ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VEHICLE ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к транспортному машиностроению и позволяет реализовать мотор - колеса преимущественно для легких транспортных средств (ТС). Известен импульсный электродвигатель для передвижных средств /См. патент RU 2172261/ [1], содержащий жестко закрепленный на оси статор в виде цилиндра с двумя кольцеобразными магнитопроводами, на которых расположены равноудаленные по окружности постоянные магниты. Статор находится внутри обоймы ротора, образованной двумя торцевыми дисковыми стенками, жестко соединенными с наружным цилиндром обоймы, к которой присоединен обод колеса. Торцевые дисковые стенки обоймы ротора подвижно (через подшипники) закреплены на оси подвески колеса. Внутри наружного цилиндра обоймы ротора закреплены поперечные двухполюсные электромагниты, обмотки которых соединены через токосъемники с секторами распределительного коллектора, который выполняет функцию преобразования постоянного тока, подаваемого в обмотки электромагнитов через токосъемники, в импульсный. Вращающий момент в прототипе обеспечивается совмещением осевых линий постоянных магнитов с осевыми линиями секторов распределительного коллектора. Прототип обеспечивает высокомоментное преобразование энергии постоянного тока во вращение ротора с колесом, однако его существенными недостатками являются:
- низкая надежность трущихся контактов токосъемника, особенно в сырую и морозную погоду;
- высокая трудоемкость изготовления деталей и сборки устройства в целом.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности электропривода ТС путем исключения трущихся контактов токосъемника и повышение технологичности конструкции.
Для достижения технического результата поперечные двухполюсные электромагниты размещены по окружности статора, а постоянные магниты выполнены составными и размещены в обойме ротора, образованной двумя получашами, каждая в составе боковой стенки с заглушкой и обечайки с отбортовкой, причем каждая обечайка содержит по меньшей мере два равноудаленных магнитных сектора, смыкающихся с магнитными секторами другой получаши при сборке устройства. Под заглушками получаш размещены подшипники, за счет которых ротор в сборе подвижно закреплен на несущей оси электропривода. Отбортовки получаш жестко соединены друг с другом и имеют сквозные отверстия для установки спиц или обода колеса ТС. Кроме того, в зоне полюсов двухполюсных электромагнитов размещены датчики положения полюсов постоянных магнитов ротора относительно полюсов двухполюсного электромагнита вблизи фазы их полного перекрытия, которые подключены ко входам RS триггера, выходы которого подключены ко входам коммутаторов, управляющих подачей напряжений питания обмоток двухполюсных электромагнитов.
Структура мотор-колеса показана на фиг.1 (разрез по оси симметрии), на фиг.2 приведена схема устройства управления подачей питающих напряжений на обмотки двухполюсных электромагнитов статора.
Устройство содержит несущую ось 1, на которой жестко закреплены боковины 2, поджатые к втулке 3 гайками 4. На боковинах 2 размещены левая 5л и правая 5п половины сердечников поперечных двухполюсных электромагнитов. Между половинами 5л и 5п сердечника размещены обмотки 6 электромагнитов, причем половины 5л и 5п сердечника соединены друг с другом с помощью крепежных элементов 7. Разъемная конструкция сердечников поперечных электромагнитов повышает технологичность изготовления и сборки электромагнитов. Число поперечных двухполюсных электромагнитов должно быть не менее двух. Проводники 8 обмоток 6 выведены за пределы несущей оси 1 через внутренний канал 9. На несущей оси 1 размещены элементы 10 крепления мотор-колеса в вилке или подвеске колеса транспортного средства.
