МОТОР-КОЛЕСО
MOTOR WHEEL

Изобретение относится к автомобильной технике, а конкретно к колесам со встроенными электродвигателями, и может быть использовано в качестве колеса автомобиля с прямым приводом без трансмиссии.
Известно мотор-колесо, содержащее встроенную в колесо асинхронную электрическую машину, при этом статор с магнитопроводом неподвижно закреплен на оси колеса, на магнитопроводе статора размещены магнитные элементы, ротор установлен подвижно на оси колеса и имеет магнитопровод с короткозамкнутыми обмотками (Макаров Ю.В., Черепанов В.Д. Мотор-колесо. Патент России 2334626, МПК В60K 7/00, 2008.09.27) [1].
Известное мотор-колесо имеет недостаточный пусковой момент, сложную систему управления и низкий КПД.
Известно мотор-колесо, содержащее обод, вал, электропривод с электродвигателем и источником регулируемого напряжения, статор электродвигателя жестко закреплен на полом валу, на статоре размещены катушки обмоток, ротор соединен с ободом колеса и подвижно закреплен на подшипниках и на валу, имеет магнитопровод с постоянными магнитами, размещенными равномерно с чередующейся полярностью магнитов, две группы коллекторов, электрически подключенных к источнику питания (Шкондин В.В., Молчанов К.В. Мотор-колесо. Патент России 2035114, МПК H02K 23/00, B60K 7/00, БИ 13, 1995.05.10) [2].
Известное мотор-колесо имеет сложную конструкцию, низкий КПД и значительные нагрузки на подшипники вала.
c
p
p
c
Известен электродвигатель, содержащий корпус, вал с подшипниками, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, чередующиеся диски ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, пакет статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками установлены на торцевой поверхности кольца пакета статора, на поверхности зубцов и на другом кольце имеются клиновидные выступы, при этом выступы зубцов и ферромагнитные элементы дисков статора, а также ферромагнитные элементы дисков ротора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора z и на диске ротора z связаны равенством z = z ± 2р, где p - число пар полюсов статора (Афанасьев А.Ю., Завгороднев М.Ю., Милосердов В.Ф. Синхронный электродвигатель. Патент РФ №2545167, МПК Н02K 19/06, опубл. 2015.03.27, бюл. №9) - [3].
Этот электродвигатель трудно встроить в автомобильное колесо.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по конструкции и достигаемому эффекту является мотор-колесо, содержащее обод, полую ось, электропривод с источником регулируемого напряжения и электродвигателем, состоящим из закрепленного на полой оси статора с катушками обмоток, размещенных группами с фиксированным угловым расстоянием между катушками, ротор, соединенный с ободом колеса и подвижно закрепленный на подшипниках на оси, имеющий магнитопровод с основными, с чередующейся полярностью, постоянными магнитами, размещенными равномерно на магнитопроводе, коллектор, которые подключены к выходам источника регулируемого напряжения, электродвигатель снабжен датчиками положения ротора, дополнительными магнитами, размещенными между основными магнитами, а статор снабжен расположенными в пространстве между магнитами рядами электрических блоков, каждый из которых содержит диэлектрическое кольцо с контактами и радиатор, в пазах которого установлены секции катушек с обмотками и датчики положения ротора, выводы которых присоединены к контактам диэлектрического кольца и объединены в фазовые секции, при этом все магниты установлены в обоймах, соединены между собой и с ободом колеса, с образованием зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки, причем чередующиеся магнитные поля магнитов направлены навстречу друг другу, а коллектор выполнен в виде блока переключения фазовых секций и блока управления направлением и скоростью вращения двигателя, при этом выводы датчиков положения ротора подключены к контактам колец и через отверстия колец и полой оси подключены к управляющим входам блока управления, а фазовые секции катушек подключены к контактам диэлектрических колец, а в рядах электрических блоков соединены последовательно или параллельно или последовательно-параллельно и через отверстия колец полой оси присоединены к блоку переключения фазовых секций, выходы которого подключены к блоку управления направлением и скоростью вращения колеса (Волегов В.Е. Мотор-колесо. Патент РФ №2156191, МПК B60K 7/00, опубл. 2000.09.20) [4].
