CZ303973B6

CZ303973B6 - Kompaktní pohonná jednotka

Info

Publication number: CZ303973B6
Application number: CZ20120312A
Authority: CZ
Inventors: Plesinger@Filip; Behávka@Miroslav
Original assignee: Evektor, Spol. S R. O.
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2013-07-24
Also published as: CZ2012312A3; WO2013167096A3; WO2013167096A2

Abstract

Kompaktní pohonná jednotka obsahuje soustavu spínaných dvoupólových reluktancních elektromotoru (1), jejichz rotory (2) jsou vzájemne sprazeny pro pohon výstupního ústrojí pohonné jednotky a vuci statorum (4) jsou pootoceny v pravidelných úhlových rozestupech pro vyrovnání kolísání krouticího momentu pohonné jednotky, a procesor pro rízení spínání jednotlivých reluktancních elektromotoru (1).

Description

Vynález se týká kompaktní pohonné jednotky, obsahující soustavu spínaných reluktančních elektromotorů.

Dosavadní stav techniky

Vozidla či stroje jakéhokoliv druhu mohou být poháněny elektromotorem napájeným elektrickou energií uchovávanou jak ve formě akumulace, tak i přímo, to jest nezprostředkovaně, poskytované z elektrické rozvodné sítě. V případě autonomních vozidel či strojů poháněných prostřednictvím akumulované elektrické energie se kladou vysoké nároky na nízkou hmotnost a kompaktnost použitých komponent.

Aby se umožnilo praktické využití elektromotoru, je třeba dosáhnout co nejvyšších možných výkonových parametrů na jednotku hmotnosti a zároveň docílit co největšího možného akčního rádiusu vozidla najeden cyklus akumulace elektrické energie v příslušných úložištích, jako jsou akumulátory, kapacitory, akumulační jednotky, palivové články a podobně.

Nezbytným předpokladem pro maximální možné využití dispozice zástavbového prostoru je minimalizace rozměrových parametrů použitých komponent elektrického pohonu. Vzhledem k potřebě dosažení maximálních možných výkonových parametrů pohonu elektrického vozidla či stroje na jednotku hmotnosti je zapotřebí redukovat hmotnost použitých komponent elektrického pohonu na minimální možnou úroveň, avšak při zachování dostatečné robustnosti komponent. Tyto aspekty ovlivňují spolehlivost a životnost pohonné jednotky, která musí zároveň vykazovat vysoký stupeň bezpečnosti splňující požadavky legislativy a příslušných norem.

Zástavbové možnosti elektrického pohonu jsou často do značné míry omezeny prostorovým uspořádáním jednotlivých podskupin vozidla či stroje, které jsou vyhrazeny k primárnímu účelu užívání daného vozidla či stroje. Z výše uvedených důvodů dochází k omezení kapacitních možností akumulace elektrické energie, a tím k redukci akčního rádiusu elektrického vozidla či stroje.

V případě autonomních vozidel či strojů, u nichž je elektromotor napájen z akumulátorových článků, jsou v současné době jak prostorové, tak i hmotnostní nároky současných akumulátorů velmi vysoké a je tudíž zapotřebí vozidlo či stroj konstrukčně řešit takovým způsobem, aby byl pro akumulátorové články vytvořen dostatek zástavbového prostoru. Hmotnostní omezení jednotlivých kategorií vozidel a jejich akční rádius s přihlédnutím k uspořádání dalších podskupin vozidla či stroje jsou hlavními rozhodujícími faktory. Minimalizace jednotlivých komponent jak po stránce hmotnostní, tak i rozměrové, umožňuje použití akumulátorů o vyšší kapacitě, a tím pozitivně ovlivňuje akční rádius vozidla, resp. autonomitu stroje.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky dosavadního stavu techniky do značné míry eliminuje kompaktní pohonná jednotka podle vynálezu, jehož podstatou je, že tato kompaktní pohonná jednotka obsahuje soustavu spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů, jejichž rotory jsou vzájemně spřaženy pro pohon výstupního ústrojí pohonné jednotky a vůči statorům jsou pootočeny v pravidelných úhlových rozestupech pro vyrovnání kolísání kroutícího momentu pohonné jednotky, a procesor pro řízení spínání jednotlivých reluktančních elektromotorů. Případnou nepravidel- 1 CZ 303973 B6 nost v geometrickém uspořádání kompaktní pohonné jednotky obsahující soustavu spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů lze korigovat pomocí parametrů v řídicím programu procesoru.

