ВСТРОЕННЫЙ В КОЛЕСО ЭЛЕКТРОМОТОР, СНАБЖЕННЫЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ
ELECTRIC MOTOR BUILT INTO A WHEEL, EQUIPPED WITH A CONTROL SYSTEM

Область техники
Настоящее изобретение относится к встроенному в колесо электромотору (мотор-колесо), снабженному системой управления. Также, изобретение относится к способу производства такого встроенного в колесо электромотора. Кроме того, изобретение относится к узлу привода для колеса транспортного средства, содержащего такой электромотор.
Уровень техники
Такой встроенный в колесо электромотор является известным из документа WO 2013/025096, который описывает электрическое транспортное средство с встроенным в колесо электромотором, в котором ротор соединяется с ободом колеса, несущим одну или более шин. Статор устанавливается на раме транспортного средства через систему подвески колеса. Известный встроенный в колесо мотор является частью колеса с непосредственным приводом, в котором электромагниты мотора непосредственно приводят в движение обод и шину без каких-либо промежуточных передач. Таким образом, вес и пространство экономятся, и число компонентов в узле привода минимизируется.
Крутящий момент, который формируется посредством встроенного в колесо мотора, зависит от переносящей магнитный поток поверхности между ротором и статором и является квадратичной функцией радиуса ротора. Магниты ротора размещаются настолько далеко во внешнюю сторону, насколько возможно, вокруг статора, чтобы получать наибольший возможный радиус ротора, и конструкция мотора оптимизируется, чтобы минимизировать зазор между ротором и статором для передачи максимальной мощности и крутящего момента шине. Ширина зазора между ротором и статором, с другой стороны, проектируется достаточно большой, чтобы поглощать механические удары по колесу во время условий движения.
Обмотки статора питаются посредством силовых электронных схем, которые располагаются в статоре, причем эти силовые электронные схемы преобразуют электрическую энергию из системы подачи мощности транспортного средства, например, аккумуляторной батареи и/или электрогенератора, в переменный ток (AC), который подходит для использования электромотором. Такие силовые электронные схемы типично содержат силовые электронные схемы, например, IGBT-токовые модули и регулятор тока, такой как описанный в документе EP 1252034. С помощью силовых электронных схем для управления током и/или напряжением, подаваемым к обмоткам статора, вектор магнитного поля магнитного потока, формируемого статором, регулируется, и электромотор работает с желаемым крутящим моментом и/или скоростью вращения. Посредством объединения силовых электронных схем в статоре длина электрических шин, которые проходят от силовых электронных схем к электромагнитам, может оставаться короткой, что является очень желательным в виду минимизации потерь высоких электрических токов и напряжений, как правило, требуемых для работы такого электромотора, которые могут, например, иметь величину до 300 А при 700 В или более.
Встроенный в колесо узел привода может быть осуществлен как по существу автономный модуль, без каких-либо движущихся частей транспортного средства, присоединенных к и/или протягивающихся внутрь ротора. Внутреннее пространство, определенное ротором, предпочтительно является по существу замкнутым, чтобы предотвращать проникновение посторонних частиц, таких как пыль и/или частицы продуктов износа, высвобождаемые тормозной системой транспортного средства и/или дорогой, в упомянутое внутреннее пространство.
Встроенный в колесо узел привода может быть установлен на транспортном средстве во множестве позиций посредством соединения стороны узла привода, обращенной к транспортному средству, с рамой транспортного средства. Обод для установки шины может быть присоединен к ротору, предпочтительно к по существу цилиндрической внешней поверхности ротора.
Из документа EP 1 252 034 известно электронное устройство управления встроенного в колесо мотора, которое размещается внутри обмоток статора, и которое включает в себя силовые модули, регуляторы тока и векторный генератор. Векторный генератор содержит кодер или резольвер, установленный вокруг центрального вала и приспособленный для определения угла ротора, и подает управляющий сигнал регулятору тока. Операционные и управляющие электронные схемы размещаются в пространстве для размещения элемента крепления и изолируются от внешнего мира крышкой, которая снабжается установочным фланцем, с помощью которого встроенный в колесо мотор устанавливается на транспортное средство.
