АСИММЕТРИЧНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области электродвигателей постоянного тока, в частности безредукторным коллекторным электродвигателям низкого напряжения, и может быть использована в качестве мотор-колес в транспортных средствах: электроприводных велосипедах, скутерах, мотоциклах, электро-автомобилях и т.д., а также в иных областях техники.
Наиболее перспективными для развития транспорта являются безредукторные мотор-колеса, у которых вращение колеса вызывается непосредственно электромагнитным взаимодействием магнитных систем ротора и статора. Такие двигатели экологически чистые, экономичные, просты и удобны в эксплуатации. Известно мотор-колесо, содержащее обод, и ось со встроенным асинхронным электродвигателем (SU 628008 А, 15.10.1978). Электродвигатель выполнен в виде дисковой асинхронной электромашины, статор которой с магнитопроводом, обмотками и токопроводом закреплен на неподвижной оси колеса, а ротор с короткозамкнутой обмоткой и магнитопроводами, размещенными с двух сторон статора, образуют колесо, выполненное с возможностью вращения. Такая конструкция мотор-колеса обеспечивает большую надежность за счет отсутствия механического редуктора и имеет улучшенное по сравнению с традиционной конструкцией охлаждение, за счет радиальных каналов, омываемых охлаждающей средой. Однако использование такого элемента как асинхронный двигатель приводит к высокому тепловыделению, требует сложной системы управления и высоковольтных источников питания. Кроме того, такой мотор-колесо не имеет перспективы рекуперации электроэнергии, как при движении, так и при торможении транспортного средства.
Известен встроенный электродвигатель (WO 93/08999 А1, 13.05.93), содержащий две основные части: неподвижный статор, закрепленный на оси и имеющий магнитопровод с постоянными магнитами, размещенными равномерно; и подвижный ротор, несущий обод и содержащий по крайней мере две группы электромагнитов, а также распределительный коллектор, закрепленный на статоре и имеющий токопроводящие пластины, соединенные с источником постоянного тока. На роторе закреплены токосъемники, имеющие электрический контакт с пластинами распределительного коллектора.
Указанное мотор-колесо имеет различные модификации и варианты исполнения (US 6384496 В1, 07.05.2002; US 6617746 В1, 09.09.2003; RU 2129965 С1, 10.05.1999; RU 2172261 С1, 20.08.2001). К преимуществам такого устройства относятся: отсутствие редуктора, использование низковольтных источников питания, отсутствие дополнительных электронных схем, возможность рекуперции энергии, небольшие габариты и вес. Комбинирование основных элементов мотор-колеса с дополнительными устройствами позволяет создавать аналогичные по принципу работы и обладающие указанными преимуществами мотор-колеса.
Однако описанное мотор-колесо и его разновидности имеют ряд недостатков, главный из которых заключается в необходимости больших пусковых и переходных токов при трогании и ускорении транспортного средства. Это приводит к быстрому износу и порче аккумуляторов и ухудшению теплового режима. Другим недостатком является недостаточно эффективное возвращение и использование электроэнергии. Также названные электродвигатели имеют низкий крутящий момент, что существенно ограничивает область их практического использования.
Известные технические решения, направленные на устранение указанных недостатков, связаны с применением высоковольтных источников питания и сложных схем управления, что делает их дорогостоящими и малонадежными в эксплуатации (US 6791226 В1, 14.09.2004; US 6727668 В1, 27.04.2004; US 6355996 В1, 12.03.2002).
Для улучшения эксплуатационно-технических характеристик электродвигателя при сохранении относительной простоты конструкции и надежности был предложен импульсно-инерционный электродвигатель (RU 2285997, 20.10.2006).
Такой двигатель содержит: статор с круговым магнитопроводом, на котором закреплено четное количество постоянных магнитов с одинаковым шагом. Ротор электродвигателя отделен от статора воздушным промежутком, и несет четное число электромагнитов, которые расположены попарно напротив друг друга. Распределительный коллектор закреплен на корпусе статора и имеет расположенные по окружности токопроводящие пластины, соединенные с чередованием полярности с постоянным источником тока и разделенные диэлектрическими промежутками. Токосъемники установлены с возможностью контакта с пластинами коллектора, причем каждый из токосъемников подключен к одноименному выводу обмоток соответствующих электромагнитов.