Ve výhodném provedení vynálezu jsou osy otáčení rotorů vzájemně rovnoběžné.

V dalším výhodném provedení vynálezu obsahuje výstupní ústrojí pohonné jednotky hnaný hřídel pohonné jednotky pro přenos kroutícího momentu ze spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů.

V jiném výhodném provedení vynálezu obsahuje výstupní ústrojí kompaktní pohonné jednotky pro přenos kroutícího momentu ze spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů buď ozubené soukolí, a/nebo řetězový převod a/nebo převod ozubeným řemenem.

V ještě jiném výhodném provedení vynálezu je hnaný hřídel pohonné jednotky spřažen s hnacím hřídelem elektrického vozidla pro pohon hnacího kola elektrického vozidla.

Ve zvláště výhodném provedení vynálezu obsahuje kompaktní pohonná jednotka n spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů, u nichž jsou rotory nebo statory vůči sobě pootočeny v úhlových rozestupech 180°/n, kde n je přirozené číslo v rozmezí od 2 do 8. Takto může kompaktní pohonná jednotka obsahovat např. tři spínané dvoupólové reluktanční elektromotory, u nichž jsou rotory nebo statory vůči sobě pootočeny v úhlových rozestupech 60° nebo čtyři spínané dvoupólové reluktanční elektromotory, u nichž jsou rotory nebo statory vůči sobě pootočeny v úhlových rozestupech 45°.

Výhodné rovněž je, jsou-li statory spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů vytvořeny z plechů o tloušťce přesahující 2 mm nebo lépe 4 mm nebo ještě lépe jsou-li statory spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů vytvořeny z jediného kusu magnetického materiálu.

V jiném výhodném provedení vynálezu sdílejí alespoň dva rotory společný hřídel.

V ještě jiném výhodném provedení vynálezu jsou spínané dvoupólové reluktanční elektromotory uspořádány vedle sebe a jejich rotory jsou opatřeny ozubenými koly, z nichž ta, která spolu sousedí, jsou spolu v záběru.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále podrobněji popsán podle přiložených obrázků, kde na obr. 1 je schematicky znázorněno první příkladné provedení kompaktní pohonné jednotky bez znázornění spřažení spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů, na obr. 2 je schematicky znázorněno druhé příkladné provedení kompaktní pohonné jednotky, rovněž bez znázornění spřažení spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů, na obr. 3 je schematicky znázorněno další příkladné provedení kompaktní pohonné jednotky se znázorněným způsobem vzájemného spřažení, na obr. 4 je znázorněna varianta k obr. 3 s centrálním ozubeným kolem s vnitřním ozubením, na obr. 5 je schematicky znázorněno další příkladné provedení kompaktní pohonné jednotky pohánějící vrtuli, na obr. 6 je schematicky znázorněno další příkladné provedení kompaktní pohonné jednotky se statorovým plechem společným pro všechny statory a na obr. 7 je schematicky znázorněn řez kompaktní pohonnou jednotkou podle vynálezu.

-2CZ 303973 B6

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je schematicky znázorněno první příkladné provedení kompaktní pohonné jednotky. Tato kompaktní pohonná jednotka obsahuje soustavu tří spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů 1, jejichž rotory 2 jsou neznázoměným způsobem vzájemně spřaženy pro pohon výstupního ústrojí pohonné jednotky. Výstupním ústrojím kompaktní pohonné jednotky může být hnaný hřídel 6 pohonné jednotky zároveň sloužící buď jako hnací hřídel převodovky či rozvodovky vozidla, nebo jako hnací hřídel hnacího pojezdového kola vozidla. V jiných případech může výstupním ústrojím kompaktní pohonné jednotky být buď přímo disk hnacího pojezdového kola vozidla nebo centrální těleso vrtule 9, či lodního šroubu. Vrtule 9 může sloužit buď pro pohon létajícího dopravního prostředku, nebo může být součástí větrné elektrárny a v tom případě bude soustava spínaných dvoupólových reluktančních motorů pracovat ve funkci generátoru elektrické energie. Lodní šroub může sloužit buď pro pohon po/ve vodě se pohybujícího dopravního prostředku, nebo může být součástí vodní elektrárny a v tom případě bude soustava spínaných dvoupólových reluktančních motorů pracovat ve funkci generátoru elektrické energie. Statory 4 jsou opatřeny fázovými vinutími 5 a jsou uspořádány vzájemně rovnoběžně a rotory 2 jsou vůči nim nastaveny v pravidelných úhlových odstupech 60° pro vyrovnání kolísání kroutícího momentu pohonné jednotky. Případnou nepravidelnost v geometrickém uspořádání kompaktní pohonné jednotky obsahující soustavu spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů i lze korigovat pomocí parametrů v řídicím programu neznázoměného procesoru.

