БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области электродвигателей постоянного тока, в частности безредукторным бесколлекторным электродвигателям низкого напряжения, и может быть использована в качестве мотор-колес в транспортных средствах: электроприводных скутерах, мотоциклах, электро-автомобилях и т.д., а также 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 статор с постоянными магнитами и ротор 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. 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.
Увеличение КПД и повышение крутящего момента осуществляют 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.
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.
Настоящая полезная модель направлена на создание низкооборотного безредукторного электродвигателя, имеющего универсальную, относительно простую конструкцию, и пригодного для использования при различных режимах эксплуатации.
Техническим результатом от использования этой полезной модели является одновременное увеличение КПД, за счет оптимизации электромагнитных взаимодействий; повышение эффективности энергопотребления через рекуперацию электроэнергии; улучшение работы в старт/стоп режимах; повышение технологичности изготовления и надежности электродвигателя.
Заявленный технический результат достигается тем, что бесколлекторный электродвигатель постоянного тока, включает: внутренний статор с электромагнитами, сердечники которых расположены параллельно оси вращения электродвигателя; внешний ротор, отделенный от статора воздушным промежутком и содержащий два идентичных круговых магнитопровода, расположенных по обеим сторонам статора, каждый из которых при этом включает равномерно размещенные по окружности постоянные магниты с чередующимся направлением магнитного поля; датчики положения ротора; блок управления электромагнитами. Количество фаз электродвигателя может быть любым числом из ряда N=2, 3, 4, 6 и зависит от области его применения. Количество электромагнитов кратно количеству фаз, причем все они разделены воздушным промежутком и имеют независимое подключение к блоку управления. Количество постоянных магнитов на каждом магнитопроводе четно, не кратно количеству фаз, больше количества электромагнитов и не кратно их числу. Используемое отношение числа постоянных магнитов и электромагнитов, а также конструктивное разделение сердечников создает геометрически такие условия, которые позволяют получить максимально равномерный магнитный поток в теле сердечника. Это дает возможность значительно увеличить значение крутящего момента электродвигателя, не увеличивая количества витков и, соответственно, обойтись без дополнительных потерь мощности на тепловыделение и без снижения КПД. 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.
На легких транспортных средствах (велосипед, скутер) обычно применяются трехфазные электродвигатели. При этом они будут содержать 9 электромагнитов и 12 или 24 постоянных магнита на каждом из магнитопроводов. Для транспортных средств другого назначения могут быть использованы электродвигатели с большим числом фаз. Например, 4х-фазный электродвигатель, содержащий 12 электромагнитов, и постоянные магниты, количество которых выбрано из ряда чисел m=18, 20, 26, 30, 34.
В любом случае все электромагниты имеют независимое подключение к блоку управления. Он обеспечивает подачу на электромагниты синусоидального управляющего сигнала, фазовое смещение которого может динамически изменяться в пределах от - 60 до 0 фазовых градусов.
При значительном количестве электромагнитов, они через блок управления могут быть объединены в группы, количество которых равно количеству фаз. На каждую из групп подается единый управляющий сигнал. Внутри группы электромагниты могут быть соединены последовательно или параллельно. Перекоммутация электромагнитов осуществляется блоком управления, причем может происходить и в динамическом режиме.
Для осуществления режима рекуперации каждая из обмоток электромагнитов включается в цепь электропитания через диодный мост. При этом все электромагниты в группе соединены последовательно. Для эффективности процесса рекуперации предпочтительно, чтобы диодный мост содержал два диода с быстродействием от 40 до 200 нс и два конденсатора емкостью от 3000 до 10000 мкф.
Сущность настоящей полезной модели поясняется следующими чертежами:
На Фиг.1 представлен вид сбоку заявляемого электродвигателя;
На Фиг.2 представлена схема трехфазного электродвигателя;
На Фиг.3 (а) и (б) представлены диаграмма управляющих сигналов для 3х-фазного электродвигателя;
На Фиг.4 представлена электрическая схема перекоммутации фаз по типу «треугольник» и «звезда» для 3х-фазного электродвигателя;
На Фиг.5 представлен КПД электродвигателя в зависимости от способа управления;
На Фиг.6 изображена схема рекуперации энергии для 3х-фазного электродвигателя.
