Асинхронный электропривод с интеграцией на редуктор и дифференциал
ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVE WITH INTEGRATION ON GEARBOX AND DIFFERENTIAL

Область техники
Изобретение относится к области машиностроения и касается особенностей конструктивного выполнения электротранспорта, в частности - электромобилей с приводом от асинхронного электродвигателя через редуктор и дифференциал переднего и/или заднего моста, системы управления электродвигателем и может быть использовано в различных областях техники, например, в качестве силовой установки в таких транспортных средствах, как электроприводные скутера, мотоциклы, квадроциклы, снегоходы, автомобили общего пользования, грузового транспорта и т.д.
Уровень техники
Многообразие известных схем, конструкций и компоновочных решений тяговых приводов электромобилей укладывается в рамки трех основных вариантов:
1) центральный электродвигатель плюс редуктор плюс межколесный механический дифференциал (подварианты с задним, передним и разнесенным их расположением);
2) два бортовых электродвигателя, по одному на каждое ведущее колесо (подварианты с задним и передним расположением);
3) электромотор-колеса (подварианты с двумя и четырьмя мотор-колесами).
Наиболее распространены и считаются перспективными электромобили с приводом по первому варианту, в том числе с комбинированными силовыми установками (FR N 2200800 А, B60K 17/00, 1974; US N 3888325 А, B60K 1/00, 1975).
Такое традиционное применение электродвигателей устанавливается на автомобилях различных концернов, таких как Мерседес, БМВ, Тесла и др.
Известен вариант привода электромобиля (SU 1724486), содержащий индивидуальные приводы колес, каждый из которых образует единую компоновку с редуктором и колесом, редуктор выполнен в виде планетарной прецессионной передачи, сателлит которой содержит два роликовых венца, жестко связанных между собой, между которыми на телах качения размещено кольцо, на наружной поверхности которого выполнена однопериодная синусоидальная канавка, взаимодействующая с пьезопреобразователями, которые содержат генераторы окружных и осевых колебаний, установленные в ступице колеса, при этом центральное колесо прецессионного редуктора связанно со ступицей колеса, а центральное ведомое колесо с его ободом.
Причинами, по которым нельзя достичь технического результата является то, что конструкция сложна, дорогостоящая и использует электродвигатель постоянного тока, ряд недостатков, для которых необходимы большие пусковые и переходные токи при трогании и ускорении транспортного средства или обычный асинхронный двигатель, которые имеют проблемы страгирования на старте или момента при разгоне.
Известен вариант привода электромобиля (RU 2146623), содержащий систему управления и центральный тяговый трехфазный асинхронный электродвигатель с двумя роторами, соосно установленными в расточке неподвижного однопакетного статора с возможностью вращения друг относительно друга на оппозитных валах, внешние концы которых соединены с редукторами, отличающийся тем, что система управления, по меньшей мере, частично расположена в П-образной нише между электродвигателем и редукторами, при этом электродвигатель, редукторы и система управления совместно образуют агрегат.
Причинами, по которым нельзя достичь технического результата является то, что конструкция содержит обычный асинхронный двигатель, которые имеют проблемы страгирования на старте или момента при разгоне и имеет высокое потребление энергии.
Второй вариант привода реализован, в частности, в электромобиле Impact, разработанном концерном General Motors (Автомобильная промышленность США, 1990, N 5. - С. 7-9). В нем два электродвигателя переднего расположения определяют завышенные габаритно-массовые и стоимостные показатели. В то же время, несомненным достоинством этого привода следует признать использование перспективных асинхронных электродвигателей (по 42,5 кВт каждый) с регулируемым инвертором в составе системы управления приводом.
Причинами, по которым нельзя достичь технического результата является то, что система дорогая и массогабаритная.
Третий вариант направлен на разработку различных мотор-колес (патенты WO 93/08999 А1, 13.05.93, US 6384496 В1, 07.05.2002; US 6617746 В1, 09.09.2003; RU 2129965 С1, 10.05.1999; RU 2172261 С1, 20.08.2001).
Причинами, по которым нельзя достичь технического результата является то, что описанные мотор-колеса и все известные его разновидности образуют электродвигатель постоянного тока и 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.
Имеющееся мотор-колесо асинхронного типа (патент RU №2156191, опубл. 20.09.2000) более перспективно, техническое решение очень сложное, в нем имеются механические потери, износ самого двигателя и все соответствующие недостатки, включая дороговизну, сложность, проблемы страгирования на старте или момента при разгоне (в зависимости от обмотки - звезда или треугольник).
Известные технические решения, направленные на устранение указанных недостатков, связаны с применением высоковольтных источников питания и сложных схем управления, что делает их дорогостоящими и сложными в изготовлении и малонадежными в эксплуатации (US 6791226 В1, 14.09.2004; US 6727668 В1, 27.04.2004; US 6355996 В1, 12.03.2002).
Причинами, по которым нельзя достичь технического результата является то, что наиболее сложной и тяжело разрешимой проблемой всех мотор-колес является система управления ими, позволяющая обеспечивать функции дифференциала колес без его физического наличия, пробуксовки, сцепления с различной поверхностью.
Известен патент US 20140257613. Данная система применена на электромобиле Тесла.
В качестве электродвигателя используются трехфазные асинхронные двигатели с системой управления, позволяющие моделировать дополнительную синусоиду и создавая четырех полюсной двигатель. Дополнительный полюс увеличивает крутящий момент электродвигателя. Электродвигатели требуют жидкостного охлаждения.
