МОТОР-КОЛЕСО
MOTOR-WHEEL

Изобретение относится к автомобильной технике, а конкретно к колесам со встроенными электродвигателями и редукторами, и может быть использовано в качестве колеса автомобиля с прямым приводом без трансмиссии.
Известно мотор-колесо, содержащее встроенную в колесо асинхронную электрическую машину, при этом статор с магнитопроводом неподвижно закреплен на оси колеса, на магнитопроводе статора размещены магнитные элементы, ротор установлен подвижно на оси колеса и имеет магнитопровод с короткозамкнутыми обмотками (Макаров Ю.В., Черепанов В.Д. Мотор-колесо. Патент России 2334626, МПК В60К 7/00, 2008.09.27) [1].
Известное мотор-колесо имеет недостаточный пусковой момент, сложную систему управления и низкий КПД.
Известно мотор-колесо, содержащее обод, вал, электропривод с электродвигателем и источником регулируемого напряжения, статор электродвигателя жестко закреплен на полом валу, на статоре размещены катушки обмоток, ротор соединен с ободом колеса и подвижно закреплен на подшипниках и на валу, имеет магнитопровод с постоянными магнитами, размещенными равномерно с чередующейся полярностью магнитов, две группы коллекторов, электрически подключенных к источнику питания (Шкондин В.В., Молчанов К.В. Мотор-колесо. Патент России 2035114, МПК Н02К 23/00, В60К 7/00, БИ 13, 1995.05.10) [2].
Известное мотор-колесо имеет сложную конструкцию, низкий КПД и значительные нагрузки на подшипники вала.
c
p
p
c
M
M
Известен синхронный электродвигатель с магнитной редукцией, содержащий корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, ротор быстрого вращения с постоянными магнитами и с подшипником, ротор медленного вращения на валу с подшипниками и статор имеют чередующиеся диски, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, постоянные магниты имеют вид секторов и намагничены аксиально с чередующейся полярностью, пакет статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками и коронками установлены на торцевой поверхности кольца пакета статора, на поверхности другого кольца имеются клиновидные выступы, имеющие свои одинаковые угловые размеры и положения с ферромагнитными элементами дисков статора, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора z и на диске ротора медленного вращения z связаны равенством z-z±2р, где р - число пар полюсов обмотки статора, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны, отличающийся тем, что подшипник ротора быстрого вращения установлен на валу ротора медленного вращения, а толщина постоянных магнитов h на роторе быстрого вращения определяется соотношением h=2mδ, где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора медленного вращения. (Афанасьев Анатолий Юрьевич, Макаров Алексей Витальевич, Березов Николай Алексеевич. Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией. Патент РФ №2604058, МПК Н02К 16/02, Н02К 19/24, Н02К 19/06 опубл. 2016.12.10, Бюл. №34) - [3].
Этот электродвигатель трудно встроить в автомобильное колесо.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по конструкции и достигаемому эффекту является мотор-колесо, содержащее шину, обод, полую ось, электропривод с источником регулируемого напряжения и электродвигателем, состоящим из закрепленного на полой оси статора с катушками обмоток, размещенных группами с фиксированным угловым расстоянием между катушками, ротор, соединенный с ободом колеса и подвижно закрепленный на подшипниках на оси, имеющий магнитопровод с основными, с чередующейся полярностью, постоянными магнитами, размещенными равномерно на магнитопроводе, коллектор, который подключен к выходам источника регулируемого напряжения, 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 чередующиеся магнитные поля магнитов направлены навстречу друг другу, а коллектор выполнен в виде блока переключения фазовых секций и блока управления направлением и скоростью вращения двигателя, при этом выводы датчиков положения ротора подключены к контактам колец и через отверстия колец и полой оси подключены к управляющим входам блока управления, а фазовые секции катушек подключены к контактам диэлектрических колец, а в рядах электрических блоков соединены последовательно или параллельно или последовательно-параллельно и через отверстия колец полой оси присоединены к блоку переключения фазовых секций, выходы которого подключены к блоку управления направлением и скоростью вращения колеса (Волегов В.Е. Мотор-колесо. Патент РФ №2156191, МПК В60К 7/00, опубл. 2000.09.20) [4].
Известное мотор-колесо имеет сложную конструкцию и малый вращающий момент, что требует введения механического редуктора и усложняет реализацию.
