RU126996U1 - Brushless DC Motor - Google Patents
Brushless DC Motor Download PDFInfo
- Publication number
- RU126996U1 RU126996U1 RU2012138903/11U RU2012138903U RU126996U1 RU 126996 U1 RU126996 U1 RU 126996U1 RU 2012138903/11 U RU2012138903/11 U RU 2012138903/11U RU 2012138903 U RU2012138903 U RU 2012138903U RU 126996 U1 RU126996 U1 RU 126996U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electric motor
- electromagnets
- motor according
- phases
- rotor
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
Abstract
1. Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока, включающий: 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, отличающийся тем, что количество фаз N электродвигателя может быть любым числом из ряда N=2, 3, 4, 6; количество m электромагнитов в каждой группе кратно количеству фаз; 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.2. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что электромагниты имеют подковообразные сердечники и n>2m.3. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что количество фаз N нечетно и количество датчиков положения ротора равно N+1.4. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что количество фаз N четно и количество датчиков положения ротора равно N.5. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что каждый из электромагнитов имеет независимое подключение к блоку управления.6. Электродвигатель по п.2, отличающийся тем, что угловое расстояние между центрами зубцов электромагнита равно угловому расстоянию между центрами соседних магнитных полюсов с одной стороны ротора.7. Электродвигатель по п.2, отличающийся тем, что катушки электромагнита имеют противоположное направлен1. Brushless DC motor, including: an internal rotor containing individual permanent magnets uniformly spaced around a circle with an alternating direction of the magnetic field; an external stator containing two identical groups of electromagnets located circumferentially on different sides of the rotor opposite each other so that the axis of the electromagnet coils are parallel to the axis of rotation; rotor position sensors; an electromagnet control unit, characterized in that the number of phases N of the electric motor can be any number from a number N = 2, 3, 4, 6; the number m of electromagnets in each group is a multiple of the number of phases; the number n of poles of permanent magnets on one side of the rotor is even, not a multiple of the number of phases, greater than the number m of electromagnets in the group and not a multiple of their number; the number L of rotor position sensors is not less than the number of phases. 2. The electric motor according to claim 1, characterized in that the electromagnets have horseshoe-shaped cores and n> 2m. 3. The electric motor according to claim 1, characterized in that the number of phases N is odd and the number of rotor position sensors is N + 1.4. The electric motor according to claim 1, characterized in that the number of phases N is even and the number of rotor position sensors is N.5. The electric motor according to claim 1, characterized in that each of the electromagnets has an independent connection to the control unit. The electric motor according to claim 2, characterized in that the angular distance between the centers of the teeth of the electromagnet is equal to the angular distance between the centers of adjacent magnetic poles on one side of the rotor. The electric motor according to claim 2, characterized in that the electromagnet coils have the opposite direction
Description
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.The utility model relates to the field of DC motors, in particular gearless brushless low-voltage electric motors for vehicles: electric scooters, motorcycles, electric vehicles, etc., and can also be used in other areas of technology.
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.The most promising for individual electric vehicles are gearless motor wheels, in which the rotation of the wheel is caused directly by the electromagnetic interaction of the magnetic systems of the rotor and stator. Such engines are environmentally friendly, compact, economical, simple and easy to operate.
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).Two constructive approaches to creating motor wheels are known: these are collector electric motors in which permanent magnets are located on the stator, and electromagnets and sliding current collectors are mounted on the rotor, which provide electrical contact with the plates of the electric collector (US 6384496 B1, 05/07/2002; US 6617746 B1 09.09.2003; RU 2129965 C1, 05/10/1999; RU 2172261 C1, 08.20.2001); and brushless motors containing an external rotor with permanent magnets and a stator with electromagnets powered from the control unit by a signal from the rotor position sensors (RU 2091969 C1, 09.27.1997; US 6727668 B1, 04/27/2004; US 6762525 B1, 07/13/2004; US 6791226, 09/14/2004; US 6853107 B2, 02/08/2005; RU 2265271 C1, 11/27/2005; RU 2343620 C2, 01/10/2009).
Бесколлекторные электродвигатели в ряде областей применения имеют преимущества по сравнению со щеточными двигателями, что связано с отсутствием скольжения токопроводящих элементов и большей гибкостью управления.Brushless motors in a number of applications have advantages over brush motors, due to the absence of slip of conductive elements and greater control flexibility.
