Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока с регулировкой механических характеристик в широком диапазоне Российский патент 2024 года по МПК H02K29/06 H02K11/33 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к области электротехники (электрические машины, электродвигатели), а именно, к электродвигателям постоянного тока.

Уровень техники.

Как известно, электродвигатели постоянного тока делятся на две группы - бесколлекторные (бесщёточные, бесконтактные, в том числе вентильные) и коллекторные.

Бесколлекторные (бесщёточные, бесконтактные, в том числе вентильные) электродвигатели постоянного тока независимого возбуждения на постоянных магнитах имеют существенный недостаток. Из-за наличия постоянного магнита (как правило высококоэрцитивного) эти электродвигатели не позволяют плавно и в широком диапазоне регулировать механические характеристики, а именно, обороты и крутящий момент, что существенно сужает область их применения. Поскольку в бесколлекторных (бесщёточных, бесконтактных, в том числе вентильных) электродвигателях отсутствует щёточно-коллекторный узел, который часто выходит из строя и требует замены, к достоинствам бесколлекторных электродвигателей следует отнести их повышенную надежность.

Коллекторные электродвигатели постоянного тока независимого или параллельного возбуждения имеют один существенный недостаток - наличие щёточно-коллекторного узла, который достаточно быстро изнашивается и требует замены. Достоинствами этих электродвигателей является возможность производить плавную регулировку механических характеристик, а именно, оборотов и крутящего момента в очень широких пределах, что существенно расширяет область их применения, а также невысокая стоимость.

Заявляемый бесколлекторный электродвигатель постоянного тока (далее заявляемый электродвигатель) является неким промежуточным вариантом между

бесколлекторным электродвигателем с постоянными магнитами на роторе и коллекторным электродвигателем, где используются электромагниты на роторе и статоре.

Известен бесколлекторный электродвигатель постоянного тока [Гаврилов Р.С. Управление синхронными машинами с постоянными магнитами: учебное пособие / Р.С. Гаврилов, Ю. Н. Мустафаев; Балт. гос. техн. ун-т. - СПб., 2019. - 78 с. (стр. 20)], содержащий ротор с постоянными магнитами, три обмотки на статоре, сдвинутыми на 120° и соединёнными в звезду, датчик положения ротора с одним сигнальным элементом и тремя чувствительными элементами, число которых равно числу обмоток статора, коммутатор, выполненный на трех транзисторах, работающих в ключевом режиме.

Общие с указанным аналогом признаки заявляемого электродвигателя - это статор с обмоткой, электронный блок коммутации статора (коммутатор, выполненный на трех транзисторах, работающих в ключевом режиме), ротор, блок обратной связи по положению ротора (датчик положения ротора).

Недостатком данного аналога является то, что из-за наличия постоянного магнита (как правило, высококоэрцитивного) на роторе, он не позволяет плавно и в широком диапазоне регулировать механические характеристики электродвигателя.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения является коллекторный электродвигатель постоянного тока независимого или параллельного возбуждения [Данилов И.А. Общая электротехника с основами электроники: Учеб. Пособие для студ. неэлектротехн. спец. Средних спец. Учеб. Заведений/И.А. Данилов, П.М. Иванов. - 6-е изд., стер. - М.: Высш. Шк., 2005. - 752.: ил. (с. 239-243, с. 269-277)], содержащий: щёточно-коллекторный узел, сердечник якоря, сердечник главного полюса, полюсную катушку, статор, подшипниковый щит, вентилятор, обмотку якоря, устройства для регулировки питания обмоток ротора и статора.

Общими признаками заявляемого электродвигателя с прототипом являются статор с обмоткой (сердечник главного полюса, статор, полюсная катушка), ротор с обмоткой (сердечник якоря, обмотка якоря), расположенный на валу электродвигателя, подшипниковый щит, блоки регулировки ротора и статора, подключенные своими входами к внешнему источнику питания.

Недостатками выбранного прототипом коллекторного электродвигателя постоянного тока, из-за наличия щёточно-коллекторного узла, являются низкая надежность и ремонтопригодность, а также ограниченная область применения, например, невозможность использовать его на искро- взрывоопасных производствах.

Заявляемый электродвигатель является неким промежуточным вариантом между коллекторным электродвигателем, где используются электромагниты на роторе и статоре, и бесколлекторным на постоянных магнитах с электронным блоком коммутации статора.

Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании электродвигателя с высокой надежностью и ремонтопригодностью, и в тоже время имеющего широкую область использования, в том числе, на искро- взрывоопасных производствах.

Заявляемый электродвигатель обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении надёжности, ремонтопригодности и расширении области применения.

