МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОМЕНТНЫЙ 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 двигатели (ММД), 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 ММД 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 являются низкая удельная мощность и значительные нагрузки на подшипники вала двигателя.

Наиболее близок 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 N ветвей для периодического подключения секций к источнику питания, N 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.

Недостатком устройства, как и аналогов, является низкая удельная мощность и большие нагрузки на подшипники вала.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание ММД с высокой удельной мощностью и малыми нагрузками на подшипники вала, приводящими к повышению надежности двигателя.

Задача решается тем, что предлагаемый ММД содержит статор с платой и соединенные в секции катушки квазикольцевой формы, блок управления, составленный из нескольких ветвей для периодического подключения секций к источнику питания, датчиков перемещения 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, упирающимися в торцы крайних магнитов магнитопроводами, на подшипниках, сидящих на полом валу статора, чередующимися с магнитами электрическими блоками, содержащими плату и радиатор, в пазах которого установлены секции катушек и датчики положения ротора, при этом все магниты установлены в обоймах, соединенных между собой и с магнитами 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 через отверстия полого вала подключены к блоку питания и блоку управления.

ММД может отличаться тем, что обмотки катушек выполнены из ленты, покрытой изоляцией, и изготовлены из электропроводного и магнитомягкого материала.

Конструкция и принцип работы двигателя поясняются чертежами, где:
- на фиг. 1 показан один из вариантов ММД с внешним ротором, состоящим из трех тороидальных магнитов, установленных в обоймах, с двумя электрическими блоками, закрепленными на полом валу статора, и через отверстия полого вала подключены к блокам управления и питания;
- на фиг. 2 приведена схема электрическая, принципиальная ММД с блоком управления, состоящим из силовых ключей, и блоком питания;
- на фиг. 3 - конструкция электрического блока, содержащего коммутационную плату и радиатор, в пазах которого установлены ленточные катушки и датчики положения ротора, например датчики Холла;
- на фиг. 4 - топология коммутационной платы, обеспечивающая соединение катушек в секции и соединение датчиков положения ротора между собой и с другими блоками;
- на фиг. 5 - эпюры напряжений и токов в электрических блоках в зависимости от положения секций катушек и чередующегося магнитного поля ротора.

Двигатель содержит два магнитопровода 1 на подшипниках 2, сидящих на полом валу 3 статора и упирающихся в торцы крайних магнитов 4. Три магнита 4 чередуются с двумя электрическими блоками 5, содержащими коммутационную плату 6 и радиатор 7.

Коммутационная плата 6 электрически соединяет шесть ленточных катушек 8 в три парных секции и три датчика положения 9, например датчика Холла, с блоком управления 12. Секции катушек 8 смещены друг относительно друга на 60^o, а датчики положения ротора на 120^o. Катушки 8 и датчики установлены в пазах радиатора 7, который обеспечивает отвод тепла и механическую прочность электрического блока 5. Все магниты 4 установлены в обоймах 10, соединены механически между собой и с магнитопроводами 1, с образованием тороидальных зазоров 11, в пространстве которых размещены электрические блоки 5, закрепленные на полом валу 3 статора.

Ряды магнитов 4 установлены в обоймах 10 таким образом, что их чередующиеся магнитные поля направлены навстречу друг другу (см. фиг. 5) и замыкаются магнитопроводами 1, при этом напряженность магнитного поля всех магнитов 4 суммируется в тороидальных зазорах 11.

При выполнении катушек 9 из электроизолированной, электропроводной ленты, изготовленной из магнитомягких материалов, например из пермаллоя, магнитное сопротивление в тороидальном зазоре уменьшается и, соответственно, возрастает напряженность магнитного поля в зазоре. При этом КПД двигателя возрастает, увеличивается его мощность. Это сопровождается увеличением напряженности магнитного поля в рабочем зазоре 11 и снижением нагрузки на подшипники вала двигателя.

Выходы датчиков положения 9 через отверстия полого вала подключены к входам блока управления 12, и в процессе вращения ротора они формируют три группы сигналов управления силовыми ключами 14, в коллекторные цепи которых подключены секции катушек 8, соединенные другими выводами с блоком питания 13. При этом, секции катушек 8 в различных рядах электрических блоков соединены параллельно, возможно и последовательное, а также последовательно- параллельное подключение секций. При этом получаем возможность регулировать и управлять параметрами двигателя.

