МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОМЕНТНЫЙ ТОРЦЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВОЛЕГОВА В.Е. Российский патент 1999 года по МПК H02K26/00 H02K29/06 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам с бесконтактной коммутацией секций обмоток статора в зависимости от положения ротора с помощью преобразователя частоты, т. е. к вентильным электродвигателям, получающим питание от источника постоянного тока.

Известны магнитоэлектрические моментные торцевые двигатели (ММТД), содержащие статор с обмоткой и ротор с постоянными магнитами, с неподвижной осью со ступицей и регулировочными кольцами, размещенными на оси, при этом тороидальные магнитопроводы выполнены с трапецеидальными зубьями (1).

Известны ММТД постоянного тока с дисковыми якорями и магнитами, установленными на кольцевой обойме с двух ее противоположных сторон, с ферромагнитными кольцевыми обоймами, снижающими уровень помех коллекторных пульсаций двигателя (2).

Существенными недостатками упомянутых устройств является низкая удельная мощность и значительные нагрузки на подшипники вала двигателя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является "Якорь для вентильного электродвигателя торцевого типа" (3), содержащий статор с платой, на которой расположены соединенные в секции катушки квазикольцевой формы, блок управления, составленный из нескольких ветвей для периодического подключения секций к источнику питания, несколько датчиков Холла, размещенных во внутреннем пространстве секций, выходы которых соединены, соответственно, с управляющими входами ветвей блока управления, ротор с тороидальным магнитом, с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью. Недостатками устройства, как и аналогов, является низкая удельная мощность и большие нагрузки на подшипники вала, приводящие к снижению надежности двигателя.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание ММТД с высокой удельной мощностью и повышенной надежностью за счет снижения нагрузки на подшипники вала.

Задача решается тем, что предлагаемый магнитоэлектрический моментный торцевой двигатель, содержащий статор с платой и соединенные в секции катушки квазикольцевой формы, блок управления, составленный из нескольких ветвей для периодического подключения секций к источнику питания, датчиков положения ротора, выводы которых соединены с управляющими входами ветвей блока управления, ротор с тороидальным магнитом с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью, отличается тем, что двигатель снабжен дополнительными магнитами, закрепленными на втулках, сидящих на валу ротора, магнитопроводами, размещенными на торцах крайних магнитов, чередующимися с магнитами электрическими блоками, закрепленными между собой и со статором, содержащими плату и радиатор, в пазах которого установлены секции катушек и датчики положения ротора, при этом магниты установлены с образованием тороидальных рабочих зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки, причем чередующиеся магнитные поля магнитов направлены навстречу друг другу, а выводы датчиков положения ротора и секции катушек в рядах электрических блоков соединены последовательно, или параллельно, или параллельно-последовательно и подключены через внешние стороны электрических блоков к блоку питания.

Кроме того, двигатель отличается тем, что обмотки катушек выполнены из ленты, покрытой изоляцией, и изготовлены из электропроводного и магнитомягкого материала.

Конструкция и принцип работы двигателя поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 показан один из вариантов реализации ММТД, состоящий из трех тороидальных магнитов, установленных на втулках, закрепленных на валу ротора, с двумя электрическими блоками, закрепленными между собой и со статором;
- на фиг. 2 приведена схема электрическая, принципиальная ММТД с блоком управления, состоящим из силовых ключей, и блоком питания;
- на фиг. 3 - конструктивное исполнение электрического блока, содержащего печатную плату и радиатор, в пазах которого установлены ленточные катушки и датчики положения чередующегося поля ротора, например датчики Холла;
- на фиг. 4 - топология печатной платы, обеспечивающей электрическое соединение катушек в три секции и соединение датчиков положения ротора между собой и с другими блоками;
- на фиг. 5 - эпюры напряжений в электрических блоках в зависимости от положения секций катушек и чередующегося поля ротора.

Двигатель содержит три тороидальных магнита 1, закрепленных на втулках 2, сидящих на валу 3 ротора, два магнитопровода 4, размещенных на торцах крайних магнитов 1, чередующиеся с магнитами 1 два электрических блока 5, закрепленных между собой и со статором 6. Каждый электрический блок 5 содержит печатную плату 7, обеспечивающую электрическое соединение, и радиатор 8, в пазах которого установлены шесть катушек 9, соединенные в три секции, и три датчика положения 10 ротора.

Секции катушек 9 сдвинуты в плоскости радиатора 8 и относительно друг друга на 60^o, а датчики положения 10 ротора на 120^o.

Все магниты 1 установлены на втулках 2 с образованием двух тороидальных рабочих зазоров 11, в пространстве которых размещены электрические блоки 5, при этом, чередующиеся магнитные поля магнитов 1 (см. фиг. 5) направлены навстречу друг другу и замыкаются магнитопроводами 4, суммируются и взаимодействуют с электрическими полями секций катушек 9 электрических блоков 5.

При выполнении катушек 9 из электропроводной, покрытой изоляцией ленты, изготовленной из магнитомягких материалов, например, из пермаллоя, магнитное сопротивление в зазоре уменьшается, а напряженность магнитного поля в нем увеличивается, соответственно, увеличивается мощность двигателя и мощность магнитной подушки. Это снижает нагрузку на подшипники вала двигателя.

