БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ АКСИАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2025 года по МПК H02K21/24 H02K16/00 H02K9/19 

Изобретение относится к области электрических машин, в частности к двигателям или генераторам с немеханическими коммутирующими устройствами, например, с газоразрядными или полупроводниковыми приборами с магнитными цепями, специально предназначенными для исключения закручивающих пульсаций или самовозбуждения [H02K29/03].

Из уровня техники известен СТАТОР ДЛЯ МАШИНЫ С ОСЕВЫМ ПОТОКОМ [WO 2023104229 A1, опубл. 15.06.2023], содержащий сердечник статора с зубьями статора. Между зубьями статора предусмотрены канавки, которые служат для размещения обмоток статора. Каждый зуб статора опирается на два сегмента полюсного башмака. В азимутальном направлении каждый сегмент выступа проходит через часть соответствующего зуба статора и часть паза, следующего и предшествующего этому зубу в азимутальном направлении. Сегменты выступа расположены на некотором расстоянии друг от друга, в частности они не соприкасаются. По отношению к зубу статора два сегмента полюсных выступа заменяют, согласно изобретению, один полюсный выступ для зуба статора, покрывающий его большую площадь, обычно по всей торцевой стороне.

Недостатками данного статора для машины с осевым потоком являются наличие металлических элементов корпуса, что приводит к частичному рассеиванию в них магнитного потока и повышению массы электродвигателя, выполнение обмоток статора в несколько слоёв проводника, а также наличие металлического сердечника в обмотках статора, что приводит к потерям мощности и рассеиванию магнитного потока внутри сердечника в связи с возникновением магнитных потерь, а также утолщению катушек и увеличению расстояния между полюсами звеньев ротора, и, как следствие, дополнительному снижению плотности магнитного потока.

Также из уровня техники известен ПЛОСКИЙ БЕСЩЕТОЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА УВЕЛИЧЕННОГО ДИАМЕТРА С ТОНКОЙ КОНСТРУКЦИЕЙ И МЕНЬШЕЙ ОСЕВОЙ ДЛИНОЙ [KR 20050022104 A, опубл. 07.03.2005], состоящий из корпуса, статора и ротора. Корпус поддерживает ротор, расположенный в статоре. Статор закреплен на корпусе и включает в себя сердечник статора, в котором уложены плоские пластины кольцевого типа, и зубчатые сердечники, закрепленные по окружности на одной поверхности сердечника статора. Зубчатые сердечники состоят из множества плоских пластин, уложенных в один слой, на зубчатые сердечники намотаны на катушки. Ротор имеет раму ротора дискового типа, закрепленную на вращающемся валу, закрепленном на корпусе через подшипники. Множество магнитов установлено на одной поверхности рамы ротора напротив зубчатых сердечников таким образом, что магниты соответствуют соответствующим зубчатым сердечникам.

Недостатком данного плоского бесщеточного двигателя является наличие металлических элементов корпуса, что приводит к частичному рассеиванию в них магнитного потока и повышению массы электродвигателя, выполнение обмоток статора в несколько слоёв проводника, а также наличие металлического сердечника в обмотках статора, что приводит к потерям мощности и рассеиванию магнитного потока внутри сердечника в связи с возникновением магнитных потерь, а также утолщению катушек и увеличению расстояния между полюсами звеньев ротора, и, как следствие, дополнительному снижению плотности магнитного потока.

Наиболее близким по технической сущности является БЕСКОНТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА БЕЗ СЕРДЕЧНИКА С МЕНЬШИМ ЗАЗУБРИВАНИЕМ [KR 20230158437 A, опубл. 20.11.2023], состоящий из корпуса, имеющего внутреннее пространство; статора без сердечника, образованного только катушкой без многослойного сердечника (железного сердечника), закрепленного и установленного во внутреннем пространстве корпуса, блока намагничивания, установленного со стороны внешнего диаметра статора, корпуса ротора, вставленного со стороны внутреннего диаметра статора, постоянных магнитов ротора, состоящего из вращающегося вала, который соединен с корпусом ротора и проходит в осевом направлении и соединен с возможностью вращения с корпусом, узла намагничивания, намагничивающегося магнитным полем. Усилие магнитного потока направлено на множество постоянных магнитов, расположенных на поверхности внешнего диаметра корпуса ротора.

