Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
MOTOR-GENERATOR WITH MAGNETIC CONCENTRATORS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/002775
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to the field of DC motors and is directed toward a simplified design, improved weight and size characteristics, increased efficiency and increased maximum torque at low currents. A motor-generator comprises a stator having two annular magnetic cores with alternating polarity permanent magnets and laminations arranged thereon, and a rotor having electromagnets attached thereto which are connected by current collectors to a distributing collector. A magnetic core comprises an equal even number of permanent magnets and concentrators, with two pairs of permanent magnets of different polarity being separated by a concentrator such that like permanent magnets are situated adjacent the concentrator, the polarity of the magnets of the different magnetic cores alternates in a transverse direction, and the concentrators of one magnetic core are situated opposite the concentrators of the other magnetic core. On the rotor, transverse horseshoe-shaped electromagnets are mounted opposite one another and are provided with two in-series oppositely wound coils, each of which is disposed above one of the magnetic cores. The distributing collector comprises an equal even number of alternating positive laminations, negative laminations and return laminations, the latter being connectable by a rectifier to a current source. The number of laminations of each type is equal to the number of concentrators.

Inventors:
SHKONDIN VASILIJ VASIL'EVICH (RU)
Application Number:
PCT/RU2020/000313
Publication Date:
January 07, 2021
Filing Date:
June 27, 2020
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
SHKONDIN VASILIJ VASILEVICH (RU)
International Classes:
H02K23/04; H02K1/17; H02K1/24
Foreign References:
RU2172261C12001-08-20
RU83372U12009-05-27
US6617746B12003-09-09
Attorney, Agent or Firm:
KOMARDIN, Oleg Valentinovich (RU)
Download PDF:
Claims:
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Импульсный электродвигатель, содержащий статор с двумя кольцеобразными магнитопроводами, на которых расположены по окружности постоянные магниты с чередующуюся полярностью и магнитопроводные пластины (концентраторы), и внешний ротор, на котором закреплены электромагниты, соединенные через токосъемники с распределительным коллектором, отличающийся тем, что

каждый магнитопровод содержит одинаковое четное число постоянных магнитов каждой полярности и концентраторов, установленные все с одинаковым шагом, причем две пары постоянных магнитов разной полярности разделены одним концентратором таким образом, что к концентратору с обеих сторон прилегают одноименные постоянные магниты,

в поперечном направлении полярность магнитов разных магнитопроводов чередуется, а напротив концентраторов одного магнитопровода лежат концентраторы другого магнитопровода;

электромагниты являются поперечными подковообразными, расположены напротив друг друга и имеют по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, при этом каждая из катушек электромагнитов расположена над одним из магнитопроводов; распределительный коллектор содержит одинаковое четное число чередующихся положительных, отрицательных ламелей и возвратных ламелей, которые имеют возможность соединения через выпрямитель с источником тока, число ламелей каждого типа равно числу концентраторов.

2, Импульсный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что количество электромагнитов равно 8, а количество постоянных магнитов каждой полярности и концентраторов равно 6.

9

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)

Description:
МОТОР-ГЕНЕРАТОР С МАГНИТНЫМИ КОНЦЕНТРАТОРАМИ

Изобретение относится к области электродвигателей постоянного тока, в частности безредукторным коллекторным электродвигателям низкого напряжения, и может быть использовано в качестве мотор-колес в транспортных средствах: электроприводных велосипедах, скутерах, мотоциклах, электроавтомобилях и т.д., а также в иных областях техники.

Тенденции развития современных транспортных средств ведут к широкому внедрению электрических и гибридных двигателей. В связи с этим наиболее перспективными выглядят безредукторные мотор-колеса, у которых вращение колеса вызывается непосредственно электромагнитным взаимодействием магнитных систем ротора и статора. Например, известен встроенный электродвигатель (WO 93/08999), 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; US 6617746; RU 2129965; RU 2072261). 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 таких двигателей в сочетании 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.

1

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) 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; US 6727668; US 6355996).

