ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК H02K19/10 H02K19/02 

Настоящее изобретение относится к электрическому двигателю, включающему в себя статор и ротор, при этом одна из составляющих его частей является якорем с пазами, количество которых равно R, а другая содержит количество 2Р магнитных полюсов.

В электрических двигателях преимуществом пазов с точки зрения магнетизма является то, что пути магнитного поля через воздушное пространство сокращены, они могут проходить от полюсных наконечников через относительно небольшой воздушный зазор непосредственно в зубцы якоря, а с точки зрения механики то, что обмотки, помещенные в пазы, не могут перемещаться в боковом направлении, так как они ограничены боковыми гранями зубцов.

Тем не менее якоря с пазами имеют недостаток, связанный с эффектом, известным как момент от зубцовых гармонических помех, проявляющимся в результате взаимодействия магнитов с пазами якоря.

Указанный зубцовый эффект и решение, направленное на уменьшение, описаны, например, в работе Ackermann, Janssen, Sottek et van Steen, "New technique for reducing cogging torque in class of brushless DC motors", IEE PROCEEDINGS-B, Vol. 139, 4, July 1992, pp.315-320. Данное известное решение предусматривает меры по уменьшению зубцового эффекта для бесщеточных двигателей с постоянными магнитами, которые, если количество магнитных полюсов приближается к количеству пазов якоря, заключаются в тщательно рассчитанном подборе ширины полюсов или ширины пазов.

Для уменьшения данного нежелательного эффекта в двигателях с длинным ротором и радиальным воздушным зазором используют способ, при котором по оси вала двигателя устанавливают несколько магнитов, располагая их один за другим, но оставляя при этом между ними небольшие зазоры по окружности.

Задачей настоящего изобретения является создание способа модуляции изменения магнитного потока в зависимости от угла вращения, при котором флуктуации, порождаемые пазами, сокращаются до минимума.

В этой связи электрический двигатель в соответствии с настоящим изобретением, как описано в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, отличается тем, что из 2Р угловых интервалов между центрами рабочих поверхностей двух соседних полюсов каждый из (2Р-1) интервалов равен
a₁ = (360^o/2P) - b (1)
или
a₂ = (360^o/2P) + b, (2)
где угловое расстояние b имеет значение:
b =360^o/(2PR), (3)
где R - количество пазов.

Следовательно, вместо того, чтобы располагать магнитные полюсы обычным способом с равномерным распределением со всеми равными интервалами, то есть с полюсным шагом, равным 360^o/2Р, интервалы (2Р-1) уменьшают на величину постоянного угла b или наоборот увеличивают их на эту величину постоянного угла b так, чтобы, применяя формулу (1), получить остающийся интервал:
c₁ = 360^o - (2P-1)•a₁ (4)
или применяя формулу (2):
c₂ = 360^o - (2P-1)•a₂ (5)
Следовательно, данный остающийся интервал либо больше по величине, либо меньше других. В случае двигателя, соответствующего формуле (2), разумеется, что двигатель должен быть выполнен таким образом, чтобы при остающемся интервале с₂ сохранялось достаточно места для нормального размещения двух магнитных полюсов, ограничивающих вышеназванный интервал с₂.

Предлагаемое настоящим изобретением решение позволяет уменьшить флуктуации магнитного потока в зависимости от угла вращения, так как при его применении избегают одновременного прохождения магнитных полюсов перед пазами.

Ниже приводится описание настоящего изобретения на примерах нескольких вариантов его осуществления.

Фиг. 1-4 иллюстрируют двигатель с радиальным воздушным зазором, имеющий ротор с постоянными магнитами, при этом представлено схематичное изображение четырех вариантов осуществления ротора в соответствии с настоящим изобретением, причем статор, образующий якорь, лишь частично показан на фиг.1.

Фиг.5 - схематичное изображение плоского ротора с осевым воздушным зазором.

Фиг. 6 - схематичное изображение варианта осуществления настоящего изобретения, при котором полюсы ротора образованы электромагнитами.

Фиг. 7 - схематичное изображение другого варианта осуществления настоящего изобретения, при котором ротор с пазами помещается внутри статора, снабженного постоянными магнитами.

