Бесколлекторный электрический двигатель постоянного тока Российский патент 2024 года по МПК H02K31/00 H02K1/274 H02K3/04 H02K15/95 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к бесколлекторным электрическим машинам постоянного тока, преобразующим входную энергию постоянного тока в выходную механическую энергию вращения вала. Может быть использовано в качестве электродвигателя. При необходимости может быть использовано в качестве роторного электрического генератора постоянного тока, использующего постоянное магнитное поле. Применимо в силовых электроприводах, в электрических системах автомобилей, в электроприводах механизмов поворота частей тяжелой строительной и военной техники.

Известен бесколлекторный двигатель постоянного тока по патенту России на изобретение RU2091969, Н02К 29/00, 1997, содержащий статор, на зубцах которого намотана m-фазная обмотка, и многополюсный ротор на постоянных магнитах. На каждом зубце статора намотано по одной катушке, фазы между собой разнесены на 120º. Каждая из фаз состоит из двух равных катушечных групп, в каждую из которых входят три соседних зубца, на которых находятся обмотки одной фазы. Направление намотки внутри катушечных групп чередуются. Недостатком являются значительные потери мощности вследствие наличия зазоров между магнитами ротора, наличия зазоров между статором и ротором, большой массы вращающегося многополюсного ротора.

Известен бесколлекторный двигатель постоянного тока по патенту России на изобретение RU2391761, Н02К 31/00, 2010.  Двигатель содержит ротор и статор, выполненный в виде цилиндрического магнитопровода, внутри которого размещены две секции из нескольких кольцевых магнитопроводов. В первой секции закреплен первый, а во второй секции - второй ребристо-цилиндрические электропроводники, выполненные из медной фольги. Внутренние концы первого и второго ребристо-цилиндрических магнитопроводников электрически соединены с внутренними медными кольцевыми электродами, а их внешние концы - с внешними медными кольцевыми электродами. Ротор выполнен в виде ребристо-цилиндрического электромагнита, кольцевые ребра которого входят в пазы первого и второго электропроводников. В средней части ротора размещена катушка подмагничивания, один конец которой соединен с электродом первого электропроводника, а второй присоединен к внешнему электроду второго электропроводника. Недостатком является невысокая эффективность работы двигателя, небольшое значение мощности, приходящейся на единицу массы этого двигателя.

В качестве ближайщего аналога заявляемому техническому решению выбран бесколлекторный роторный электрический двигатель по патенту России RU2528983, Н02К 31/00, 2014.  Двигатель содержит статор с обмоткой и ротор, вращающийся на подшипниках. Статор выполнен в виде тороида с внешней намоткой катушки. Ротор, вращающийся внутри статора на подшипниках, имеет постоянные магниты в виде цилиндров, расположенных по касательным к ротору. Недостатком является конструкция тороидального статора, не позволяющая использовать многовитковую обмотку. Это обуславливает низкую мощность данного двигателя, и низкую скорость вращения вала. Объясняется это тем, что в одновитковой обмотке не возможно создать достаточное напряжение, а использовать для получения высокой мощности источник постоянного тока, обеспечивающий высокую силу тока, проблематично из-за размеров и конструкции такого источника.

Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение арсенала средств, относящихся к бесколлекторным электродвигателям постоянного тока.

Техническим результатом заявляемого изобретения является реализация данного назначения за счет создания бесколлекторного электродвигателя постоянного тока, обеспечивающего высокую мощность на единицу массы, высокий крутящий момент, высокую скорость вращения вала, надежность работы двигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что в бесколлекторном электрическом двигателе постоянного тока, содержащем тороидальный статор с корпусом в виде тора и обмоткой, и содержащем ротор с постоянными магнитами, установленный внутри корпуса статора, согласно изобретению, ротор выполнен в виде кольца, состоящего из двух полукольцевых постоянных магнитов, на внутренней стороне кольца ротора закреплена роторная шестерня, на внутренней стороне корпуса статора, обращенной к оси тора, выполнены вырезы, равномерно расположенные вдоль его внутреннего периметра, на внешней стороне корпуса статора на участках, расположенных напротив вырезов внутренней стороны, обмотка статора расположена линейно, на участках между вырезами обмотка расположена спирально вокруг поверхности тора, в местах вырезов корпуса статора роторная шестерня входит в зацепление с передаточными шестернями, взаимодействующими, с центральной шестерней вала двигателя.

