RU174854U1

RU174854U1 - Gearless Electromechanical Drive

Info

Publication number: RU174854U1
Application number: RU2016150065U
Authority: RU
Inventors: Владимир Анатольевич Кузнецов; Александр Александрович Трутс; Роман Александрович Чижевский
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2016-12-19
Publication date: 2017-11-08

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается конструктивного исполнения бесколлекторных электрических машин и может быть использована в системах автоматики, в качестве мотор-колес, генераторов, электроприводов, механизмов с высокими моментами на валу, в качестве прямых приводов в технике без применения механических редукторов, а также в качестве шаговых двигателей.Предложено устройство - безредукторный электромеханический привод, представляющий собой электрическую синхронную бесколлекторную машину обращенной конструкции с внешним ротором. На роторе установлены постоянные магниты. В компоновке устройства предусмотрено наличие вращающегося трансформатора в качестве датчика положения ротора. Управляющая электроника представлена в виде платы контроллера и четырех плат привода, включенных параллельно друг другу. Управляющие команды, поступающие на платы привода, формирует плата контроллера, передача команд осуществляется по защищенному протоколу. Каждая из плат привода является независимой и может быть отключена для экономии энергии. Кроме того, выход из строя любой из плат привода не приводит к выходу из строя всего устройства. Устройство может работать как в двигательном, так и в генераторном режиме, причем при работе в генераторном режиме предусмотрена возможность рекуперации накапливаемой энергии. Применяемая в устройстве компонентная база обладает повышенной стойкостью к радиационному воздействию и позволяет расширить возможную область применения.The utility model relates to the field of electrical engineering, in particular to high-torque electric motors, electric drives and generators, relates to the design of brushless electric machines and can be used in automation systems, as motor wheels, generators, electric drives, mechanisms with high moments on the shaft, as direct drives in technology without the use of mechanical gears, as well as stepper motors. A device is proposed - a gearless electromechanical drive, which is an electric synchronous brushless machine with a reversed design with an external rotor. Permanent magnets are mounted on the rotor. In the arrangement of the device, a rotary transformer is provided as a rotor position sensor. Control electronics are presented in the form of a controller board and four drive boards connected in parallel to each other. The control commands received by the drive boards are formed by the controller board; the commands are transmitted using a secure protocol. Each drive circuit pack is independent and can be disabled to save energy. In addition, the failure of any of the drive circuit packs does not lead to the failure of the entire device. The device can operate both in the motor and in the generator mode, and when working in the generator mode, it is possible to recover the accumulated energy. The component base used in the device has a high resistance to radiation exposure and allows you to expand the possible field of application.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники, в частности к высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается конструктивного исполнения бесколлекторных электрических машин и может быть использована в системах автоматики, в качестве мотор-колес, генераторов, электроприводов, механизмов с высокими моментами на валу, в качестве прямых приводов в технике без применения механических редукторов, а также в качестве шаговых двигателей.The proposed utility model relates to the field of electrical engineering, in particular to high-torque electric motors, electric drives and generators, relates to the design of brushless electric machines and can be used in automation systems, as motor wheels, generators, electric drives, mechanisms with high moments on the shaft, as direct drives in technology without the use of mechanical gears, and also as stepper motors.

Известно мотор-колесо для привода транспортных средств (патент РФ №2192354, кл. B60K 7/00 опубл. 10.11.2002).Known motor wheel for driving vehicles (RF patent No. 2192354, class. B60K 7/00 publ. 10.11.2002).

Данное устройство, представляющее собой мотор-колесо транспортного средства, содержащее двигатель, выполненный в виде асинхронной машины, статор которой жестко закреплен на транспортном средстве, а выводы его обмоток подключены к фазным выводам бортового или контактного источника электроэнергии, ротор выполнен в виде колеса, имеющего форму диска, изготовленного из магнитного материала и закрепленного на оси, выполненной с возможностью вращения, статор жестко закреплен на шасси транспортного средства и состоит из кольца, шихтованного из магнитной ленты, выполненного с радиальными пазами и установленного коаксиально оси, и катушек многофазной обмотки с выводами, расположенных в пазах кольца, причем торцевая поверхность диска размещена с аксиальным зазором относительно торцевой поверхности кольца статора, образуя с ним торцовую асинхронную машину. В мотор-колесо дополнительно введен преобразователь напряжения и частоты, а на наружном диаметре ротора установлена шина.This device, which is a motor-wheel of a vehicle, contains an engine made in the form of an asynchronous machine, the stator of which is rigidly fixed to the vehicle, and the terminals of its windings are connected to the phase terminals of an onboard or contact source of electricity, the rotor is made in the form of a wheel having the shape a disk made of magnetic material and mounted on an axis made for rotation, the stator is rigidly mounted on the chassis of the vehicle and consists of a ring lined from a magnetic tape made with radial grooves and mounted coaxially to the axis, and multiphase winding coils with leads located in the grooves of the ring, the end surface of the disk being placed with an axial clearance relative to the end surface of the stator ring, forming an end induction machine with it. A voltage and frequency converter is additionally introduced into the motor wheel, and a tire is installed on the outer diameter of the rotor.

