Вентильный индукторный двигатель с самоподмагничиванием Российский патент 2017 года по МПК H02K19/06 H02K19/10 H02K3/04 

Техническое решение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам, генераторам, двигателям, используемым в различных объектах.

Известен вентильный индукторный двигатель с самоподмагничиванием (описание к патенту США №7923888 на изобретение, МПК: 8 H02K 1/06), содержащий статор и ротор, установленные друг относительно друга с зазором, с возможностью совершения относительного вращательного движения, поверхности статора и ротора, обращенные друг к другу, снабжены равномерно расположенными зубцами, с формированием между соседними зубцами пазов, содержащий также фазные катушки, установленные в пазах статора, зубцы ротора по все длине в перпендикулярном к радиальному направлении выполнены криволинейной формы, с возможностью в части передних краев по ходу вращения ротора плавного уменьшения величины зазора между зубцом ротора и статора и достижением его постоянной величины за счет смены радиуса кривизны, характеризующейся наименьшим радиусом на переднем краю, по мере удаления от переднего края - большим его значением.

Двигатель выполнен с возможностью вращения ротора в одном направлении, с асимметричным ротором, в качестве криволинейной формы в отношении зубцов ротора использована эллиптическая форма.

К недостаткам приведенного технического решения относится отсутствие возможности увеличения рабочего момента на единицу массы вентильного индукторного двигателя.

Причины, препятствующие достижению нижеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Во-первых, использование неоптимальной геометрической конфигурации в конструкции, в частности статора.

Во-вторых, двигатель, как правило, реализован с фазными катушками с характерной традиционной намоткой проводом.

В качестве ближайшего аналога взят вентильный индукторный двигатель с самоподмагничиванием (описание к патенту США №6028385 на изобретение, МПК: 7 H02K 1/24, 7 H02K 19/06), содержащий статор и ротор, установленные друг относительно друга с зазором, с возможностью совершения относительного вращательного движения, поверхности статора и ротора, обращенные друг к другу, снабжены равномерно расположенными зубцами (полюсами), с формированием между соседними зубцами (полюсами) пазов, зубцы статора выполнены одной и той же геометрической конфигурации, содержащий также фазные катушки, установленные в пазах статора, с фазами А, В, С, при этом полюс статора первой фазы (фаза А) расположен между катушкой второй фазы (фаза В), установленной на соответствующий ей полюс статора, и катушкой третьей фазы (фаза С), установленной на соответствующий ей полюс статора, ротор снабжен парами относительно широких зубцов (полюсов), расположенных диаметрально противоположно друг относительно друга, и относительно узких зубцов (полюсов), также расположенных диаметрально противоположно друг относительно друга, каждый из указанных относительно широких зубцов (полюсов) выполнен с широкой торцевой гранью (широким поперечником), каждый из указанных относительно узких зубцов (полюсов) выполнен с узкой торцевой гранью (узким поперечником), указанные зубцы (полюса) ротора выполнены такой геометрической конфигурации, при которой указанная узкая торцевая грань по размеру примерно равна торцевой грани зубца (полюса) статора, а указанная широкая торцевая грань по размеру в отношении ее ширины выполнена с шириной, заданной в диапазоне: от значения ширины зубца (полюса) статора до значения суммы ширины зубца (полюса) статора и ширины двух примыкающих к нему пазов.

В приведенном двигателе катушки каждой фазы установлены на "n" зубцах (полюсах) статора, а ротор выполнен с тем же самым "n" зубцов (полюсов), причем количество относительно широких зубцов (полюсов) равно "n", и количество относительно узких зубцов (полюсов) равно "n". В частности, катушки каждой фазы установлены на четырех зубцах (полюсах) статора, ротор выполнен с четырьмя зубцами (полюсами), с количеством относительно широких зубцов (полюсов), равным двум, и количеством относительно узких зубцов (полюсов), равным также двум.

Двигатель в частных случаях может быть реализован трехфазным либо четырехфазным.

В отношении расположения статора и ротора друг относительно друга может быть использована конструкция с внешним статором или обращенная конструкция.

Недостатками двигателя, взятого за ближайший аналог, является отсутствие возможности увеличения рабочего момента на единицу массы вентильного индукторного двигателя.

Причинами, препятствующими достижению нижеуказанного технического результата, является следующее.

Во-первых, использование неоптимальной геометрической конфигурации в конструкции, в частности, статора.

Во-вторых, двигатель реализован с катушками, намотанными, как правило, традиционным способом с использованием провода.

Техническим результатом является увеличение рабочего момента на единицу массы вентильного индукторного двигателя.

Дополнительным преимуществом предлагаемого двигателя может быть снижение пульсаций при генерации синусоидальных сигналов тока.

Технический результат достигается в вентильном индукторном двигателе с самоподмагничиванием, содержащем статор и ротор, установленные друг относительно друга с зазором, с возможностью совершения относительного вращательного движения, при этом поверхность статора, обращенная к ротору, снабжена зубцами, с формированием между соседними зубцами пазов, содержащем также фазные катушки, образующие фазы и установленные в пазах статора, причем в статоре отношение ширины зубца статора к ширине зубцового деления взято от 0,33 до 0,37, включая указанные значения, а фазные катушки намотаны из ленты фольги меди или алюминия.

