ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к области машиностроения и касается особенностей конструктивного выполнения электротранспорта, частности – электромобилей с приводом от электро-колеса с интегрированным асинхронным двигателем и системы управления им и может быть использовано в различных областях техники, например, в качестве мотор-колес в таких транспортных средствах, как электроприводные скутера, мотоциклы, квадроциклы, снегоходы и т.д.
Известен аналог мотор-колесо (патент RU № 2156191, опубл. 20.09.2000), содержащее обод, полую ось, электропривод с источником регулируемого напряжения и электродвигателем, состоящим из закрепленного на полой оси статора с катушками обмоток, размещенными группами с фиксированным угловым расстоянием между катушками, ротора, соединенного с ободом колеса и подвижно закрепленного на подшипниках на оси, имеющего магнитопровод с основными, с чередующейся полярностью постоянными магнитами, размещенными равномерно на магнитопроводе, коллектор, который подключен к выходу источника регулируемого напряжения, отличающееся тем, что 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 коллектор выполнен в виде блока переключения фазовых секций и блока управления направлением и скоростью вращения, причем выводы датчиков положения ротора подключены к контактам кольца и через отверстия колец и полой оси подключены к управляющим входам блока управления, а фазовые секции катушек подключены к контактам колец, а в рядах электрических блоков они соединены последовательно или параллельно или последовательно-параллельно и через отверстия колец и полой оси присоединены к блоку переключения фазовых секций, выходы которого подключены к блоку управления направлением и скоростью вращения колеса.
Причины, по которым нельзя достичь технического результата заключаются в следующем, 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).
Известен аналог, который по технической сущности наиболее близок и выбран в качестве прототипа – заявка на изобретение № ‎2018118849 «Мотор-колесо с повышенным магнитным сцеплением», приоритет от 22.05.18.
Общими признаками является электродвигатель, выполненный в виде асинхронной электромашины, содержащий статор, который закреплен на неподвижной оси, и подвижный короткозамкнутый ротор, имеющий независимо попарно короткозамкнутые витки, проходящие в пазах магнитопровода ротора, представляющие собой пары короткозамкнутых стержней, расположенные по периметру ротора, замыкающие пары пазов расстояние между которыми соответствует расстоянию между зонами, прилегающим к границам полюсного деления статора, и зонами, прилегающим к границам половины полюсного деления статора, и дополнительно содержащий источник питания.
Причины, по которым нельзя достичь технического результата является наличие более сложной трехфазной или псевдо-шестифазной (звезда-треугольник) обмотки заполняющими большее количество пазов магнитопровода статора, что лимитирует возможность укладки обмоток для достижения большего количества полюсов статора, неполная возможность использования магнитного зацепления максимально возможного количества полюсов в имеющихся геометрических размерах, дороговизна блока управления в связи с более сложной компонентной базой и системой векторного управления, а также более технологически сложной обмоткой.
Технической проблемой является разработка асинхронного электродвигателя, направленная на повышение крутящего момента, упрощение технологии обмотки (снижение стоимости), повышение технологичности, упрощение блока и системы управления за счет проектирования конструкции двухфазного электродвигателя с повышенным магнитным сцеплением.
Техническая проблема решается за счет того, что  в известном  электродвигателе, выполненном в виде асинхронной электромашины, содержащей статор, который закреплен на неподвижной оси, и подвижный короткозамкнутый ротор, имеющий независимо попарно короткозамкнутые витки, проходящие в пазах магнитопровода ротора, представляющие собой пары короткозамкнутых стержней, расположенные по периметру ротора, замыкающие пары пазов расстояние между которыми соответствует расстоянию между зонами, прилегающим к границам полюсного деления статора, и зонами, прилегающим к границам половины полюсного деления статора, и дополнительно содержащий источник питания, блок управления асинхронной электромашиной и жгуты проводов, объединяющих двухфазный асинхронный электродвигатель с источником питания и блоком управления, в соответствии с изобретением, статор асинхронной электромашины имеет двухфазную обмотку, распределенную по пазам магнитопровода статора и образуемую набором катушек, входные и выходные выводы которых, объединены в четыре вывода питания обмотки двухфазной асинхронной электромашины.
Одни из катушек двухфазной обмотки статора уложены в нечетных пазах, а вторые в четных пазах магнитопровода статора.
Наборы катушек двухфазной обмотки статора уложены в соседних пазах.
Ротор электромашины может иметь внешнее и внутреннее расположение по отношению к статору.
Техническим результатом от использования всех существенных признаков изобретения является повышение удельного крутящего момента (крутящего момента на килограмм веса), повышение технологичности производства, а также снижение трудоемкости и материалоемкости.
