БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электродвигателей постоянного тока, в частности безредукторным бесколлекторным электродвигателям низкого напряжения для транспортных средств: электроприводных скутеров, мотоциклов, электромобилей и т.д., а также может быть использована в иных областях техники.
Наиболее перспективными для индивидуального электротранспорта являются безредукторные мотор-колеса, у которых вращение колеса вызывается непосредственно электромагнитным взаимодействием магнитных систем ротора и статора. Такие двигатели экологически чистые, компактные, экономичные, просты и удобны в эксплуатации.
Известны два конструктивных подхода в создании мотор-колес: это коллекторные электродвигатели, в которых постоянные магниты расположены на статоре, а на роторе закреплены электромагниты и скользящие токосъемники, обеспечивающие электрический контакт с пластинами электрического коллектора (US 6384496 В1, 07.05.2002; US 6617746 В1, 09.09.2003; RU 2129965 С1, 10.05.1999; RU 2172261 С1, 20.08.2001); и бесколлекторные электродвигатели, содержащие внешний ротор с постоянными магнитами и статор с электромагнитами, запитываемыми от блока управления по сигналу с датчиков положения ротора (RU 2091969 С1, 27.09.1997; US 6727668 В1, 27.04.2004; US 6762525 В1, 13.07.2004; US 6791226, 14.09.2004; US 6853107 В2, 08.02.2005; RU 2265271 C1, 27.11.2005; RU 2343620 C2, 10.01.2009).
Бесколлекторные электродвигатели в ряде областей применения имеют преимущества по сравнению со щеточными двигателями, что связано с отсутствием скольжения токопроводящих элементов и большей гибкостью управления.
Такие двигатели уже нашли свое применение, однако существует ряд направлений, по которым возможно улучшение их эксплуатационных характеристик. Традиционно высокомоментные низкооборотистые двигатели типа «мотор-колесо» имеют меньший КПД, чем высокооборотистые электроприводы. Это связано с возрастанием суммарного сопротивления из-за увеличения числа витков на обмотках. Вместе с тем увеличивается тепловыделение и встает задача охлаждения электромотора.
Другой проблемой эксплуатации безредукторных электродвигателей в транспортных средствах является наличие «мертвых зон» и неоптимальность их работы в широком динамическом диапазоне, особенно при старт/стоп режимах. Частичным решением этой проблемы будет применение на одном транспортном средстве нескольких электродвигателей, каждый из которых оптимизирован для своего динамического диапазона. Например, в патенте RU 2290328 от 27.12.2006 описано полноприводное транспортное средство с разгонным и маршевым двигателем типа мотор-колесо. Но такое решение также усложняет конструкцию и имеет ограниченное применение.
Увеличение КПД и повышение крутящего момента при различных режимах работы пытаются решить путем оптимизации системы управления (US 6727668 В1, 27.04.2004; US 6791226, 14.09.2004) и усиления магнитного потока, за счет выбора количества и расположения магнитов и электромагнитов, а также изготовления сердечников специальной формы (US 6762525 В1, 13.07.2004). Все это приводит к усложнению производства и не решает окончательно поставленную задачу: создание универсального эффективного двигателя для различных транспортных средств.
Настоящая полезная модель направлена на создание низкооборотного безредукторного электродвигателя, с высоким моментом, имеющего универсальную, относительно простую конструкцию, и пригодного для использования при различных режимах эксплуатации.
По сравнению с классической схемой электропривода, использующей высокооборотный электромотор и коробку передач, настоящая полезная модель позволяет значительно улучшить экономичность и массо-габаритные показатели привода, уменьшить шумность его работы. При этом КПД и потери на теповыделение сохраняются на уровне классических высокоскоростных электромоторов.
Техническим результатом от использования этой полезной модели является одновременное уменьшение потерь на тепловыделение; улучшение динамических характеристик электродвигателя в старт-стоп режимах; увеличение крутящего момента; удешевление производства.
Заявленный технический результат достигается тем, что бесколлекторный электродвигатель постоянного тока, включает внутренний ротор, содержащий отдельные постоянные магниты равномерно расположенные по окружности с чередующимся направлением магнитного поля; внешний статор, содержащий две идентичные группы электромагнитов, расположенных по окружности с разных сторон ротора напротив друг друга так, что оси катушек электромагнитов параллельны оси вращения; датчики положения ротора; блок управления электромагнитами. Количество постоянных магнитов и электромагнитов, их взаиморасположение выбирается таким образом, чтобы обеспечить максимальную замкнутость магнитного поля в пределах каждой фазы. Количество фаз N электродвигателя может быть любым числом из ряда N=2, 3, 4, 6.Количество m электромагнитов в каждой группе кратно количеству фаз. Постоянные магниты расположены таким образом, что их полюса выходят на обе стороны ротора расположенные между группами электромагнитов статора. При этом количество n полюсов постоянных магнитов с одной стороны ротора четно, не кратно количеству фаз, больше количества m электромагнитов в группе и не кратно их числу. Количество L датчиков положения ротора не меньше, чем количество фаз.