Известное мотор-колесо имеет сложную конструкцию и малый вращающий момент, что требует введения механического редуктора и усложняет реализацию.
В современных мотор-колесах существуют проблемы обеспечения высокой надежности, упрощения конструкции, снижения неподрессоренной массы колеса, устранения механических контактов в редукторе.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в создании эффективного и надежного мотор-колеса со следующими свойствами: простая конструкция, повышенный вращающий момент, бесконтактность редуктора, ускоренные операции монтажа и демонтажа колеса.
c
p
p
c
Технический результат достигается тем, что в мотор-колесо, содержащее обод, полую ось, насаженную на полуось, электродвигатель, состоящий из закрепленного на полой оси статора с катушками обмотки, размещенных с фиксированным угловым расстоянием, ротор, соединенный с ободом колеса и подвижно закрепленный на подшипниках на оси, и датчики положения ротора, введены чередующиеся диски ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, пакет статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками установлены на торцевой поверхности кольца пакета статора, на поверхности зубцов и на другом кольце имеются клиновидные выступы, при этом выступы зубцов и ферромагнитные элементы дисков статора, а также ферромагнитные элементы дисков ротора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора z и на диске ротора z связаны равенством z = z ± 2р, кроме того, на полой оси мотор-колеса закреплен фланец статора с коническими отверстиями, число которых совпадает с числом конических стержней ступицы автомобиля, насаженной на полуось автомобиля с резьбой для крепления мотор-колеса с помощью винта и шайбы.
Сущность заявленного изобретения поясняется на Фиг. 1 - Фиг. 6, где:
Фиг. 1 - продольное сечение синхронного электродвигателя с одной обмоткой;
Фиг. 2 - зубцы с выступами и катушками;
Фиг. 3 - диск статора;
Фиг. 4 - диск ротора;
Фиг. 5 - форма листов шихтованного ферромагнитного элемента;
Фиг. 6 - ступица автомобиля со стержнями.
Здесь 1 - полуось; 2 - полая ось; 3, 4 - подшипники; 5, 6 - диски колеса; 7 - обод колеса; 8 - шина; 9, 10 - магнитопроводы; 11-14 - кольца; 15 - зубец; 16 - катушка; 17 - втулка ротора; 18 - диски статора; 19 - диски ротора; 20 - винт; 21 - шайба; 22 - фланец статора; 23 - стержень; 24 - ступица; 25 - жгут; 26 - тормозной барабан; 27 - ферромагнитный элемент датчика положения ротора.
Диски 5, 6 колеса связаны с ободом 7 колеса, на который надета шина 8, и установлены на подшипники 3, 4, опирающиеся на полую ось 2. Магнитопроводы 9, 10 установлены на полую ось 2. Магнитопровод 10 имеет зубцы 15 с катушками 16. На полой оси 2 установлены диски 18 статора. С ободом 7 связана втулка 17 ротора, на которой установлены диски 19 ротора, чередующиеся с дисками 18 статора.
На полую ось 2 насажен фланец 22 статора, имеющий конические отверстия, количество и форма которых повторяют количество и форму стержней 23, выступающих из ступицы 24, насаженной на неподвижную полуось 1. На диске 6 колеса установлен тормозной барабан 26 и ферромагнитные элементы 27 датчиков положения ротора.
c
p
Магнитопроводы 9, 10 и зубцы 15 выполнены лентой из электротехнической стали путем навивки. Магнитопроводы 9, 10 ограничены кольцами 11-14. Диски 18 статора и диски 19 ротора имеют чередующиеся элементы в виде секторов из магнитомягкого и немагнитного материалов. Магнитные элементы выполнены шихтованными из электротехнической стали. Количество магнитных элементов дисков статора и ротора, приходящихся на один полюс, отличаются на единицу. На фиг. 3, 4 показан случай, когда число пар полюсов статора p = 1, количество ферромагнитных элементов у диска статора z = 24, у диска ротора z = 26.