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.Such engines have already found their application, but there are a number of areas in which it is possible to improve their operational characteristics. Traditionally, high-torque, low-speed motor-wheel motors have lower efficiency than high-speed electric drives. This is due to an increase in the total resistance due to an increase in the number of turns on the windings. At the same time, heat generation increases and the task of cooling the electric motor arises.
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.Another problem in the operation of gearless electric motors in vehicles is the presence of "dead zones" and the non-optimality of their work in a wide dynamic range, especially in start / stop modes. A partial solution to this problem will be the use of several electric motors on one vehicle, each of which is optimized for its dynamic range. For example, in patent RU 2290328 dated December 27, 2006, an all-wheel drive vehicle with an accelerating and marching engine of the motor-wheel type is described. But such a solution also complicates the design and has limited application.
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.They are trying to solve the increase in efficiency and increase in torque under various operating conditions by optimizing the control system (US 6727668 B1, 04/27/2004; US 6791226, 09/14/2004) and enhancing the magnetic flux, by choosing the number and location of magnets and electromagnets, as well as manufacturing cores of a special form (US 6762525 B1, 07/13/2004). All this leads to a complication of production and does not solve the final task: the creation of a universal efficient engine for various vehicles.
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.This utility model is aimed at creating a low-speed gearless electric motor, with a high torque, having a universal, relatively simple design, and suitable for use in various operating conditions.
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.Compared with the classic electric drive circuit, using a high-speed electric motor and gearbox, the present utility model can significantly improve the economy and mass-dimensional performance of the drive, and reduce the noise level of its operation. At the same time, the efficiency and heat loss are maintained at the level of classic high-speed electric motors.
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.The technical result from the use of this utility model is the simultaneous reduction of heat loss; improving the dynamic characteristics of the electric motor in start-stop modes; increase in torque; cheaper production.
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.The claimed technical result is achieved by the fact that the brushless DC motor includes an internal rotor containing individual permanent magnets evenly spaced around the circle with the alternating direction of the magnetic field; an external stator containing two identical groups of electromagnets located circumferentially on different sides of the rotor opposite each other so that the axis of the electromagnet coils are parallel to the axis of rotation; rotor position sensors; control unit for electromagnets. The number of permanent magnets and electromagnets, their relative position is selected in such a way as to ensure maximum closure of the magnetic field within each phase. The number of phases N of the electric motor can be any number from the series N = 2, 3, 4, 6. The number m of electromagnets in each group is a multiple of the number of phases. Permanent magnets are arranged so that their poles extend to both sides of the rotor located between the groups of stator electromagnets. The number n of poles of permanent magnets on one side of the rotor is even, not a multiple of the number of phases, greater than the number m of electromagnets in the group and not a multiple of their number. The number L of rotor position sensors is not less than the number of phases.
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.Electromagnets usually have horseshoe-shaped cores with two coils. In this case, n> 2m. The electromagnet coils have the opposite winding direction. Electromagnets located opposite each other form a pair. In a pair of electromagnets, coils located on the teeth, which are located opposite each other, have the same direction of the winding.
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.The rotor is usually made of non-magnetic material. This allows you to most effectively close the field between pairs of electromagnets and to avoid scattering of the magnetic field between adjacent electromagnets in the group. The angular distance between the centers of the teeth of the electromagnet is chosen equal to the angular distance between the centers of adjacent magnetic poles on one side of the rotor.
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.The number of rotor position sensors is always no less than the number of phases. Preferably, in the case of an even number of phases N, the number of rotor position sensors is also equal to N. In the case of an odd number of phases N, the number of rotor position sensors will be N + 1. This design allows you to avoid "dead zones" and jerking when starting.
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.Each of the electromagnets can have an independent connection to the control unit. But usually the electromagnets in a pair are connected in a single circuit and the pair is already connected to the control unit. The connection is carried out during the assembly of the engine. In this case, the electromagnets in pair can be connected in series or in parallel, depending on the purpose of the engine. To increase the torque of the electric motor, use a serial connection, to increase the speed of rotation - parallel.
