисленные элементы установлены с одинаковым шагом. На Фигуре 1 представлен эскиз электродвигателя, у которого на каждом из магнитопроводов установлено по 9 магнитов разной полярности и 9 концентраторов К.

При необходимости концентраторы 6 могут быть изготовлены единой деталью вместе со статором 2 (Фигура 3), а постоянные магниты 5 устанавливаются в соответствующих промежутках между ними. На Фигуре 3 концентраторы 6 обозначены буквой «К», а магниты 5 соответствующей полярности «N» или «S». Такая конструкция позволяет уменьшить число технологических операций при изготовлении электродвигателя.

Ротор 3 отделен от статора воздушным промежутком и несет четное число одинаковых поперечных подковообразных электромагнитов 7. В данном случае двенадцать штук. Каждый электромагнит имеет по две катушки 8 с последовательно встречным направлением обмотки, при этом каждая из катушек электромагнитов расположена над одним из магнитопроводов. Обмотки трех равноудаленных электромагнитов, соединенных последовательно, образуют фазу электродвигателя (в данном случае четыре). Фазы подключаются к источнику питания (на Фигурах не показан) параллельно друг с другом через конденсаторы емкостью от 2 до 6 мкф. Во время работы электродвигателя катушки 8 электромагнитов 7, запитываются от источника постоянного тока (не показан) через распределительный коллектор 9 и токосъемники 10 (щетки). Распределительный коллектор 9 неподвижен относительно статора, а токосъемники 10 связаны с ротором и при его вращении перемещаются относительно токоведущих пластин (ламелей), отделенных друг от друга изолирующими промежутками. Распределительный коллектор 9 содержит одинаковое число чередующихся положительных ламелей 11 и возвратных ламелей 12 (имеющих возможность соединения через выпрямитель 13, обычно диод, с источником тока). Возвратные ламели 12 еще называют паузными. В данном случае количество ламелей каждого типа равно девяти. Плюс источника питания обычно подключается посредством провода, проходящий через наклонное отверстие в оси к положительным ламелям. Минус источника подключен к корпусу двигателя. От возвратных ламелей 12 распределителя через диоды по отдельному проводу 14 осуществляется возврат импульсов противоЭДС в источник тока.

Катушки трех равноудаленных электромагнитов 7 соединены последовательно и запараллелены конденсатором 15 (Фигура 4), образуя резонансный колебательный контур. На каждый колебательный контур через электрораспределительный контур, включающий коллектор 9 и токосъемники 10, в определенном порядке подаются импульсы только плюсовой полярности, которые в моменте и создают взрывную тягу на отталкивание. Уже после обесточивания данного колебательного контура, двигаясь по инерции и проходя зону концентратора, электромагниты притягиваются своим сердечниками к последующим постоянным магнитам. При очередном совмещении осевых линий сердечников электромагнитов одной фазы (колебательного контура) и постоянных магнитов снова подается электрический импульс, создающий взрывное усилие на отталкивание. Поскольку колебательные контуры находятся в разных фазовых углах, то при вращении ротора не возникает никаких мертвых зон и провалов тяги.

Такая схема работы электродвигателя позволяет достигать высоких значений КПД 93-95% и создавать высокий крутящий момент при низком потреблении тока.

Каждый колебательный контур, совершая один оборот, половину пути проходит под действием силового импульса, а другую половину пути в обесточенном состоянии, на силе притяжения стальных сердечников электромагнитов к постоянным магнитам. Такой режим работы «импульс - пауза» существенно увеличивает дальность пробега транспортного средства с изобретенным электродвигателем и нормализует терморежим даже для электродвигателей большой мощности.

На Фигуре 4 представлена принципиальная электрическая схема низковольтный квантовый электродвигателя. Две обмотки 8 каждого электромагнита 7 соединены последовательно-встречно. Обмотки равноудаленных электромагнитов образующих фазу соединены последовательно, запараллелены через конденсатор 15 и подведены к токосъемникам 10. Количество витков на сердечниках двухзубцовых электромагнитов определяются по коэффициенту трансформации, найденному опытным путем в процессе испытаний и вычисляемым по формуле N=[8U/S], где N - количество витков на каждой катушке электромагнита, U - напряжение источника питания электродвигателя, выраженное в вольтах, S - площадь поперечного сечения сердечника электромагнита, выраженная в квадратных сантиметрах. Положительные ламелей 11 подключены к источнику тока, возвратные ламели подключаются через диод 13.

Электродвигатель, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, может включать несколько идентичных секций, каждая из которых аналогична, описанным выше устройствам. Количество таких секций зависит от мощности источника питания и требуемых параметров транспортного средства.

ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ

Низковольтный квантовый электродвигатель для транспортных средств, изготовленный в соответствии с настоящим изобретением, показал уникальные эксплуатационные характеристики и высокую надежность конструкции. Базовая модель для испытаний содержала: 9 пар постоянных магнитов (и соответственно по 9 концентраторов на каждом магнитопроподе), 12 двухзубцовых электромагнитов; 4 токосъемника и коллектор с 9 положительными и 9 возвратными ламелями, которые соединены через выпрямитель с источником тока (Фигура 1). Каждая из катушек на зубцах электромагнитов содержит N=48 витков (поперечное сечение сердечника электромагнита составляет 4 см²). Питание электродвигателя осуществляется от двух 24-х вольтовых аккумуляторных батарей, имеющих возможность попеременного подключения.

Низковольтный квантовый электродвигатель в сравнении с импульсным электродвигателем для передвижных средств, изготовленным по патенту RU 2172261, показал лучшую технологичность изготовления (отсутствует необходимость в изготовлении сложных лекал для квадроэлектромагнитов, меньшую материалоемкость производства, проще производилась сборка и настройка электродвигателя и т.д.); при более высоком КПД, также был достигнут больший крутящий момент при существенно более низких токах, снижено электропотребление, увеличена доля рекуперируемой энергии.

Был также проведен сравнительный тест низковольтного квантового электродвигателя, изготовленного в соответствии с настоящим изобретением, с серийным мотором для скутера компании ЕМСО модели Nova 2 kw RM3 (являющейся одной из ведущих моделей в своем классе). Сравнительные результаты испытаний представлены в Таблице 1.

Табл. 1 Параметр ЕМСО Nova 2 kw RM3 Низковольтный квантовый электродвигатель Напряжение питания, В 48 24+24 (вкл. попеременно) Мощность, кВт 2 2 Номинальный крутящий момент, Н*м 38 46 Максимальный крутящий момент, Н*м 131 (при скорости
5-8 км/ч) 150 (в широком диапазоне скоростей 5-50 км/ч) Дальность пробега, км 50 350 Скорость, км/ч 45 60 Вес, кг 13 9 Количество узлов, шт. 11 6 Количество постоянных магнитов, шт. 46 9+9 (на обоих магнитопроводах) Диаметр колеса, дюймы 10 10 Материалоемкость при производстве:
- медный провод
- изотропная сталь 100%
100% 30%
60%

Для низковольтного квантового электродвигателя предпочтительно использовать источник питания, содержащий, по крайней мере, две аккумуляторных батареи, имеющих возможность попеременного подключения. При этом в то время как электродвигатель запитывается от одной батареи, другая подзаряжается за счет рекуперации.

Таким образом, заявляемый электродвигатель обладает существенно улучшеными эксплуатационно-техническими характеристиками при сохранении относительной простоты конструкции и надежности.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к безредукторным коллекторным электродвигателям низкого напряжения, и может быть использовано в качестве мотор-колес в транспортных средствах. Технический результат – повышение массогабаритных и энергетических характеристик. Импульсный электродвигатель содержит статор с двумя кольцеобразными магнитопроводами, на каждом из которых с одинаковым шагом установлены по окружности постоянные магниты с одинаковой полярностью и магнитопроводные пластины (концентраторы). Постоянные магниты одного магнитопровода установлены напротив постоянных магнитов другой полярности другого магнитопровода. Для достижения заявленного технического результата на внешнем роторе закреплены поперечные двухзубцовые электромагниты, имеющие по две катушки с последовательно-встречным направлением обмотки, соединенные через токосъемники с распределительным коллектором. При этом магнитопровод содержит n постоянных магнитов одинаковой полярности, ротор включает m двухзубцовых электромагнитов и l токосъемников, причем их количество удовлетворяет следующим соотношениям: n=3 (3+2k); m=6 (2+k); l=2 (2+k), где k может принимать значения 0, 1, 2, 3, 4, 5 и так далее. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Импульсный электродвигатель, содержащий статор с двумя кольцеобразными магнитопроводами, на каждом из которых с одинаковым шагом установлены по окружности постоянные магниты с одинаковой полярностью и магнитопроводные пластины – концентраторы, причем постоянные магниты одного магнитопровода установлены напротив постоянных магнитов другой полярности другого магнитопровода, внешний ротор, на котором закреплены поперечные двухзубцовые электромагниты, имеющие по две катушки с последовательно-встречным направлением обмотки, соединенные через токосъемники с распределительным коллектором, отличающийся тем, что количество n постоянных магнитов одинаковой полярности на каждом магнитопроводе, m двухзубцовых электромагнитов и l токосъемников удовлетворяет следующим соотношениям:

n = 3 (3 + 2k)

m = 6 (2 + k)

l = 2 (2 + k), где k может принимать значения 0, 1, 2, 3, 4, 5… .

2. Импульсный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что количество витков N на каждой из катушек электромагнитов удовлетворяет соотношению

N = [8U/S], где U – напряжение источника питания электродвигателя, выраженное в вольтах, S – площадь поперечного сечения сердечника электромагнита, выраженная в квадратных сантиметрах.

3. Импульсный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая фаза образована обмотками трех равноудаленных электромагнитов, соединенных последовательно, и фазы подключены параллельно друг с другом через конденсатор емкостью в диапазоне от 2 до 6 мкФ.