RU2696752C1

RU2696752C1 - Traction system of electric vehicle

Info

Publication number: RU2696752C1
Application number: RU2018139263A
Authority: RU
Inventors: Олег Фёдорович Меньших
Original assignee: Олег Фёдорович Меньших
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2019-08-05

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to the vehicles electrical traction systems. Traction system of electric vehicle comprises accumulator battery and DC to AC converter. Power transformer of the voltage converter has a multi-lead secondary winding with N equidistant in voltage distributed leads relative to the common terminal, connected one by one through bidirectional thyristors or a pair of anti-parallel connected thyristors, controlled from electronic unit, to rectifier with filter. Output of rectifier with filter is connected to brushless DC motor with sliding contacts. Electronic unit comprises an analogue-to-digital converter with a reference voltage source with a precision potentiometer connected to it, which changes the input control voltage supplied to the input of the analogue-to-digital converter. Engine of precision potentiometer is mechanically connected with accelerator pedal. Output of the analogue-to-digital converter is connected to the decoder outputs, to which thyristor optocouplers are connected, which control switching on the corresponding bidirectional thyristors or pairs of anti-parallel connected thyristors.

EFFECT: technical result consists in improvement of reliability of traction system of electric vehicle.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве регулируемого энергетического блока электромобиля.The invention relates to electrical engineering and can be used as an adjustable energy unit of an electric vehicle.

Известны различные конструкции тяговых систем электромобилей, включающие источники питания - обычно литий-ионные батареи аккумуляторов, устройства преобразования напряжения и различного рода двигатели - коллекторные постоянного тока, асинхронные и синхронные многофазные переменного тока с использованием вариаторов для плавной регулировки скорости движения автомобиля. К преимуществам коллекторных двигателей постоянного тока относится возможность плавной регулировки вращательного момента изменением постоянного напряжения и высокие пусковые моменты. Однако серьезные недостатки этих двигателей, связанные с наличием у них коллектора - источника ненадежности их работы, привели к отказу от их использования в электромобилях в пользу асинхронных двигателей переменного тока с использованием вариаторов в схеме трансмиссии.Various designs of electric vehicle traction systems are known, including power supplies - usually lithium-ion battery batteries, voltage conversion devices and various kinds of motors - DC collector, asynchronous and synchronous multiphase alternating current using variators for smoothly adjusting the vehicle speed. The advantages of DC collector motors include the ability to continuously adjust the torque by changing the DC voltage and high starting torques. However, the serious drawbacks of these engines due to the presence of a collector, a source of unreliability of their work, led to the abandonment of their use in electric vehicles in favor of asynchronous AC motors using variators in the transmission scheme.

Указанные недостатки известных тяговых систем устранены в заявляемом техническом решении.These disadvantages of the known traction systems are eliminated in the claimed technical solution.

Целями изобретения являются повышение надежности работы и обеспечение простыми средствами вариации крутящего момента в рабочем двигателе с высоким к.п.д.The objectives of the invention are to increase reliability and provide simple means of varying the torque in a working engine with high efficiency

