Бесщеточная электрическая машина постоянного тока дискового типа Советский патент 1989 года по МПК H02K29/00 

/4

J/

4i

00

sj

О4

Изобретение относится к электрическим вентильным машинам дискового типа. Целью изобретения является повышение КПД. Машина содержит роторный диск, установленный на валу, и статор, установленный неподвижно и расположенный коаксиально и параллельно относительно ротора. Статор содержит по меньшей мере две перемежающиеся группы А и В катушек 18, поочередно запитываемых током, в одном и том же направлении. На роторном диске расположен по меньшей мере один постоянный магнит 12, имеющий асимметричную форму относительно формы катушек 18 статора, причем каждый магнит имеет участок 31 вершины и участок 32 основания, магнитное поле с общей полярностью проходит в том же самом осевом направлении, что и магнитное поле катушек. Когда участки вершин магнитов располагаются на одной линии с первой группой катушек, осуществляется запитывание этой группы катушек, в результате чего создается крутящий момент, приложенный к ротору без мертвых зон при однофазной обмотке статора. В режиме вентильного электродвигателя машина имеет простейший коммутатор на двух ключах. 17 з.п.ф-лы, 12 ил.

(ригМ

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам постоянного тока дискового типа.

Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действи и равномерности вращающего момента

На фиг. 1 показана предлагаемая машина, сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 2 - сечение Б-Б на фиг. 1; иа фиг. 3 - сечение В-В на фиг. 1; на фиг«4-7 - участки статора с пунктирным изображением магнитов роторного диска дпя различных положений статора относительно ротора; на фиг.8 - график, показьшающий характер изменения крутящего момента двигателя от угла поворота в соответствии с положениями, показанными на фиг.4-7; на фиг. 9 - фрагмент сигнального элемента датчика положения ротора; на фиг. 10 - блок-схема переключающего устройства; на фиг. 11 - двигатель с двумя дисками якоря, поперечное сечение; на фиг. 12 - двигатель с двумя роторами и одним якорем, фрагмент поперечного сечения. Электрическая машина может быть использована как в качестве двигателя, так и в качестве генератора. Вал 1 установлен на подшипниках - и расположен вдоль центральной линии секций 3 и 4 корпуса двигателя . К валу посредством штифта 5 прикреплена металлическая втулка 6,, К металлической втулке 6 при помощи винтов 7 прикреплен ротор, имеющий первый ферромагнитный диск 8 и второй ферромагнитньй диск 9, располо-- женный параллельно и на некотором расстоянии от первого роторного диска 8, задаваемом посредством ферромагнитного цилиндрического прокладочного кольца 10, которое также прикреплено к втулке 6 при помощи винтов 7 и диаметр которого равен диаметру втулки 6. Кроме того, к диску 9 с противоположной стороны от прокладочного кольца 10 прикреплен сигнальный элемент 11 датчика поло- жения ротора. На роторном диске 8 устанавливаются один или несколько постоянных магнитов 12. В машине может использоваться любое количество постоянных магнитов 12, четное или нечетное. В рассматриваемом варианте ясп()льзуется восемь постоянных мат нитов.

0

5

0

5

0

Кольцеобразньй статор 13 прикреплен при помощи винтов 14 (фиг. 2) и 11рокладочных колец 15 (фиг. 3) к одной из секций корпуса электродвигателя. Статорное кольцо 13 расположено между роторными дисками 8 и 9, образуя первый воздушный зазор 16 между роторным диском 8 и статором 13 и второй воздушный зазор 17 между статором 13 и вторым роторным диском 9,, группы А и В соединенных вместе катушек 18 образуют плоское статор- ное кольцо. Соседние катушки двух групп могут быть смещены на ширину катушки или на половину ширины катушки. Число катушек в предпочтительном случае выбирают в два раза больше числа постоянных магнитов 12i Катушки группы А чередуются с катушками группы В таким образом, что по окружности катушки располагаются в . следующей последовательности: А, В, А, В и т.До Катушки двух групп установлены компланарно, смежные стороны катушек расположены радиально и примыкают друг к другу.

