ВОЛНОВОЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК H02K41/06 

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к волновым электродвигателям, осуществляющим вращение ротора под действием магнитного поля, создаваемого катушками статора.

Известна конструкция волнового электродвигателя, у которого ротор состоит из гибкого стального цилиндра и магнитопровода, выполненного из ферромагнитных пластин [1]. По длине окружности гибкого цилиндра имеются два ряда прямоугольных отверстий, а ферромагнитные пластины соединены между собой в замок с помощью выполненных в них продольных ребер, имеющих длину меньшую, чем длина пластин, и снабжены клювообразными зацепами для присоединения к стальному цилиндру путем сочленения с упомянутыми отверстиями, причем одни из пластин имеют левые зацепы, вторые - правые зацепы, а третьи не имеют зацепов и располагаются между пластинами с зацепами.

Недостатками известного устройства являются то, что гибкий стальной цилиндр с отверстиями не обладает достаточной механической надежностью при продолжительной работе электродвигателя, а также то, что такой электродвигатель создает значительные шумы во время работы при перемещении пластин и соударении со статором.

Известна конструкция волнового электродвигателя, содержащего статор с обмоткой и ротор, выполненный в виде гибкой тонкостенной цилиндрической оболочки, опирающейся на кулачок [2]. Этот электродвигатель снабжен механизмом коммутации, опорный кулачок выполнен в виде водила с двумя роликами, неподвижно соединенного с выходным валом, электромагнитная система статора выполнена из шести электромагнитов с сердечниками П-образной формы с катушками, равномерно расположенными по окружности статора, а механизм коммутации выполнен в виде двойной кольцевой системы герметичных контактов и соответствующих им двух кольцевых групп постоянных магнитов, закрепленных на водиле.

Однако известный электродвигатель имеет значительные габаритные размеры из-за наличия двух водил с роликами и недостаточный момент вращения, возникающий при смещении плоскости деформации гибкого звена, воздействующего на ролики, которые и передают вращение на выходной вал.

Известна конструкция электрической машины, содержащей корпус, статор, включающий магнитопровод с обмоткой, ротор, выполненный в виде гибкого звена зацепления, огибающего звездочки, насаженные на выходные валы. Пластины гибкого звена зацепления соединены с электромагнитными элементами, выполненными с двумя охваченными магнитопроводом проводниками, концы которых соединены перемычками [3].

Известная электрическая машина обладает значительными габаритными размерами из-за наличия разнесенных в пространстве двух звездочек, а конструкция ротора в виде гибкого кинематического звена, включающего электромагнитные элементы, проводники, перемычки и магнитопровод, довольно сложна и не надежна при длительной работе.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемому изобретению является волновой электродвигатель, содержащий размещенные в корпусе многофазный статор и ротор, выполненный в виде цилиндра, охваченного гибким магниточувствительным элементом [4]. Статор этого электродвигателя выполнен разомкнутым, внутренняя поверхность статора в месте разрыва имеет два плоских участка, граничащих с торцами статора, образованными разрывом статора, и сопряженных с цилиндрической внутренней поверхностью статора, а магниточувствительный элемент выполнен в виде ленточной петли, один конец которой жестко закреплен на одном торце статора, а второй подпружинен и присоединен к корпусу.

Устройство-прототип обладает компактной конструкцией из-за малого зазора между статором и ротором, а также из-за малой толщины гибкого магниточувствительного элемента. Кроме того, ротор этого электродвигателя имеет простую конструкцию, что облегчает проблему установки в электромеханическую систему.

К недостаткам известного волнового электродвигателя относятся:

1. сложная нетрадиционная конструкция статора, что создает определенные проблемы при его изготовлении, монтаже и ремонте; нетрадиционная конструкция разомкнутого статора требует специального оборудования для его изготовления, способствуя увеличению стоимости электродвигателя;

2. относительно невысокий электромагнитный момент, создаваемый лишь за счет сил сцепления магниточувствительного элемента с ротором из-за трения; при увеличении нагрузки на роторе между ним и магниточувствительным элементом будет происходить проскальзывание.

Задачей изобретения является повышение технологичности при изготовлении, упрощение конструкции и повышение электромагнитного момента волнового электродвигателя.