Известен аналог, который по технической сущности наиболее близок и выбран в качестве прототипа - патент на полезную модель №174835 «Асинхронный электропривод с интеграцией на дифференциал».
Общими признаками являются наличие электропривода, содержащего малошумный асинхронный двигатель, запитанный от источников питания и системы управления этим электродвигателем, дифференциал редуктора моста, и имеющий статор, закрепленный на транспортном средстве и внешний подвижный короткозамкнутый ротор, вращающий дифференциал привода колес, обмотки статора, собранные одна в звезду, другая в треугольник, большего, чем у стандартного двигателя с одной обмоткой, числа фаз и сложения магнитных полей этих двух обмоток.
Причины, по которым нельзя достичь технического результата заключаются в том, что крутящий момент в таком приводе ограничен характеристиками электродвигателя и не имеет
возможности повышения за счет увеличения количества электродвигателей и редукторной части.
Раскрытие сущности изобретения
Техническая проблема заключается в разработке асинхронного электропривода, которая направлена на снижение массогабаритных показателей высоконагруженных электроприводов при повышении крутящего момента и мощности, путем применения энергоэффективных тяговых электродвигателей с уменьшением количества механизмов трения на распределение крутящих моментов через передаточные механизмы, повышением экономичности и снижением себестоимости электротранспорта, создания условий для свободного инерционного хода, рекуперации и большой скорости на колесах транспортных средств.
Техническим результатом является повышение крутящего момента и мощности электропривода.
Технический результат достигается тем, что асинхронный электропривод с интеграции на редуктор и дифференциал, содержащий малошумный асинхронный двигатель, запитанный от источников питания и системы управления этим электродвигателем, дифференциал редуктора моста, и имеющий статор, закрепленный на транспортном средстве и внешний подвижный короткозамкнутый ротор, вращающий дифференциал привода колес, обмотки статора, собранные одна в звезду, другая в треугольник, большего, чем у стандартного двигателя с одной обмоткой, числа фаз и сложения магнитных полей этих двух обмоток, при этом электропривод содержит более одного малошумного асинхронного двигателя имеющий статор, закрепленный на транспортном средстве и внешний подвижный короткозамкнутый ротор, вращает редуктор и дифференциал привода колес, причем сам редуктор и дифференциал привода колес интегрирован в асинхронный электропривод.
Сущность технического решения поясняется фигурами 1 и 2.
На рисунке 1 представлено 2 варианта: 1) Электропривод с двумя асинхронными электромоторами, гипоидным редуктором и дифференциалом оси; 2) Электропривод с двумя асинхронными электромоторами, планетарным редуктором и дифференциалом оси. Тем не менее, возможно применение и других видов шестерен для повышения крутящего момента: цилиндрические шестерни, конические, червячные.
На фиг. 1 представлен общий вид электропривода, где редуктор с дифференциалом 1, кронштейн рамы транспортного средства 2, ротор 3, статор 4, обмотки 5, крышка 6, диска энкодера 7, инкрементального датчика 8, а система управления электроприводом
представлена на фиг. 2, где электропривод 9, контроллер 10, накопитель 11, преобразователь 12, соединительные жгуты проводов 13.
Осуществление изобретения
При нажатии педали акселерации, связанной с реостатом акселерации, сигнал обрабатывается в блоке управления (контролере) 10 фиг. 2, который через преобразователи 12 фиг. 2 подает сигналы на подачу тока с накопителя энергии 11 фиг. 2 на электропривод 9 фиг. 2, возбуждая электромагнитное поле асинхронного двигателя.
В отличие от стандартного расположения статора и ротора, когда ротор находится внутри статора, в конструкции асинхронного электропривода с интеграцией на редуктор и дифференциал задействован обратный принцип и статор находится внутри ротора. Статор, имеющий совмещенные обмотки, и ротор и образуют асинхронный двигатель, при этом статор и ротор не имеют физического контакта (через щетки, магниты и др.) и взаимодействуют только через магнитное поле.
При установлении магнитного поля ротор 3 фиг. 1 начинает вращение, создавая тяговое усилие для транспортного средства. Крутящий момент от электродвигателя (электродвигателей) передается через редуктор, увеличивая крутящий момент электропривода 9 фиг. 2, и распределяется через дифференциал оси на колеса транспортного средства. Для равномерной работы электропривода 9 фиг. 2 управление им ведется через блок управления 10 фиг. 2 и преобразователи 12 фиг. 2, управляющий подачей тока электропривод 9 фиг. 2 и контролирующий скорость и момент их вращения через диск энкодера 7 фиг. 1 и инкрементальный датчик 8 фиг. 1 электропривода 9 фиг. 2. Система блока управления 10 фиг. 2, преобразователей 12 фиг. 2, дисков энкодера 7 фиг. 1 и инкрементальных датчиков 8 фиг. 1 создают модуляцию магнитного поля совмещенных обмоток, обеспечивая оптимальные параметры работы привода. Отсутствие физического контакта между статором 4 фиг. 1 и ротором 3 фиг. 1 позволяет практически полностью исключить сопротивление движению при свободном инерционном ходе транспортного средства.
При инерционном ходе и торможении электропривод начинает рекуперацию энергии и блок управления обеспечивает подзарядку накопителя энергии.