Указанные цели достигаются в заявляемой тяговой системе электромобиля, содержащей аккумуляторную батарею и преобразователь постоянного напряжения в переменное, отличающейся тем, что силовой трансформатор на однофазное напряжение с повышенной частотой 0,4…1 кГц преобразователя напряжения имеет многоотводную вторичную обмотку с N эквидистантно по напряжению распределенными выводами относительно общего вывода, подключаемые по одному через симисторы или пары встречно-параллельно включенных тиристоров, управляемые от электронного блока, к выпрямителю с фильтром через согласующий трансформатор или без него, выход выпрямителя с фильтром подключен к бесколлекторному двигателю постоянного тока со скользящими контактами, а электронный блок содержит аналого-цифровой преобразователь с источником опорного напряжения с подключенным к нему прецизионным потенциометром, изменяющим входное управляющее напряжение, подаваемое на вход аналого-цифрового преобразователя, движок прецизионного потенциометра механически связан с педалью акселератора, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к дешифратору с N≤2^m выходами, где m - число двоичных разрядов кода на выходе аналого-цифрового преобразователя, к которым подключены N тиристорных оптопар, управляющих включением соответствующих симисторов или пар встречно-параллельно включенных тиристоров. При этом бесколлекторный двигатель постоянного тока со скользящими контактами выполнен из неподвижно установленных центрального прямого магнита, например, неодимового, со скругленными магнитными полюсами и магнитопроводящего цилиндра, между которыми размещен немагнитный цилиндрический стакан с осью его вращения и немагнитной крышкой, на которых выполнена рабочая обмотка, подключенная к скользящим контактам, части витков которой, находящиеся в двух магнитных зазорах, ортогональны векторам пространственно ограниченного радиально-цилиндрического магнитного поля, создаваемого указанным прямым постоянным магнитом.These goals are achieved in the inventive electric vehicle traction system, comprising a battery and a DC-to-AC converter, characterized in that the single-phase voltage transformer with an increased frequency of 0.4 ... 1 kHz voltage converter has a multi-tap secondary winding with N voltage-distributed terminals relative to the common output, connected one at a time through triacs or pairs of counter-parallel connected thyristors, controlled by electronic block a, to the rectifier with a filter through or without a matching transformer, the output of the rectifier with a filter is connected to a brushless DC motor with sliding contacts, and the electronic unit contains an analog-to-digital converter with a reference voltage source with a precision potentiometer connected to it, which changes the input control voltage supplied to the input of the analog-to-digital converter, the engine of the precision potentiometer is mechanically connected to the accelerator pedal, the output of the analog-to-digital pre The browser is connected to a decoder with N≤2 ^m outputs, where m is the number of binary bits of the code at the output of the analog-to-digital converter, to which N thyristor optocouplers are connected, which control the inclusion of the corresponding triacs or pairs of on-parallel thyristors. In this case, a DC brushless motor with sliding contacts is made of fixed central direct magnet, for example, neodymium, with rounded magnetic poles and a magnetically conducting cylinder, between which there is a non-magnetic cylindrical cup with its rotation axis and a non-magnetic cover, on which a working winding connected to sliding contacts, parts of the turns of which are in two magnetic gaps, are orthogonal to the vectors of a spatially bounded radial of cylindrical magnetic field generated by said permanent magnet direct.

Достижение целей изобретения объясняется использованием электронной цифровой системы управления коэффициентом трансформации многоотводного силового транс-форматора преобразователя постоянного напряжения аккумуляторной батареи в варьируемое переменное напряжение с высоким к.п.д. преобразования и последующим его выпрямлением и фильтрацией, а также использованием бесколлекторного двигателя постоянного тока со скользящими контактами с целью повышения надежности работы (путем исключения искрения в скользящих контактах) и увеличения его быстроходности из-за исключения переходных процессов, характерных для коллекторных двигателей.The achievement of the objectives of the invention is explained by the use of an electronic digital control system for the coefficient of transformation of the multi-tap power transformer of the DC / DC converter of the battery into a variable AC with high efficiency transformation and its subsequent rectification and filtration, as well as the use of a brushless DC motor with sliding contacts in order to increase reliability (by eliminating sparking in sliding contacts) and increase its speed due to the exclusion of transients characteristic of collector motors.

На рис. 1 приведена блок-схема системы, включающей:In fig. 1 shows a block diagram of a system including:

1 - аккумуляторную батарею (АБ), например, литийионную с напряжением 400…600 В;1 - rechargeable battery (AB), for example, lithium-ion with a voltage of 400 ... 600 V;

2 - преобразователь напряжения (ПН) постоянного напряжения в переменное с повышенной частотой (для снижения массогабаритных параметров силового трансформатора);2 - voltage converter (PN) DC to AC with increased frequency (to reduce the weight and size parameters of the power transformer);

3 - электронно-управляемый силовой трансформатор (ЭУСТ), вторичная обмотка которого имеет N отводов с равным шагом по напряжению между смежными выводами;3 - electronically controlled power transformer (ECT), the secondary winding of which has N taps with an equal voltage step between adjacent terminals;

4 - блок электронного управления (БЭУ) переключением выводов трансформатора 3,4 - electronic control unit (BEU) by switching the terminals of the transformer 3,

5 - бесколлекторный двигатель постоянного тока (БДПТ), питаемый постоянным током.5 - brushless DC motor (BDTT), powered by direct current.