Каждый магнит 12 намагничивания

в поперечном направлении таким образом, что одна его сторона имеет одну и ту же полярность (например.юж- , ную), в то время как его противоположная сторона, примыкающая к роторному диску 8, имеет противоположную полярность, например северную. Маг- нитньй поток проходит от одного полюса каждого магнита 12 через воздушный зазор 16, противолежащую катушку или катушку 18 статорного кольца, через второй воздушный зазор 17, в радиальном направлении вдоль второго роторного диска 9, в осевом направлении через прокладочное кольцо 10, в радиальном направлении вдоль роторного диска 8 и возвращается к противоположной стороне или полюсу постоянного магнита 12.

Чувствительные элементы 19 датчика положения ротора, в качестве которых могут быть использованы фотоэлементы или датчики Холла, установлены на секции 4 корпуса и, подключены к управляющим входам схемы 20 переключения обмотоК, установленной g на кронштейне 21 в секции 4 корпуса. Источник 22 питания датчика установгт лен на кронштейне 23 в секции 4 корпуса. Сигнальный элемент 11 имеет радиальное расположенные выступы.

5

0

5

0

смещенные друг относительно друга на определенный угол.

Предусмотренные в статоре 13 вентиляционные отверстия 24 способствуют охлаждению кожуха посредством конвенции воздуганых потоков. Питающие проводники 25 дпя катушек 18 проходят через отверстие в секции 4 корпуса двигателя, от которого они изолированы при помощи изолятора 26

Катушки 18 расположены на статоре в виде круговой матрицы на равных расстояниях от оси вала. На фиг. 2 каждая катушка имеет треуголь ную форму или форму части диска с прямолинейными сторонами 27 и. 28 и дугообразным участком, или основанием 29, плавно соединенным с зтими сторонами, при этом внутренняя вер- шина 30 направлена в сторону центра статор а 13 и вала 1. Такая конфигурация катушек позволяет обеспечить максимальную площадь для каждой ка- тушеки. Рядом расположенные катушки могут быть смещены на расстояние, большее максимальной ширины катушки в окружном направлении.

Каждая катушка содержит один или несколько витков, при этом плоскость катушки расположена параллельно или в плоскости статорного кольца. В предпочтительном варианте катушки изготовлены без перекрытия много- витковыми, с одинаковым числом витков в каждой, и наматываются в одном и том же направлении (т.е. все наматьшаются по часовой стрелке или все наматьтаются npoTtra часовой стрелки).

Катушки каждой группы А и В соединяются последовательно или каким- либо другим образом (например, параллельно или последовательно-параллельно) с тем, чтобы величина проте- какщего по ним тока была одной и той же. В рассматриваемом варианте используется шестнадцать катушек: восемь в группе А и восемь в группе В. Указанные катушки смещены друг относительно друга на одинаковые углы.

В двигателе может использоваться и другое количество постоянных магнитов „ В описываемой системе может использоваться до двенадцати постоянных магнитов. Постоянные магниты 12 располагаются в виде круговой Матрицы на роторном диске 8 и имеют

to

25

15 20 Д948776

треугольную либо другую форму (например трапецеидальную, овальную или сплющенную и т.д.), которая отличается от формы обмоток. Площадь активной поверхности кажлой из катушек может быть меньше площади активной поверхности постоянного магнита. Катушки могут иметь форму дисковых сегментов. Поскольку магнит с такой формой создает магнитный поток, несбалансированный относительно магнитного потока, создаваемого катушками 18, то создается крутящий моиент. В о днофазном двигателе может создаваться положительный однонаправленный крутящий момент без мертвых зон.

Предпочтительно использовать отдельные постоянные магниты, а не единое магнитное кольцо (например, из порошкообразного железа или керамического материала) с множеством полюсов. Использование отдельных постоянных магнитов позволяет сформировать поле с нужным распределением, обеспечить меньший вес и меньшую инерцию и исключить проблему ломкости цельного магнитного кольца. Постоянные магниты 12 (фиг. 3) имеют форму равнобедренных треугольников, у каждого из которых имеется вершина 31 и основание 32, причем ось каждого треугольника направлена перпендикулярно радиальному направлению. Вершина 31 одного постоянного магнита 12 отделена от основания 32 смежного с ним постоянного магнита 12. Однако в общем случае вершина 31 одного магнита может быть соединена с основанием 32 смежного магнита. Вершина 31 каждого постоянного магнита направлена к внешнему участку основания 32 смежного маг нита, а не к его центру. Чередование постоянных магнитов 12 по схеме вершина - основание - вершина повторяется на протяжении круговой матрицы, расположенной вокруг оси роторного диска 8. Постоянный магнит может не , иметь строгую форму равнобедренного треугольника или прямолинейные стороны Например, участок вершины постоянных магнитов 12 может быть более продолговатым по сравнению с показанным на фиг о 3 или более тупьм, что выбирается из условия получения заданного характера изменения крутЯ щего момента.