В документе US 6,731,032 показано устройство управления электромотором для бесщеточного мотора, в котором магнитное кольцо на диске установлено на центральный ротор. Датчик Холла измеряет угловые положения и через контроллер возбуждает катушки статора с помощью синусоидальной формы волны тока.
Однако, во встроенном в колесо электромоторе предшествующего уровня техники установка датчика положения для измерения углового положения ротора относительно статора требует более сложных операций совмещения, так как силовые электронные схемы, включающие в себя датчик положения, скрыты внутри электромотора.
Кроме того, во встроенном в колесо электромоторе предшествующего уровня техники обнаружение углового положения может быть нарушено во время использования, так как совмещение датчика положения с осью колеса может подвергаться воздействию ударов и вибраций. Во время использования удары и вибрации могут быть причиной того, что угловое положение магнитов ротора относительно обмоток статора может изменяться, ведя к несовмещению, которое, в конечном счете, влияет на синхронизацию магнитного поля в статоре.
Задачей настоящего изобретения является преодоление или смягчение одного или более недостатков предшествующего уровня техники.
Сущность изобретения
Задача решается посредством встроенного в колесо электромотора, содержащего статор с соединительным выступом на стороне, обращенной к транспортному средству, цилиндрический полый корпус статора, соединенный с соединительным выступом и на внешней поверхности снабженный обмотками статора, и дополнительно содержащего цилиндрический корпус ротора, соосно окружающий статор и вращаемый вокруг оси вращения; электромотор дополнительно содержит силовое электронное устройство для питания обмоток статора на статоре и детектор для углового положения корпуса ротора относительно статора; соединительный выступ снабжается опорой, размещенной для соединения с силовым электронным устройством; силовое электронное устройство устанавливается на опоре внутри полого корпуса статора; цилиндрический корпус ротора имеет цилиндрическое отверстие на стороне, обращенной к дороге, отверстие является соосным с осью вращения; детектор для углового положения содержит датчик углового положения, который устанавливается внутри полого корпуса статора и соединяется с корпусом ротора, при этом детектор для углового положения устанавливается на силовом электронном устройстве на стороне силового электронного устройства, обращенной к дороге, и соосно с осью вращения. Когда соединительный выступ, статор и ротор встроенного в колесо электромотора устанавливаются на транспортное средство, силовое электронное устройство может затем быть установлено в полом корпусе статора посредством вставки силового электронного устройства в отверстие, после чего детектор для углового положения может удобно быть соединен с ротором со стороны встроенного в колесо мотора, обращенной к дороге. Таким образом, установка встроенного в колесо мотора облегчается, и силовые электронные схемы, также как и детектор для углового положения, могут быть доступны без необходимости отсоединения соединительного выступа, статора и/или ротора от транспортного средства.
В варианте осуществления силовое электронное устройство содержит кожух, в котором силовые электронные схемы содержат компоненты, такие как множество IGBT, для преобразования электрической энергии от системы подачи питания транспортного средства в AC-форму, подходящую для использования встроенным в колесо электромотором.
В варианте осуществления детектор для углового положения устанавливается в цилиндрическом отверстии корпуса ротора посредством установочной пластины. Например, установочная пластина может быть закреплена в цилиндрическом отверстии ротора на стороне, обращенной к дороге, при этом часть детектора размещается в цилиндрическом отверстии и соединяется с установочной пластиной, в то время как другая часть детектора устанавливается на силовом электронном устройстве.
В варианте осуществления, в котором установочная пластина соединяется с датчиком положения посредством поворотной оси, иногда также обозначенной поворотным валом, которая является по существу соосной с осью вращения.
В варианте осуществления поворотная ось содержит гибкий стержень. Гибкость стержня предоставляет некоторый допуск для небольших несовмещений в позиции оси вращения ротора относительно статора. Такие несовмещения могут быть результатом неточностей во время сборки встроенного в колесо мотора и/или вследствие меняющихся нагрузок на ротор, например, когда колесо движется по ухабу на дороге.
