Асинхронное мотор-колесо с повышенным магнитным сцеплением
ASYNCHRONOUS MOTOR-WHEEL WITH INCREASED MAGNETIC COUPLING

Изобретение относится к области машиностроения и касается особенностей конструктивного выполнения электротранспорта, частности - электромобилей с приводом от электроколеса 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 (патент №166178 (RU 166178 U1), опубл. 27.10.2016), который по технической сущности наиболее близок и выбран в качестве прототипа. Общими признаками являются мотор-колесо со встроенным в него электродвигателем, выполненный в виде асинхронной электромашины, статор которой закреплен на неподвижной оси колеса и подвижной коротко замкнутый ротор и встроенный малошумный асинхронный двигатель, образуемый статором и ротором, имеет 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, и дополнительно содержит блок управления асинхронными двигателями, интегрированных в колеса, источника питания, жгуты проводов, объединяющие систему мотор-колес и управления ими.
Причины, по которым нельзя достичь технического результата является наличие изменения результирующего магнитного поля машины и уменьшения модуля векторного произведения электромагнитных полей статора и ротора из-за влияния продольной составляющей "реакции якоря" ротора, а также малые степени эффективности образования результирующего электромагнитного момента токопроводящими стержнями "беличьей клетки" из-за блокировки максимальной электродвижущей силой малых электродвижущих сил, что приводит к снижению КПД, увеличенному пусковому току и току холостого хода, снижению крутящего момента.
Технической проблемой является разработка мотор-колеса со встроенным асинхронным электродвигателем с повышенным магнитным сцеплением, направленная на повышение мощности за счет проектирования конструкции ротора, включающего попарно замкнутые витки пазов, при различных видах обмотки статора.
Техническим результатом является повышение КПД, коэффициента мощности, повышение крутящего момента и надежности.
Технический результат достигается тем, что мотор-колесо с повышенным магнитным сцеплением, содержащее колесо со встроенным в него электродвигателем, выполненного в виде асинхронной электромашины, статор, которой закреплен на неподвижной оси колеса и подвижный короткозамкнутый ротор и встроенный малошумный асинхронный двигатель, образуемый статором и ротором, имеет 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, и дополнительно содержит блок управления асинхронным двигателем и жгуты проводов, объединяющие мотор-колесо с источником питания и блоком управления, ротор содержит независимо попарно коротко замкнутые витки, проходящие в пазах магнитопровода ротора, представляющие собой пары коротко замкнутых стержней, расположенные по периметру ротора, замыкая пары пазов, расстояние между которыми соответствует расстоянию между зонами, прилегающим к границам полюсного деления статора, и зонами, прилегающим к границам половины полюсного деления статора, а обмотки статора совместно и по отдельности могут быть собраны в звезду и в треугольник.
Таким образом, подведенная к статору машины энергия переменного тока создает в нем первичное вращающееся магнитное поле, которое благодаря магнитному сцеплению с ротором, имеющим независимо попарно замкнутые витки, наводит в его коротко замкнутых витках электрический ток для создания вторичного магнитного поля, причем ток от стержней каждой пары, находящихся в области генерирования его максимальных значений 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.
Сущность технического решения поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.
Система электропривода типа "мотор-колесо" с повышенным магнитным сцеплением и функцией торможения с рекуперацией энергии (фиг. 1) содержит встроенный в колесо 1 асинхронный электромотор 2 с закрепленным на неподвижной оси 3 колеса 1 статором 4 и подвижным ротором 5, линию подачи электропитания 6 от источника 14 на электромотор 2 с коммутатором 7, основной тормозной цилиндр 8, гидравлическую магистраль 9, связывающую основной тормозной цилиндр 8 и исполнительный тормозной цилиндр 10 гидравлического тормоза колеса 1, блок управления 11, связанный с педалью акселератора 12, педалью тормоза 13, основным тормозным цилиндром 8 и коммутатором электропитания 7 электродвигателя 2 с возможностью коммутации цепи подачи электрического тока на электромотор 2, переключения электромотора 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 определенного значения.
Статор 4 электромотора 2 содержит обмотки, подключенные по схеме "звезда" 15, либо обмотки 16, подключенные по схеме "треугольник", либо совмещенные обмотки «звезда» и «треугольник» с обеспечением сложения магнитных полей этих обмоток (фиг. 2).
Ротор 5 электромотора содержит пакет магнитопровода 17, стеклотекстолитовые прокладки 18 и медные проводники 19, попарно замыкающие витки пазов ротора. Предлагается 2 варианта промышленного попарного замыкания витков: вариант 1) сборная конструкция применения проводников 19 в виде намотки или укладки проводов в замыкаемые пазы пакета магнитопровода 17 ротора 5 и 2) литая конструкция применения медных литых проводников 19 попарно замыкающих витки пазов пакета магнитопровода 17 с последующей изоляцией замкнутых пар друг от друга с помощью стеклотекстолитовых прокладок 18 (фиг. 3).