Заявляемый электродвигатель (Фиг.1) включает внутренний статор 1 с электромагнитами 2, сердечники 3 которых расположены параллельно оси вращения электродвигателя. Электромагниты закреплены с помощью кронштейнов 4, выполненных из материала с малой магнитопроводностью, на неподвижной оси 5 электродвигателя. На статоре также расположены датчики 6 положения (ДП) ротора.
В конструкции электродвигателя обычно применяют сердечники 3 прямоугольного сечения с монтажом в пазы на статоре 1. Форма сердечника исключает прямую привязку его размеров к диаметру электродвигателя и дает возможность делать его наборным из штихтовочных пластин. Такая технология позволяет создавать различные универсальные электроприводы методом набора нужного количества одинаковых соленоидов, что значительно улучшает унификацию конструкторских элементов и снижает стоимость производства.
Внешний ротор 7 отделен от статора воздушным промежутком и содержит два идентичных круговых магнитопровода 8' и 8", расположенных по обеим сторонам статора 1. На каждом из магнитопроводов равномерно размещены по окружности постоянные магниты 9 с чередующимся направлением магнитного поля.
Каждый из электромагнитов независимо подключается к блоку управления (БУ) (на рисунке не показан), к нему также подключены датчики 6 положения. Коммутирующие провода обычно располагаются между кронштейнами 4. БУ может быть расположен как внутри, так и снаружи электродвигателя.
Обычно весь электродвигатель размещается во вращающемся корпусе 10 и закрывается крышкой 11. Они выполнены из материала с малой магнитопроводностью. Для обеспечения равномерности вращения и плавности хода корпус вместе с крышкой устанавливается на подшипниках 12 на оси 5.
Количество фаз электродвигателя выбирают равным 2, 3, 4 или 6 в зависимости от его функционального назначения. Количество электромагнитов 2 при этом кратно количеству фаз. Количество постоянных магнитов 9 на каждом магнитопроводе четно, не кратно количеству фаз, больше количества электромагнитов и не кратно их числу.
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 увеличения магнитного. Вместе с тем увеличивается суммарное электрическое сопротивление обмоток, увеличивается тепловыделение и снижается полезная мощность электропривода. При значительном увеличении магнитного потока встает проблема магнитного насыщения материала магнитопроводов, которое не позволяет линейно увеличивать магнитный поток в зависимости от величины потребляемого тока, что приводит к дополнительному снижению КПД электрической машины. Как показали наши исследования, в известных схемах электромоторов с общим магнитопроводным сердечником насыщение имеет локальный характер и большую неравномерность распределения магнитных силовых линий по объему магнитопровода, что значительно снижает общую магнитопроводность сердечника.
В предлагаемой здесь конструкции электродвигателя используемое отношение числа постоянных магнитов и электромагнитов, а так же конструктивное разделение сердечников создает геометрически такие условия, которые позволяют получить максимально равномерный магнитный поток в теле сердечника. 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.
На Фиг.2 представлена схема трехфазного электродвигателя, у которого количество электромагнитов 2 равно 3, а количество постоянных магнитов 9 равно 4. Количество ДП 6 будет равно 4, на один больше, чем число фаз. Все электрические элементы устройства соединены с блоком управления 13.
БУ получает сигналы от расположенных в электромоторе датчиков положения ротора. Число основных датчиков равно количеству фаз N, плюс в случае нечетного количества фаз используется один дополнительный датчик. 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.3 (а), (б)). На Фиг.3(a) представлены диаграммы сигналов НА, НВ, НС от датчиков, соответствующих фазам А, В, С и сигнала от дополнительного датчика HD. На Фиг.3 (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.
