СПОСОБ НАМОТКИ КАТУШКИ ДВИГАТЕЛЯ-МАХОВИКА Российский патент 2025 года по МПК H02K15/04 H02K3/28 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам намотки обмотки катушек электродвигателей и может быть использовано для двигателей-маховиков систем ориентации космических аппаратов.

Как именно происходит намотка катушки в роторах и статорах электродвигателей или генераторов имеет важное значение для эффективной работы оборудования. Намотка катушки влияет на плотность магнитного поля, создаваемого внутри двигателя или генератора. Более плотная намотка обеспечивает более сильное магнитное поле. Также количество витков провода в катушке и материал, из которого сделан провод, определяют сопротивление катушки.

В известном уровне техники существуют различные виды обмоток. Например, в некоторых электрических машинах постоянного и переменного тока применяют: всыпные, шаблонные (секционные) и стержневые обмотки, отличающиеся друг от друга по конструкции и технологии изготовления. Соответственно, сама намотка также может осуществляться разными способами. Например, витки могут иметь разную геометрическую форму, располагаться в виде ромба и прямоугольника или же в форме треугольника.

Так известен патент CN110492647A (опуб. 22.11.2019, МПК H02K3/28; H02K3/47; H02K3/50), где раскрыта обмотка, которая формируется путем соединения по меньшей мере двух наборов внешней и внутренней обмоток, которые намотаны одножильными проводами, благодаря различным способам соединения внешней и внутренней обмоток и различным конструктивным формам внешней и внутренней обмоток, при этом вложенные внешняя и внутренняя обмотки являются такими же или аналогичны фазе обратной электродвижущей силы и равны или близки к амплитуде обратной электродвижущей силы.

Из источника CN102780337A (опубликовано 14.11.2012, H02K15/08) известен двенадцатипазовый десятиполюсный трехфазный бесщеточный двигатель постоянного тока и способ его обмотки статора. Способ включает в себя следующие операции: обеспечение статора с двенадцатью зубчатыми канавками и ротора с десятью магнитными полюсами, так что дуговые поверхности хвостовых концов зубчатых канавок статора концентричны с дуговыми поверхностями внутренних поверхностей магнитных полюсов; трехфазную обмотку катушки, наматывая отрезок провода в катушке однофазной обмотки на зубчатый паз, соответствующий начальной точке обмотки, по часовой стрелке, начиная с начальной точки обмотки, наматывая несколько витков, подводя витки к пятому зубчатому пазу в направлении сзади вперед, наматывая еще раз несколько витков, и заканчивая в точке окончания обмотки, соответствующей начальной точке обмотки; намотка другого участка провода в катушке на шестой зубчатый паз в направлении сзади вперед по часовой стрелке, начиная от точки окончания намотки, намотка на несколько витков, ведение витков к одиннадцатому зубчатому пазу в направлении сзади вперед, намотка на несколько витков и окончание в начальной точке намотки; и, наконец, намотка дополнительной двухфазной катушки в соответствии с режимом. Таким образом можно избежать явления намотки в обратном направлении и снизить требования к намоточному оборудованию, что делает намоточное оборудование простым и удобным в производстве.

Также в уровне техники обнаружен источник CN102063999A (опуб. 18.05.2011, H02K15/08), который предлагает симметрично-параллельную индукционную катушку, применяемую в электромагнитном оборудовании. Способ намотки катушки включает в себя следующие операции: симметричную намотку двух проводов от центральных точек вдоль магнитопровода с образованием двух симметричных катушек; параллельное соединение двух симметричных катушек с образованием симметрично параллельной катушки. Катушка может быть использована в индукторе, трансформаторе, двигателе или генераторе. Преимуществами симметрично-параллельной индукционной катушки являются снижение тока намагничивания, уменьшение потерь на сопротивление, повышение КПД, уменьшение объема деталей машины, снижение температуры и т.п.

Наиболее близким источником является US 2019013713 A1 (опубликован 10.01.2019, H 02K 15/04), где раскрыт способ намотки узла статора для трехфазной динамоэлектрической машины, причем узел статора включает в себя несегментированный сердечник статора, включающий статорное ярмо, множество зубцов, идущих от статорного ярма к центральному отверстию, и множество частей катушки, электрически соединенных по схеме обмотки треугольником. Причем множество частей катушки включает в себя первую часть катушки и вторую часть катушки, причем способ включает наматывание проволоки вокруг первого из множества зубцов для формирования первой части катушки вокруг первого из множества зубцов и наматывание провода вокруг второго из множества зубцов для формирования второй части катушки вокруг второго из множества зубцов так, что первая часть катушки, соединительная часть и вторая часть катушки определяются непрерывной длиной провода.