Технический результат, выражающийся в создании бесколлекторного электродвигателя постоянного тока, обеспечивающего высокую мощность на единицу массы и высокий крутящий момент обеспечивается за счет снижения энергетических потерь при работе двигателя. Выполнение ротора в виде цельного кольца из соединенных постоянных магнитов позволяет снизить потери энергии электродвигателя. Соединение полуколец ротора без образования воздушного зазора между полюсами постоянных магнитов позволяет исключить потери электромагнитного поля при вращении ротора. Закрепление на внутренней стороне кольцевого ротора роторной шестерни, взаимодействующей через передаточные шестерни с центральной шестерней вала двигателя, позволяет снизить механические потери при передаче вращения. Выполнение в тороидальном корпусе статора вырезов, расположенных на его внутреннем диаметре, и установка напротив этих вырезов передаточных шестерен, равномерно расположенных вдоль внутреннего периметра статора, позволяет осуществить зацепление передаточных шестерен с роторной шестерней. Использование кольцевого ротора с роторной шестерней позволяет увеличить мощность двигателя на единицу массы за счет отсутствия потерь на вращение тяжелого многополюсного ротора, увеличить скорость вращения ротора, а применение зубчатых шестерен с оптимально рассчитанным передаточным отношением позволяет обеспечить необходимую скорость вращения вала электродвигателя. Выполнение обмотки статора спиральной, с расположением витков вокруг поверхности тора корпуса на большей части его длины, и расположение обмотки линейно, вдоль образующей тора на участках верхней поверхности корпуса статора, лежащих напротив вырезов, позволяет выполнить обмотку статора многовитковой, что повышает мощность двигателя по сравнению с аналогом. При этом увеличение мощности происходит за счет подачи напряжения, соответствующего многовитковой спиральной обмотке, выполненной из определенного материала. Обход вырезанных участков корпуса статора за счет линейного протягивания обмотки по верхней наружной поверхности большего диаметра тора позволяет применить спиральную обмотку и не нарушить ее целостность при вращении ротора и при передаче вращения с ротора на вал двигателя, что повышает надежность работы двигателя. В отличие от аналога, где из-за угрозы повреждения целостности обмотки при вращении ротора внутри торообразного статора возможно применение только одновитковой обмотки, в заявляемом решении расположение обмотки не препятствует вращению кольцевого ротора внутри тороидального статора. Таким образом, за счет конструктивных особенностей выполнения статора повышается мощность электродвигателя, выходная скорость вращения вала, надежность его работы.

На фигуре схематично представлен бесколлекторный электродвигатель постоянного тока.

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока содержит тороидальный статор с корпусом 1, выполненным в виде тора. Статор является катушкой индуктивности. Статор установлен в основании (на чертеже не показано) для ее удержания в устойчивом положении и изоляции. На одних участках корпуса 1 статора выполнена спиральная обмотка 2, вкруговую охватывающая тороидальную поверхность в полоидальном направлении, на других участках корпуса 1 статора выполнена линейная обмотка 3, расположенная вдоль верхней наружной поверхности тора корпуса 1 в тороидальном направлении, без кольцевого охвата трубчатой поверхности тора. Обмотка статора выполнена многовитковой. На внутренней поверхности корпуса 1, обращенной к центральной оси тора, выполнены вырезы 4. Вырезы 4 равномерно расположены вдоль внутреннего периметра корпуса 1 статора. Внутри полого корпуса 1 расположен ротор 5. Ротор 5 выполнен кольцевым, составленным из двух соединенных полукольцевых постоянных магнитов. На поверхности ротора 5 с его внутренней стороны, вдоль меньшего его диаметра закреплена роторная шестерня 6. Вырезы 4 в корпусе статора 1 частично открывают участки роторной шестерни 6. На этих участках роторная шестерня 6 входит в зацепление с передаточными шестернями 7. Передаточные шестерни 7 взаимодействуют с центральной шестерней 8, установленной на выходном валу 9 электродвигателя. Участки корпуса 1 статора на которых обмотка 3 выполнена линейной, расположены с внешней противоположной стороны корпуса 1 напротив участков с вырезами 4 на его внутренней стороне.

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока работает следующим образом.