Электромагниты обычно имеют подковообразные сердечники с двумя катушками. В этом случае n>2m. Катушки электромагнита имеют противоположное направление намотки. Электромагниты, расположенные напротив друг друга, образуют пару. В паре электромагнитов катушки, размещенные на зубцах, которые расположены напротив друг друга, имеют одинаковое направление обмотки.
Ротор обычно выполняется из немагнитопроводного материала. Это позволяет наиболее эффективно замкнуть поле между парами электромагнитов и избежать рассеяния магнитного поля между соседними электромагнитами в группе. Угловое расстояние между центрами зубцов электромагнита выбирают равным угловому расстоянию между центрами соседних магнитных полюсов с одной стороны ротора.
Количество датчиков положения ротора всегда не меньше, чем количество фаз. Предпочтительно чтобы, в случае четного количество фаз N, количество датчиков положения ротора также было равно N. В случае нечетного количество фаз N, количество датчиков положения ротора будет равно N+1. Такая конструкция позволяет избегать «мертвых зон» и рывков при трогании.
Каждый из электромагнитов может иметь независимое подключение к блоку управления. Но обычно электромагниты в паре соединены в единую цепь и уже пара подключается к блоку управления. Соединение осуществляют при сборке двигателя. При этом электромагниты в паре могут быть соединены последовательно или параллельно, в зависимости от назначения двигателя. Для увеличения крутящего момента электродвигателя используют последовательное соединение, для увеличения скорости вращения - параллельное.
В случае числа электромагнитов большего, чем удвоенное число фаз, их пары объединяют в фазные группы. Количество таких групп равно количеству фаз, и число электромагнитов в каждой фазной группе одинаково. На каждую из групп подается единый управляющий сигнал. Внутри группы электромагниты могут быть соединены последовательно или параллельно. Перекоммутация электромагнитов осуществляется блоком управления, причем она может происходить и в динамическом режиме. Блок управления обеспечивает подачу на электромагниты синусоидального управляющего сигнала, фазовое смещение которого может динамически изменяться в пределах от - 60 до 0 фазовых градусов.
Для осуществления режима рекуперации обмотки пары электромагнитов включаются в цепь электропитания через диодный мост. При этом все пары электромагнитов в фазной группе соединены последовательно. Для эффективности процесса рекуперации предпочтительно, чтобы диодный мост содержал диоды с быстродействием от 40 до 200 нc.
Для осуществления режима рекуперации может также быть использован индуктивный повышающий преобразователь постоянного напряжения. Он обычно устанавливается между плюсовым выходом схемы и плюсовым контактом аккумуляторной батареи. Конструктивно такой преобразователь может быть включен в блок управления.
В зависимости от назначения настоящего электродвигателя используют разные схемы установки электрической части двигателя в корпусе. Для ряда приложений (электровелосипеды, скутеры, электромобили и иные транспортные средства) предпочтительно устанавливать статор на неподвижной оси и соединять ротор с подвижным ободом колеса, обеспечивая его непосредственное вращение. Для других приложений (электроподъемники, несущий винт самолета или вертолета, гребные винты и т.д.) предпочтительно обеспечивать вращение вала электродвигателя при неподвижном корпусе. И в том, и в другом случае используют аналогичные конструкции электрической части двигателя и схемы ее управления.
На легких транспортных средствах (скутер, электромобиль) обычно применяются трехфазные электродвигатели. При этом они будут содержать 18 электромагнитов (9 пар) и 24 постоянных магнита (24 магнитных полюса с каждой стороны ротора). Для транспортных средств другого назначения (автобуса, тягач и т.д.) могут быть использованы электродвигатели с большим числом фаз. Так, например, 4х-фазный электродвигатель, может содержать 12 пар электромагнитов, и постоянные магниты, количество которых выбрано из ряда чисел m=26, 30, 34.
