ЭЛЕКТРОПРИВОД ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ Российский патент 2024 года по МПК B60K7/00 H02K16/04 

Изобретение относится к области электродвигателей постоянного тока, в частности к безредукторным коллекторным электродвигателям низкого напряжения, и может быть использовано в качестве мотор-колес в транспортных средствах бытового, промышленного и специального назначения, а именно: для велосипедов, скутеров, мотоциклов, инвалидных колясок, минитракторов, легких гусеничных грузовиков, роботизированных комплексов разминирования и т.д., а также в иных областях техники.

Современные тенденции развития транспортных средств ведут к широкому внедрению в них электрических и гибридных двигателей. Наиболее перспективным выглядит направление развития безредукторных мотор-колес, у которых вращение колеса вызывается непосредственно электромагнитным взаимодействием магнитных систем ротора и статора (RU 2290328). В таких устройствах могут использоваться бесколлекторные двигатели постоянного тока, в которых питание катушек электромагнитов осуществляется через инвертор, управляемый контроллером с обратной связью, обеспечивающий подачу на фазы двигателя напряжений и токов, необходимых для создания требуемого вращательного момента. Или используют коллекторные двигатели постоянного тока, в которых управление питания электромагнитов осуществляется посредством щёточно-коллекторного узла, обеспечивающего требуемые напряжения и токи на электромагнитах при механическом вращении колеса. Каждый из двух типов безредукторных электродвигателей имеет свою нишу применения. К преимуществам коллекторных электродвигателей можно отнести возможность обратимости преобразования электрической энергии в механическую, и как следствие повышение его экономичности, возможность развития большей мощности, простоту конструкции, надежность и устойчивость к механическим нагрузкам, особенно ударным.

Обычно коллекторный электродвигатель 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 (WO93/08999).

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 рекуперации 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 невысокий крутящий момент, что существенно ограничивает область их практического использования.

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

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, патенты 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.

Также из уровня техники известен (RU 2172261) 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, выполненные 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.

Высокие эксплуатационные параметры удается достигнуть в когерентном электродвигателе типа мотор-колесо, когда ищется оптимальное, для поставленных задач, соотношение между количеством постоянных магнитов и катушек электромагнитов. Известен 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. Этот импульсно-инерционный двигатель выбран в качестве ближайшего аналога для заявляемого изобретения.

Изобретение является результатом эволюционного развития идеи когерентности (кратности) коллекторных электродвигателей, то есть выявления оптимального соотношения количества зубцов электромагнитов на роторе и количества полюсов постоянных магнитов на статоре, для обеспечения требуемых характеристик транспортного средства. В основу изобретения заложен принцип несовпадения осевых линий зубцов электромагнитов с осевыми линиями полюсов постоянных магнитов, что исключает «залипание» ротора и создает условия для его свободного инерционного вращения.

Технический результат от использования заявленного изобретения заключается в уменьшении величины пусковых токов, повышении эффективности в режиме переменных нагрузок, повышении плавности хода, улучшении динамических характеристик при низком напряжении питания, в упрощении конструкции и снижении массогабаритных характеристик при сохранении высокой надежности, а также повышение механической прочности и ремонтопригодности электродвигателя.

Заявленный технический результат достигается тем, что электропривод (электродвигатель) для транспортных средств содержит:

- статор с круговым магнитопроводом, на котором закреплено четное число постоянных магнитов с одинаковым шагом и чередующейся полярностью, при этом количество постоянных магнитов статора равное n, удовлетворяет соотношению n = 10 + 6*k, где k может быть любым неотрицательным целым числом;

- ротор, несущий зубчатые электромагниты с катушками и отделенный от статора воздушным промежутком, при этом количество зубчатых электромагнитов равно трем, при этом каждый из них имеет одинаковое количество катушек m, удовлетворяющее соотношению m = (n – 1) : 3;

- распределительный коллектор, закрепленный на корпусе статора и имеющий расположенные по окружности токопроводящие пластины (ламели), соединенные с чередованием полярности с постоянным источником тока и разделенные диэлектрическими промежутками, количество таких пластинок равно числу постоянных магнитов n;

- токосъемники (шесть штук), установленные с возможностью контакта с пластинами коллектора и подключенные к выводам обмоток электромагнитов по трехфазной схеме, когда начало и конец обмотки каждого электромагнита подключены к токосъемникам, расположенным напротив друг друга.