Согласно фиг. 1, ротор 1 включает в себя восемь постоянных магнитов 2, внешние грани которых образуют периферийную поверхность ротора и являются рабочими полюсными поверхностями, обозначенными N и S. Следовательно, количество полюсов равно 2Р=8. Количество пазов 6 статора 5, изображенных частично и без обмоток, равно R=24, а угол b, согласно формуле (3), равен b= 1,875^o. Среди угловых интервалов 2Р между центрами рабочих поверхностей 4 двух соседних магнитных полюсов интервалы (2Р-1) по формуле (1) имеют значение a₁=43,125^o. Применяя формулу (4) получаем значение остающегося интервала с₁=58,125^o. Таким образом, данный интервал с₁ больше по величине интервала a₁ и включает в своей средней части нейтральную зону, которая заполнена противовесом 3.

Вариант, приведенный на фиг.2, соответствует предыдущему варианту, то есть используются восемь магнитов 2 с рабочими полюсными поверхностями 4, следовательно, количество полюсов 2Р= 8, количество пазов R=24, а угол b= 1,875^o, но в данном варианте ротор выполнен с применением формулы (2). Следовательно, имеется количество (2Р-1) интервалов а₂ со значением а₂= 46,25^o, а остающийся интервал с2 по формуле (5) равен с₂=31,875^o, В данном случае остающийся интервал с₂, образующий нейтральную зону, имеет меньшее значение. В рассматриваемом на фиг.2 примере отношение R/2P равно 3. В основном это отношение может иметь значение от 2 до 4.

В варианте, иллюстрируемом фиг.3, ротор имеет четыре магнита 2 и, следовательно, четыре рабочих полюсных поверхности, обозначенных буквами N и S; количество полюсов равно 2Р= 4 и количество пазов статора равно R=12, при этом угол b равен 7,5^o. Данный ротор выполнен согласно формуле (1), a₁= 85,5^o, а остающийся интервал c₁=112,5^o и образует нейтральную зону, заполненную противовесом 3.

Если бы данный ротор был выполнен согласно формуле (2), то при этом получаем интервал а₂=97,5^o, а остающийся интервал с₂=67,5^o. Отношение R/2P равно 3.

Наконец, в варианте, представленном на фиг.4, ротор 1 образован пакетами из магнитных пластин, наложенных друг на друга и вырезанных радиально с образованием зубцов 15, которые выполняют роль полюсных наконечников и ограничивают щели 16, заполненные плоскими магнитами 12, выполненными в форме тонких пластин с параллельными противостоящими друг другу плоскими полюсами N и S таким образом, чтобы поверхности плоских полюсов располагались в плоскостях, параллельных оси ротора, иначе говоря, приблизительно в осевых плоскостях. Следовательно, магнитная ось вышеназванных магнитов 12 расположена по окружности ротора. Магниты 12 расположены таким образом, что боковые грани зубца 15, лежащие в осевой плоскости, то есть параллельно ротору, соприкасаются с одноименными полюсами двух последовательных магнитов 12, как показано на фиг.4 на примере нескольких магнитов и зубцов. Магнитный поток магнитов 12 пересекает зубцы 15 и их расположенные по кругу передние грани, образующие рабочие полюсные поверхности 4 ротора.

В данной конструкции площадь рабочей полюсной поверхности 4 одного зубца 15 ротора в два раза меньше площади поверхности плоского полюса одного из магнитов 12. Такое расположение имеет преимущество в том, что магнитный поток сконцентрирован в зубцах 15 и образуется концентрированный поток, пересекающий рабочие полюсные поверхности 4 ротора.

В данном варианте осуществления изобретения ротор 1 имеет двенадцать рабочих полюсных поверхностей 4, разделенных двенадцатью магнитами 12. При этом 2Р= 12, следовательно, выбирается статор с 32 пазами, то есть R=32. Применяя формулу (3), получаем b=0^o56', а по формуле (1) угол a₁=29^o4'. В этом случае, согласно формуле (4), остающийся интервал равен с₁=40^o16'.

