ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С КОЛОКОЛООБРАЗНЫМ ЯКОРЕМ И УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ИСКРОГАШЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H02K23/38 H02K23/66 

Изобретение касается электродвигателя с колоколообразным якорем, содержащего коллектор и устройство для искрогашения, состоящее из множества дискретных емкостных элементов, которые электрически соединены с коллектором и имеют первый и второй контактные выводы.

Благодаря отсутствию в роторе стального магнитопровода двигатели с колоколообразным или полым якорем имеют относительно малый момент инерции, что обеспечивает подходящие для многих применений характеристики. Обычно тело катушки ротора в таком двигателе вращается в воздушном зазоре между цилиндрическим постоянным магнитом и магнитной возвратной втулкой магнитопровода. Благодаря такой структуре число обмоток не ограничено в такой степени как в малогабаритных электродвигателях постоянного тока с пластинчатым сердечником ротора. В малогабаритных двигателях постоянного тока, чтобы предотвратить чрезмерное ослабление стального сердечника, на роторе обычно имеется только три катушки.

В упомянутых электродвигателях постоянного тока мощность питания подается посредством электрически и механически переключаемых контактов, поэтому возникает проблема образования искр вследствие изменения направления тока или коммутации. Для коммутации часто используются угольные щетки, которые прижимаются к коллекторной втулке. Коллекторная втулка образуется секциями из пластин, которые проходят в осевом направлении параллельно друг другу и изолированы друг от друга. Долговечность или срок службы упомянутых контактов значительно снижается при возникновении электрических разрядов в виде искр.

В литературе описаны двигатели с колоколообразным якорем, в которых используют, например, дисковый конденсатор из специального керамического материала (диск из керамико-медного слоистого материала). Дисковый конденсатор принимает часть заряда, подавляя таким образом формирование искр. Однако упомянутые керамические диски проявляют повышенную ломкость, а на их параметры влияют частотно-зависимые эквивалентные последовательные сопротивления и емкости, имеющие большие разбросы при изготовлении. Кроме того, невозможно изготавливать керамические диски, имеющие достаточно большие емкости. Ранее уже использовались, по крайней мере для испытательных целей, электрические схемы, в которых несколько дискретных емкостных компонентов располагались на несущем диске, и каждый подключался параллельно к двум пластинам коллектора. Это означает, что один конец конденсатора электрически подключается к одной пластине, а другой конец конденсатора - к соседней пластине. Хотя в такой схеме могут быть использованы увеличенные емкости, необходимо ее дальнейшее усовершенствование.

Поэтому целью настоящего изобретения является улучшение двигателя вышеупомянутого типа с колоколообразным якорем путем усовершенствования устройства для искрогашения.

Согласно изобретению упомянутая цель достигается тем, что один контактный вывод емкостного элемента электрически соединен с соответствующим контактным выводом других емкостных элементов с образованием точки соединения звездой, а другой контактный вывод емкостных элементов соответственно электрически соединен с соответствующей пластиной коллектора, при этом устройство для искрогашения содержит по меньшей мере одну первую соединительную цепь и по меньшей мере одну вторую соединительную цепь большего диаметра, которая расположена по существу соосно первой соединительной цепи, причем одна соединительная цепь образована электрически соединенными контактными поверхностями, формирующими точку соединения звездой, а другая соединительная цепь образована контактными поверхностями, которые электрически изолированы друг от друга и электрически соответственно соединены с соответствующими пластинами коллектора, соответственно проходят подобно спицам колеса между контактной поверхностью первой соединительной цепи и контактной поверхностью второй соединительной цепи, а контактные выводы емкостных элементов электрически соединены с соответствующими контактными поверхностями.

Одно из преимуществ настоящего изобретения вытекает из вида соединения (соединение звездой), выбранного для формирования комплексной системы. В результате может быть принята большая часть зарядов, генерируемых двигателем во время коммутации, посредством чего эффективно подавляется образование искр, которые ограничивают срок службы контактов и тем самым уменьшают срок службы двигателя. Так как с одной своей стороны емкостные элементы соединены между собой, эти емкостные элементы составляют комплексную систему, электрические характеристики которой во время работы меньше зависят от углового положения ротора, что приводит к лучшей компенсации, чем в известных схемах. В известных схемах только соседние пластины коллектора соединены между собой через емкостный элемент. Испытания показали, что схема, выполненная согласно изобретению, более эффективна для искрогашения.

