ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК H02K29/14 H02K21/12 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электродвигателям постоянного тока с встроенным тахогенератором.

Известны плоские бесконтактные двигатели с встроенным тахогенератором [1-3] , которые содержат внешний ротор в виде кольцевого постоянного магнита, явнополюсный статор с обмотками, расположенный внутри ротора, и тахогенератор в виде кольцевой катушки, намотанной на гибкую ленту, которая размещена на держателе снаружи кольцевого магнита с минимальным зазором. Магнит имеет две зоны радиального намагничивания: внутренние полюса необходимы для создания момента вращения, внешние - для получения сигналов в катушке тахогенератора, при этом число полюсов внутренней зоны магнита меньше числа полюсов внешней зоны, а шаг обмотки тахогенератора соответствует полюсному делению внешней зоны магнита. Двигатели имеют достаточно высокие энергетические показатели, а сигнал тахогенератора свободен от наводок силового поля. Однако они имеют довольно сложную конструкцию и большие габариты.

Известен также вентильный электродвигатель [4], который содержит ротор в виде массивного магнитопровода с внутренней полостью, на поверхности которой выполнены зубцы. Во внутренней полости неподвижно установлен тахогенератор, который имеет круглую пластину с зубцами на внешней кромке. На пластине закреплен магнит, на который концентрично намотана катушка. Силовые магниты закреплены на нижней торцовой поверхности массивного магнитопровода. Катушки статора расположены по окружности напротив силовых магнитов.

Близок по конструкции к данной двигатель [5].

Данная конструкция более компактна, но сложна в изготовлении, так как содержит много сопрягаемых деталей, а также зубчатые поверхности, обращенные друг к другу, где необходимо обеспечить равномерный минимальный зазор.

Наиболее близким по конструкции к заявляемому электродвигателю является вентильной торцовый электродвигатель [6] , содержащий статор с обмоткой якоря, подключенной к полупроводниковому коммутатору, и ротор в виде многополюсного кольцевого магнита, закрепленного на дисковом магнитопроводе. Магнит намагничен в аксиальном направлении. Двигатель содержит тахогенератор, магнитопровод которого выполнен в виде двух внешних соосных с ротором колец, имеющих концентрические выступы, обращенные друг к другу. На этих выступах расположены обмотка тахогенератора, а также датчики положения ротора. Двигатель имеет простую конструкцию и технологичен в изготовлении, обладает высокой равномерностью вращения и достаточной амплитудой сигнала тахогенератора, однако в нем нерационально использовано магнитное поле магнита, что сопровождается увеличением радиального размера машины.

В основу изобретения положена задача создания вентильного электродвигателя с встроенным тахогенератором, обладающего простой конструкцией, высокой равномерностью вращения и достаточной амплитудой сигнала тахогенератора, который имел бы при этом значительно уменьшенные размеры за счет рационального использования магнитного поля кольцевого магнита.

Поставленная задача решается тем, что в электродвигателе, содержащем статор с обмоткой якоря, подключенной к полупроводниковому коммутатору, ротор в виде кольцевого многополюсного постоянного магнита, намагниченного в аксиальном направлении и закрепленного на магнитопроводе, и обмотку тахогенератора, размещенного на дополнительном магнитопроводе, согласно изобретению дополнительный магнитопровод закреплен неподвижно во внутреннем пространстве кольцевого магнита соосно с ним и выполнен из гибкой ленты в виде прямой призмы, имеющей в основаниях правильные многоугольники с закругленными углами, при этом число углов равно числу одноименных полюсов магнита, длина дуги закругления каждого угла составляет одну треть полюсного шага магнита, а обмотка тахогенератора размещена концентрично оси ротора вокруг граней призмы.

Дополнительный магнитопровод может быть снабжен концентраторами магнитного поля, выполненными в виде лепестков на закругленных углах оснований призмы, отогнутых наружу в сторону внутренней цилиндрической поверхности кольцевого магнита.

Вентильный электродвигатель, выполненный в соответствии с изобретением, характеризуется простотой конструкции и исключительной компактностью благодаря тому, что встроенный тахогенератор размещен во внутреннем пространстве кольцевого магнита, намагниченного аксиально.