Каждый из электромагнитов имеет по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, причем обмотки катушек смежных электромагнитов соединены последовательно, а выводы обмоток противоположных электромагнитов, не подключенные к токосъемникам, соединены между собой. Количество постоянных магнитов статора, равное n, и количество электромагнитов ротора, равное m, подбирают таким образом, чтобы они удовлетворяли соотношениям:
n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д.
m=4+2L, где L - любое целое число, удовлетворяющее условию 0≤L≤k.
Этот электродвигатель показал высокие тяговые, скоростные и другие эксплуатационные характеристики и с успехом применяется на различных транспортных средствах. Однако в процессе эксплуатации были также определены направления для дальнейшего усовершенствования мотор-колеса. Это, прежде всего: увеличение крутящего момента и скорости вращения, упрощение настройки опережения коммутации фаз и в целом увеличение КПД электродвигателя.
Настоящая полезная модель направлена на увеличение КПД и улучшение прочих эксплуатационно-технических параметров двигателя, при одновременном упрощении монтажа и эксплуатационного обслуживания.
В качестве ближайшего аналога настоящей полезной модели выбран импульсно-инерционный двигатель. В ассиметричном импульсном электродвигателе в соответствии с полезной моделью сохранен тот же подход к выбору соотношения между количеством постоянных магнитов и электромагнитов, но использована совершенно другая электрическая схема. Кроме того, изменены некоторые геометрические параметры элементов электродвигателя, влияющие на электромагнитные взаимодействия.
Ассиметричный импульсный электродвигатель, выполненный в соответствии с настоящей полезной моделью, включает:
- статор с круговым магнитопроводом, на котором закреплено четное количество постоянных магнитов с одинаковым шагом;
- ротор, отделенный от статора воздушным промежутком, и несущий четное число электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга;
- распределительный коллектор, закрепленный на корпусе статора и имеющий расположенные по окружности токопроводящие пластины, соединенные с чередованием полярности с постоянным источником тока и разделенные диэлектрическими промежутками;
- токосъемники, установленные с возможностью контакта с пластинами коллектора.
Количество постоянных магнитов n удовлетворяет соотношению:
n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д.
При этом количество электромагнитов ротора m обычно удовлетворяет соотношению m=4+2L, где L - любое целое число, удовлетворяющее условию 0≤L≤k. Наиболее часто используемые: n=10, m=4; n=14, m=6; n=18, m=4; n=22, m=4, 6, 8, 10; n=26, m=4, 6, 8, 10, 12 и т.д.
Каждый из электромагнитов имеет по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки. Количество витков в катушках электромагнитов рассчитывается аналогично правилам расчета трансформаторов по формуле:
2
N=(k/S)*V, где S - площадь поперечного сечения зубца электромагнита в см, k - коэффициент трансформации, V напряжения источника питания в вольтах; причем k принимает любое значение из ряда 12, 14, 16.
Диаметрально противоположные электромагниты имеют паралелльно-встречное включение, т.е. выводы обмоток соединены друг с другом независимо от остальных так, что начало обмотки одного электромагнита соединено с концом обмотки другого электромагнита. Каждый из токосъемников подключен к одноименному выводу обмоток соответствующих электромагнитов. Обычно токосъемники (щетки) устанавливаются по осевым линиям второго зубца, по направлению вращения электромагнита и соединяются с начальным выводом катушки этого зубца.
Для облегчения процедуры трогания с места и повышения крутящего момента электродвигателя предпочтительно, чтобы зубцы каждого электромагнита были не симметричными. Башмак первого, по направлению вращения ротора, зубца каждого электромагнита увеличен, по сравнению со вторым. Разница в размерах (от 3 до 9 мм) зависит от задаваемых параметров электродвигателя: тяговых свойств, скорости вращения и выходной мощности.
Настоящая полезная модель может быть использована как для электродвигателя однонаправленного вращения, так и для реверсивного электродвигателя, в зависимости от способа подключения электропитания. В первом случае положительные токопроводящие пластины распределительного коллектора соединяют с положительным полюсом источника постоянного тока, а отрицательные токопроводящие пластины распределительного коллектора при этом замкнуты на корпус электродвигателя.
В реверсивном электродвигателе положительные токопроводящие пластины распределительного коллектора соединяют с положительным полюсом источника постоянного тока, а отрицательные токопроводящие пластины распределительного коллектора соединяют с отрицательным полюсом источника постоянного тока и изолируют от корпуса электродвигателя. Для изменения направления вращения электродвигателя меняют подключение полюсов источника постоянного тока на противоположное.