Основными техническими проблемами прототипа являются незамкнутость магнитного поля в осевом направлении и возникновение сторонней индуктивности в материале вала и элементах корпуса электродвигателя ввиду отсутствия явно выраженных полюсов у ротора, что приводит к рассеиванию части магнитного потока, а также большое расстояние между постоянными магнитами ротора, обусловленное толщиной катушек статора, находящихся между ними, что приводит к уменьшению плотности магнитного потока.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Технический результат изобретения заключается в повышении плотности магнитного потока в роторе электродвигателя, что в свою очередь приводит к увеличению крутящего момента на валу электродвигателя без изменения характеристик питающего электродвигатель тока, а также в улучшении эффективности охлаждения плоских катушек, в уменьшении массы электродвигателя и повышении его радиопрозрачности.

Указанный технический результат достигается за счет того, что бесколлекторный аксиальный электродвигатель состоит из статора, включающего в себя две крышки статора, прикреплённые к ним с внешних сторон два радиатора подшипников, две основные пластины статора, прилегающие к крышкам статора с внутренних сторон, и чередующиеся между собой регулировочные пластины статора, пластины статора и закреплённые на них плоские катушки, выполненные толщиной в два слоя металлического проводника, а также ротора, расположенного в статоре и состоящего из вала, закреплённых на нём и размещенных между пластинами статора и плоскими катушками двух основных дисков ротора и промежуточных дисков ротора, причем на промежуточных дисках ротора и основных дисках ротора закреплены плоские постоянные магниты, расположенные таким образом, что между двумя плоскими постоянными магнитами находится плоская катушка, выполненная толщиной в два слоя металлического проводника, кроме того, на основных дисках ротора соосно плоским постоянным магнитам расположены плоские вставки из магнитомягкого материала, обращенные одной плоскостью к плоским постоянным магнитам, а другой плоскостью к соответствующим крышкам статора, при этом крышки статора, основные пластины статора, регулировочные пластины статора, пластины статора, основные диски ротора и промежуточные диски ротора выполнены из стеклотекстолита, в каждом из радиаторов подшипников, основных и промежуточных дисках ротора выполнены каналы, а в основных пластинах статора и регулировочных пластинах статора выполнены щелевидные отверстия для охлаждающего агента, при этом металлический проводник катушек с двух сторон и по всей длине находится в охлаждающем агенте.

В частности, в качестве плоских постоянных магнитов используются неодимовые магниты.

В частности, в качестве плоских вставок из магнитомягкого материала используются вставки из пермаллоя.

В частности, расстояние между плоскими постоянными магнитами составляет 2 мм.

В частности, в качестве хладагента используется изоляционное масло.

Краткое описание чертежей:

На фиг.1 показан вид электродвигателя сверху.

На фиг.2 показан вид электродвигателя сбоку с разрезом корпуса по оси симметрии.

На фиг.3 показан вид электродвигателя снизу.

На фигурах обозначено: 1 - вал, 2 - подшипник, 3 - крышка статора, 4 - радиатор подшипника, 5 - винт; 6 - внешняя упорная втулка, 7 - основные пластины статора, 8 - регулировочные пластины статора, 9 - пластины статора, 10 - плоские катушки, 11 - промежуточные диски ротора, 12 - основные диски ротора, 13 - плоские постоянные магниты, 14 - плоские вставки из магнитомягкого материала, 15 - регулировочные шайбы, 16 - внутренняя упорная втулка, 17 - болты, 18 - гайки, 19 - шайбы, 20 - коммутационные платы, 21 - каналы, 22 - щелевидные отверстия.

