КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЛИНЕЙНЫМ ТОЛКАТЕЛЕМ

Изобретение относится к электрическим механизмам, преобразующим и распределяющим электрическую энергию, а именно к двигателям с возвратно-поступательным движением якоря, и может быть использовано в качестве двигателей транспортных средств.
Известен электромагнитный двигатель (патент на полезную модель CN 201001079 от 02.01.2008), включающий источник постоянного тока, выключатель питания, рабочий выключатель, электромагнитную катушку и сердечник, цилиндр и поршень, шатун и коленчатый вал, прямой источник питания соединен последовательно с выключателем питания, рабочим выключателем и электромагнитной катушкой. Сердечник и цилиндр электромагнитной катушки закреплены на основании, а цилиндр расположен на электромагнитном нижнем конце катушки, который имеет поршень из материала с постоянным магнитом. Концевая шарнирная тяга, шатун шарнирно прикреплен к коленчатому валу, коленчатый вал вращается в поршне, когда достигается верхняя мертвая точка, рабочий переключатель замыкается, а коленчатый вал оснащен маховиком.
Недостатки известного устройства.
Отсутствует возможность управления оборотами с маленьким шагом, как следствие, возникает необходимость в КПП и сцеплении. Отсутствие возможности точно контролировать положение коленвала.
Ограничение возможности создавать "длинные" и высокоэффективные линейные толкатели.
В случае подключения заявленного двигателя с шаговым линейным толкателем напрямую к полуоси колеса, микроконтроллер позволяет реализовать такие функции как ABS и ESP. В известном решении такая возможность отсутствует.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является вращательное устройство и привод вращения (патент на изобретение № RU 2568343, от 05.11.2010). Вращательное устройство, содержит: линейно-вращательный преобразователь, имеющий ось вращения; узел магнитного статора, включающий ядро, имеющее один или более магнитов, создающих магнитные поля; и два электромагнитных исполнительных механизма, каждый из которых содержит совершающую возвратно-поступательное движение, обмотку, описывающую ядро и по меньшей мере часть из одного или больше магнитов ядра и расположенную с возможностью совершать возвратно-поступательное движение относительно узла магнитного статора, причем указанные совершающие возвратно-поступательное движение обмотки расположены напротив друг друга относительно оси вращения и каждая совершающая возвратно-поступательное движение обмотка связана с линейно-вращательным преобразователем, чтобы приводить его в движение. Привод вращения содержит: узел магнитного статора, включающий участок ядра магнитного статора, который имеет ось, ориентированную радиально относительно оси вращения, и содержит один или более магнитов, создающих магнитные поля; исполнительный механизм, содержащий обмотку, описывающую участок ядра магнитного статора и по меньшей мере часть из одного или больше магнитов участка ядра магнитного статора и расположенную с возможностью совершать возвратно-поступательное движение внутри магнитных полей, созданных участком ядра магнитного статора; обод колеса для крепления шины; линейно-вращательный преобразователь, сопряженный с исполнительным механизмом и ободом колеса, который в процессе работы преобразует линейное возвратно-поступательное движение исполнительного механизма вдоль оси участка ядра магнитного статора во вращательное движение обода колеса вокруг оси вращения.
Недостатком прототипа является использование в качестве исполнительного механизма обмотки, описывающей участок ядра магнитного статора и, по меньшей мере, часть из одного или больше магнитов участка ядра магнитного статора и расположенную с возможностью совершать возвратно-поступательное движение внутри магнитных полей. В случае, когда катушка является подвижной частью конструкции возникает проблема с подачей электрического напряжения на нее, это могут быть скользящие контакты или гибкий провод, что в обоих случаях существенно снижает надежность устройства.
Задачей заявляемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в существенном уменьшении массы двигателя с высоким КПД, возможностью точного регулирования положения вала, высоким крутящим моментом на низких оборотах при сохранении надежности конструкции двигателя.
Для достижения указанного технического результата предлагается кривошипно-шатунный двигатель с линейным толкателем, включающий силовую часть, движущий механизм и электронную систему управления, причем силовая часть состоит из якоря и катушек статора, а движущий механизм представляет собой кривошипно-шатунный механизм, связанный с силовой частью через шатун.
Якорь может быть выполнен в виде корпуса из немагнитного материала с постоянными магнитами внутри. Якорь может быть изготовлен из стали или другого ферромагнитного материала в виде цилиндра с поперечными зубцами (кольцами).
Линейным толкателем является силовая часть двигателя.
Кривошипно-шатунный механизм состоит из шатуна, валика, ползуна, дышла, пальца, кривошипа ведущего колеса. Ползун конструктивно объединен с якорем.
Электронная система управления включает в себя драйвер линейного шагового двигателя, контроллер, источник питания.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На фигуре 1 представлен частный случай двигателя с линейным толкателем, где:
1 - кривошип ведущего колеса;
2 - шатун;
3 - якорь;
4 - катушки статора;
5 - постоянные магниты;
6 - драйвер линейного шагового двигателя;
7 - контроллер;
8 - органы управления транспортным средством;
9 - источник питания.
Кривошипно-шатунный двигатель с линейным толкателем в предпочтительном варианте исполнения включает силовую часть, движущий механизм и электронную систему управления, силовая часть состоит из якоря 3 с постоянными магнитами 5 внутри корпуса из немагнитного материала и катушек статора 4, а движущий механизм представляет собой кривошипно-шатунный механизм 1, связанный с силовой частью через шатун 2.
Электронная система управления включает в себя драйвер линейного шагового двигателя 6, контроллер 7, источник питания 9.
Описанный двигатель может устанавливаться в транспортные средства без использования КПП и редукторов напрямую к приводу оси колеса или винта. Возможно использование одновременно нескольких двигателей в одном транспортном средстве. Двигатель может работать в режиме рекуперации, используя силу торможения для генерации электрической энергии.
Двигатель может быть изготовлен как с одним линейным толкателем так и с несколькими, например (однорядным, оппозитным, V образным, W образным и так далее).
Устройство работает следующим образом.
Контроллеру 7 в реальном времени передаются сигналы от органов управления 8 о положении педали газа, положении руля, педали тормоза, текущей скорости и других датчиков.
Контроллер 7 на основании получаемой информации передает задание драйверу двигателя 6 на увеличение частоты вращения или понижении.
Драйвер 6 на основе датчиков скорости и датчиков положения вала, инвертирует входящее напряжение от источника питания постоянного тока и подает необходимое напряжение в необходимой последовательности на катушки статора 4 которые заставляют совершать линейное перемещение якоря 3 вдоль катушек возбуждения, который, в свою очередь, связан с коленвалом через шатун 2. В результате происходит преобразование линейного движения во вращательное.
Коленвал может быть связан с колесом через полуось, либо через редуктор (дифференциал) для подачи нужного крутящего момента и частоты вращения на колесо.
Так же допускается использование КПП, АКПП, вариаторов либо любого другого механизма для изменения крутящего момента и частоты вращения колес.
При отпускании педали газа, либо при нажатии на педаль тормоза, контроллер 7 передает задание на драйвер 6 двигателя для перехода двигателя в режим рекуперации энергии. После чего драйвер 6 вместо подачи напряжения на катушки статора 4 снимает с них полученный вследствие передвижения якоря 3 вдоль катушек электрический ток и направляет обратно в источник питания 9 для его заряда.
Анализ патентной и научно-технической литературы не выявил технических решений с подобной совокупностью существенных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» заявляемого изобретения.
Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».