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.In the case of the number of electromagnets greater than twice the number of phases, their pairs are combined into phase groups. The number of such groups is equal to the number of phases, and the number of electromagnets in each phase group is the same. A single control signal is applied to each group. Within a group, electromagnets can be connected in series or in parallel. The switching of electromagnets is carried out by the control unit, and it can also occur in dynamic mode. The control unit provides a sinusoidal control signal to the electromagnets, the phase displacement of which can be dynamically changed in the range from - 60 to 0 phase degrees.
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.To implement the recovery mode, the windings of a pair of electromagnets are included in the power circuit through a diode bridge. Moreover, all pairs of electromagnets in the phase group are connected in series. For the efficiency of the recovery process, it is preferable that the diode bridge contains diodes with a speed of 40 to 200 ns.
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.An inductive step-up DC-DC converter can also be used to implement the recovery mode. It is usually installed between the positive output of the circuit and the positive contact of the battery. Structurally, such a converter can be included in the control unit.
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.Depending on the purpose of this electric motor, different schemes for installing the electrical part of the engine in the housing are used. For a number of applications (electric bicycles, scooters, electric cars and other vehicles), it is preferable to install the stator on a fixed axis and connect the rotor to the movable rim of the wheel, ensuring its direct rotation. For other applications (electric lifts, the main rotor of an airplane or helicopter, propellers, etc.), it is preferable to provide rotation of the motor shaft with the housing stationary. In both cases, they use similar designs of the electrical part of the engine and its control circuit.
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.On light vehicles (scooter, electric car), three-phase electric motors are usually used. At the same time they will contain 18 electromagnets (9 pairs) and 24 permanent magnets (24 magnetic poles on each side of the rotor). For vehicles of other purposes (bus, tractor, etc.), motors with a large number of phases can be used. So, for example, a 4-phase electric motor can contain 12 pairs of electromagnets, and permanent magnets, the number of which is selected from a number of numbers m = 26, 30, 34.
Сущность настоящей полезной модели поясняется следующими чертежами:The essence of this utility model is illustrated by the following drawings:
На Фиг.1 представлена схема заявляемого электродвигателя;Figure 1 presents a diagram of the inventive electric motor;
На Фиг.2 изображен элемент электродвигателя, включающий пару электромагнитов;Figure 2 shows an electric motor element comprising a pair of electromagnets;
На Фиг.3 представлена схема трехфазного электродвигателя с последовательным соединением электромагнитов в паре;Figure 3 presents a diagram of a three-phase electric motor with a series connection of electromagnets in pair;
На Фиг.4 представлена схема трехфазного электродвигателя с параллельным соединением электромагнитов в паре;Figure 4 presents a diagram of a three-phase electric motor with a parallel connection of electromagnets in pair;
На Фиг.5(а) и (б) представлены диаграмма управляющих сигналов для 3х-фазного электродвигателя;5 (a) and (b) are a diagram of control signals for a 3-phase electric motor;
На Фиг.6 представлена электрическая схема перекоммутации фаз по типу «треугольник» и «звезда» для 3х-фазного электродвигателя;Figure 6 presents the electrical circuit of the phase switching according to the type of "triangle" and "star" for a 3-phase electric motor;
На Фиг.7 изображена схема рекуперации энергии для 3х-фазного электродвигателя;7 shows a diagram of energy recovery for a 3-phase electric motor;
На Фиг.8 изображена схема рекуперации энергии с индуктивным повышающим преобразователем постоянного напряжения;On Fig shows a diagram of energy recovery with an inductive step-up DC-DC converter;
На Фиг.9(а) представлена схема настоящего электродвигателя, выполненного в варианте мотор-колесо;Figure 9 (a) presents a diagram of the present electric motor, made in the embodiment of the motor-wheel;
На Фиг.9(б) представлена схема настоящего электродвигателя с вращающимся валом. На Фиг.10 (а, б) представлены зависимости динамических характеристик электродвигателя.Figure 9 (b) presents a diagram of a real electric motor with a rotating shaft. Figure 10 (a, b) presents the dependence of the dynamic characteristics of the electric motor.