Поставленная задача решается тем, что в известном волновом электродвигателе, содержащем размещенные в корпусе статор со стальным сердечником, во внутренних пазах которого уложена многофазная обмотка, и гибкий магниточувствительный элемент, установленный во внутренней полости статора с зазором, по крайней мере, на некотором участке относительно внутренней поверхности сердечника, согласно предлагаемому изобретению, гибкий магниточувствительный элемент выполнен в виде изгибаемой в радиальном направлении однослойной ферромагнитной ленты с упорядочено расположенными в радиальном направлении аксиальными штырями, концевые участки которых, выступающие за края ферромагнитной ленты, размещены с возможностью перемещения в пазах силовых дисков, установленных и закрепленных на валу электродвигателя смежно торцам сердечника статора.

Кроме того, гибкий магниточувствительный элемент выполнен в виде плотно намотанной в один слой ферромагнитной проволоки, к внутренней поверхности которой присоединены аксиальные штыри, средние участки которых соединены с каждым витком ферромагнитной проволоки.

Кроме того, ферромагнитная проволока выполнена в виде витого стального троса, а аксиальные штыри выполнены из ферромагнитного материала. Соединение каждого витка ферромагнитной проволоки с аксиальными штырями выполнено при помощи сварного соединения.

Кроме того, гибкий магниточувствительный элемент выполнен в виде ряда плотно расположенных ферромагнитных пластин с двумя внутренними аксиальными отверстиями на противоположных концах, в которых размещены средние участки аксиальных штырей, причем аксиально смежные пластины установлены со взаимным радиальным смещением так, что у двух пластин одно отверстие расположено коаксиально.

Кроме того, ферромагнитная пластина выполнена в виде сегмента, радиус внешней поверхности которого равен радиусу внутренней полости статора.

Ферромагнитная пластина сформирована набором плотно упакованных одинаковых изолированных ферромагнитных листов.

Кроме того, гибкий магниточувствительный элемент выполнен в виде обрезиненной ленты, внутри которой расположена намотанная в один слой ферромагнитная проволока и средние участки аксиальных штырей. Ферромагнитные пластины выполнены с обрезиненной внутренней поверхностью.

Обрезиненная лента заполнена мелкодисперсным ферромагнитным порошком.

В предлагаемом волновом электродвигателе передача электромагнитного момента от магниточувствительного элемента, выполненного в виде изгибаемой в радиальном направлении однослойной ферромагнитной ленты, осуществляется через аксиальные штыри на два силовых диска, закрепленных на валу электродвигателя смежно торцам сердечника статора. При перемещении магнитной волны вдоль поверхности статора осуществляется притяжение ферромагнитной ленты к включенным секциям, в то время как на отключенных секциях за счет натяжения происходит отдаление ленты от внутренней поверхности статора. При последовательном переключении обмоток статора осуществляется последовательное изгибание ленты с передачей момента на аксиальные штыри со значительными силой притяжения участков ленты к участкам статора и силой тяги, передаваемой от ленты на аксиальный штырь. Передаче момента от аксиальных штырей, совершающих небольшие радиальные и тангенциальные перемещения, на силовые диски способствует размещению их в пазах силовых дисков не жестко, а с возможностью перемещения, например, за счет наличия зазора между ними. Вследствие этого предлагаемый волновой электродвигатель образует значительный электромагнитный момент при малой скорости вращения вала.

Выполнение магниточувствительного элемента в виде плотно намотанной в один слой ферромагнитной проволоки - витого стального троса, ко внутренней поверхности которой присоединены аксиальные штыри, средние участки которых соединены с каждым витком ферромагнитной проволоки, обеспечивает высокую технологичность, простоту конструкции и надежность ротора электродвигателя.

Выполнение аксиальных штырей из ферромагнитного материала, например из стали, обеспечивает усиление силы притяжения гибкой ленты к внутренней поверхности статора, способствуя усилению электромагнитного момента.

Соединение каждого витка ферромагнитной проволоки с аксиальными стальными штырями при помощи сварного соединения приводит к образованию монолитной конструкции ферромагнитной ленты, способной изгибаться лишь в радиальном направлении.

Выполнение гибкого магниточувствительного элемента в виде ряда плотно расположенных ферромагнитных пластин с двумя внутренними аксиальными отверстиями на противоположных концах, в которых размещены средние участки аксиальных штырей, и аксиально смежные пластины установлены со взаимным радиальным смещением так, что у двух пластин одно отверстие расположено коаксиально, образует конструкцию гибкого ротора, легко выгибаемого в радиальном направлении и жесткого во всех остальных направлениях.