Выполнение статора асинхронной электромашины, имеющего двухфазную обмотку, распределенную по пазам магнитопровода статора и образуемую набором катушек, входные и выходные выводы которых, объединены в четыре вывода питания обмотки двухфазной асинхронной электромашины, позволяет создать в тех же габаритных размерах и количестве пазов магнитопровода большее количество обмоток, формирующих полюса статора, увеличивающих магнитное зацепление статора и ротора. Такое выполнение асинхронной электромашины позволяет повысить технологичность производства, а также снизить трудоемкость и материалоемкость при изготовлении электродвигателя.
При этом, к воздействию увеличенного вращающегося электромагнитного поля статора с большим количеством полюсов статора, чем возможно разместить в трёхфазной электрической машине, на короткозамкнутые витки обмотки ротора, проходящие через зоны, прилегающие к границам полюсного деления статора, добавляется дополнительное воздействие вращающегося электромагнитного поля статора, осуществляющее воздействие на участки короткозамкнутых витков обмотки ротора, проходящих через зоны, прилегающие к границам половины полюсного деления статора, что повышает удельный крутящий момент (крутящий момент на килограмм веса).
Таким образом, подведенная к статору асинхронной электромашины энергия двухфазного переменного тока создает в нем первичное вращающееся магнитное поле в большем количестве полюсов статора, которое, благодаря магнитному сцеплению с ротором, имеющим независимо попарно замкнутые витки, наводит в его короткозамкнутых витках электрический ток для создания вторичного магнитного поля также с большим количеством полюсов, чем трехфазная машина.  Причем ток от стержней каждой пары, находящихся в области генерирования максимальных значений тока и, как следствие, наименьшей интенсивности магнитного поля статора и с минимальным электромеханическим взаимодействием со статором, направляется к стержням соответствующих пар с максимальными значениями магнитного поля статора, создавая тем самым условия для дополнительного воздействия вторичного поля ротора на первичное поле статора как в поперечном, так и в продольном направлении с помощью первой, второй и последующих четных гармоник, что увеличивает эффективность электромеханического взаимодействия между ротором и статором.
Выполнение обмоток статора технологически упрощается, т.к. обмотки представляют собой простую намотку катушек в пазах магнитопровода без сложного взаимного перехлёстывания трех фаз, что позволяет повысить технологичность производства, а также снизить трудоемкость изготовления и материалоемкость электродвигателя. Блок управления упрощается, снижается материалоемкость его изготовления. Существенно уменьшается размер асинхронной электромашины в связи с уменьшением количества силовых компонентов почти пропорционально количеству фаз.
Сущность технического решения поясняется чертежами.
Фиг.1 – двухфазный асинхронный электродвигатель с повышенным магнитным сцеплением с внешним расположением ротора относительно статора – мотор-колесо;
Фиг.2 –  двухфазная обмотка магнитопровода статора с сорока восьмью пазами;
Фиг.3 –схема подсоединения катушек статора к источнику питания;
Фиг.4 – схема укладки катушек А, Б в нечетных пазах и четных пазах манитопровода статора;
Фиг. 5 – схема укладки катушек А, Б в соседних пазах манитопровода статора;
Фиг. 6 – пример физической реализации обмоток статора и ротора.
Для простоты далее рассмотрим использование электродвигателя, выполненного в виде асинхронной электромашины с повышенным магнитным сцеплением с внешним расположением ротора относительно статора для мотор-колеса. Увеличение крутящего момента для такого применения наиболее перспективно в связи необходимостью увеличения удельного крутящего момента, т.е. достижения наибольших характеристик крутящего момента за счет увеличенного магнитного сцепления статора и ротора в заданных конструкцией транспортного средства массогабаритных параметров.
Система электропривода типа “мотор-колесо” с повышенным магнитным сцеплением и функцией торможения с рекуперацией энергии (фиг. 1) содержит встроенный в колесо 1 электродвигатель, выполненный в виде асинхронной электромашины 2 с закреплённым на неподвижной оси 3 колеса 1 статором 4 и подвижным короткозамкнутым ротором 5. Электродвигатель включает линию 6 подачи электропитания  от источника питания 14 на асинхронную электромашину 2, снабженную коммутатором 7. Управление торможением колеса дополнительно может осуществляться с использованием основного тормозного цилиндра 8, гидравлической магистрали 9, связывающей основной тормозной цилиндр 8 и исполнительный тормозной цилиндр 10 гидравлического тормоза колеса 1. Электродвигатель мотор-колеса снабжен блоком управления 11 асинхронной электромашины, связанным с педалью акселератора 12, педалью тормоза 13, основным тормозным цилиндром 8 и коммутатором электропитания 7 асинхронной электромашины 2 с возможностью коммутации цепи подачи электрического тока на асинхронную электромашину 2, переключения асинхронной электромашины 2 в режим генератора с обеспечением торможения автомобиля с преобразованием кинетической энергии его движения в электрическую энергию, задействования гидравлической системы торможения только при достижении тормозного момента определённого значения.
