Вентильный электродвигатель Советский патент 1979 года по МПК H02K29/00 

электрической схемы двигателя и повикшНИИ энергетических показателей.

Поставленная цель достигается тем, что полюса для проведения постоянного потока выполнены в виде примыкающих друг к другу сегментов, полюса переменного потока установлены в пазах, расположенных на границах сегментов, а генератор повышенной частоты содержит неподвижные полупроводниковые элементы и обмотки полюсов для проведения переменного потока.

Обмотки полюсов переменного потока, одинаково расположенных относительно полюсов постоянного потока, объедннены но крайней мере в две группы, все обмотки полюсов каждой группы соединены с одним из неподвижных полупроводниковых элементов.

Статор выполнен из двух частей, расположенных по обе стороны от ротора, а каждая из частей содержит полюса для проведения постоянного и переменного потока.

Полюса обеих частей статора соединены между собой общим магнитонроводом.

На фиг. 1 показана принципиальная схема электродвигателя; на фиг. 2 - конструкция электродвигателя с вращающимся ротором; на фиг. 3 - схема полупроводникового генератора для возбуждения одного полюса переменного потока; на фит. 4 - схема генератора для возбуждения двух полюсов переменного потока; на фиг. 5, а, б, в даны схемы роторов с диодами в качестве выпрямительных средств; на фиг. 6 приведена схема ротора с двумя транзисторами в качестве выпрямительных средств; на фиг. 7 - схема ротора с симметричным транзистором; на фиг. 8 - схема ротора с симметричным транзистором и последовательным включением роторных обмоток; на фиг. 9 - схема ротора с симметричным транзистором и параллельным соединением роторных обмоток; на фиг. 10 - схема ротора с симметричным транзистором и последовательно-параллельным включением роторных обмоток; на фиг. 11 показан четырехнолюсный электродвигатель с осевым воздушным зазором; на фиг. 12 дано сечение А-А на фиг. И; на фиг. 13 представлен шестиполюсный электродвигатель с радиальным воздушным зазором в разрезе; на фиг. 14 - восьмиполюсный электродвигатель с осевым воздушным- зазором; на фиг. 15 изображена статорная часть электродвигателя; на фиг. 16 - роторная плата для электродвигателя по фиг. 14; на фиг. 17 - вариант электродвигателя, показанного на фиг. 14.

Между двумя полюсами 1 и 2 постоянного магнита (фиг. 1) разной полярности Л/ и S находится полюс 3 неременного потока. Генератор 4 неременного напряжения связан с его катушкой 5. Над полюсами 1, 2, 3 находится катушка 6, соединенная с

выпрямителем 7. Катушка 6 расположена над одним полюсом постоянного магнита и по меньшей мере частично над полюсом 3 переменного потока. При изменении ею полярности в катушке индуцируется переменный ток, один полупериод которого подавляется. Этот ток в катушке 6 создает постоянное поле, которое приводит в движение катушку 6 в направлении, показанном на фиг. 1 стрелкой 8 пока момент, созданный током в катушке 9, не станет нродолжать это движение.

Для получения непрерывного движения достаточно трех полюсов и последовательно расположенных катушек на роторе, связанных с выпрямителями. Приводные катушки не обязательно должны каждая иметь свой отдельный выпрямитель. К одному выпрямителю могут быть подключены

группы катушек, так что достаточно двух вьшрямителей, подключенных параллельно к двум параллельно включенным нротивоноложным катушкам ротора или последовательно двум последовательно включенным катушкам.

Однополупериодный ток, наведенный потоком полюса 10 (фиг. 2) всегда протекает в двух противоположных катушках 11 и 12 ротора через выпрямитель 13 и в катушках

14, 15 через выпрямитель 16, так что обе катушки создают приводящий момент, взаимодействуя с нолюсами 17-20 ностоянного потока. В противоположность известным конструкциям, полюса переменного потока

должны быть расположены не между всеми полюсами постоянных магнитов, так как при этом возникали бы моменты противоположного знака. Кроме показанного полюса 10 переменного потока для того же напавления вращения быть иснользован еще только один полюс неременного

потока, находящийся между постоянными

полюсами 19 и 20.

