RU2621410C1

RU2621410C1 - Mechatronic traction module

Info

Publication number: RU2621410C1
Application number: RU2016117065A
Authority: RU
Inventors: Владимир Андреевич Коровин; Константин Владимирович Коровин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Резонанс"
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2017-06-05

Abstract

FIELD: transportation.

SUBSTANCE: mechatronic traction module contains a liquid-cooled housing, in which an electric machine and a power converter are arranged using discrete IGBT transistors and diodes and/or transistor-diode modules. The programmable microprocessor controller is configured to receive control signals and is connected to drivers and the rotor positioning sensor. The filter containing capacitors is connected to the terminals of the power converter. Additionally, depending on the embodiment of the traction module, the transistor-diode modules are attached or pressed to the inner surface of the housing, to the bearing shield or to the stator back.

EFFECT: increasing the specific power of the mechatronic traction module.

12 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к электрическим трансмиссиям машин различного назначения на основе бесконтактных электрических машин с силовыми полупроводниковыми преобразователями.The invention relates to the field of mechanical engineering, namely to electric transmissions of machines for various purposes on the basis of non-contact electric machines with power semiconductor converters.

Известна электрическая трансмиссия с тяговыми электродвигателями постоянного тока со встроенными контроллерами скорости, в которых конструктивно объединены электродвигатель и блок управления этим электродвигателем [1].Known electric transmission with traction DC motors with built-in speed controllers, in which the electric motor and the control unit of this electric motor are structurally combined [1].

Ее недостатком является пониженная надежность, вызванная наличием коллекторного узла электрической машины, а также пониженная удельная мощность, обусловленная отсутствием конструктивных элементов, обеспечивающих эффективный отвод тепла от электрической машины.Its disadvantage is the reduced reliability caused by the presence of the collector assembly of the electric machine, as well as the reduced specific power due to the lack of structural elements that ensure efficient heat removal from the electric machine.

Известен также мехатронный модульный агрегат, содержащий корпус, в котором расположены электрическая машина и элементы силовой электроники, причем корпус выполнен в виде двух герметично соединяемых отсеков, в одном из которых расположена электрическая машина, а в другом - элементы силовой электроники. Между отсеками при сборке корпуса образована полость, сообщающаяся с системой охлаждения [2].A mechatronic modular assembly is also known, comprising a housing in which an electric machine and power electronics elements are located, the housing being made in the form of two hermetically sealed compartments, one of which is an electric machine and the other has power electronics elements. Between the compartments during the assembly of the housing, a cavity is formed that communicates with the cooling system [2].

Его недостатком является пониженная удельная мощность, обусловленная наличием двух охлаждаемых отсеков и, соответственно, повышенными габаритными размерами этого агрегата.Its disadvantage is the reduced specific power due to the presence of two refrigerated compartments and, accordingly, the increased overall dimensions of this unit.

Наиболее близким техническим решением является тяговый мехатронный модуль на базе электрической машины и силового транзисторного преобразователя с датчиками тока в цепях обмоток электрической машины вблизи силовых транзисторных модулей. Жидкостное охлаждение электрической машины и силового преобразователя обеспечивается за счет параллельного протекания теплоносителя по двум полостям, одна из которых охватывает статор электрической машины, а вторая расположена с торца и своей внешней стенкой обеспечивает отвод тепла от транзисторных модулей силового преобразователя [3].The closest technical solution is a traction mechatronic module based on an electric machine and a power transistor converter with current sensors in the winding circuits of an electric machine near power transistor modules. Liquid cooling of the electric machine and the power converter is ensured by the parallel flow of coolant through two cavities, one of which covers the stator of the electric machine, and the second is located at the end and with its external wall provides heat removal from the transistor modules of the power converter [3].

Недостатком этого мехатронного тягового модуля является невысокая удельная мощность. Это обусловлено наличием двух полостей для протекания теплоносителя и соответствующих дополнительных конструктивных элементов, необходимых для размещения транзисторных модулей, что увеличивает габаритные размеры мехатронного тягового модуля. Кроме того в известном модуле не предусмотрена реализация конструктивных и программных решений, направленных на снижение тепловых потерь и увеличение выходной мощности мехатронного тягового модуля, в том числе в динамических режимах его работы.The disadvantage of this mechatronic traction module is its low specific power. This is due to the presence of two cavities for the flow of coolant and the corresponding additional structural elements necessary for the placement of transistor modules, which increases the overall dimensions of the mechatronic traction module. In addition, the known module does not provide for the implementation of design and software solutions aimed at reducing heat loss and increasing the output power of the mechatronic traction module, including in dynamic modes of its operation.

Задачей изобретения является создание интеллектуального мехатронного тягового модуля, имеющего повышенную удельную мощность, под которой подразумевается отношение выходной механической мощности мехатронного тягового модуля к его объему (кВт/дм³).The objective of the invention is the creation of an intelligent mechatronic traction module having a high specific power, which means the ratio of the output mechanical power of the mechatronic traction module to its volume (kW / dm ³ ).

В мехатронном тяговом модуле, содержащем корпус с жидкостным охлаждением, подшипниковые щиты, ротор электрической машины, статор электрической машины, содержащий обмотки и закрепленный внутри корпуса с возможностью передачи тепла на этот корпус, датчик положения ротора, силовой преобразователь, соединенный с обмотками статора и выполненный с использованием дискретных силовых транзисторов и диодов и/или объединенных в транзисторно-диодные модули, драйверы силовых транзисторов, программируемый микропроцессорный контроллер, приспособленный для приема сигналов управления мехатронным тяговым модулем и соединенный с драйверами и датчиком положения ротора, и фильтр, содержащий конденсаторы, подключенные к плюсовому и минусовому выводам силового преобразователя, повышение удельной мощности достигается за счет реализации по меньшей мере одного из следующих технических решений:In a mechatronic traction module comprising a liquid-cooled housing, bearing shields, an electric machine rotor, an electric machine stator containing windings and fixed inside the housing with the possibility of heat transfer to this housing, a rotor position sensor, a power converter connected to the stator windings and made with using discrete power transistors and diodes and / or combined into transistor-diode modules, power transistor drivers, programmable microprocessor controller, adapt In order to receive control signals of the mechatronic traction module and connected to the drivers and rotor position sensor, and a filter containing capacitors connected to the plus and minus terminals of the power converter, the increase in specific power is achieved by implementing at least one of the following technical solutions:

- силовые транзисторы и/или транзисторно-диодные модули непосредственно и/или через дополнительные теплопроводящие и/или электроизоляционные элементы прикреплены или прижаты к внутренней и/или наружной поверхности корпуса и/или по меньшей мере одного подшипникового щита с возможностью передачи тепла на этот корпус и/или подшипниковый щит;- power transistors and / or transistor-diode modules directly and / or through additional heat-conducting and / or electrical insulating elements are attached or pressed to the inner and / or outer surface of the housing and / or at least one bearing shield with the possibility of heat transfer to this housing and / or bearing shield;

- по меньшей мере один подшипниковый щит выполнен с жидкостным охлаждением;- at least one bearing shield is liquid-cooled;

- силовые транзисторы и диоды и/или транзисторно-диодные модули имеют жидкостное охлаждение;- power transistors and diodes and / or transistor-diode modules are liquid cooled;

- силовые транзисторы и/или транзисторно-диодные модули непосредственно и/или через дополнительные теплопроводящие и/или электроизоляционные элементы прикреплены или прижаты к спинке статора или к нажимной шайбе статора с возможностью передачи тепла на эту спинку или нажимную шайбу;- power transistors and / or transistor-diode modules directly and / or through additional heat-conducting and / or electrical insulating elements are attached or pressed to the back of the stator or to the stator pressure plate with the possibility of transferring heat to this back or pressure plate;

- силовой преобразователь, и/или программируемый микропроцессорный контроллер, и/или фильтр, размещен/размещены в корпусе между подшипниковым щитом и спинкой статора и/или обмотками статора, а также отделены от этой спинки и/или от этих обмоток теплоизоляционной перегородкой или прокладкой;- a power converter, and / or a programmable microprocessor controller, and / or filter, is placed / placed in the housing between the bearing shield and the back of the stator and / or the stator windings, and is also separated from this back and / or from these windings by a heat-insulating partition or gasket;

- силовой преобразователь и программируемый микропроцессорный контроллер выполнены с возможностью раздельного управления секциями обмотки статора и/или с возможностью их переключения с последовательного соединения на параллельное и обратно в зависимости от скорости вращения ротора электрической машины;;- the power converter and the programmable microprocessor controller are configured to separately control the stator winding sections and / or to switch them from serial to parallel and vice versa depending on the rotational speed of the rotor of the electric machine ;;

- силовой преобразователь и программируемый микропроцессорный контроллер выполнены с возможностью переключения секций обмотки каждого полюса статора на последовательное/параллельное соединение в зависимости от скорости вращения ротора электрической машины;- the power converter and the programmable microprocessor controller are configured to switch winding sections of each pole of the stator to serial / parallel connection depending on the rotational speed of the rotor of the electric machine;

- электрическая машина имеет более одной пары полюсов в каждой из ее фаз, а силовой преобразователь и программируемый микропроцессорный контроллер обеспечивают отключение отдельных пар полюсов и/или поочередное включение различных пар полюсов каждой фазы в зависимости от величины нагрузки электрической машины;- an electric machine has more than one pair of poles in each of its phases, and a power converter and a programmable microprocessor controller provide disconnection of individual pairs of poles and / or alternately switching on different pairs of poles of each phase depending on the load of the electric machine;

- сосредоточенные обмотки каждого полюса статора состоят не менее, чем из двух секций, при этом секция, расположенная у спинки статора, имеет увеличенную ширину, выбранную из условия максимального заполнения медью промежутка между полюсами статора с возможностью осуществления сборки электрической машины путем первоочередной установки на полюс магнитопровода статора секции сосредоточенной обмотки, имеющей увеличенную ширину;- concentrated windings of each pole of the stator consist of at least two sections, while the section located at the back of the stator has an increased width selected from the condition of maximum filling of the gap between the poles of the stator with copper, with the possibility of assembling an electric machine by priority installation on the pole of the magnetic circuit a stator of a concentrated winding section having an increased width;

- силовой преобразователь и программируемый микропроцессорный контроллер обеспечивают широтно-импульсное регулирования тока в обмотках или секциях обмоток одной пары и/или различных пар полюсов в противофазе или со сдвигом времени включения силовых транзисторов;- the power converter and the programmable microprocessor controller provide pulse-width current control in the windings or sections of the windings of one pair and / or different pairs of poles in antiphase or with a shift in the on-time of the power transistors;