В современных мотор-колесах существуют проблемы обеспечения высокой надежности, упрощения конструкции, снижения неподрессоренной массы колеса, устранения механических контактов в редукторе.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в создании эффективного и надежного мотор-колеса со следующими свойствами: простая конструкция, улучшенные энергетические показатели, повышенный вращающий момент, бесконтактность редуктора, ускоренные операции монтажа и демонтажа колеса.
c
p
p
c
M
Технический результат достигается тем, что в мотор-колесо, содержащее шину, обод и диски колеса, полую ось, насаженную на полуось автомобиля, электродвигатель, состоящий из закрепленного на полой оси статора с катушками обмотки, размещенных с фиксированным угловым расстоянием, ротор, соединенный с ободом колеса и подвижно закрепленный на подшипниках на оси, и датчик положения ротора, введены чередующиеся диски ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, магнитопроводы статора выполнены в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам мотор-колеса, накладные зубцы с коронками и с катушками установлены на торцевых поверхностях магнитопроводов, на торцевых поверхностях коронок имеются клиновидные выступы, которые совместно с ферромагнитными элементами дисков статора, а также ферромагнитные элементы дисков ротора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора z и на диске ротора z связаны равенством z=z±2р, где р - число пар полюсов статора, ротор быстрого вращения в виде диска с 2р постоянными магнитами в виде секторов, намагниченными аксиально с чередующейся полярностью, установлен с подшипником на полой оси посередине между магнитопроводами, причем толщина магнита h=2mδ, где δ - зазор между дисками, т - число дисков ротора, на полой оси мотор-колеса закреплен фланец статора с коническими отверстиями, число которых совпадает с числом конических стержней ступицы автомобиля, насаженной на полуось автомобиля с резьбой для крепления мотор-колеса с помощью винта и шайбы.
Сущность заявленного изобретения поясняется на Фиг. 1-Фиг. 9, где:
Фиг. 1 - продольное сечение мотор-колеса;
Фиг. 2 - ротор быстрого вращения с постоянными магнитами;
Фиг. 3 - диск статора;
Фиг. 4 - диск ротора;
Фиг. 5 - зубцы с выступами и катушками;
Фиг. 6 - форма листов шихтованного ферромагнитного элемента;
Фиг. 7 - схема замещения магнитной системы с одной обмоткой и несимметричным положением ротора с постоянными магнитами;
Фиг. 8 - схема замещения магнитной системы с двумя обмотками и симметричным положением ротора с постоянными магнитами.
Фиг. 9 - ступица автомобиля при снятом колесе.
Далее детально представлены конструктивные особенности признаков, приведенных на указанных фигурах.
На Фиг. 1 представлено мотор-колесо, где
1 - полуось автомобиля;
2 - полая ось;
3, 4 - опоры;
5, 6 - подшипники дисков колеса;
7, 8 - диски колеса;
9 - обод колеса;
10 - шина;
11, 12 - магнитопроводы;
13-16 - кольца;
17, 18 - зубцы;
19, 20 - катушки;
21, 22 - втулки статора;
23, 24 - диски статора;
25, 26 - втулки ротора;
27, 28 - диски ротора;
29 - постоянный магнит;
30 - подшипник ротора быстрого вращения;
31 - винт;
32 - шайба;
33 - фланец статора;
34 - стержень;
35 - ступица автомобиля;
36 - жгут;
37 - тормозной барабан;
38 - ферромагнитный элемент датчика положения ротора.
Заявленная конструкция собрана следующим образом. На полой оси 2 установлены опоры 3, 4. На них опираются магнитопроводы 11, 12, ограниченные кольцами 13-16. На магнитопроводе 11 установлено шесть зубцов 17 с коронками и с катушками 19. На магнитопроводе 12 установлено шесть зубцов 18 с коронками и с катушками 20.
На полуоси 2 установлены втулки статора 21, 22, на которых имеются диски статора 23, 24 соответственно. На полуоси 2 установлен подшипник 30, на который опирается ротор быстрого вращения с четырьмя постоянными магнитами 29.
На опоры 3, 4 установлены подшипники 5, 6 дисков колеса. На них опираются диски 7, 8 колеса, жестко связанные с ободом 9 колеса, на котором установлена шина 10.
На ободе 9 колеса установлены втулки 25, 26 ротора, связанные с дисками 27, 28 ротора соответственно. Диски 23, 24 статора и диски 27, 28 ротора чередуются в пространстве. Ротор быстрого вращения размещен симметрично относительно магнитопроводов 11, 12.
