МОТОР-КОЛЕСО

Изобретение относится к автомобильной технике, а конкретно к колесам со встроенными электродвигателями, 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 Н02K 23/00, В60K 7/00, БИ 13, 1995.05.10) [2].

Известное мотор-колесо имеет сложную конструкцию, низкий КПД и значительные нагрузки на подшипники вала.

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 zc и на диске ротора медленного вращения zp связаны равенством zp = zc ± 2р, 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 пм на роторе быстрого вращения определяется соотношением hм = 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 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, которые подключены 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 В60K 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.

Технический результат достигается тем, что в мотор-колесо, содержащее обод, полую ось, насаженную на полуось, 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 датчики положения ротора, введены чередующиеся диски ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, пакет статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам мотор-колеса, накладные зубцы с катушками установлены на торцевой поверхности кольца пакета статора, на другом кольце имеются клиновидные выступы, которые совместно с ферромагнитными элементами дисков статора, а также ферромагнитными элементами дисков ротора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора z_c и на диске ротора z_p связаны равенством z_p = z_c ± 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, на валу с подшипником, причем толщина магнита h_м = 2mδ + δ_д, где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора, δ_д - зазор между постоянным магнитом и зубцом, 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. 8, где:

Фиг. 1 - продольное сечение синхронного электродвигателя с одной обмоткой;

Фиг. 2 - ротор быстрого вращения;

Фиг. 3 - зубцы с коронками и катушками;

Фиг. 4 - диск статора;

Фиг. 5 - диск ротора;

Фиг. 6 - пути прохождения магнитного потока;

Фиг. 7 - форма листов шихтованного ферромагнитного элемента;

Фиг. 8 - ступица автомобиля со стержнями.

Здесь 1 - полуось автомобиля; 2 - полая ось; 3-5 - подшипники; 6, 7 - диски колеса; 8 - обод колеса; 9 - шина; 10, 11 - магнитопроводы; 12-15 - кольца; 16 - зубец; 17 - катушка; 18 - постоянный магнит; 19 - втулка ротора быстрого вращения; 20 - втулка ротора медленного вращения; 21 - диски статора; 22 - диски ротора медленного вращения; 23 - винт; 24 - шайба; 25 - фланец статора; 26 - стержень; 27 - ступица; 28 - жгут; 29 - тормозной барабан; 30 - ферромагнитный элемент датчика положения ротора.

Диски 6, 7 колеса связаны с ободом 8 колеса, на который надета шина 9, и установлены на подшипники 3, 4, опирающиеся на полую ось 2. Магнитопроводы 10, 11 установлены на полую ось 2. Магнитопровод 11 имеет зубцы 16 с катушками 17. Четыре постоянных магнита 18 установлены на втулке 19 ротора быстрого вращения. Ротор быстрого вращения установлен на подшипнике 5, который опирается на полую ось 2. Подшипник 5 имеет большую ширину и является радиально-упорным для обеспечения требуемого положения ротора быстрого вращения. На полой оси 2 установлены диски 21 статора. С ободом 8 связана втулка 20 ротора медленного вращения, на которой установлены диски 22 ротора медленного вращения, чередующиеся с дисками 21 статора.

На полую ось 2 насажен фланец 25 статора, имеющий конические отверстия, количество и форма которых повторяют количество и форму стержней 26, выступающих из ступицы 27, насаженной на неподвижную полуось 1 автомобиля. На диске 7 колеса установлен тормозной барабан 29 и ферромагнитные элементы 30 датчиков положения ротора.

Ротор быстрого вращения имеет четыре постоянных магнита 18 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. Магнитное поле создается совместно обмоткой статора и постоянными магнитами, что повышает энергетические характеристики мотор-колеса.

Диски 21 статора имеют ферромагнитные элементы, расположенные равномерно (на фиг. 4 показаны светлым цветом), и немагнитные элементы (на фиг. 4 показаны темным цветом).

Диски 22 ротора медленного вращения имеют ферромагнитные элементы, расположенные равномерно (на фиг. 5 показаны светлым цветом), и немагнитные элементы (на фиг. 5 показаны темным цветом).

Количество магнитных элементов дисков статора и ротора, приходящихся на один полюс, отличаются на единицу. На фиг. 4, 5 показан случай, ₍когда число пар полюсов статора р = 2, количество ферромагнитных элементов у диска статора z_c = 20, у диска ротора z_p = 24.

Зубцы 16 имеют вид секторов из электротехнической стали и содержат коронки (показаны на фиг. 3 слева). Они установлены на магнитопроводе 11 статора. Магнитопроводы 10, 11 ограничены кольцами 12-15. Катушки, расположенные диаметрально, соединены последовательно встречно и образуют три фазы обмотки статора А, В и С.

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. Вместе с ним вращаются области большой магнитной индукции в дисках статора и ротора медленного вращения. В результате ротор медленного вращения поворачиваются так, что места совпадения положений ферромагнитных элементов дисков статора и соответствующих ферромагнитных элементов дисков ротора медленного вращения находятся в зонах максимума модуля магнитной индукции при холостом ходе.

За половину периода напряжения питания Т/2 = π/ω ротор быстрого вращения повернется на угол π/2, а места максимума модуля магнитной индукции повторятся. При этом ротор медленного вращения должен повернуться на один сектор, т.е. на угол 2π/z_р. Следовательно, магнитный редуктор имеет передаточное отношение z_p/4. Поэтому скорость вращения ротора медленного вращения будет ω_м = 2ω/z_p. Здесь ω - угловая частота напряжения питания. Момент на валу медленного вращения М_м = z_рМ_б/2.

Наличие нескольких дисков статора и ротора вызывает многократную деформацию магнитного поля в зоне дисков, что увеличивает развиваемый момент и позволяет улучшить массогабаритные показатели.

На торцевой поверхности магнитопровода 11 статора, обращенной к активной зоне, имеются клиновидные выступы в виде секторов, повторяющие по форме и количеству ферромагнитные элементы дисков статора, что увеличивает развиваемый момент.

На фиг. 6 показаны пути прохождения магнитного потока в данной конструкции, где внешний магнитопровод отсутствует, а объем и масса малы.

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. 7).

Передача момента от ротора быстрого вращения к ротору медленного вращения является упругой - через магнитное поле. При увеличении момента нагрузки на валу медленного вращения он 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 и статором осуществляется через магнитное поле.

Удельная энергия магнитного поля определяется выражением

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 медленного вращения. Это равенство выполняется, если толщина магнита равна сумме длин зазоров между дисками, т.е. при выполнении равенства

где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора, δ_д - зазор между постоянным магнитом и зубцом. За счет этого заявленное мотор-колесо имеет повышенные энергетические показатели.

На фиг. 8 показана ступица 27 с коническими стержнями 26, насаженная на полуось 1 автомобиля. В полуоси 1 автомобиля имеется резьба для крепления мотор-колеса с помощью винта 23 и шайбы 24.

Установка колеса проводится в следующем порядке. Полая ось 2 надевается на полуось 1 автомобиля, при этом отверстия на фланце 25 статора надеваются на выступающие из ступицы 27 стержни 26. Замыкается жгут 28 питания катушек 17 обмотки статора. Отверстие в оси 2 закрывается шайбой 24, вставляется винт 23 и заворачивается в резьбу в полуоси 1 автомобиля.

Для снятия колеса достаточно отвернуть винт 23 и снять полую ось 2 с полуоси 1 автомобиля, разомкнув жгут 28 питания катушек 17 обмотки статора.

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 пакета статора в виде двух колец с накладными зубцами с катушками, выполнения на втором кольце 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.