- драйверы приспособлены для контроля исправности силовых транзисторов и/или соединенных с ними обмоток, имеют гальваническую развязку сигналов управления и/или формируемых этим драйвером сигналов неисправности, а программируемый микропроцессорный контроллер осуществляет отключение отдельных силовых транзисторов в соответствии с полученными сигналами о наличии неисправностей;- drivers are adapted to monitor the health of power transistors and / or windings connected to them, have galvanic isolation of control signals and / or fault signals generated by this driver, and a programmable microprocessor controller switches off individual power transistors in accordance with the received signals about faults;

- драйверы оснащены средствами гальванической развязки сигналов управления силовыми транзисторами и/или сигналов неисправности этих транзисторов и/или соединенных с ними обмоток;- the drivers are equipped with galvanic isolation of control signals of power transistors and / or fault signals of these transistors and / or windings connected to them;

- программируемый микропроцессорный контроллер осуществляет контроль или измерение выходной мощности, выходного момента, температуры электрической машины, температуры охлаждающей жидкости или скорости вращения ротора, а также управляет силовыми транзисторами таким образом, чтобы величина контролируемого или измеряемого параметра не превышала его предварительно установленную величину;- a programmable microprocessor controller monitors or measures the output power, output torque, temperature of the electric machine, coolant temperature or rotor speed, and also controls power transistors so that the value of the parameter being monitored or measured does not exceed its preset value;

- программируемый микропроцессорный контроллер осуществляет контроль или измерение момента нагрузки электрической машины и скорости вращения ее ротора и далее управляет силовыми транзисторами из условия поддержания заданной скорости вращения ротора, если момент нагрузки не превышает максимальный выходной момент электрической машины при заданной скорости вращения ротора, либо из условия поддержания выходной мощности электрической машины путем увеличения/уменьшения скорости вращения ее ротора при уменьшении/увеличении момента нагрузки до достижения равенства момента нагрузки и максимального выходного момента электрической машины;- a programmable microprocessor controller controls or measures the load moment of the electric machine and the speed of rotation of its rotor and then controls the power transistors from the condition of maintaining a given speed of rotation of the rotor, if the load moment does not exceed the maximum output moment of the electric machine at a given speed of rotation of the rotor, or from the condition of maintaining output power of an electric machine by increasing / decreasing the speed of rotation of its rotor while decreasing / increasing the load torque load until the equality of the load moment and the maximum output moment of the electric machine;

- программируемый микропроцессорный контроллер управляет силовыми транзисторами, реализуя зависимость скорости или выходного момента электрической машины от времени, предварительно записанную в память программируемого микропроцессорного контроллера и обеспечивающую, например, достижение максимально возможной средней выходной мощности в интервале времени, в котором реализуется эта зависимость;- the programmable microprocessor controller controls the power transistors, realizing the dependence of the speed or output moment of the electric machine on time, previously recorded in the memory of the programmable microprocessor controller and ensuring, for example, achieving the maximum possible average output power in the time interval in which this dependence is realized;

- мехатронный тяговый модуль дополнительно содержит тормозной резистор и силовой электронный ключ тормозного резистора, соединенный с программируемым микропроцессорным контроллером и приспособленный для подключения тормозного резистора к плюсовому и минусовому выводам силового преобразователя в случае необходимости, например, если скорость вращения ротора электрической машины превышает заданную величину;- the mechatronic traction module further comprises a brake resistor and a power electronic brake resistor switch connected to a programmable microprocessor controller and adapted to connect a brake resistor to the plus and minus terminals of the power converter if necessary, for example, if the rotor speed of the electric machine exceeds a predetermined value;

- мехатронный тяговый модуль содержит встроенный прецессионный редуктор или редуктор с внутренним или внешним зацеплением зубчатых колес, имеющих эвольвентную, или круговую (передача Новикова), или циклоидальную форму профиля их зубьев, причем этот редуктор выполнен, в частности, самотормозящимся;- the mechatronic traction module contains an integrated precession gearbox or gearbox with internal or external gearing of gear wheels having involute or circular gears (Novikov gear) or cycloidal profile of their teeth, moreover, this gearbox is made, in particular, self-braking;

- мехатронный тяговый модуль содержит встроенный дисковый электромагнитный тормоз, включаемый пружинами, причем обмотка электромагнита этого тормоза размещена на подшипниковом щите или прикреплена к нему, а силовой преобразователь содержит дополнительный силовой электронный ключ электромагнитного тормоза, соединенный с программируемым микропроцессорным контроллером и приспособленный для управления этим тормозом;- the mechatronic traction module contains a built-in disk electromagnetic brake, activated by springs, the winding of the electromagnet of this brake being placed on the bearing shield or attached to it, and the power converter contains an additional power electronic key of the electromagnetic brake connected to the programmable microprocessor controller and adapted to control this brake;

- мехатронный тяговый модуль содержит встроенный электромагнитный тормоз, а электрическая машина выполнена с независимым возбуждением, в частности, вентильно-индукторной, причем магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, дополнительно используется для управления встроенным электромагнитным тормозом;- the mechatronic traction module contains a built-in electromagnetic brake, and the electric machine is made with independent excitation, in particular, a valve-inductor, and the magnetic flux generated by the field winding is additionally used to control the built-in electromagnetic brake;

- программируемый микропроцессорный контроллер дополнительно оснащен средством беспроводного приема сигналов управления мехатронным тяговым модулем и/или беспроводной передачи сигналов о параметрах его работы и/или технического состояния;- the programmable microprocessor controller is additionally equipped with means for wireless receiving control signals of the mechatronic traction module and / or wireless transmission of signals about the parameters of its operation and / or technical condition;

- электрическая машина выполнена преимущественно без использования постоянных магнитов, с классом нагревостойкости изоляции обмоток не ниже, чем 150°С, а силовой преобразователь и программируемый микропроцессорный контроллер - с использованием компонентов, имеющих рабочую температуру не менее, чем 100°С.- the electric machine is made mainly without the use of permanent magnets, with a heat resistance class of insulation of the windings not lower than 150 ° C, and a power converter and a programmable microprocessor controller using components having an operating temperature of at least 100 ° C.

В различных вариантах исполнения мехатронного тягового модуля, а также с целью его дальнейшего улучшения, дополнительно:In various versions of the mechatronic traction module, as well as with a view to its further improvement, additionally:

- внутренняя поверхность корпуса или подшипникового щита, к которой прикреплены или прижаты силовые транзисторы и/или транзисторно-диодные модули, приспособлена для размещения силовых транзисторов и/или транзисторно-диодных модулей, в частности, по своей форме повторяет теплопередающие поверхности силовых транзисторов и/или транзисторно-диодных модулей;- the inner surface of the housing or bearing shield, to which power transistors and / or transistor-diode modules are attached or pressed, is adapted to accommodate power transistors and / or transistor-diode modules, in particular, in its shape repeats the heat transfer surfaces of power transistors and / or transistor-diode modules;

- силовые транзисторы и/или транзисторно-диодные модули размещены в корпусе у спинки статора по меньшей мере с частичным использованием объема между лобовыми частями обмоток статора и корпусом;- power transistors and / or transistor-diode modules are placed in the housing at the back of the stator with at least partial use of the volume between the frontal parts of the stator windings and the housing;

- силовые транзисторы и диоды и/или транзисторно-диодные модули имеют жидкостное охлаждение и размещены на подшипниковом щите, причем каналы жидкостного охлаждения этих силовых транзисторов и диодов и/или транзисторно-диодных модулей соединены с каналами жидкостного охлаждения подшипникового щита;- power transistors and diodes and / or transistor-diode modules are liquid-cooled and placed on the bearing shield, and the liquid cooling channels of these power transistors and diodes and / or transistor-diode modules are connected to the liquid cooling channels of the bearing shield;

- мехатронный тяговый модуль содержит электромагнитные реле, которые под управлением программируемого микропроцессорного контроллера осуществляют переключение обмоток или секций обмоток электрической машины с последовательного на параллельное соединение при увеличении скорости вращения ротора;- the mechatronic traction module contains electromagnetic relays that, under the control of a programmable microprocessor controller, switch the windings or sections of the windings of the electric machine from serial to parallel connection with increasing rotor speed;

- программируемый микропроцессорный контроллер обеспечивает управление силовыми транзисторами из условия поддержания установленной тяговой мощности мехатронного тягового модуля путем увеличения/уменьшения скорости вращения ротора при уменьшении/увеличении нагрузки электрической машины, а также осуществляет изменение установленной тяговой мощности в зависимости от ее температуры;- a programmable microprocessor controller provides control of power transistors from the condition of maintaining the installed traction power of the mechatronic traction module by increasing / decreasing the rotor speed when decreasing / increasing the load of the electric machine, and also changes the installed traction power depending on its temperature;

- обмотка встроенного дискового электромагнитного тормоза имеет жидкостное охлаждение;- the winding of the built-in disc electromagnetic brake is liquid-cooled;

- ротор оснащен крыльчаткой вентилятора, приспособленной для принудительной циркуляции охлаждающего воздуха внутри мехатронного тягового модуля.- the rotor is equipped with a fan impeller adapted for the forced circulation of cooling air inside the mechatronic traction module.

Реализация каждого альтернативного технического решения независимого пункта формулы приводит либо к увеличению выходной механической мощности мехатронного тягового модуля, либо к уменьшению его объема. Поэтому реализация технических решений, характеризующихся указанными альтернативными отличительными признаками независимого пункта формулы изобретения, обеспечивает повышение удельной мощности мехатронного тягового модуля - увеличение отношения тяговой мощности к его объему (кВт/дм³). Это достигается как за счет уменьшения объема тягового модуля путем оптимизации его конструкции (сокращения его габаритных размеров), так и за счет повышения тяговой мощности без увеличения этого объема.The implementation of each alternative technical solution of the independent claim leads either to an increase in the output mechanical power of the mechatronic traction module, or to a decrease in its volume. Therefore, the implementation of technical solutions characterized by the indicated alternative distinguishing features of an independent claim provides an increase in the specific power of the mechatronic traction module — an increase in the ratio of traction power to its volume (kW / dm ³ ). This is achieved both by reducing the volume of the traction module by optimizing its design (reducing its overall dimensions), and by increasing the traction power without increasing this volume.

Величина выходной механической мощности тягового модуля, в частности, зависит от условий его охлаждения. Обусловлено это тем, что форсирование режимов работы тягового модуля, т.е. увеличение его мощности без увеличения объема, например, путем увеличения плотности тока в обмотках статора, приводит к увеличению выделения тепла в обмотках, что ограничивает возможность этого форсирования. Поэтому реализация любого из предложенных вариантов улучшения условий охлаждения обеспечивает повышения выходной и, соответственно, удельной механической мощности тягового модуля без превышения предельно допустимой температуры его компонентов.The value of the output mechanical power of the traction module, in particular, depends on the conditions of its cooling. This is due to the fact that forcing the operating modes of the traction module, i.e. an increase in its power without increasing the volume, for example, by increasing the current density in the stator windings, leads to an increase in heat generation in the windings, which limits the possibility of this forcing. Therefore, the implementation of any of the proposed options for improving the cooling conditions provides an increase in the output and, accordingly, specific mechanical power of the traction module without exceeding the maximum permissible temperature of its components.

