RU2141158C1

RU2141158C1 - Face-mounted permanent-magnet torque motor

Info

Publication number: RU2141158C1
Application number: RU98114960A
Authority: RU
Inventors: В.Е. Волегов
Original assignee: Автономная некоммерческая организация Центр экономического развития "МОНОТРОН"; Волегов Виктор Евгеньевич
Priority date: 1998-07-30
Filing date: 1998-07-30
Publication date: 1999-11-10

Abstract

FIELD: valve-type DC motors. SUBSTANCE: motor is provided with additional magnets mounted on hubs of rotor shaft. Its magnetic cores are placed at ends of extreme magnets. Interconnected electric blocks also connected to stator are alternating with magnets. They have plate and heat sink whose slots accommodate electric blocks to form toroidal gap. Alternating magnetic fields are opposing each other. Leads of rotor position detectors and those of coil sections in rows of electric blocks are connected in series, in parallel, or in series- and-parallel and on external side of electric blocks they are connected to control unit and to power supply. Coils may be wound of insulated strips made of electricity conducting nonretentive material. EFFECT: reduced size and improved reliability due to high specific power and low thrusts on shaft bearings. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам с бесконтактной коммутацией секций обмоток статора в зависимости от положения ротора с помощью преобразователя частоты, т. е. к вентильным электродвигателям, получающим питание от источника постоянного тока. The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to electric machines with non-contact switching sections of the stator windings depending on the position of the rotor using a frequency converter, i.e., to valve motors powered by a direct current source.

Известны магнитоэлектрические моментные торцевые двигатели (ММТД), содержащие статор с обмоткой и ротор с постоянными магнитами, с неподвижной осью со ступицей и регулировочными кольцами, размещенными на оси, при этом тороидальные магнитопроводы выполнены с трапецеидальными зубьями (1). Known magnetoelectric torque end motors (MMTD), containing a stator with a winding and a rotor with permanent magnets, with a fixed axis with a hub and adjusting rings placed on the axis, while the toroidal magnetic circuits are made with trapezoidal teeth (1).

Известны ММТД постоянного тока с дисковыми якорями и магнитами, установленными на кольцевой обойме с двух ее противоположных сторон, с ферромагнитными кольцевыми обоймами, снижающими уровень помех коллекторных пульсаций двигателя (2). Known MMTD of direct current with disk anchors and magnets mounted on an annular yoke from its two opposite sides, with ferromagnetic annular yokes that reduce the noise level of the collector pulsations of the engine (2).

Существенными недостатками упомянутых устройств является низкая удельная мощность и значительные нагрузки на подшипники вала двигателя. Significant disadvantages of these devices are low power density and significant loads on the motor shaft bearings.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является "Якорь для вентильного электродвигателя торцевого типа" (3), содержащий статор с платой, на которой расположены соединенные в секции катушки квазикольцевой формы, блок управления, составленный из нескольких ветвей для периодического подключения секций к источнику питания, несколько датчиков Холла, размещенных во внутреннем пространстве секций, выходы которых соединены, соответственно, с управляющими входами ветвей блока управления, ротор с тороидальным магнитом, с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью. Недостатками устройства, как и аналогов, является низкая удельная мощность и большие нагрузки на подшипники вала, приводящие к снижению надежности двигателя. The closest in technical essence to the proposed technical solution is "Anchor for a gate type end-face electric motor" (3), containing a stator with a circuit board, on which are located a quasi-ring-shaped coil connected in a section, a control unit composed of several branches for periodically connecting the sections to the source power supply, several Hall sensors located in the internal space of the sections, the outputs of which are connected, respectively, with the control inputs of the branches of the control unit, the rotor with a toroid with an axial magnetization and alternating polarity. The disadvantages of the device, as well as analogues, is the low power density and high loads on the shaft bearings, leading to a decrease in engine reliability.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание ММТД с высокой удельной мощностью и повышенной надежностью за счет снижения нагрузки на подшипники вала. The objective of the invention is to eliminate these drawbacks and the creation of MMTD with high specific power and increased reliability by reducing the load on the shaft bearings.

