МОТОР-ГЕНЕРАТОР С МАГНИТНЫМИ КОНЦЕНТРАТОРАМИ
MOTOR-GENERATOR WITH MAGNETIC CONCENTRATORS

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 КПД и энергопотребления, получение возможности достигать высокого крутящего момента на низких токах.
Наиболее близким аналогом 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. Электромагниты являются поперечными двухполюсными, а распределительный коллектор выполнен с возможностью совместного с токосъемниками преобразования постоянного тока в импульсный однонаправленный ток и закреплен на корпусе статора с направлением осевых линий медных пластин параллельно осевым линиям постоянных магнитов статора. В другом варианте этого изобретения используют электромагниты выполнены в виде явно выраженных квадроэлектромагнитов. Такие электродвигатели показали достаточную надежность и высокий крутящий момент. Однако их эксплуатация выявила сложности в их производстве и наладке, ограничение области применения (вследствие относительно большого веса и габаритов), высокие пусковые токи, значительное энергопотребление.
Настоящее изобретение направлено на упрощение конструкции, улучшение массо-габаритных характеристик, увеличение эффективности (КПД), повышение максимального крутящего момента при низких токах.
Заявленный технический результат достигается тем, что электродвигатель (мотор-генератор), выполненный в соответствии с настоящим изобретением содержит: статор с двумя кольцеобразными магнитопроводами, на которых расположены по окружности постоянные магниты с чередующуюся полярностью и магнитопроводные пластины (концентраторы); внешний ротор, на котором закреплены электромагниты, соединенные через токосъемники с распределительным коллектором.
Каждый магнитопровод 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.
Зазор между постоянными магнитами обеих полярностей, концентраторами и сердечниками электромагнитов ротора является одинаковым и остается постоянным при вращении электродвигателя.
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.
Общее количество постоянных магнитов и электромагнитов в электродвигателе зависит от его назначения и размеров. Обычно количество постоянных магнитов каждой полярности и концентраторов равно 2n, а количество электромагнитов равно 2n+2, где n – целое число. Для индивидуальных транспортных средств (велосипеды, скутеры, мотоциклы и т.д.) предпочтительно использовать схему, в которой количество электромагнитов равно 8, а количество постоянных магнитов каждой полярности и концентраторов равно 6.
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;
- обеспечить эффективное импульсное перемагничивание электромагнитов, позволяющее достигать высокого крутящего момента при малых токах.
Наличие высокой доли возвратной ЭДС и возможность эффективно использовать электродвигатель в реверсивном режиме в качестве электрогенератора позволяет называть заявляемое устройство мотор-генератором.
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 Фиг. 1 изображена схема электродвигателя, выполненного в соответствии с настоящим изобретением;
На Фиг. 2 представлен поперечный осевой разрез электродвигателя;
На Фиг. 3 представлен фрагмент статора с двухрядным магнитопроводом;
На Фиг. 4 изображена принципиальная электрическая схема электродвигателя.
На Фиг.1, 2 представлен 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 их которых закреплено четное количество постоянных магнитов 5 с чередующейся полярностью. Пары разноименных магнитов разделены концентраторами 6 (магнитопроводными пластинами, имеющими размер, соответствующий размеру постоянных магнитов). Все перечисленные элементы расположены с одинаковым шагом, причем таким образом, что к каждому концентратору с обеих сторон прилегают постоянные магниты, имеющие одинаковую полярность. В поперечном направлении полярность магнитов разных магнитопроводов чередуется, а напротив концентраторов одного магнитопровода лежат концентраторы другого магнитопровода. В данном случае на каждом из магнитопроводов установлено по 6 магнитов разной полярности и 6 концентраторов.