30

35

40

45

50

55

Постоянные магниты 12 в предпочтительном случае располагают на роторном диске 8 таким образом, чтобы один угол основания 32 был смежным с внешней окружностью роторного диска 8, Желательно, чтобы основание 32 каждого постоянного магнита имело скругленную форму, как это показано на фиг. 3.Такое скругленное осно- вание 32 направлено радиально, что обеспечивает некоторое расстояние между линейными сторонами 27, 28 катушек и основанием 32 постоянного магнита 12.

Поскольку во всех катушках 18 ток протекает в одном и том же направле- .нии, создавая магнитные псщя того же направления, что и поля постоянных магнитов 12, то предотвращается размагничивание постоянных магнитов, которое имело бы место при противоположном направлении протекания тока в катушках.

Возможен вариант устройства, в ко- 25 наково с направлением магнитного поля взаимодействующего с ней постоянтором ток во всех катушках протекает в таком направлении, при котором создаваемое магнитное поле обращено в осевом направлении, противоположном направлению поля, создаваемого постоянными магнитами 12. В таком устройстве постоянные магниты перемещаются в направлении, противополож- нсм направлению их перемещения в варианте изобретения, описанном выше.

При сборке ротора вьштамповьшают пластину 33 из прочного немагнитного термостойкого материала, например из сплава алюминия, с отверсти-. ями, форма которых совпадает с формой постоянных магнитов 12. Пластину 33 фиксируют путем соединения с роторным диском 8 (фиг. 1), после чего в отверстия пластины 33 вставляют постоянные магниты 12, которые приклеивают к диску 8. Внешние участки 34 пластины 33 (фиг. 3) способствуют закреплению постоянных магнитов на месте и препятствуют цх смещению под действием центробеж- ной силы, возникающей при вращении роторного диска 8. Обычно толщина немагнитной пластины 33 меньше толщины магнитов 12о На поверхности немагнитной пластины 33 и вокруг магнитов 12 прокладьшают материал 35 из термореактивной пластмассы, которьй равномерно.заполняет простный полюс магнита обращен в сторону секериого полюса смежной катушки.

30 Вследствие этого между возбужденными катупжами 18 и постоянными магнитами 12 возникает сила магнитного прнтяження, которая стремится расположить в одну линию магнитные оси

Tg каждой катушки группы А с мах нитными осями смежного магнита 12, что в итоге создает крутящий момент, приложенный к роторному диску 8, В действительности притягивается дельй участок, например основание 32 каж40

45

50

55

дого магнита ,12, к центру катушки группы А с левой ее стороны против часовой стрелки, что вызьгоает вращение в направлении, показанном стрелкой W.

В положении, показанном на фиг,5, большая часть магнита 12 взаимодействует со стороной 28 катушки, что увеличивает крутящий момент, приложенный к ротору. Однако в этом положении яа магниты 12 начинает воздействовать противодействующий крутящий момент, возникающий в результате взаимодействия протекакщего в противоположном направлении тока по стороне 27 катушки группы А с верхней площадкой 31 магнита 12,, Однако величина этого противодействующего крутящего момен-.

ранство от поверхности пластины 33 до поверхности, вершины постоянных магнитов 12, закрывая острые кромки магнитов 12с Наличие такого пластического материала способствует удержанию постоянных магнитов на месте и уменьшает величину силы трения о воздухо

Принцип действия электродвигателя можно пояснить при помощи схем, показанных на фиг 4-7. По фиг. 4 вершины 31 магнитов 12 расположены практически на одной линии с центрами катушек группы АО Если запитать катушки А (катушки В в это время обесточены), то ток, протекающий по этим катушкам в плоскости, параллельной диску 8, создает магнитные

поля, направления которых перпендикулярны плоскости статора 13 и параллельны магнитным полям постоянных магнитов 12. При этом направление магнитного поля каждой катушки одиный полюс магнита обращен в сторону секериого полюса смежной катушки.