Предпочтительно, чтобы для каждого электромагнита катушки имели последовательное соединение обмоток, при котором начало обмотки одной катушки соединено с началом обмотки соседней катушки, а конец обмотки с концом обмотки следующей катушки. Также 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.

Общее количество постоянных магнитов и количество катушек (зубцов) каждого из электромагнитов в электроприводе выбирают в соответствии с типом транспортного средства (велосипеды, скутеры, квадроциклы, автомобили и т.д.) и требуемым напряжением электропитания. Обычно для индивидуальных транспортных средств, в соответствии с требуемой мощностью электродвигателя используют следующие схемы:

- для велосипеда, инвалидной коляски 10 полюса постоянных магнитов при напряжении питания 12/24 В;

- для квадроцикла (мотовездехода) 16 полюсов при напряжении питания 60 В;

- для трицикла и авторикши 22 полюса при напряжении питания 48 В;

- для электромобиля и микроавтобуса 28 полюсов при напряжении питания 72 В.

При необходимости также используются электроприводы, содержащие большее количество катушек электромагнитов.

Конструктивно электропривод 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 электропривода с 10 полюсами, выполненного в соответствии с заявляемым изобретением;

На Фигуре 2 представлен поперечный осевой разрез электропривода;

На Фигуре 3 представлена электрическая схема электропривода с 10 полюсами;

На Фигуре 4 изображена схема электропривода с 22 полюса.

На Фигурах 1, 2 представлен универсальный электропривод для наземных транспортных средств, выполненный в соответствии с настоящим изобретением. 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 включает кольцеобразный магнитопровода 4, на каждом из которых закреплено с одинаковым шагом четное количество постоянных магнитов 5 чередующейся полярности. Общее число постоянных магнитов обеих полярностей равно n = 10 + 6*k, где k может быть любым неотрицательным целым числом. В данном случае k = 0 и n = 10.

Ротор 3 отделен от статора воздушным промежутком и несет три зубчатых электромагнита 6, каждый из которых содержит m = (n – 1) : 3 катушки 7. В данном случае m = 3 (общее количество катушек на роторе равно девяти). Угловое расстояние между осевыми линиями каждой из соседних катушек одного электромагнита составляет 36°, а угловое расстояние между осями крайних катушек соседних электромагнитов составляет 48°. Каждая катушка на роторе обычно имеет одинаково количество витков, зависящее от площади поперечного сечения сердечника электромагнита и коэффициента трансформации q, который был подобран опытном путем и принимает значения от 14 до 16 (в зависимости от марки электротехнической стали). Предпочтительно для расчетов использовать формулу: N = [q*U / S], где N – количество витков на катушках каждого электромагнита, q – коэффициент трансформации, обычно принимаемый за 16, U – напряжение источника питания электродвигателя, выраженное в вольтах, S – площадь поперечного сечения сердечника электромагнита, выраженная в квадратных сантиметрах. Например, для электропривода, схема которого представлена на Фиг.1, при напряжении питания 24 В и площади поперечного сечения сердечника 4 см² получается 4 витка на вольт или 96 витков на фазу, то есть 32 витка на одном из трех зубцов электромагнита. Соединение обмоток катушек для каждой фазы осуществляют таким образом, чтобы конец первой обмотки «К» был соединен с концом второй «К», а начало второй обмотки «Н» соединено с началом следующей «Н» и т.д. Электрическая схема соединения такого 10-полюсного электропривода представлена на Фиг. 3.