При установленной теплостойкости элементов тягового модуля повышение его тяговой мощности достигается за счет улучшения охлаждения этих элементов, снижения потерь энергии в них и реализации защиты от перегрева элементов с наименьшей теплостойкостью.With the established heat resistance of the elements of the traction module, an increase in its traction power is achieved by improving the cooling of these elements, reducing energy losses in them and implementing protection against overheating of the elements with the lowest heat resistance.

Различные способы снижения потерь в тяговом модуле, изложенные в альтернативных технических решениях - снижение динамических потерь в преобразователе, исключение потерь в неисправных компонентах и т.д., обеспечивают снижение выделение тепла в тяговом модуле. Поскольку в реальной конструкции тягового модуля возможности его охлаждения и предельная рабочая температура его компонентов ограничены, снижение выделения тепла в тяговом модуле позволяют увеличить его мощность и удельную мощность путем форсирования режимов его работы.Various ways to reduce losses in the traction module, described in alternative technical solutions - reducing dynamic losses in the converter, eliminating losses in faulty components, etc., provide a reduction in heat generation in the traction module. Since in the real design of the traction module the possibilities of its cooling and the limiting operating temperature of its components are limited, a decrease in heat generation in the traction module allows to increase its power and specific power by forcing its operation modes.

Повышение предельной рабочей температуры при заданных условиях охлаждения тягового модуля при реализации альтернативного технического решения (х) позволяет увеличить его мощность и удельную мощность путем форсирования режимов его работы, поскольку чем выше допустимая рабочая температура тягового модуля, тем более высокую мощность можно подвести к этому модулю и, соответственно, тем более высокую выходную мощность можно получить без риска его выхода из строя вследствие перегрева и без увеличения объема модуля.Increasing the maximum operating temperature under the specified cooling conditions of the traction module when implementing an alternative technical solution (x) allows to increase its power and specific power by forcing its operating modes, since the higher the permissible operating temperature of the traction module, the higher the power can be brought to this module and , accordingly, the higher output power can be obtained without the risk of its failure due to overheating and without increasing the volume of the module.

Увеличение коэффициента заполнения медью окна между полюсами статора, изложенное в альтернативном техническом решении (и), позволяет увеличить сечение провода в обмотках и, соответственно, снизить тепловые потери в обмотках за счет снижения их электрического (омического) сопротивления при протекании тока по этим обмоткам. Снижение указанных потерь позволяет увеличить мощность тягового модуля без увеличения его объема и, соответственно, удельную мощность тягового модуля по указанным выше причинам.The increase in the copper fill factor of the window between the poles of the stator, described in an alternative technical solution (s), allows to increase the cross section of the wire in the windings and, accordingly, to reduce the heat loss in the windings by reducing their electrical (ohmic) resistance when current flows through these windings. Reducing these losses allows you to increase the power of the traction module without increasing its volume and, accordingly, the specific power of the traction module for the above reasons.

Известно, что выходная и, соответственно, удельная мощность мехатронного тягового модуля возрастает с увеличением скорости вращения его ротора. Это обусловлено тем, что выходная механическая мощность тягового модуля определяется как произведение скорости вращения ротора на выходной вращающий момент электрической машины. Однако максимальная рабочая скорость ротора ограничена безопасностью работы тягового модуля, поскольку запас кинетической энергии вращающегося ротора пропорционален квадрату скорости его вращения. Поэтому для обеспечения безопасной работы тягового модуля при высоких скоростях вращения ротора электрической машины путем уменьшения времени остановки ротора и, соответственно, для получения высокой удельной мощности тягового модуля, в альтернативных технических решения (р), (т) и (у) используется тормозной резистор или механический тормоз, обеспечивающие возможность гашения кинетической энергии вращающегося ротора и быстрой остановки ротора в аварийных ситуациях.It is known that the output and, accordingly, the specific power of the mechatronic traction module increases with an increase in the rotational speed of its rotor. This is due to the fact that the output mechanical power of the traction module is defined as the product of the rotor speed and the output torque of the electric machine. However, the maximum working speed of the rotor is limited by the safe operation of the traction module, since the kinetic energy reserve of the rotating rotor is proportional to the square of its rotation speed. Therefore, to ensure the safe operation of the traction module at high rotational speeds of the rotor of the electric machine by reducing the stopping time of the rotor and, accordingly, to obtain a high specific power of the traction module, alternative braking resistors (p), (t) and (y) are used or mechanical brake, providing the possibility of damping the kinetic energy of a rotating rotor and quick stop of the rotor in emergency situations.

Отличительные признаки независимого пункта формулы изобретения, реализуемые в их любом сочетании, характеризуют различные варианты указанных способов и путей повышения удельной мощности мехатронного тягового модуля и, соответственно, находятся в прямой причинно-следственной связи с достижением одного и того же технического результата.Distinctive features of the independent claim, implemented in any combination, characterize various variants of these methods and ways to increase the specific power of the mechatronic traction module and, accordingly, are in direct causal connection with the achievement of the same technical result.

Из уровня техники неизвестно использование технических решений, характеризующихся этими отличительными признаками, с целью повышения удельной мощности мехатронного тягового модуля.It is not known from the prior art to use technical solutions characterized by these distinguishing features in order to increase the specific power of the mechatronic traction module.

Их влияние на достижение этого технического результата дополнительно показано далее в тексте при описании различных вариантов реализации предложенного устройства.Their influence on the achievement of this technical result is further shown later in the text when describing various embodiments of the proposed device.

На фиг. 1 представлена упрощенная схема одного из возможных вариантов конструктивного исполнения мехатронного тягового модуля. На фиг. 2 - пример зависимости момента вентильно-индукторной электрической машины от скорости вращения ее ротора, на фиг. 3, 4 и 5 - расположение обмоток на полюсах статора.In FIG. 1 shows a simplified diagram of one of the possible options for the design of the mechatronic traction module. In FIG. 2 - an example of the dependence of the torque of a valve-inductor electric machine on the speed of rotation of its rotor, FIG. 3, 4 and 5 - the location of the windings at the poles of the stator.

Мехатронный тяговый модуль содержит корпус 1, который может именоваться также остовом или станиной, подшипниковые щиты 2, 3 и наружный кожух 4, между которыми по спирали расположен канал 5 с охлаждающей жидкостью Q, которая подводиться к тяговому модулю и отводится от него через патрубки (штуцеры) 6, 7.The mechatronic traction module contains a housing 1, which can also be called a skeleton or a bed, bearing shields 2, 3 and an outer casing 4, between which a channel 5 with a cooling fluid Q is arranged in a spiral, which is supplied to the traction module and discharged from it through nozzles (fittings ) 6, 7.

Электрическая машина содержит сердечник статора 8, шихтованный из листов электротехнической стали, закрепленный в корпусе 1 с использованием нажимных шайб 10, 11, удерживающих его листы в запрессованном состоянии, обмотки статора 9 и сердечник ротора 12, выполненный из листовой стали той же марки, что и статор, и насаженный непосредственно на вал 13 ротора. Сердечник 12 крепится на валу 13 с помощью шпонки. В запрессованном состоянии листы сердечника ротора 12 удерживают напрессованные нажимные шайбы 14, 15.The electric machine contains a stator core 8, burdened from sheets of electrical steel, fixed in the housing 1 using pressure washers 10, 11, holding it in a pressed state, the stator winding 9 and the rotor core 12 made of sheet steel of the same brand as the stator, and mounted directly on the shaft 13 of the rotor. The core 12 is mounted on the shaft 13 with a key. In the pressed state, the core sheets of the rotor 12 are held by the pressed pressure washers 14, 15.

По своей конструкции электрическая машина может быть вентильно-индукторной (вентильной реактивной, вентильной индукторно-реактивной) без постоянных магнитов и обмоток на роторе 12, синхронной с постоянными магнитами на роторе или асинхронной. Предпочтительно применение электрической машины с классом нагревостойкости изоляции не ниже, чем 155°С (класс F по ГОСТ 8865 и IEC 62114), и либо без постоянных магнитов, либо с постоянными магнитами, имеющими максимальную рабочую температуру не менее 150°С.Предпочтительно также применение электрической машины, конструктивное исполнение которой обеспечивает минимальное выделение тепла на роторе 12. К ним относятся, в частности, вентильно-индукторные электрические машины, именуемые в зарубежной технической литературе как «Switched Reluctance Motor» (SRM).By its design, an electric machine can be a valve-inductor (valve reactive, valve inductor-reactive) without permanent magnets and windings on the rotor 12, synchronous with permanent magnets on the rotor or asynchronous. It is preferable to use an electric machine with a class of heat resistance of insulation not lower than 155 ° C (class F according to GOST 8865 and IEC 62114), and either without permanent magnets or with permanent magnets having a maximum operating temperature of at least 150 ° C. It is also preferable to use electric machine, the design of which ensures minimal heat generation on the rotor 12. These include, in particular, valve-induction electric machines, referred to in the foreign technical literature as “Switched Reluctance Motor” (SRM).

Силовой преобразователь, содержит силовые транзисторы и диоды в дискретном исполнении и/или объединенные в транзисторно-диодные (диодно-транзисторные) модули 16, которые непосредственно или через дополнительные теплопроводящие и/или электроизоляционные элементы прикреплены или прижаты к внутренней поверхности корпуса 1 и/или подшипникового щита 3 с обеспечением их теплового контакта с этим корпусом или подшипниковым щитом. При таком креплении возможно частичное использование объема между лобовыми частями обмоток 9 статора 8 и корпусом 1, что приводит к сокращению длины корпуса 1 и, соответственно, объема мехатронного тягового модуля (увеличение его удельной тяговой мощности).The power converter contains power transistors and diodes in discrete design and / or combined in transistor-diode (diode-transistor) modules 16, which are directly or through additional heat-conducting and / or electrical insulating elements attached to or pressed to the inner surface of the housing 1 and / or bearing shield 3 with ensuring their thermal contact with this housing or bearing shield. With this fastening, it is possible to partially use the volume between the frontal parts of the windings 9 of the stator 8 and the housing 1, which leads to a reduction in the length of the housing 1 and, accordingly, in the volume of the mechatronic traction module (an increase in its specific traction power).