Сущность настоящей полезной модели поясняется следующими чертежами:
На Фиг.1 представлена схема заявляемого электродвигателя;
На Фиг.2 изображен элемент электродвигателя, включающий пару электромагнитов;
На Фиг.3 представлена схема трехфазного электродвигателя с последовательным соединением электромагнитов в паре;
На Фиг.4 представлена схема трехфазного электродвигателя с параллельным соединением электромагнитов в паре;
На Фиг.5(а) и (б) представлены диаграмма управляющих сигналов для 3х-фазного электродвигателя;
На Фиг.6 представлена электрическая схема перекоммутации фаз по типу «треугольник» и «звезда» для 3х-фазного электродвигателя;
На Фиг.7 изображена схема рекуперации энергии для 3х-фазного электродвигателя;
На Фиг.8 изображена схема рекуперации энергии с индуктивным повышающим преобразователем постоянного напряжения;
На Фиг.9(а) представлена схема настоящего электродвигателя, выполненного в варианте мотор-колесо;
На Фиг.9(б) представлена схема настоящего электродвигателя с вращающимся валом. На Фиг.10 (а, б) представлены зависимости динамических характеристик электродвигателя.
Заявляемый электродвигатель (Фиг.1) включает внутренний ротор 1 с постоянными магнитами 2, равномерно расположенными по окружности с чередующимся направлением магнитного поля. Ротор обычно изготавливают из немагнитопроводного материала. Внешний статор содержит две идентичные группы 3' и 3" электромагнитов 4, расположенных по окружности. Обе части статора устанавливают таким образом, чтобы электромагнит  одной группы располагался точно напротив электромагнита  другой группы с воздушным промежутком между сердечниками; электромагнит  напротив электромагнита  и т.д (Фиг.1, 2). Постоянные магниты ротора движутся в воздушном зазоре, образованном двумя группами электромагнитов статора. Оси катушек 5 электромагнитов параллельны оси вращения электродвигателя (на Фиг.1 эта ось изображена нормально к плоскости рисунка). Обычно электромагниты 4 имеют подковообразные сердечники с двумя катушками 5. Соотношение между размерами элементов электродвигателя подбирают таким образом, чтобы угловое расстояние а между центрами зубцов электромагнита 4 было равно угловому расстоянию β между центрами соседних магнитных полюсов 2 с одной стороны ротора. На статоре также расположены датчики 6 положения (ДП) ротора.
Количество фаз N электродвигателя может быть любым числом из ряда N=2, 3, 4, 6. На Фиг.1 представлен 6-фазный электродвигатель. Количество m электромагнитов 4 в каждой группе кратно количеству фаз и в данном случае тоже равно 6. Общее число электромагнитов в электродвигателе равно 12. Количество n полюсов постоянных магнитов 2 с одной стороны ротора четно, не кратно количеству фаз, больше количества m электромагнитов в группе и не кратно их числу. В данном случае оно равно 20 шт. Количество L датчиков 6 положения ротора не меньше, чем количество фаз. Если количество фаз N нечетно, то количество датчиков 6 положения ротора равно N+1. Если количество фаз N четно, то количество датчиков 6 положения ротора равно N. В данном случае их количество равно 6 шт.
Каждый из электромагнитов 4 может быть независимо подключен к блоку управления (БУ) (на рисунке не показан), но обычно электромагниты из разных групп, расположенные напротив друг друга соединяются в пары ( с ;  с  и т.д.) и уже эти пары подключаются к БУ. К нему также подключены датчики 6 положения ротора. БУ может быть расположен как внутри, так и снаружи электродвигателя.
Катушки каждого из электромагнитов имеют противоположное направление обмотки (Фиг.2). Причем каждая пара электромагнитов  и ,  и , и т.д. располагаются таким образом, что катушки, размещенные на зубцах, расположенных напротив друг друга имеют одинаковое направление обмотки. Такая конструкция позволяет наиболее полно замкнуть магнитное поле между парами электромагнитов. Кроме того изготовление ротора из немагнитопроводного материала позволяет избегать рассеяния поля между соседними электромагнитами в группе.
Известно, что величина крутящего момента электродвигателя линейно зависит от суммарного количества витков каждой фазы двигателя и магнитного потока, замкнутого через сердечники электромагнитов. В то же время, максимальная частота вращения обратно пропорциональна количеству витков. Традиционно высокомоментные низкооборотистые двигатели типа «мотор-колесо» имеют меньший КПД, чем высокооборотистые электроприводы. Это связано с необходимостью увеличения числа витков на обмотках электродвигателя для усиления магнитного поля. Вместе с тем увеличивается суммарное электрическое сопротивление обмоток, увеличивается тепловыделение и снижается полезная мощность электропривода. В предлагаемой здесь конструкции электродвигателя используемое соотношение числа постоянных магнитов и электромагнитов, а так же их конструктивное размещение позволяют получить максимально равномерный магнитный поток, локализованный в нужном месте.