Известен также электродвигатель (RU 2285997), содержащий 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, которые расположены 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, 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 п и количество электромагнитов ротора равное т, подбирают таким образом, чтобы они удовлетворяли соотношениям:

n=10+4k, где к - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д.

m=4+2L, где L - любое целое число, удовлетворяющее условию 0<L<k.

К преимуществам такого устройства относятся: возможность рекуперировать электроэнергию, пониженный уровень искрения на токосъемниках, а также реверсивность при сохранении простоты конструкции и улучшении эксплуатационных характеристик.

Известен также асимметричный импульсный электродвигатель (RU 96294), являющийся дальнейшим усовершенствованием таких устройств. Однако дальнейшее развитие электрического транспорта требует расширения номенклатуры электродвигателей и улучшения их эксплутационно-технических характеристик, прежде всего КПД и энергопотребления, получение возможности достигать высокого крутящего момента на низких токах. Наиболее близким аналогом является импульсный электродвигатель для передвижных средств (патент РФ N° 2172261). В этом патенте предложен электродвигатель для передвижных средств, содержащий статор с двумя кольцеобразными магнитопроводами, на которых расположены равноудаленные по окружности постоянные магниты, и внешний ротор, на котором закреплены электромагниты, соединенные через токосъемники с распределительным коллектором. На одном кольцеобразном магнитопроводе статора расположены постоянные магниты северной полярности, а на другом - южной полярности, между парами разноименных полюсов размещены поперечные магнитопроводные пластины. Электромагниты являются поперечными двухполюсными, а распределительный коллектор выполнен с возможностью совместного с токосъемниками преобразования постоянного тока в импульсный однонаправленный ток и закреплен на корпусе статора с направлением осевых линий медных пластин параллельно осевым линиям постоянных магнитов статора. В другом варианте этого изобретения используют электромагниты выполнены в виде явно выраженных квадроэлектромагнитов. Такие электродвигатели показали достаточную надежность и высокий крутящий момент. Однако их эксплуатация выявила сложности в их производстве и наладке, ограничение области применения (вследствие относительно большого веса и габаритов), высокие пусковые токи, значительное энергопотребление .

Настоящее изобретение направлено на упрощение конструкции, улучшение массо- габаритных характеристик, увеличение эффективности (КПД), повышение максимального крутящего момента при низких токах.

Заявленный технический результат достигается тем, что электродвигатель (мотор- генератор), выполненный в соответствии с настоящим изобретением содержит: статор с двумя кольцеобразными магнитопроводами, на которых расположены по окружности постоянные магниты с чередующуюся полярностью и магнитопроводные пластины (концентраторы); внешний ротор, на котором закреплены электромагниты, соединенные через токосъемники с распределительным коллектором.

Каждый магнитопровод содержит одинаковое четное число постоянных магнитов разной полярности и концентраторов. Все эти элементы установлены с одинаковым шагом, причем две пары постоянных магнитов разной полярности разделены одним концентратором таким образом, что к концентратору с обеих сторон прилегают одноименные постоянные магниты. В поперечном направлении полярность магнитов разных магнитопроводов чередуется, а напротив концентраторов одного магнитопровода лежат концентраторы другого магнитопровода. На роторе установлены поперечные подковообразные электромагниты, которые расположены напротив друг друга и имеют по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, при этом каждая из катушек электромагнитов расположена над одним из магнитопроводов.

Зазор между постоянными магнитами обеих полярностей, концентраторами и сердечниками электромагнитов ротора является одинаковым и остается постоянным при вращении электродвигателя.

Распределительный коллектор содержит одинаковое четное число чередующихся положительных, отрицательных ламелей и возвратных ламелей, которые имеют возможность соединения через выпрямитель с источником тока. Число ламелей каждого типа равно числу концентраторов.

Общее количество постоянных магнитов и электромагнитов в электродвигателе зависит от его назначения и размеров. Обычно количество постоянных магнитов каждой полярности и концентраторов равно 2п, а количество электромагнитов равно 2п+2, где п - целое число. Для индивидуальных транспортных средств (велосипеды, скутеры, мотоциклы и т.д.) предпочтительно использовать схему, в которой количество электромагнитов равно 8, а количество постоянных магнитов каждой полярности и концентраторов равно 6.