На фиг. 5 представлен вариант осуществления плоского ротора с восемью полюсами 7, то есть пример двигателя с осевым воздушным зазором, при этом рабочие полюсные поверхности N, S расположены в радиальных плоскостях, перпендикулярных оси ротора. Ротор установлен на валу 8 при помощи кронштейна 10, выполненного из немагнитного материала и установленного в свою очередь на втулке 9. В остающемся интервале между полюсами помещена деталь 3 в виде магнитной пластины. Остальные признаки ротора соответствуют признакам, показанным на фиг.1. Статор находится рядом с ротором и ограничивает осевой воздушный зазор. Возможен также вариант с двумя статорами, расположенными по одну и другую сторону ротора.

На практике для осуществления двигателя в соответствии с настоящим изобретением сначала выбирают количество 2Р магнитных полюсов и количество R пазов якоря и затем, используя эти значения, по формуле (3) рассчитывают сначала угол b, а потом по формуле (1) или (2) - угловой интервал a₁ и соответственно а₂.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения двигатель может вместо постоянных магнитов иметь электромагниты, как показано на фиг.6. Согласно этому примеру, ротор 21 включает в себя шесть электромагнитных полюсов 22, возбуждаемых обмотками 23, следовательно, 2Р=6. Как и в предыдущих примерах, значение интервалов (2Р-1) между центрами электромагнитных полюсов представлено углом a₁, а остающийся интервал представлен углом с₁.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения часть, несущая магниты, образует статор, а якорь с пазами образует ротор, как показано на фиг. 7. В данном случае восемь постоянных магнитов 2 установлены на статор 35, таким образом 2Р=8, а показанный частично ротор 31 имеет пазы 36, в которые устанавливаются обмотки, не показанные на фиг.7. Значение интервалов (2Р-1) между постоянными магнитами точно так же представлено углом a₁, а остающийся интервал - углом с₁.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим двигателям. Сущность изобретения состоит в том, что электрический двигатель содержит ротор и статор, при этом один из указанных элементов выполнен в виде якоря с пазами в количестве R, а другая часть содержит магнитные полюса в количестве 2Р. Согласно изобретению, из 2Р угловых интервалов между центрами рабочих полюсных поверхностей двух соседних магнитных полюсов каждый из (2Р-1) интервалов равен значению а₁=(360^o/2Р)-b или а₂=(360^o/2Р)+b, а угловое расстояние b равно 360^o/(2РR). Технический результат от использования данного изобретения состоит в обеспечении модуляции изменения магнитного потока в зависимости от угла вращения ротора, при котором флуктуации, порождаемые пазами, сокращаются до минимума, так как в предлагаемом электродвигателе исключено одновременное прохождение магнитных полюсов перед пазами. 1 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Электрический двигатель, включающий в себя статор и ротор, при этом один из указанных элементов представляет собой якорь с пазами, количество которых равно R, а другой включает в себя магнитные полюсы в количестве 2Р, отличающийся тем, что из 2Р угловых интервалов между центрами рабочих полюсных поверхностей двух соседних магнитных полюсов, каждый из (2Р-1) интервалов равен а₁= (360^o/2Р)-b или а₂= (360^o/2Р)+b, а угловое расстояние b равно 360^o/(2РR). 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что ротор, выполненный с постоянными магнитами, образован пакетами из магнитных пластин, наложенных друг на друга и вырезанных радиально в виде зубцов (15), образующих полюсные наконечники, круговые грани которых представляют собой рабочие полюсные поверхности (4) ротора и ограничивают щели, заполненные плоскими магнитами (12) в виде тонких пластин с противоположными плоскими полюсами (N, S) таким образом, чтобы поверхности этих плоских полюсов находились в плоскостях, параллельных оси ротора, при этом магниты (12) размещены так, что боковые грани зубца (15), расположенные в осевой плоскости, соприкасаются с одноименными полюсами двух последовательных магнитов, а площадь рабочей полюсной поверхности (4) одного зубца (15) ротора в два раза меньше площади плоского полюса одного из магнитов (12).