Хотя соединение звездой в устройствах для искрогашения известно, в двигателях с колоколообразным якорем такое соединение до настоящего времени не использовалось. Одной из причин этого может быть то, что часть характеристик такого двигателя с ротором без магнитопровода значительно отличается от характеристик двигателей постоянного тока других типов.

Кроме того, эта конкретная форма устройства обеспечивает преимущество, связанное с тем, что двигатели с колоколообразным якорем производятся главным образом с большим числом катушек ротора. Подобное спицам размещение дает возможность разместить очень большое число емкостных элементов рядом друг с другом, так что требуемое искрогашение не представляет никаких проблем также в случае большого числа катушек. Относительно компактное размещение соосных соединительных цепей упрощает балансировку таких роторов с устройствами для искрогашения, потому что их можно разместить равномерно вокруг оси ротора в виде идентичных секций и не изменять их положения.

Комбинация упомянутых преимуществ оказывается чрезвычайно выгодной особенно для двигателей с колоколообразным якорем, потому что подобное спицам расположение емкостных элементов посредством соединительных цепей оказывает стабилизирующее влияние на установленное только с одной стороны тело катушки. Таким образом одновременно предотвращаются ненужные вибрации.

Кроме того, согласно одной из особенно предпочтительных форм осуществления изобретения, электрическое соединение контактных выводов емкостных элементов друг с другом в точке их соединения звездой является единственным, и любое другое электрическое соединение отсутствует. Это означает, что одна сторона емкостных элементов электрически непосредственно соединена с одной стороной других емкостных элементов, так что в этом случае имеет место непосредственный обмен зарядами без каких-либо дополнительных эффектов. Конкретнее, никакое соединение с катушкой не должно отходить от упомянутой контактной стороны.

Изобретение особенно эффективно, если число емкостных элементов больше чем 3, а предпочтительно - больше чем 5. Выбор расположения и подобная колесу структура делают возможным разместить множество таких емкостных элементов, например, на единственном несущем элементе.

В форме осуществления изобретения, обеспечивающей простоту изготовления, емкостные элементы расположены вдоль радиуса, идущего от центральной точки двух соединительных цепей.

Предпочтительно, емкостные элементы выполнены как бескорпусные монолитные конденсаторы, предпочтительно, керамические. Такие емкостные элементы называются также многослойными (керамическими) конденсаторами. Как правило, они имеют форму прямоугольного параллелепипеда, с шириной, большей, чем высота, и длиной, большей, чем ширина. Соответствующие выводы расположены на торцах.

Кроме того, сопротивление емкостных элементов может зависеть от частоты и уменьшаться с ее увеличением. В результате количество заряда может быть принято быстрее, что дает преимущество в отношении более высоких частот.

Второй электрический контактный вывод емкостных элементов может быть электрически соединен с коллекторной пластиной. Схема таким образом упрощается и гарантируется ее точный расчет и легкая предсказуемость.

Форма осуществления изобретения, которая является очень удобной с точки зрения процесса изготовления и из соображений экономии объема, включает несущий диск, на котором с использованием техники поверхностного монтажа смонтированы дискретные емкостные элементы. Использование дискретных емкостных элементов допускает бесконечное число возможных схем расположения, которые могут быть приспособлены к разному числу отдельных обмоток и разным размерам устройств для искрогашения. В частности, возможно выполнить несущий диск не большим, чем внешний диаметр ротора, чтобы сохранить малые размеры конструкции.