Заявляемый электродвигатель будет гораздо предпочтительнее прототипа в станкостроении, при работе на вредных и опасных производствах, во фрезерных, токарных и других электрических приводах, где требуется надёжность, искро-взрывобезопасность.

Раскрытие сущности изобретения.

Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков.

Общие с прототипом признаки заявляемого изобретения - это статор с обмоткой, ротор с обмоткой и подшипниковый щит, установленные на валу электродвигателя, блоки регулировки ротора и статора, подключенные своими входами к внешнему источнику питания.

Отличительные признаки заявляемого изобретения - это излучатель и приемник излучения, обеспечивающие бесконтактную передачу электрической энергии излучателем на обмотку ротора заявляемого электродвигателя. Вход излучателя подключен к выходу блока регулировки ротора. Выход приемника излучения подключен к обмотке ротора, а вход блока обратной связи по положению ротора бесконтактно подключен к обмотке ротора. Выход блока обратной связи по положению ротора подключен к управляющему входу электронного блока коммутации статора, выход которого подключен к обмотке статора. Вход электронного блока коммутации статора подключен к выходу блока регулировки статора.

Краткое описание чертежей

Сущность заявляемого изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого электродвигателя, на фиг. 2 - электрическая принципиальная схема заявляемого электродвигателя.

На фиг. 1 и фиг. 2 обозначены: 1 - внешний источник питания; 2 - корпус; 3 - статор с обмоткой; 4 - ротор с обмоткой; 5 - вал с подшипниковым щитом; 6 - электронный блок коммутатора статора; 7 - блок регулировки статора; 8 - блок обратной связи по положению ротора; 9 - излучатель; 10 - блок регулировки ротора; 11 - приемник излучения.

Осуществление изобретения.

Заявляемый электродвигатель (фиг. 1) содержит внешний источник питания 1, корпус 2, в котором размещены статор с обмоткой 3, ротор с обмоткой 4, установленный на валу 5 с подшипниками, электронный блок коммутации статора 6, вход которого через блок регулировки статора 7 подключен к внешнему источнику питания 1. Выход электронного блока коммутации статора 6 подключен к обмотке статора 3. Блок обратной связи по положению ротора 8, который своим входом бесконтактно подключен к обмотке ротора 4, а выходом подключен к управляющему входу электронного блока коммутации статора 6. Заявляемый электродвигатель содержит излучатель 9, подключенный своим входом к внешнему источнику питания 1 через блок регулировки ротора 10, а также приемник излучения 11, подключенный к ротору с обмоткой 4.

Заявляемый электродвигатель работает следующим образом (фиг. 1, фиг. 2). Для питания обмотки ротора 4 заявляемого электродвигателя электрический ток вначале поступает на излучатель 9 через блок регулировки ротора 10 и бесконтактно передаётся на приёмник излучения 11. После приёма излучения электрический ток подаётся на ротор с обмоткой 4, который располагается на валу 5 с подшипниками. Таким образом, на обмотку ротора 4 в процессе работы заявляемого электродвигателя постоянно подается электрический ток, и он становится электромагнитом.

Для питания обмотки статора 3 заявляемого электродвигателя электрический ток поступает на электронный блок коммутации статора 6 через блок регулировки статора 7. Изменение полярности на обмотке статора 4 в нужный момент времени и однонаправленное вращение вала ротора 5 с подшипниками осуществляются за счёт блока обратной связи по положению ротора 8, который передаёт управляющий сигнал на электронный блок коммутации статора 6.

В заявляемом электродвигателе плавная регулировка частоты вращения вала и крутящего момента на валу в широком диапазоне осуществляется аналогично, как у коллекторного электродвигателя постоянного тока независимого или параллельного возбуждения - с помощью блоков регулировки 10 и 7, которые регулируют ток обмотки ротора 4 и обмотки статора 3.

Наличие излучателя 9 и приёмника излучения 11 в заявляемом электродвигателе обеспечивают бесконтактную передачу электрической энергии к обмотке ротора 4, что исключает необходимость использования щёточно-коллекторного узла и повышает надёжность электродвигателя. Отсутствие щёточно-коллекторного узла исключает искрение между щётками и ламелями коллектора, что позволяет заявляемый электродвигатель использовать в искро- взрывоопасных производствах.

Внешний источник питания для обмотки ротора 4 и обмотки статора 3 заявляемого электродвигателя может осуществляться от одного или двух источников питания.

При питании от одного источника питания на клеммы, расположенные на корпусе 2, подаётся электрический ток для питания обмотки ротора 4 и обмотки статора 3 заявляемого электродвителя.

Электрический ток для питания обмотки статора 3, являющегося электромагнитом, подаётся на электронный блок коммутации статора 6 через блок регулировки статора 7, где происходит коммутация питания с помощью управляющего сигнала из блока обратной связи по положению ротора 8.