Это дает возможность значительно увеличить значение крутящего момента электродвигателя, не увеличивая количества витков и, соответственно, обойтись без роста потерь мощности на тепловыделение и без снижения КПД. Имея значение КПД и эффективности электродвигателя на уровне классических высокоскоростных электромоторов, настоящая полезная модель позволяет сохранить все преимущества конструкций типа «мотор-колесо» для использования в транспортных средствах.
Пары электромагнитов обычно соединяются в единую цепь уже при сборке электродвигателя. В зависимости от назначения выбирают для всех пар тот или иной способ соединения. Для увеличения крутящего момента электродвигателя используют последовательное соединение (Фиг.3). Такие электродвигатели предназначены в основном для транспортных средств повышенной мощности (тягачей, автобусов, грузовиков и т.п.). Для увеличения скорости вращения используют параллельное соединение (Фиг.4). Обычно такие электродвигатели устанавливают на скутерах, мотоциклах, электромобилях и т.д.
Пары электромагнитов независимо подключаются к блоку управления (БУ) 9, который в свою очередь запитывается от источника напряжения 10. БУ получает сигналы от расположенных в электромоторе датчиков 6 положения ротора. Число основных датчиков равно количеству фаз N, плюс в случае нечетного количества фаз используется один дополнительный датчик. Информация от дополнительного датчика позволяет реализовать более совершенные алгоритмы работы коммутирующего устройства и практически исключить характерные рывки при старте электромотора с перегрузкой, также значительно улучшить характеристики электродвигателя при старте.
Датчики 6 смещены друг относительно друга на угол 360/N фазовых градусов, а относительно электромагнитов на 180/N фазовых градусов. Для 3-х фазного электродвигателя угол между датчиками будет составлять 120 фазовых градусов, а угол смещения относительно соленоидов 60 фазовых градусов (Фиг.5(а), (б)). На Фиг.5(a) представлены диаграммы сигналов НА, НВ, НС от датчиков, соответствующих фазам А, В, С и сигнала от дополнительного датчика HD. На Фиг.5(б) представлены выходные сигналы PA, РВ, PC с БУ на соответствующие фазы. Сдвиг сигнала вплоть до 60 градусов зависит от нагрузки и частоты вращения. Смещение рассчитывается контроллером БУ и меняется постоянно при работе электродвигателя.
t
v
Электродвигатель, имеющий раздельное подключение пар электромагнитов к БУ, дает возможность большей гибкости в выборе режимов его вращения, а так же реализации эффективной рекуперации кинетической энергии. Для каждого электромотора существуют константа крутящего момента K (Нм/А) и константа частоты вращения K (об./мин/В). Они определяются совокупностью конструктивных особенностей электродвигателя. Раздельное управление электромагнитами позволяет изменять константы электрической машины на уровне системы управления.
t
v
P
v
P
Для получения максимального значения K и минимального значения K в режиме старта с места и для снижения величины потребляемого тока, БУ обеспечивает соединение фаз по типу «звезда». Максимальное напряжение при этом на каждой фазе равно V=V/(N-1), где V-напряжение источника питания, N-количество фаз электромотора. Коммутации фаз по типу «треугольник» позволяет получать более высокое значение K и, соответственно более высокую частоту вращения при фиксированном напряжении питания. В крейсерском режиме и в режиме максимальной скорости применяют раздельное управление фазами с напряжением на каждой фазе V=V.
На Фиг.6 представлена электрическая схема перекоммутации фаз для 3х-фазного электродвигателя с фазами А, В, С и параллельным соединением электромагнитов в паре. При разомкнутых ключах 23 и 24 работают ключи 21-32, меняя полярность соответствующей фазы. Это раздельное соединение фаз, когда каждая работает независимо. При соединении ключей 33 и 34, из работы исключаются ключи 27-32, а работают только левые ключи 21-26 и получается соединение "звезда".
В случае числа электромагнитов большего, чем удвоенное число фаз, их пары объединяют в фазные группы. Количество таких групп равно количеству фаз, и число электромагнитов в каждой фазной группе одинаково. На каждую из групп подается единый управляющий сигнал. Внутри группы электромагниты могут быть соединены последовательно или параллельно. Перекоммутация электромагнитов осуществляется блоком управления, причем она может происходить и в динамическом режиме. Блок управления обеспечивает подачу на электромагниты синусоидального управляющего сигнала, фазовое смещение которого может динамически изменяться в пределах от -60 до 0 фазовых градусов.