В предпочтительном случае несущий диск выполнен как монтажная плата, на которой расположены соединительные цепи и контактные поверхности для присоединения емкостных элементов и/или коллекторных пластин. Такой несущий диск может иметь малую толщину, чтобы полученная в результате высота конструкции могла сохраняться малой. Кроме того, конструкция должна быть достаточно гибкой, чтобы небольшие деформации, которые могут иметь место во время сборки или при тепловой нагрузке на двигатель, не вызывали никаких разрывов или других повреждений. Число основных элементов, соединенных в виде звезды, может совпадать с числом частичных обмоточных систем двигателя и числом пластин коллекторной системы. Однако с конструктивной точки зрения может оказаться удобным, если число соединенных между собой основных элементов будет меньше, чем число пластин коллекторной системы. Таким образом могут быть сконструированы чрезвычайно малогабаритные двигатели с требуемым искрогашением.

В частности, когда используются малогабаритные электродвигатели с ротором без магнитопровода, емкостными элементами могут быть конденсаторы, которые допускают подачу на них напряжения произвольной полярности и имеют емкость в пределах от 1 до 1000 нФ. Емкость должна быть выбрана в соответствии с конструкцией обмотки двигателя так, чтобы искры эффективно подавлялись.

Кроме того, следует отметить, что электродвигатель, в отношении его электрической схемы, может быть описан по существу как комплексная система, составленная из катушек индуктивности, резисторов и источников напряжения, зависящего от скорости и индукции. Благодаря дополнительной установке конкретным образом подключенных неподвижных конденсаторов, например, со специальными характеристиками частотной зависимости, электрическая энергия, создаваемая двигателем при коммутации, в идеальном случае сначала принимается в конденсаторы и затем преобразуется в тепло в омических резисторах системы посредством механизма затухающих электрических колебаний.

Чтобы приблизить реальный процесс к идеальному случаю, реальные конденсаторы предпочтительно должны иметь достаточно малую величину начального или последовательного сопротивления, которое может быть определено путем измерений (например, посредством прибора для измерения LCR-параметров) и которое не находится в диапазоне килоом или выше, когда частота измерения достигает диапазона от нескольких сотен герц до более высоких значений в диапазоне килогерц.

Емкость конденсаторов, если это возможно, не должна принимать любые произвольные значения, а должна быть выбрана такой, чтобы не возникало никаких дополнительных электрических эффектов, создающих добавочную нагрузку на коммутационные контакты.

В случаях, когда активное сопротивление двигателей мало, может оказаться полезным последовательно с отдельными конденсаторами включить дополнительные резисторы, чтобы увеличить демпфирующее сопротивление.

Кроме того, может оказаться полезным включить дополнительные катушки индуктивности в комбинации с отдельными конденсаторами и, возможно, с дополнительными резисторами. Конденсаторы здесь остаются установленными в звездообразной конфигурации, как описано выше, а дополнительные резисторы и дополнительные катушки индуктивности могут быть включены последовательно с отдельными конденсаторами.

Испытания показали, в частности, что устройство для искрогашения должно быть выбрано в соответствии с конкретными характеристиками двигателя, такими как его индуктивность, число частичных обмоток и частотные характеристики дополнительных компонентов. Это означает, например, что в случае двигателей с высокой индуктивностью (приблизительно 7 мГн), большие емкости в комбинации с малым эквивалентным последовательным сопротивлением конденсаторов имеют особенное преимущество.

Формы осуществления настоящего изобретения будут рассмотрены ниже более подробно со ссылкой на чертежи.

На фиг. 1 схематически показана конструкция электродвигателя с устройством для искрогашения.

Фиг. 2 представляет собой эквивалентную схему электродвигателя, показанного на фиг.1.

На фиг. 3 показано изображение коллекторной части вала ротора в перспективе.

На фиг. 4 показан вид несущего диска спереди без дискретных емкостных элементов.

На фиг.5 представлен разрез несущего диска, показанного на фиг.4.

Фиг.6 представляет собой вид сзади показанного на фиг.4 несущего диска.

Фиг. 7 представляет собой вид спереди, на котором показана вторая форма выполнения несущего диска без дискретных емкостных элементов.

На фиг.8 приведен разрез несущего диска, показанного на фиг.7.

Фиг. 9 представляет собой вид несущего диска, показанного на фиг.7, сзади.

Фиг.10 представляет собой вид спереди, показывающий еще одну форму выполнения несущего диска без дискретных емкостных элементов.