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.The inventive electric motor (Figure 1) includes an
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.The number of phases N of the electric motor can be any number from the series N = 2, 3, 4, 6. Figure 1 shows a 6-phase electric motor. The number m of
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.Each of the
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.The coils of each of the electromagnets have the opposite direction of the winding (Figure 2). Moreover, each pair of electromagnets and , and , etc. arranged so that the coils placed on the teeth located opposite each other have the same direction of the winding. This design allows you to most fully close the magnetic field between the pairs of electromagnets. In addition, the manufacture of the rotor from a non-magnetic material allows to avoid field scattering between adjacent electromagnets in the group.
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.It is known that the magnitude of the motor torque linearly depends on the total number of turns of each phase of the motor and the magnetic flux closed through the cores of the electromagnets. At the same time, the maximum speed is inversely proportional to the number of turns. Traditionally, high-torque, low-speed motor-wheel motors have lower efficiency than high-speed electric drives. This is due to the need to increase the number of turns on the motor windings to enhance the magnetic field. At the same time, the total electrical resistance of the windings increases, heat dissipation increases, and the useful power of the electric drive decreases. In the electric motor design proposed here, the used ratio of the number of permanent magnets and electromagnets, as well as their structural placement, allows to obtain the most uniform magnetic flux localized in the right place.
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.This makes it possible to significantly increase the value of the motor torque without increasing the number of turns and, accordingly, to do without an increase in heat loss due to heat generation and without reducing the efficiency. Having the value of the efficiency and efficiency of the electric motor at the level of classic high-speed electric motors, this useful model allows you to save all the advantages of "motor-wheel" constructions for use in vehicles.
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.Pairs of electromagnets are usually connected in a single circuit when assembling the electric motor. Depending on the destination, one or another connection method is chosen for all pairs. To increase the torque of the motor using a serial connection (Figure 3). Such electric motors are mainly intended for vehicles with increased power (tractors, buses, trucks, etc.). To increase the speed of rotation using a parallel connection (Figure 4). Typically, such electric motors are installed on scooters, motorcycles, electric cars, etc.
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.Pairs of electromagnets are independently connected to a control unit (CU) 9, which in turn is powered by a
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.The
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 Kt (Нм/А) и константа частоты вращения Kv (об./мин/В). Они определяются совокупностью конструктивных особенностей электродвигателя. Раздельное управление электромагнитами позволяет изменять константы электрической машины на уровне системы управления.The electric motor, which has a separate connection of pairs of electromagnets to the control unit, allows greater flexibility in the choice of modes of its rotation, as well as the implementation of effective recovery of kinetic energy. For each electric motor, there is a torque constant K t (Nm / A) and a constant frequency of rotation K v (rpm / V). They are determined by the combination of design features of the electric motor. Separate control of electromagnets allows you to change the constants of an electric machine at the level of the control system.
Для получения максимального значения Kt и минимального значения Kv 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 VP=V/(N-1), где V-напряжение источника питания, N-количество фаз электромотора. Коммутации фаз по типу «треугольник» позволяет получать более высокое значение Kv 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 VP=V.To obtain the maximum value of K t and the minimum value of K v in the start mode from a standstill and to reduce the amount of current consumed, the control unit provides a star-type phase connection. The maximum voltage in this case at each phase is V P = V / (N-1), where V is the voltage of the power source, N is the number of phases of the electric motor. Phase switching of the type "triangle" allows you to get a higher value of K v and, accordingly, a higher speed at a fixed supply voltage. In cruising mode and in maximum speed mode, separate phase control with voltage on each phase V P = V is used.
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".Figure 6 presents the electrical circuit of the phase switching for a 3-phase electric motor with phases A, B, C and a parallel connection of electromagnets in pair. With the
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.In the case of the number of electromagnets greater than twice the number of phases, their pairs are combined into phase groups. The number of such groups is equal to the number of phases, and the number of electromagnets in each phase group is the same. A single control signal is applied to each group. Within a group, electromagnets can be connected in series or in parallel. The switching of electromagnets is carried out by the control unit, and it can also occur in dynamic mode. The control unit provides a sinusoidal control signal to the electromagnets, the phase displacement of which can be dynamically changed in the range from -60 to 0 phase degrees.