На фиг.1 изображен электродвигатель в собранном виде, разрез по оси; на фиг. 2 представлена плата статора с обмотками, вид сверху; на фиг.3 и 4 показаны магнитопроводы тахогенератора в виде четырехгранной и трехгранной призм в изометрии; на фиг.5 и 6 - магнитопроводы тахогенератора с лепестковыми концентраторами магнитного поля в изометрии; на фиг.7 - условно разнесенные магнит и встроенный тахогенератор в изометрии; на фиг.8 показано взаимное расположение тахогенератора и магнита в сборе, разрез по оси.

Вентильный электродвигатель содержит состоящую из нескольких катушек статорную обмотку 1 (фиг.1, 2), размещенную на неподвижной диэлектрической плате 2, вал 3, установленный в подшипнике 4 скольжения. На статорной плате 2 установлены также датчики 5 положения ротора, например датчики Холла. На валу 3 закреплены магнитопроводы 6 и 7, при этом на магнитопроводе 6 установлен кольцевой постоянный магнит 8 ротора, намагниченный вдоль оси вращения. Статорная плата 2 размещена с зазорами между магнитом 8 и магнитопроводом 7. На втулке подшипника 4 во внутреннем пространстве магнита 8 и соосно с ним с помощью фигурного пластмассового вкладыша 9 установлен тахогенератор, состоящий из магнитопровода 10 и обмотки 11. Магнитопровод 10 выполнен из одного или несколькихл слоев гибкой ленты из материала с высокой магнитной проницаемостью (например, из пермаллоя) в виде прямой призмы, число граней которой равно числу одноименных полюсов магнита 8. Например, если кольцевой магнит 8 имеет восемь чередующихся полюсов (по четыре одноименных полюса), то магнитопровод 10 имеет форму четырехгранной призмы (фиг. 2, 3, 7). Если магнит 8 имеет шесть чередующихся полюсов (по три одноименных полюса), то магнитопровод 10 выполняется в виде трехгранной призмы (фиг.4). При увеличении числа полюсов магнита число граней (и, следовательно, углов) призмы должно быть увеличено в соответствии с указанным условием.

Обмотка 11 тахогенератора размещена вокруг граней призмы концентрично оси ротора. Таким образом, магнит 8 является общим индуктором для статорной обмотки 1 (со стороны торцовой поверхности) и обмотки 11 тахогенератора (со стороны внутренней цилиндрической поверхности). Магнитопровод 10 при любом числе граней выполняется с закругленными углами 12, которые расположены на одинаковом и одновременно минимальном расстоянии от внутренней цилиндрической поверхности магнита 8. Длина дуги закругления каждого угла составляет одну треть полюсного шага τ магнита 8 (фиг.7).

Магнитопровод 10 может быть снабжен лепестковыми концентраторами 13 магнитного поля (фиг.5 и 6), размещенными на углах оснований призмы и отогнутыми наружу в сторону внутренней цилиндрической поверхности магнита 8.

Предлагаемый электродвигатель работает следующим образом.

Обмотка 1 статора подключается к источнику питания через электронный блок управления (на фигурах не показан), который коммутирует секции обмотки 1 по сигналам, поступающим с датчиков 5 положения ротора. В результате взаимодействия токов обмотки 1 статора с магнитным полем магнита 8 возникает вращающий момент. Магнитный поток, создаваемый полюсами магнита 8, проходит через магнитопровод 10 (фиг.8). При этом каждое основание призмы магнитопровода 10 получает одноименное намагничивание, так как углы 12 магнитопровода 10, расположенные с минимальным зазором с внутренней цилиндрической поверхностью магнита 8, размещены симметрично вблизи одноименных полюсов, а влияние противоположных полюсов на удаленные от них грани незначительно. Таким образом, при аксиальном намагничивании полюсов магнита 8 верхнее и нижнее основания магнитопровода 10 приобретают противоположное намагничивание, чем обеспечивается необходимое замыкание поля. При вращении магнита 8 в обмотке 11 наводится переменное напряжение. Длина дуги закругления каждого угла 12, равная одной трети полюсного шага τ магнита 8, обеспечивает оптимальную форму напряжения, приближенную к синусоидальной. При повороте магнита 8 происходит изменение направления магнитного потока в магнитопроводе 10 и наведенная ЭДС в обмотке изменяет знак. Выходной сигнал тахогенератора имеет частоту, пропорциональную числу полюсов магнита и частоте вращения ротора. Амплитуда этого сигнала определяется числом витков обмотки 11 и частотой вращения ротора. Этот сигнал несет информацию о скорости вращения электродвигателя, поступающую в систему стабилизации скорости вращения электродвигателя. Помехозащищенность сигнала тахогенератора обеспечивается тем, что обмотка 11 расположена над платой 2 с катушками обмотки 1, которые образуют две фазы. В каждой из них две катушки, составляющие одну фазу, включены встречно, поэтому их суммарное поле незначительно.

