RU168174U1

RU168174U1 - Brushless DC Motor

Info

Publication number: RU168174U1
Application number: RU2016139205U
Authority: RU
Inventors: Юрий Алексеевич Власенко; Владимир Анатольевич Руденков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Пожкомплект"; Юрий Алексеевич Власенко
Priority date: 2016-10-05
Filing date: 2016-10-05
Publication date: 2017-01-23

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в различных транспортных средствах, а также в приборостроении.Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока включает внутренний ротор 1, внешний статор 2, датчики 3 положения ротора и блок управления 4. Внутренний ротор 1 содержит постоянные магниты 5, равномерно расположенные по окружности и выполненные в виде многополюсного составного магнита, и выполнен с цилиндрическим кольцом 6 из магнитомягкого материала. Внешний статор 2 содержит электромагниты 7 в виде катушек с обмоткой, которая выполнена двойным изолированным медным проводом одинакового сечения. Катушки электромагнитов статора 2 расположены в не менее чем два уровня. Расположение катушек верхнего уровня смещено относительно катушек нижнего уровня на 45 градусов. За время включения той или иной обмотки катушки отвечают датчики 3 положения ротора, количество которых не меньше количества уровней. Ротор 1, статор 2 и датчики 3 размещаются в корпусе 8 электродвигателя, при этом корпус 8 осуществляет функцию радиатора охлаждения.Полезная модель позволяет повысить надежность устройства в целом.The utility model relates to electrical engineering and can be used in various vehicles, as well as in instrumentation. A brushless DC motor includes an internal rotor 1, an external stator 2, rotor position sensors 3 and a control unit 4. The internal rotor 1 contains permanent magnets 5, uniformly located around the circumference and made in the form of a multipolar composite magnet, and is made with a cylindrical ring 6 of soft magnetic material. The external stator 2 contains electromagnets 7 in the form of coils with a winding, which is made of double insulated copper wire of the same cross section. The coils of the electromagnets of the stator 2 are located in at least two levels. The location of the coils of the upper level is shifted relative to the coils of the lower level by 45 degrees. During the inclusion of one or another winding of the coil, sensors 3 of the rotor position correspond, the number of which is not less than the number of levels. The rotor 1, the stator 2 and the sensors 3 are placed in the motor housing 8, while the housing 8 acts as a cooling radiator. A useful model can improve the reliability of the device as a whole.

Description

Заявляемая полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в различных транспортных средствах, а также приборостроении.The inventive utility model relates to electrical engineering and can be used in various vehicles, as well as instrumentation.

Известен бесколлекторный двигатель постоянного тока, содержащий статор с Z одинаковыми равномерно распределенными зубцами, на которых размещена m-фазная обмотка, и ротор с 2p чередующимися полюсами из постоянных магнитов, намагниченных в радиальном направлении, при этом число зубцов статора Z, кратное числу фаз m, и число полюсов ротора 2р выбираются такими, чтобы разница между ними 2K, где K целое положительное число, была минимальной, и m-фазная обмотка, представляющая собой концентрическую обмотку, каждая фаза которой состоит из 2K катушечных групп, намотана таким образом, чтобы направление намотки на зубцах статора чередовалось внутри каждой катушечной группы и чтобы на зубцах одной фазы, сдвинутых на 180°/K, направление намотки было согласным при нечетном K и встречным при четном K (патент РФ №2091969, 1997 г.).A brushless DC motor is known, comprising a stator with Z equally uniformly distributed teeth, on which an m-phase winding is placed, and a rotor with 2p alternating poles of permanent magnets magnetized in the radial direction, the number of stator teeth Z being a multiple of the number of phases m, and the number of poles of the rotor 2p are chosen so that the difference between them 2K, where K is a positive integer, is minimal, and the m-phase winding, which is a concentric winding, each phase of which consists of 2K coils groups, wound in such a way that the direction of winding on the stator teeth alternates within each coil group and so that on the teeth of one phase shifted by 180 ° / K, the direction of winding was consistent with odd K and counter with even K (RF patent No. 2091969, 1997 g.).