0 Вследствие этого между возбужденными катупжами 18 и постоянными магнитами 12 возникает сила магнитного прнтяження, которая стремится расположить в одну линию магнитные оси

g каждой катушки группы А с мах нитными осями смежного магнита 12, что в итоге создает крутящий момент, приложенный к роторному диску 8, В действительности притягивается дельй участок, например основание 32 каж0

5

0

5

дого магнита ,12, к центру катушки группы А с левой ее стороны против часовой стрелки, что вызьгоает вращение в направлении, показанном стрелкой W.

В положении, показанном на фиг,5, большая часть магнита 12 взаимодействует со стороной 28 катушки, что увеличивает крутящий момент, приложенный к ротору. Однако в этом положении яа магниты 12 начинает воздействовать противодействующий крутящий момент, возникающий в результате взаимодействия протекакщего в противоположном направлении тока по стороне 27 катушки группы А с верхней площадкой 31 магнита 12,, Однако величина этого противодействующего крутящего момен-.

1

та много меньше прямого крутящего моме имеющего направление со , создаваемого при взаимолействии магнита 12 со стороной 28 катушки группы А, что объясняется меньшей площалью магнита в его вершине 31, взаимодействующей со стороной 27 катушек группы А, В итоге это приводит к спрямлению кривой крутящего момента, отличающейся от обычной синусоиды (фиг, 8).

Согласно фиг. 8 ток начинает протекать по катушке группы А в момент времени t, когда относительное расположение катушек и.постоянных магнитов соответствует фиг. 4. Крутящий

момент для точки t представлен кривой 36. В момент времени t,взаимное расположение обмоток и постоянных магнитов соответствует показанному на фиг о 5, при этом кривая зависимости крутящего момента от времени становится более плоской относительно момента времени t,. По этой причине магнит 12 и ротор продолжают вращаться в направлении 03 .

Когда вершины магнитов занимают положение, показанное на фиг. 6, участок каждого из магнитов 12, с которым взаимодействует сторона 28 катушек группы А, становится несколько больше по сравнению с положением, показанным на фиг, 5, в то время как площадь вершин магнитов 12, подверженная воздействию обратного крутящего момента, более заметно возрастает по сравнению с площадью верщины для случая, показанного на фиг. 5. В это время активный участок магнита, взаимодействующий со стороной 28 катушки, все еще больше активного участка магнита, взаимодействующего со стороной 27 катушки, в результате чего магниты 12 и роторный

диск 8 продолжают вращаться в направлении со , но при этом величина крутящего момента несколько уменьшается и становится равной величине, соответствующей моменту времени t (фиг, 8). Следовательно, прямой крутящий момент все еще больше величины обратного крутящего момента, возникающего в результате взаимодействия стороны 27 катушки и более узких участков магнита 12. Скругленное основание обеспечивает наличие у постоянного магнита участка, к которому притягивается плоская сторона 28 катушки, находящейся в возбужденном

А877

,

10

состоянии между моментами времени t и t,. Если бы основание магнита было

5

5

3 плоским

10

15

Если бы основание магнита

то могла бы образовьшаться мертвая зона, когда основание магни- та располагается на одной линии непосредственно со стороной 27 катутп- ки„ При отсутствии скругленного основания в точке t. знак момента меняется, после чего величина крутящег го момента изменяется в соответствии с пунктирной кривой, показанной на фиг о 8 о

Положение, показанное на фиг. 7, соответствует тому, которое занимают магниты 12 после перемещения их на 180 элоград.относительно положения, показанного на фиг. 4. В этом положении вершина 31 каждого посто- 0 янного магнита 12 расположена практически на одной линии с центрами катушек группы В и находятся в таком же самом относительном положении, которое занимали постоянные маг- 25 ниты 12 и катушки группы А на фиг.4. Если в этот момент времени переключить ток с катушек группы А на катушки группы В, то рассмотренный цикл изменения крутящего момента на ин- 0 тервале времени от момента t, до момента t, повторится в соответствии кривой 37, показанной на фиг. В.