Поверхность корпуса или подшипникового щита, к которой прикреплены или прижаты силовые транзисторы и/или транзисторно-диодные модули, по своей форме совпадает с теплопередающими поверхностями силовых транзисторов и/или транзисторно-диодных модулей, либо теплопроводящих элементов их крепления, например, алюминиевых оснований (радиаторов).The surface of the housing or bearing shield, to which power transistors and / or transistor-diode modules are attached or pressed, in its shape coincides with the heat transfer surfaces of power transistors and / or transistor-diode modules, or heat-conducting elements for their fastening, for example, aluminum bases (radiators )

Если силовые транзисторы и/или транзисторно-диодные модули прикреплены или прижаты к внутренней или наружной поверхности подшипникового щита 3, то это подшипниковый щит содержит каналы жидкостного охлаждения, которые, в частности, соединены с каналами жидкостного охлаждения силовых транзисторов и/или транзисторно-диодных модулей.If the power transistors and / or transistor-diode modules are attached or pressed to the inner or outer surface of the bearing shield 3, then this bearing shield contains liquid cooling channels, which, in particular, are connected to the liquid cooling channels of the power transistors and / or transistor-diode modules .

Силовые транзисторы и/или транзисторно-диодные модули 16 могут быть также непосредственно и/или через дополнительные теплопроводящие и/или электроизоляционные элементы прикреплены или прижаты к спинке статора 8 или к его нажимной шайбе 10. В этом случае на поверхность корпуса 1, спинки статора 8 или нажимной шайбы 10 статора, соприкасающиеся с силовыми транзисторами, транзисторно-диодными модулями 16 или с промежуточными теплопроводящими и/или электроизоляционными элементами, может быть нанесен теплопроводный компаунд, обеспечивающий снижения теплового сопротивления за счет заполнения неровностей соприкасающихся поверхностей.Power transistors and / or transistor-diode modules 16 can also be directly or / through additional heat-conducting and / or electrical insulating elements attached or pressed to the back of the stator 8 or to its pressure washer 10. In this case, on the surface of the housing 1, the back of the stator 8 or stator pressure plate 10 in contact with power transistors, transistor-diode modules 16, or with intermediate heat-conducting and / or electrical insulating elements, a heat-conducting compound can be applied to reduce thermal resistance due to the filling of irregularities of the contacting surfaces.

Силовые транзисторы, например биполярные транзисторы с изолированным затвором (анг. IGBT - Insulated-gate bipolar transistor) и диоды, в частности объединенные в транзисторно-диодные модули 16, через драйверы силовых транзисторов соединены с программируемым микропроцессорном контроллером 17.Power transistors, for example, insulated-gate bipolar transistors (IGBTs) and diodes, in particular, combined into transistor-diode modules 16, are connected to the programmable microprocessor controller 17 through the drivers of the power transistors.

Драйверы силовых IGBT транзисторов выполнены, преимущественно, с реализацией функции защиты силовых IGBT транзисторов от перегрузки. Они формируют сигналы неисправностей этих транзисторов и соединенных с ними обмоток электрической машины, а также имеют гальваническую развязку сигналов управления силовыми транзисторами и сигналов неисправностей, поступающих на программируемый микропроцессорный контроллер 17.Drivers of power IGBT transistors are made mainly with the implementation of the function of protecting power IGBT transistors against overload. They generate the fault signals of these transistors and the windings of the electric machine connected to them, and also have galvanic isolation of the control signals of the power transistors and the fault signals received by the programmable microprocessor controller 17.

Программируемый микропроцессорный контроллер (микроконтроллер) 17 приспособлен для реализации сенсорного или бессенсорного управления электрической машиной и обеспечивает, в общем случае, прием сигналов с датчика положения ротора и с датчиков тока в обмотках, контроль напряжения на обмотках электрической машины, прямое цифровое управление драйверами силовых IGBT транзисторов, а также решение задач общего назначения в системе, в которой используется мехатронный тяговый модуль (в электрической трансмиссии). Ресурсов микроконтроллера должно быть достаточно для поддержки реализуемых алгоритмов управления электрической машиной при работе мехатронного тягового модуля в составе трансмиссии. Программируемый микропроцессорный контроллер 17 может содержать, в частности, ядро ARM, Flash-память программ, встроенные высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и модули формирования широтно-модулированных сигналов (ШИМ), реализованные на основе многоканального таймера. Он обеспечивает быстрый захват сигналов с датчиков и ответ на изменения контролируемых параметров в реальном масштабе времени.The programmable microprocessor controller (microcontroller) 17 is adapted to implement touch or sensorless control of an electric machine and provides, in general, the reception of signals from the rotor position sensor and current sensors in the windings, voltage control on the windings of the electric machine, direct digital control of drivers of power IGBT transistors , as well as solving general-purpose problems in a system that uses a mechatronic traction module (in an electric transmission). The resources of the microcontroller should be sufficient to support the implemented control algorithms for the electric machine during the operation of the mechatronic traction module in the transmission. The programmable microprocessor controller 17 may contain, in particular, an ARM core, Flash program memory, built-in high-speed analog-to-digital converters (ADCs), and pulse-width modulated signal (PWM) generation modules based on a multi-channel timer. It provides quick capture of signals from sensors and a response to changes in controlled parameters in real time.

Программируемый микропроцессорный контроллер 17 выполнен, предпочтительно, в виде или на основе специализированного программируемого цифрового сигнального процессора, предназначенного для цифрового управления электрическими машинами.The programmable microprocessor controller 17 is made, preferably, in the form or on the basis of a specialized programmable digital signal processor designed for digital control of electrical machines.

Поскольку информация о положении ротора электрической машины относительно статора представлена в виде двоичного кода датчика положения ротора (ДПР), для формирования необходимых сигналов управления коммутацией обмоток статора программируемый микропроцессорный контроллер 17 реализует алгоритм логического преобразования сигналов ДПР в сигналы управления драйверами силовых IGBT транзисторов, записанный в его Flash-памяти программ. Этот алгоритм может быть представлен, в частности, в виде матрицы управления силовыми транзисторами.Since the information on the position of the rotor of the electric machine relative to the stator is presented in the form of a binary code of the rotor position sensor (DPR), to generate the necessary control signals for switching the stator windings, the programmable microprocessor controller 17 implements the algorithm for the logical conversion of the DPR signals to the driver control signals of power IGBT transistors, recorded in it Flash memory programs. This algorithm can be represented, in particular, in the form of a matrix for controlling power transistors.

Для регулирования выходного момента электрической машины микропроцессорный контроллер 17 осуществляет изменение величины тока в обмотках статора путем изменения длительности включения этих обмоток, либо широтно-импульсной модуляции сигналов управления драйверами силовых IGBT транзисторов. В простейшем случае это осуществляется путем отключения силовых IGBT транзисторов в моменты времени, в которые величины токов в обмотках достигают заданной величины.To control the output moment of the electric machine, the microprocessor controller 17 changes the current in the stator windings by changing the duration of the inclusion of these windings, or pulse-width modulation of the driver control signals of power IGBT transistors. In the simplest case, this is done by turning off the power IGBT transistors at times in which the currents in the windings reach a predetermined value.

Для увеличения/уменьшения скорости вращения ротора электрической машины осуществляется соответственно увеличение/уменьшение ее крутящего момента до момента времени, при котором скорость вращения ротора увеличится/уменьшится до заданной величины.To increase / decrease the rotational speed of the rotor of an electric machine, respectively, an increase / decrease in its torque is carried out to a point in time at which the rotor speed increases / decreases to a predetermined value.

Для обмена данными с мехатронным тяговым модулем, в том числе для приема сигналов управления и передачи сигналов о параметрах и режимах его работы, используется встроенное в программируемый микропроцессорный контроллер 17 или подключенное к нему устройство ввода/вывода информации 18, реализующее обмен этими данными по проводному LIN (Local Interconnect Network - интерфейс для автомобильных систем), J1850 (SAE), CAN (Controller Area Network), CarLink, VAN, A-bus, RS-232C (COM - порт), RS-232, RS-485 (Recommended Standard 485, «токовая петля», MIDI, MicroLAN, Ethernet, USB и т.д., или беспроводному Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, GSM, CDMA и т.д. протоколу (спецификации, стандарту).To exchange data with the mechatronic traction module, including for receiving control signals and transmitting signals about the parameters and modes of its operation, the built-in microprocessor controller 17 or an information input / output device 18 connected to it is used that implements the exchange of these data via wire LIN (Local Interconnect Network - interface for automotive systems), J1850 (SAE), CAN (Controller Area Network), CarLink, VAN, A-bus, RS-232C (COM port), RS-232, RS-485 (Recommended Standard 485, “current loop”, MIDI, MicroLAN, Ethernet, USB, etc., or wireless Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, GSM, CDMA, etc. p otokolu (specification standard).

Контроль положения вала 13 (ротора 12) осуществляется с помощью датчика положения 19, например, магнитного энкодера, соединенного с программируемым микропроцессорном контроллером 17.Monitoring the position of the shaft 13 (rotor 12) is carried out using a position sensor 19, for example, a magnetic encoder connected to a programmable microprocessor controller 17.

Программируемый микропроцессорный контроллер 17, устройство ввода/вывода информации 18 и датчик положения ротора 19 могут быть расположены как внутри корпуса 1, так и за подшипниковым щитом 3 под защитным кожухом 20.The programmable microprocessor controller 17, the input / output device 18 and the position sensor of the rotor 19 can be located both inside the housing 1 and behind the bearing shield 3 under the protective casing 20.

В цепи питания мехатронного тягового модуля установлен фильтр, образованный конденсаторами, подключенными к плюсовому и минусовому выводам силового преобразователя, и расположенный внутри корпуса 1 или защитного кожуха 20 (на чертеже условно не показан).A filter is formed in the power circuit of the mechatronic traction module, formed by capacitors connected to the positive and negative terminals of the power converter, and located inside the housing 1 or the protective casing 20 (not shown conventionally in the drawing).

Силовой преобразователь и программируемый микропроцессорный контроллер размещены в корпусе 1 вдоль оси электрической машины за ее статором 8 и могут быть отделены от этого статора теплоизоляционной перегородкой или прокладкой 21.The power converter and the programmable microprocessor controller are placed in the housing 1 along the axis of the electric machine behind its stator 8 and can be separated from this stator by a heat-insulating partition or gasket 21.

Мехатронный тяговый модуль может содержать тормозной резистор, расположенный внутри корпуса 1 или защитного кожуха 20, встроенный электромагнитный дисковый тормоз, соединенный с валом 13 (на чертеже условно не показан), и редуктор 22, выполненный прецессионным, цилиндрическим, коническим или планетарным с внутренним или внешним зацеплением колес, имеющих эвольвентную, или круговую (передача Новикова), или циклоидальную форму профиля их зубьев. Этот редуктор выполнен, в частности, самотормозящейся.The mechatronic traction module may include a brake resistor located inside the housing 1 or the protective casing 20, an integrated electromagnetic disk brake connected to the shaft 13 (not shown conventionally in the drawing), and a reducer 22 made of a precession, cylindrical, bevel, or planetary one with internal or external gearing of wheels having involute, or circular (Novikov gear), or cycloidal shape of the profile of their teeth. This gearbox is made, in particular, self-braking.