1
4
5
8
9
12
Для сохранения части кинетической энергии транспортного средства в аккумулятор в виде электрической энергии в настоящей полезной модели предусмотрен режим рекуперации. Для осуществления такого режима обмотки пары электромагнитов могут быть включаются в цепь электропитания через диодный мост (Фиг.7). При этом все пары электромагнитов в фазной группе (А, В, С) соединены последовательно. Для эффективности процесса рекуперации предпочтительно, чтобы диодный мост содержал диоды (D-D, D-D, D-D) с быстродействием от 40 до 200 нc.
Для осуществления режима рекуперации может также быть использован индуктивный повышающий преобразователь 11 постоянного напряжения (Фиг.8). Он обычно устанавливается между плюсовым выходом схемы и плюсовым контактом аккумуляторной батареи 10. Конструктивно такой преобразователь может быть включен в блок управления. Такой импульсный индуктивный повышающий преобразователь напряжения (в технической литературе чаще всего называется DC-DC преобразователем), это своего рода трансформатор постоянного тока: на входе он нагружает генератор (электромотор при рекуперации работает в качестве генератора) максимально большой силой тока и получающий малое напряжение, а на выходе - необходимое для зарядки АКБ напряжение, но с меньшей силой тока. КПД таких преобразователей на современной элементной базе составляет 95-98%, что позволяет эффективно их использовать в системе рекуперации для транспортных средств.
В зависимости от назначения полезная модель может быть реализована в электродвигателях, имеющих разную конструкцию корпуса. Например (Фиг.10(a)), для электровелосипедов, скутеров, электромобилей и т.д. предпочтительно, чтобы статор 12 был установлен неподвижно в корпусе 13, а ротор 14 был соединен с подвижным ободом 15 колеса. Плавность вращения обеспечивают подшипники 16.
Для ряда других приложений (электроподъемники, несущий винт самолета или вертолета, гребные винты и т.д.) предпочтительно обеспечивать вращение вала электродвигателя при неподвижном корпусе (Фиг.10(б)). В этом случае ротор 14 жестко соединен с вращающейся втулкой 17 электродвигателя. Статор закреплен в корпусе 18. Плавность вращения обеспечивают подшипники 19.
Примеры реализации: Пример 1.
Разработана линейка унифицированных электроприводов для электромобилей с широким диапазоном рабочих характеристик, зависящих от конкретного исполнения электрической машины и настроек программного обеспечения.
На Фиг.10(а) представлены динамические характеристики электропривода предназначенного для городского переднеприводного автомобиля. Система электропривода состоит из двух электромоторов - по одному на ведущее колесо. График 1 отражает суммарный момент электропривода, график 2 - суммарную мощность.
Номинальная суммарная мощность: 48,5 кВт (65 л.с);
Максимальная суммарная мощность: 105 кВт (141 л.с);
Частота вращения холостого хода: 1490 об/мин (соответствует скорости примерно 150 км/ч);
Максимальный суммарный крутящий момент: 1150 Нм;
Масса двух электромоторов: 59 кг;
Диаметр электромоторов: 380 мм;
Длина одного электромотора: 145 мм;
Напряжение питания: 288 В;
∗
Ожидаемый расход энергии в городском цикле: 11-13 кВтч/100 км;
Ожидаемое время разгона 0-100 км/ч: 9,5 сек.
Пример 2:
На базе настоящей полезной модели была разработана силовая установка, предназначенная для электрического спорткара. Привод состоит из 4-х электромоторов - по одному на каждое колесо, силовых коммутационных модулей и системы управления с интерфейсами взаимодействия с мультимедийной системой и возможностью расширения системой раздельного контроля тяги на колесах. На Фиг.10(б) представлены динамические характеристики электропривода. График 3 отражает суммарный момент электропривода, график 4 - суммарную мощность.
Номинальная суммарная мощность: 240 кВт (326 л.с.)
Максимальная суммарная мощность: 450 кВт (612 л.с.)
Частота вращения холостого хода: 2380 об/мин
Максимальный суммарный крутящий момент: 3720 Нм
Масса четырех электромоторов: 132 кг
Диаметр электромоторов: 380 мм
Ширина одного электромотора: 145 мм
Напряжение питания: 288 В
Ожидаемое время разгона 0-100 км/ч: 3,5 сек
Ожидаемое время разгона 0-200 км/ч: 8,0 сек
Ожидаемая максимальная скорость: 250 км/ч