Статор 4 асинхронной электромашины 2 содержит двухфазную обмотку максимально распределенные по пазам магнитопровода статора, образуемую набором катушек А, Б. Одни из катушек могут быть уложены в нечетных пазах (катушки А фиг. 3 и 4), а вторые в четных пазах манитопровода статора (катушки Б фиг. 3 и 4), а также просто в соседних пазах (катушки А и Б фиг. 5). Входные и выходные выводы катушек (катушки А и Б фиг. 2 и 3) объединены соответственно в четыре вывода питания (выводы катушек «а», «А», «б», «Б» на фиг. 2, 3, 6) обмотки двухфазной асинхронной электромашины, создавая в тех же габаритных размерах и количестве пазов большее количество обмоток и полюсов, чем многофазные.
Пример двухфазной обмотки магнитопровода статора с сорока восьмью пазами представлен на фиг. 2.
Рассмотрим конкретный пример конструкции мотор-колеса с повышенным магнитным сцеплением. Колесо 1 конструктивно похоже на стандартное колесо размером 14 дюймов с пневматической шиной 16. Оно предназначено для использования в качестве одного из четырёх колёс легкового автомобиля. Единственным его отличием от стандартного колеса является наличие встроенного электродвигателя, выполненного в виде асинхронной электромашины 2. Электродвигатель является асинхронной электромашиной с питанием переменным двухфазным током от блока управления 11. Статор 4 асинхронной электромашины 2 выполнен в виде медной проволоки 17, намотанной на стальной магнитопровод 18. Магнитопровод 18 статора, например, содержит сорок восемь пазов. Статор 4 в этом случае, образуется сорока восьмью двухфазными катушками, расположенными по окружности колеса, формирующими двенадцать пар полюсов.
Так как намотка таких катушек технологически проще и не требует сложного переплетения, как катушки многофазных машин, то их количество, располагаемое в этом размере больше, намоточное оборудование проще и более производительно.
Для примера, по сравнению с двенадцатью парами полюсов статора двухфазной обмотки (фиг. 2) для трехфазной машины формируемое количество пар полюсов на тех же сорока восьми пазах магнитопровода составляет восемь пар, для псевдо-шестифазной машины – четыре пары полюсов.
Таким образом, двухфазная машина формирует большее магнитное зацепление в данном размере мотор-колеса за счет увеличения количества пар полюсов статора и ротора.
Подвижный короткозамкнутый ротор 5 выполнен в виде независимо попарно короткозамкнутых медных или алюминиевых витков, проходящих в пазах магнитопровода ротора и представляющих собой пары короткозамкнутых стержней, расположенных по периметру ротора. Ротор 5 (фиг. 6) электромотора содержит пакет магнитопровода 19 и медные (или алюминиевые) короткозамкнутые стержни 20, попарно замыкающие пазы ротора.
Короткозамкнутые витки обмотки ротора спроектированы так, что вращающееся электромагнитное поле статора 4 воздействует на короткозамкнутые витки обмотки ротора 5, проходящие через зоны, прилегающие к границам полюсного деления статора, добавляет дополнительное воздействие вращающегося электромагнитного поля статора, осуществляющегося на участки короткозамкнутых витков обмотки ротора 5, проходящих через зоны, прилегающие к границам половины полюсного деления статора 4.
При этом, в машине, по сравнению с известной, снижается кратность пускового тока двигателем за счет исключения потерь на тормозной эффект, позволившая увеличить частоту пусков без снижения нагрузки и применять машину в самых тяжелых условиях эксплуатации с увеличенной нагрузкой на валу.
Источником электропитания 14 является литий-ионная батарея. Основной тормозной цилиндр 8, гидравлическая магистраль 9, соединённая с основным цилиндром 8 являются типовыми, используемыми в легковых автомобилях, за исключением того, что тормозной цилиндр управляется от блока управления 11 асинхронной электромашины. Блок управления 11 выполнен в виде электронного блока на базе микроконтроллера управления двухфазной электрической машины. Он структурно состоит из двух блоков: следящего блока, отслеживающего показания датчиков скорости вращения колеса и положения педалей акселератора 12 и торможения 13, и управляющего блока, выдающего управляющие сигналы на исполнительные органы – основной тормозной цилиндр и коммутатор 7 от источника питания 14, на основании заданного в нем алгоритма и полученной с датчиков информации.