При необходимости концентраторы 6 могут быть изготовлены единой деталью вместе со статором 2 (Фиг. 3), а постоянные магниты 5 устанавливаются в соответствующих промежутках между ними. На Фигуре 3 концентраторы 6 обозначены буквой «С», 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 восемь штук. Каждый электромагнит имеет по две катушки 8 с последовательно встречным направлением обмотки, при этом каждая из катушек электромагнитов расположена над одним из магнитопроводов. Электромагниты расположены попарно напротив друг друга и образуют четыре пары. На Фигурах начало обмотки первой катушки обозначено буквой "Н", конец обмотки второй катушки обозначен буквой "К". 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 четное число чередующихся положительных ламелей 11, отрицательных ламелей 12 (соединенных с корпусом) и возвратных ламелей 13 (имеющих возможность соединения через выпрямитель, обычно диод, с источником тока). Возвратные ламели 13 еще называют паузными. 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 13 распределителя через диоды по отдельному проводу 14 осуществляется возврат импульсов противоЭДС в источник тока. Число ламелей каждого типа равно числу концентраторов и составляет в данном случае шесть. Ламели располагаются по окружности коллектора 9 таким образом, что возвратные ламели 13 установлены с одинаковым шагом, а вокруг каждой из них располагается попеременно две ламели одинаковой полярности плюс 11 или минус 12 (Фиг. 1).
Двухзубцовые поперечные электромагниты 7 перемещаются от осевых линий концентраторов 6 к осевым линиям рядом закрепленных магнитов 5 в обесточенном состоянии на свободном притяжении (сектор F на Фиг. 1). Именно в эти моменты происходят “сбросы” импульсов противо-ЭДС в источник тока через диоды. В общей сложности, каждый электромагнит ротора, совершая один оборот вокруг индуктора, треть окружности проходит в качестве обесточенного маховика, усиленного свободным притяжением постоянных магнитов.
2
На Фиг. 4 изображена принципиальная электрическая схема электродвигателя. Две обмотки 8 каждого электромагнита 7 соединены последовательно-встречно. Концы обмоток двух диаметрально противоположных электромагнитов (К) замкнуты между собой. Начальные выводы (Н) обмоток всех восьми электромагнитов подводятся к токосъемникам 10, закрепленным напротив соответствующего электромагнита. Количество витков на сердечниках двухзубцовых электромагнитов определяются по коэффициенту трансформации, найденному опытным путем в процессе испытаний. Он равен 16 единицам (+/- 2 единицы). Например, для сердечника площадью поперечного сечения 4 см количество витков составляет 96 для каждой катушки. Предпочтительно к обмоткам каждого двухзубцового электромагнита параллельно подключать конденсатор 15. Обычно используются бумажные конденсаторы емкостью от 1 до 6 мкФ. Организованные таким образом резонансные контуры снижают ток потребления от источника питания и увеличивают крутящий момент электродвигателя.
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
2
Импульсный электродвигатель (мотор-генератор) для транспортных средств, изготовленный в соответствии с настоящим изобретением, показал уникальные эксплуатационные характеристики и высокую надежность конструкции. Базовая модель для испытаний содержала восемь двухзубцовых электромагнитов ротора и двенадцать постоянных магнитов статора на каждом магнитопроводе. Площадь поперечного сечения сердечника была равна 4 см и количество витков составляло 96 для каждой катушки.  Напряжение питания электродвигателя равнялось 48 В.
Сравнение параметров этой модели с импульсным электродвигателем, изготовленным по патенту RU 2172261 показало лучшую технологичность изготовления заявляемой модели (отсутствует необходимость в изготовлении сложных лекал для квадроэлектромагнитов, меньшую материалоемкость производства, проще производилась сборка и настройка электродвигателя и т.д.); при этом был достигнут более значительный крутящий момент при существенно более низких токах. Заявляемый электродвигатель показал более высокий КПД (на 6-8%) и большую экономичность.
Был также проведен сравнительный тест электродвигателя (мотор-генератора с магнитными концентраторами), 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
Мотор ЕМСО модели  Nova 2 kw RM3
Мотор-генератора с магнитными концентраторами
Напряжение питания, В
48
48
Мощность, кВт
2
1,8
Номинальный крутящий момент, Н*м
25
35
Максимальный крутящий момент, Н*м
121,4(при скорости 5-8 км/ч)
140(при скорости 15 км/ч)
Дальность пробега, км
50 (заявленное)32-38 (фактически)
55
Скорость, км/ч (аккумуляторы 31 А/ч)
45
55
Вес, кг
13
10
Количество узлов, шт.
14
5
Количество постоянных магнитов, шт.
46
24
Диаметр колеса, дюймы
10
10
Материалоемкость при производстве:- медный провод- изотропная сталь
100%100%
25%12,5%
Таким образом, заявляемый электродвигатель обладает существенно улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками при сохранении относительной простоты конструкции и надежности.