Фиг. 11 представляет собой вид несущего диска, показанного на фиг.10, сзади.

Фиг.12 представляет собой разрез несущего диска, показанного на фиг.10.

Далее изобретение поясняется на примерах его осуществления со ссылкой на схему, показанную на фиг.1. Схема, показанная на фиг.1, относится к двигателю с колоколообразным якорем, хотя два полюса 1 и 2 постоянного магнита изображены вне обмоток. Это сделано только для упрощения и ясности. Схематично изображенный ротор 3 с различными катушками 4, которые совместно формируют систему обмоток, вращается в магнитном поле постоянных магнитов 1 и 2. В двигателях с колоколообразным якорем или с ротором без магнитопровода, цилиндрический постоянный магнит с южным и северным полюсами помещается внутри обмотки ротора.

Ротор 3 содержит коллекторную втулку 5, которая располагается соосно с осью ротора и вращается вместе с упомянутым ротором. Коллекторная втулка 5 состоит из пластин 6 коллектора, которые сгруппированы в виде втулки и в сгруппированном состоянии не имеют прямого электрического контакта друг с другом, а имеют соответствующую катушку 4, включенную между ними. Это означает, что каждая пластина 6 коллектора электрически соединена с соответствующими концами обмоток двух катушек 4. Упомянутое соединение схематично показано цифрой 7.

По внешней окружности коллекторной втулки 5 две находящиеся напротив друг друга щетки 8 и 9 прижимаются по существу диаметрально к внешней поверхности, сформированной пластинами 6 коллектора. Щетки 8 и 9 вместе с коллекторной втулкой 5 осуществляют соответствующее переключение или коммутацию.

Каждая из пластин коллектора соединена с первой электрически контактирующей стороной 10 биполярного конденсатора 12. Вторые контактирующие стороны 11 конденсаторов 12 соединены между собой в общей точке 13 соединения звездой. Такое соединение предпочтительно осуществляется без дополнительных промежуточных компонентов. В данном примере число катушек 4, пластин 6 коллектора и конденсаторов 12 одинаково и равно 9. Очевидно, что может быть использовано и другое число этих элементов.

На фиг. 2 показана эквивалентная электрическая схема устройства. Кроме емкости В конденсатора 11 изображено также его активное сопротивление R_C. Каждая катушка 4 разделена соответственно на источник U_IS напряжения, сопротивление R_S обмотки и индуктивность L_S. Кроме того, схематично показано номинальное напряжение двигателя и напряжение коллектора.

Как видно из эквивалентной схемы, имеется несколько возможностей влияния на систему, которые можно варьировать в соответствии с требуемым искрогашением. Например, можно изменять не только емкость С, но также и сопротивление R_C конденсаторов 12. Такое изменение может быть осуществлено, как возможный вариант, путем вставки дополнительных резисторов. Это применимо также и к обмотке двигателя. Если необходимо, для целей компенсации последовательно с конденсатором 12 может быть введена дополнительная катушка индуктивности. Здесь также важно, чтобы вторые контактирующие стороны 11 конденсаторов 12 были объединены в точке 13 соединения звездой.

Конструкция коллектора, которая подходит для ротора без магнитопровода, ниже будет описана более подробно со ссылкой на фиг.3. Втулка 5 коллектора установлена на валу 14 двигателя. Отдельные пластины 6 разогнуты веером в виде звезды в области опорного диска 15, а свободные концы 16 пластин 6 загнуты так, что они удерживают сзади несущий диск 17. Несущий диск 17 выполнен из материала монтажной платы и снабжен соответствующими контактными поверхностями 18 для припаивания свободных концов 16 пластин 6. В промежутке 19 между несущим диском 17 и опорным диском 15 расположены конденсаторы 12. Контактные поверхности 18 проходят сквозь несущий диск 17 и соединены на другой, передней, стороне несущего диска 17 с соответствующими контактными поверхностями, на которых соответственно смонтированы конденсаторы. Небольшой удерживающий диск 20, который также надет на вал 14 двигателя, позиционирует и удерживает несущий диск 17.