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 четырех колес легкового автомобиля. Единственным его отличием от стандартного колеса является наличие встроенного электромотора 2. Электромотор является асинхронным электродвигателем с питанием переменным трехфазным током. Статор 4 электромотора 2 выполнен в виде медной проволоки, намотанной на стальной магнитопровод. Статор 4 образован, например, девяносто шестью такими комбинированными обмотками, расположенными по окружности колеса. Для примера, нечетные обмотки 14 подключены по схеме "звезда", а четные обмотки 15 по схеме "треугольник". Таким образом, создается шестнадцати полюсной асинхронный электромотор с комбинированными обмотками. Тем не менее, соотношение обмоток типа «звезда» и «треугольник», как и их намоточные данные могут быть различными, зависит от целей применения и рассчитывается для конкретных целей использования электродвигателя.
Ротор 5 выполнен в виде попарно замкнутых медных или алюминиевых проводников. Ротор 5 содержит пакет магнитопровода 17, стеклотекстолитовые прокладки 18 и медные проводники 19, попарно замыкающие витки пазов ротора. Коротко замкнутые витки обмотки спроектированы так, что вращающееся электромагнитное поле статора воздействует на коротко замкнутые витки обмотки ротора, проходящие через зоны, прилегающие к границам полюсного деления статора, добавляет дополнительное воздействие вращающегося электромагнитного поля статора, осуществляющегося на участки короткозамкнутых витков обмотки ротора, проходящих через зоны, прилегающие к границам половины полюсного деления статора.
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. Машина сохраняет эффект вращения поля и продолжает полноценно выполнять свою работу при отключении одной фазы, генерируя в отключенную фазную обмотку гармоническое напряжение отсутствующей фазы высокого качества с клирфактором менее 1%.
Источником электропитания 14 является литий-ионная батарея. Основной тормозной цилиндр 8, гидравлическая магистраль 9, соединенная с основным цилиндром 8 являются типовыми, используемыми в легковых автомобилях, за исключением того, что тормозной цилиндр управляется от блока управления 11. Блок управления 11 выполнен в виде электронного блока на базе микроконтроллера. 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 источника питания 14, на основании из заданного в него алгоритма и полученной с датчиков информации.
Рассмотрим пример работы системы 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 подает сигнал на коммутатор 7 для коммутирования электромотора 2 с источником питания 14. В результате этого автомобиль начинает ускоряться.
При работе электромотора 2 подключенного по схеме обмотки "звезда" 14 или подключенные по схеме обмотки "треугольник" 15 электроника блока управления 11 определяет векторное управление электромотором 2 и нагрузочные параметры обмоток.
При работе электромотора 2 при задействовании одновременно подключенных по схеме "звезда" обмотки 14 и подключенных по схеме "треугольник" обмотки 15, на этапе разгона электрический момент приходится на все комбинированные обмотки, подключенные по схеме "звезда" 14 и "треугольник" 15, распределение токов происходит по совмещенному соединению обмоток "звезда" 14 и "треугольник" 15, при этом, распределение может происходить не симметрично, а управляемо электроникой блока управления 11. Это позволяет увеличить возможности перегрузки и коэффициента полезного действия при различных режимах в пределах от 3 до 40%, а так же существенно снизить шумность электродвигателя до 40% за счет исключения перетекания паразитирующих токов и симметричному распределению электрических нагрузок. Во время движения нагрузка непрерывно переходит на обмотки, подключенные по схеме "треугольник" 15, и электромотор переходит на режим максимальной мощности.
Подведенная к статору 4 электромотора энергия переменного тока создает в нем первичное вращающееся магнитное поле, которое благодаря магнитному сцеплению с ротором 7 наводит в его короткозамкнутых витках электрический ток для создания вторичного магнитного поля, причем витки ротора 7, представляющие собой пары короткозамкнутых стержней проводников 19, расположенных по периметру ротора 7 таким образом, что ток от стержней каждой пары проводников 19, 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 19 соответствующих пар с максимальными значениями магнитного поля статора 4, 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 7 и статором 4 как для повышения механической мощности, передаваемой на вал, так и для сохранения работоспособности машины при отключении фазы питания статора.
При нажатии на педаль тормоза 13 происходит обработка информации о нажатии блоком управления 11. 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 дает команду на изменение коммутации электромотора на режим генератора без задействования гидравлического тормоза. Если полученный момент торможения больше заданной в алгоритме управления блока управления 11 величины, 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 генератором.
При отсутствии воздействий на педаль акселератора 12 и педаль тормоза 13, блок управления 11 не подает сигнал на коммутатор 7 для коммутирования электромотора 2 с источником питания 14 и не создает магнитного поля. Статор и ротор 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 электромотора по его «выбегу».
Эффективность работы системы 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, 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.