Конструктивно электродвигатель может быть выполнен так, что ротор будет расположен с внешней стороны статора или ротор будет расположен внутри статора. Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами:
На Фиг.1 изображена схема электродвигателя, выполненного в соответствии с настоящей полезной моделью, у которого статор электродвигателя расположен внутри ротора;
На Фиг.2 изображена схема электродвигателя, выполненного в соответствии с настоящей полезной моделью, у которого статор электродвигателя расположен снаружи ротора;
На Фиг.3 представлена зависимость КПД электродвигателя для скутера от вращающего момента;
На Фиг.4 представлена зависимость КПД электродвигателя для электромобиля от вращающего момента.
На Фиг.1 представлен электродвигатель, выполненный в соответствии с настоящей полезной моделью, который может быть использован как мотор-колесо для различных транспортных средств. Электродвигатель содержит обечайку 1, выполняющую роль защитного кожуха, и непосредственно передающую вращение на колесо. Обечайка соединена посредством спиц с ободом колеса (на фигуре не показано). Статор 2 электродвигателя расположен внутри ротора 3. Статор 2 имеет круговой магнитопровод 4, на котором закреплено четное количество постоянных магнитов 5 с одинаковым шагом и чередующейся полярностью. В данном случае четырнадцать постоянных магнитов (n=10+4k, где k=1). Ротор 3 отделен от статора воздушным промежутком и несет четное число электромагнитов 6. В данном случае - шесть (m=4+2L, где L=k=1). Электромагниты расположены попарно напротив друг друга и образуют три пары. Каждый из указанных электромагнитов имеет по две катушки 7 с последовательно встречным направлением обмотки, (то есть, если одна из катушек намотана по часовой стрелке, то другая против часовой). Между собой катушки одного электромагнита соединены последовательно, конец обмотки одной катушки соединен с началом обмотки другой катушки. Обычно зубцы одного электромагнита изготавливают не одинаковые. Первый по направлению вращения электродвигателя зубец 8 имеет больший размер башмака 9, чем размер башмака 10 второго зубца 11. Увеличение длины башмака каждого первого (по направлению вращения ротора) зубца значительно облегчает процедуру трогания с места, снижает пусковые токи, повышает крутящий момент и упрощает настройку опережения коммутации фаз. При этом скорость вращения электродвигателя уменьшается незначительно. Разница в размерах (от 3 до 9 мм) зависит от изначально задаваемых параметров электродвигателя: тяговых свойствах, скорости вращения и мощности.
На Фиг.1 начало обмотки катушки второго зубца обозначено буквой «Н», конец обмотки катушки первого зубца обозначен буквой «К». Количество витков в катушках определяется требуемыми параметрами двигателя. Опытным путем была найдена методика расчета количества витков в катушках электромагнитов. Она аналогична методам расчета трансформаторов: количество витков одной катушки N=(k/S)*V, где S - площадь сечения сердечника (зубца электромагнита) в см, k - коэффициент трансформации, V напряжения источника питания в вольтах. Опытным путем установлено, что для импульсных моторов к зависит от качества электротехнической стали и магнитных параметров постоянных магнитов и, обычно, выбираются значения - 12, 14, 16. Чем выше качество стали и больше коэрцитивная сила постоянных магнитов, тем ниже значение коэффициента. Сечением провода определяется мощностью электродвигателя и, соответственно, размером окна заполнения между зубцами.
При работе электродвигателя катушки 7 электромагнитов 6, запитываются от источника постоянного тока (на фигуре не показан) через распределительный коллектор 12 и токосъемники 13. Распределительный коллектор 12 неподвижен относительно статора, а токосъемники 13 связаны с ротором и при его вращении перемещаются относительно токоведущих пластин 14. Обычно конструктивно токосъемники крепятся к боковой крышке (внешнему кожуху) электромотора. Указанные пластины соединены с чередованием полярности с постоянным источником тока и разделены диэлектрическими промежутками 15. Количество пластин в распределительном коллекторе соответствует числу магнитов статора и в данном случае равно четырнадцати.
Каждый из токосъемников 13 подключен к одноименным выводам обмоток одного из электромагнитов 6. На фигуре изображено подключение к началу обмотки катушки второго по направлению вращения зубца электромагнита, обозначенное буквой «Н». Обычно токосъемники (щетки) устанавливаются по осевым линиям второго зубца, по направлению вращения, электромагнита и соединяются с начальным выводом катушки этого зубца.