Одно из важных применений безредукторных электроприводов - электрические инвалидные кресла-коляски. К недостаткам традиционной схемы относится ассиметрия удерживающего момента в режиме фиксации ротора в определенном положении (электромагнитный тормоз). При попытке вращения ротора внешними силами по часовой стрелке и против часовой стрелки удерживающий момент электромотора будет разным. Это вызвано тем, что симметричное удержание ротора с минимальными энергозатратами возможно только в мертвых точках электромотора. Фронты изменения сигналов любого из датчиков отстоят от мертвых точек соленоидов на 180/(2*N) фазовых градусов, и не дают информации о прохождении мертвой точки. Для решения этой задачи в настоящей полезной модели использован дополнительный датчик положения ротора. Сигнал этого ДП меняется при пересечении оси магнитного поля соленоида и оси магнитного поля соответствующего магнита, т.е. строго в мертвых точках мотора. Также информация о прохождении мертвых точек позволяет реализовать более совершенные алгоритмы работы коммутирующего устройства и практически исключить характерные рывки при старте электромотора с перегрузкой, значительно улучшить характеристики электродвигателя при старте.
t
v
Электродвигатель, имеющий раздельное подключение соленоидов 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 соленоидами 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.4 представлена электрическая схема перекоммутации фаз для 3х-фазного электродвигателя, с фазами А, В, С. 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".
t
v
t1
t
p
vi
v
p
p
p
p
t
v
В конструкции электромотора с большим количеством соленоидов, возможно, их объединение в группы с выбранной коммутацией внутри группы (параллельной или последовательной). Если взять фиксированные значения K и K при параллельном соединении всех соленоидов в одной фазе электропривода, то при перекоммутации их в последовательное новые значения K=K*N, K=K/N, где N - количество соленоидов в одной фазе электродвигателя. Таким образом, в процессе эксплуатации возможен выбор между получением максимального крутящего момента на старте и в N раз снижения потребляемого тока при этом, или увеличение в N раз частоты вращения электродвигателя. Достижимы также и все промежуточные значения. Немаловажно то, что диапазон частот вращения, при которых достигаются максимальные значения КПД так же находятся в прямой зависимости от констант K и K. На Фиг.5 представлены зависимости значений КПД электродвигателя от частоты вращения при различных способах коммутации. Индексом (а) обозначен график КПД при соединении фаз по типу "звезда", когда все обмотки внутри фазы соединены последовательно; индексом (б) - параллельное соединение фаз, когда внутри фазы все обмотки соединены последовательно; индексом (в) - параллельное соединение фаз, когда внутри фазы все обмотки соединены параллельно. Меняя способ коммутации в процессе увеличения числа оборотов, возможно, все время достигать максимальных значений КПД. Такой способ управления значительно расширяет диапазон эффективной работы электрической машины, снижая интегральное энергопотребление при реальной эксплуатации.
Осуществление заявляемой модели позволяет также эффективно рекуперировать кинетическую энергию транспортного средства. В этом режиме все соленоиды каждой фазы соединены последовательно, и генерируемое напряжение выпрямляется раздельными диодными мостами. Выходы цепи диодных мостов всех фаз также соединены последовательно.
Рекуперация энергии в источник питания возможна только в том случае, если напряжение генерации выше напряжения источника питания. В классических электрических машинах с фиксированным значением Kv это возможно только, когда электродвигатель имеет частоту вращения выше максимальной частоты вращения холостого хода с данным источником питания. На практике это означает возможность рекуперации только при скорости транспортного средства выше максимальной скорости, которую оно может самостоятельно развить. Предложенный в полезной модели способ коммутации решает эту проблему. На Фиг.6 изображена принципиальная схема выпрямителя для 3х-фазного электродвигателя. Фазовые обмотки обозначены на схеме соответственно индексами А, В, С. Для эффективной работы электрической схемы предпочтительно использовать диоды с быстродействием от 40 до 200 нс и конденсаторы емкостью от 3000 до 10000 мкФ.
v
max
v
g
p
v
p
v
g
max
p
p
max
Если за точку отсчета K взять значение константы при параллельном соединении всех соленоидов в фазе, а значение максимальной частоты вращения как n=K*V, где V - напряжение источника питания, то максимальное генерируемое напряжение всей схемой будет составлять V=N*N*n/K, где N - количество фаз электромотора, N -количество соленоидов в фазе, n - частота вращения электродвигателя, K - константа частоты вращения. Напряжение V может быть выше напряжения источника питания V уже при частоте вращения n>n/(N*N). Например, у 4-х фазного электромотора с количеством соленоидов в фазе N=5, рекуперация возможна при частоте вращения n=0,05*n. На маломощных электроприводах (до 500 Вт) возможно введение в выпрямительные каскады каждой фазы удвоителя напряжения с конденсаторами, что позволяет в 2 раза увеличить генерируемое напряжение и, соответственно, еще в 2 раза снизить минимальную частоту вращения рекуперации.