Статор находится во внутренней полости ротора между левой и правой получашами ротора, образованными боковыми стенками 11л и 11п с заглушками 12л и 12п, а также обечайками 13л и 13п с отбортовками 14л и 14п. Ротор подвижно закреплен на несущей оси 1 с помощью подшипников 15л и 15п. Внутри обечаек 13л и 13п размещены равномерно по окружности секторы 16л и 16п постоянных магнитов, которые при соединении получаш ротора образуют полукольцевые постоянные магниты, обращенные полюсами к полюсам поперечных двухполюсных электромагнитов статора. Число постоянных полукольцевых магнитов ротора должно быть не менее двух. Угловой шаг размещения постоянных магнитов ротора кратен или равен шагу размещения поперечных двухполюсных электромагнитов статора. В отбортовках 14л и 14п обечаек ротора выполнены отверстия 17 для установки спиц или для жесткого крепления ротора к ободу колеса ТС. В показанном на фиг.1 положении магнитов магнитная цепь каждого постоянного полукольцевого магнита 16 замкнута через полюсы сердечника 5 статора, при этом в обмотках 6 при ненулевой скорости вращения ротора наводится ЭДС: U=k×n×ΔФ/Δt, где n - число витков обмотки, ΔФ/Δt - скорость изменения магнитного потока в цепи, k - коэффициент пропорциональности. В свою очередь магнитный поток Ф зависит от намагниченности постоянного магнита, площади полюсов, относительной магнитной проницаемости сердечника 5 и от зазора между торцевыми поверхностями полюсов постоянного магнита и сердечника 5.
o
o
Поскольку Ф=B×S=µµ HS=µµInS/l, то можно записать
м
Ф=In/R, где I×n=F - намагничивающая сила, I - ток в обмотке 6,
м
в
R - магнитное сопротивление цепи, l - длина магнитной цепи. Зазор δ между торцами полюсов постоянного магнита и полюсами сердечника 5 вносит дополнительную компоненту R в общее магнитное сопротивление цепи:
B
о
min
max
о
п
п
п
о
п
п
п
п
R=δ/µS. Как следствие, общее магнитное сопротивление магнитной цепи сильно зависит от величины зазора δ и положения постоянных магнитов 16 относительно полюсов сердечника 5, изменяясь от почти нулевого значения Ф (при максимальном удалении полюсов постоянных магнитов 16 от полюсов сердечника 5) до максимального значения Ф=[µSIn/(l/µ)+δ]+Ф, где Ф=µµSН - магнитный поток полукольцевого магнита, имеющего относительную магнитную проницаемость µ и остаточную намагниченность Н. За счет значительной остаточной намагниченности Н полукольцевых постоянных магнитов 16 на ротор воздействует сила, удерживающая его в положении совпадения положения полюсов соответствующего магнита 16 и сердечника 5. Ротор может приводиться во вращение путем подачи тока I в обмотки 6 в очередности и в полярности, обеспечивающих вращение ротора в требуемом направлении. При торможении колеса ТС жестко соединенный с ним ротор индуцирует в обмотках 6 статора ЭДС - кинетическая энергия вращения колеса преобразуется в электрическую и может подаваться на зарядку аккумулятора с одновременным эффективным торможением колеса без механического трения между ротором и статором устройства. Путем короткого замыкания обмоток 6 происходит стояночное торможение колеса ТС без применения механического тормоза.
При движении ТС по инерции в обмотках 6 также наводится ЭДС, электрическую энергию которой можно передать в аккумуляторы в моменты электромагнитного торможения, чем обеспечивается рекуперация кинетической энергии движения ТС в электрический заряд аккумулятора.
э
м
м
Для бесконтактного придания вращающего момента ротору электрической машины необходима соответствующая коммутация электрического тока обмоток 6 статора. Вариант устройства управления коммутацией обмоток 6.1 и 6.2 электромагнитов статора изображен на фиг.2. Коммутация обеспечивается с помощью двух датчиков положения полюсов постоянных магнитов относительно полюсов двухполюсного электромагнита вблизи их полного перекрытия (например, датчиков Холла) 18 и 19, одного RS триггера 20 с коммутаторами 21 и 22 на выходе триггера 20. Подача питания на устройство управления коммутацией обмоток осуществляется с регулятора 23 мощности и реверса, например серийного типа FA 06A - 20/1 WEX фирмы WUXI TIANPUN. Датчики 18 и 19 установлены в зоне действия магнитных полей двухполюсных электромагнитов и срабатывают в момент подхода соответствующего постоянного магнита 16 к фазе полного перекрытия полюсов сердечника 5 полюсами постоянного магнита 16. Именно в этот момент необходимо изменить полярность напряжения питания обмотки, чтобы сила электромагнитного притяжения сменилась на силу электромагнитного отталкивания. Эту функцию и выполняет устройство фиг.2 путем переполюсовки напряжений питания обмоток 6 электромагнитов в результате переключения RS триггера 20. При числе двухполюсных электромагнитов более двух обмотки 6 могут подключаться к коммутаторам 21 и 22 параллельно. При сдвиге углового положения соседних электромагнитов на угол φ=180(1-0,5/N), где N - число постоянных магнитов ротора будет обеспечено непрерывное принудительное вращение ротора за счет поочередной и взаимопротивофазной смены сил притяжения и отталкивания постоянных магнитов ротора от магнитодвижущих сил каждой из обмоток двухполюсных электромагнитов статора. Функцию коммутаторов 21 и 22 могут выполнять серийные выключаемые тиристоры соответствующей мощности.