Фазы электродвигателя (электромагниты) подключаются к источнику питания (на Фигурах не показан) через распределительный коллектор 8 и токосъемники 9 (щетки). Распределительный коллектор 8 неподвижен относительно статора, а токосъемники 9 связаны с ротором и при его вращении перемещаются относительно токоведущих пластин 10 (ламелей), имеющих чередующую полярность и отделенных друг от друга изолирующими промежутками. Общее количество ламелей равно n, в данном случае десяти. Обычно плюс источника питания подключается посредством провода, проходящий через наклонное отверстие 11 в оси к положительным ламелям (Фиг. 2). Минус источника подключен к корпусу двигателя. Токосъемники 9 расположены на равном удалении по окружности и на каждую фазу приходится два противоположно расположенных токосъемника. На Фиг. 1 соединение концов обмоток электромагнитов для каждой фазы с соответствующими токоприемниками обозначены заглавными буквами A, B, C.

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

На Фигуре 4 представлен универсальный электропривод с 22 полюсами. Конструкция и принцип действия такого электропривода аналогичны описанным выше. Электропривод содержит на роторе 3 двадцать одну катушку 7, разделенные на три фазы по семь катушек на каждый из электромагнитов 6.

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

Электропривод для транспортных средств, изготовленный в соответствии с настоящим изобретением, показал уникальные эксплуатационные характеристики и высокую надежность конструкции. Ниже приведены эксплуатационно-технические параметры различных электроприводов.

Пример 1.

Технические характеристики электропривода (мотор-колеса) для трицикла:

- Напряжение питания – 48 В

- Частота 81 Гц (22 полюса)

- Номинальная частота вращения 540 об/мин, скорость – 90 км/ч

- Номинальный момент – 80 Нм

- КПД – 94 %

- Пусковой ток отсутствует

- Масса – 14 кг (1 мотор)

- Габаритные размеры: диаметр – 270 мм, ширина – 65 мм

- Дальность пробега (при комплектации 240 кг аккумулятором 32 А/ч) – 220 км.

Пример 2.

Технические характеристики электропривода для микроавтобуса (16 мест):

- Напряжение питания – 72 В

- Частота 130 Гц (28 полюсов)

- Номинальная частота вращения 710 об/мин, скорость – 100 км/ч

- Номинальный момент – 110 Нм

- КПД – 96 %

- Пусковой ток отсутствует

- Масса – 16 кг одного мотор-колеса (полноприводной микроавтобус)

- Габаритные размеры: диаметр – 306 мм, ширина – 82 мм

- Дальность пробега (при комплектации 2500 кг источник питания 80 А/ч) – 250 км

- Дальность пробега при комплектации 2550 кг аккумулятором и ДВС на биоэтаноле с баком объемом 30 литров – 2500 км.

Пример 3.

Технические характеристики электропривода для квадроцикла:

- Напряжение питания – 60 В

- Частота 97 Гц (16 полюсов)

- Номинальная частота вращения 650 об/мин, скорость – 85 км/ч

- Номинальный момент – 30 Нм, максимальный – 90 Нм

- КПД – 94 %

- Пусковой ток отсутствует

- Масса – 15 кг (используется 2 мотор-колеса)

- Габаритные размеры: диаметр – 250 мм, ширина – 70 мм

- Дальность пробега (при комплектации 270 кг аккумулятором 55 А/ч) – 200 км.

Пример 4.

Технические характеристики электропривода для 3-местной рикши:

- Напряжение питания – 48 В

- Частота 65 Гц (22 полюса)

- Номинальная частота вращения 435 об/мин, скорость – 50 км/ч

- Номинальный момент – 90 Нм

- КПД – 96 %

- Пусковой ток отсутствует

- Масса – 13 кг (используется 2 мотор-колеса)

- Габаритные размеры: диаметр – 270 мм, ширина – 65 мм

- Дальность пробега (при комплектации 500 кг аккумулятором 40 А/ч) – 200 км.

Пример 5.

