Электропривод транспортных средств с автономными источниками питания

 

Изобретение относится к электротехнике, конкретно к электроприводу. В электроприводе использован шаговый электродвигатель, питающийся через электронный ключ коммутируемый времязадающим и регулирующим устройством, выполненным в виде генератора импульсов параметры которых задаются педалью акселератора. Момент и угол включения генератора синхронизируется датчиком угла подачи импульсов установленным на двигателе. Передача энергии от аккумуляторной батареи двигателю ведется с предварительным накоплением. Преобразование электрической энергии в механическую работу ведется с регенерацией энергии магнитного поля катушки двигателя. Катушка двигателя намотана алюминиевым проводом. Зубцы статора и ротора двигателя имеют прямоугольную форму и ширину не более половины пазов. Все магнитопроводы выполнены из материала с высокой начальной магнитной проницаемостью и минимальными потерями. Техническим результатом является повышение КПД двигателя и аккумуляторной батареи, снижение их массы и стоимости, повышение момента вращения и мощности привода. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, конкретно к электроприводу транспортных средств с автономными источниками питания.

Известен электропривод, включающий операции передачи энергии от источника питания двигателю и преобразования ее в механическую работу, содержащий источник питания, двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением и пускорегулирующие органы [1].

Недостатком такого электропривода является низкий КПД переходного режима, характерного для транспортных средств.

Наиболее близким к предлагаемому является электропривод, включающий операции передачи энергии аккумуляторной батареи двигателю и преобразования ее в механическую работу, содержащий аккумуляторную батарею, шаговый электродвигатель с цилиндрической катушкой внутри зубчатого статора и постоянным магнитом внутри зубчатого ротора, электронный ключ в цепи питания катушки и датчик угла подачи импульсов (коллектор-коммутатор с щетками) [2].

Недостатками этого электропривода являются малый момент вращения и ограниченная мощность.

Целью изобретения является повышение КПД двигателя и аккумуляторной батареи, снижение их массы и стоимости, повышение момента вращения и мощности привода.

Поставленная цель достигается тем, что в электроприводе, включающем операции передачи энергии аккумуляторной батареи двигателю и преобразования ее в механическую работу, содержащем аккумуляторную батарею, шаговый электродвигатель с цилиндрической катушкой внутри зубчатого статора, зубчатый ротор, электронный ключ в цепи питания катушки и датчик угла подачи импульсов, электронный ключ коммутируют времязадающим и регулирующим устройством, при этом время включения электронного ключа не должно превышать половину постоянной времени катушки двигателя, а датчик угла подачи импульсов задает необходимый момент и угол включения времязадающего и регулирующего устройства, при этом угол включения не должен превышать ширину зуба в градусах, передачу энергии аккумуляторной батареи двигателю ведут с предварительным накоплением, преобразование электрической энергии в механическую работу ведут с регенерацией энергии магнитного поля. В качестве времязадающего и регулирующего устройства между электронным ключом и датчиком угла подачи импульсов включен генератор импульсов длительностью не более половины постоянной времени катушки двигателя и периодом повторения не более времени включения датчика угла подачи импульсов при максимальных оборотах двигателя, задаваемых педалью акселератора, в качестве накопителя энергии между аккумуляторной батареей и двигателем через индуктивность и диод включен накопительный конденсатор, в качестве регенерирующего устройства параллельно катушке двигателя встречно току питания включена цепь из последовательно соединенных диода и индуктивности, при этом время нарастания напряжения на конденсаторе и время затухания тока в катушке двигателя не должно превышать длительность паузы между импульсами генератора, катушка двигателя намотана алюминиевым проводом, зубцы статора и ротора имеют прямоугольную форму и ширину не более половины пазов, ротор выполнен в виде цилиндрического магнитопровода, статор, ротор и сердечники индуктивностей выполнены из материала с высокой начальной магнитной проницаемостью и минимальными потерями.

С целью повышения надежности датчик угла подачи импульсов выполнен бесконтактным с использованием эффекта Холла.

С целью перекрытия зоны отсутствия момента вращения шаговый электродвигатель может быть выполнен трехсекционным со сдвигом секций в пределах шага.

На фиг. 1 приведена функциональная электрическая схема электропривода; на фиг. 2 схематично показан односекционный шаговый электродвигатель в варианте мотор-колесо; на фиг. 3 - вид двигателя со стороны A.

Электропривод содержит аккумуляторную батарею АБ, катушку индуктивности 1, диод 2, накопительный конденсатор 3, электронный ключ 4, генератор импульсов 5, датчик угла подачи импульсов 6 (установлен на двигателе), диод 7, катушку индуктивности 8, катушку двигателя 9 (расположена внутри статора 10), шаговый электродвигатель фиг. 2 с цилиндрической катушкой 9 внутри зубчатого статора 10, зубчатым ротором 11 и датчиком угла подачи импульсов 6.