Задача решается тем, что предлагаемый магнитоэлектрический моментный торцевой двигатель, содержащий статор с платой и соединенные в секции катушки квазикольцевой формы, блок управления, составленный из нескольких ветвей для периодического подключения секций к источнику питания, датчиков положения ротора, выводы которых соединены с управляющими входами ветвей блока управления, ротор с тороидальным магнитом с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью, отличается тем, что двигатель снабжен дополнительными магнитами, закрепленными на втулках, сидящих на валу ротора, магнитопроводами, размещенными на торцах крайних магнитов, чередующимися с магнитами электрическими блоками, закрепленными между собой и со статором, содержащими плату и радиатор, в пазах которого установлены секции катушек и датчики положения ротора, при этом магниты установлены с образованием тороидальных рабочих зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки, причем чередующиеся магнитные поля магнитов направлены навстречу друг другу, а выводы датчиков положения ротора и секции катушек в рядах электрических блоков соединены последовательно, или параллельно, или параллельно-последовательно и подключены через внешние стороны электрических блоков к блоку питания. The problem is solved in that the proposed magnetoelectric torque end motor, comprising a stator with a circuit board and connected in a quasi-ring coil section, a control unit composed of several branches for periodically connecting the sections to a power source, rotor position sensors, the terminals of which are connected to the control inputs of the block branches control, the rotor with a toroidal magnet with axial magnetization and alternating polarity, characterized in that the motor is equipped with additional magnets, fixed mounted on the bushings sitting on the rotor shaft, magnetic cores located on the ends of the extreme magnets, alternating with magnets electrical units fixed to each other and with a stator containing a circuit board and a radiator, in the grooves of which are mounted coil sections and rotor position sensors, while the magnets are installed with the formation of toroidal working gaps, in the space of which electric blocks are placed, and the alternating magnetic fields of the magnets are directed towards each other, and the conclusions of the rotor position sensors and sec ii coils in series electrical units connected in series or in parallel, or in series and parallel-connected through the outer side of electric power supply to the blocks.

Кроме того, двигатель отличается тем, что обмотки катушек выполнены из ленты, покрытой изоляцией, и изготовлены из электропроводного и магнитомягкого материала. In addition, the engine is characterized in that the windings of the coils are made of tape coated with insulation and are made of electrically conductive and soft magnetic material.

Конструкция и принцип работы двигателя поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 показан один из вариантов реализации ММТД, состоящий из трех тороидальных магнитов, установленных на втулках, закрепленных на валу ротора, с двумя электрическими блоками, закрепленными между собой и со статором;
- на фиг. 2 приведена схема электрическая, принципиальная ММТД с блоком управления, состоящим из силовых ключей, и блоком питания;
- на фиг. 3 - конструктивное исполнение электрического блока, содержащего печатную плату и радиатор, в пазах которого установлены ленточные катушки и датчики положения чередующегося поля ротора, например датчики Холла;
- на фиг. 4 - топология печатной платы, обеспечивающей электрическое соединение катушек в три секции и соединение датчиков положения ротора между собой и с другими блоками;
- на фиг. 5 - эпюры напряжений в электрических блоках в зависимости от положения секций катушек и чередующегося поля ротора.The design and principle of operation of the engine is illustrated by drawings, where:
- in FIG. 1 shows one of the embodiments of the MMTD, consisting of three toroidal magnets mounted on bushings mounted on the rotor shaft, with two electrical units fixed to each other and with a stator;
- in FIG. 2 shows the electric circuit diagram of the MMTD with a control unit consisting of power switches and a power supply;
- in FIG. 3 is a design of an electrical unit containing a printed circuit board and a radiator, in the grooves of which are mounted ribbon coils and position sensors of the alternating rotor field, for example, Hall sensors;
- in FIG. 4 - the topology of the printed circuit board, providing electrical connection of the coils in three sections and the connection of the rotor position sensors with each other and with other blocks;
- in FIG. 5 - voltage diagrams in electrical units depending on the position of the coil sections and the alternating rotor field.

Двигатель содержит три тороидальных магнита 1, закрепленных на втулках 2, сидящих на валу 3 ротора, два магнитопровода 4, размещенных на торцах крайних магнитов 1, чередующиеся с магнитами 1 два электрических блока 5, закрепленных между собой и со статором 6. Каждый электрический блок 5 содержит печатную плату 7, обеспечивающую электрическое соединение, и радиатор 8, в пазах которого установлены шесть катушек 9, соединенные в три секции, и три датчика положения 10 ротора. The engine contains three toroidal magnets 1, mounted on the sleeves 2, sitting on the rotor shaft 3, two magnetic cores 4, located on the ends of the extreme magnets 1, alternating with magnets 1 two electrical units 5, mounted between themselves and with a stator 6. Each electrical unit 5 contains a printed circuit board 7 that provides electrical connection, and a radiator 8, in the grooves of which are installed six coils 9 connected in three sections, and three rotor position sensors 10.