Управление встроенным тормозом осуществляется от программируемого микропроцессорного контроллера 17 и дополнительного ключа, конструктивно отделенного от силового преобразователя или входящего в его состав.The built-in brake is controlled from a programmable microprocessor controller 17 and an additional key structurally separated from or included in the power converter.

Для реализации встроенного тормоза электрическая машина может быть выполнена с коническими ротором и статором. В этом случае при подаче напряжения на обмотки 9 статора 8 ротор втягивается в статор, преодолевая усилие пружины, и перемещается вдоль оси 13, что приводит к отключению тормоза в рабочем состоянии электрической машины.To implement the built-in brake, an electric machine can be made with a conical rotor and stator. In this case, when voltage is applied to the windings 9 of the stator 8, the rotor is pulled into the stator, overcoming the force of the spring, and moves along the axis 13, which leads to the brake being released in the working state of the electric machine.

Если электрическая машина выполнена вентильно-индукторной с независимым возбуждением, то ее обмотка возбуждения может использоваться для управления включением/отключением тормоза. В этом случае при подаче напряжения на обмотку возбуждения создаваемый ею магнитный поток приводит к перемещению приводных элементов встроенного фрикционного тормоза (на чертеже условно не показан).If the electric machine is made of a valve-inductor with independent excitation, then its excitation winding can be used to control the brake on / off. In this case, when voltage is applied to the field winding, the magnetic flux generated by it leads to the displacement of the drive elements of the built-in friction brake (not shown conventionally in the drawing).

Электрическая машина может быть оснащена также крыльчаткой вентилятора, прикрепленной к валу 13 и обеспечивающей принудительную циркуляцию охлаждающего воздуха внутри мехатронного тягового модуля и, соответственно, снижение температуры ее наиболее нагретых элементов (на чертеже условно не показана).The electric machine can also be equipped with a fan impeller attached to the shaft 13 and providing forced circulation of cooling air inside the mechatronic traction module and, accordingly, lowering the temperature of its most heated elements (not shown conventionally in the drawing).

Мехатронный тяговый модуль может также содержать датчики температуры обмоток статора или иных частей электрической машины, температуры транзисторов или транзисторно-диодных модулей, температуры охлаждающей жидкости, тока в цепи питания силового преобразователя и в обмотках (фазах, полюсах) электрической машины и другие датчики, соединенные с программируемым микропроцессорным контроллером 17.The mechatronic traction module may also contain temperature sensors for the stator windings or other parts of the electric machine, temperature of transistors or transistor-diode modules, temperature of the coolant, current in the power supply circuit of the power converter and in the windings (phases, poles) of the electric machine and other sensors connected to programmable microprocessor controller 17.

Работа устройства осуществляется следующим образом.The operation of the device is as follows.

Сигнал управления через устройство ввода/вывода информации 18, например, через драйвер CAN шины, поступает на программируемый микропроцессорный контроллер 17, который в соответствии сигналами датчика положения ротора 19, работая по программе, записанной в его памяти, формирует сигналы на драйверы силовых IGBT транзисторов, объединенных, в частности, в транзисторно-диодные модули 16. Эти драйверы, в соответствии с импульсами управления, формируют напряжение на управляющих электродах силовых IGBT транзисторов, обеспечивая их включение/выключение в соответствующие моменты времени. Силовые транзисторы попеременно подключают фазные обмотки 9 электрической машины через силовые шины к клеммам питания, обеспечивая протекание тока по фазным обмоткам 9 и, как следствие, возникновение вращающего момента между статором 8 и ротором 12.The control signal via the information input / output device 18, for example, via the CAN bus driver, is fed to a programmable microprocessor controller 17, which, in accordance with the signals of the rotor position sensor 19, working according to the program recorded in its memory, generates signals to the drivers of power IGBT transistors, combined, in particular, in transistor-diode modules 16. These drivers, in accordance with the control pulses, generate a voltage on the control electrodes of the power IGBT transistors, ensuring their on / off appropriate times. Power transistors alternately connect the phase windings 9 of the electric machine through the power buses to the power terminals, ensuring the flow of current through the phase windings 9 and, as a result, the occurrence of torque between the stator 8 and the rotor 12.

Под действием этого момента ротор 12 начинает вращаться, приводя во вращение, через механическую передачу 23 (при ее наличии) колеса или гусеницы транспортной или тяговой машины или иные механизмы.Under the influence of this moment, the rotor 12 begins to rotate, leading to rotation, through a mechanical transmission 23 (if any) of the wheels or tracks of a transport or traction machine or other mechanisms.

Для ограничения токов в тяговом режиме программируемый микропроцессорный контроллер 17, в зависимости от скорости вращения и угла поворота ротора 12, формирует широтно-импульсные (ШИМ) сигналы управления силовыми IGBT транзисторами силового преобразователя. Дополнительно, на основании сигналов датчика потребляемого тока силового преобразователя или датчиков тока фазных или полюсных обмоток 9, программируемый микропроцессорный контроллер 17 вычисляет крутящий момент электрической машины и через устройство ввода/вывода информации 18 передает его на внешнее управляющее устройство вместе с сигналом скорости ротора 12 и другими параметрами работы мехатронного тягового модуля.To limit currents in the traction mode, the programmable microprocessor controller 17, depending on the speed of rotation and the angle of rotation of the rotor 12, generates pulse-width (PWM) control signals of power IGBT transistors of the power converter. Additionally, based on the signals of the current consumption sensor of the power converter or the current sensors of the phase or pole windings 9, the programmable microprocessor controller 17 calculates the torque of the electric machine and transfers it to the external control device along with the rotor speed signal 12 and others through the information input / output device 18 operating parameters of the mechatronic traction module.

Если электрическая машина имеет более одной пары полюсов в каждой из ее фаз, то программируемый микропроцессорный контроллер 17 может обеспечивать отключение отдельных пар полюсов и/или поочередное включение пар полюсов каждой фазы при малой величине нагрузки электрической машины. Контроль этой нагрузки осуществляется через измерение тока транзисторов силового преобразователя. При этом функциональная зависимость нагрузки и, соответственно, крутящего момента электрической машины, предварительно определена и записана в энергонезависимую память микропроцессорного контроллера 17.If the electric machine has more than one pair of poles in each of its phases, then the programmable microprocessor controller 17 can provide the disconnection of individual pairs of poles and / or alternately turning on the pairs of poles of each phase with a small load of the electric machine. This load is controlled by measuring the current of the transistors of the power converter. In this case, the functional dependence of the load and, accordingly, the torque of the electric machine, is predefined and recorded in the non-volatile memory of the microprocessor controller 17.

Для обеспечения возможности широтно-импульсного регулирования тока в обмотках или секциях обмоток полюсов статора в противофазе или со сдвигом времени включения силовых транзисторов во всем диапазоне скоростей вращения ротора электрической машины, силовой преобразователь, программируемый микропроцессорный контроллер и датчик положения ротора (ДПР) должны иметь необходимый уровень быстродействия, обеспечивающий возможность своевременного включения/отключения этих транзисторов.To enable pulse-width current regulation in the windings or sections of the stator pole windings in antiphase or with a shift in the turn-on time of power transistors in the entire range of rotor speeds of the electric machine, the power converter, programmable microprocessor controller and rotor position sensor (DPR) must have the necessary level performance, providing the ability to timely enable / disable these transistors.

Для управления встроенным электромагнитным тормозом в состав мехатронного тягового модуля входит дополнительный силовой электронный ключ, конструктивно разделенный или совмещенный с силовым преобразователем и выполненный, например, на основе IGBT транзистора, вход которого соединен с одним из выходов программируемого микропроцессорного контроллера 17, а выход - с обмоткой управления тормоза, имеющей, в частности, жидкостное охлаждение (с целью уменьшения размеров тормоза и, соответственно, мехатронного тягового модуля в целом). Сигнал управления этим тормозом формируется, в частности, после выявления микропроцессорным контроллером нулевой скорости вращения ротора 12.To control the built-in electromagnetic brake, the mechatronic traction module includes an additional power electronic switch, structurally separated or combined with a power converter and made, for example, based on an IGBT transistor, the input of which is connected to one of the outputs of the programmable microprocessor controller 17, and the output to the winding brake control, in particular, liquid cooling (in order to reduce the size of the brake and, accordingly, mechatronic traction module as a whole). The control signal for this brake is generated, in particular, after the microprocessor controller detects the zero rotational speed of the rotor 12.

Задача повышения удельной мощности мехатронного тягового модуля, в зависимости от вариантов его реализации, решается различными способами. В нем может быть реализован один из альтернативных признаков формулы изобретения, либо одновременно несколько признаков в любом сочетании, что приводит к достижению одного и того же технического результата.The task of increasing the specific power of the mechatronic traction module, depending on the options for its implementation, is solved in various ways. It can be implemented one of the alternative features of the claims, or at the same time several features in any combination, which leads to the achievement of the same technical result.

Например, может быть реализован мехатронный тяговый модуль, в котором реализован отвод тепла одновременно от статора 8 электрической машины и от силовых транзисторов или транзисторно-диодных модулей 16 через корпус и/или подшипниковый щит с жидкостным охлаждением.For example, a mechatronic traction module can be implemented in which heat is simultaneously removed from the stator 8 of an electric machine and from power transistors or transistor-diode modules 16 through a housing and / or a liquid-cooled bearing shield.

В этом случае силовые транзисторы и/или транзисторно-диодные модули прикреплены или прижаты к внутренней поверхности подшипникового щита, корпуса, к спинке статора или к нажимной шайбе статора вблизи статора. Это обеспечивает максимальное сокращение длины корпуса 1 за счет исключения дополнительных деталей для монтажа силовых IGBT транзисторов или транзисторно-диодных модулей, а также исключения дополнительных полостей с охлаждающей жидкостью. Одновременно улучшаются условия охлаждения силовых IGBT транзисторов или транзисторно-диодных модулей за счет минимизации теплового сопротивления между ними и охлаждающей жидкостью, что приводит к повышению тяговой мощности, которая ограничена перегревом отдельных элементов мехатронного тягового модуля. В итоге это приводит к повышению его удельной мощности.In this case, power transistors and / or transistor-diode modules are attached or pressed to the inner surface of the bearing shield, housing, to the back of the stator or to the stator pressure plate near the stator. This ensures the maximum reduction in the length of the housing 1 due to the elimination of additional parts for mounting power IGBT transistors or transistor-diode modules, as well as the elimination of additional cavities with coolant. At the same time, the cooling conditions of power IGBT transistors or transistor-diode modules are improved by minimizing the thermal resistance between them and the coolant, which leads to an increase in traction power, which is limited by overheating of individual elements of the mechatronic traction module. As a result, this leads to an increase in its specific power.