Такое соотношение числа электромагнитов и постоянных магнитов и концентраторов, их взаиморасположение, а также используемая схема коммутации позволяет:

- предотвратить перенасыщение обмоток электромагнитов в пиковых импульсах токов и тем самым избежать их перегрева;

- создать условия для инерционного прохождения электромагнитами в обесточенном состоянии значительного сектора (около 120°), а также возврат («сброс» импульсов) противо-ЭДС через возвратные ламели и диоды на источник тока, что существенно повышает экономичность двигателя и его КПД;

- обеспечить эффективное импульсное перемагничивание электромагнитов, позволяющее достигать высокого крутящего момента при малых токах.

Наличие высокой доли возвратной ЭДС и возможность эффективно использовать электродвигатель в реверсивном режиме в качестве электрогенератора позволяет называть заявляемое устройство мотор-генератором.

Конструктивно электродвигатель может быть выполнен так, что ротор будет расположен с внешней стороны статора (например, мотор-колесо для наземных транспортных средств) или ротор будет расположен внутри статора (например, винтовой движитель для водных транспортных средств).

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.

На Фиг. 1 изображена схема электродвигателя, выполненного в соответствии с настоящим изобретением;

На Фиг. 2 представлен поперечный осевой разрез электродвигателя;

На Фиг. 3 представлен фрагмент статора с двухрядным магнитопроводом;

На Фиг. 4 изображена принципиальная электрическая схема электродвигателя.

На Фиг.1, 2 представлен электродвигатель, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, который может быть использован как мотор-колесо для различных транспортных средств, например велосипеда с электроприводом, скутера, автомобиля и т.д.. Электродвигатель содержит обечайку (корпус электродвигателя) 1, выполняющую роль защитного кожуха, и непосредственно передающую вращение на колесо. Обечайка соединена посредством спиц с ободом колеса (не показано). Статор 2 электродвигателя обычно расположен внутри ротора 3. Статор 2 имеет два кольцеобразных магнитопровода 4, на каждом их которых закреплено четное количество постоянных магнитов 5 с чередующейся полярностью. Пары разноименных магнитов разделены концентраторами 6 (магнитопроводными пластинами, имеющими размер, соответствующий размеру постоянных магнитов). Все перечисленные элементы расположены с одинаковым шагом, причем таким образом, что к каждому концентратору с обеих сторон прилегают постоянные магниты, имеющие одинаковую полярность. В поперечном направлении полярность магнитов разных магнитопроводов чередуется, а напротив концентраторов одного магнитопровода лежат концентраторы другого магнитопровода. В данном случае на каждом из магнитопроводов установлено по 6 магнитов разной полярности и 6 концентраторов.

При необходимости концентраторы 6 могут быть изготовлены единой деталью вместе со статором 2 (Фиг. 3), а постоянные магниты 5 устанавливаются в соответствующих промежутках между ними. На Фигуре 3 концентраторы 6 обозначены буквой «С», а магниты 5 соответствующей полярности «N» или «S». Такая конструкция позволяет уменьшить число технологических операций при изготовлении электродвигателя.

Ротор 3 отделен от статора воздушным промежутком и несет четное число одинаковых поперечных подковообразных электромагнитов 7. В данном случае восемь штук. Каждый электромагнит имеет по две катушки 8 с последовательно встречным направлением обмотки, при этом каждая из катушек электромагнитов расположена над одним из магнитопроводов. Электромагниты расположены попарно напротив друг друга и образуют четыре пары. На Фигурах начало обмотки первой катушки обозначено буквой "Н", конец обмотки второй катушки обозначен буквой "К". Во время работы электродвигателя катушки 8 электромагнитов 7, запитываются от источника постоянного тока (не показан) через распределительный коллектор 9 и токосъемники 10 (щетки). Распределительный коллектор 9 неподвижен относительно статора, а токосъемники 10 связаны с ротором и при его вращении перемещаются относительно токоведущих пластин (ламелей), отделенных друг от друга изолирующими промежутками. Распределительный коллектор 9 содержит одинаковое четное число чередующихся положительных ламелей 11, отрицательных ламелей 12 (соединенных с корпусом) и возвратных ламелей 13 (имеющих возможность соединения через выпрямитель, обычно диод, с источником тока). Возвратные ламели 13 еще называют паузными. Плюс источника питания обычно подключается посредством провода, проходящий через наклонное отверстие в оси к положительным ламелям. Минус источника подключен к корпусу двигателя. От возвратных ламелей 13 распределителя через диоды по отдельному проводу 14 осуществляется возврат импульсов противоЭДС в источник тока. Число ламелей каждого типа равно числу концентраторов и составляет в данном случае шесть. Ламели располагаются по окружности коллектора 9 таким образом, что возвратные ламели 13 установлены с одинаковым шагом, а вокруг каждой из них располагается попеременно две ламели одинаковой полярности плюс 1 1 или минус 12 (Фиг. 1).