В двигателе зубцы статора расположены равномерно.

В двигателе зубцы статора выполнены одной и той же геометрической конфигурацией.

В двигателе геометрия фазной катушки согласована с геометрией паза с возможностью максимального заполнения пространства паза устанавливаемыми в него катушками.

В двигателе поверхность ротора, обращенная к поверхности статора, снабжена зубцами.

В двигателе зубцы ротора расположены равномерно.

В двигателе зубцы ротора выполнены одной и той же геометрической конфигурации.

В двигателе фазные катушки, образующие фазы, соединены «звездой», с возможностью реализации двигателя n-фазным с n, равным трем или более.

В двигателе реализация двигателя n-фазным с n, равным трем или более, выполнена с возможностью включения в работу одновременно, по крайней мере, двух фаз.

В двигателе возможность включения в работу одновременно, по крайней мере, двух фаз, реализована с использованием для управления количества ключей, равного количеству фаз, с подключением каждой фазы к одному ключу.

В двигателе фазные катушки намотаны из ленты фольги меди или алюминия, ширина которой постоянна по длине.

В двигателе фазные катушки намотаны из ленты фольги меди или алюминия шириной около 20 мм, толщиной около 200 мкм в количестве от 55 до 65 витков, включая указанные значения, с использованием изолирующей прокладки между витками, создающей электрическую изоляцию их друг от друга.

В двигателе изолирующая прокладка выполнена из полиимида, толщина прокладки - около 12 мкм.

В двигателе в роторе каждый из зубцов выполнен одной и той же геометрической конфигурации с выдерживанием соотношения ширины торцевой грани зубца ротора к ширине торцевой грани зубца статора в интервале значений от 1,1 до 1,3, включая указанные значения, при этом взята ширина тех частей зубцов ротора и статора, между которыми зазор, с которым ротор и статор установлены друг относительно друга, минимален.

В двигателе реализация двигателя n-фазным с n, равным трем или более, выполнена с использованием статора с количеством зубцов, кратным числу фаз и ротора, в котором количество зубцов равно количеству зубцов статора за вычетом частного чисел, среди которых делимое равно количеству зубцов статора, а делитель - числу фаз.

В двигателе: реализация двигателя n-фазным с n, равным трем, выполнена с использованием статора с количеством зубцов, кратным числу фаз, а именно, с восемнадцатью зубцами или пятнадцатью зубцами, соответственно, с ротором с количеством зубцов, равным количеству зубцов статора за вычетом частного чисел, среди которых делимое равно количеству зубцов статора, а делитель - числу фаз, а именно, с пятнадцатью зубцами или десятью зубцами; реализация двигателя n-фазным с n, равным пяти, выполнена с использованием статора с количеством зубцов, кратным числу фаз, а именно, с пятнадцатью зубцами, с ротором с количеством зубцов, равным количеству зубцов статора за вычетом частного чисел, среди которых делимое равно количеству зубцов статора, а делитель - числу фаз, а именно, с двенадцатью зубцами; реализация двигателя n-фазным с n, равным шести, выполнена с использованием статора с количеством, зубцов кратным числу фаз, а именно, с восемнадцатью зубцами, с ротором с количеством зубцов, равным количеству зубцов статора за вычетом частного чисел, среди которых делимое равно количеству зубцов статора, а делитель - числу фаз, а именно, с пятнадцатью зубцами.

В двигателе фазные катушки, образующие фазу, в фазе соединены последовательно.

В двигателе статор выполнен с наружным диаметром около 300 мм и внутренним диаметром около 246 мм, наружным диаметром ротора около 245 мм и внутренним диаметром около 200 мм, длина указанных элементов конструкции - около 70 мм.

В двигателе статор по отношению к ротору выполнен внешним.

Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.

На Фиг. 1 представлена конструкция двигателя с заданной массой около 15 кг и внешним диаметром около 300 мм, иллюстрирующая выполнение статора и ротора в наиболее оптимальном варианте относительно снижения пульсаций момента, соответственно, с 18 и 15 зубцами, с фазными катушками, выполненными из ленты фольги меди или алюминия, расположенными в пазах статора, где: 1 - статор, 2 - ротор, 3 - катушка.

На Фиг. 2 показана фазная катушка, выполненная из ленты фольги меди или алюминия, где: 4 - лента фольги; 5 - изолирующая прокладка.