Диски 18 статора имеют ферромагнитные элементы, расположенные равномерно и образующие шесть групп по числу зубцов статора (на фиг. 3 показаны светлым цветом), и немагнитные элементы (на фиг. 3 показаны темным цветом).
Диски 19 ротора имеют ферромагнитные элементы, расположенные равномерно (на фиг. 4 показаны светлым цветом), и немагнитные элементы (на фиг. 4 показаны темным цветом).
Зубцы 15 имеют вид секторов из электротехнической стали и содержат коронки (показаны на фиг. 2 слева). Они установлены на магнитопроводе 10 статора. Катушки, расположенные диаметрально, соединены последовательно согласно и образуют три фазы обмотки статора: А, В и С. На фиг. 2 буквами X, Y, Z обозначены зубцы с катушками, создающими магнитные потоки, направленные противоположно потокам зубцов А, В, С. Например, если зубец А создает полюс N, то зубец Х- полюс S. Число пар полюсов здесь p = 1.
Синхронный электродвигатель работает следующим образом. При подаче от источника переменных напряжений, регулируемых сигналами датчиков положения ротора, трехфазной системы напряжений на фазы А-С обмотки статора получается вращающееся магнитное поле. Зона максимума модуля магнитной индукции смещена относительно места, где ферромагнитные элементы дисков ротора располагаются вблизи выступов на зубцах статора и соответствующих ферромагнитных элементов дисков статора на угол π/4 элек. рад. При этом реактивный момент имеет максимальное значение.
Наличие нескольких дисков статора и ротора вызывает многократную деформацию магнитного поля в зоне дисков, что увеличивает развиваемый момент и позволяет улучшить массогабаритные показатели.
На торцевой поверхности магнитопровода 9 статора, обращенной к активной зоне, имеются ферромагнитные выступы в виде секторов, повторяющие по форме и количеству ферромагнитные элементы дисков 18 статора, что увеличивает развиваемый момент.
Выполнение ротора в виде дисков допускает большие угловые скорости и работу на подвижном основании, а также упрощает технологию изготовления.
Магнитные секторы статора и ротора выполнены из электротехнической стали шихтованными для уменьшения потерь в стали на вихревые токи и гистерезис, поскольку в процессе работы магнитная индукция в секторах изменяется. На фиг. 5 показана форма листов шихтованного ферромагнитного элемента, выполняемого из электротехнической стали.
На фиг. 6 показана ступица 24 с коническими стержнями 23, насаженная на полуось 1 автомобиля. В полуоси 1 имеется резьба для крепления мотор-колеса с помощью винта 20 и шайбы 21.
Установка колеса проводится в следующем порядке. Полая ось 2 надевается на полуось 1, при этом отверстия на фланце 22 статора надеваются на выступающие из ступицы 24 стержни 23. Замыкается цепь 25 питания катушек 16 обмотки статора. Отверстие в оси 2 закрывается шайбой 21, вставляется винт 20 и заворачивается в резьбу в полуоси 1.
Для снятия колеса достаточно отвернуть винт 20 и снять полую ось 2 с полуоси 1, разомкнув цепь 25 питания катушек 16 обмотки статора.
Таким образом, в результате введения чередующихся дисков ротора и статора, состоящих из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, выполнения пакета статора в виде двух колец с накладными зубцами с катушками, выполнения на поверхности зубцов и на втором кольце клиновидных выступов, при этом клиновидные зубцы полюсов и ферромагнитные элементы дисков статора, а также ферромагнитные элементы дисков ротора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, получено мотор-колесо с повышенным вращающим моментом, с простой технологичной конструкцией, допускающей большие скорости вращения и надежную работу.
В результате введения фланца статора с отверстиями, совпадающими с коническими стержнями на ступице автомобиля ускоряется процесс монтажа и демонтажа мотор-колеса с помощью винта и шайбы.