На рис. 2 представлена обобщенная принципиальная схема заявляемой системы, которая включает следующие элементы и узлы:In fig. 2 presents a generalized schematic diagram of the inventive system, which includes the following elements and nodes:

6 - задающий генератор преобразователя напряжения 2,6 - master oscillator voltage Converter 2,

7 - силовые транзисторы выходного каскада генератора, определяющие выходную мощность генерации напряжения с повышенной частотой, например, 400…1000 Гц,7 - power transistors of the output stage of the generator, determining the output power of voltage generation with an increased frequency, for example, 400 ... 1000 Hz,

8 - силовой трансформатор с N - отводной вторичной обмоткой,8 - power transformer with N - tap secondary winding,

9 - силовые симисторы (силовые тиристорные пары), их число равно N,9 - power triacs (power thyristor pairs), their number is N,

10 - тиристорные оптопары, тиристоры которых включают соответствующие силовые симисторы 9 по цепи «управляющий электрод симистора - тиристор оптопары - ограничивающий резистор R₁ - незаземленный источник питания 11 (ИН1) - анод симистора», а светодиоды оптопар включены по цепи: «низковольтный заземленный источник питания 12 (ИП2) - ограничивающий резистор R₂ - светодиод оптопары - i-ый выход дешифратора 13»,10 - thyristor optocouplers, the thyristors of which include the corresponding power triacs 9 along the circuit "triac control electrode - optocoupler thyristor - limiting resistor R ₁ - ungrounded power supply 11 (IN1) - triac anode", and the optocoupler LEDs are connected through the circuit: "low voltage grounded source power supply 12 (IP2) - limiting resistor R ₂ - optocoupler LED - i-th output of the decoder 13 ",

13 - m-разрядный двоичный дешифратор с N рабочими выходами (по числу рабочих выводов с вторичной обмотки силового трансформатора 8), причем N≤2^m,13 - m-bit binary decoder with N working outputs (according to the number of working conclusions from the secondary winding of the power transformer 8), with N≤2 ^m ,

14 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с двоичными m разрядами на выходе,14 - analog-to-digital Converter (ADC) with binary m bits at the output,

15 - источник опорного напряжения для АЦП, например, с напряжением +5 В,15 is a reference voltage source for the ADC, for example, with a voltage of +5 V,

16 - прецизионный потенциометр - датчик управляющего напряжения, регулятор которого механически связан с педалью акселератора.16 - precision potentiometer - a control voltage sensor, the regulator of which is mechanically connected to the accelerator pedal.

17 - согласующий трансформатор (при необходимости),17 - matching transformer (if necessary),

18 - выпрямительный мост Греца, диоды которого закреплены на пластине охлаждения, с фильтром, а также с возможностью установки переключателя для реверса двигателя,18 - rectifier bridge Grets, the diodes of which are mounted on a cooling plate, with a filter, as well as with the ability to install a switch for reversing the engine,

19 - бесколлекторный двигатель постоянного тока со скользящими контактами,19 - brushless DC motor with sliding contacts,

20 - неподвижно расположенный прямой неодимовый магнит со скругленными магнитными полюсами, создающий в рабочих зазорах магнитное поле, скрещенное к рабочим частям проводников рабочей обмотки ротора (на рис. 3 этот магнит обозначен цифрой 21).20 - a fixed neodymium direct magnet with rounded magnetic poles, creating a magnetic field in the working gaps, crossed to the working parts of the conductors of the working rotor winding (in Fig. 3 this magnet is indicated by the number 21).

На рис. 3 приведена одна из конструкций БДПТ 5 с указанными обозначениями:In fig. 3 shows one of the structures of the BDT 5 with the indicated designations:

21 - плоский неодимовый магнит со скругленными магнитными полюсами,21 is a flat neodymium magnet with rounded magnetic poles,

22 - магнитопроводящий цилиндрический статор,22 - magnetic conductive cylindrical stator,

23 - рабочую обмотку статора в форме «беличьего колеса»,23 - working winding of the stator in the form of a "squirrel wheel",

24 - цилиндрический стакан с осью вращения из немагнитного электропроводящего материала, например, Д-16,24 - a cylindrical glass with an axis of rotation of a non-magnetic electrically conductive material, for example, D-16,

25 - крышку цилиндрического стакана с укороченной втулкой вращения из немагнитного материала,25 - the cover of a cylindrical glass with a shortened sleeve of rotation of non-magnetic material,

26 - токосъемную крышку двигателя,26 - slip cover of the engine,

27 - боковую крышку двигателя с неподвижной втулкой, обращенной внутрь двигателя,27 - a side cover of the engine with a fixed sleeve facing the inside of the engine,