Присоединение контактов конденсатора 12 к несущему диску 17 будет описано ниже со ссылкой на следующие формы осуществления изобретения.

Согласно форме осуществления изобретения, показанной на фиг. 4-6, несущий диск 17 является плоским и по существу цилиндрическим диском, выполненным из материала монтажной платы. Передняя сторона диска имеет расположенные на ней контактные поверхности 21 около внутренней окружности несущего диска 17; все эти контактные поверхности электрически связаны между собой посредством кольцевого соединения 22 для формирования соединительной цепи. Упомянутое кольцевое соединение 22 вместе с контактными поверхностями 21 по существу представляет точку 13 соединения звездой, показанную на эквивалентной схеме. Вторая контактирующая сторона 11 конденсаторов 12 соединена с контактными поверхностями 21. Конденсаторы являются дискретными компонентами для поверхностного монтажа, которые прикрепляются клеем к поверхности монтажной платы и затем соответственно присоединяются к предназначенным для этого контактным поверхностям, например 21. Контактные поверхности 23, которые располагаются в радиальном направлении ближе к внешней стороне, соединяются с первыми контактирующими сторонами 10 конденсаторов 12. Контактные поверхности 23 также располагаются в виде групп для формирования соединительной цепи, однако они не находятся в прямом электрическом контакте друг с другом посредством кольцевого соединения, а изолированы друг от друга промежуточными участками материала монтажной платы. Внутренняя и внешняя соединительные цепи, которые расположены соосно одна другой, вместе с радиально установленными конденсаторами 12 имеют структуру, подобную колесу: конденсаторы 12 представляют его спицы, внутренняя соединительная цепь - ступицу, а наружная соединительная цепь - обод. Электрическое соединение с контактными поверхностями 18 на задней стороне 26 несущего диска 17 осуществляется через соответствующие отрезки 24 проводящих дорожек, которые проходят сквозь материал монтажной платы в отверстиях 25. Контактные поверхности 18, которые имеют приблизительно круговую конфигурацию на задней стороне, затем припаиваются к свободным концам пластин 6 коллектора. Углубления 27 облегчают выравнивание несущего диска 17 и служат для экономии объема при загибе свободных концевых участков 16 пластин 6 коллектора. Таким образом не требуется, чтобы свободные концы пластин 6 коллектора радиально выступали за несущий диск 17.

Ниже будут более подробно описаны другие варианты конструкции таких несущих дисков 17. Если для обозначений используются одинаковые или сходные цифры, то они относятся к компонентам, имеющим одинаковую или аналогичную функцию, чтобы можно было сделать ссылку на предшествующее описание. Ниже будут рассмотрены только существенные различия.

В форме осуществления изобретения согласно фиг.7-9 контактные поверхности 21 радиально размещены так, что они расположены снаружи и связаны через кольцевое соединение 22, так что вершина звезды 13 эквивалентной схемы расположена, можно сказать, инверсно, в наружной части. Контактные поверхности 23 таким образом помещены радиально ближе к центру. Как можно также заметить, в этом примере контактные поверхности 21 и 23 по существу расположены вдоль радиуса, идущего от центра несущего диска 17. В приведенном в качестве примера случае отверстие 25 проходит точно сквозь контактную поверхность 23, обеспечивая таким образом электрическое соединение с контактной поверхностью 18, которая расположена на задней стороне 26 и которая, в свою очередь, входит в контакт со свободным концом 16 пластины 6.

Форма осуществления изобретения, показанная на фиг.10-12, представляет собой вариант конструкции, показанной на фиг.4-6. В этом случае, однако, отверстие 25 непосредственно проходит сквозь контактную поверхность 23, обеспечивая таким образом соединение с контактной поверхностью 18 на задней стороне 26 несущего диска 17.