Недостатком указанного устройства является сравнительно низкий уровень надежности из-за подверженности перегреву и вибрациям, а также высокая вероятность короткого замыкания и выхода из строя блока управления в связи с использованием полномостовых схем переключения обмоток.The disadvantage of this device is the relatively low level of reliability due to susceptibility to overheating and vibration, as well as a high probability of short circuit and failure of the control unit due to the use of full-bridge winding switching circuits.

Также известен бесколлекторный электродвигатель постоянного тока, включающий внутренний ротор, содержащий отдельные постоянные магниты, равномерно расположенные по окружности с чередующимся направлением магнитного поля; внешний статор, содержащий две идентичные группы электромагнитов, расположенных по окружности с разных сторон ротора напротив друг друга так, что оси катушек электромагнитов параллельны оси вращения; датчики положения ротора; блок управления электромагнитами, при этом количество фаз N электродвигателя может быть любым числом из ряда N=2, 3, 4, 6; количество m электромагнитов в каждой группе кратно количеству фаз; количество n полюсов постоянных магнитов с одной стороны ротора четно, не кратно количеству фаз, больше количества m электромагнитов в группе и не кратно их числу; количество L датчиков положения ротора не меньше, чем количество фаз (патент РФ №126996, 2013 г.). Данное устройство принято за ближайший аналог.A brushless direct current electric motor is also known, including an internal rotor containing individual permanent magnets uniformly spaced around a circle with an alternating direction of the magnetic field; an external stator containing two identical groups of electromagnets located circumferentially on different sides of the rotor opposite each other so that the axis of the electromagnet coils are parallel to the axis of rotation; rotor position sensors; an electromagnet control unit, wherein the number of phases N of the electric motor can be any number from a number N = 2, 3, 4, 6; the number m of electromagnets in each group is a multiple of the number of phases; the number n of poles of permanent magnets on one side of the rotor is even, not a multiple of the number of phases, greater than the number m of electromagnets in the group and not a multiple of their number; the number L of rotor position sensors is not less than the number of phases (RF patent No. 126996, 2013). This device is taken as the closest analogue.

Недостатком указанного устройства является сравнительно низкий уровень надежности, обусловленный подверженностью перегреву и вибрациям и усложненным блоком управления, а также высокая вероятность короткого замыкания и выхода из строя блока управления в связи с использованием полномостовых схем переключения обмоток.The disadvantage of this device is the relatively low level of reliability due to exposure to overheating and vibration and a complicated control unit, as well as a high probability of short circuit and failure of the control unit due to the use of full-bridge winding switching circuits.

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении надежности устройства.The technical result, to which the claimed utility model is directed, is to increase the reliability of the device.

Указанный технический результат достигается тем, что бесколлекторный электродвигатель постоянного тока, включающий внутренний ротор, содержащий постоянные магниты, равномерно расположенные по окружности с чередующимся направлением магнитного поля; внешний статор, содержащий электромагниты; датчики положения ротора и блок управления электромагнитами; содержит радиатор охлаждения в виде корпуса, при этом ротор выполнен с цилиндрическим кольцом из магнитомягкого материала, а катушки электромагнитов статора расположены в не менее чем два уровня, причем количество датчиков положения ротора не меньше количества уровней.The specified technical result is achieved by the fact that the brushless DC motor, including an internal rotor, comprising permanent magnets uniformly spaced around a circle with an alternating direction of the magnetic field; an external stator containing electromagnets; rotor position sensors and an electromagnet control unit; contains a cooling radiator in the form of a housing, while the rotor is made with a cylindrical ring of magnetically soft material, and the stator electromagnet coils are located in at least two levels, and the number of rotor position sensors is not less than the number of levels.