Магнитопроводы 11, 12 и зубцы 17, 18 выполнены лентой из электротехнической стали путем навивки. Зубцы 17, 18 имеют вид секторов. Катушки 19, 20, расположенные диаметрально, соединены последовательно встречно и образуют три фазы обмотки статора: А, В и С.
Подшипник 30 имеет большую ширину и является радиально-упорным для обеспечения требуемого положения ротора быстрого вращения.
Ротор быстрого вращения имеет четыре постоянных магнита 29 из высококоэрцитивного магнитотвердого материала, имеющие вид секторов (на фиг. 2 показаны закрашенными), и немагнитные сектора (на фиг. 2 не закрашены). Сектора намагничены по оси вращения и образуют на торцевых поверхностях чередующиеся полюса.
Диски 23, 24 статора имеют чередующиеся секторы из магнитомягкого материала (на фиг. 3 показаны темными) и немагнитного материала (на фиг. 3 светлые). Магнитные элементы выполнены шихтованными из электротехнической стали.
Диски 27, 28 ротора имеют чередующиеся секторы из магнитомягкого материала (на фиг.4 показаны темными) и немагнитного материала (на фиг. 4 светлые). Магнитные элементы выполнены шихтованными из электротехнической стали.
c
p
c
p
Количества ферромагнитных элементов дисков статора z и ферромагнитных элементов дисков ротора z, приходящихся на одно полюсное деление, отличаются на единицу. На фиг. 3, 4 показан случай, когда число пар полюсов p=2, z=24, z=20.
На торцевых поверхностях коронок зубцов 17, 18 имеются клиновидные выступы (на фиг. 5 показаны темным цветом). Их угловое положение и количество соответствуют ферромагнитным элементам дисков 23, 24 статора.
Мотор-колесо работает следующим образом. При подаче на обмотку статора трехфазной системы напряжений возникает вращающееся магнитное поле с четырьмя полюсами. Оно увлекает за собой ротор быстрого вращения с постоянными магнитами. Вместе с ним вращаются области большой магнитной индукции в дисках статора и ротора. В результате ротор вместе с ободом поворачиваются так, что места совпадения положений ферромагнитных элементов дисков статора и соответствующих ферромагнитных элементов дисков ротора находятся в зонах максимума модуля магнитной индукции.
p.
м
p.
o
p
б
б
За половину периода напряжения питания T/2=π/ω ротор быстрого вращения повернется на угол π/2, а места максимума модуля магнитной индукции повторятся. При этом ротор должен повернуться на один сектор, т.е. на угол 2π/zСледовательно, магнитный редуктор имеет передаточное отношение Zp/4. Поэтому скорость вращения ротора будет ω=2ω/zЗдесь ω -угловая частота напряжения питания. Момент ротора, действующий на обод колеса, М=zМ/2, М - момент ротора быстрого вращения.
Наличие нескольких дисков статора и ротора вызывает многократную деформацию магнитного поля в зоне дисков, что увеличивает развиваемый момент и позволяет улучшить массогабаритные показатели мотор-колеса.
На торцевых поверхностях коронок зубцов 17, 18, обращенных к активной зоне, имеются клиновидные выступы в виде секторов, повторяющие по форме и количеству ферромагнитные элементы дисков статора, что увеличивает развиваемый момент.
На фиг. 5 показаны зубцы с обмотками и с выступами на коронках (показаны темным цветом).
Ферромагнитные элементы дисков статора и ротора медленного вращения выполнены из электротехнической стали шихтованными для уменьшения потерь в стали на вихревые токи, поскольку в процессе работы магнитная индукция в секторах изменяется (Фиг. 6).
Передача момента от ротора быстрого вращения к ротору является упругой - через магнитное поле. При увеличении момента нагрузки на мотор-колесо оно отстает на некоторый угол от положения, соответствующего холостому ходу.
Мотор-колесо не имеет механических контактов между подвижными активными частями, бесшумно в работе, имеет большой срок службы, определяемый подшипниками, допускает ударные нагрузки, так как связь между роторами осуществляется через магнитное поле.
Удельная энергия магнитного поля определяется выражением
M
При линейной кривой размагничивания максимальная энергия постоянного магнита достигается при условии равенства магнитных сопротивлений постоянного магнита и нагрузки, которой являются зазоры между дисками статора и ротора. Это равенство выполняется, если толщина магнита равна сумме длин зазоров между дисками, т.е. при выполнении равенства h=2mδ,
где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора. За счет этого заявленный электродвигатель имеет повышенные энергетические показатели.