В другом варианте мехатронного тягового модуля, одновременно с реализацией указанных выше альтернативных признаков или независимо от их реализации, силовой преобразователь и программируемый микропроцессорный контроллер, размещены в корпусе 1 вдоль оси электрической машины за ее статором и отделены от лобовых частей обмоток 9 статора, имеющих наиболее высокую температуру, теплоизоляционной перегородкой или прокладкой 21. Защита от перегрева силового преобразователя и программируемого микропроцессорного контроллера дает электрической машине возможность работать при более высокой температуре и, соответственно, повышает тяговую и удельную мощность мехатронного тягового модуля.In another embodiment of the mechatronic traction module, simultaneously with the implementation of the above alternative features or regardless of their implementation, a power converter and a programmable microprocessor controller are located in the housing 1 along the axis of the electric machine behind its stator and are separated from the frontal parts of the stator windings 9 having the highest temperature, heat-insulating partition or gasket 21. Protection against overheating of the power converter and the programmable microprocessor controller gives electrically the first machine the ability to work at a higher temperature and, accordingly, increases the traction and specific power of the mechatronic traction module.

В третьем и четвертом вариантах мехатронного тягового модуля обмотка статора состоит из секций, число которых равно или в целое число раз больше числа полюсов статора, либо обмотка каждого полюса статора состоит из отдельных секций. При этом силовой преобразователь и программируемый микропроцессорный контроллер 17 обеспечивают возможность раздельного включения/выключения этих секций и/или или их переключения на последовательное/параллельное соединение.In the third and fourth versions of the mechatronic traction module, the stator winding consists of sections whose number is equal to or an integer number of times greater than the number of stator poles, or the winding of each stator pole consists of separate sections. In this case, the power converter and the programmable microprocessor controller 17 provide the ability to separately enable / disable these sections and / or switch them to serial / parallel connection.

Разделение обмоток увеличивает число силовых IGBT транзисторов, необходимых для управления электрической машиной. Это не приводит к увеличению размеров силового преобразователя, поскольку суммарный коммутируемый ток остается неизменным. Одновременно применение силовых IGBT транзисторов, имеющих меньшую величину коммутируемого тока, позволяет снизить динамические потери в силовых транзисторах за счет того, что менее сильноточные силовые транзисторы обладают большим быстродействием. Снижение тепловых потерь в силовых транзисторах приводит к увеличению тяговой и удельной мощности мехатронного тягового модуля.The separation of the windings increases the number of power IGBT transistors needed to control an electric machine. This does not lead to an increase in the size of the power converter, since the total switched current remains unchanged. At the same time, the use of power IGBT transistors with a lower switching current value allows to reduce the dynamic losses in power transistors due to the fact that less high-power power transistors have a high speed. Reducing heat losses in power transistors leads to an increase in traction and specific power of the mechatronic traction module.

Реализация переключения секций обмоток статора с последовательного соединения на параллельное в зависимости от скорости вращения ротора позволяет повысить выходной момент электрической машины. Обусловлено это тем, что последовательное соединение обеспечивает высокую индуктивность и, соответственно, улучшает работу электрической машины при низких скоростях. Параллельное соединение уменьшает индуктивность, что приводит к увеличению крутящего момента на больших скоростях вращения ротора.The implementation of the switching sections of the stator windings from serial to parallel, depending on the speed of rotation of the rotor, allows to increase the output moment of the electric machine. This is due to the fact that the serial connection provides high inductance and, accordingly, improves the operation of the electric machine at low speeds. A parallel connection reduces the inductance, which leads to an increase in torque at high rotor speeds.

В качестве примера на фиг. 2 приведен пример зависимостей момента вентильно-индукторного электродвигателя (SRM) от скорости вращения его ротора при различных числах витков обмотки статора (N=40 и 80). Из представленных зависимостей следует, что при скорости вращения ротора от 0 до 2700 об/мин, с целью достижения максимального крутящего момента и более высокой удельной мощности мехатронного тягового модуля, обмотки или секции обмоток статора целесообразно соединять последовательно (N=80), а при скорости более 2700 об/мин - параллельно (N=40). Такое переключение можно реализовать с помощью электромагнитных реле, имеющих два переключающих контакта. Управление обмоткой этого реле (управление переключением) осуществляется от программируемого микропроцессорного контроллера 17.As an example in FIG. Figure 2 shows an example of the dependences of the torque of a valve-inductor electric motor (SRM) on the speed of rotation of its rotor for various numbers of turns of the stator winding (N = 40 and 80). From the presented dependencies it follows that at a rotor speed of 0 to 2700 rpm, in order to achieve maximum torque and higher specific power of the mechatronic traction module, windings or sections of the stator windings, it is advisable to connect in series (N = 80), and at speed more than 2700 rpm - in parallel (N = 40). Such switching can be implemented using electromagnetic relays having two switching contacts. The control of the coil of this relay (switching control) is carried out from the programmable microprocessor controller 17.

Раздельное управление обмотками или секциями обмоток позволяет также увеличить крутящий момент электрической машины и удельную мощность мехатронного тягового модуля при отказах отдельных обмоток или их секций, поскольку в этом случае происходит не отключение, в лишь снижение крутящего момента, создаваемого каждой парой полюсов.Separate control of windings or sections of windings also allows you to increase the torque of the electric machine and the specific power of the mechatronic traction module in case of failures of individual windings or their sections, since in this case there is no shutdown, but only a decrease in the torque created by each pair of poles.

Это техническое решение также может быть реализовано как отдельно, так и в сочетании с реализацией других альтернативных признаков изобретения.This technical solution can also be implemented either separately or in combination with the implementation of other alternative features of the invention.

В еще одном варианте реализации предложенного технического решения силовой преобразователь и программируемый микропроцессорный контроллер обеспечивают отключение отдельных пар полюсов или поочередное включение различных пар полюсов каждой фазы в зависимости от величины нагрузки электрической машины. Перевод отдельных силовых IGBT транзисторов в нерабочее состояние при небольшой величине нагрузки электрической машины позволяет снизить динамические потери на переключение в силовом преобразователе и, соответственно, температуру электрической машины. Реализация такого управления оправдано в том случае, если динамические потери на переключения больше, чем статические потери в других силовых IGBT транзисторах, которые в случае такого отключения осуществляют коммутацию тока удвоенной величины. Данное техническое решение обеспечивает повышение удельной мощности мехатронного тягового модуля в динамических режимах его работы.In yet another embodiment of the proposed technical solution, a power converter and a programmable microprocessor controller disable individual pairs of poles or alternately turn on various pairs of poles of each phase depending on the load of the electric machine. The transfer of individual power IGBT transistors to an inoperative state with a small load of the electric machine can reduce the dynamic switching loss in the power converter and, accordingly, the temperature of the electric machine. The implementation of such a control is justified if the dynamic switching losses are greater than the static losses in other power IGBT transistors, which in the event of such a trip carry out a double current switching. This technical solution provides an increase in the specific power of the mechatronic traction module in dynamic modes of its operation.

Если электрическая машина выполнена вентильно-индукторной (SRM), то самостоятельно (независимо от реализации указанных выше альтернативных признаков), либо в дополнение к ним, может быть предусмотрено применение сосредоточенных обмоток (катушек) статора различной формы.If the electric machine is made of a valve-inductor (SRM), then independently (regardless of the implementation of the above alternative features), or in addition to them, the use of concentrated stator windings (coils) of various shapes can be provided.

Сосредоточенные обмотки (катушки) статора 9 в таких электрических машинах традиционно выполняют одинаковыми, а их ширина равна минимальному расстоянию X между зубцами (полюсами) статора 8, поскольку в противном случае катушки 9, изготовленные отдельно, не могут быть надеты на зубцы (полюса) статора 8. Это приводит к появлению пространства О, не занятого обмотками (фиг. 3).The concentrated windings (coils) of the stator 9 in such electric machines are traditionally the same, and their width is equal to the minimum distance X between the teeth (poles) of the stator 8, since otherwise the coils 9, made separately, cannot be put on the teeth (poles) of the stator 8. This leads to the appearance of space O, not occupied by windings (Fig. 3).

Согласно одному из предложенных альтернативных признаков изобретения, сосредоточенные обмотки (катушки) каждого полюса статора состоят не менее, чем из двух секций, при этом секция, расположенная у спинки статора, имеет увеличенную ширину (фиг. 4). В этом случае катушки 9 имеют различную ширину, а свободное пространство О, не занятое обмоткам, сокращается (фиг. 4). Это приводит к увеличению коэффициента заполнения окна между полюсами (зубцами) статора медью.According to one of the proposed alternative features of the invention, the concentrated windings (coils) of each pole of the stator consist of at least two sections, while the section located at the back of the stator has an increased width (Fig. 4). In this case, the coils 9 have a different width, and the free space O, not occupied by the windings, is reduced (Fig. 4). This leads to an increase in the fill factor of the window between the poles (teeth) of the stator with copper.

Сосредоточенные обмотки (катушки) соседних полюсов статора могут также иметь равные площади сечений, но различные формы, выбранные из условия максимального заполнения медью промежутка между полюсами статора (фиг. 5). В этом случае катушка с трапецеидальным сечением, имеющая ширину Y, не превышающую расстояние X между зубцами, при сборке электрической машины устанавливается первой.The concentrated windings (coils) of the adjacent stator poles can also have equal cross-sectional areas, but different shapes, selected from the condition of maximum filling of the gap between the stator poles with copper (Fig. 5). In this case, a coil with a trapezoidal cross section, having a width Y not exceeding the distance X between the teeth, is installed first when assembling the electric machine.

Такое исполнение катушек 9 позволяет увеличить сечение провода обмоток и, соответственно, снизить потери в них. Это также приводит к повышению мощности электрической машины и удельной мощности мехатронного тягового модуля.This design of the coils 9 allows you to increase the cross-section of the wire of the windings and, accordingly, reduce losses in them. This also leads to an increase in the power of the electric machine and the specific power of the mechatronic traction module.

Еще одним вариантом снижения потерь в мехатронном тяговом модуле и, соответственно, увеличения его удельной мощности, является реализация широтно-импульсного регулирования тока в обмотках или секциях обмоток одной пары и/или различных пар полюсов либо в противофазе, либо со сдвигом времени включения силовых транзисторов. Это позволяет снизить потери в силовых шинах мехатронного тягового модуля за счет уменьшения амплитуды пульсаций тока в них.Another option to reduce losses in the mechatronic traction module and, accordingly, increase its specific power, is to implement pulse-width current control in windings or sections of the windings of one pair and / or different pairs of poles, either in antiphase or with a shift in the on-time of power transistors. This allows you to reduce losses in the power bus mechatronic traction module by reducing the amplitude of the ripple current in them.