Между собой электромагниты 6 соединены по следующей схеме:
пара диаметрально противоположных электромагнитов имеют паралелльно-встречное независимое включение, т.е. вывод «Н» обмотки первого электромагнита соединен с выводом «К» обмотки второго электромагнита, а вывод «К» обмотки первого электромагнита соединен с выводом «Н» обмотки второго электромагнита.
Описанный выше вариант исполнения электродвигателя обычно используют на велосипедах, скутерах и мотоциклах, когда ось двигателя жестко закреплена на вилке транспортного средства и вращается корпус мотора вместе с ободом и шиной.
Принцип действия электродвигателя, выполненного в соответствии с настоящей полезной моделью, аналогичен традиционному электродвигателю постоянного тока и основан на силах электромагнитного притяжения и отталкивания, возникающих при взаимодействии электромагнитов 6 ротора и постоянных магнитов 5 статора. При прохождении электромагнитом положения, когда его ось расположена между осей постоянных магнитов, катушки электромагнита запитаны так, что создают магнитный полюс, противоположный полюсу последующего в направлении вращения постоянного магнита, и одноименный с полюсом предыдущего постоянного магнита. Таким образом, электромагнит одновременно отталкивается от предыдущего и притягивается к последующему постоянному магниту. При прохождении электромагнитом положения напротив оси постоянного магнита, он обесточен, поскольку токосъемник располагается напротив диэлектрического промежутка. Это положение электромагнит проходит по инерции. Преимущества настоящего электродвигателя заключаются в строго определенном соотношении числа электромагнитов и постоянных магнитов их взаиморасположении и в используемой схеме коммутации электромагнитов.
На Фиг.2 изображена схема электродвигателя, выполненного в соответствии с настоящей полезной моделью, у которого статор 2 электродвигателя расположен снаружи ротора 3. Статор 2 несет четырнадцать постоянных магнитов 5; ротор - шесть элетромагнитов 6. Исполнение элементов электродвигателя и их обозначение на чертеже аналогично описанному выше (для Фиг.1). Такой электродвигатель может быть использован в качестве автомобильного варианта с жестко закрепленным корпусом и вращающейся осью, с прикрепленным к ней диском и шиной.
Примеры реализации:
Электродвигатель, изготовленный в соответствии с настоящей полезной моделью, демонстрирует высокие эксплутационные характеристики и надежность конструкции при использовании на различных транспортных средствах.
Базовая модель двигателя - 14 постоянных магнитов и 6 электромагнитов использовалась на велосипеде, скутере, мотоцикле и электромобиле.
2
Сердечник электромагнита был собран из пластин изотропной электротехнической стали шириной - 13 мм. Высота набора составляла 25 мм (площадь сечения S=3,25 см). В данном случае коэффициент трансформации был равен 12. Количество витков на 1 В источника питания составляло 3,7. Для скутера, например, величина напряжение питания которого равнялось 48 В, количество витков каждого электромагнита составляло 178 (или по 89 витков на каждый зубец).
Результаты испытаний транспортных средств представлены в Таблице 1.
Таблица 1:
Тип транспортного средства
Велосипед
Скутер
Мотоцикл
Двухместный автомобиль
Количество мотор-колес
1
1
1
2
Развиваемая мощность, Вт
270
1300
2700
3000
Напряжение питания, В
24
48
60
72
Крейсерская скорость, км/ч
32
50
80
90
Вращающий момент, Нм
13
60
70
100
КПД, %
82
85
87
90
Габариты электродвигателя (диаметр/толщина, мм)
190/48
219/56
250/61
308/76
Вес электродвигателя, кг
5,0
8,5
12,0
16,0
Грузоподъемность транспортного средства, кг
100
160
250
400
Длина пробега транспортного средства, км
50
70
120
250
Описанный электродвигатель может работать в различных режимах в зависимости от напряжения источника питания. На Фиг.3 представлена зависимость КПД электродвигателя от момента вращения при различных напряжениях питания. Этот двигатель был разработан для скутера: развиваемая мощность - 1,3 кВт, скорость - 50 км/ч; КПД до 85%. На Фиг.4 представлена аналогичная зависимость для двигателя городского электромобиля: развиваемая мощность - 3 кВт, скорость - 85-90 км/ч; КПД до 90%.
Двухместный электромобиль при увеличении напряжения питания до 120 В (и соответствующем изменении сечения намоточного провода и количества витков) может развивать скорость до 130 км/ч.
Настоящая полезная модель не ограничивается только приведенными примерами и включает в себя все возможные случаи реализации настоящего электродвигателя.