Осуществление изобретения

Бесколлекторный аксиальный электродвигатель состоит из статора и размещённого внутри него ротора, включающего вал 1, противолежащими концами закрепленный в двух подшипниках 2, каждый из которых, в свою очередь, установлен внутри одной из двух крышек статора 3. К каждой из крышек статора с внешней стороны прилегает радиатор подшипника 4, соединенная с крышкой статора 3 винтами 5. Между каждым радиатором подшипника 4 и валом 1 располагается по одной внешней упорной втулке 6. Между двумя крышками статора 3 вплотную к ним располагаются две основные пластины статора 7, между которыми, в свою очередь, чередуясь, размещены регулировочные пластины статора 8 и пластины статора 9, причем толщина основных пластин статора 7 превышает толщину регулировочных пластин статора 8 и пластин статора 9. На пластинах статора 9 крепятся плоские катушки 10, причём плоские катушки 10 выполнены без сердечника и толщиной в два слоя металлического проводника. В свою очередь, между пластинами статора 9 и плоскими катушками 10 размещаются промежуточные диски ротора 11 и основные диски ротора 12, при этом основные диски ротора 12 имеют толщину, вдвое превышающую толщину промежуточных дисков ротора 11. На каждом промежуточном диске ротора 11 и основном диске ротора 12 располагаются плоские постоянные магниты 13, находящиеся в непосредственной близости от плоских катушек 10 так, что расстояние от одного плоского магнита 13 до другого является минимально возможным с учётом толщины плоской катушки 10, при этом на каждом основном диске ротора 12 соосно с плоскими постоянными магнитами 13 также расположены плоские вставки из магнитомягкого материала 14, необходимые для замыкания магнитного поля. Плоские вставки из магнитомягкого материала 14 одной плоскостью обращены к плоским постоянным магнитам 13, а другой плоскостью к соответствующим крышкам статора 3. Взаиморасположение пластин статора 9, несущих плоские катушки 10 и промежуточных дисков ротора 11 и основных дисков ротора 12 выполнено так, что расстояние от плоской катушки 10 до плоского постоянного магнита 13 составляет от 0,05 до 3 мм, в зависимости от габаритов электродвигателя, точности изготовления изделия, назначения электродвигателя. Между промежуточных дисков ротора 11 и основных дисков ротора 12 вплотную к валу 1 установлены регулировочные шайбы 15, а между основными дисками ротора 12 и крышками статора 3 на валу 1 установлены внутренние упорные втулки 16. Крышки статора 3, две основные пластины статора 7, регулировочные пластины статора 8 и пластины статора 9 скреплены между собой посредством болтов 17, проходящих через всю конструкцию, и гаек 18. Между крышками статора 3, болтами 17 и гайками 18 располагаются шайбы 19. С одной из сторон электродвигателя на крышке статора 3 смонтированы коммутационные платы 20, служащие для соединения проводников плоских катушек 10 и подключения к ним питающей проводки (на фигурах не показана). Также крышки статора 3, основные пластины статора 7, регулировочные пластины статора 8, пластины статора 9, основные диски ротора 12 и промежуточные диски ротора 11 выполнены из стеклотекстолита, что позволяет значительно снизить вес электродвигателя и препятствует возникновению сторонней индуктивности в вышеуказанных элементах электродвигателя. Кроме того, в каждом из радиаторов подшипника 4, основных дисков ротора 12 и промежуточных дисков ротора 11 выполнены каналы 21, а в основных пластинах статора 7 и регулировочных пластинах статора 8 выполнены щелевидные отверстия 22, благодаря которым обеспечивается эффективное охлаждение плоских катушек 10, при этом охлаждение металлического проводника плоских катушек 10 происходит с двух сторон и по всей длине проводника.

Бесколлекторный аксиальный электродвигатель используется следующим образом.

При подаче переменного трёхфазного электрического тока на коммутационные платы 20 и, соответственно, на проводники плоских катушек 10, плоские катушки 10 создают вращающееся магнитное поле, полюса которого, взаимодействуя с плоскими постоянными магнитами 13 и усиливающими магнитный эффект плоскими вставками из магнитомягкого материала 14, создают вращающий момент и приводят в движение промежуточные диски ротора 11, основные диски ротора 12, расположенные на них плоские постоянные магниты 13 и плоские вставки из магнитомягкого материала 14, заставляя вышеуказанные элементы вращать вал 1 в подшипниках 2 относительно плоских катушек 10, основных пластин статора 7, регулировочных пластин статора 8 и пластин статора 9. Причём общий момент на валу 1 электродвигателя распределяется равномерно на каждую из пластин статора 9 и каждый из основных и промежуточных дисков ротора 11 и 12, что приводит к уменьшению нагрузки на систему крепления каждой плоской катушки 10 на пластине статора и систему крепления каждого плоского постоянного магнита на основном и промежуточном дисках ротора 11 и 12. Регулировочные шайбы 15 и внутренние упорные втулки 16, а также внешние упорные втулки 6 препятствуют осевому смещению вала 1 и расположенных на нем промежуточных дисков ротора 11 и основных дисков ротора 12. При этом крышки статора 3 в совокупности с болтами 17, гайками 18 и шайбами 19 обеспечивают скрепление основных элементов корпуса электродвигателя и защищенность его внутренних частей, а радиаторы подшипника 4 и винты 5 рассеивают тепло, выделяющееся на подшипниках 2 при их работе и дополнительно препятствуют осевому смещению элементов электродвигателя. При вращении вала 1 охлаждающий агент поступает внутрь корпуса через каналы 21 и выходит через щелевидные отверстия 22, таким образом обеспечивает охлаждение плоских катушек 10 и движущихся частей электродвигателя.