Na obr. 2 je schematicky znázorněno druhé příkladné provedení kompaktní pohonné jednotky, které se od prvního příkladného provedení liší v tom, že vzájemně rovnoběžně jsou uspořádány rotory 2 a statory 4 jsou vůči nim nastaveny v pravidelných úhlových odstupech 60° pro vyrovnání kolísání kroutícího momentu pohonné jednotky.

Na obr. 3 je schematicky znázorněno další příkladné provedení kompaktní pohonné jednotky se znázorněným způsobem vzájemného spřažení. Pohonná jednotka je opatřena výstupním ústrojím, které obsahuje pro přenos kroutícího momentu ze spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů I hnaný hřídel 6 pohonné jednotky. Rotory 2 jsou opatřeny ozubeným kolem 7, které svým ozubením zapadá do ozubení centrálního ozubeného kola 8, které je pevně spojené s hnaným hřídelem 6 pohonné jednotky. Ozubená kola 7 tvoří s centrálním ozubeným kolem 8 s vnějším ozubením ozubené soukolí, kterým se přenáší kroutící moment z jednotlivých spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů i na hnaný hřídel 6 pohonné jednotky.

Na obr. 4 je schematicky znázorněno další příkladné provedení kompaktní pohonné jednotky se znázorněným způsobem vzájemného spřažení. Na rozdíl od předchozího provedení zapadají ozubená kola 7 do vnitřního ozubení centrálního ozubeného kola 8, které je pevně spojené s hnaným hřídelem 6 pohonné jednotky. Ozubená kola 7 tvoří s centrálním ozubeným kolem 8 s vnitřním ozubením ozubené soukolí, kterým se přenáší kroutící moment z jednotlivých spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů i na hnaný hřídel 6 pohonné jednotky.

Na obr. 5 je schematicky znázorněno další příkladné provedení kompaktní pohonné jednotky, u něhož se kroutící moment přenáší na hnanou jednotku přímo, bez použití hnaného hřídele 6 pohonné jednotky. Takto lze dosáhnout přímého náhonu např. kola, vrtule nebo vodního šroubu. Na obr. 5 znázorněném příkladném provedení je centrální ozubené kolo 8 přímo a pevně spojeno s hnanou jednotkou, kterou je vrtule 9.

Na obr. 6 je schematicky znázorněno další příkladné provedení kompaktní pohonné jednotky, sestavené ze tří spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů 1, jejichž rotory 2 jsou vzájemně spřaženy ozubeným soukolím tvořeným ozubenými koly 7 rotorů 2, které svým ozubením zapadají do ozubení centrálního ozubeného kola 8, které je pevně spojené s hnaným hřídelem 6 pohonné jednotky. Statorový plech je zde společný pro všechny tři statory 4.

- j CZ 303973 B6

Na obr. 7 je schematicky znázorněn řez dalším příkladným provedením kompaktní pohonné jednotky. Na tomto obrázku je vidět, jak jsou rotory 2 pohonné jednotky vůči sobě posunuty v pravidelných úhlových odstupech, a to v úhlových odstupech po 45°. Případnou nepravidelnost v geometrickém uspořádání kompaktní pohonné jednotky obsahující soustavu spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů I lze korigovat pomocí parametrů v řídicím programu neznázorněného procesoru.

Pro vlastní funkci příkladných provedení kompaktní pohonné jednotky, obsahující soustavu spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů I, je nezbytné sestavit řetězec ovládání této soustavy. Tento ovládací řetězec obsahuje systém snímačů, např. snímač natočení rotorů 2, snímače napětí, snímače proudů, snímače teplot apod. Tento ovládací řetězec je napojen na řídicí jednotku obsahující procesor s řídicím programem a slaboproudé elektronické obvody. Dále ovládací řetězec obsahuje obvody výkonové elektroniky, připojené k fázovým vinutím 5 statorů

4.