Электрический ток для питания обмотки ротора 4 вначале подаётся на излучатель 9 через блок регулировки ротора 10 и затем принимается приёмником излучения 11.

Пример реализации изобретения.

Конкретный пример реализации состоит из компонентов, отмеченных соответствующими блоками на фиг. 2 и является вариантом заявляемого электродвигателя с разными источниками питания (независимого возбуждения).

Источник питания 1 состоит из двух элементов питания разного напряжения: первый - Qj12005S 0-120V х 0-5A для питания обмоток статора 3 и второй - два аккумулятора 6CT-60 L Standart на 12В соединенных последовательно (всего 24В) для питания обмотки ротора 4.

Блок регулировки ротора 10 и статор 7 выполнен на регулировочных реостатах.

Блок электронной коммутации статора 6 выполнен на двух твёрдотельных реле постоянного тока, способных управляться по сигналу с датчика Холла 8. Сами твёрдотельные реле защищаются от ЭДС самоиндукции с помощью защитного диода и варистора. Датчик Холла 8 имеет свой источник питания, в данном случае батарею типа «Крона» на 9В, сигнальные выводы которого подключены к управляющим входам твёрдотельных реле 6.

Статор с обмотками 3 имеет четыре полюса, намотанные медным эмальпроводом диаметром 0,28 мм, по 2-х фазной схеме, то есть всего восемь катушек по 100 витков в каждой. Общий вывод обмоток статора подключен к плюсовому контакту источника питания Qj12005S 0-120V х 0-5A, а два оставшихся минусовых вывода обмоток статора 3 к соответствующим выводам твёрдотельных реле 6. Регулировочный реостат 7 подключен к соответствующим выводам твёрдотельных реле 6.

Излучатель 9 выполнен из двух основных элементов - это генератор высокочастотного тока, реализованный на ZVS драйвере (генератор, 45В x 1000Вт x 100 кГц), который преобразует постоянный ток в переменный высокочастотный, и катушка-излучатель, которая, как и катушка-приёмник излучения 11 высокочастотного тока содержат по 8 витков медного провода диаметром 2,5 мм, находящихся в термоусадке для изоляции витков друг от друга. Катушка-приёмник 11 высокочастотного тока находится на роторе и подключается к диодному мосту, выполненному на 4-х быстродействующих диодах (диоды Шоттки, БВД-диоды), закреплённых на алюминиевом радиаторе-крыльчатке.

Радиатор-крыльчатка закреплен на валу ротора 5 с подшипниками, а выпрямительные диоды изолированы друг от друга слюдяной прокладкой. Выпрямленный высокочастотный ток поступает на обмотку ротора 4. Обмотка ротора 4 выполнена из медного эмальпровода, имеющего чередующиеся 4 полюса с диаметром провода 0,45 мм по 100 витков на каждом полюсе.

Заявляемый электродвигатель устраняет недостатки рассмотренных аналогов и прототипа, обеспечивая повышение надёжности и расширение области применения за счёт использования бесконтактной передачи электрической энергии к ротору.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – повышение надежности и расширение области применения. Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока содержит статор с обмоткой, ротор с обмоткой. Блоки регулировки ротора и статора подключены своими входами к внешнему источнику питания. Для достижения технического результата введены излучатель и приемник излучения, обеспечивающие бесконтактную передачу электрической энергии излучателем на обмотку ротора электродвигателя. Вход излучателя подключен к выходу блока регулировки ротора, выход приемника излучения подключен к обмотке ротора. Вход блока обратной связи по положению ротора бесконтактно подключен к обмотке ротора, а выход блока обратной связи по положению ротора подключен к управляющему входу электронного блока коммутации статора, выход которого подключен к обмотке статора. Вход электронного блока коммутации статора подключен к выходу блока регулировки статора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока, содержащий статор с обмоткой, ротор с обмоткой и подшипниковый щит, установленные на валу электродвигателя, блок регулировки ротора и блок регулировки статора, подключенные своими входами к внешнему источнику питания, отличающийся тем, что заявляемый электродвигатель содержит излучатель и приемник излучения, обеспечивающие бесконтактную передачу электрической энергии излучателем на обмотку ротора электродвигателя, причём вход излучателя подключен к выходу блока регулировки ротора, выход приемника излучения подключен к обмотке ротора, кроме того, вход блока обратной связи по положению ротора бесконтактно подключен к обмотке ротора, а выход блока обратной связи по положению ротора подключен к управляющему входу электронного блока коммутации статора, выход которого подключен к обмотке статора, вход электронного блока коммутации статора подключен к выходу блока регулировки статора.

2. Бесколлекторный электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что он размещен в корпусе, имеющем не менее одной клеммы питания.