Недостатком данного устройства является отсутствие системы резервирования, низкий пусковой момент и уменьшение действующего значения момента при внешней нагрузке.The disadvantage of this device is the lack of a redundancy system, a low starting torque and a decrease in the effective value of the torque with an external load.

За прототип принята электрическая машина (патент US №2013/0049498 А1, кл. H02K 9/00 опубл. 26.10.2012). Данное устройство относится к области электрических машин - электродвигателей и генераторов и к системе контроля тягового усилия.For the prototype adopted an electric machine (US patent No. 2013/0049498 A1, class. H02K 9/00 publ. 10.26.2012). This device relates to the field of electric machines - electric motors and generators and to the traction control system.

Указанное устройство представляет собой электрический двигатель для использования в колесе транспортного средства. Данный электрический двигатель имеет в своем составе набор катушек, являющихся частью статора, предназначенного для крепления к транспортному средству. На роторе, предназначенном для крепления непосредственно к колесу транспортного средства, расположены постоянные магниты. Ротор включает в себя один или несколько отдельных наборов катушек, которые обеспечивают создание магнитного поля двигателя. Электродвигатель, в свою очередь, имеет устройства управления, которые соединены с катушками для управления током. В конструкции статора применяется электротехническая листовая сталь, а ротор выполнен в виде цельной конструкции. В электрическом двигателе электроника управления катушечными группами выполнена на восьми электрических платах, причем платы работают одновременно.The specified device is an electric motor for use in the wheel of a vehicle. This electric motor incorporates a set of coils, which are part of the stator, designed for attachment to a vehicle. Permanent magnets are located on the rotor designed to be mounted directly to the vehicle wheel. The rotor includes one or more separate sets of coils, which provide the creation of a magnetic field of the engine. The electric motor, in turn, has control devices that are connected to coils for controlling current. In the design of the stator, electrotechnical sheet steel is used, and the rotor is made in the form of an integral structure. In an electric motor, coil control electronics are made on eight electrical boards, with the boards operating simultaneously.

Одним из основных недостатков данного устройства является наличие больших потерь на питание устройств управления катушечными группами.One of the main disadvantages of this device is the presence of large losses on the power of the control devices of the coil groups.

Ключевой задачей заявляемой полезной модели является уменьшение потерь на питание устройств управления катушечными группами.A key objective of the claimed utility model is to reduce power losses of coil control devices.

Предлагаемый безредукторный электромеханический привод является обращенной бесколлекторной электрической машиной постоянного тока на постоянных магнитах, причем обмотки статора сгруппированы в четыре группы с равным шагом, каждая группа коммутируется отдельной платой привода. Управление платами привода осуществляет плата контроллера. Платы привода и плата контроллера встроены в корпус безредукторного электромеханического привода. Реализация системы управления в виде четырех плат привода обеспечивает независимое управление каждой из четырех катушечных групп электрической машины. Четыре платы привода включены параллельно друг другу и имеют возможность отключения отдельных плат. Данное решение позволяет снизить энергетические затраты на питание процессоров плат привода и повышает энергоэффективность предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.The proposed gearless electromechanical drive is a reversed brushless DC permanent magnet electric machine, and the stator windings are grouped into four groups with equal pitch, each group is switched by a separate drive circuit board. The drive boards are controlled by the controller board. Drive boards and a controller board are integrated into the gearless electromechanical drive housing. The implementation of the control system in the form of four drive boards provides independent control of each of the four coil groups of the electric machine. Four drive boards are connected in parallel to each other and have the ability to disable individual boards. This solution allows to reduce the energy costs of powering the processor of the drive circuit packs and improves the energy efficiency of the proposed device in comparison with the prototype.

Технический результат, который достигается при реализации заявляемой полезной модели, заключается в увеличении энергоэффективности электромеханического привода.The technical result that is achieved by implementing the claimed utility model is to increase the energy efficiency of an electromechanical drive.

На Фиг. 1 представлена конструкция безредукторного электромеханического привода (в продольном разрезе).In FIG. 1 shows the design of a gearless electromechanical drive (in longitudinal section).

На Фиг. 2 представлена конструкция безредукторного электромеханического привода (вид в разрезе статора).In FIG. 2 shows the design of a gearless electromechanical drive (sectional view of the stator).