в
в
При отсутствии напряжений питания обмоток (когда разомкнут выключатель питания в регуляторе 23 мощности и реверса) ротор находится, надежно удерживается в состоянии полного перекрытия полюсов электромагнитов полюсами соответствующих постоянных магнитов ротора за счет высокой остаточной намагниченности постоянных магнитов 16. Для начала вращения ротора необходимо подать в обмотку этого электромагнита ток, достаточный для компенсации силы притяжения постоянного магнита. При перекомпенсации возникает сила отталкивания соответствующего постоянного магнита 16 от полюсов электромагнита. Направление движения задается с регулятора 23 мощности и реверса. За счет избыточной компенсации магнитного потока постоянных магнитов на ротор воздействует вращающий момент М, значение которого возрастает мо мере вращения ротора вследствие роста магнитного сопротивления магнитной цепи «Двухполюсный электромагнит статора - постоянный магнит ротора» и роста упомянутой силы отталкивания. Второй электромагнит статора создает дополнительно силу притяжения другого постоянного магнита ротора. В положении, близком к полному взаимоперекрытию полюсов двухполюсного электромагнита статора и соответствующего постоянного магнита ротора магнитное сопротивление цепи снижается, вращающий момент М возрастает за счет роста магнитного потока от остаточной намагниченности постоянного магнита - возникает и растет по мере вращения сила притяжения полюсов постоянного магнита к полюсам двухполюсного электромагнита и срабатывает соответствующий датчик 18 или 19, обеспечивая переключение питания обмоток 6.1 и 6.2. Вращающий момент и скорость вращения ротора задаются с помощью регулятора 23.
р
Число постоянных магнитов 16 ротора может быть выбрано от двух и более, в зависимости от требуемых мощности и скорости вращения ротора электрической машины. Угловой шаг φ размещения равноудаленных постоянных магнитов равен:
р
м
м
φ=360/N, где N - число постоянных магнитов ротора.
Число двухполюсных электромагнитов статора может быть от двух и более, в зависимости от требуемой максимальной скорости вращения и мощности электрического привода.
В предложенной конструкции электрической машины отсутствуют токосъемники с трущимися контактами, что обеспечивает ее высокую надежность. По сравнению с прототипом конструкция электрической машины упрощена и более технологична, масса и материалоемкость ротора снижены. Соединение получаш ротора друг с другом, а также их угловое совмещение автоматически обеспечивается за счет весьма значительных сил притяжения полюсов секторов 16л и 16п, При этом между отбортовками 14л и 14п можно установить эластичную герметизирующую прокладку для обеспечения пылебрызгозащищенности внутренней полости ротора.
Соответствующим выбором сечения полюсов и числа постоянных магнитов и двухполюсных электромагнитов электрический привод может быть выполнен на установочные мощности от сотни Ватт до нескольких киловатт.
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ
к заявке «Электрический привод для транспортного средства»
Фиг.1
1 - несущая ось
2 - боковины статора
3 -втулка
4 - гайки
5л, 5п - половины сердечника двухполюсного электромагнита
6. 6.1, 6.2 - обмотки двухполюсных электромагнитов
7 - крепежный элемент
8 - проводники обмоток
8 - внутренний канал оси
10 - элементы крепления к вилке или подвеске ТС
11л, 11п - боковые стенки получаш ротора
12л, 12п - заглушки подшипников ротора
13л, 13п - обечайки получаш ротора
14л, 14п - отбортовки получаш ротора
15л, 15п - подшипники
16л, 16п - секторы постоянных магнитов
17 - отверстия для крепления электропривода
18, 19 - датчики положения постоянных магнитов в зоне полюсов двухполюсных электромагнитов
Фиг.2
20 - RS триггер
21, 22 - коммутаторы
23 - регулятор мощности и реверса