Кроме того, постоянные магниты ротора выполнены в виде составного магнита с чередующимся направлением магнитного поля без зазора между полюсами, что повышает надежность крепления магнитов к ротору и увеличивает срок их службы.In addition, the permanent magnets of the rotor are made in the form of a composite magnet with an alternating direction of the magnetic field without a gap between the poles, which increases the reliability of mounting the magnets to the rotor and increases their service life.

Также расположение катушек электромагнитов статора верхнего уровня смещено относительно катушек нижнего уровня на 45 градусов, что уменьшает магнитное притяжение в положении покоя и дает равномерный крутящий момент.Also, the location of the coils of the upper level stator electromagnets is shifted relative to the coils of the lower level by 45 degrees, which reduces the magnetic attraction in the resting position and gives uniform torque.

Кроме того, катушки электромагнитов статора выполнены с двойной обмоткой, что позволяет не использовать полномостовые схемы переключения катушек и тем самым повышает надежность блока управления.In addition, the stator electromagnet coils are double-wound, which eliminates the need for full-bridge coil switching circuits, and thereby increases the reliability of the control unit.

Количество фаз N электродвигателя может быть любым числом из ряда N=4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, что позволяет не использовать полномостовых схем переключения катушек и тем самым повышает надежность блока управления.The number of phases N of the electric motor can be any number from the range N = 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, which allows not to use full-bridge coil switching circuits and thereby increases the reliability of the control unit.

Полезная модель иллюстрируется фигурами, на которых изображено:The utility model is illustrated by figures, which depict:

- на Фиг. 1 - общий вид устройства в разрезе в аксонометрии;- in FIG. 1 is a General view of the device in section in a perspective view;

- на Фиг. 2 - боковой разрез устройства;- in FIG. 2 - side section of the device;

- на Фиг. 3 - вид устройства сверху.- in FIG. 3 is a top view of the device.

Согласно Фиг. 1-3 бесколлекторный электродвигатель постоянного тока включает внутренний ротор 1, внешний статор 2, датчики 3 положения ротора и блок управления 4. Внутренний ротор 1 содержит постоянные магниты 5, равномерно расположенные по окружности и выполненные в виде многополюсного составного магнита, в котором магниты 5 закрепляются с помощью высокопрочного клея, например цианокрилатного. Магниты 5 устанавливаются с чередованием полюсов, и их количество составляет не менее четырех. Одноименные полюса располагаются друг напротив друга. Ротор 1 выполнен с цилиндрическим кольцом 6 из магнитомягкого материала, например железа, которое служит для закрепления магнитов 5, а также для сглаживания магнитных полюсов. Толщина кольца 6 составляет 0.2-3 мм и выбирается в зависимости от силы постоянных магнитов 5 и катушек статора 2.According to FIG. 1-3, the DC brushless motor includes an internal rotor 1, an external stator 2, rotor position sensors 3 and a control unit 4. The internal rotor 1 contains permanent magnets 5 uniformly spaced around the circumference and made in the form of a multi-pole composite magnet in which the magnets 5 are fixed using high-strength adhesive, such as cyanoacrylate. Magnets 5 are installed with alternating poles, and their number is at least four. Poles of the same name are located opposite each other. The rotor 1 is made with a cylindrical ring 6 of soft magnetic material, such as iron, which serves to secure the magnets 5, as well as to smooth the magnetic poles. The thickness of the ring 6 is 0.2-3 mm and is selected depending on the strength of the permanent magnets 5 and stator coils 2.