Если имеются полюса переменного потока между другими полюсами постоянного потока получается противоположный момент и противоположное направление вращения, так как фаза переменного напряжения на полюсах переменного потока не

влияет на знак момента, а влияет только положение полюсов переменного потока между полюсами постоянного потока. Это позволяет осуществлять простое регулирование и управление направленным вращением за счет переключения полюсов неременного потока. Частота переменного напряжения свободно выбираться из соображений повышения КПД и не требует изменения в процессе работы.

Для работы электродвигателя достаточно одного нолюса переменного потока (фиг. 2), однако выгодно иметь еще один полюс переменного потока.по диагонали от первого, так как при этом лучше компепсируется асимметрия обмоток и получается более равномерный вращающий момент. Из тех же соображений, а также потому, что это обеспечивает пуск пз самого невыгодного положения, целесообразно на роторе предусматривать по две системы приводных катушек, смещенных на половину угла, занимаемого одной системой. Эта вторая система катушек дает максимальный момент, когда в первый системе момент минимальный. Для самых простых электродвигателей вторая система не является непременным условием, потому что несимметрия при изготовлении достаточна для того, чтобы и с одной системой катущек иметь достаточный момент для трогания без нагрузки.

Для полюсов переменного потока пригоден простой генератор повышенной частоты, построенный как генератор синусоиды с током, пропорциональным нагрузке. Пример схемы генератора показан на фиг. 3. При включении питания через транзистор 21 течет ток благодаря резистору 22, который из катушки 23 в цепи коллектора передается в катушку 24, определяющую частоту. Емкостный делитель напряжения, состоящий из малого конденсатора 25 и конденсатора 26 большей емкости, подает часть напряжения с колебательного контура на базу транзистора 21, который запирается, пока вновь появившийся базовый ток не вызовет повторения всего процесса. Ферритовый сердечник 27, на котором памотаны катушки 23 и 24, образует полюс переменной полярности. Отобранная от него энергия определяет ток следующего процесса изменения полярности, откуда и получается ток, зависящий от нагрузки. Конденсатор 28, определяющий частоту, задает важную с точки зрения КПД скорость перезаряда.

Когда полюса переменной полярности расположены так, как описано выше, то чтобы получить одно направление вращения, их можно питать от одного и того же генератора. (Пример запитки второго полюса 29 показан на фиг. 4).

Наряду с простыми схемами генераторов могут использоваться также двухтактные схемы, однако они не дают преимуществ по КПД. Это особенно справедливо, когда регулирование скорости производится регулированием параметров генератора. Оно может производиться, например, посредством изменения сопротивления резистора между базой транзистора 21 и его эмиттером, причем ток потребления от источника уменьшается почти пропорционально уменьшению отбираемого переменного тока. В противоположность обычному регулированию электродвигателей постоянного тока КПД при этом остается постоянно высоким.

При отсутствии регулирования ток потребления от источника проиорционален нагрузке, так что на холостом ходу потребляется очень малая энергия. Это важно при использовании двигателя в приборах с батарейным питанием, в которых от двигателя полная мощность требуется в большинстве случаев только при разгоне.

Такнм же способом, как регулироваине скорости, можно получить регулирование по положению в электродвигателе, рассчитанном на оба направления вращения, с очень точной установкой вплоть до останова электродвигателя. Эта возмол ность схемно отражена на фиг. 4. Если один генератор (фиг. 4) используется для прямого хода, а второй для обратного, то устагювочный потенциометр 30 может быть также заменен мостовой схемой с датчиками задаваемого и фактического значения. Если движок стоит посередине или соответственно мост сбалансирован, то на приводные катущки двигателя в обоих направлениях действуют одинаковые моменты, что позволяет получить точную остановку или тормол ение в нужном положении.