В варианте осуществления датчик положения оборудуется гибким соединением, соединяющим с поворотной осью. Это также предоставляет некоторый допуск для небольших несовмещений в позиции оси вращения ротора относительно статора. Дополнительно, гибкое соединение облегчает размещение установочной пластины в цилиндрическом отверстии ротора на стороне, обращенной к дороге.
В варианте осуществления поворотная ось содержит пару осевых элементов, один осевой элемент соединяется с датчиком положения, другой осевой элемент соединяется с установочной пластиной, при этом осевые элементы на своей границе соединяются посредством гибкого сочленения.
В варианте осуществления установочная пластина является копланарной с цилиндрическим отверстием.
В варианте осуществления гибкое сочленение содержит, или осуществляется в упругом материале, например, силиконовом каучуке или другом виде синтетического каучука. Такой материал типично является приспособленным для выдерживания частых небольших несовмещений в позиции оси вращения ротора относительно статора и может иметь высокую усталостную долговечность. Гибкое сочленение предпочтительно конфигурируется, чтобы иметь высокую жесткость в круговом направлении, например, такую, что расстояние, на которое два конца сочленения могут перемещаться относительно друг друга в продольном направлении сочленения, меньше расстояния, на которое  два конца могут смещаться относительно друг друга, например, посредством сгиба, в направлении, перпендикулярном продольному направлению.
Согласно аспекту, изобретение предоставляет силовое электронное устройство для питания электромотора, электромотор содержит статор с цилиндрическим полым корпусом статора и внешней поверхностью корпуса статора, оборудованной обмотками статора, и содержит цилиндрический корпус ротора, соосно окружающий статор, для вращения вокруг оси вращения электромотора; силовое электронное устройство содержит электронные элементы для подачи питания к обмоткам статора и детектор для углового положения корпуса ротора относительно статора; детектор для углового положения содержит датчик углового положения, который устанавливается на силовое электронное устройство, и размещается для соединения с возможностью вращения с корпусом ротора через установочную пластину, размещенную для установки на корпусе ротора соосно с осью вращения.
Силовое электронное устройство и детектор могут, таким образом, быть вставлены вместе в полый корпус статора, во время чего фрагмент детектора, который должен быть соединен с ротором, остается доступным со стороны, обращенной к дороге. Соединение детектора с ротором, таким образом, облегчается. В целом, установочная пластина будет присоединена к детектору и к ротору, после того как силовое электронное устройство установлено в полом корпусе статора, и отверстие полого корпуса статора по существу закрыто крышкой ротора на стороне, обращенной к дороге.
В варианте осуществления установочная пластина соединяется с датчиком положения посредством поворотной оси, соосной с осью вращения.
В варианте осуществления силовое электронное устройство содержит кожух, в котором размещаются электронные элементы. Кожух защищает электронные элементы от внешних воздействий. Электронные элементы предпочтительно применяются для преобразования электрической энергии от системы электропитания транспортного средства в AC-форму, подходящую для использования электромотором.
В варианте осуществления силовое электронное устройство, когда установлено в полом корпусе статора, имеет сторону, обращенную к дороге, и сторону, обращенную к транспортному средству, и детектор для углового положения устанавливается на стороне силового электронного устройства, обращенной к дороге. Это предоставляет возможность детектору удобно соединяться с ротором со стороны, обращенной к дороге, после того как силовые электронные схемы были установлены в полом корпусе статора.
В варианте осуществления поворотная ось содержит пару осевых элементов, один осевой элемент соединяется с датчиком положения, другой осевой элемент соединяется с установочной пластиной, при этом осевые элементы на своей границе соединяются посредством гибкого сочленения.