28 - контргайку жесткого крепления оси неодимового магнита 21; на этой оси имеется резьба,28 - a lock nut of rigid fastening of an axis of a neodymium magnet 21; there is a thread on this axis,

29 - щеткодержатель с парой подпружиненных к кольцевым контактам 30 и 31 щеток,29 is a brush holder with a pair of brushes spring-loaded to the annular contacts 30 and 31,

30 - изолированный от оси вращения ротора кольцевой (например, медный) контакт, подключенный с началом рабочей обмотки ротора,30 - ring (for example, copper) contact isolated from the axis of rotation of the rotor, connected at the beginning of the working winding of the rotor,

31 - касающийся оси вращения ротора кольцевой (например, медный) контакт,31 - touching the axis of rotation of the rotor, an annular (for example, copper) contact,

32 - электроды подключения двигателя к источнику питания, к мосту Греца 18,32 - electrodes connecting the engine to a power source, to the Graz bridge 18,

33 - электрически закрепленный на цилиндрическом стакане 24 конец обмотки 23,33 - electrically fixed on a cylindrical glass 24 end of the winding 23,

34 - один их четырех подшипников двигателя.34 - one of the four engine bearings.

На рис. 4 показана часть фронтального разреза двигателя со следующими размерами: R - радиус рабочей обмотки 23, r_П - радиус скруглений магнитных полюсов N и S плоского неодимового магнита 21 с осями его неподвижного крепления, Н - ширина магнита 21 при заданной его длине L (не указана на рис. 3), Δ - магнитные зазоры между магнитными полюсами магнита 21 и цилиндрического магнитопровода статора 22, внутри которых располагается цилиндрический стакан 24 с рабочей обмоткой 23 ротора с воздушными зазорами от магнитных полюсов и цилиндрического статора (неподвижных частей двигателя).In fig. Figure 4 shows a part of the frontal section of the motor with the following dimensions: R is the radius of the working winding 23, r _P is the radius of rounding of the magnetic poles N and S of the flat neodymium magnet 21 with the axes of its fixed mount, N is the width of the magnet 21 for a given length L (not specified in Fig. 3), Δ are the magnetic gaps between the magnetic poles of the magnet 21 and the cylindrical stator magnetic circuit 22, inside which there is a cylindrical cup 24 with a working winding 23 of the rotor with air gaps from the magnetic poles and the cylindrical stator (fixed engine parts).

На рис. 5 показана выборочно организация намотки проводника рабочей обмотки 23 в форме «беличьего колеса» на поверхности цилиндрического стакана в сборе с неодимовым магнитом 21 и крышкой 25 с ее втулкой. Так, начальный первый проводник огибает втулку крышки 25 и далее идет по сплошной стрелке на противоположный конец этой крышки, занимая положение n/2, где n - число витков в рабочей обмотке 23. Затем показано направление шестого проводника, огибающего втулку крышки 25 и занимающего место (n/2)+5 на противоположном конце стакана 24. Наконец, одиннадцатый проводник, огибая втулку крышки 25, идет далее по прерывистой стрелке на место за номером (n/2)+10, и т.д. Таким способом осуществляется намотка n витков рабочей обмотки 23. Все проводники рабочей обмотки 23 также огибают втулку на днище цилиндрического стакана.In fig. Figure 5 shows the selective organization of the winding of the conductor of the working winding 23 in the form of a “squirrel wheel” on the surface of a cylindrical glass assembly with a neodymium magnet 21 and a cover 25 with its sleeve. So, the initial first conductor bends around the sleeve of the cover 25 and then goes along the solid arrow to the opposite end of this cover, occupying position n / 2, where n is the number of turns in the working winding 23. Then, the direction of the sixth conductor enveloping the sleeve of the cover 25 is shown and takes place (n / 2) +5 at the opposite end of the cup 24. Finally, the eleventh conductor, bending around the bushing of the lid 25, goes further along the discontinuous arrow to the place given by the number (n / 2) +10, etc. In this way, winding n turns of the working winding 23. All the conductors of the working winding 23 also bend around the sleeve on the bottom of the cylindrical glass.

Рассмотрим действие заявляемой тяговой системы электромобиля.Consider the action of the claimed traction system of an electric vehicle.