Секции катушек 9 сдвинуты в плоскости радиатора 8 и относительно друг друга на 60^o, а датчики положения 10 ротора на 120^o.Section coils 9 are shifted in the plane of the radiator 8 and relative to each other by 60 ^o , and the position sensors 10 of the rotor by 120 ^o .

Все магниты 1 установлены на втулках 2 с образованием двух тороидальных рабочих зазоров 11, в пространстве которых размещены электрические блоки 5, при этом, чередующиеся магнитные поля магнитов 1 (см. фиг. 5) направлены навстречу друг другу и замыкаются магнитопроводами 4, суммируются и взаимодействуют с электрическими полями секций катушек 9 электрических блоков 5. All magnets 1 are mounted on the sleeves 2 with the formation of two toroidal working gaps 11, in the space of which the electrical units 5 are placed, while the alternating magnetic fields of the magnets 1 (see Fig. 5) are directed towards each other and are closed by the magnetic circuits 4, summed and interact with electric fields of sections of coils 9 of electric blocks 5.

При выполнении катушек 9 из электропроводной, покрытой изоляцией ленты, изготовленной из магнитомягких материалов, например, из пермаллоя, магнитное сопротивление в зазоре уменьшается, а напряженность магнитного поля в нем увеличивается, соответственно, увеличивается мощность двигателя и мощность магнитной подушки. Это снижает нагрузку на подшипники вала двигателя. When the coils 9 are made of an electrically conductive, insulated tape made of soft magnetic materials, for example, permalloy, the magnetic resistance in the gap decreases, and the magnetic field strength increases in it, and accordingly, the engine power and the power of the magnetic cushion increase. This reduces the load on the motor shaft bearings.

Выводы датчиков положения 10 подключены к входам блока управления 12 и в процессе перемещения ротора формируют три группы сигналов управления тремя силовыми ключами 13, в коллекторные цепи которых подключены соответствующие секции катушек 9, другими концами соединенные с блоком питания 14. The findings of the position sensors 10 are connected to the inputs of the control unit 12 and during the movement of the rotor form three groups of control signals by three power switches 13, the collector circuits of which are connected to the corresponding sections of the coils 9, connected to the power supply unit 14 by other ends.

При этом варианте исполнения ММТД, секции катушек 9 в двух рядах электрических блоков 5 подключены параллельно к блоку питания 14. Возможно последовательное или последовательно-параллельное подключение секций катушек 9 к источнику питания и соответствующим силовым ключам 13. При этом получаем возможность регулировать и управлять параметрами двигателя. In this embodiment of MMTD, sections of coils 9 in two rows of electrical units 5 are connected in parallel to the power supply 14. It is possible serial or parallel-parallel connection of sections of coils 9 to a power source and the corresponding power switches 13. In this case, we get the opportunity to adjust and control the motor parameters .

Управление переключениями секций катушек 9 дает возможность изменять параметры ММТД: мощность, число оборотов и направление вращения двигателя. Switching control sections of the coils 9 makes it possible to change the parameters MMTD: power, speed and direction of rotation of the engine.

ММТД предлагаемого типа работает следующим образом. MMTD of the proposed type works as follows.

При подключении блока питания 14 ротор двигателя приходит во вращение, поскольку предлагаемое чередующееся расположение электрических блоков 5 в тороидальном магнитном поле с чередующейся полярностью вызывает срабатывание датчиков положения 10 ротора и, соответственно, происходит последовательное срабатывание силовых ключей 13, которые создают импульсные токи I₁, I₂, I₃ в подключенных обмотках секций катушек 9.When the power supply unit 14 is connected, the motor rotor comes into rotation, since the proposed alternating arrangement of the electric units 5 in a toroidal magnetic field with alternating polarity triggers the rotor position sensors 10 and, accordingly, the power switches 13 are sequentially activated, which generate pulsed currents I ₁ , I ₂ , I ₃ in the connected windings of the coil sections 9.

При этом возникает сила, действующая между секциями катушек 9 и магнитным полем тороидального рабочего зазора 11, в результате ротор двигателя приходит во вращение. When this occurs, the force acting between the sections of the coils 9 and the magnetic field of the toroidal working gap 11, as a result, the rotor of the engine comes into rotation.