Возможно также дискретное управление при переключении переключателя 31. В качестве переключателя 31 может использоваться и электронный переключатель, и логические элементы. Для днскретного регулирования оборотов достаточно было бы половины переключателя 31, которая закорачивала бы промежуток эмиттер-база транзистора 21 накоротко или через добавочное сопротнвленпе.

Разница между схемами генераторов фиг. 4 состоит в различном подключении добавочного полюса 29 переменного потока. В одном из них делится только катущка 24, а в другом катущка 23 также состоит из двух частей. Возможны также другие схемы соединения, например разделение только катушек связи, последовательное соединенпе катущек или смешанное последовательно-параллельное. При этом только надо обеспечивать связь для получения достаточного переменного наиряження для соответствующих условий передачи.

Соединение приводных катущек ротора с выпрямительными средствами может осуществляться по-разному и зависит от числа полюсов, катушек, выпрямителей и от их типа и свойств.

Па фиг. 5,0, бив показаны три основные схемы с диодами. В варианте 5, а каждая

приводная катушка 32 имеет свой диод 33, в варианте 5, б диод 33 включен параллельно двум катущкам 32 и 34, из которых только приводная катушка 32 взаимодействует с генераторной катушкой 35. Незапитанная приводная катущка представляет для переменного тока высокое индуктивное сопротивление. Так же действуют последовательно соединенные приводные катущкп 32, 34, и варианте 5, в. Связанная здесь с

генераторной катушкой 35 приводная катушка 34 молсет проводить ток только в направлении проводимости диода 33, ток протекает и через вторую приводную катушку 32. Она представляет собой нагрузочное сопротивление и действует в данный момент так, как в известных конструкциях действуют приводные катушкп, запптанные от отдельной катушки связи. Возможно совместное соединение по две катушкп.

В схеме ротора двухполюсного двигателя по фпг. 6 в качестве выпрямительных средств используются два транзистора 36, 37, включенных антипараллельно. Из приводных катушек 32, 34 катушка 34 в данный момент связана с генераторной катушкой 35. Во время одного полупериода транзистор 36 имеет напряжение на базе, делающее его проводяш,им, п получается полупериод проводимости тока через обе прпводные катушки п переход коллектор- эмиттер транзистора 36. При связи катушки 32 получается противоположное направление тока через катушки и транзистор 37. Добавочная катушка 38 создает сдвиг фазы, обеспечпваюш,ий оптимальное время открытого состояния и за счет этого лучший КПД. Резистор 39 ограничивает ток базы до допустимого значения.

На фиг. 7 показана такая же схема только с использованием двухполярного симметричного транзистора 40 вместо обоих раздельных транзисторов 36 и 37.

В многополюсных двигателях на одной роторной плате могут находиться несколько схем по фиг. 6 или фиг. 7. Однако и здесь несколько катушек (две или более) могут быть соединены последовательно (фиг. 8) или параллельно (фиг. 9), комбинированно параллельно-последовательно (фиг. 10) совместно с одним транзистором 40, или антипараллельпой парой транзисторов 36, 37. В зависимости от выбранных параметров элементов получаются несколько различаюш,иеся КПД. При схемах роторов по фиг. 9 и 10 легко, как показано, генераторными катушками 35 и 35 возбуждать сразу несколько приводных катушек одновременно, что благотворно сказывается на связи и КПД.

Для лучшего различения последовательности приводных катушек па роторной плате эти катушки на фиг. 8-10 от 41 до 48 имеют такие номера, что их последовательность идет по окружности. В соответствии со своим расположением они должны быть так включены относительно соседних постоянных полюсов, чтобы получалось одно направление враш.ения. Как последовательные, так и параллельпые схемы включения могут применяться таким же образом и при большом количестве полюсов машины.