На Фиг. 3 приведена электрическая схема шестифазного вентильного индукторного двигателя с 18 зубцами (полюсами) статора и 15 зубцами (полюсами) ротора, управляемого шестифазным током синусоидальной формы с постоянной составляющей, показан используемый в предлагаемом вентильном индукторном двигателе с самоподмагничиванием способ соединения последовательно включенных фазных катушек, образующих фазу, в «звезду», с использованием для управления каждой фазой по одному ключу, при котором в соседних фазах, образующих пары, одна подключается к верхнему (VT1, VT3, VT5) или нижнему (VT2, VT4, VT6) ключу, показано последовательное соединение: для фазы А1 катушек L1, L7, L13; для фазы В2 катушек L2, L8, L14; для фазы С3 катушек L3, L9, L15; для фазы А4 катушек L4, L10, L16; для фазы В5 катушек L5, L11, L17; для фазы С6 катушек L6, L12, L18.

Достижение технического результата базируется на следующем.

В предлагаемом вентильном индукторном двигателе с самоподмагничиванием фазные катушки намотаны из ленты фольги меди или алюминия.

Намотка из ленты фольги, а не традиционно проводом, обеспечивает коэффициент заполнения при установке в пазах статора 1 катушек 3 (см. Фиг. 1), равным 90% и более. В то время как коэффициент заполнения при традиционной намотке катушек из провода и установке их в пазах - менее 80%. Выполнение катушки 3 из ленты фольги 4 (см. Фиг. 2) обеспечивает при установке катушек 3 в пазах статора 1 реализацию максимального заполнения пространства паза с обеспечением существенного повышения коэффициента заполнения по сравнению с использованием катушки, намотанной проводом. При намотке катушки проводом возможно максимальное заполнение пространства паза, однако реализация возможности повышения коэффициента заполнения не достигается. Традиционно для намотки катушек применяют провода из меди с высокопрочной изоляцией круглого или прямоугольного сечения. Наличие изоляции обеспечивает электрическую прочность катушки, но уменьшает коэффициент заполнения. Коэффициент заполнения показывает, какую часть пространства паза занимает чистая медь проводов катушки, без изоляции. При максимальном заполнении пространства паза катушкой, намотанной проводом, не удается достигнуть повышения коэффициента заполнения. Значительная часть пространства паза оказывается заполнена изоляцией провода. Намотка катушек 3 лентой фольги уменьшает часть пространства, заполненного изоляцией, и, таким образом, приводит к повышению коэффициента заполнения.

Повышение коэффициента заполнения, обусловленное использованием фазных катушек 3, выполненных из ленты фольги 4, приводит, в свою очередь, к повышению КПД и, как следствие, к повышению рабочего момента.

Причем в отношении материала ленты фольги, используемой для изготовления фазных катушек, возможна альтернатива: медь или алюминий. Достижение указанного технического результата возможно как в первом случае, так и во втором случае, однако во втором случае при одних и тех же параметрах двигателя, в частности КПД, технический результат - увеличение рабочего момента на единицу массы вентильного индукторного двигателя выражается в максимальной степени.

Следует отметить, как в случае использования фазных катушек из ленты фольги алюминия, так и из меди, возможно достижение максимального момента в 300 Нм, в частности, для двигателя мотора-колеса. При этом в случае использования ленты фольги меди для выполнения фазных катушек потери составят на 36% меньше потерь в таком же двигателе, но с использованием для фазных катушек ленты фольги алюминия, масса двигателя с катушками из ленты фольги меди составит 15,8 кг, а момент на единицу массы около 300/15,8=19 Нм/кг. В таком же двигателе, при условии наличия тех же самых потерь, но с выполненными фазными катушками из ленты фольги алюминия, и соответственно, массой 12 кг, с использованием сниженной величины электрического тока для достижения тех же самых потерь, обеспечивающей падение рабочего момента до 240 Нм, момент на единицу массы составляет 240/12=20 Нм/кг. Таким образом, при одном и том же КПД для двигателя с фазными катушками из ленты фольги алюминия достигаемый рабочий момент на единицу массы оказывается большим, чем в двигателе с фазными катушками из ленты фольги меди.

В предлагаемом двигателе оптимизирована конструкция статора 1 в целях увеличения рабочего момента, как следствие рабочего момента на единицу массы (см. Фиг. 1).

В статоре 1 отношение ширины зубца статора к ширине зубцового деления взято от 0,33 до 0,37, включая указанные значения. Указанное соотношение обеспечивает допустимые в целях достижения технического результата величины потерь (~R×I²) в катушках в зависимости от ширины зубца. Для достижения, в частности, рабочего момента 300 Нм отношение ширины зубца статора к ширине зубцового деления необходимо взять равным 0,35, ему соответствует минимум потерь.

Вышеуказанное дополнительное преимущество по сравнению с вышеприведенными аналогами, которое может достигаться в предлагаемом двигателе, обеспечивается следующим.

В предлагаемом двигателе фазные катушки 3, установленные в пазах статора 1, формирующие фазы, соединены «звездой», с возможностью реализации двигателя n-фазным с n, равным трем или более, с возможностью включения в работу одновременно, по крайней мере, двух фаз (в частности, как показано на Фиг. 3).

Выполнение двигателя многофазным обеспечивает снижение пульсаций момента при генерации синусоидальных сигналов тока. Проявление указанного преимущества в максимальном выражении включает достижение для каждой фазы колебания момента не более 5% при генерации синусоидального тока с постоянной составляющей. Возможность использования как можно большего числа фаз снижает пульсации момента.