Благодаря установке подшипника 30 ротора быстрого вращения на полой оси 2 упрощается конструкция, т.к. вал быстрого вращения отсутствует. Ротор быстрого вращения усиливает поле, созданное обмоткой двигателя, и передает момент транзитом от статора к магнитному редуктору.
Благодаря размещению ротора быстрого вращения посередине и размещению зубцов с катушками на втором магнитопроводе получается симметричная магнитная система и полностью снимаются осевые усилия. Подшипники 5, 6, 30 нагружены лишь радиальными усилиями, что снижает напряжение трогания мотор-колеса, а также повышает его надежность.
Центральное размещение ротора быстрого вращения с постоянными магнитами снижает магнитный поток рассеяния в магнитном редукторе приблизительно в четыре раза.
M
M
0
σ
м
м
На фиг. 7 показана схема замещения магнитной системы при одной обмотке и несимметричном расположении постоянных магнитов. Здесь F -магнитодвижущая сила (МДС) постоянного магнита; R - магнитное сопротивление постоянного магнита; R - магнитное сопротивление участка магнитной цепи; R - магнитное сопротивление потока рассеяния этого участка. Магнитное напряжение U постоянного магнита зависит от его магнитного потока Ф:
м
м
м
м
U=F-RФ.
Магнитный поток определяется суммой полезного магнитного потока, имеющего осевое направление, и потоков рассеяния:
м
0
σ
Ф=Ф+Ф.
σ
Здесь поток рассеяния Ф определяется полной МДС постоянного магнита и шестью сопротивлениями рассеяния, включенными параллельно.
На фиг. 8 показана схема замещения магнитной системы предлагаемого мотор-колеса с симметричным расположением постоянных магнитов.
м
м
σ
σ
Середина постоянного магнита имеет нулевой магнитный потенциал. Поэтому и МДС F/2, и магнитное сопротивление R/2, приходящиеся на одну сторону схемы замещения, в два раза меньше. Магнитный поток рассеяния Ф, входящий в поток постоянного магнита, проходит с каждой стороны по трем магнитным сопротивлениям R. В результате поток рассеяния приближенно в четыре раза меньше, а магнитное напряжение на постоянном магните больше, чем при несимметричном положении постоянных магнитов. Это увеличивает полезный магнитный поток, проходящий через диски статора и ротора, что увеличивает максимальный вращающий момент мотор-колеса.
Мощность потерь в обмотке, приходящаяся на один торец мотор-колеса, в два раза меньше, чем в случае одной обмотки. Это облегчает охлаждение и снижает температуру обмоток, что повышает их надежность.
Таким образом, в результате симметричного расположения ротора быстрого вращения с постоянными магнитами, расположения на втором магнитопроводе шести зубцов с катушками получено мотор-колесо, имеющее повышенные энергетические характеристики и повышенную надежность.
На фиг. 9 показана ступица 35 с коническими стержнями 34, насаженная на полуось 1 автомобиля. В полуоси 1 автомобиля имеется резьба для крепления мотор-колеса с помощью винта 31 и шайбы 32.
Установка колеса проводится в следующем порядке. Полая ось 2 надевается на полуось 1 автомобиля, при этом отверстия на фланце 33 статора надеваются на выступающие из ступицы 35 стержни 34. Замыкается жгут 36 питания катушек 19, 20 обмотки якоря. Отверстие в оси 2 закрывается шайбой 32, вставляется винт 31 и заворачивается в резьбу в полуоси 1 автомобиля.
Для снятия колеса достаточно отвернуть винт 31 и снять полую ось 2 с полуоси 1 автомобиля, разомкнув жгут 36 питания катушек 19, 20 обмоток.
Таким образом, в результате введения ротора быстрого вращения в виде диска с постоянными магнитами, чередующихся дисков ротора и статора, состоящих из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, выполнения магнитопроводов в виде двух колец с накладными зубцами с катушками, выполнения на торцевых поверхностях коронок зубцов клиновидных выступов, которые совместно с ферромагнитными элементами дисков статора, а также ферромагнитные элементы дисков ротора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, получено мотор-колесо с повышенным вращающим моментом, с улучшенными энергетическими показателями, с простой технологичной конструкцией, допускающей большие скорости вращения и надежную работу.
В результате введения фланца статора с отверстиями, совпадающими с коническими стержнями на ступице автомобиля, ускоряется процесс монтажа и демонтажа мотор-колеса с помощью винта и шайбы.