Следующим вариантом реализации мехатронного тягового модуля является применение драйверов силовых IGBT транзисторов с функцией контроля исправности этих транзисторов и/или соединенных с ними обмоток, а также отключение сигналов управления неисправных силовых транзисторов, либо тех силовых транзисторов, с которыми соединены неисправные обмотки. Это дает возможность исключить потери энергии в неисправных компонентах мехатронного тягового модуля. Данное техническое обеспечивает также меньшее снижение мощности электрической машины при отказе отдельных компонентов мехатронного тягового модуля, что приводит к увеличению его удельной мощностиThe next embodiment of the mechatronic traction module is the use of drivers of power IGBT transistors with the function of monitoring the health of these transistors and / or the windings connected to them, as well as disabling the control signals of the faulty power transistors, or those power transistors to which the faulty windings are connected. This makes it possible to exclude energy losses in the faulty components of the mechatronic traction module. This technical also provides a smaller reduction in the power of an electric machine in case of failure of individual components of the mechatronic traction module, which leads to an increase in its specific power

Применение гальванической развязки сигналов управления и/или сигналов неисправности позволяет уменьшить величины зазоров между элементами низковольтной части мехатронного тягового модуля и его корпусом 1, применить соединительные проводники с меньшей толщиной изоляции и т.п., что сокращает габаритные размеры мехатронного тягового модуля и, соответственно, повышает его удельную мощность.The use of galvanic isolation of control signals and / or fault signals allows to reduce the gaps between the elements of the low-voltage part of the mechatronic traction module and its housing 1, to use connecting conductors with a smaller insulation thickness, etc., which reduces the overall dimensions of the mechatronic traction module and, accordingly, increases its specific power.

Среднее значение тяговой мощности мехатронного модуля ограничивается рядом его параметров, в том числе максимальной выходной мощностью электрической машины в динамических режимах работы, максимальным выходным моментом и максимальной температурой электрической машины, максимальной температурой охлаждающей жидкости или максимальной скоростью вращения (прочностью) ротора. Контроль или измерение текущих значений этих параметров, предварительная запись их предельно-допустимых значений в программируемый микропроцессорный контроллер, а также последующее управление силовыми IGBT транзисторами таким образом, чтобы величина контролируемого или измеряемого параметра не превышала его предварительно установленную предельно-допустимую величину, обеспечивает максимальное использование рабочих зон мехатронного тягового модуля, позволяет установить режимы работы, максимально близкие к установленным ограничениям. Это приводит к повышению тяговой мощности и, соответственно, удельной мощности мехатронного тягового модуля.The average value of the traction power of the mechatronic module is limited by a number of its parameters, including the maximum output power of the electric machine in dynamic operating modes, the maximum output moment and maximum temperature of the electric machine, maximum temperature of the coolant, or maximum rotational speed (strength) of the rotor. Monitoring or measuring the current values of these parameters, preliminary recording of their maximum permissible values in a programmable microprocessor controller, as well as subsequent control of power IGBT transistors so that the value of the controlled or measured parameter does not exceed its pre-set maximum permissible value, ensures maximum use of working zones of the mechatronic traction module, allows you to set operating modes that are as close as possible to the established limits pits. This leads to an increase in traction power and, accordingly, specific power of the mechatronic traction module.

Этот же результат и по тем же причинам достигается в следующем варианте реализации мехатронного тягового модуля, в котором программируемый микропроцессорный контроллер осуществляет контроль или измерение нагрузки электрической машины и скорости вращения ее ротора и далее управляет силовыми IGBT транзисторами из условия поддержания установленной величины выходной мощности электрической машины путем увеличения/уменьшения скорости вращения ее ротора при уменьшении/увеличении указанного момента.The same result and for the same reasons is achieved in the following embodiment of the mechatronic traction module, in which a programmable microprocessor controller monitors or measures the load of the electric machine and the rotational speed of its rotor and then controls the power IGBT transistors from the condition of maintaining the set value of the output power of the electric machine by increase / decrease the speed of rotation of its rotor when decreasing / increasing the specified moment.

Если через устройство ввода/вывода информации поступает сигнал об установке заданной скорости вращения ротора, то программируемый микропроцессорный контроллер 17 управляет силовыми транзисторами из условия поддержания этой скорости, если момент нагрузки не превышает максимальный выходной момент электрической машины при заданной скорости вращения ротора, либо из условия поддержания выходной мощности электрической машины путем увеличения/уменьшения скорости вращения до приведения в соответствие момента нагрузки и максимального выходного момента электрической машины. При таком управлении достигается максимально возможное среднее значение тяговой и, соответственно, удельной мощности мехатронного тягового модуля.If a signal is received through the information input / output device to set the specified rotor speed, then the programmable microprocessor controller 17 controls the power transistors from the condition of maintaining this speed, if the load moment does not exceed the maximum output moment of the electric machine at a given rotor speed, or from the condition of maintaining power output of an electric machine by increasing / decreasing the speed of rotation to bring the load moment and maximum output one moment of an electric machine. With this control, the maximum possible average value of the traction and, accordingly, the specific power of the mechatronic traction module is achieved.

В отдельных случаях возможно программное управление электрической машиной. В этом случае программа управления силовыми IGBT транзисторами предварительно записана в память программируемого микропроцессорного контроллера и предусматривает реализацию зависимости скорости или выходного момента электрической машины от времени, обеспечивающую, например, достижение максимально возможной средней выходной мощности в интервале времени, в котором реализуется эта зависимость. Возможным вариантом такого алгоритма является управление из условия достижения максимально-допустимой температуры электрической машины к завершению программы ее работы. Это техническое решение также обеспечивает повышение средней тяговой мощности и, соответственно, удельной мощности мехатронного тягового модуля.In some cases, it is possible to programmatically control an electric machine. In this case, the control program for power IGBT transistors is pre-recorded in the memory of the programmable microprocessor controller and provides for the implementation of the dependence of the speed or output moment of the electric machine on time, ensuring, for example, achieving the maximum possible average output power in the time interval in which this dependence is realized. A possible variant of such an algorithm is control from the condition that the maximum permissible temperature of the electric machine is reached by the end of the program of its operation. This technical solution also provides an increase in average traction power and, accordingly, the specific power of the mechatronic traction module.

В отдельный случаях максимальная мощность мехатронного тягового модуля ограничена максимальной скоростью его выходного звена, установленной из условия обеспечения безопасности работы приводного механизма. В частности, в тех случаях, когда необходимо обеспечить относительное небольшое гарантированное время его остановки. В этих случаях мехатронный тяговый модуль может быть оснащен встроенной понижающей зубчатой передачей, позволяющей повысить скорость вращения ротора электрической машины и, соответственно, уменьшить ее размеры. При этом для выполнения требований по безопасности (времени остановки ротора) эта передача выполнена самотормозящейся или оснащена тормозом, управление которым осуществляется с помощью программируемого микропроцессорного контроллера и силового преобразователя. Поскольку за счет увеличения рабочих скоростей ротора, несмотря на дополнительную установку зубчатой передачи и тормоза, обеспечивается уменьшение суммарного объема мехатронного тягового модуля, это техническое решение также обеспечивает повышение его удельной мощности.In separate cases, the maximum power of the mechatronic traction module is limited by the maximum speed of its output link, established from the conditions for ensuring the safe operation of the drive mechanism. In particular, in cases where it is necessary to provide a relatively small guaranteed time to stop it. In these cases, the mechatronic traction module can be equipped with a built-in reduction gear, which allows increasing the rotor speed of the electric machine and, accordingly, reducing its size. At the same time, to fulfill safety requirements (rotor stopping time), this transmission is self-braking or equipped with a brake controlled by a programmable microprocessor controller and a power converter. Since due to the increase in the working speeds of the rotor, despite the additional installation of the gear train and brake, a reduction in the total volume of the mechatronic traction module is provided, this technical solution also provides an increase in its specific power.

При наличии установленных требований к времени остановки выходного звена (вала) мехатронного тягового модуля, еще в одном варианте его реализации установлен тормозной резистор, управляемый дополнительно введенным силовым электронным ключом, конструктивно разделенным или совмещенным с силовым преобразователем и соединенным с программируемым микропроцессорным контроллером. В этом случае в режиме торможения электрическая машина переводится программируемым микропроцессорным контроллером в режим генератора, а кинетическая энергия приводного механизма поглощается тормозным резистором. Благодаря этому установленное время остановки (торможения) мехатронного тягового модуля обеспечивается при более высоких скоростях вращения ротора. Поскольку габаритные размеры электрической машины заданной мощности существенно сокращаются при увеличении скорости ее ротора, реализация данного альтернативного признака изобретения также приводит к увеличению удельной мощности мехатронного тягового модуля.If there are established requirements for the stopping time of the output link (shaft) of the mechatronic traction module, in another embodiment of its implementation, a brake resistor is installed, controlled by an additionally entered power electronic key, structurally separated or combined with a power converter and connected to a programmable microprocessor controller. In this case, in the braking mode, the electric machine is transferred by the programmable microprocessor controller to the generator mode, and the kinetic energy of the drive mechanism is absorbed by the braking resistor. Due to this, the set stop (braking) time of the mechatronic traction module is provided at higher rotor speeds. Since the overall dimensions of an electric machine of a given power significantly decrease with increasing speed of its rotor, the implementation of this alternative feature of the invention also leads to an increase in the specific power of the mechatronic traction module.

Электрическое торможение электрической машины может быть заменено на механическое. В этом случае мехатронный тяговый модуль содержит встроенный дисковый электромагнитный тормоз, управление которым может осуществляться различными способами. В частности, тормоз может иметь управление от программируемого микропроцессорного контроллера и дополнительно установленного электронного силового ключа.Electric braking of an electric machine can be replaced by mechanical. In this case, the mechatronic traction module contains a built-in disk electromagnetic brake, which can be controlled in various ways. In particular, the brake can be controlled by a programmable microprocessor controller and an optionally installed electronic power switch.

В случае использованию конической формы ротора и статора тормоз может отключаться автоматически при подаче напряжения на статор.In the case of using a conical shape of the rotor and stator, the brake can be automatically switched off when voltage is applied to the stator.

Для управления встроенным тормозом может также использоваться обмотка возбуждения вентильно-индукторной электрической машины.To control the built-in brake, the excitation winding of the valve-inductor electric machine can also be used.

Для того, чтобы применение встроенного тормоза приводило к более значительному увеличению удельной мощности мехатронного тягового модуля, обмотка этого тормоза, с целью уменьшения габаритных размеров тормоза и мехатронного модуля в целом, может иметь жидкостное охлаждение.In order for the use of the built-in brake to lead to a more significant increase in the specific power of the mechatronic traction module, the winding of this brake, in order to reduce the overall dimensions of the brake and the mechatronic module as a whole, can have liquid cooling.

