Магнитный электродвигатель–генератор можно использовать в качестве тягового электродвигателя–генератора в электромобилях с одновременной зарядкой аккумуляторной батареи.
Устройство шестифазного магнитного электродвигателя-генератора поясняется с помощью рисунков, где на рис.1 представлен разрез магнитного электродвигателя-генератора, вид спереди, на рис. 2 – разрез по плоскости А – А (разрез статора и ротора).
Задача, решаемая при разработке данного предложения, заключается в увеличении мощности магнитного электродвигателя-генератора, повышении его КПД, а также в обеспечении работы магнитного электродвигателя-генератора в качестве тягового электродвигателя электромобиля и одновременно зарядного устройства для зарядки аккумуляторной батареи.
Ротор представляет собой цилиндр, на поверхности которого размещены секции из шести постоянных магнитов, равномерно размещенных по его длине, выполненных в виде клиньев, расширяющихся к статору, и расположенных относительно оси ротора под углом 65-75° залитых нейтральным по отношению к магнитным полям материалом. Вал ротора установлен в подшипниках и имеет с одной стороны шестерню, для подключения к редуктору привода колес электромобиля, с другой крыльчатку для охлаждения магнитного электродвигателя–генератора.
Статор это шести полюсный шестифазный полый цилиндр с постоянными магнитами расположенными на полой поверхности статора секциями по шесть магнитов, и равномерно распределенных по его длине, выполненных в виде клиньев, сужающихся к ротору, и расположенных относительно оси статора под углом 65-75° залитых нейтральным по отношению к магнитным полям материалом, и обращенных S-одноименными полюсами к постоянным магнитам ротора. По всей длине статора, между постоянными магнитами выполнены пазы, расположенные относительно оси статора под углом 65-75°, в которых установлены шесть статорных обмоток.
Принцип действия магнитного электродвигателя-генератора основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и магнитных полей ротора и статора.
Постоянные магниты ротора и статора обращены друг к другу S-одноименными полюсами, которые отталкиваются и заставляют ротор магнитного электродвигателя-генератора вращаться вокруг своей оси, обеспечивая высокую удельную мощность двигателя за счет сильной отталкивающей силы нескольких пар магнитов, а также повышенный КПД, за счет энергии высококоэрциативных постоянных магнитов, создающих сильные магнитные поля.
Вектор силы при этом приложен к торцам магнитов и направлен по касательной к ротору, что увеличивает крутящий момент магнитного электродвигателя-генератора.
При вращении ротора поток энергией постоянных магнитов, установленных в роторе, пересекает проводники статорных обмоток и индуцирует в обмотках переменную электродвижущую силу (ЭДС) Е, при подключении статорных обмоток к нагрузке, проходящий по этим обмоткам ток I cоздает изменяющееся магнитное поле, результирующий магнитный поток Ф создается совместными действиями магнитодвижущих сил: энергией вращающихся постоянных магнитов, установленных в роторе, изменяющимися магнитными полями статорных обмоток, и энергией постоянных магнитов установленных в статоре.
Магниты, используемые в магнитном электродвигателе-генераторе, это магниты с высоким значением магнитной индукции, такие как магниты на основе редкоземельных элементов, в частности, неодимовые магниты. Эти магниты имеют сильные магнитные поля и позволяют достигать высокой однородности поля. Недостатком этих магнитов является то, что они могут быть хрупкими и не выдерживать больших нагрузок. В этом случае наружные поверхности магнитов покрывают тонкой металлической оболочкой, например, медной.
Заливка постоянных магнитов нейтральным материалом максимально сохраняет работу магнитных полей магнитов, а также обеспечивает высокую мощность магнитного электродвигателя-генератора. Одним из факторов, способствующих получению этих преимуществ, является то, что в магнитном электродвигателе–генераторе практически нет железа. Это значительно снижает потери на вихревые токи и гистерезисные потери.
Работа магнитного электродвигателя-генератора в режиме тягового электродвигателя электромобиля с одновременной зарядкой аккумуляторной батареи.
Если магнитный электродвигатель-генератор установить на электромобиль подключив аккумуляторную батарею через частотный преобразователь, и на шесть статорных обмоток (или на три равноудаленных друг от друга статорные обмотки) подать напряжение, то по обмоткам статора пойдет синхронный переменный ток, создавая крутящий момент и заставляя ротор вращаться. Вращение ротора через шестерню, установленную на конце ротора, передается на редуктор, который вращает колеса электромобиля, приводя электромобиль в движение.