Выводы датчиков положения 10 подключены к входам блока управления 12 и в процессе перемещения ротора формируют три группы сигналов управления тремя силовыми ключами 13, в коллекторные цепи которых подключены соответствующие секции катушек 9, другими концами соединенные с блоком питания 14.

При этом варианте исполнения ММТД, секции катушек 9 в двух рядах электрических блоков 5 подключены параллельно к блоку питания 14. Возможно последовательное или последовательно-параллельное подключение секций катушек 9 к источнику питания и соответствующим силовым ключам 13. При этом получаем возможность регулировать и управлять параметрами двигателя.

Управление переключениями секций катушек 9 дает возможность изменять параметры ММТД: мощность, число оборотов и направление вращения двигателя.

ММТД предлагаемого типа работает следующим образом.

При подключении блока питания 14 ротор двигателя приходит во вращение, поскольку предлагаемое чередующееся расположение электрических блоков 5 в тороидальном магнитном поле с чередующейся полярностью вызывает срабатывание датчиков положения 10 ротора и, соответственно, происходит последовательное срабатывание силовых ключей 13, которые создают импульсные токи I₁, I₂, I₃ в подключенных обмотках секций катушек 9.

При этом возникает сила, действующая между секциями катушек 9 и магнитным полем тороидального рабочего зазора 11, в результате ротор двигателя приходит во вращение.

Тороидальные магниты 1, установленные на втулках 2 с помощью магнитопроводов 4, обеспечивают формирование магнитной подушки в тороидальных рабочих зазорах 11, в которых размещены два электрических блока 5, взаимодействие полей катушек которых дает снижение нагрузок на подшипники вала двигателя (фиг. 5).

Потокосцепление магнитных полей магнитов 4 с электрическими полями секций катушек 9, при прохождении через них токов изменяется в зависимости от положения ротора, определяющего возникновение в обмотках электродвижущей силы ψ₁, ψ₂, ψ₃. Это приводит к взаимодействию магнитоэлектрических сил в каждом тороидальном рабочем зазоре 11, обеспечивающих создание вращающего момента на роторе при автоматическом переключении обмоток катушек 9 с помощью датчиков положения 10 ротора двигателя.

Суммирование в тороидальных рабочих зазорах 11 напряженности магнитных полей нескольких тороидальных магнитов 4 и электрических полей нескольких электрических блоков 5 позволяет получить высокую удельную мощность, а электромагнитная подушка, возникающая при этом между статором и ротором, значительно снижает нагрузки на подшипники вала, в целом это позволяет значительно увеличить надежность ММТД.

Изобретение дает возможность суммировать напряженности магнитных и электрических полей в тороидальных рабочих зазорах двигателя путем набора необходимого количества стандартных электрических блоков и тороидальных магнитов и таким образом создавать двигатели с необходимыми параметрами при высоком уровне унификации узлов и деталей.

Литература:
1. Авт. свид. СССР N 1775807, кл. H 02 К 23/54, Би 13, 91.

2. Авт. свид. СССР N 1640797, кл. H 02 К 23/54, Би 42, 92.

3. Патент России N 1813229, кл. H 02 К 29/06, Би 16, 93.

Использование: в вентильных электродвигателях, получающих питание от источника постоянного тока. Двигатель имеет дополнительные магниты, закрепленные на втулках, сидящих на валу ротора. Его магнитопроводы размещены на торцах крайних магнитов. С магнитами чередуются электрические блоки, связанные между собой и со статором. Они содержат плату и радиатор, в пазах которого установлены с образованием тороидальных зазоров электрические блоки, причем чередующиеся магнитные поля магнитов направлены навстречу друг другу. Выводы датчиков положения ротора и секций катушек в рядах электрических блоков соединены последовательно, или параллельно, или последовательно-параллельно и подключены через внешние стороны электрических блоков к блоку управления и блоку питания. Обмотки катушки могут быть выполнены из ленты, покрытой изоляцией, и изготовлены из электропроводного и магнитомягкого материала. Технический результат заключается в высокой удельной мощности и незначительных нагрузках на подшипники вала, что обеспечивает малые габариты и высокую надежность двигателя. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Магнитоэлектрический моментный торцевой двигатель, содержащий статор с платой и соединенные в секции катушки квазикольцевой формы, блок управления, состоящий из нескольких ветвей для периодического подключения секций к источнику питания, датчиков положения ротора, выводы которых соединены с управляющими входами ветвей блока управления, ротор с тороидальным магнитом, с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью, отличающийся тем, что двигатель снабжен дополнительными магнитами, закрепленными на втулках, сидящих на валу ротора, магнитопроводами, размещенными на торцах крайних магнитов, чередующимися с магнитами электрическими блоками, связанными между собой и со статором, содержащими плату и радиатор, в пазах которого установлены секции катушек и датчики положения ротора, при этом магниты установлены с образованием тороидальных зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки, причем чередующиеся магнитные поля магнитов направлены навстречу друг другу, а выводы датчиков положения ротора и секции катушек в рядах электрических блоков соединены последовательно, или параллельно, или последовательно-параллельно и подключены через внешние стороны электрических блоков к блоку управления и блоку питания. 2. Магнитоэлектрический моментный торцевой двигатель по п.1, отличающийся тем, что обмотки катушки выполнены из ленты, покрытой изоляцией, и изготовлены из электропроводного и магнитомягкого материала.