Технологически конструкция электропривода с раздельной коммутацией всех соленоидов влечет за собой подключение большого количества проводников к коммутирующему устройству (БУ). Благодаря компактности электропривода с аксиальным направлением поля, возможно размещение коммутирующего устройства в одном корпусе с электрической машиной, при этом сохраняется высокая технологичность, удобство сборки и эксплуатации всей системы. Примеры реализации:
Пример 1
4
3-х фазный электропривод, содержащий 30 электромагнитов и 40 пар постоянных магнитов. Каждый электромагнит содержит 67 витков провода диаметром 1 мм. Напряжение питания электропривода 36 В. Номинальная мощность электромотора 350 Вт, номинальный крутящий момент 12 Нм при номинальной частоте вращения 280 об/мин. Номинальный ток 10 А. Максимальная мощность 530 Вт при 190 об/мин. Стартовый крутящий момент 38 Нм, стартовый ток 16 А. Максимальный потребляемый ток 27А. Частота вращения холостого хода 320 об/мин. Максимальный КПД электромотора 91%. Масса электромотора 4.9 кг, наружный диаметр 210 мм, ширина 65 мм. Данный электромотор был установлен на велосипед с диаметром колес 26 дюймов, использованы LiFePO аккумуляторы 36 В 12 А*ч, при испытаниях велосипед показал максимальную скорость 37 км/ч. Пробег на одной зарядке аккумулятора при средней скорости 35 км/ч составил 44 км, что соответствует расходу электроэнергии 9.8 Вт*ч/км
Пример 2
4
3-х фазный электропривод, содержащий 9 электромагнитов и 12 пар постоянных магнитов. Каждый электромагнит содержит 120 витков провода диаметром 1,3 мм. Напряжение питания электропривода 48 В. Номинальная мощность электромотора 1100 Вт, номинальный крутящий момент 22 Нм при номинальной частоте вращения 580 об/мин. Номинальный ток 30А. Максимальная мощность 1500 Вт при 380 об/мин. Стартовый крутящий момент 48 Нм, стартовый ток 40 А. Максимальный потребляемый ток 60 А. Частота вращения холостого хода 770 об/мин. Максимальный КПД электромотора 93%. Масса электромотора 5,7 кг, наружный диаметр 220 мм, ширина 65 мм. Данный электромотор был установлен на электрический скутер с диаметром колес 16 дюймов, использованы LiFePO аккумуляторы 48 В 18 А*ч, при испытаниях скутер показал максимальную скорость 53 км/ч., Пробег на одной зарядке аккумулятора при средней скорости 45 км/ч составил 68 км, что соответствует расходу электроэнергии 12.6 Вт* ч/км
Пример 3
4-х фазный электропривод, содержащий 32 электромагнита и 50 пар постоянных магнитов. Каждый электромагнит содержит 120 витков провода диаметром 0.7 мм. Напряжение питания электропривода 24 В. Номинальная мощность электромотора 150 Вт, номинальный крутящий момент 22 Нм при номинальной частоте вращения 65 об/мин. Номинальный ток 8 А. Максимальная мощность 165 Вт при 45 об/мин. Стартовый крутящий момент 57 Нм, стартовый ток 16 А. Максимальный потребляемый ток 18 А. Частота вращения холостого хода 100 об/мин. Максимальный КПД электромотора 92%.
4
Масса электромотора 5,8 кг, наружный диаметр 260 мм, ширина 60 мм. Два таких мотора были установлены на электрическую инвалидную коляску с диаметром колес 23 дюйма, использованы LiFePO аккумуляторы 24 В 12 А*ч, при испытаниях инвалидная коляска показала следующие технические характеристики: максимальный преодолеваемый подъем при массе 140 кг - 30% (-20 градусов), максимальная скорость на горизонтальной поверхности 9 км/ч., Пробег на одной зарядке аккумулятора при постоянной скорости 5 км/ч составил 41 км, что соответствует суммарному расходу электроэнергии двумя электромоторами 7 Вт*ч/км