Выполнение ферромагнитной пластины в виде сегмента, радиус внешней поверхности которого равен радиусу внутренней поверхности полости статора, позволяет уменьшить эффективный магнитный зазор между статором и магниточувствительным элементом при их соприкосновении, что способствует увеличению силы притяжения между ними, а значит, и повышению электромагнитного момента электродвигателя.

Выполнение ферромагнитной проволоки в виде витого стального троса, также как и выполнение ферромагнитной пластины в виде набора плотно упакованных одинаковых изолированных ферромагнитных листов, способствует уменьшению в них потерь от вихревых токов, что обеспечивает повышение эффективности электродвигателя.

Выполнение гибкого магниточувствительного элемента в виде обрезиненной ленты, внутри которой расположена намотанная в один слой ферромагнитная проволока и средние участки аксиальных штырей, а ферромагнитных пластин с обрезиненной внутренней поверхностью, способствует увеличению силы трения ленты с контактируемым участком внутренней поверхности статора, уменьшению шума и вибрации электродвигателя. При этом предотвращается негативное взаимодействие ферромагнитных элементов с окружающей средой, например, из-за коррозии при работе во влажном климате.

Заполнение обрезиненной ленты мелкодисперсным ферромагнитным порошком приводит к усилению электромагнитного момента электродвигателя за счет увеличения силы притяжения ленты к статору.

Таким образом, во всех конструкциях ротора аксиальные штыри выполняют две функции: обеспечивают жесткость и цельность ферромагнитных элементов ротора (витков стальной проволоки и ферромагнитных пластин) между собой, а также обеспечивают передачу момента от гибкого магниточувствительного элемента на вал электродвигателя.

На фиг.1 схематически показано поперечное сечение волнового электродвигателя со статором и гибким магниточувствительным элементом;

на фиг.2 - картина распределения силовых линий магнитного поля для волнового электродвигателя на фиг.1;

на фиг.3 - поперечное сечение волнового электродвигателя со статором, силовым диском, закрепленным на валу электродвигателя, и аксиальными штырями, размещенными в пазах силовых дисков;

на фиг.4 - сечение А-А на фиг.3;

на фиг.5 - схематическая конструкция гибкого магниточувствительного элемента с аксиальными штырями в поперечном сечении;

на фиг.6 - вариант ротора волнового электродвигателя на фиг.4, у которого гибкий магниточувствительный элемент выполнен в виде обрезиненной ленты, внутри которой расположена намотанная в один слой ферромагнитная проволока и средние участки аксиальных штырей;

на фиг.7 - элемент конструкции ротора, у которого гибкий магниточувствительный элемент выполнен в виде ряда ферромагнитных пластин в форме сегмента с двумя внутренними аксиальными отверстиями;

на фиг.8 - элемент конструкции ротора, представленного на фиг.7, с повышенным изгибом гибкого магниточувствительного элемента;

на фиг.9 - вариант фиг.7 волнового электродвигателя, у которого ферромагнитные пластины выполнены с обрезиненной внутренней поверхностью;

на фиг.10 - часть вида А на фиг.7 на развернутую в плоскость поверхность ротора электродвигателя;

на фиг.11 - вариант ротора волнового электродвигателя на фиг.10, у которого ферромагнитные пластины сформированы набором плотно упакованных одинаковых изолированных ферромагнитных листов.

Волновой электродвигатель состоит из стального сердечника статора 1, размещенного в корпусе (на фиг. не показан), во внутренних пазах 2 которого уложена многофазная обмотка 3, и гибкого магниточувствительного элемента 4, установленного во внутренней полости 5 статора с зазором 6, по крайней мере, на некотором участке относительно внутренней поверхности сердечника 1. Гибкий магниточувствительный элемент 4 выполнен в виде изгибаемой в радиальном направлении однослойной ферромагнитной ленты с упорядочено расположенными в радиальном направлении аксиальными штырями 7, концевые участки 8 которых, выступающие за края ферромагнитной ленты, размещены с возможностью перемещения в пазах 9 силовых дисков 10, установленных и закрепленных на валу 11 электродвигателя смежно торцам сердечника статора 1.

Гибкий магниточувствительный элемент 4 (фиг.4) выполнен в виде плотно намотанной в один слой ферромагнитной проволоки 13, к внутренней поверхности 14 которой присоединены аксиальные штыри 7, средние участки 15 которых соединены с каждым витком ферромагнитной проволоки 13. Проволока 13 выполнена в виде витого стального троса, а аксиальные штыри 7 выполнены из ферромагнитного материала.