Согласно аспекту, изобретение предоставляет способ для монтажа силового электронного устройства и датчика углового положения во встроенный в колесо электромотор; электромотор содержит статор с соединительным выступом на стороне, обращенной к транспортному средству, цилиндрическим полым корпусом статора, соединенным с соединительным выступом, и на внешней поверхности снабженный обмотками статора, и дополнительно содержит цилиндрический корпус ротора, соосно окружающий статор и вращаемый вокруг оси вращения электромотора; электромотор дополнительно содержит силовое электронное устройство для питания обмоток статора и детектор для углового положения корпуса ротора относительно статора;
детектор для углового положения содержит датчик углового положения, который устанавливается на силовое электронное устройство и соединяется с корпусом ротора пластиной, установленной в цилиндрическом отверстии корпуса ротора, причем способ содержит:
снабжение соединительного выступа опорой, размещенной для соединения с силовым электронным устройством; снабжение цилиндрического корпуса ротора цилиндрическим отверстием на стороне, обращенной к дороге, цилиндрическое отверстие является соосным с осью вращения;
установку силового электронного устройства на опоре внутри полого корпуса статора через цилиндрическое отверстие на стороне, обращенной к дороге, при этом детектор для углового положения с датчиком углового положения установлен на силовом электронном устройстве; и
соединение датчика углового положения с корпусом ротора посредством установки пластины в цилиндрическом отверстии корпуса ротора и соединения установочной пластины с датчиком положения через поворотную ось, соосную с осью вращения.
Дополнительно, изобретение относится к узлу привода для колеса транспортного средства, содержащему либо встроенный в колесо электромотор, как описано выше, либо встроенный в колесо электромотор, изготовленный способом, который описан выше, при этом роторная часть и статорная часть, обе выполнены с возможностью размещения по меньшей мере частично в колесе.
Полезные варианты осуществления дополнительно определяются посредством зависимых пунктов формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет объяснено более подробно ниже со ссылкой на чертежи, на которых показаны иллюстративные варианты его осуществления. Чертежи предназначены исключительно для иллюстративных целей, а не в качестве ограничения идеи изобретения.
На чертежах,
Фиг. 1A, 1B, 1C соответственно показывают вид в поперечном сечении, изометрический вид в разрезе узла привода и поперечное сечение узла привода для использования с настоящим изобретением;
Фиг. 2 показывает подробный вид в поперечном сечении встроенного в колесо электромотора в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
Фиг. 3 показывает подробный общий вид кожуха силового электронного устройства в соответствии с вариантом осуществления изобретения и
Фиг. 4 показывает поперечное сечение соединения между осевым датчиком и корпусом ротора в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Подробное описание вариантов осуществления
Фиг. 1A показывает вид в поперечном сечении узла 1 привода для использования с настоящим изобретением. Узел привода содержит статор 30 с полым корпусом 31 статора, который имеет внешнюю поверхность 32, вокруг которой размещается ротор 60. Узел привода дополнительно содержит соединительный выступ 33, размещенный на стороне 2 узла 1, обращенной к транспортному средству, для присоединения узла привода к оси транспортного средства. Соединительный выступ 33 неподвижно соединяется с корпусом 31 статора через фланец 35, который лежит внутри ротора 60 и имеет больший диаметр по сравнению с фрагментом 36 выступа 33, который лежит снаружи периферийной внешней поверхности 63 ротора 60. Для поддержки вращательного движения ротора 60 вокруг оси вращения R предусматриваются подшипники 52 на стороне, обращенной к транспортному средству, посредством которых ротор поддерживается на выступе 33 на стороне, обращенной к транспортному средству. На стороне 3, обращенной к дороге, ротор поддерживается с возможностью вращения на корпусе 31 статора через подшипники 54 на стороне, обращенной к дороге.
Множество постоянных магнитов 61 присоединяется на внутренней круговой поверхности 62 ротора 60 и может вращаться вокруг обмоток электромагнитов 41 статора 30. Электромагниты 41 прикрепляются на корпусе 31 статора и приводят во вращение ротор посредством взаимодействия между постоянными магнитами 61 и магнитным потоком, формируемым посредством электромагнитов 41. Статор 30 и ротор 60 формируют электромотор, приспособленный для непосредственного приводящего вращения колеса вокруг оси вращения R.