V činnosti kompaktní pohonné jednotky jsou pomocí neznázorněného snímače natočení jednoho z rotorů 2 kompaktní pohonné jednotky, díky vzájemnému spřažení těchto rotorů 2, definována okamžitá natočení všech spřažených rotorů 2 vůči statorům 4. Na základě těchto informací rozhodne řídicí program v procesoru o vyslání signálů do slaboproudých elektronických obvodů pro připojení fázových vinutí 5 těch rotorů 2, které jsou v daném okamžiku vhodně natočeny vůči pólovým nástavcům 10 dvoupólových reluktančních elektromotorů i, ke svorkám zdroje elektrické energie. Slaboproudé elektronické obvody tyto signály zpracují tak, že umožní zprůchodněním obvodů výkonové elektroniky připojení zdroje elektrické energie na fázová vinutí 5 příslušných dvoupólových reluktančních elektromotorů i. Ve chvíli průchodu proudu fázovými vinutími 5 statoru 4 jednoho nebo případně více dvoupólových reluktančních elektromotorů i s vhodně natočenými rotory 2 vůči pólovým nástavcům 10 statorů 4 dojde vlivem působení elektromagnetických sil k přitahování pólů těchto rotorů 2 k pólovým nástavcům 10 statorů 4, a tím k otáčení rotorů 2. Toto se děje do chvíle, než řídicí program na základě informace ze snímače polohy natočení rotorů 2 a na základě dalších informací o aktuálním stavu elektrických veličin v kompaktní pohonné jednotce vyhodnotí nutnost vypnutí průchodu proudu příslušnými fázovými vinutími 5 statoru/statorů 4. Proud procházející fázovými vinutími 5 statoru/statorů 4 musí zaniknout nejpozději v okamžiku, kdy se póly rotoru 2 a statoru 4 vzájemně míjejí. Pokud by do tohoto okamžiku k zániku proudu ve fázových vinutích 5 statorů 4 nedošlo, silový účinek na otáčející se rotory 2 by byl opačný a reluktanční motory by byly brzděny, případně by se zastavily.

Napájecí napětí se tedy připojuje k jednotlivým fázovým vinutím 5 statorů 4 postupně tak, aby se rotory 2 otáčely vždy k následujícím pólovým nástavcům 10 statorů 4. V poloze, v níž rotor 2 přiléhá k pólovému nástavci 10 statoru 4, nevzniká v tomto rotoru 2 žádný kroutící moment, protože však jsou rotory 2 jednotlivých spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů I vůči sobě nastaveny v pravidelných úhlových odstupech, např. 45°, pro vyrovnání kolísání kroutícího momentu pohonné jednotky, vyvíjí kroutící moment další rotor 2, který je vůči sobě nejbližšímu statoru 4 úhlově pootočen. Protože jsou všechny rotory 2 jedné kompaktní pohonné jednotky vzájemně spřaženy, dostává se rotor 2, který předtím přiléhal k pólovému nástavci 10 statoru 4, postupně do polohy, která dovoluje vznik kroutícího momentu v požadovaném smyslu otáčení. Takto se výstupní ústrojí začne otáčet a zůstává v otáčkách střídavým a částečně i souběžným působením jednotlivých spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů T Vždy, když se jeden spínaný dvoupólový reluktanční elektromotor 1_ dostane do polohy, v níž v jeho rotoru 2 nevzniká žádný kroutící moment, vzniká kroutící moment v některých z dalších spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů i pohonné jednotky. Tím dochází k přibližnému vyrovnání průběhu kroutícího momentu na výstupním ústrojí pohonné jednotky a tato pohonná jednotka vykazuje přibližně rovnoměrné otáčky a výkon.

-4CZ 303973 B6

Popsaná uspořádání několika spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů I, zpravidla uspořádaných paralelně s osou rotace poháněné nápravy, umožňuje maximální využití kroutícího momentu při minimálních zástavbových rozměrech elektrického pohonu. Zástavba jednotlivých spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů i zároveň umožňuje prostorovou variabilitu, jak ukazují zobrazení výhodných provedení vynálezu. Spínané dvoupólové reluktanční elektromotory i se vyznačují jednoduchostí, minimálními výrobními náklady a maximální efektivitou vývinu kroutícího momentu. Přitom je jejich vhodným vzájemným mechanickým propojením možné obdržet téměř vyrovnaný tok kroutícího momentu na konci řetězce elektrického pohonu, např. na hnacích kolech vozidla.