Как правило, в конструкции двигателя выполнена система магнитоизолированных фаз. Магнитный поток от каждой фазы замыкается по собственному пути, и если не учитывать насыщение, то взаимная индуктивность между фазами отсутствует. Каждая фаза обычно управляется двумя ключами. Включение в работу каждой фазы происходит поочередно. Для такой схемы характерна простота управления благодаря независимости фаз. Однако следует отметить при этом ее недостатки: повышенные пульсации момента, длинный путь для замыкания магнитного потока, использование большого числа ключей - на каждую фазу приходится два ключа.

В предлагаемом двигателе фазные катушки, образующие фазу, соединены в «звезду», с возможностью включения в работу одновременно, по крайней мере, двух фаз (см. Фиг. 3). В работе одновременно находятся не менее двух фаз, магнитные потоки, формируемые протекающими по обмотке фазными токами, замыкаются через соседние зубцы статора по кратчайшему пути, что существенно снижает падение магнитного напряжения в ярме.

В целях достижения дополнительного преимущества в дополнение к указанной оптимизации конструкции статора 1 потребуется оптимизировать конструкцию ротора 2. В этом случае будет обеспечиваться наряду с увеличением рабочего момента, и, как следствие, увеличением рабочего момента на единицу массы, также снижение пульсаций момента. В роторе 2 зубцы, в отличие, в частности, от указанного ближайшего аналога, распределенные равномерно, выполнены одной и той же геометрической конфигурации, размер поперечника зубца один и тот же для всех зубцов ротора (см. Фиг. 1). Ширина зубца ротора 2 несколько больше ширины зубца статора 1. По ширине зубец ротора 2 перекрывает зубец статора 1. Соотношение ширины торцевой грани зубца ротора 2 к ширине зубца торцевой грани статора 1 может быть выбрано в интервале значений от 1,1 до 1,3, включая указанные значения. При этом в расчет принимается ширина тех частей зубцов ротора 2 и статора 1, между которыми зазор, с которым ротор 2 и статор 1 установлены друг относительно друга, минимален, то есть верхушек зубцов статора 1 и ротора 2 (см. Фиг. 1).

Геометрия поперечного сечения ротора и статора так же, как и в приведенных аналогах, неизменна в зависимости от положения вдоль продольной оси секущей плоскости.

Предлагаемый вентильный индукторный двигатель с самоподмагничиванием выполнен управляемым током синусоидальной формы, но с постоянной составляющей.

Таким образом, изложение причинно-следственной связи совокупности существенных признаков и указанного технического результата допускает выполнение предлагаемого двигателя следующим образом.

В общем случае выполнения вентильный индукторный двигатель с самоподмагничиванием (см. Фиг. 1) содержит статор 1 ротор 2, установленные друг относительно друга с зазором, с возможностью совершения относительного вращательного движения. Поверхность статора 1, обращенная к ротору 2 снабжена зубцами. Между соседними зубцами статора 1 сформированы пазы. Двигатель содержит также фазные катушки 3, образующие фазы и установленные в пазах статора 1. При этом в статоре 1 отношение ширины зубца статора к ширине зубцового деления взято от 0,33 до 0,37, включая указанные значения. Фазные катушки 3 намотаны из ленты фольги 4 меди или алюминия (см. Фиг. 2).

В частных случаях реализации вентильный индукторный двигатель с самоподмагничиванием выполняется со следующими особенностями.

В двигателе (см. Фиг. 1) зубцы статора 1 расположены равномерно, зубцы статора 1 выполнены одной и той же геометрической конфигурации.

Геометрия фазной катушки 3 согласована с геометрией паза с возможностью максимального заполнения пространства паза устанавливаемыми в него катушками 3 (см. Фиг. 1). Форма, размеры паза и геометрические параметры фазных катушек 3 (см. Фиг. 2), выполняемых из ленты фольги 4, согласованы друг с другом с учетом достижения максимального заполнения пространства паза.

В частности, фазные катушки 3 намотаны из ленты фольги 4 меди или алюминия, ширина которой постоянна по длине катушки. Ширина ленты фольги 4 согласована с размерами паза статора 1, его шириной. Она близка к величине, равной примерно половине ширины паза статора 1 (см. Фиг. 1). При установке катушек 3 на соседние зубцы они максимально заполняют пространство паза, сформированного между указанными зубцами. Фазные катушки 3 могут быть намотаны из ленты фольги меди или алюминия шириной около 20 мм, толщиной около 200 мкм в количестве от 55 до 65 витков, включая указанные значения. Между витками ленты фольги 4 выполнена тонкая изолирующая прокладка 5, предназначенная для электрической изоляции витков катушки друг от друга. Толщина изолирующей прокладки 5 - около 12 мкм, выполнена прокладка из полиимида.