На фиг. И, 12 представлен четырехполюсный двигатель, ротор которого связан с валом 49. В кожухе 50 из любого, но предпочтительно магнитопроводяш;его материала, например из жести, находится оксиднокерамический кольцевой магнит 51 с двумя парами полюсов. В выемках этого кольцевого магнита 51,находяш,ихсяна границах между полюсами, расположены в качестве полюсов переменной полярности катушки с ферритовыми сердечниками 52-55 на достаточном расстоянии от кожуха 50. Выполнение кожуха 50 квадратной формы

оставляет в его углах достаточно места для размешения элементов генераторов, которые показапы в виде блоков 56. Внутренняя поверхность 57 кольцевого магнита 51 оставляет достаточно места для подшипников 58, выпрямительных средств 59 и при необходимости тахогенераторов 60 п подобных устройств.

На фиг. 13 показано, как используется внутреннее пространство 57 и обеспечивается замыкание магнитных цепей и как размеш,ены блоки 56 элементов генераторов. Катушки с ферритовыми сердечниками 52, 54 имеют детали 61, замыкающие магнитную цепь. Для повышения КПД выгодно

размещать генераторные катушки по возможности ближе к роторной плате 62, иначе при высоких частотах поля рассеяния имеют вредное влияние на действенную передачу эпергии в приводные катушки.

Как внутренняя часть 63, так и наружная часть 64 статора состоит из магнитопроводящего материала. Обе части могут быть, например, спрессовапы из феррпта. На выступах 65 внутренней части 63 намотаны

генераторные катушки. Во внутреннем пространстве 66 могут, кроме подшипников, располагаться генераторы. Генераторные катушки могут таклсе размещаться на выступах 67 внешней части 64, если это не

встречает трудностей из-за очень малых размеров мотора. Приводные катушки находятся на роторном кольце 68, которое вращается в подшипниках по краям. В промежутках обеих частей статора 63, 64 заложены магнитные сегменты 69 и оксидокерамики с радиальным намагничиванием. . Возможность изготовления всего мотора прессованием, литьем, литьем под давлепием, спеканием и нодобной технологией

может вместе с нрименением интегральных схем и построением с осевым рабочим зазором привести к значительному снижению затрат на производство для высококачественных двигателей. (Такие моторы показаны на фиг. 14-17).

Корпус электродвигателя (фиг. 14) образуется чашкой 70 и крышкой 71 из ферритового материала. Могут быть также использованы две одинаковые чашки, линия