Внешний статор 2 содержит электромагниты 7 в виде катушек с обмоткой. Обмотка выполнена двойным изолированным медным проводом одинакового сечения. Катушки имеют явно выраженные магнитные полюса. Количество полюсов катушек в 2 раза превышает количество полюсов ротора 1. Катушки электромагнитов статора 2 расположены в не менее чем два уровня. Расположение катушек верхнего уровня смещено относительно катушек нижнего уровня на 45 градусов. Катушки подключаются либо последовательно, либо параллельно. Смена полюсов катушки происходит за счет переменного включения обмоток катушек. Ток по одному проводу катушки подается всегда в одном направлении, по другому проводу катушки в обратном направлении.The external stator 2 contains electromagnets 7 in the form of coils with a winding. The winding is made of double insulated copper wire of the same cross section. Coils have pronounced magnetic poles. The number of poles of the coils is 2 times the number of poles of the rotor 1. The coils of the electromagnets of the stator 2 are located in at least two levels. The location of the coils of the upper level is shifted relative to the coils of the lower level by 45 degrees. Coils are connected either in series or in parallel. The pole change of the coil occurs due to the alternating inclusion of the coil windings. The current through one wire of the coil is always supplied in one direction, along the other wire of the coil in the opposite direction.

За время включения той или иной обмотки катушки отвечают датчики 3 положения ротора, количество которых не меньше количества уровней. Датчики 3 представляют собой датчики магнитного поля, например датчики Холла. Ротор 1, статор 2 и датчики 3 размещаются в корпусе 8 электродвигателя, при этом корпус 8 осуществляет функцию радиатора охлаждения и выполнен из материала, хорошо проводящего тепло, например алюминия. Кроме того, корпус 8 удерживает катушки статора 2 на разных уровнях. Снаружи к корпусу 8 разъемно, например болтами, прикреплен блок управления 4. Блок управления 4 содержит полевые транзисторы, микроконтроллер и драйверы нижнего плеча (на чертежах не показано). Используется схема работы транзисторов в ключевом режиме. По сигналу от датчиков 3 положения ротора микроконтроллер подает сигнал на драйвер управления транзистором нижнего плеча, драйвер подает сигнал на полевой транзистор, тем самым включая необходимые катушки.During the inclusion of one or another winding of the coil, sensors 3 of the rotor position correspond, the number of which is not less than the number of levels. The sensors 3 are magnetic field sensors, for example, Hall sensors. The rotor 1, the stator 2 and the sensors 3 are placed in the motor housing 8, while the housing 8 performs the function of a cooling radiator and is made of a material that conducts heat well, such as aluminum. In addition, the housing 8 holds the stator coils 2 at different levels. Outside, the control unit 4 is detachable, for example, with bolts, to the housing 8. The control unit 4 contains field-effect transistors, a microcontroller, and lower arm drivers (not shown in the drawings). The transistor operation scheme in the key mode is used. According to the signal from the sensors 3 of the position of the rotor, the microcontroller sends a signal to the driver control the transistor of the lower arm, the driver sends a signal to the field effect transistor, thereby including the necessary coils.

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока собирается следующим образом.Brushless DC motor is assembled as follows.

На цилиндры ротора 1 закрепляются с помощью высокопрочного клея, например цианокрилатного, постоянные магниты 5 и поверх насаживается цилиндрическое кольцо 6. Затем наматывается обмотка на катушки статора 2 для образования электромагнитов 7. В корпусе 8 устанавливается подготовленный статор 2 и фиксируется с помощью теплопроводящего клея, например «Радиал». Далее устанавливается подготовленный ротор 1 в корпус 8 и фиксируется с помощью верхней и нижней частей корпуса. После чего снаружи к корпусу 8 прикрепляется с помощью болтов блок управления 4. Катушки статора 2 соединяются с блоком управления 4 с помощью проводов, пропускаемых через отверстия в корпусе 8. Далее на каждый уровень устанавливаются датчики 3 положения ротора между катушками статора 2 максимально близко к ротору 1 и закрепляются с помощью клея, например цианокрилатного. Датчики 3 подсоединяются к блоку управления 4 с помощью проводов, пропускаемых через отверстия в корпусе 8.On the cylinders of the rotor 1 are fixed using high-strength adhesive, for example, cyanoacrylate, permanent magnets 5 and a cylindrical ring 6 is mounted on top. Then, a winding is wound on the stator coils 2 to form electromagnets 7. A prepared stator 2 is installed in the housing 8 and fixed using heat-conducting adhesive, for example "Radial". Next, the prepared rotor 1 is installed in the housing 8 and is fixed using the upper and lower parts of the housing. After that, the control unit 4 is attached to the housing 8 externally with bolts. The stator coils 2 are connected to the control unit 4 by wires passing through the holes in the housing 8. Next, the rotor position sensors 3 between the stator coils 2 are installed as close to the rotor as possible on each level 1 and are fixed with an adhesive, such as cyanoacrylate. The sensors 3 are connected to the control unit 4 using wires passing through the holes in the housing 8.