При запуске электромобиля, контролер подает напряжение на три равноудаленные друг от друга статорные обмотки, по этим обмоткам пойдет синхронный переменный ток, создавая крутящий момент и электродвигатель запускается. На три другие статорные обмотки напряжение не подается и к ним не подключена нагрузка, они работают в холостом режиме, тем самым, снижается потребление тока от аккумуляторной батареи. Педаль акселератора выключена и электромобиль находится без движения.
При нажатии на педаль акселератора, в зависимости от угла поворота, контролер подает напряжение на три или шесть обмоток электродвигателя и электромобиль начинает движение.
При спокойном равномерном движении по трассе контролер подает напряжение на три равноудаленные друг от друга статорные обмотки, а три другие статорные обмотки работают в холостом режиме.
При скоростном движении электромобиля по трассе или на подъеме в гору, а также в тяжелых дорожных ситуациях, напряжение подается на все шесть обмоток магнитного электродвигателя-генератора, и электродвигатель обеспечивает максимальную мощность электромобилю.
В зависимости от дорожной ситуации, спуск с горы, вынужденная остановка, например, перед светофором или стоянка электромобиля с работающим электродвигателем, а также учитывая положение акселератора (педаль акселератора выключена), электронный регулятор, контроллер отключает, например, напряжение на трех равноудаленных друг от друга статорных обмотках, а так как ротор вращается, поток энергии постоянных магнитов, установленных в роторе, пересекает проводники этих трех отключенных обмоток и индуцирует в них переменную электродвижущую силу (ЭДС) Е. Контроллер подключает эти три генераторные обмотки, к входу зарядного устройства, например, состоящего из двухтактного высоковольтного высокочастотного преобразователя с широтно-импульсной модуляцией со схемой управления, содержащего две цепи обратной связи по выходному току и напряжению. Такое построение силовой части зарядного устройства обеспечивает практически идеальные выходные характеристики генератора тока и генератора напряжения, надежную гальваническую развязку, высокий КПД в широком диапазоне питающих напряжений, а также высокие удельные массогабаритные и мощностные характеристики. Выход зарядного устройства подключается к аккумуляторной батареи, в результате чего происходит процесс её заряда.
Зарядное устройство имеет несколько наборов настроек, каждый набор называется «профиль». Профиль позволяет сохранять значения тока, напряжения верхнего порога, напряжения нижнего порога и алгоритм заряда. Каждый профиль настраивается индивидуально под конкретную дорожную ситуацию.
Зарядное устройство позволяет, регулировать силу зарядного тока, регулировать напряжение и выбирать профиль и алгоритм заряда аккумуляторной батареи, в зависимости от дорожной ситуации, сохраняя установленные настройки в профилях для дальнейшего переключения.
При движении электромобиля и нажатии на тормоз, контроллер отключает напряжение на трех равноудаленных друг от друга статорных обмотках и подключает эти обмотки (генераторные) к зарядному устройству. Происходит заряд аккумуляторной батареи. При отключении тормоза и нажатии на педаль акселератора, контроллер отключает зарядное устройство и эти три статорные обмотки через частотный преобразователь подключаются к аккумуляторной батареи и на шесть статорных обмоток подается напряжение, или эти три обмотки работают в режиме холостого хода, в зависимости от дорожной ситуации и положения акселератора.
Для индикации протекающего зарядного тока и напряжения используется графический жидко-кристалический индикатор.
В процессе заряда аккумуляторная батарея улучшает и восстанавливает свои главные характеристики – внутреннее сопротивление и емкость.
Кроме того, зарядное устройство можно использовать как многоцелевой источник постоянного тока, для питания бортовой автомобильной аппаратуры.
Данное техническое решение позволит уменьшить массогабаритные характеристики аккумуляторной батареи и массу электромобиля в целом, а также увеличить пробег электромобиля, так как зарядка аккумуляторной батареи происходит при движении электромобиля, а также поможет решить проблему дефицита аккумуляторных батарей, а также их утилизацию.
Магнитный электродвигатель-генератор, это экологически чистый прибор требует минимального потребления энергии, не загрязняет атмосферу и может быть использован в автомобилестроении, авиации, судостроении, машиностроении, и во многих других отраслях народного хозяйства.
Литература
1 Таланин Ю.В. Магнитный электродвигатель–генератор.
Патент RU 2 772 864, МПК Н02К 21/14 // Бюл. № 15. 2022. *
2 Таланин Ю.В. Магнитный электродвигатель–генератор.
Публикация: Журнал Силовая электроника, №4/2022 Стр.34-35
3 Таланин Ю.В. Области применения магнитного электродвигателя – генератора.
Публикация: Журнал Силовая электроника, №1/2024 Стр.37-39
* В соответствии с пунктом 1 статьи 1366 Гражданского кодекса РФ, содержащее публичное предложение о возможном заключении договора об отчуждении патента заинтересованным лицам.