Управление переключением секций катушек 8 дает возможность изменять параметры ММД: мощность, число оборотов в минуту и направление вращения двигателя.

ММД предлагаемой конструкции работает следующим образом.

При подключении напряжения источника питания 13 ротор приходит во вращение, поскольку предложенное объединение рядов электрических блоков 5 и расположение магнитов 4 с чередующейся полярностью формирует в зазоре 11 напряженность электромагнитного поля, которое вызывает срабатывание датчиков положения 9 и, соответственно, происходит срабатывание силовых ключей 14, которые создают импульсные токи I₁, I₂, I₃ в подключенных обмотках секций катушек 8 (фиг. 5).

При этом возникает электродвижущая сила, действующая между катушками и магнитным полем тороидального зазора 11, в результате ротор двигателя приходит во вращение.

Тороидальные магниты 4, установленные в обоймах 10 благодаря магнитопроводам 1, обеспечивают формирование магнитной подушки в тороидальном зазоре 11, в которых размещены два электрических блока 5, взаимодействие электрических и магнитных полей снижает нагрузку на подшипники ротора.

Потокосцепление суммарного магнитного поля магнитов 4 и электрического поля катушек 8, при прохождении через них токов, изменяется в зависимости от положения ротора, регулирующего с помощью датчиков положения возникновение в обмотках электродвижущей силы ψ₁, ψ₂, ψ₃ (фиг. 5). Это приводит к возникновению магнитоэлектрических сил в каждом тороидальном зазоре 11, обеспечивающих создание вращающего момента на роторе при автоматическом переключении обмоток катушек 8 в чередующемся магнитном поле ротора двигателя.

Из эпюр фиг. 5 следует, что предложенная конструкция ММД обеспечивает суммирование напряженности магнитных полей нескольких тороидальных магнитов в тороидальном зазоре 11 и электрических полей нескольких электрических блоков 5. Таким образом появляется возможность получить высокую удельную мощность двигателя, а электромагнитная подушка рабочего зазора 11 позволяет снизить нагрузки на подшипники вала ротора, повышая надежность ММД.

Изобретение позволяет суммировать напряженность магнитных и электрических полей в тороидальных рабочих зазорах двигателя путем набора необходимого количества стандартных электрических блоков и тороидальных магнитов и таким образом получать необходимую удельную мощность при высоком уровне унификации узлов и деталей.

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

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

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

Использование: в качестве электропривода. Магнитоэлектрический моментный двигатель снабжен дополнительными магнитами, упирающимися в торцы крайних магнитов. Магнитопроводы установлены на подшипниках, сидящих на полом валу статора. С магнитами чередуются электрическими блоками, содержащими плату и радиатор, в пазах которого установлены секции катушек и датчики положения ротора. Все магниты установлены в обоймах, соединенных между собой и с магнитами с образованием тороидальных зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки. 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 через отверстия полого вала подключены к блоку питания и блоку управления. Обмотки катушки могут быть выполнены из ленты, покрытой изоляцией, и изготовлены из электропроводного и магнитомягкого материала. Технический результат заключается в высокой удельной мощности и низких нагрузках на подшипники вала. Это обеспечивает малые габариты и высокую надежность двигателя. 1. з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Магнитоэлектрический моментный 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 перемещения 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, упирающимися в торцы крайних магнитов магнитопроводами на подшипниках, сидящих на полом валу статора, чередующимися с магнитами электрическими блоками, содержащими плату и радиатор, в пазах которого установлены секции катушек и датчики положения ротора, при этом все магниты установлены в обоймах, соединенных между собой и с магнитами с образованием тороидальных зазоров, в пространстве которых размещены 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 параллельно-последовательно и через отверстия полого вала подключены к блоку питания и блоку управления. 2. Магнитоэлектрический моментный двигатель по п.1, отличающийся тем, что обмотки катушек выполнены из ленты, покрытой изоляцией, и изготовлены из электропроводного и магнитомягкого материала.