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 (D1-D4, D5-D8, D9-D12) с быстродействием от 40 до 200 нc.To save part of the kinetic energy of the vehicle into the battery in the form of electric energy, a recuperation mode is provided in this utility model. To implement this mode of winding, a pair of electromagnets can be included in the power supply circuit through a diode bridge (Fig.7). Moreover, all pairs of electromagnets in the phase group (A, B, C) are connected in series. For the efficiency of the recovery process, it is preferable that the diode bridge contains diodes (D 1 -D 4 , D 5 -D 8 , D 9 -D 12 ) with a speed of 40 to 200 ns.
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.To implement the recovery mode, an inductive step-up DC-
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.Depending on the purpose, the utility model can be implemented in electric motors having different housing designs. For example (Figure 10 (a)), for electric bikes, scooters, electric cars, etc. preferably, the
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.For a number of other applications (electric lifts, the main rotor of an airplane or helicopter, propellers, etc.), it is preferable to provide rotation of the motor shaft with the housing stationary (Figure 10 (b)). In this case, the
Примеры реализации: Пример 1.Implementation examples: Example 1.
Разработана линейка унифицированных электроприводов для электромобилей с широким диапазоном рабочих характеристик, зависящих от конкретного исполнения электрической машины и настроек программного обеспечения.A line of unified electric drives for electric vehicles with a wide range of performance characteristics, depending on the specific design of the electric machine and software settings, has been developed.
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.Figure 10 (a) presents the dynamic characteristics of the electric drive designed for urban front-wheel drive car. The electric drive system consists of two electric motors - one per drive wheel.
Номинальная суммарная мощность: 48,5 кВт (65 л.с);Rated total power: 48.5 kW (65 hp);
Максимальная суммарная мощность: 105 кВт (141 л.с);Maximum total power: 105 kW (141 hp);
Частота вращения холостого хода: 1490 об/мин (соответствует скорости примерно 150 км/ч);Frequency of rotation of idling: 1490 rpm (corresponds to a speed of about 150 km / h);
Максимальный суммарный крутящий момент: 1150 Нм;Maximum total torque: 1150 Nm;
Масса двух электромоторов: 59 кг;Mass of two electric motors: 59 kg;
Диаметр электромоторов: 380 мм;Diameter of electric motors: 380 mm;
Длина одного электромотора: 145 мм;The length of one electric motor: 145 mm;
Напряжение питания: 288 В;Supply voltage: 288 V;
Ожидаемый расход энергии в городском цикле: 11-13 кВт∗ч/100 км;Expected energy consumption in the urban cycle: 11-13 kW * h / 100 km;
Ожидаемое время разгона 0-100 км/ч: 9,5 сек.The expected acceleration time of 0-100 km / h: 9.5 seconds.
Пример 2:Example 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.Based on this utility model, a power plant designed for an electric sports car was developed. The drive consists of 4 electric motors - one for each wheel, power switching modules and a control system with interaction interfaces with a multimedia system and the possibility of expanding the system of separate traction control on wheels. Figure 10 (b) presents the dynamic characteristics of the electric drive.
Номинальная суммарная мощность: 240 кВт (326 л.с.)Rated total power: 240 kW (326 hp)
Максимальная суммарная мощность: 450 кВт (612 л.с.)Maximum total power: 450 kW (612 hp)
Частота вращения холостого хода: 2380 об/минFrequency of rotation of idling: 2380 rpm
Максимальный суммарный крутящий момент: 3720 НмMaximum total torque: 3720 Nm
Масса четырех электромоторов: 132 кгMass of four electric motors: 132 kg
Диаметр электромоторов: 380 ммDiameter of electric motors: 380 mm
Ширина одного электромотора: 145 ммWidth of one electric motor: 145 mm
Напряжение питания: 288 ВSupply voltage: 288 V
Ожидаемое время разгона 0-100 км/ч: 3,5 секExpected acceleration time 0-100 km / h: 3.5 sec
Ожидаемое время разгона 0-200 км/ч: 8,0 секExpected acceleration time 0-200 km / h: 8.0 seconds
Ожидаемая максимальная скорость: 250 км/чExpected top speed: 250 km / h