Приведенные параметры согласованы с параметрами выполнения статора 1. В частности, статор 1 выполнен с зубцами, характеризующимися прямоугольной формой в поперечнике, с пазами, дно которых выполнено в виде двух наклоненных плоскостей, пересекающихся друг с другом по центру паза, имеющих угол с боковыми стенками зубцов статора 1, равный прямому углу. При установке фазных катушек 3 в пазы статора 1 каждая из катушек 3 плотно примыкает вдоль зубца статора 1 к его боковой стороне и наклонной части дна, имеющей угол с указанной боковой стороной 90°. Сторонами, противоположными сторонам, примыкающим к боковым стенкам паза (боковые стенки зубца), две катушки при установке их на соседние зубцы статора 1, с расположением частей этих соседних катушек 3 в один паз, в пространстве указанного паза наклонены друг к другу, соприкасаясь, формируя незаполненное пространство в центральной части паза четырехугольной формы в поперечнике, у которого одна пара смежных сторон образована сторонами катушек 3, а вторая пара смежных сторон - сходящимися к центру паза плоскостями дна (см. Фиг. 1). Конкретные количественные параметры, касающиеся фазных катушек 3, в отношении геометрии и количества витков, могут отличаться от указанных. Количество витков определяется максимальным током, пропускаемым по катушкам двигателя, соответствующим значению не более 150 А - 160 А. Для двигателя возможно использование и больших значений токов, соответственно, использование другого количества витков, однако в этом случае возрастет стоимость электронных компонентов двигателя.

При использовании фазных катушек из ленты фольги 4 алюминия с указанной изолирующей прокладкой 5 из полиимида вес фазной обмотки статора уменьшается. Заполняемость катушки увеличивается, достигая 90%. Поддержка рабочих температур за счет пленки полиимида до 250°С позволяет кратковременно наращивать рабочий момент двигателя без его разрушения. Использование фазных катушек из ленты фольги алюминия позволяет уменьшить вес двигателя по сравнению со случаем использования фазных катушек из ленты фольги меди на 24%, с 15,8 кг до 12 кг.

Поверхность ротора 2, обращенная к поверхности статора 1, снабжена зубцами. Зубцы ротора 2 расположены равномерно, выполнены одной и той же геометрической конфигурации (см. Фиг. 1). Размер поперечника зубца один и тот же для всех зубцов ротора 2. В частных случаях реализации двигателя, соотношение ширины торцевой грани зубца ротора 2 к ширине торцевой грани зубца статора 1 выбирают в интервале значений от 1,1 до 1,3, включая указанные значения. При этом во внимание принимается ширина в тех частях зубцов ротора 2 и статора 1, между которыми зазор, с которым ротор 2 и статор 1 установлены друг относительно друга (см. Фиг. 1), минимален. Приведенная реализация геометрии зубцов ротора и статора обеспечивает дополнительное снижение пульсаций момента на величину от 3% до 4%, включая указанные значения интервала.

Фазные катушки 3, образующие фазы, соединены «звездой» (см. Фиг. 3), с возможностью реализации двигателя n-фазным с n, равным трем или более. Реализация двигателя n-фазным с n, равным трем или более, выполнена с возможностью включения в работу одновременно, по крайней мере, двух фаз. Возможность включения в работу одновременно, по крайней мере, двух фаз, реализована с использованием для управления количества ключей, равного количеству фаз, с подключением каждой фазы к одному ключу (см. Фиг. 3).

Так, для шестифазного двигателя для управления фазами использовано 6 ключей VT1, VT2, VT3, VT4, VT5, VT6. Две соседние фазы подключены к двум ключам, образующим пару для этих фаз (см. Фиг. 3), верхний ключ и нижний ключ. В приведенном (см. Фиг. 3) шестифазном двигателе 3 пары фаз: А1 и В2; С3 и А4; В5 и С6. Указанные фазы в каждой паре - соседние. Фазные катушки L1, L7, L13, образующие фазу А1, подключены к верхнему ключу VT1. Фазные катушки L2, L8, L14, образующие фазу В2, подключены к нижнему ключу VT2. Фазные катушки L3, L9, L15, образующие фазу С3, подключены к верхнему ключу VT3. Фазные катушки L4, L10, L16, образующие фазу А4, подключены к нижнему ключу VT4. Фазные катушки L5, L11, L17, образующие фазу В5, подключены к верхнему ключу VT5. Фазные катушки L6, L12, L18, образующие фазу С6, подключены к верхнему ключу VT6. В работу включаются одновременно, по крайней мере, две соседние фазы, то есть попарно.

При реализации двигателя n-фазным с n, равным трем или более, с соблюдением соотношений ширины зубца статора к ширине зубцового деления от 0,33 до 0,37, включая указанные значения, используют статор 1 с количеством зубцов кратным числу фаз, а ротор 2 - c количеством зубцов, равным количеству зубцов статора за вычетом частного чисел, среди которых делимое равно количеству зубцов статора, а делитель - числу фаз (см. Фиг. 1). На упомянутой фигуре приведена конструкция двигателя со статором 1 и ротором 2, соответственно, с 18 и 15 зубцами, при использовании которой достижение технического результата в сочетании со снижением пульсаций момента проявляется в максимальной степени для параметров: масса двигателя около 15 кг, внешний диаметр около 300 мм.