Uvedené konfigurace elektrického pohonu je možné použít nejen jako motor motorového vozidla, jehož kroutící moment se rozvádí na jednotlivé nápravy nebo na jednotlivá kola za použití diferenciálu, ale i jako přímý náhon jednotlivých kol. Každá poloosa motorového vozidla může být osazena svou kompaktní pohonnou jednotkou, přičemž velikost kroutícího momentu na jednotlivých poloosách je možné řídit elektronicky, a tím optimalizovat chod vozidla. S výhodou lze také pomocí převodu vnitřním ozubením pohánět soustavou spínaných dvoupólových reluktančních motorů přímo disk jednotlivého hnacího kola vozidla, bez dalších mezičlenů.

Další výhodou popsaného řešení je snížená hlučnost ve srovnání s jinými typy elektromotorů, která je dána použitím menších jednoduchých reluktančních elektromotorů, které nejsou zatěžovány trvale, ale pouze nárazově. Takto je hluk od deformací struktury elektromotoru nahrazen mechanickým hlukem převodů, který lze snadněji eliminovat.

Průmyslová využitelnost

Kompaktní pohonnou jednotku lze využít pro pohon elektromobilů či jiných strojů, zejména tam, kde jsou spalovací motory z důvodu vyvíjení škodlivých zplodin nebo z důvodu výbušného prostředí nevhodné. Dále ji lze využít i pro hybridní pohony vozidel.

Reluktanční motory mají schopnost pracovat i v generátorovém chodu, to znamená, že všechna zmiňovaná výhodná uspořádání lze použít i ve funkci generátorů elektrické energie.

Claims

1. Kompaktní pohonná jednotka, vyznačující se tím, že obsahuje soustavu spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů (D, jejichž rotory (2) jsou vzájemně spřaženy pro pohon výstupního ústrojí pohonné jednotky a vůči statorům (4) jsou pootočeny v pravidelných úhlových rozestupech pro vyrovnání kolísání kroutícího momentu pohonné jednotky, a procesor pro řízení spínání jednotlivých reluktančních elektromotorů (1).

2. Kompaktní pohonná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že osy otáčení rotorů (2) jsou vzájemně rovnoběžné.

3. Kompaktní pohonná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že výstupní ústrojí pohonné jednotky obsahuje hnaný hřídel (6) pohonné jednotky pro přenos kroutícího momentu ze spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů (1).

-5CZ 303973 B6

4. Kompaktní pohonná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že výstupní ústrojí pohonné jednotky obsahuje pro přenos kroutícího momentu ze spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů (1) ozubené soukolí.

5. Kompaktní pohonná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že výstupní ústrojí pohonné jednotky obsahuje pro přenos kroutícího momentu ze spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů (1) řetězový převod a/nebo převod ozubeným řemenem.

6. Kompaktní pohonná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že hnaný hřídel (6) pohonné jednotky je spřažen s hnacím hřídelem elektrického ěi hybridního vozidla pro pohon hnacího kola elektrického či hybridního vozidla.

7. Kompaktní pohonná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje n spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů (1), u nichž jsou rotory (2) nebo statory (4) vůči sobě pootočeny v úhlových rozestupech 180%, kde n je přirozené číslo v rozmezí od 2 do 8.

8. Kompaktní pohonná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že statory (4) spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů (1) jsou vytvořeny z plechů o tloušťce přesahující 2 nebo lépe 4 mm.

9. Kompaktní pohonná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že statory (4) spínaných dvoupólových reluktančních elektromotorů (1) jsou vytvořeny z jediného kusu magnetického materiálu.

10. Kompaktní pohonná jednotka podle nároku 3, vyznačující se tím, že alespoň dva rotory (2) sdílejí společný hřídel (6).

11. Kompaktní pohonná jednotka podle nároku 4 nebo 5, vyznačující se tím, že spínané dvoupólové reluktanční elektromotory (1) jsou uspořádány vedle sebe a jejich rotory (2) jsou opatřeny ozubenými koly (7), z nichž ta, která spolu sousedí, jsou spolu v záběru.

7 výkresů