Claims (22)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012138903/11U RU126996U1 (en) | 2012-09-11 | 2012-09-11 | Brushless DC Motor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012138903/11U RU126996U1 (en) | 2012-09-11 | 2012-09-11 | Brushless DC Motor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU126996U1 true RU126996U1 (en) | 2013-04-20 |
Family
ID=49153771
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012138903/11U RU126996U1 (en) | 2012-09-11 | 2012-09-11 | Brushless DC Motor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU126996U1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU168174U1 (en) * | 2016-10-05 | 2017-01-23 | Общество с ограниченной ответственностью "Пожкомплект" | Brushless DC Motor |
| RU2662359C1 (en) * | 2017-10-23 | 2018-07-25 | Геннадий Леонидович Багич | Method for providing the gap in the absorbed wheel and the device for its implementation |
| RU2663962C2 (en) * | 2017-09-18 | 2018-08-13 | Геннадий Леонидович Багич | Wheel rim non-contact (without bearing) rotation method and device for its implementation |
| RU2674993C1 (en) * | 2018-05-14 | 2018-12-14 | Рустем Февзиевич Халилов | Electronic control system of brushless electric motor (options) |
| WO2020185108A1 (en) * | 2019-03-11 | 2020-09-17 | Евгений Алексеевич НЕСМЕЕВ | Electromagnetic motor |
-
2012
- 2012-09-11 RU RU2012138903/11U patent/RU126996U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU168174U1 (en) * | 2016-10-05 | 2017-01-23 | Общество с ограниченной ответственностью "Пожкомплект" | Brushless DC Motor |
| RU2663962C2 (en) * | 2017-09-18 | 2018-08-13 | Геннадий Леонидович Багич | Wheel rim non-contact (without bearing) rotation method and device for its implementation |
| RU2662359C1 (en) * | 2017-10-23 | 2018-07-25 | Геннадий Леонидович Багич | Method for providing the gap in the absorbed wheel and the device for its implementation |
| RU2674993C1 (en) * | 2018-05-14 | 2018-12-14 | Рустем Февзиевич Халилов | Electronic control system of brushless electric motor (options) |
| WO2019221636A1 (en) * | 2018-05-14 | 2019-11-21 | ХАТИПОВ, Исмаил Айдерович | System for electronically controlling a brushless electric motor (variant embodiments) |
| WO2020185108A1 (en) * | 2019-03-11 | 2020-09-17 | Евгений Алексеевич НЕСМЕЕВ | Electromagnetic motor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chau et al. | Overview of permanent-magnet brushless drives for electric and hybrid electric vehicles | |
| US8074755B2 (en) | Hybrid vehicle | |
| US8350442B2 (en) | Power plant | |
| RU126996U1 (en) | Brushless DC Motor | |
| WO2003075437A1 (en) | Electromechanical converter | |
| Alamoudi et al. | State-of-the art electrical machines for modern electric vehicles | |
| CN103904846B (en) | A kind of Hybrid Vehicle stator permanent magnetic type double-rotor machine structure | |
| CN103023206A (en) | Five-phase fault-tolerant permanent magnet planetary gear motor for hybrid electric vehicle and operation method of five-phase fault-tolerant permanent magnet planetary gear motor | |
| CN103978886B (en) | Input synthesis type hybrid power system | |
| US11271504B2 (en) | Motor control system | |
| JP5218835B2 (en) | Vehicle drive device | |
| Doppelbauer et al. | A lighter motor for tomorrow's electric car | |
| CN102837592A (en) | Electronic stepless speed regulating system for hybrid power automobile | |
| RU172854U1 (en) | HYBRID POWER UNIT | |
| Chan et al. | Vehicle traction motors | |
| CN103715794A (en) | Starting and generating integrated switch magnetic flux motor for automobile | |
| CN102361380B (en) | Transverse-radial flux structure brushless compound permanent magnet motor | |
| CN103978889B (en) | output distribution type hybrid power system | |
| RU121405U1 (en) | Brushless motor | |
| Grachev et al. | Starter-generator design and analysis of start/stop processes for HEVs | |
| CN103001429A (en) | Motor/generator and electric vehicles with same | |
| CN1294439A (en) | Electric engine with electric generation function | |
| CN203617864U (en) | Stator permanent magnetism type bi-rotor motor composition for hybrid vehicle | |
| CN205141948U (en) | Hybrid drive magnetic conductance harmonic formula magnetism gear compound machine | |
| Lai et al. | A novel axial flux magnetic-field-modulated dual-mechanical-port dual-electrical-port machine for hybrid electric vehicle |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20150912 |