раздела которых лежит в середине их осевого размера. В чашку 70 вставлено оксиднокерамическое магнитное кольцо 72. Оно может держаться за счет магнитного действия, может быть запрессовано или вклеено или укреплено любым способом. В выемках 73 магнитного кольца 72 находятся ферритовые сердечники 74, выполненные за одно целое с чашкой 70 или вставленные и укрепленные любым снособом. Они заканчиваются на одном уровне с поверхностью магнитного кольца 72 и несут генераторные обмотки 75, которые также заканчиваются на уровне поверхности. Чашка 70 и крышка 71 имеют в центрах подшипники 76 для оси ротора 77. Роторная шейка 78 имеет в районе оси в области, свободной от магнитного кольца 72, выпрямительные средства 79. В остальном свободном пространстве показан еш;е один блок с элементами 80, который может содержать элементы генераторов и тахогенератор. На фиг. 15 показан восьмиполюсный электродвигатель, вид сверху на чашку 70 с магнитным кольцом 72 при снятой крышке 71 и роторе 77, 78, 79. Генераторные катушки для разных направлений вращения замаркированы точками или крестами в середине. При другом количестве полюсов форма устройства сохраняется, и всегда полюса переменной полярности, находяш,иеся на переходе от северного к южному постоянному полюсу служат для вращения в одну сторону, а полюса переменной полярности на переходе от южного к северному полюсу постоянных магнитов при том же направлении обхода служат для вращения в обратную сторону. Обычно применяется по два полюса переменной полярности для каждого направления вращения. Такое их количество достаточно для любого числа при условии, что используется соответствующая схема ротора. На фиг. 16 представлен ротор для восьмиполюсного электродвигателя. Способ намотки выбран произвольно, и может выполняться известными способами. Приводные катушки 81 так расположены ня плате 78 ротора, что перекрещивания имеют место вне эффективиой площади действия полюсов (в показанном способе намотки только в свободной средней части). Если перекрещивания попадают на наружный край, то можно часть обмоток утопить в углублении между магнитным кольцом 72 и чашкой 70. Выпрямительные средства 79 расположены в средней части ротора, вокруг оси 77. Для лучшей балансировки и жесткости они могут быть там залиты. На фиг. 17 показан улучшенный вариант электродвигателя, который за счет двойного статора имеет лучшее замыкание магнитной цепи и меньшие потери на рассеивание. По возможности выполняют две одинаковые части, так что весь статор требует всего два-три инструмента для , литья под давлением, прессовки или отливки. Для ротора, кроме намоточного устройства для катушек роторной платы 78, еще требуется комбинированное устройство для монтажа, заправки углов и крепления i5oTOpa. В качестве оси 77 и подшипников 76 могут использоваться стандартные части. Чтобы дать возможность обработки всей обращенной к ротору поверхности статора, например, методами плоской щлифовки, предуслчотрено промеж точное кольцо 82 между чашками 70 корпуса. Оно также может являться частью одной из чащек, если предусмотреть соответствующий вкладыш в инструмент, или обеих чащек 70. Для двигателей с невысокими требованиями к точности воздушного зазора можно обе чашки изготовлять с выемками посредине, и чашки соединять кольцом, или осевыми винтамн, или склеиваг1ием. Обработки резанием можно избежать вовсе и производить моторы с высокими качествами. Известные способы и варианты также являются применимы. . Формула изобретения 1.Вентильный электродвигатель, содержаший немагнитный ротор с обмоткой, секции которой соединены с силовыми и управляющими цепями установленных на нем полупроводниковых элементов, и статор с равномерно распределенными полюсами постоянного магнитного потока и расположенными между ними полюсами переменного магнитного потока, обмотки которых соединены с неподвижными полупроводниковыми элементами генератора повышенной частоты, отличающийся тем, что, с целью упрощения электрической схемы и повышення энергетических показателей, полюса для проведения постоянного потока выполнены в виде примыкающих друг к другу сегментов, полюса переменного потока установлены в пазах, расположенных на границах сегментов, а генератор повыщенной частоты содержит неподвижные полупроводниковые элементы и обмотки полюсов переменного потока. 2.Электродвигатель по п. 1, отличающ и и с я тем, что обмотки полюсов переменного потока, одинаково расположенных относительно полюсов постоянного потока, объединены по крайней мере в две группы, все обдютки полюсов группы соедипены с одним из неподвижных полупроводниковых элементов. 3.Электродвигатель по пп. 1, 2, отличающийся тем, что статор выполнен в виде двух частей, расположенных по обе стороны от ротора, а каждая из частей со11держит полюса постоянного и переменного потоков. 4. Электродвигатель по пп. 1, 2 и 3, отличающийся тем, что полюса обеих частей статора соединены между собой об-5 щим магнитопроводом,

fOui. 1

12

Т7

ipat. 2 Источники информации, принятые во впимание при экспертизе 1. Патент ФРГ № 1268262, кл. 39, 1965. 2. Патент ФРГ № 1265277, кл, 2Id 39, 1962,

22

21127

m

гб

Л|СТ

л с п

32

J7

J5

.7

35

1 43

40

3S 33

r-

. S 55 I

/риг S

38ЗЭ xp«,;г-4:- -- ЧД- s

vS

(риг. a:

se

54

r riJirMf Э СП Щ- i

--Й-- i ////A 1 I I i -. /A

- 5f

- ss

CPUiJZ

77

7а 73

y////////////f////

7J .

Vv/VV у у

77/7//-//VA

70

77 да72

Ti If

fi/j. /

ipui.lS

э

,

; U

7f50

Tf

fpiit.n