Устройство представляет собой обращенную электрическую синхронную бесколлекторную машину и состоит из статора (1), на котором размещены статорные зубцы с намотанными катушечными группами (2); внешнего ротора (3) с установленными по образующей постоянными магнитами (4); четырех плат приводов (5), соединенных параллельно друг другу и работающих независимо друг от друга, которые получают управляющие команды от платы контроллера (6) по защищенному протоколу обмена. На валу статора установлен корпус вращающегося трансформатора (7), а на валу ротора (3) через промежуточный корпус установлен ротор вращающегося трансформатора (8). Электрические соединители (9) установлены на неподвижном фланце (10) статора (1) и предназначены для передачи управляющих команд на плату контроллера, питания и рабочих параметров электромеханического привода. На фланце (10) предусмотрено механическое крепление к ступице транспортного средства или неподвижной части полезной нагрузки. Кроме того, платы привода размещены на радиаторных корпусах, а силовая электроника крепится непосредственно к радиаторной поверхности корпуса (11), чем обеспечивается рассеивание выделяемой тепловой энергии элементов. Вращение ротора (3) относительно статора (1) и поддержание равномерного постоянного магнитного зазора между постоянными магнитами (4) и катушечными группами (2) обеспечивается тремя подшипниками (12) - двумя силовыми опорными и одним поддерживающим.The device is a reversed electric synchronous brushless machine and consists of a stator (1), on which are placed stator teeth with wound coil groups (2); external rotor (3) with permanent magnets installed along the generatrix (4); four drive boards (5) connected in parallel to each other and working independently of each other, which receive control commands from the controller board (6) via a secure exchange protocol. A rotary transformer housing (7) is installed on the stator shaft, and a rotor of the rotary transformer (8) is installed on the rotor shaft (3) through an intermediate housing. Electrical connectors (9) are installed on the fixed flange (10) of the stator (1) and are designed to transmit control commands to the controller board, power supply and operating parameters of the electromechanical drive. The flange (10) provides mechanical fastening to the hub of the vehicle or the fixed part of the payload. In addition, the drive circuit boards are located on the radiator cases, and the power electronics are attached directly to the radiator surface of the case (11), which ensures the dissipation of the released thermal energy of the elements. The rotation of the rotor (3) relative to the stator (1) and maintaining a uniform constant magnetic gap between the permanent magnets (4) and the coil groups (2) is provided by three bearings (12) - two power bearings and one supporting one.

Устройство работает следующим образом:The device operates as follows:

Подключаются питание безредукторного электромеханического привода и информационные интерфейсы задающего устройства. Задающее устройство передает на центральный контроллер управляющую команду безредукторному электромеханическому приводу. Центральный контроллер обрабатывает данные, получаемые с платы обработки вращающегося трансформатора, и определяет положение вала ротора относительно статора. Центральный контроллер, в зависимости от положения вала ротора, вычисляет оптимальную форму магнитного поля статора, которую необходимо сформировать для достижения требуемого момента, направления вращения и угла поворота. По защищенному каналу плата контроллера передает управляющие команды платам привода, которые формируют требуемую форму магнитного поля статора. Магнитное поле статора при этом оказывается смещено относительно магнитного поля постоянных магнитов ротора на некоторый угол. Под действием магнитных сил ротор начинает вращение. Плата контроллера отслеживает изменение положения ротора по сигналам, получаемым с вращающегося трансформатора, и формирует новые управляющие команды для плат привода. Плата привода непрерывно продолжает отслеживать положение ротора и коммутирует фазы статора электрической машины так, чтобы вектор магнитного потока статора был ортогонален вектору магнитного потока ротора. При соблюдении ортогональности потоков статора и ротора обеспечивается поддержание максимального вращающего момента в условиях изменения частоты вращения, что предотвращает выпадение ротора из синхронизма и обеспечивает работу устройства с максимально возможным КПД. При движении по инерции электрическая машина переходит в генераторный режим, и плата контроллера с инвертором позволяют накапливать сгенерированную энергию. При отсутствии необходимости обеспечивать максимальный вращающий момент электромеханического привода, плата контроллера позволяет отключить от одной до трех плат управления катушечными группами.The power supply of a gearless electromechanical drive and the information interfaces of the master are connected. The master device transmits to the central controller a control command to the gearless electromechanical drive. The central controller processes the data received from the processing board of the rotating transformer and determines the position of the rotor shaft relative to the stator. The central controller, depending on the position of the rotor shaft, calculates the optimal shape of the stator magnetic field, which must be formed to achieve the desired moment, direction of rotation and angle of rotation. On a secure channel, the controller board transmits control commands to the drive boards, which form the desired shape of the stator magnetic field. The magnetic field of the stator in this case is shifted relative to the magnetic field of the permanent magnets of the rotor by a certain angle. Under the influence of magnetic forces, the rotor begins to rotate. The controller board monitors the change in rotor position based on signals received from a rotating transformer and generates new control commands for the drive cards. The drive board continuously continues to track the position of the rotor and commutes the stator phases of the electric machine so that the stator magnetic flux vector is orthogonal to the rotor magnetic flux vector. When observing the orthogonality of the stator and rotor flows, the maximum torque is maintained under conditions of changing rotational speed, which prevents the rotor from falling out of synchronism and ensures the operation of the device with the highest possible efficiency. When moving by inertia, the electric machine goes into generator mode, and the controller board with an inverter allows you to accumulate the generated energy. In the absence of the need to provide the maximum torque of the electromechanical drive, the controller board allows you to disable from one to three control boards for coil groups.

Claims

Gearless electromechanical drive reversed design, containing an internal fixed stator, including coil groups; external rotating rotor, including permanent magnets; rotor position sensor and control system, characterized in that the control system is implemented by four drives connected in parallel and working independently of each other.