Гибкий магниточувствительный элемент 4, представленный на фиг.7, выполнен в виде ряда плотно расположенных ферромагнитных пластин 16 с двумя внутренними аксиальными отверстиями 17 на противоположных концах, в которых размещены средние участки 15 аксиальных штырей 7. Аксиально смежные пластины, например 18 и 19, установлены со взаимным радиальным смещением так, что у них одно отверстие, например 20, расположено коаксиально. Каждая ферромагнитная пластина 16 выполнена в форме сегмента, радиус внешней поверхности которого R₂ равен радиусу внутренней полости статора R₁.

Каждая ферромагнитная пластина 16, представленная на фиг.11, сформирована набором плотно упакованных одинаковых изолированных ферромагнитных листов 21.

Гибкий магниточувствительный элемент 4, представленный на фиг.6, выполнен в виде обрезиненной ленты 22, внутри которой расположена намотанная в один слой ферромагнитная проволока 13 и средние участки 15 аксиальных штырей 7.

Ферромагнитные пластины 16, представленные на фиг.9, выполнены с обрезиненной внутренней поверхностью 23. Обрезиненная лента 22 заполнена мелкодисперсным ферромагнитным порошком (на фиг. не показан). Между смежными пластинами, например 18 и 19, расположены упорные прокладки 24, обеспечивающие небольшой аксиальный зазор 25 между ними и малую силу трения при взаимном перемещении в радиальном направлении.

Между концевыми участками 8 аксиальных штырей 7 и стенками пазов 9 силовых дисков 10 имеются зазоры 26, позволяющие обеспечивать перемещения этих участков аксиальных штырей в пазах силовых дисков.

Волновой электродвигатель работает следующим образом.

При последовательном возбуждении фаз обмотки 3 статора происходит притяжение гибкого магниточуствительного элемента 4 к внутренней поверхности статора, в которой расположены запитанные током фазы обмотки (фиг.2). Поскольку волна магнитного поля статора совершает перемещение вдоль поверхности статора, то происходит деформация гибкого элемента 4. При этом осуществляется перемещение аксиальных штырей 7 в пазах 9 силовых дисков 10 в радиальном и тангенциальном направлениях за счет наличия зазора 26 между ними. За счет последовательного изменения в тангенциальном направлении длины различных (прижатых и не прижатых к внутренней поверхности сердечника статора 1) участков гибкого элемента 4 возникает тангенциальная составляющая перемещения штырей 7, направленная в сторону, противоположную направлению волны магнитного поля. Так как длина окружности внутренней поверхности сердечника статора 1 превышает длину окружности наружной поверхности гибкого элемента 4 из-за наличия зазора 6, то этим также объясняется тангенциальное перемещение гибкого элемента в сторону, противоположную направлению волны магнитного поля, созданного обмоткой 3, при отсутствии проскальзывания прижатых к статору участков гибкого элемента 4. При тангенциальном перемещении гибкого элемента 4 аксиальные штыри 7 через концевые участки 8 и пазы 9 передают усилия в тангенциальном направлении на силовые диски 10, момент от которых в свою очередь передается на вал 11 электродвигателя.

При работе электродвигателя, у которого магниточувствительный элемент 4 выполнен в виде плотно намотанной в один слой ферромагнитной проволоки - витого стального троса 13 (фиг.4), происходит изгибание троса в радиальном направлении с передачей момента через средние участки 15 аксиальных штырей 7.

При работе электродвигателя, у которого гибкий магниточувствительный элемент 4 (фиг.7) выполнен в виде ряда плотно расположенных ферромагнитных пластин 16 с двумя внутренними аксиальными отверстиями 17 на противоположных концах, в которых размещены средние участки 15 аксиальных штырей 7, происходит взаимное перемещение аксиально смежных пластин, например 18 и 19, с поворотом вокруг аксиального штыря 7, расположенного в отверстии 20.

При изготовлении ферромагнитные пластины 16 набираются из листов, штампованных в форме выгнутого наружу сегмента, а магниточувствительный элемент 4 из ферромагнитной проволоки легко наматывается в один слой на технологичную оснастку.

Предлагаемый ротор волнового электродвигателя технологичен в изготовлении, обладает простой и надежной конструкцией, обеспечивая передачу значительного электромагнитного момента на вал.