Пусть для определенности дешифратор 13 имеет 64 выхода, первый из которых, обозначен, как «0», соответствует нулевому управляющему напряжению с выхода прецизионного потенциометра 16, при котором на выходе АЦП 14 образуется 6-и разрядный двоичный код 000000, и при этом на выходе «0» дешифратора возникает логический «0» (не более 0,4 В). На остальных выходах дешифратора имеются сигналы логической «1» (не менее 4 В), если применяются микросхемы ТТЛ-логики. При этом все светодиоды оптопар 10 не включены и не светятся, а соответственно все силовые симисторы 9 являются выключенными, а двигатель 5 обесточен. По мере увеличения напряжения с выхода прецизионного потенциометра 16 (то есть при соответствующем нажатии на педаль акселератора) на одном из выходов дешифратора 13 возникает сигнал логического «0» и при этом зажигается соответствующий светодиод оптопары 10 от заземленного источника ИП2 и включается оптотиристор этой оптопары, что приводит к включению силового симистора 9 по его управляющему электроду от незаземленного источника ИП1. При этом к БДПТ 5 подводится переменное напряжение от силового трансформатора 8 по соответствующему выводу его вторичной обмотки, и на колеса передается требуемый вращательный момент. Максимальный вращательный момент возникает при подаче на вход дешифратора 13 двоичного кода 111111.For definiteness, let the decoder 13 have 64 outputs, the first of which, designated as “0”, corresponds to the zero control voltage from the output of the precision potentiometer 16, at which the 6-bit binary code 000000 is formed at the output of the ADC 14, and at the same time at the output A decoder “0” produces a logical “0” (no more than 0.4 V). The remaining outputs of the decoder have logical 1 signals (at least 4 V) if TTL logic chips are used. Moreover, all the LEDs of the optocouplers 10 are not turned on and are not lit, and accordingly, all power triacs 9 are turned off, and the motor 5 is disconnected. As the voltage increases from the output of the precision potentiometer 16 (that is, when the accelerator pedal is pressed accordingly), a logic “0” signal appears at one of the outputs of the decoder 13 and the corresponding optocoupler 10 LED from the grounded IP2 source lights up and the opto-thyristor of this optocoupler turns on, which leads to the inclusion of power triac 9 on its control electrode from an ungrounded source IP1. At the same time, alternating voltage from the power transformer 8 is supplied to the BDT 5 at the corresponding output of its secondary winding, and the required torque is transmitted to the wheels. The maximum torque occurs when a binary code 111111 is supplied to the input of the decoder 13.

Дешифратор 13 на 64 выхода может быть собран на четырех микросхемах ТТЛ-логики К155ИДЗ, на младшие разряды которых параллельно включены младшие четыре разряда с выхода АЦП 14, а старшие два разряда с АЦП разведены на входы EN разрешения работы соответствующих четырех дешифраторов на микросхемах К155ИД3 через дополнительный дешифратор на четыре выхода, например, выполненный на интегральной микросхеме К155ИД4.The decoder 13 for 64 outputs can be assembled on four TT15 logic chips K155IDZ, the lower bits of which are connected in parallel the lower four bits from the output of the ADC 14, and the upper two bits with the ADC are separated to the EN inputs of the resolution of the corresponding four decoders on the K155ID3 chips through an additional a four-output decoder, for example, made on the K155ID4 integrated circuit.

Рассмотрим пример реализации электромобиля в его тяговой системе.Consider an example of the implementation of an electric vehicle in its traction system.

Пусть рабочий двигатель 5 имеют наибольшую мощность 30 кВт при напряжении на его рабочих обмотках 400 В, что отвечает току в 75 А. Это отвечает мощности автомашины в 40 л.с. - вполне достаточной для бюджетного автомобиля при скорости движения до 100 км/ч. При емкости аккумулятора 400 А*час, запас хода по электроэнергии составляет 5,3 часа при скорости 100 км/ч. Этого оказывается достаточным при внутригородской езде и сравнительно недальних поездок за городом (до 500 км).Let the working engine 5 have the greatest power of 30 kW at a voltage of 400 V on its working windings, which corresponds to a current of 75 A. This corresponds to a vehicle power of 40 hp. - It is quite sufficient for a budget car at a speed of up to 100 km / h. With a battery capacity of 400 A * hour, the power reserve is 5.3 hours at a speed of 100 km / h. This turns out to be sufficient for intercity driving and relatively short-term trips outside the city (up to 500 km).