Двухзубцовые поперечные электромагниты 7 перемещаются от осевых линий концентраторов 6 к осевым линиям рядом закрепленных магнитов 5 в обесточенном состоянии на свободном притяжении (сектор F на Фиг. 1). Именно в эти моменты происходят“сбросы” импульсов противо-ЭДС в источник тока через диоды. В общей сложности, каждый электромагнит ротора, совершая один оборот вокруг индуктора, треть окружности проходит в качестве обесточенного маховика, усиленного свободным притяжением постоянных магнитов.

На Фиг. 4 изображена принципиальная электрическая схема электродвигателя. Две обмотки 8 каждого электромагнита 7 соединены последовательно-встречно. Концы обмоток двух диаметрально противоположных электромагнитов (К) замкнуты между собой. Начальные выводы (Н) обмоток всех восьми электромагнитов подводятся к токосъемникам 10, закрепленным напротив соответствующего электромагнита. Количество витков на сердечниках двухзубцовых электромагнитов определяются по коэффициенту трансформации, найденному опытным путем в процессе испытаний. Он равен 16 единицам (+/- 2 единицы). Например, для сердечника площадью поперечного сечения 4 см 2 количество витков составляет 96 для каждой катушки. Предпочтительно к обмоткам каждого двухзубцового электромагнита параллельно подключать конденсатор 15. Обычно используются бумажные конденсаторы емкостью от 1 до 6 мкФ. Организованные таким образом резонансные контуры снижают ток потребления от источника питания и увеличивают крутящий момент электродвигателя.

Электродвигатель, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, может включать несколько идентичных секций, каждая из которых аналогична, описанным выше устройствам. Количество таких секций зависит от мощности источника питания и требуемых параметров транспортного средства.

ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ

Импульсный электродвигатель (мотор-генератор) для транспортных средств, изготовленный в соответствии с настоящим изобретением, показал уникальные эксплуатационные характеристики и высокую надежность конструкции. Базовая модель для испытаний содержала восемь двухзубцовых электромагнитов ротора и двенадцать постоянных магнитов статора на каждом магнитопроводе. Площадь поперечного сечения

сердечника была равна 4 см и количество витков составляло 96 для каждой катушки. Напряжение питания электродвигателя равнялось 48 В.

Сравнение параметров этой модели с импульсным электродвигателем, изготовленным по патенту RU 2172261 показало лучшую технологичность изготовления заявляемой модели (отсутствует необходимость в изготовлении сложных лекал для квадроэлектромагнитов, меньшую материалоемкость производства, проще производилась сборка и настройка электродвигателя и т.д.); при этом был достигнут более значительный крутящий момент при существенно более низких токах. Заявляемый электродвигатель показал более высокий КПД (на 6-8%) и большую экономичность.

Был также проведен сравнительный тест электродвигателя (мотор-генератора с магнитными концентраторами), изготовленного в соответствии с настоящим изобретением, с серийным мотором для скутера компании ЕМСО модели Nova 2 kw RM3 (являющейся одной из ведущих моделей в своем классе). Сравнительные результаты испытаний представлены в Таблице 1. Табл. 1

Таким образом, заявляемый электродвигатель обладает существенно улучшеными эксплуатационно-техническими характеристиками при сохранении относительной простоты конструкции и надежности.