Источники информации

1. А.с. СССР №875551, МКИ Н 02 К 41/06. Ротор волнового электродвигателя. - З. №2871746/24-07. - Опубл. 23.10.81 г., Бюл. №39.

2. А.с. СССР №1387129, МКИ Н 02 К 41/06. Волновой электродвигатель. - З. №3888766/24-07. Опубл. 07.04.88 г., Бюл. №13.

3. Пат. Российской Федерации №2074491, МКИ Н 02 К 41/06. Электрическая машина. - З. №94027926/07. - Опубл. 27.02.97 г.

4. А.с. СССР №881946, МКИ Н 02 К 41/06. Волновой электродвигатель. - З. №2582919/27-07. - Опубл. 15.11.81 г., Бюл. №42 (прототип).

Изобретение относится к электромашиностроению. Технический результат заключается в повышение технологичности при изготовлении, упрощении конструкции и повышении электромагнитного момента. Волновой электродвигатель состоит из стального сердечника статора, во внутренних пазах которого уложена многофазная обмотка, и гибкого магниточувствительного элемента, установленного во внутренней полости статора с зазором и выполненного в виде изгибаемой в радиальном направлении однослойной ферромагнитной ленты с упорядочено расположенными в радиальном направлении аксиальными штырями, концевые участки которых, выступающие за края ферромагнитной ленты, размещены с возможностью перемещения в пазах силовых дисков, закрепленных на валу электродвигателя смежно торцам сердечника статора. При последовательном возбуждении фаз обмотки статора происходит притяжение гибкого магниточувствительного элемента к внутренней поверхности статора и деформация гибкого элемента. При этом осуществляется перемещение аксиальных штырей в пазах силовых дисков в радиальном и тангенциальном направлениях за счет наличия зазора между ними и тангенциальное перемещение гибкого элемента в сторону, противоположную направлению волны магнитного поля при отсутствии проскальзывания прижатых к статору участков гибкого элемента. 9 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Волновой электродвигатель, содержащий размещенные в корпусе статор со стальным сердечником, во внутренних пазах которого уложена многофазная обмотка, и гибкий магниточувствительный элемент, установленный во внутренней полости статора с зазором, по крайней мере, на некотором участке относительно внутренней поверхности стального сердечника, отличающийся тем, что гибкий магниточувствительный элемент выполнен в виде изгибаемой в радиальном направлении однослойной ферромагнитной ленты с упорядоченно расположенными в радиальном направлении аксиальными штырями, концевые участки которых, выступающие за края однослойной ферромагнитной ленты, размещены с возможностью перемещения в пазах силовых дисков, установленных и закрепленных на валу электродвигателя смежно торцам стального сердечника статора.2. Волновой электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что однослойная ферромагнитная лента гибкого магниточувствительного элемента образована путем плотно намотанной в один слой ферромагнитной проволоки, к внутренней поверхности которой присоединены аксиальные штыри, средние участки которых соединены с каждым витком ферромагнитной проволоки.3. Волновой электродвигатель по п.2, отличающийся тем, что ферромагнитная проволока выполнена в виде витого стального троса.4. Волновой электродвигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что аксиальные штыри выполнены из ферромагнитного материала.5. Волновой электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что однослойная ферромагнитная лента гибкого магниточувствительного элемента выполнена в виде ряда плотно расположенных ферромагнитных пластин с двумя внутренними аксиальными отверстиями на противоположных концах, в которых размещены средние участки аксиальных штырей, причем аксиально смежные пластины установлены со взаимным радиальным смещением так, что у двух пластин одно отверстие расположено коаксиально.6. Волновой электродвигатель по п.5, отличающийся тем, что ферромагнитная пластина выполнена в форме сегмента, радиус внешней поверхности которого равен радиусу внутренней полости статора.7. Волновой электродвигатель по п.5 или 6 отличающийся тем, что ферромагнитная пластина сформирована набором плотно упакованных одинаковых изолированных ферромагнитных листов.8. Волновой электродвигатель по п.2, отличающийся тем, что однослойная ферромагнитная лента гибкого магниточувствительного элемента выполнена в виде обрезиненной ленты, внутри которой расположена намотанная в один слой ферромагнитная проволока и средние участки аксиальных штырей.9. Волновой электродвигатель по п.5, отличающийся тем, что ферромагнитные пластины выполнены с обрезиненной внутренней поверхностью.10. Волновой электродвигатель по п.8, отличающийся тем, что обрезиненная лента заполнена мелкодисперсным ферромагнитным порошком.