В космической промышленности распространение получило использование двигателей маховиков для систем ориентации космических аппаратов. Данные устройства построены на основе управляемого моментного бесконтактного двигателя постоянного тока. Они используются в космической технике для управления ориентацией и стабилизацией космических аппаратов, а также для маневрирования на орбите, то есть могут быть использованы в качестве исполнительного органа систем ориентации и стабилизации средних и малых космических аппаратов (КА) с длительным сроком службы. Двигатели-маховики обладают высокой эффективностью и надежностью, а также возможностью длительного хранения энергии, что делает их привлекательными для использования в космических миссиях.

Функции маховой массы выполняет ротор с постоянными магнитами, расположенными на максимально возможном диаметре, в двигателях-маховиках максимально снижены тормозные моменты. Электродвигатель обеспечивает реверсивное вращение ротора-маховика, его торможение, а величина создаваемого им вращающего (управляющего) момента при этом может плавно меняться в заданном диапазоне в соответствии с сигналом управления, подаваемым на вход двигателя-маховика.

Двигатели-маховики имеют встроенный датчик положения ротора. Данный датчик предназначен для съема информации об угловом положении ротора, используемой для коммутации фаз двигателя. Информация об угловой скорости ротора представляет собой последовательность импульсов, частота следования которых пропорциональна скорости.

Однако экспериментальным путем была выявлена проблема возникновения паразитного осенаправленного магнитного поля, которое вносило возмущения в датчики позиционирования положения ротора бессколлекторного двигателя. Данная проблема сказывалась на эффективности и точности работы устройства.

Имеющиеся решения в данной области не устраняют проблему возникновения паразитной вертикальной компоненты магнитного поля для двигателя-маховика.

Задачей настоящего изобретения является создание способа намотки обмотки катушки двигателя-маховика, который бы исключал возникновение искажений на датчиках позиционирования.

Технический результат, на реализацию которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в нивелировании вертикальной (осевой) компоненты магнитного поля катушки двигателя-маховика.

Сущность заявленного изобретения заключается в том, что для нивелирования вертикальной компоненты магнитного поля, создаваемого катушкой, устанавливают намоточную оснастку на рабочей поверхности вертикально и осуществляют намотку витков катушки в 2 этапа с образованием двух обмоток, у которых горизонтальные компоненты магнитного поля сонаправлены, а вертикальные компоненты магнитного поля противоположно направлены. Вначале наматывается первая обмотка фазы, затем в противофазу ей, не обрывая намоточный провод, производится намотка второй обмотки фазы с реверсивным направлением витков намотки.

Намотка катушки является непрерывной и осуществляется таким образом, что на развертке витки должны быть равны, симметричны и располагаются последовательно. Витки имеют расположение в форме треугольника, и намотка осуществляется по геодезическим линиям оснастки. Такая форма витков позволяет сохранить равномерность намотки в отличие от формы расположения в виде прямоугольника. Преимущество именно данной формы выражено также в том, что расположение витков, например в виде ромба, существенно усложняет конструкцию оснастки для намотки, а также уменьшает площадь витка, по сравнению с треугольником.

Осуществление изобретения

Суть изобретения поясняется следующими материалами:

Фиг. 1 - Развертка диагональной намотки катушки;

Фиг. 2 - Расположение витков на намоточной оснастке;

Фиг. 3 - Визуализация расположения витка на намоточной оснастке;

Фиг. 4 - Схема коммутации обмоток для нивелирования осевой компоненты магнитного поля.

Непрерывная намотка катушки производится таким образом, что на развертке витки должны быть равны, симметричны и располагаются последовательно. Одним из вариантов расположения витков является треугольник. Пример приведен на фигуре 1.

Рассматривались варианты расположения витков в виде ромба и прямоугольника, однако форма - треугольник, в отличие от прямоугольника, позволяет сохранить равномерность намотки, что необходимо для синусоидальных обратных ЭДС. Расположение витков в виде ромба существенно усложняет конструкцию оснастки для намотки, а также уменьшает площадь витка по сравнению с треугольником.

Намотка витков формы - треугольник производится по геодезическим линиям оснастки. Так как магнитный поток, создаваемый катушкой, зависит от площади витка и числа витков, то с учетом необходимости получения синусоидальных обратных ЭДС было решено использовать диагональную намотку с расположением витков по геодезическим линиям оснастки. Таким образом, получаем максимальный магнитный поток через витки, а значит, повышаем выдаваемый момент двигателем.