Пример осуществления изобретения

В соответствии с настоящим изобретением в рамках проведения опытно-конструкторских работ был изготовлен макет бесколлекторного аксиального электродвигателя. Вес макета составил 1,1 кг, габаритные размеры составили 120×120×53 мм. Макет состоял из 4 секций статора и 5 секций ротора, расстояния от плоской катушки до плоского постоянного магнита составило 0,2 мм, а расстояние между магнитами в дисках ротора составило 2 мм, что позволило увеличить значение плотности магнитного потока между магнитами до максимально возможной для этого варианта сборки и добиться максимального эффекта. Крутящий момент на валу макета при 4 300 об/мин достиг 8 500 г⋅см, при 8 900 об/мин. - 5 666 г⋅см. Значение плотности магнитного потока на поверхности плоского постоянного отдельно лежащего неодимового магнита размерами 18×2 мм со значением намагниченности N38, использованного в данной конструкции, равно 200 мТл. При замкнутой схеме расположения магнитов ротора, значение напряжённости магнитного поля в зазоре между магнитами 2 мм составило 500 мТл. При общем весе макета равном 1,1 кг, вес стеклотекстолита составил 60% от этого значения. В объёмном выражении стеклотекстолит составил 85% объёма электродвигателя, а 15% объема составили металлические части, что важно при воздействии радарных систем на изделие.

В альтернативных вариантах реализации изобретения в качестве плоских постоянных магнитов используются неодимовые магниты.

Представленный вариант реализации заявленного технического решения с вариантом использования неодимовых магнитов позволяет достичь заявленный технический результат изобретения, поскольку, как известно, неодимовые магниты имеют большую магнитную индукцию по отношению к классическим ферритовым магнитам при одинаковых габаритах, что позволит дополнительно увеличить магнитный поток электродвигателя.

В альтернативных вариантах реализации изобретения в качестве плоских вставок из магнитомягкого материала используются вставки из пермаллоя.

Представленный вариант реализации заявленного технического решения с использованием в качестве магнитомягкого материала пермаллоя позволяет достичь заявленный технический результат изобретения, поскольку пермаллой обладает высокой магнитной проницаемостью, малой коэрцетивной силой и магнитострикцией по сравнению с другими магнитомягкими материалами, что позволяет элементам из пермаллоя с большей эффективностью препятствовать рассеиванию магнитного потока.

В альтернативных вариантах реализации изобретения расстояние между плоскими постоянными магнитами составляет 2 мм. Представленный вариант реализации заявленного технического решения с расстоянием между плоскими постоянными магнитами равным 2 мм позволяет достичь заявленный технический результат изобретения, поскольку величина магнитной индукции, как известно из уровня техники, обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника магнитного поля, что означает значительное увеличение магнитного потока при уменьшении расстояния между плоскими постоянными магнитами ротора до 2 мм.

В альтернативных вариантах реализации изобретения охлаждение плоских катушек осуществляется электроизоляционным маслом. Представленный вариант реализации заявленного технического решения с осуществлением охлаждения плоских катушек электроизоляционным маслом позволяет достичь заявленный технический результат изобретения, поскольку теплопроводность электроизоляционного масла значительно превышает теплопроводность газов, в том числе воздуха.

Технический результат изобретения заключается в повышении плотности магнитного потока в роторе электродвигателя, что в свою очередь приводит к увеличению крутящего момента на валу электродвигателя без изменения характеристик питающего электродвигатель тока, а также в улучшении эффективности охлаждения плоских катушек, в уменьшении массы электродвигателя и повышении его радиопрозрачности.

Указанный технический результат достигается за счет уменьшения расстояния между постоянными магнитами и размещение в этом зазоре плоской катушки без сердечника, что позволяет избежать потерь мощности и рассеивания магнитного потока внутри сердечника и плотности магнитного потока из-за увеличения расстояния между постоянными магнитами ротора. Также наличие плоских вставок из магнитомягкого материала позволяет избежать возникновения сторонней индуктивности в материале вала и элементах корпуса электродвигателя, и, соответственно, рассеивания части магнитного потока. Выполнение элементов ротора и статора электродвигателя из стеклотекстолита и отсутствие сердечников катушек также позволяет избежать возникновения в них сторонней индуктивности и дополнительно уменьшает массу электродвигателя, так как плотность стеклотекстолита в 5 раз меньше плотности конструкционной стали, при этом снижение количества металла в массовом и объемном выражении в конструкции электродвигателя и замена его диэлектрическим материалом, не изменяющим существенным образом амплитуду и фазу проходящей сквозь них электромагнитной волны, таким, как стеклотекстолит, повышает конечную радиопрозрачность всего изделия. Также наличие в каждом из радиаторов подшипников, основных и промежуточных дисках ротора каналов, а в основных пластинах статора и регулировочных пластинах статора щелевидных отверстий обеспечивает эффективное охлаждение плоских катушек, причём охлаждение металлического проводника катушек происходит с двух сторон и по всей длине проводника ввиду того, что плоские катушки выполнены толщиной в два слоя металлического проводника и каждый слой охлаждается потоком со своей стороны.