Ротор 60 содержит по существу цилиндрический корпус 71 ротора, который имеет поперечные торцы 72, 73 соответственно на своей стороне 2, обращенной к транспортному средству, и на своей стороне 3, обращенной к дороге. Оба поперечных торца 72, 73 являются по существу закрытыми для того, чтобы препятствовать проникновению посторонних частиц, таких как пыль и частицы продуктов износа от дороги или высвобожденные тормозной системой транспортного средства, во внутреннее пространство полого ротора 60. Сторона ротора, обращенная к транспортному средству, является по существу закрытой боковой пластиной 74, которая протягивается поперечно оси вращения R, и крышкой 75. Боковая пластина 74 и крышка 75, каждая, снабжаются отверстием, через которое протягивается фрагмент 34 соединительного выступа 33. Боковая пластина 74 поддерживает подшипники 52 на стороне, обращенной к транспортному средству, в то время как крышка 75 присоединяется к боковой пластине 74, чтобы покрывать подшипники 51 на их поперечной стороне 2, обращенной к транспортному средству, и содержит отверстие 77, через которое протягивается фрагмент 34. Крышка 75, вместе с уплотнением 78 вала, которое размещается между внутренней круговой кромкой 79 отверстия 77 и внешней окружностью вала 34, препятствует посторонним частицам в повреждении подшипников 52 на стороне, обращенной к транспортному средству. Дополнительно, крышка 75 и уплотнение 78 вала по существу предотвращают проникновение таких частиц во внутреннее пространство 5 ротора со стороны 2, обращенной к транспортному средству, где частицы могут сталкиваться с электромагнитами 41.
Подшипники 54 на стороне, обращенной к дороге, которые размещаются на внутренней стороне корпуса 31 статора, закрываются на стороне 3, обращенной к дороге, съемной второй крышкой 80.
Для управления и электропитания обмоток электромагнитов 41 кожух 100, удерживающий силовые электронные схемы 42, размещается в полом корпусе 31 статора. Силовые электронные схемы 42 содержат компоненты, такие как множество IGBT, для преобразования электроэнергии от системы подачи мощности транспортного средства, например, аккумуляторной батареи и/или электрогенератора, в AC-форму, подходящую для использования электромотором. Детектор 81 для обнаружения углового положения ротора относительно обмоток статора предоставляет сигнал углового положения, указывающий угловое положение ротора силовым электронным схемам, так что переменный ток к обмоткам статора подается синфазно с магнитным полем ротора. Это будет объяснено более подробно со ссылкой на фиг. 2 и 3.
Линии 43a, 43b электропитания для подачи мощности к силовому электронному устройству 42 идут с внешней стороны ротора 60, через канал 44, содержащий сквозное отверстие, в соединительном выступе 33, к силовым электронным схемам.
Кожух 100 силовых электронных схем 42 устанавливается на опоре, осуществленной посредством головки, т.е., фланца 35 соединительного выступа 33. Диаметр отверстия 90 в цилиндрическом корпусе 71 ротора на стороне, обращенной к дороге, больше поперечного сечения кожуха силовых электронных схем 42. Съемная вторая крышка 80, которая закрывает отверстие 90 в цилиндрическом корпусе 71 ротора на стороне, обращенной к дороге, предоставляет возможность того, что силовые электронные схемы 42 могут быть установлены посредством вставки кожуха через отверстие в цилиндрическом корпусе 71 ротора на стороне 3, обращенной к дороге. Также, съемная вторая крышка 80 предоставляет возможность блокировать кожух 100 силового электронного устройства 42 на месте, а также относительно легко осуществлять доступ к силовым электронным схемам 42 при необходимости. В установленной позиции вторая крышка прикрепляется к ротору и вращается вместе с ротором.
Фиг. 1B показывает изометрический вид в частичном разрезе узла привода на фиг. 1A, в котором вторая крышка 80 и подшипники 54 на стороне, обращенной к дороге, однако, не показаны, чтобы предоставлять возможность лучшего обзора полого корпуса 31 статора и детектора 81 углового положения.
Фиг. 1C показывает поперечное сечение узла привода колеса для использования с настоящим изобретением. Узел привода колеса содержит встроенный в колесо электромотор 4, обод 82 и одну или более шин 84.