Для автомашин представительского класса можно применять тяговую систему с наибольшей мощностью около 150 кВт (более 200 л.с.) при напряжении 600 Вис полным током до 250 А. При этом можно применить литий-ионные аккумуляторы емкостью 2000 А»час, рассчитанных на 8-и часовой разряд при скорости 180…200 км/ч. Правда, стоимость такой батареи аккумуляторов превышает 1 млн.рублей.For executive cars, you can use a traction system with a maximum power of about 150 kW (more than 200 hp) at a voltage of 600 Vis with a full current of up to 250 A. At the same time, lithium-ion batteries with a capacity of 2000 A "hour, designed for 8- and hourly discharge at a speed of 180 ... 200 km / h. True, the cost of such a battery of batteries exceeds 1 million rubles.

Работа двигателя (рис. 3) особых пояснений не требует. Он включает неподвижный статор из неодимового магнита 21 и цилиндрического магнитопровода 22 и ротор из рабочей обмотки 23, намотанной на цилиндрическом полом стакане 24 из немагнитного материала, свободно вращающемся в магнитном зазоре между элементами 21 и 22. Рабочие части обмотки 23 длиной L находящиеся в цилиндрическом магнитном зазоре, ориентированы ортогонально к магнитному полю. Поэтому возникающая в обмотке 23 сила Лоренца образует вращательный момент, и ротор вращается в соответствии с правилом левой руки. Конструкция двигателя понятна из рассмотрения рис. 3-5.The operation of the engine (Fig. 3) does not require special explanations. It includes a fixed stator of a neodymium magnet 21 and a cylindrical magnetic core 22 and a rotor from a working winding 23 wound on a cylindrical hollow cup 24 of non-magnetic material, freely rotating in the magnetic gap between elements 21 and 22. The working parts of the winding 23 of length L located in a cylindrical magnetic the gap, oriented orthogonally to the magnetic field. Therefore, the Lorentz force arising in the winding 23 forms a rotational moment, and the rotor rotates in accordance with the rule of the left hand. The design of the engine is clear from the consideration of Fig. 3-5.

Как видно на рис. 3 и 4, в двух магнитных зазорах шириной Δ каждый располагается по р частей витков рабочей обмотки 3, общее число которых равно n=2π R/d, где d - диаметр проводника рабочей обмотки при ее плотной намотке виток к витку. При известных значениях ширины Н неодимового магнита 21 и радиусе закругления r_П его магнитных полюсов легко вычисляется угол взаимодействия магнитного поля с р отрезками витков рабочей обмотки 23, то есть с прямыми проводниками длиной L, Этот радиальный угол а вычисляется по следующей формуле:

As seen in fig. 3 and 4, in two magnetic gaps of width Δ each is located on p parts of the turns of the working winding 3, the total number of which is n = 2π R / d, where d is the diameter of the conductor of the working winding when it is tightly wound round to round. With the known values of the width H of the neodymium magnet 21 and the radius of curvature r _{P of} its magnetic poles, the angle of interaction of the magnetic field with p segments of the turns of the working winding 23, that is, with straight conductors of length L, can be easily calculated. This radial angle a is calculated by the following formula:

Длина дуги

на рабочей обмотке 23, охватываемая магнитным полем с индукцией В, легко вычисляется из выражения:Arc length

on the working winding 23, covered by a magnetic field with induction B, is easily calculated from the expression:

и на этой длине дуги размещается р отрезков проводника длиной L каждый, где

Тогда полная длина проводника рабочей обмотки 23 в любой момент времени при вращении ротора, охваченного магнитным полем с магнитной индукцией В в двух магнитных зазорах, равна L_Σ согласно выражениям (1) и (2):and on this length of the arc there are p pieces of conductor of length L each, where

Then the full length of the conductor of the working winding 23 at any time during the rotation of the rotor covered by a magnetic field with magnetic induction B in two magnetic gaps is equal to L _Σ according to expressions (1) and (2):

Согласно закона об электромагнитной индукции (правило левой руки) в скрещенном к магнитному полю с индукцией В прямом проводнике длиной L_Σ с протекающем по нему током J возникает поперечная к проводнику сила Лоренца F, значение которой находится по формуле:According to the law on electromagnetic induction (the rule of the left hand) in a magnetic field crossed with induction In a direct conductor of length L _Σ with a current J flowing through it, a Lorentz force F transverse to the conductor appears, the value of which is found by the formula:

Рассмотрим пример одной из возможных реализаций не автомобильного двигателя.Consider an example of one of the possible implementations of a non-car engine.