Реализация двигателя n-фазным с n, равным трем, может быть выполнена с использованием статора 1 с количеством зубцов, кратным числу фаз, а именно, с восемнадцатью зубцами или пятнадцатью зубцами. Соответственно, при этом ротор 2 должен быть выполнен с количеством зубцов, равным количеству зубцов статора за вычетом частного чисел, среди которых делимое равно количеству зубцов статора, а делитель - числу фаз, а именно, с пятнадцатью зубцами или десятью зубцами.

Реализация двигателя n-фазным с n, равным пяти, может быть осуществлена с использованием статора 1 с количеством зубцов, кратным числу фаз, а именно, с пятнадцатью зубцами. При этом ротор 2 берут выполненным с количеством зубцов, равным количеству зубцов статора за вычетом частного чисел, среди которых делимое равно количеству зубцов статора, а делитель - числу фаз, а именно, с двенадцатью зубцами.

Реализация двигателя n-фазным с n, равным шести, может быть выполнена с использованием статора 1 с количеством зубцов, кратным числу фаз, а именно, с восемнадцатью зубцами. Соответственно ротор 2 характеризуется наличием количества зубцов, равного количеству зубцов статора за вычетом частного чисел, среди которых делимое равно количеству зубцов статора, а делитель - числу фаз, а именно, пятнадцатью зубцами.

Как правило, на практике аналогичные двигатели выполняют с количеством фаз от 3 до 6. В каждой фазе выполнены по 3 фазные катушки. Для уменьшения пульсаций момента в максимальной степени, снижения потерь «в железе» предпочтительна шестифазная схема подключения фазных катушек, образующих фазу, «звездой».

В предлагаемом двигателе фазные катушки, образующие фазу, в фазе соединены последовательно (см. Фиг. 3). Для шестифазного двигателя со статором с 18 зубцами и ротором с 15 зубцами в фазе соединены последовательно три фазные катушки. Для пятифазного двигателя со статором с 15 зубцами и ротором с 12 зубцами в фазе соединены последовательно три фазные катушки. Для трехфазного двигателя со статором с 18 зубцами и ротором с 15 зубцами в фазе соединены последовательно шесть фазных катушек. Для трехфазного двигателя со статором с 15 зубцами и ротором с 10 зубцами в фазе соединены последовательно пять фазных катушек.

Отметим, что фазные катушки могут быть соединены параллельно. В частности, указанное соединение используется при намотке катушек из ленты фольги меди с целью снижения добавочных потерь в меди. При этом проводник обмотки по высоте разбивают на три части, а число последовательных витков фазы и напряжение не изменяются.

Статор 1 может быть выполнен с наружным диаметром около 300 мм и внутренним диаметром около 246 мм. При этом наружный диаметр ротора 2 составляет около 245 мм, а его внутренний диаметр - около 200 мм. Длина указанных элементов конструкции - около 70 мм.

В двигателе может быть использована конструкция с внешним статором или обращенная конструкция. Обращенная конструкция - конструкция с внешним ротором чаще всего применяется в моторе-колесе. Конструкция с внешним статором 1 (см. Фиг. 1) предпочтительна в виду лучшей теплоотдачи.

На базе предлагаемого вентильного индукторного двигателя с самоподмагничиванием можно создать электрическую машину для мотора-колеса автомобиля, обеспечивающую следующие показатели:

Максимальный момент, Нм 300 Наружный диаметр статора, мм 300 Длина пакета железа, мм 50 Внутренний диаметр ротора, мм 200 Длина обмотанного пакета, мм 81 Масса железа статора, кг 5,6 Масса железа ротора, кг 5,24 Масса обмотки, кг 4,45 Масса электротехнических материалов, кг 15,8

Перегрев обмотки при разгоне автомобиля до 100 км/час за 12 секунд составит 36°С. КПД в зоне рабочих моментов (80 Нм) на скорости 100 км/час ожидается в пределах 92-93%.

Предлагаемый двигатель, выполненный управляемым, в частности, шестифазным током синусоидальной формы с постоянной составляющей, работает следующим образом.

Собранную конструкцию, содержащую статор 1, ротор 2 и установленные в пазах статора фазные катушки 3 (см. Фиг. 1), последовательно соединенные с образованием фазы (см. Фиг. 3), устанавливают на валу. Каждую фазу подключают к управляющему ключу, выполненному на базе биполярного транзистора с изолированным затвором. Для шестифазного двигателя для управления фазами используют 6 ключей: VT1, VT2, VT3, VT4, VT5, VT6. При помощи указанных ключей фазы двигателя коммутируются напряжением. Каждый из указанных ключей соединен через индивидуальный драйвер с контроллером. Управление работой двигателя осуществляет контроллер. Контроллер связан с датчиком положения ротора и блоком управления скоростью. В зависимости от сигнала датчика положения ротора и от заданной скорости вращения с помощью ключей VT1-VT6, происходит коммутация тока в необходимые обмотки, обеспечивая вращение ротора с заданной скоростью. Приведение во вращение базируется на магнитном притяжении зубцов ротора к возбужденным, в данный момент переменным током, зубцам статора.