Принцип действия основан на электромагнитной индукции. При подаче на концы обмотки статора напряжения от источника постоянного тока внутри катушки возникает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем ротора 5. Ротор 5 начинает поворачиваться. Направление вращения зависит от направления тока в катушке. При смене полярности, направление вращения меняется. При вращении ротора 5 роторная шестерня 6 передает крутящий момент с ротора 5 на выходной вал 9 двигателя посредством редуктора, образуемого роторной шестерней 6, передаточными шестернями 7, центральной шестерней 8. При передаче вращения с роторной шестерни 6 на передаточные шестерни 7 не происходит повреждения обмотки статора за счет внешнего линейного 3 расположения обмотки на участках взаимодействия шестерен 6 и 7. Крутящий момент и скорость вращения зависит от геометрии ротора 5, его остаточной магнитной индукции, магнитной индукции, создаваемой в катушке индуктивности, от механической нагрузки на валу 9 двигателя. При габаритах двигателя 100*100*50 мм, он может иметь следующие параметры: номинальная скорость вращения 3000 об/мин, номинальная мощность 50 Вт, номинальный момент более 0,15 Нм, масса 2 кг.

Заявляемый электродвигатель имеет ряд преимуществ перед существующими аналогами, к которым относятся компактность и малая высота оси вращения, совмещение в одном корпусе электромагнитной части конструкции и редуктора, относительно невысокая масса за счет отсутствия ярма магнитопровода, увеличенный вращающий момент за счет встроенного редуктора и увеличенного диаметра ротора при сохранении малого числа полюсов обмотки. Отсутствие внешнего магнитопровода снижает магнитную проводимость, но снижение напряженности поля в воздушном зазоре компенсируется увеличением намагничивающего тока статора по отношению к номинальному току. В предлагаемом двигателе улучшены условия охлаждения обмоток статора 2 и 3. Предлагаемый двигатель имеет массу в 1,1-1,2 раз меньшую в сравнении с существующими двигателями. В двигателе предложенной конструкции возможно создание повышенного крутящего при изменении размеров ротора 5.

Данную электрическую машину можно использовать в качестве генератора постоянного тока. Закрепление на внутренней стороне кольцевого ротора роторной шестерни, взаимодействующей через передаточные шестерни с центральной шестерней вала двигателя, позволяет реализовать в одном корпусе двигатель и редуктор. При принудительном вращении вала 9 в статоре наводится переменная ЭДС, которая зависит от скорости вращения ротора 5. Номинальный ток зависит от сечения провода в обмотке 2, 3 статора.

Таким образом, изобретение позволяет расширить арсенала средств, относящихся к бесколлекторным электродвигателям постоянного тока, обеспечить большую мощность и момент на единицу массы, высокую скорость вращения вала и надежность работы электродвигателя.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к бесколлекторным электрическим машинам постоянного тока, преобразующим входную энергию постоянного тока в выходную механическую энергию вращения вала. Технический результат заключается в расширении арсенала средств за счет создания бесколлекторного электродвигателя постоянного тока, обеспечивающего высокую мощность на единицу массы, высокую скорость вращения вала и надежность его работы. Бесколлекторный электрический двигатель постоянного тока содержит тороидальный статор с корпусом в виде тора и обмоткой и содержит ротор с постоянными магнитами, установленный внутри корпуса статора. Ротор выполнен в виде кольца, состоящего из двух полукольцевых постоянных магнитов, на внутренней стороне кольца ротора закреплена роторная шестерня, на внутренней стороне корпуса статора, обращенной к оси тора, выполнены вырезы, равномерно расположенные вдоль его внутреннего периметра. На внешней стороне корпуса статора на участках, расположенных напротив вырезов внутренней стороны, обмотка статора расположена линейно, на участках между вырезами обмотка расположена спирально вокруг поверхности тора. В местах вырезов корпуса статора роторная шестерня входит в зацепление с передаточными шестернями, взаимодействующими с центральной шестерней вала двигателя. 1 ил.

Бесколлекторный электрический двигатель постоянного тока, содержащий тороидальный статор с корпусом в виде тора и обмоткой и содержащий ротор с постоянными магнитами, установленный внутри корпуса статора, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде кольца, состоящего из двух полукольцевых постоянных магнитов, на внутренней стороне кольца ротора закреплена роторная шестерня, на внутренней стороне корпуса статора, обращенной к оси тора, выполнены вырезы, равномерно расположенные вдоль его внутреннего периметра, на внешней стороне корпуса статора на участках, расположенных напротив вырезов внутренней стороны, обмотка статора расположена линейно, на участках между вырезами обмотка расположена спирально вокруг поверхности тора, в местах вырезов корпуса статора роторная шестерня входит в зацепление с передаточными шестернями, взаимодействующими с центральной шестерней вала двигателя.