В ходе тестирования катушек подобного типа типичной проблемой является наличие паразитной вертикальной компоненты магнитного поля. Эта наводка оказывает существенное влияние на датчики магнитного поля, с помощью которых определяется угол поворота ротора двигателя. Эта проблема вызвана спецификой намотки витков в форме треугольник. Данная проблема отсутствует в намотке типа «ромб», однако для решения определенного вида задач идеальным вариантом является намотка типа именно «треугольник».

Паразитную вертикальную компоненту можно уменьшать путем увеличения высоты намотки либо уменьшения радиуса катушки, однако полностью избавиться от нее, изменяя геометрические характеристики катушки, невозможно. Плюс ко всему, для задач создания двигателей маховиков космических аппаратов, наиболее выгодно делать катушку как можно меньшей высоты и увеличивать радиус катушки, т.к. именно такой тип конструкции позволяет минимизировать массу двигателей-маховиков, что наиболее критично для космической отрасли, а такое техническое решение приводит к увеличению паразитной наводки.

Было найдено решение, позволяющее полностью избавиться от паразитной вертикальной компоненты для намотки типа «треугольник» для любых геометрий катушки.

Для нивелирования вертикальной компоненты магнитного поля, создаваемого катушкой, производится намотка обмотки (фазы) катушки в 2 этапа.

Вначале наматывается первая обмотка фазы, а затем в противофазу ей, не обрывая намоточный провод, производится намотка второй обмотки фазы с реверсивным направлением намотки витков.

Таким образом, получаем две обмотки, у которых горизонтальные (радиальные) компоненты создаваемого поля сонаправлены, а вертикальные (осевые) противоположно направлены.

Кроме того, так как магнитный поток, создаваемый катушкой, зависит от площади витка и числа витков, то с учетом необходимости получения синусоидальных обратных ЭДС было решено использовать намотку витков катушки формы треугольник с расположением витков по геодезическим линиям оснастки, причем на развертке намотки катушки витки должны быть равны, симметричны и располагаются последовательно.

Таким образом мы получаем максимальный магнитный поток через витки и, соответственно, происходит взаимная компенсация осевых составляющих магнитного поля.

Пример осуществления изобретения.

1. Устанавливают намоточную оснастку на рабочей поверхности вертикально.

2. Осуществляют намотку витков формы - треугольник по геодезическим линиям оснастки.

3. Вначале наматывают первую обмотку фазы.

4. Затем в противофазу первой обмотки, не обрывая намоточный провод, производят намотку второй обмотки фазы с реверсивным направлением намотки витков.

Как результат, имеем нивелирование вертикальной (осевой) компоненты магнитного поля катушки двигателя-маховика за счет того, что образованы две обмотки с максимальным магнитным потоком через витки, у которых горизонтальные компоненты создаваемого поля сонаправлены, а вертикальные компоненты поля противоположно направлены.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для намотки обмотки катушек двигателей-маховиков систем ориентации космических аппаратов. Технический результат - нивелирование вертикальной (осевой) компоненты магнитного поля катушки двигателя-маховика. При намотке обмотки устанавливают намоточную оснастку на рабочей поверхности вертикально и осуществляют намотку витков катушки формы треугольник по геодезическим линиям оснастки. При этом намотка витков катушки является непрерывной и осуществляется таким образом, что на развертке намотки катушки витки должны быть равны, симметричны и располагаться последовательно. Намотку витков катушки осуществляют в два этапа с образованием двух обмоток, у которых горизонтальные компоненты магнитного поля сонаправлены, а вертикальные компоненты магнитного поля противоположно направлены. При этом вначале наматывают первую обмотку фазы, а затем в противофазу ей, не обрывая намоточный провод, производят намотку второй обмотки фазы с реверсивным направлением витков намотки. 4 ил.

Способ намотки катушки двигателя-маховика, характеризующийся тем, что устанавливают намоточную оснастку на рабочей поверхности вертикально, осуществляют намотку витков катушки формы треугольник по геодезическим линиям оснастки, причем намотка витков катушки является непрерывной и осуществляется таким образом, что на развертке намотки катушки витки должны быть равны, симметричны и располагаться последовательно, при этом производят намотку витков катушки в два этапа с образованием двух обмоток, у которых горизонтальные компоненты магнитного поля сонаправлены, а вертикальные компоненты магнитного поля противоположно направлены, причем вначале наматывают первую обмотку фазы, а затем в противофазу ей, не обрывая намоточный провод, производят намотку второй обмотки фазы с реверсивным направлением витков намотки.