Электропривод работает следующим образом. При включении контактора "К", благодаря индуктивности 1, конденсатор 3 плавно с минимальными потерями энергии заряжается до удвоенного напряжения АБ, при этом диод 2 закрывает путь току в обратном направлении. При включении датчика угла подачи импульсов 6 включается генератор импульсов 5 и своими импульсами коммутирует электронный ключ 4 до момента выключения датчика 6 и одновременно с ним генератора 5, при этом в катушку двигателя 9 подается пачка импульсов тока, сводящая зубцы ротора и статора (с ростом числа оборотов двигателя, число импульсов в пачке уменьшается до одного при максимальных оборотах). После каждого импульса (в паузах) энергия, запасенная в магнитном поле катушки 9, с помощью диода 7 и индуктивности 8 плавно с минимальными потерями переходит в механическую работу (продолжает сводить зубцы), таким образом электромагнитная сила, сводящая зубцы, непрерывна в течение угла включения датчика 6.

Угол до следующего зуба (паз) ротор проходит под действием сил энергии или за счет трехсекционности двигателя, далее процесс повторяется.

Регулировка момента вращения и числа оборотов двигателя производится времязадающим и регулирующим устройством управляемого педалью акселератора за счет изменения скважности подаваемых импульсов. Реверс двигателя производится переключением момента включения датчика угла подачи импульсов. При вращении по часовой стрелке (см. фиг. 3) включение датчика происходит при совпадении правых кромок зубцов ротора с левыми кромками зубцов статора и наоборот включение при совпадении левых кромок зубцов ротора с правыми кромками зубцов статора при вращении против часовой стрелки.

В зависимости от конкретного вида транспорта шаговый электродвигатель может быть выполнен в варианте мотор-колеса, транспорт со всеми ведущими колесами, или в варианте единого двигателя с центральным ротором и передачей вращения на обычные колеса через трансмиссию. Односекционным или трехсекционным. В любом исполнении предпочтительней: больший диаметр двигателя - меньшему, большее число шагов (зубцов) - меньшему, большее напряжение АБ - меньшему.

Предлагаемый электропривод позволяет создать электротранспорт с использованием широкораспространенных и не дорогих свинцовых аккумуляторных батарей, в среднем на порядок экономичнее существующего по расходу электроэнергии (расход электроэнергии на единицу массы полезного груза, перевозимого на равное расстояние, за равное время), что также, в среднем на порядок, позволяет снизить емкость, массу и стоимость бортовой аккумуляторной батареи.

Источники информации 1. Сборник задач по общей электротехнике под редакцией В.С. Пантюшина. Изд. второе "Высшая школа", 1973, гл. 16, стр. 277.

2. Авт. св. СССР N 1140207, кл. H 02 K 37/00, 1985.

Формула изобретения

1. Электропривод транспортных средств с автономными источниками питания, содержащий аккумуляторную батарею, шаговый электродвигатель с цилиндрической катушкой внутри зубчатого статора, зубчатый ротор, электронный ключ в цепи питания катушки и датчик угла подачи импульсов, отличающийся тем, что в нем электронный ключ коммутируют времязадающим и регулирующим устройством, в качестве которого между электронным ключом и датчиком угла подачи импульсов включен генератор импульсов длительностью не более половины постоянной времени катушки двигателя и периодом повторения не более времени включения упомянутого датчика при максимальных оборотах двигателя, задаваемых педалью акселератора, при этом время включения электронного ключа не должно превышать половину постоянной времени катушки двигателя, а датчик угла подачи импульсов задает необходимый момент и угол включения времязадающего и регулирующего устройства, при этом угол включения не должен превышать ширину зуба в градусах, введены накопитель энергии, в качестве которого между аккумуляторной батареей и двигателем через индуктивность и диод включен конденсатор, регенерирующее устройство, в качестве которого параллельно катушке двигателя встречно току питания включена цепь из последовательно соединенных диода и индуктивности, при этом время нарастания напряжения на конденсаторе и время затухания тока в катушке двигателя не должно превышать длительность паузы между импульсами генератора, катушка двигателя выполнена из алюминиевого провода, ротор выполнен в виде цилиндрического магнитопровода, зубцы статора и ротора имеют прямоугольную форму и ширину не более половины пазов, статор, ротор и сердечники индуктивностей выполнены из материала с высокой начальной магнитной проницаемостью и минимальными потерями.

2. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что в нем датчик угла подачи импульсов выполнен бесконтактным с использованием эффекта Холла.

3. Электропривод по п.1 или 2, отличающийся тем, что в нем шаговый электродвигатель может быть выполнен трехсекционным со сдвигом секций в пределах шага.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3