Встроенный в колесо электромотор 4 содержит статорную часть 30 и роторную часть 60. Статорная часть 30 соединяется с соединительным выступом 33, который является частью шасси транспортного средства.
Обод 82 размещается на внешней окружности роторной части 30. Обод 82 может быть присоединен к роторной части посредством болтового соединения, как известно в предшествующем уровне техники.
На ободе 82 устанавливаются одна или более шин 84. Роторная часть 60 и статорная часть 30, обе размещаются по меньшей мере частично внутри колеса.
Фиг. 2 и 3 показывает детали датчика 81 углового положения в виде в поперечном сечении и общем виде, соответственно.
В съемной второй крышке предусматривается круглое отверстие 92, которое является соосным с осью R вращения.
Детектор 81 углового положения предусматривается для измерения углового положения ротора 30 относительно статора 60, т.е., положения обмоток статора.
Детектор углового положения содержит датчик 93 углового положения и передаточное устройство 94. Датчик 93 углового положения устанавливается на кожух 100 силовых электронных схем 42, т.е. в фиксированном положении в полом корпусе 31 статора. Электронные соединения (не показаны) предусматриваются между датчиком 93 углового положения и электронными схемами контроллера (не показаны) в силовом электронном устройстве 42.
Передаточное устройство 94 выполнено с возможностью предоставления поворотного соединения между датчиком 93 углового положения на стороне статора и ротором 30.
Передаточное устройство 94 содержит установочную пластину 95 и передаточную ось 96. Установочная пластина 95 выполнена с возможностью установки в круглом отверстии 92 съемной второй крышки 80. Передаточная ось 96 является поворотной осью, которая соединяет с возможностью вращения установочную пластину 95 с датчиком 93 углового положения. Поворотная ось располагается соосно с осью R вращения встроенного в колесо электромотора 4. Таким образом, вращение ротора 60 передается датчику 93 углового положения через соединение поворотной оси 96 и установочной пластины 95, присоединенной ко второй крышке 80 ротора.
В дополнительном варианте осуществления поворотная ось 96 размещается как гибкий осевой элемент, например, осевой элемент, выполненный из упругого материала.
Гибкость или упругость поворотной оси 96 предоставляет возможность поглощать или смягчать удары или вибрации, происходящие со стороны 3 ротора 60, и предотвращать распространение этих ударов или вибраций на датчик 93 углового положения и/или (кожух 100) силовых электронных схем 42. Вследствие жесткости в круговом направлении гибкая ось 96 детектора 81 углового положения поддерживает точную передачу вращений, даже если гибкая ось 96 детектора 81 неточно выровнена с осью вращения R колеса.
Фиг. 4 показывает поперечное сечение соединения между датчиком 93 углового положения и корпусом ротора. Соединение содержит передаточную ось (поворотную ось) 96, которая содержит пару осевых элементов 96A, 96B. Один осевой элемент 96A является близким к датчику углового положения и соединяется с осью вращения датчика углового положения. Другой осевой элемент 96B является отдаленным от датчика углового положения и соединяется с установочной пластиной 95, которая соединяется с корпусом ротора.
Два осевых элемента 96A, 96B соединяются друг с другом на своей границе 96C. На границе 96C предусматривается упругое сочленение 96D, которое является гибким в направлении передаточной оси и предоставляет возможность сгибания передаточной оси в случае несовмещения оси вращения одного осевого элемента 96A и оси вращения другого осевого элемента 96B. Посредством своей упругости упругое сочленение 96D может компенсировать сгибание вследствие ударов и вибраций во время работы. В круговом направлении упругое сочленение 96D конфигурируется, чтобы иметь высокую жесткость, с тем, чтобы иметь перенос вращения между осевыми элементами, по существу незатронутым изменениями вследствие ударов или вибраций, создаваемых колесом.
Изобретение было описано со ссылкой на предпочтительный вариант осуществления. Очевидные модификации и изменения придут на ум другим по прочтении и понимании предшествующего подробного описания. Предполагается, что изобретение должно истолковываться как включающее в себя все такие модификации и изменения в такой степени, что они находятся в объеме прилагаемой формулы изобретения.