Заявляемый электродвигатель может быть выполнен с двумя магнитами, в каждый из которых встроен тахогенератор. Статорная плата размещается в зазоре между магнитами. Такой двигатель обладает удвоенной мощностью, а выходной сигнал тахогенератора имеет удвоенную частоту.

Предлагаемый вентильный электродвигатель с встроенным тахогенератором характеризуется высокой равномерностью вращения, достаточной для управления двигателем, амплитудой и частотой сигнала тахогенератора, простотой и компактностью конструкции.

Были изготовлены действующие образцы вентильного электродвигателя для привода лентопротяжных механизмов магнитофонов в соответствии с фиг.1-8, проведены испытания и получены следующие данные: Напряжение питания 5 В Номинальный момент вращения 10 Г см Пусковой момент 60 Г см Частота вращения 2000 об/мин Число фаз статора 2 Количество катушек обмотки 4 Данные магнита: материал сплав Nd-Fe-B размеры кольца ⊘ 27˙16˙2,5 мм число полюсов 8 Данные тахогенератора: форма магнитопровода четырех-
гранная
призма материал магнито- провода пермаллой амплитуда сигнала 0,5 В частота сигнала 110 Гц ширина зазора 0,3 мм Габаритные размеры двигателя 35˙45˙20 мм Масса 50 г
Вентильный электродвигатель предназначен для использования в системах автоматики и вычислительной техники, а также в системах звуковоспроизведения - видео- и звуковых магнитофонах, плейерах, проигрывателях и других приборах, где требуются малогабаритные системы электропривода.

Использование: в электродвигателях постоянного тока с электронной коммутацией обмоток. Сущность: в вентильном электродвигателе во внутреннем пространстве магнита 8 размещен тахогенератор, состоящий из магнитопровода 10 и обмотки 11. Магнитопровод 10 выполнен из гибкой ленты в виде прямой призмы, число граней которой равно числу одноименных полюсов магнита 8, при этом углы призмы имеют закругления, длина дуги которых составляет одну треть полюсного шага магнита 8. Обмотка 11 тахогенератора размещена вокруг граней призмы концентрично оси ротора. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий статор с обмоткой якоря, подключенной к полупроводниковому коммутатору, ротор в виде кольцевого многополюсного постоянного магнита, намагниченного в аксиальном направлении и закрепленного на магнитопроводе, и обмотку тахогенератора, размещенную на дополнительном магнитопроводе, отличающийся тем, что дополнительный магнитопровод закреплен неподвижно во внутреннем пространстве кольцевого магнита соосно с ним и выполнен из гибкой ленты в виде прямой призмы, имеющей в основаниях правильные многоугольники с закругленными углами, при этом число углов равно числу одноименных полюсов магнита, длина дуги закругления каждого угла составляет одну треть полюсного шага магнита, а обмотка тахогенератора размещена вокруг граней призмы концентрично оси ротора. 2. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что дополнительный магнитопровод снабжен концентраторами магнитного поля, выполненными в виде лепестков на закругленных углах оснований призмы и отогнутыми в сторону внутренней цилиндрической поверхности кольцевого магнита.