Рассмотрим пример работы заявляемого электродвигателя, образующего систему электропривода типа “мотор-колесо” с повышенным магнитным сцеплением и функцией торможения с рекуперацией энергии. Исходное состояние – автомобиль стоит. При нажатии на педаль акселератора 12 блок управления 11 подаёт сигнал на коммутатор 7 для коммутирования асинхронной электромашины 2 с источником питания 14. В результате этого автомобиль начинает ускоряться.
При работе асинхронной электромашины 2 блок управления 11 определяет векторное управление асинхронной электромашиной 2 и нагрузочные параметры обмоток.
Подведенная к статору 4 асинхронной электромашины энергия переменного двухфазного тока создает в нем первичное вращающееся магнитное поле, которое благодаря магнитному сцеплению с ротором 5 наводит в его короткозамкнутых витках электрический ток для создания вторичного магнитного поля.  Причем витки ротора 5, представляющие собой пары короткозамкнутых стержней 20 проводников, расположены по периметру ротора 5 таким образом, что ток от стержней каждой пары проводников, находящихся в области генерирования его максимальных значений и, как следствие, наименьшей интенсивности магнитного поля статора 4 и с минимальным электромеханическим взаимодействием со статором 4, направляется к стержням соответствующих пар с максимальными значениями магнитного поля статора 4, создавая тем самым условия для дополнительного воздействия вторичного поля ротора 5 на первичное поле статора как в поперечном, так и в продольном направлении с помощью первой, второй и последующих четных гармоник, что, совместно с большим количеством полюсов статора, образуемых катушками двухфазных обмоток статора и большим количеством полюсов формируемых в проводниках ротора, увеличивает эффективность электромеханического взаимодействия между ротором 5 и статором 4 для повышения механической мощности, передаваемой на вал.
При нажатии на педаль тормоза 13 происходит обработка блоком управления 11 информации о нажатии. На основании данных о частоте вращения колеса 1 и степени нажатия педали тормоза 13 блок управления 11 вычисляет момент торможения, который необходимо создать в сложившейся ситуации для обеспечения заданного водителем торможения. Если полученный момент торможения менее заданной в программе управления величины, блок управления 11 даёт команду на изменение коммутации асинхронной электромашины на режим генератора без задействования гидравлического тормоза. Если полученный момент торможения больше величины, заданной в алгоритме управления блока управления 11, происходит дополнительно механическое срабатывание главного тормозного цилиндра 8, приводящего в действие исполнительный тормозной цилиндр 10. Результатом этого становится то, что торможение осуществляется и гидравлическим тормозом и асинхронной электромашиной 2.
При отсутствии воздействий на педаль акселератора 12 и педаль тормоза 13, блок управления 11 не подаёт сигнал на коммутатор 7 для коммутирования асинхронной электромашины 2 с источником питания 14 и не создает магнитного поля. Статор 4 и ротор 5 не имеют физического контакта (через щетки, магниты и др.) и взаимодействуют только через магнитное поле и при его отсутствии достигается большой инерционный пробег транспортного средства из-за отсутствия электромагнитных и физических ограничений асинхронной электромашины по «выбегу».
Эффективность работы системы двухфазного электропривода типа “мотор-колесо” с повышенным магнитным сцеплением и функцией торможения с рекуперацией энергии подтверждена опытной эксплуатацией устройства, описанного в примере конкретной реализации. Опытная эксплуатация устройства показала, что предлагаемое устройство обладает высокой энергоэффективностью, увеличенным удельным крутящим моментом (крутящим моментом на килограмм веса электродвигателя), существенно большей технологичностью производства, упрощением блока управления 11, снижением трудоёмкости и материалоемкости изготовления электродвигателя и блока управления, что отличает устройство от существующих аналогов. Снижение пускового тока и токов холостого хода, повышение крутящего момента, мощности и надежности за счет исключения потерь на тормозной эффект, позволяющая увеличить частоту пусков без снижения нагрузки позволяют применять мотор-колесо в самых тяжелых условиях эксплуатации с увеличенной нагрузкой. Этим подтверждается достижение технического результата изобретения.
Заявляемый электродвигатель, выполненный в виде асинхронной электромашины, может быть изготовлен с использованием существующих узлов, деталей и технологического оборудования.
Заявляемый электродвигатель может быть использован в области машиностроения, в частности – в различных областях техники, например, в качестве мотор-колес в таких транспортных средствах, как электроприводные скутера, мотоциклы, квадроциклы, снегоходы и т.д.