Технические характеристики электропривода для 2-х местного электромобиля городского типа:

- Напряжение питания – 72 В

- Частота 134 Гц (28 полюсов)

- Номинальная частота вращения 1000 об/мин, скорость – 120 км/ч

- Номинальный момент – 120 Нм

- КПД – 96 %

- Пусковой ток отсутствует

- Масса – 16 кг (используются четыре мотор-колеса)

- Габаритные размеры: диаметр – 370 мм, ширина – 95 мм

- Дальность пробега (при комплектации 600 кг аккумулятором 100 А/ч) – 300 км.

Пример 6.

Технические характеристики электропривода для универсальной инвалидной коляски (совмещенный комнатный и прогулочный варианты):

- Напряжение питания комнатный вариант - 12 В, 64 А/ч (2 аккумулятора переключаются параллельно); прогулочный вариант - 24 В, 32 А/ч (2 аккумулятора переключаются последовательно)

- Частота 33 Гц (10 полюсов, по 3 катушки в каждой из 3-х фаз)

- Скорость: до 9 км/ч (при питании 12 В), до 18 км/ч (при питании 24 В)

- КПД – 90 %

- Пусковой ток отсутствует

- Масса – 4 кг (используются два мотор-колеса)

- Габаритные размеры: диаметр – 170 мм, ширина –56 мм

- Дальность пробега – 90 км (при переключении 12 В, 64 А/ч), - 50 км (при 24 В, 32 А/ч).

Пример 7. В Таблице 1 приведены сравнительные характеристики двух электромоторов (электроприводов) для авторикши, один из которых изготовлен в соответствии с изобретением, описанном в патенте RU 2285997, другой в соответствии с заявляемым изобретением.

Табл. 1

Параметр Импульсно-инерционный электродвигатель (RU 2285997) Универсальный электропривод Напряжение питания, В 48 48 Кол-во постоянных магнитов 18 16 Кол-во катушек электромагнитов 16 15 Крутящий момент, Н*м 52 80 Дальность пробега, км 70 120 Скорость, км/ч 45 50 Вес, кг 11 9 Габариты электродвигателя, мм 306 х 72 270 х 65

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

Изобретение относится к электродвигателям. В электроприводе для транспортных средств статор выполнен с круговым магнитопроводом, на котором закреплено четное число постоянных магнитов с одинаковым шагом и чередующейся полярностью. Ротор имеет зубчатые электромагниты с катушками и отделен от статора воздушным зазором. Распределительный коллектор закреплен на корпусе статора и имеет расположенные по окружности токопроводящие пластины, соединенные с чередованием полярности с постоянным источником тока и разделенные диэлектрическими промежутками. Токосъемники имеют контакт с пластинами коллектора и подключены к выводам обмоток электромагнитов. Количество постоянных магнитов статора (n) равно 10+6⋅k, где k - любое неотрицательное целое число. Количество зубчатых электромагнитов равно трем, где каждый из них имеет одинаковое количество катушек (m), согласно соотношению m=(n-1):3. Электромагниты подключены по трехфазной схеме, когда начало и конец обмотки каждого электромагнита подключены к токосъемникам, расположенным напротив друг друга. Повышается эффективность и надежность. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Электропривод для транспортных средств содержащий:

статор с круговым магнитопроводом, на котором закреплено четное число постоянных магнитов с одинаковым шагом и чередующейся полярностью;

ротор, несущий зубчатые электромагниты с катушками и отделенный от статора воздушным промежутком;

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 и подключенные к выводам обмоток электромагнитов;

отличающийся тем, что количество постоянных магнитов статора равное n, удовлетворяет соотношению n=10+6*k, где k может быть любым неотрицательным целым числом; количество зубчатых электромагнитов равно трем, при этом каждый из них имеет одинаковое количество катушек m, удовлетворяющее соотношению m=(n–1):3, сами электромагниты подключены по трехфазной схеме, когда начало и конец обмотки каждого электромагнита подключены к токосъемникам, расположенным напротив друг друга.

2. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что катушки каждого электромагнита имеют последовательное соединение обмоток, при котором начало обмотки одной катушки соединено с началом обмотки соседней катушки, а конец обмотки с концом обмотки следующей катушки.