Пусть L=0,1 м, Н=2 r_П/3, d=2 мм, R=0.06 м, В=1.3 Тл и J=30 А, Тогда имеем для α=arctg

= arctg 0.3162=0,30625 рад. При этом р=R α/d=2*60*0,30625/2 ≈ 18, следовательно, L_Σ = 2 р L=3,6 м. Тогда легко находим полную касательную Лоренцеву силу, действующую в любой момент времени на рабочую обмотку 3, равную F=В L_Σ J=1,3*3,6*30=140,4 ньютон. При R=0,06 м вращательный момент W=F R=140,4 * 0,06=8,414 Дж. При скорости вращения выходной оси ротора f=50 об/сек, то есть при ω=314 рад/сек получаем механическую мощность двигателя Р_М=8.414 *314=2644 Вт. При этом плотность тока в медном проводнике выбирается порядка 10 А/мм², что допустимо. Магнитные зазоры Δ можно выбрать равными 8 мм, так что между полюсами магнита 21 и внутренней стенкой цилиндрического стакана 24, а также между наружной кромкой проводника рабочей обмотки 23 и магнитопроводящим цилиндром 22 статора образуются воздушные зазоры по 2 мм, и при этом толщина стенки цилиндрического стакана 24 составляет также 2 мм.Let L = 0.1 m, H = 2 r _P / 3, d = 2 mm, R = 0.06 m, B = 1.3 T and J = 30 A, then for α = arctg

= arctg 0.3162 = 0.30625 rad. Moreover, p = R α / d = 2 * 60 * 0.30625 / 2 ≈ 18, therefore, L _Σ = 2 p L = 3.6 m. Then we easily find the full tangent Lorentz force acting at any moment on the working winding 3, equal to F = B L _Σ J = 1.3 * 3.6 * 30 = 140.4 newton. At R = 0.06 m, the rotational moment is W = FR = 140.4 * 0.06 = 8.414 J. At a speed of rotation of the output axis of the rotor f = 50 r / s, that is, at ω = 314 rad / s we obtain the mechanical power of the engine P _M = 8.414 * 314 = 2644 W. In this case, the current density in the copper conductor is selected on the order of 10 A / mm ² , which is permissible. Magnetic gaps Δ can be chosen equal to 8 mm, so that between the poles of the magnet 21 and the inner wall of the cylindrical cup 24, as well as between the outer edge of the conductor of the working winding 23 and the magnetically conducting cylinder 22 of the stator, air gaps of 2 mm are formed, and the wall thickness of the cylindrical cup 24 is also 2 mm.

При вращении ротора в его рабочей обмотке возникает э.д.с. индукции с обратным знаком полярности по сравнению с полярностью питающего напряжения U источника постоянного тока. Величину возникающей э.д.с. Е находят из известного соотношения:When the rotor rotates in its working winding, an emf occurs reverse polarity induction compared to the polarity of the supply voltage U of the DC source. The magnitude of the emerging emf E is found from a known ratio:

При подстановке в (5) указанных выше величин, имеем Е= -1,3*3,6*314*0,06 = -88,16 В. То есть напряжение питания U при этом должно несколько превышать по модулю величину Е. Это превышение ΔU=ρ J, где ρ - активное сопротивление всей рабочей обмотки 23 с ее выводами, которое определяется для медного проводника как ρ=0,017 Ом.м/мм² х (полную длину обмотки с выводами в метрах) / (сечение медного проводника в кв.мм.). Полное число витков рабочей обмотки n=2π R/d=6,28*60/2=188 витков. Длина одного витка равна 2 (102+39)=282 мм, а полная длина рабочей обмотки 23 равна 0,282*188=53 м С учетом выводов принимаем длину проводника равной 53,2 м. Тогда сопротивление в цепи ротора будет равно 0.017*53,2/3,14=0,288 Ом. При токе J=30 А получаем ΔU=8,64 В. Следовательно, напряжение источника питания на выходных клеммах 32 двигателя должно быть равно U=ΔU+|Е|=8,64+88,16=96,80 В. При этом потребляемая мощность Р_О составляет Р_О=96,8*30=2904 Вт. Тогда КПД двигателя в таком режиме равен η=2544/2904=0,876.Substituting the above values into (5), we have E = -1.3 * 3.6 * 314 * 0.06 = -88.16 V. That is, the supply voltage U should slightly exceed the value of E. excess ΔU = ρ J, where ρ is the active resistance of the entire working winding 23 with its terminals, which is determined for the copper conductor as ρ = 0.017 Ohm.m / mm ² x (the total length of the winding with the terminals in meters) / (section of the copper conductor in sq. mm.). The total number of turns of the working winding n = 2π R / d = 6,28 * 60/2 = 188 turns. The length of one turn is 2 (102 + 39) = 282 mm, and the total length of the working winding 23 is 0.282 * 188 = 53 m. Based on the findings, we take the length of the conductor to 53.2 m. Then the resistance in the rotor circuit will be 0.017 * 53, 2 / 3.14 = 0.288 ohms. At a current of J = 30 A, we obtain ΔU = 8.64 V. Therefore, the voltage of the power source at the output terminals 32 of the motor should be equal to U = ΔU + | E | = 8.64 + 88.16 = 96.80 V. the power of P _O is P _O = 96.8 * 30 = 2904 W. Then the engine efficiency in this mode is η = 2544/2904 = 0.876.

Отметим, что с увеличением питающего напряжения U будет расти мощность и КПД такого двигателя, поскольку ΔU =const(ω) при заданном наибольшем токе J, что весьма существенно отличает его от коллекторных двигателей постоянного тока. Поэтому предлагаемый двигатель может найти широкое распространение в технике.Note that with an increase in the supply voltage U, the power and efficiency of such an engine will increase, since ΔU = const (ω) at a given maximum current J, which very significantly distinguishes it from DC collector motors. Therefore, the proposed engine can be widely used in engineering.

Недостатком рассматриваемого двигателя постоянного тока (БДПТ) с подачей на него переменного тока является невозможность его работы в режиме реверса, и его нельзя устанавливать непосредственно в колеса, так как будет невозможно движение задним ходом.The disadvantage of this DC motor (ACBP) with the supply of alternating current to it is the impossibility of its operation in reverse mode, and it cannot be installed directly in the wheels, since it will be impossible to reverse.

Применение заявляемой тяговой системы позволит существенно упростить состав оборудования автомобиля, получить высокий пусковой момент, то есть приемистость машины, при сохранении достаточно большого ресурса по пробегу без подзарядки аккумуляторной батареи. Такой автомобиль может найти широкий спрос у населения в его бюджетном варианте.The application of the inventive traction system will significantly simplify the composition of the car’s equipment, get a high starting torque, that is, the throttle response of the car, while maintaining a sufficiently large resource in mileage without recharging the battery. Such a car can find wide demand among the population in its budget option.

Claims

1. The traction system of an electric vehicle, comprising a battery and a DC-to-AC converter, characterized in that the single-phase voltage transformer with an increased frequency of 0.4 ... 1 kHz voltage converter has a multi-tap secondary winding with N voltage-distributed distributed leads relative to the common terminal connected one at a time through triacs or pairs of counter-parallel connected thyristors, controlled from the electronic unit, to the rectifier with a filter through a supporting transformer or without it, the output of the rectifier with a filter is connected to a brushless DC motor with sliding contacts, and the electronic unit contains an analog-to-digital converter with a reference voltage source with a precision potentiometer connected to it, which changes the input control voltage supplied to the input of the analog-digital the converter, the engine of the precision potentiometer is mechanically connected to the accelerator pedal, the output of the analog-to-digital converter is connected to the decoder with N≤2 ^m outputs, where m is the number of binary bits of the code at the output of the analog-to-digital converter, to which N thyristor optocouplers are connected, controlling the inclusion of the corresponding triacs or pairs of counter-parallel connected thyristors.

2. The traction system of an electric vehicle according to claim 1, characterized in that the brushless DC motor with sliding contacts is made of fixed central direct magnet, for example neodymium, with rounded magnetic poles and a magnetically conducting cylinder, between which a non-magnetic cylindrical cup with its axis of rotation is placed and a non-magnetic cover, on which the working winding is connected, connected to the sliding contacts, the parts of the turns of which, located in two magnetic gaps, are orthogonal to vectors of a spatially limited radial-cylindrical magnetic field created by the specified direct permanent magnet.