Как видно из форм осуществления изобретения, можно устанавливать конденсаторы 12 на несущем диске 17 очень близко друг к другу, поскольку они ориентированы по существу радиально. Соединение между собой вторых контактирующих сторон 11 в единственной точке 13 соединения звездой (здесь - посредством контактных поверхностей 21 и кольцевого соединения 22) обеспечивает создание схемы, которая осуществляет высокоэффективное искрогашение в малогабаритных двигателях.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам для искрогашения электродвигателей с колоколообразным якорем. Технический результат, заключающийся в улучшении искрогашения, достигается путем того, что в электродвигателе с колоколообразным якорем имеется коллектор и устройство для искрогашения, содержащее множество дискретных емкостных элементов, которые электрически подключены к коллектору и имеют соответственно первый контактный вывод и второй контактный вывод, первые контактные выводы электрически соединены с соответствующими пластинами коллектора, а вторые контактные выводы электрически соединены между собой с образованием точки соединения звездой, при этом устройство для искрогашения содержит по меньшей мере одну первую соединительную цепь и по меньшей мере одну вторую соединительную цепь большего диаметра, расположенную соосно с первой соединительной цепью. 10 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Электродвигатель с колоколообразным якорем, включающий коллектор и устройство для искрогашения, содержащее множество дискретных емкостных элементов (12), которые электрически подключены к коллектору и имеют соответственно первый контактный вывод (10) и второй контактный вывод (11), отличающийся тем, что первые контактные выводы (10) емкостных элементов (12) соответственно электрически соединены с соответствующими пластинами (6) коллектора, а вторые контактные выводы (11) емкостных элементов (12) электрически соединены между собой с образованием точки (13) соединения звездой, при этом устройство для искрогашения содержит по меньшей мере одну первую соединительную цепь и по меньшей мере одну вторую соединительную цепь большего диаметра, которая расположена по существу соосно с первой соединительной цепью, одна соединительная цепь образована электрически соединенными между собой контактными поверхностями, формирующими указанную точку соединения звездой, а другая соединительная цепь образована контактными поверхностями (21), которые электрически изолированы друг от друга и электрически соединены с соответствующими пластинами (6) коллектора, емкостные элементы (12) соответственно проходят как спицы колеса между контактной поверхностью (21, 22) первой соединительной цепи и контактной поверхностью (21, 23) второй соединительной цепи, а их контактные выводы (10, 11) соответственно электрически соединены с соответствующими контактными поверхностями (21,23). 2. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что для контактных выводов емкостных элементов (12), которые соединены между собой звездой, электрическое соединение в точке (13) соединения звездой является единственным и какое-либо другое электрическое соединение отсутствует. 3. Электродвигатель п. 1 или 2, отличающийся тем, что число емкостных элементов (12) больше трех, предпочтительно больше пяти. 4. Электродвигатель по какому-либо из пп. 1-3, отличающийся тем, что емкостные элементы (12) установлены вдоль радиуса, идущего от центральной точки двух соединительных цепей. 5. Электродвигатель по какому-либо из пп. 1-4, отличающийся тем, что емкостные элементы (12) выполнены в виде монолитных бескорпусных конденсаторов, предпочтительно керамических. 6. Электродвигатель по какому-либо из пп. 1-5, отличающийся тем, что сопротивление емкостных элементов (12) зависит от частоты и уменьшается с ее повышением. 7. Электродвигатель по какому-либо из пп. 1-6, отличающийся тем, что каждый из вторых контактных выводов (11) емкостных элементов (12) соединен с другим из этих выводов через по меньшей мере одну обмотку (4) двигателя, соответственно включенную между ними. 8. Электродвигатель по п. 1 или 7, отличающийся тем, что он содержит несущий диск (17), на котором посредством поверхностного монтажа установлены дискретные емкостные элементы (12). 9. Электродвигатель по п. 8, отличающийся тем, что несущий диск (17) выполнен в виде монтажной платы, на которой расположены соединительные цепи и контактные поверхности (18, 21, 23) для соединения с емкостными элементами (12) и/или пластинами коллектора. 10. Электродвигатель по какому-либо из пп. 1-9, отличающийся тем, что емкостные элементы (12) являются конденсаторами, которые могут использоваться при любой полярности напряжения и имеют емкость от 1 до 1000 нФ. 11. Электродвигатель по какому-либо из пп. 1-10, отличающийся тем, что последовательно или параллельно с емкостными элементами (12) включены дополнительные резисторы и/или катушки индуктивности.