Тороидальные магниты 1, установленные на втулках 2 с помощью магнитопроводов 4, обеспечивают формирование магнитной подушки в тороидальных рабочих зазорах 11, в которых размещены два электрических блока 5, взаимодействие полей катушек которых дает снижение нагрузок на подшипники вала двигателя (фиг. 5). Toroidal magnets 1 mounted on the bushings 2 using magnetic cores 4, provide the formation of a magnetic cushion in the toroidal working gaps 11, in which there are two electrical units 5, the interaction of the fields of the coils of which reduces the load on the bearings of the motor shaft (Fig. 5).

Потокосцепление магнитных полей магнитов 4 с электрическими полями секций катушек 9, при прохождении через них токов изменяется

в зависимости от положения ротора, определяющего возникновение в обмотках электродвижущей силы ψ₁, ψ₂, ψ₃. Это приводит к взаимодействию магнитоэлектрических сил в каждом тороидальном рабочем зазоре 11, обеспечивающих создание вращающего момента на роторе при автоматическом переключении обмоток катушек 9 с помощью датчиков положения 10 ротора двигателя.The flux linkage of the magnetic fields of the magnets 4 with the electric fields of the sections of the coils 9, when currents pass through them

depending on the position of the rotor, which determines the occurrence in the windings of an electromotive force ψ ₁ , ψ ₂ , ψ ₃ . This leads to the interaction of magnetoelectric forces in each toroidal working gap 11, providing the creation of torque on the rotor when automatically switching the windings of the coils 9 using the position sensors 10 of the motor rotor.

Суммирование в тороидальных рабочих зазорах 11 напряженности магнитных полей нескольких тороидальных магнитов 4 и электрических полей нескольких электрических блоков 5 позволяет получить высокую удельную мощность, а электромагнитная подушка, возникающая при этом между статором и ротором, значительно снижает нагрузки на подшипники вала, в целом это позволяет значительно увеличить надежность ММТД. The summation in the toroidal working gaps 11 of the magnetic field strengths of several toroidal magnets 4 and the electric fields of several electrical units 5 allows you to obtain high specific power, and the electromagnetic cushion that arises between the stator and the rotor, significantly reduces the load on the shaft bearings, in general this allows significantly increase the reliability of MMTD.

Изобретение дает возможность суммировать напряженности магнитных и электрических полей в тороидальных рабочих зазорах двигателя путем набора необходимого количества стандартных электрических блоков и тороидальных магнитов и таким образом создавать двигатели с необходимыми параметрами при высоком уровне унификации узлов и деталей. The invention makes it possible to summarize the strengths of magnetic and electric fields in the toroidal working gaps of the engine by recruiting the required number of standard electrical units and toroidal magnets and thus create motors with the necessary parameters with a high level of unification of units and parts.

Литература:
1. Авт. свид. СССР N 1775807, кл. H 02 К 23/54, Би 13, 91.Literature:
1. Auth. testimonial. USSR N 1775807, class H 02 K 23/54, Bi 13, 91.

2. Авт. свид. СССР N 1640797, кл. H 02 К 23/54, Би 42, 92. 2. Auth. testimonial. USSR N 1640797, class H 02 K 23/54, Bi 42, 92.

3. Патент России N 1813229, кл. H 02 К 29/06, Би 16, 93. 3. Patent of Russia N 1813229, cl. H 02 K 29/06, Bi 16, 93.

Claims

1. Magnetoelectric moment motor, comprising a stator with a circuit board and connected in a quasi-ring coil section, a control unit consisting of several branches for periodically connecting the sections to a power source, rotor position sensors, the terminals of which are connected to the control inputs of the control unit branches, the rotor with a toroidal magnet, with axial magnetization and alternating polarity, characterized in that the motor is equipped with additional magnets mounted on bushings sitting on the shaft of the mouth RA, by magnetic circuits located at the ends of the extreme magnets, alternating with magnets by electric blocks connected to each other and to a stator, containing a circuit board and a radiator, in the grooves of which are mounted coil sections and rotor position sensors, while the magnets are mounted with the formation of toroidal gaps, in space which are the electrical units, and the alternating magnetic fields of the magnets are directed towards each other, and the conclusions of the rotor position sensors and coil sections in the rows of electrical blocks are connected They are connected in series, or in parallel, or in series-in parallel and are connected through the external sides of the electrical units to the control unit and power supply.

2. The magnetoelectric torque end motor according to claim 1, characterized in that the coil windings are made of tape coated with insulation and are made of electrically conductive and soft magnetic material.