Безредукторный электромеханический привод

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники, в частности к высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается конструктивного исполнения бесколлекторных электрических машин и может быть использована в системах автоматики, в качестве мотор-колес, генераторов, электроприводов, механизмов с высокими моментами на валу, в качестве прямых приводов в технике без применения механических редукторов, а также в качестве шаговых двигателей.
Известно мотор-колесо для привода транспортных средств (патент РФ №2192354, кл. B60K 7/00 опубл. 10.11.2002).
Данное устройство, представляющее собой мотор-колесо транспортного средства, содержащее двигатель, выполненный в виде асинхронной машины, статор которой жестко закреплен на транспортном средстве, а выводы его обмоток подключены к фазным выводам бортового или контактного источника электроэнергии, ротор выполнен в виде колеса, имеющего форму диска, изготовленного из магнитного материала и закрепленного на оси, выполненной с возможностью вращения, статор жестко закреплен на шасси транспортного средства и состоит из кольца, шихтованного из магнитной ленты, выполненного с радиальными пазами и установленного коаксиально оси, и катушек многофазной обмотки с выводами, расположенных в пазах кольца, причем торцевая поверхность диска размещена с аксиальным зазором относительно торцевой поверхности кольца статора, образуя с ним торцовую асинхронную машину. В мотор-колесо дополнительно введен преобразователь напряжения и частоты, а на наружном диаметре ротора установлена шина.
Недостатком данного устройства является отсутствие системы резервирования, низкий пусковой момент и уменьшение действующего значения момента при внешней нагрузке.
За прототип принята электрическая машина (патент US №2013/0049498 А1, кл. H02K 9/00 опубл. 26.10.2012). Данное устройство относится к области электрических машин - электродвигателей и генераторов и к системе контроля тягового усилия.
Указанное устройство представляет собой электрический двигатель для использования в колесе транспортного средства. Данный электрический двигатель имеет в своем составе набор катушек, являющихся частью статора, предназначенного для крепления к транспортному средству. На роторе, предназначенном для крепления непосредственно к колесу транспортного средства, расположены постоянные магниты. Ротор включает в себя один или несколько отдельных наборов катушек, которые обеспечивают создание магнитного поля двигателя. Электродвигатель, в свою очередь, имеет устройства управления, которые соединены с катушками для управления током. В конструкции статора применяется электротехническая листовая сталь, а ротор выполнен в виде цельной конструкции. В электрическом двигателе электроника управления катушечными группами выполнена на восьми электрических платах, причем платы работают одновременно.
Одним из основных недостатков данного устройства является наличие больших потерь на питание устройств управления катушечными группами.
Ключевой задачей заявляемой полезной модели является уменьшение потерь на питание устройств управления катушечными группами.
Предлагаемый безредукторный электромеханический привод является обращенной бесколлекторной электрической машиной постоянного тока на постоянных магнитах, причем обмотки статора сгруппированы в четыре группы с равным шагом, каждая группа коммутируется отдельной платой привода. Управление платами привода осуществляет плата контроллера. Платы привода и плата контроллера встроены в корпус безредукторного электромеханического привода. Реализация системы управления в виде четырех плат привода обеспечивает независимое управление каждой из четырех катушечных групп электрической машины. Четыре платы привода включены параллельно друг другу и имеют возможность отключения отдельных плат. Данное решение позволяет снизить энергетические затраты на питание процессоров плат привода и повышает энергоэффективность предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.
Технический результат, который достигается при реализации заявляемой полезной модели, заключается в увеличении энергоэффективности электромеханического привода.
На Фиг. 1 представлена конструкция безредукторного электромеханического привода (в продольном разрезе).
На Фиг. 2 представлена конструкция безредукторного электромеханического привода (вид в разрезе статора).
Устройство представляет собой обращенную электрическую синхронную бесколлекторную машину и состоит из статора (1), на котором размещены статорные зубцы с намотанными катушечными группами (2); внешнего ротора (3) с установленными по образующей постоянными магнитами (4); четырех плат приводов (5), соединенных параллельно друг другу и работающих независимо друг от друга, которые получают управляющие команды от платы контроллера (6) по защищенному протоколу обмена. На валу статора установлен корпус вращающегося трансформатора (7), а на валу ротора (3) через промежуточный корпус установлен ротор вращающегося трансформатора (8). Электрические соединители (9) установлены на неподвижном фланце (10) статора (1) и предназначены для передачи управляющих команд на плату контроллера, питания и рабочих параметров электромеханического привода. На фланце (10) предусмотрено механическое крепление к ступице транспортного средства или неподвижной части полезной нагрузки. Кроме того, платы привода размещены на радиаторных корпусах, а силовая электроника крепится непосредственно к радиаторной поверхности корпуса (11), чем обеспечивается рассеивание выделяемой тепловой энергии элементов. Вращение ротора (3) относительно статора (1) и поддержание равномерного постоянного магнитного зазора между постоянными магнитами (4) и катушечными группами (2) обеспечивается тремя подшипниками (12) - двумя силовыми опорными и одним поддерживающим.
Устройство работает следующим образом:
Подключаются питание безредукторного электромеханического привода и информационные интерфейсы задающего устройства. Задающее устройство передает на центральный контроллер управляющую команду безредукторному электромеханическому приводу. Центральный контроллер обрабатывает данные, получаемые с платы обработки вращающегося трансформатора, и определяет положение вала ротора относительно статора. Центральный контроллер, в зависимости от положения вала ротора, вычисляет оптимальную форму магнитного поля статора, которую необходимо сформировать для достижения требуемого момента, направления вращения и угла поворота. По защищенному каналу плата контроллера передает управляющие команды платам привода, которые формируют требуемую форму магнитного поля статора. Магнитное поле статора при этом оказывается смещено относительно магнитного поля постоянных магнитов ротора на некоторый угол. Под действием магнитных сил ротор начинает вращение. Плата контроллера отслеживает изменение положения ротора по сигналам, получаемым с вращающегося трансформатора, и формирует новые управляющие команды для плат привода. Плата привода непрерывно продолжает отслеживать положение ротора и коммутирует фазы статора электрической машины так, чтобы вектор магнитного потока статора был ортогонален вектору магнитного потока ротора. При соблюдении ортогональности потоков статора и ротора обеспечивается поддержание максимального вращающего момента в условиях изменения частоты вращения, что предотвращает выпадение ротора из синхронизма и обеспечивает работу устройства с максимально возможным КПД. При движении по инерции электрическая машина переходит в генераторный режим, и плата контроллера с инвертором позволяют накапливать сгенерированную энергию. При отсутствии необходимости обеспечивать максимальный вращающий момент электромеханического привода, плата контроллера позволяет отключить от одной до трех плат управления катушечными группами.