Достигаемый рабочий момент благодаря выполнению фазных катушек намоткой ленты фольги при эксплуатации двигателя составляет 300 Нм и более.

В случае использования двигателя с фазными катушками из ленты фольги алюминия для мотора колеса автомобиля достигаемый рабочий момент, составляющий 300 Нм и более, при радиусе колеса 300 мм и весе экипажа 1500 кг обеспечивает разгон автомобиля до скорости 100 км/час за 11-12 сек, при условии использования полного привода (все колеса являются ведущими). Разгон до 100 км/час (885 об/мин) осуществляется с постоянством момента, далее до 1800 об/мин (200 км/час) с постоянной мощностью 28 кВт. Масса активных материалов (магнитопровод с обмоткой) не превышает 15 кг, неподрессоренная масса не превышает допустимые пределы. КПД в зоне постоянства мощности - более 90%.

Питание фаз обмотки статора 1 осуществляется синусоидальным током с постоянной составляющей, причем постоянная составляющая тока фазы по величине равна амплитуде синусоидальной составляющей тока Iф_DC=Iф_AC=Iф.

Посредством контроллера в зависимости от сигнала датчика положения ротора и заданной блоком управления скоростью скорости вращения через драйверы A1-С6 осуществляется подача модулированного сигнала напряжения на фазы A1-С6. Форма подаваемого модулированного сигнала напряжения на фазы A1-С6 приводит к возникновению в фазных катушках тока синусоидальной формы с постоянной составляющей, необходимого для снижения вибраций, шума и пульсаций момента. В отношении последних, они не превышают 15% в результате выполнения двигателя, управляемого синусоидальной формой тока с постоянной составляющей, многофазным.

Аналогичным образом работает двигатель, выполненный управляемым, в частности, пятифазным током синусоидальной формы с постоянной составляющей.

Таким же образом собранную конструкцию, содержащую статор, ротор и установленные в пазах статора фазные катушки, последовательно соединенные с образованием фазы, устанавливают на валу. Каждую фазу подключают к управляющему ключу, выполненному на базе биполярного транзистора с изолированным затвором. Для пятифазного двигателя при управлении фазами используют 5 ключей: VT1, VT2, VT3, VT4, VT5. При помощи указанных ключей фазы двигателя коммутируются напряжением. Каждый из указанных ключей соединен через индивидуальный драйвер с контроллером. Управление работой двигателя осуществляет контроллер. Контроллер связан с датчиком положения ротора и блоком управления скоростью. В зависимости от сигнала датчика положения ротора и от заданной скорости вращения с помощью ключей VT1-VT5, происходит коммутация тока в необходимые обмотки, обеспечивая вращение ротора с заданной скоростью. Принцип действия двигателя основан на магнитном притяжении зубцов ротора к возбужденным, в данный момент переменным током, зубцам статора.

Посредством контроллера в зависимости от сигнала датчика положения ротора и заданной блоком управления скоростью скорости вращения через драйверы осуществляется подача модулированного сигнала напряжения на фазы. Форма подаваемого модулированного сигнала напряжения на фазы приводит к возникновению в фазных катушках тока синусоидальной формы с постоянной составляющей, необходимого для снижения вибраций, шума и пульсаций момента.

Для трехфазного двигателя, выполненного управляемым, в частности, трехфазным током синусоидальной формы с постоянной составляющей, работа осуществляется таким же образом.

Конструкцию, содержащую статор, ротор и установленные в пазах статора фазные катушки, последовательно соединенные с образованием фазы, устанавливают на валу. Каждую фазу подключают к управляющему ключу, выполненному на базе биполярного транзистора с изолированным затвором. Для трехфазного двигателя используют 3 ключа для управления фазами. Посредством ключей фазы двигателя коммутируются напряжением. Каждый из ключей фаз соединен через индивидуальный драйвер с контроллером, управляющим работой двигателя. Контроллер связан с датчиком положения ротора и блоком управления скоростью. В зависимости от сигнала датчика положения ротора и от заданной скорости вращения с помощью фазных ключей, происходит коммутация тока в необходимые обмотки, обеспечивая тем самым вращение ротора с заданной скоростью, поскольку принцип действия двигателя основан на магнитном притяжении зубцов ротора к возбужденным, в данный момент переменным током, зубцам статора.