Сигнальньш элемент It (фиг. 9) содержит ряд расположенных радиаль- но выступов 38, которые смещены друг от друга на определенный угол и отделены один от другого промежутками 39 о Величина угла, занимаемого самим выступом 38 и 0 ним промежутком, люпа ,

ных на число катушек А или число катушек группы В. По фиг. 9 этот угол равен 22,5°.

При возбуждении чувствительного элемента 19 источником 22 питания Начинает работать переключающая схема 20 (фиг. 10).Переключающая схема 20 включает пару транзисторов 40.1, образующих схему Дарлингтона, которые служат дпя запитьшания группы А . 4сатушек, и аналогично соединенную пару транзисторов 40.2, в результате чего ток начинает протекать через группу В катушек. Группы А и В катушек могут располагаться в смежных плоскостях. Например, две группы катушек могут быть расположены с противоположных сторон диска. В другом варианте две группы катушек моследующим за равна 360 , делен0

5

II

гут быть разделены, при этом одна группа, установленная на статоре, располагается с одной стороны роторного элемента, а другая группа - с его противоположной стороны.

На фиг. 11 представлен вариант двигателя, который содержит два статора 13, расположенных по обе стороны роторного диска 8. В обнотках катушек 18, расположенных на одном статорном кольце, ток протекает в том же направлении. В результате на роторный диск 8 воздействует крутящий момент в направлении Q .

В третьем варианте статор вьшол- нен с двумя активными поверхностями напротив которых установлен свой роторный диск 8 (фиг. 12). Второй роторный диск представляет собой зеркальное отражение первого. На каждом диске расположены постоянные магниты 12. Полярность магнита роторного диска, расположенного с одной стороны статора, противоположна полярности диска, расположенного с другой стороны статора.

Выполнение двигателя с двумя роторами или двумя статорами повьпиает его удельные массогабаритные показа телИс

Изобретение может найти прямене мне при создании высокоскоростных венти.пьных электродвигателей с высокой равномерностью скорости вращения.

Формула изобретения

1 с Бесщеточная электрическая машина постоянного тока дискового типа, содержащая коаксиально расположенные относительно друг друга статор и ротор, на одном из которых расположены I постоянные магниты, а на другом - обмотка якоря, актигвная поверхность которой обращена к активной поверхности полюсов постоянных магнитов, обмотка якоря выполнена в виде отдельных катушек, образующих катушек, расположенных в магнитном поле постоянных магнитов с условым смещением относительно Друг друга, и переключающее устрой- стпо, предназначенное пня поочередного подключения групп катушек обмотки

якоря к цепи постоянного тока, отличающаяся тем, что, с целью повышения К1Щ, катушки обмотI 2

5

0 5

Q

5

0

5

0

5

ки якоря вьшолнены с одинаковым направлением намотки, активные поверхности постоянных магнитов имеют одинаковую, полярность, каждая катушка или каждый постоянный магнит вьтол- нен с возможностью изменения силы магнитного взаимодействия между постоянным магнитом и током в катушке в .окружном направлении.

3 о Машина по п. 1, отличающаяся тем, что катушки двух групп установлены компланарно и чередуются между собой в окружном направлении,

7о Машина по пп.1-6, отличающаяся тем, что полюса образованы отдельными постоянными магнитами.

10о Машина по пп.1-9, отличающаяся тем, что число катушек в два раза больше числа постоянных магнитов.

катушки двух групп смещены на половину ширингл катушки.

16о Машина по пп.1-15, отличающаяся тем, что форма катушек отличается от формы постоянных магнитов,

17, Машина по пп.1-16, о т д и- чающаяся тем, что постоянные магниты выполнены с активной поверхностью треугольной формы с основанием, расположенным радиаль- но„

18о Машина по пп.1-17, о тд и- чающаяся тем, что катушки имеют форму дисковых сегментов

5-5

Фи&.2

7S

Il4.

f4

iS

cpu.S

IS

/4

21

38

if

Фиг.З

Фиг. 6

Фчг.10

Фи2.11

Редактор И. Рыбченко

Составитель А. Сантапов

Техред л.Олийнык Корректор Н.Король

Заказ 4137/59

Тираж 646

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

13189

23

-В

-12.

Фиг.11

Подписное