Возможен также вариант реализации в мехатронном тяговом модуле беспроводного приема/передачи сигналов управления этим тяговым модулем и сигналов о его техническом состоянии и параметрах работы. В этом случае устройство приема/передачи сигналов 18 выполняется в виде приемопередатчика радиосигналов.An implementation option is also possible in the mechatronic traction module for wireless reception / transmission of control signals for this traction module and signals about its technical condition and operation parameters. In this case, the device for receiving / transmitting signals 18 is in the form of a transceiver of radio signals.

Известно, что микросхемы приемопередатчиков радиосигналов и драйверов проводных линий связи, например, шины CAN, имеют примерно равные габаритные размеры. В то же время проводной интерфейс требует установки устройств защиты линии от перенапряжений и электрического разъема. Суммарно они имеют больший объем чем, например, керамическая антенна на частоту 2,4 ГГц. Поэтому применение беспроводного обмена данными с программируемым микропроцессорным контроллером 17 приводит к некоторому (небольшому) снижению объема мехатронного тягового модули и, соответственно, к повышению его удельной мощности. Это техническое решение также может быть реализовано отдельно или в сочетании с реализацией других альтернативных признаков изобретения.It is known that microchips of radio transceivers and drivers of wired communication lines, for example, CAN bus, have approximately equal overall dimensions. At the same time, the wired interface requires the installation of surge protection devices and an electrical connector. In total, they have a larger volume than, for example, a ceramic antenna at a frequency of 2.4 GHz. Therefore, the use of wireless data exchange with a programmable microprocessor controller 17 leads to some (small) decrease in the volume of the mechatronic traction module and, accordingly, to increase its specific power. This technical solution can also be implemented separately or in combination with the implementation of other alternative features of the invention.

Еще в одном варианте реализации мехатронного тягового модуля электрическая машина, входящая в его состав, выполнена без использования постоянных магнитов и с классом нагревостойкости изоляции обмоток не ниже, чем 150°С, а силовой преобразователь и программируемый микропроцессорный контроллер - с использованием компонентов, имеющих рабочую температуру не менее, чем 100°С. Повышение рабочей температуры отдельных компонентов мехатронного тягового модуля, с учетом наличия ограничений на его КПД и эффективность системы жидкостного охлаждения, приводит к увеличению тяговой и удельной мощности мехатронного тягового модуля.In another embodiment of the implementation of the mechatronic traction module, the electric machine included in it is made without the use of permanent magnets and with a heat resistance class of winding insulation not lower than 150 ° C, and a power converter and a programmable microprocessor controller using components having an operating temperature not less than 100 ° C. Increasing the operating temperature of individual components of the mechatronic traction module, taking into account the presence of restrictions on its efficiency and the effectiveness of the liquid cooling system, leads to an increase in the traction and specific power of the mechatronic traction module.

Наивысшее значение удельной мощности может быть получено при одновременной реализации всех альтернативных признаков изобретения. Однако улучшение этого показателя (достижение указанного технического результата) достигается при реализации как одного из альтернативных отличительного признаков изобретения, так и нескольких признаков одновременно в их любом сочетании.The highest value of specific power can be obtained with the simultaneous implementation of all alternative features of the invention. However, the improvement of this indicator (the achievement of the specified technical result) is achieved by the implementation of one of the alternative distinguishing features of the invention, as well as several features simultaneously in any combination thereof.

Для специалистов в данной области техники понятно, что кроме описанных вариантов мехатронного тягового модуля возможны также иные варианты его реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.For specialists in the art it is clear that in addition to the described variants of the mechatronic traction module, other options for its implementation are also possible on the basis of the features set forth in the claims.

Claims

1. Mechatronic traction module comprising a liquid-cooled housing, bearing shields, an electric machine rotor, an electric machine stator containing windings and mounted inside the housing with the possibility of heat transfer to this housing, a rotor position sensor, a power converter connected to the stator windings and made using discrete power transistors and diodes and / or integrated into transistor-diode modules, power transistor drivers, programmable microprocessor controller, adapt It is used to receive control signals of the mechatronic traction module and connected to the drivers and rotor position sensor, and a filter containing capacitors connected to the plus and minus terminals of the power converter, and at least one of the following technical solutions is additionally implemented in the mechatronic traction module:

a) power transistors and / or transistor-diode modules directly and / or through additional heat-conducting and / or electrical insulating elements are attached or pressed to the inner and / or outer surface of the housing and / or at least one bearing shield with the possibility of heat transfer to this housing and / or bearing shield;

b) power transistors and / or transistor-diode modules directly and / or through additional heat-conducting and / or electrical insulating elements are attached or pressed to the back of the stator or to the stator pressure plate with the possibility of transferring heat to this back or pressure plate;

c) a power converter, and / or a programmable microprocessor controller, and / or a filter is placed / placed in the housing between the bearing shield and the back of the stator and / or the stator windings, and is also separated from this back and / or from these windings by a heat-insulating partition or gasket;

d) the stator winding consists of sections, and the power converter and the programmable microprocessor controller are configured to separately turn on / off these sections and / or to switch these sections from serial connection to parallel and vice versa depending on the rotational speed of the rotor of the electric machine;

d) the winding of each pole of the stator consists of sections, and the power converter and programmable microprocessor controller are configured to switch these sections from serial to parallel and vice versa, depending on the speed of rotation of the rotor;

f) the electric machine has more than one pair of poles in each of its phases, and the power converter and the programmable microprocessor controller are configured to measure the load of the electric machine and then turn off individual pairs of poles and / or alternately turn on the pairs of poles of each phase depending on the magnitude of this load ;

g) the concentrated windings of each pole of the stator consist of at least two sections, while the section located at the back of the stator has an increased width selected from the condition that the copper between the poles of the stator is maximally filled with the possibility of assembling an electrical machine by first installing the magnetic circuit on the pole a stator of a concentrated winding section having an increased width;

h) the power converter and the programmable microprocessor controller are capable of pulse-width current regulation in the windings or sections of the windings of one pair and / or pairs of poles in antiphase or with a shift in the on-time of the power transistors;

i) the driver of at least one power transistor is adapted to generate a fault signal of this transistor and / or the winding connected to it, and the programmable microprocessor controller is configured to turn off this transistor when the specified signal is received;

j) drivers are equipped with galvanic isolation of control signals for power transistors and / or fault signals of these transistors and / or windings connected to them;

k) the programmable microprocessor controller is capable of measuring the output power, or the output moment, or the temperature of the electric machine, or the temperature of the coolant, or the speed of rotation of the rotor, and is also adapted to generate control signals for power transistors so that the value of the parameter being monitored or measured is not exceeded its pre-set value, previously recorded in the memory of the programmable microprocessor controller or accepted I use this controller in the process of controlling the mechatronic traction module;

m) the programmable microprocessor controller is capable of measuring the load moment of an electric machine and rotor speed, and is also adapted to generate power transistor control signals from the condition of maintaining a given rotor speed if the load moment does not exceed the maximum output moment of an electric machine at a given rotor speed , or from the condition of maintaining the output power of the electric machine by increasing / decreasing the speed of rotation of its rotor when reducing / increasing the load moment until the equality of the load moment and the maximum output moment of the electric machine is achieved;

m) the programmable microprocessor controller is configured to generate power transistor control signals from the condition that the output moment of the electric machine is dependent on time previously stored in the memory of the programmable microprocessor controller;

o) the mechatronic traction module contains an integrated precession gearbox or gearbox with internal or external gearing of gears having a circular (Novikov gear) or cycloidal profile of their teeth;

p) the mechatronic traction module contains a built-in disk electromagnetic brake, activated by springs, the winding of the electromagnet of this brake being placed on the bearing shield or attached to it, and the power converter contains an additional power electronic key of the electromagnetic brake connected to the programmable microprocessor controller and adapted to control the inclusion of disabling this brake;

p) the mechatronic traction module contains a built-in disk electromagnetic brake activated by the springs, and the electric machine is made with independent excitation, and the field winding is connected to a power converter or an additional power electronic switch adapted to control the excitation current of the electric machine, and is additionally adapted to control the inclusion of / disabling the built-in electromagnetic brake;

c) the programmable microprocessor controller is additionally equipped with means for wirelessly receiving control signals of the mechatronic traction module and / or wirelessly transmitting signals about its operation parameters and / or technical condition;

r) the stator windings are made with a heat resistance class of insulation not lower than 150 ° C, and the power converter and the programmable microprocessor controller are made using components having an operating temperature of at least 100 ° C.

2. The mechatronic traction module according to claim 1, characterized in that the inner surface of the housing has a round shape or a polyhedron shape and is adapted to accommodate power transistors and / or transistor-diode modules.

3. The mechatronic traction module according to claim 1, characterized in that the power transistors and diodes and / or transistor-diode modules are placed in the housing at the back of the stator with at least partial use of the volume between the frontal parts of the stator windings and the housing.

4. The mechatronic traction module according to claim 1, characterized in that the power transistors and diodes and / or transistor-diode modules are liquid-cooled and placed on the bearing shield, and the liquid cooling channels of these power transistors and diodes and / or transistor-diode modules connected to the channels of liquid cooling of the bearing shield.

5. The mechatronic traction module according to claim 1, characterized in that it contains at least one electromagnetic relay, the switching contacts of which are connected to the windings or sections of the stator windings with the possibility of switching them from serial to parallel connection, and the relay winding directly or via the driver of this relay is connected to a programmable microprocessor controller adapted to generate electromagnetic relay control signals depending on the rotor speed in such a way that neither The fast rotation speed corresponds to the series connection of these windings or sections of the windings.

6. The mechatronic traction module according to claim 1, characterized in that the programmable microprocessor controller, configured to generate power transistor control signals when it is operating in the mode of maintaining the traction power of the mechatronic traction module, is additionally adapted to change the supported value of the traction power depending on the temperature electric car.

7. The mechatronic traction module according to claim 1, characterized in that the rotor is equipped with a fan impeller adapted for forced circulation of cooling air inside the mechatronic traction module.

8. The mechatronic traction module according to claim 1, characterized in that the winding of the built-in disk electromagnetic brake is liquid-cooled.

9. The mechatronic traction module according to claim 1, characterized in that the integrated reduction gearbox is self-braking.

10. The mechatronic traction module according to claim 1, characterized in that it further comprises a brake resistor and a power electronic brake resistor key connected to a programmable microprocessor controller and adapted to connect a brake resistor to the positive and negative terminals of the power converter.

11. The mechatronic traction module according to claim 1, characterized in that at least one bearing shield is liquid-cooled.

12. The mechatronic traction module according to claim 1, characterized in that the power transistors and diodes and / or transistor-diode modules of the power converter are liquid-cooled.