Посредством контроллера в зависимости от сигнала датчика положения ротора и заданной блоком управления скоростью скорости вращения через драйверы осуществляется подача модулированного сигнала напряжения на фазы. Форма подаваемого модулированного сигнала напряжения на фазы приводит к возникновению в фазных катушках тока синусоидальной формы с постоянной составляющей, необходимого для снижения вибраций, шума и пульсаций момента.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к вентильным индукторным машинам. Технический результат – увеличение рабочего момента на единицу массы вентильного индукторного двигателя. Вентильный индукторный двигатель с самоподмагничиванием содержит статор и ротор, установленные друг относительно друга с зазором, с возможностью совершения относительного вращательного движения. Поверхность статора, обращенная к ротору, снабжена зубцами, с формированием между соседними зубцами пазов, содержащий также фазные катушки, образующие фазы и установленные в пазах статора. В статоре отношение ширины зубца статора к ширине зубцового деления взято от 0,33 до 0,37, включая указанные значения, а фазные катушки намотаны из ленты фольги меди или алюминия. 18 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Вентильный индукторный двигатель с самоподмагничиванием, содержащий статор и ротор, установленные друг относительно друга с зазором, с возможностью совершения относительного вращательного движения, при этом поверхность статора, обращенная к ротору, снабжена зубцами, с формированием между соседними зубцами пазов, содержащий также фазные катушки, образующие фазы и установленные в пазах статора, отличающийся тем, что в статоре отношение ширины зубца статора к ширине зубцового деления взято от 0,33 до 0,37, включая указанные значения, а фазные катушки намотаны из ленты фольги меди или алюминия.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что зубцы статора расположены равномерно.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что зубцы статора выполнены одной и той же геометрической конфигурации.

4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что геометрия фазной катушки согласована с геометрией паза с возможностью максимального заполнения пространства паза устанавливаемыми в него катушками.

5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что поверхность ротора, обращенная к поверхности статора, снабжена зубцами.

6. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что зубцы ротора расположены равномерно.

7. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что зубцы ротора выполнены одной и той же геометрической конфигурации.

8. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что фазные катушки, образующие фазы, соединены «звездой», с возможностью реализации двигателя n-фазным с n, равным трем или более.

9. Двигатель по п. 8, отличающийся тем, что реализация двигателя n-фазным с n, равным трем или более, выполнена с возможностью включения в работу одновременно, по крайней мере, двух фаз.

10. Двигатель по п. 9, отличающийся тем, что возможность включения в работу одновременно, по крайней мере, двух фаз, реализована с использованием для управления количества ключей, равного количеству фаз, с подключением каждой фазы к одному ключу.

11. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что фазные катушки намотаны из ленты фольги меди или алюминия, ширина которой постоянна по длине.

12. Двигатель по п. 10, отличающийся тем, что фазные катушки намотаны из ленты фольги меди или алюминия шириной около 20 мм, толщиной около 200 мкм в количестве от 55 до 65 витков, включая указанные значения, с использованием изолирующей прокладки между витками, создающей электрическую изоляцию их друг от друга.

13. Двигатель по п. 12, отличающийся тем, что изолирующая прокладка выполнена из полиимида, толщина прокладки - около 12 мкм.

14. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что в роторе каждый из зубцов выполнен одной и той же геометрической конфигурации с выдерживанием соотношения ширины торцевой грани зубца ротора к ширине торцевой грани зубца статора в интервале значений от 1,1 до 1,3, включая указанные значения, при этом взята ширина тех частей зубцов ротора и статора, между которыми зазор, с которым ротор и статор установлены друг относительно друга, минимален.

15. Двигатель по п. 8, отличающийся тем, что реализация двигателя n-фазным с n, равным трем или более, выполнена с использованием статора с количеством зубцов кратным числу фаз и ротора, в котором количество зубцов равно количеству зубцов статора за вычетом частного чисел, среди которых делимое равно количеству зубцов статора, а делитель - числу фаз.

16. Двигатель по п. 15, отличающийся тем, что: реализация двигателя n-фазным с n, равным трем, выполнена с использованием статора с количеством зубцов, кратным числу фаз, а именно, с восемнадцатью зубцами или пятнадцатью зубцами, соответственно, с ротором с количеством зубцов, равным количеству зубцов статора за вычетом частного чисел, среди которых делимое равно количеству зубцов статора, а делитель - числу фаз, а именно, с пятнадцатью зубцами или десятью зубцами; реализация двигателя n-фазным с n, равным пяти, выполнена с использованием статора с количеством зубцов, кратным числу фаз, а именно, с пятнадцатью зубцами, с ротором с количеством зубцов, равным количеству зубцов статора за вычетом частного чисел, среди которых делимое равно количеству зубцов статора, а делитель - числу фаз, а именно, с двенадцатью зубцами; реализация двигателя n-фазным с n, равным шести, выполнена с использованием статора с количеством зубцов, кратным числу фаз, а именно, с восемнадцатью зубцами, с ротором с количеством зубцов, равным количеству зубцов статора за вычетом частного чисел, среди которых делимое равно количеству зубцов статора, а делитель - числу фаз, а именно, с пятнадцатью зубцами.

17. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что фазные катушки, образующие фазу, в фазе соединены последовательно.

18. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что статор выполнен с наружным диаметром около 300 мм и внутренним диаметром около 246 мм, наружным диаметром ротора около 245 мм и внутренним диаметром около 200 мм, длина указанных элементов конструкции - около 70 мм.

19. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что статор по отношению к ротору выполнен внешним.