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока работает следующим образом.Brushless DC motor operates as follows.

При подаче электроэнергии датчики 3 положения ротора определяют какие катушки статора 2 необходимо включить для смещения магнитного потока и подают сигнал на блок управления 4. Блок управления 4 включает необходимые катушки, из-за чего происходит поворот ротора 1. Далее ток подается на другие катушки по сигналу датчика 3 положения ротора. Таким образом, двигатель начинает вращение за счет притяжения магнитов ротора 1 и катушек статора 2. Регулирование скорости вращения происходит с помощью уменьшения либо увеличения питающего напряжения. При отключении электропитания двигатель прекращает свою работу.When power is supplied, the rotor position sensors 3 determine which stator coils 2 must be turned on to shift the magnetic flux and provide a signal to the control unit 4. The control unit 4 turns on the necessary coils, due to which the rotor 1 is rotated. Next, the current is supplied to other coils by a signal rotor position sensor 3. Thus, the engine starts rotation due to the attraction of the magnets of the rotor 1 and the stator coils 2. The rotation speed is controlled by reducing or increasing the supply voltage. When the power is turned off, the engine stops working.

Наличие радиатора охлаждения в виде корпуса уменьшает нагревание электродвигателя, что способствует повышению его надежности.The presence of a cooling radiator in the form of a housing reduces the heating of the electric motor, which helps to increase its reliability.

Выполнение ротора с цилиндрическим кольцом из магнитомягкого материала позволяет избежать отсоединения магнитов от вала ротора из-за вибрации при работе электродвигателя, тем самым повышая его надежность.The implementation of the rotor with a cylindrical ring of soft magnetic material allows you to avoid disconnecting the magnets from the rotor shaft due to vibration during operation of the electric motor, thereby increasing its reliability.

Расположение катушек электромагнитов статора в не менее чем два уровня уменьшает осевую вибрацию, также способствуя повышению надежности электродвигателя.The location of the stator electromagnet coils in at least two levels reduces axial vibration, also contributing to increased reliability of the electric motor.

При этом, с учетом того, что количество датчиков положения ротора не меньше количества уровней, увеличивается точность позиционирования ротора и, соответственно, надежность всего устройства.Moreover, taking into account that the number of rotor position sensors is not less than the number of levels, the accuracy of rotor positioning and, accordingly, the reliability of the entire device are increased.

Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет повысить надежность устройства в целом.Thus, the claimed utility model improves the reliability of the device as a whole.

Claims

1. Brushless DC motor, including an internal rotor containing permanent magnets uniformly spaced around a circle with an alternating direction of the magnetic field; an external stator containing electromagnets; rotor position sensors and an electromagnet control unit, characterized in that it contains a cooling radiator in the form of a housing, the rotor is made with a cylindrical ring of magnetically soft material, and the stator electromagnet coils are located in at least two levels, and the number of rotor position sensors is not less than the number levels.

2. Brushless DC motor according to claim 1, characterized in that the permanent magnets of the rotor are made in the form of a composite magnet with an alternating direction of the magnetic field without a gap between the poles.

3. Brushless DC motor according to claim 1, characterized in that the location of the coils of the upper level stator electromagnets is offset by 45 degrees relative to the lower level coils.

4. Brushless DC motor according to claim 1, characterized in that the stator electromagnet coils are made with a double winding.

5. Brushless DC motor according to claim 1, characterized in that the number of phases N of the motor can be any number from a number N = 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16.