Использование в качестве плоских постоянных магнитов неодимовых магнитов позволит дополнительно увеличить магнитный поток электродвигателя, поскольку неодимовые магниты имеют большую магнитную индукцию по отношению к классическим ферритовым магнитам.

Использование в качестве плоских вставок из магнитомягкого материала вставок из пермаллоя позволяет элементам из пермаллоя с большей эффективностью препятствовать рассеиванию магнитного потока, поскольку пермаллой обладает высокой магнитной проницаемостью, малой коэрцетивной силой и магнитострикцией по сравнению с другими магнитомягкими материалами.

Выполнение расстояния между плоскими постоянными магнитами равным 2 мм также позволяет увеличить магнитный поток электродвигателя, поскольку величина магнитной индукции обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника магнитного поля, что означает значительное увеличение магнитного потока при уменьшении расстояния между плоскими постоянными магнитами ротора до 2 мм.

Осуществление охлаждения плоских катушек электроизоляционным маслом позволяет достичь заявленный технический результат изобретения, поскольку теплопроводность электроизоляционного масла значительно превышает теплопроводность газов, в том числе воздуха.

Таким образом, благодаря заявленному изобретению возможно повышение плотности магнитного потока и крутящего момента на валу электродвигателя без изменения характеристик питающего тока, увеличение эффективности охлаждения катушек статора, снижение конечной массы электродвигателя и увеличение радиопрозрачности изделия при воздействии на него радарных систем.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – повышение плотности магнитного потока в роторе, улучшение эффективности охлаждения обмоток, уменьшение массы электродвигателя. Бесколлекторный аксиальный электродвигатель состоит из ротора и статора, включающего две крышки, прикреплённые к ним с внешних сторон два радиатора подшипников, две основные пластины статора, прилегающие к крышкам с внутренних сторон, и чередующиеся между собой регулировочные пластины статора, пластины статора и закреплённые на них плоские катушки. Ротор включает два основных и промежуточные диски ротора с плоскими постоянными магнитами, расположенные так, что между двумя плоскими постоянными магнитами находится плоская катушка, выполненная толщиной в два слоя металлического проводника. На основных дисках ротора соосно плоским постоянным магнитам расположены плоские вставки из магнитомягкого материала, обращенные одной плоскостью к плоским постоянным магнитам, а другой – к соответствующим крышкам статора. В каждом из радиаторов подшипников, основных и промежуточных дисках ротора выполнены каналы, а в основных и регулировочных пластинах статора выполнены щелевидные отверстия для охлаждающего агента. Металлический проводник плоских катушек находится в охлаждающем агенте. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Бесколлекторный аксиальный электродвигатель, состоящий из статора, включающего в себя две крышки статора, прикреплённые к ним с внешних сторон два радиатора подшипников, две основные пластины статора, прилегающие к крышкам статора с внутренних сторон, и чередующиеся между собой регулировочные пластины статора, пластины статора и закреплённые на них плоские катушки, выполненные толщиной в два слоя металлического проводника, а также ротора, расположенного в статоре и состоящего из вала, закреплённых на нём и размещенных между пластинами статора и плоскими катушками двух основных дисков ротора и промежуточных дисков ротора, причем на промежуточных дисках ротора и основных дисках ротора закреплены плоские постоянные магниты, расположенные таким образом, что между двумя плоскими постоянными магнитами находится плоская катушка, выполненная толщиной в два слоя металлического проводника, кроме того, на основных дисках ротора соосно плоским постоянным магнитам расположены плоские вставки из магнитомягкого материала, обращенные одной плоскостью к плоским постоянным магнитам, а другой плоскостью к соответствующим крышкам статора, при этом крышки статора, основные пластины статора, регулировочные пластины статора, пластины статора, основные диски ротора и промежуточные диски ротора выполнены из стеклотекстолита, в каждом из радиаторов подшипников, основных и промежуточных дисках ротора выполнены каналы, а в основных пластинах статора и регулировочных пластинах статора выполнены щелевидные отверстия для охлаждающего агента, при этом металлический проводник плоских катушек с двух сторон и по всей длине находится в охлаждающем агенте.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве плоских постоянных магнитов используются неодимовые магниты.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве плоских вставок из магнитомягкого материала используются вставки из пермаллоя.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между плоскими постоянными магнитами составляет 2 мм.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве охлаждающего агента используется изоляционное масло.