RU2671230C1 - Brushless dc motor - Google Patents
Brushless dc motor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2671230C1 RU2671230C1 RU2018103001A RU2018103001A RU2671230C1 RU 2671230 C1 RU2671230 C1 RU 2671230C1 RU 2018103001 A RU2018103001 A RU 2018103001A RU 2018103001 A RU2018103001 A RU 2018103001A RU 2671230 C1 RU2671230 C1 RU 2671230C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- axis
- rotation
- sleeve
- engine
- bearing
- Prior art date
Links
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 34
- 229910001172 neodymium magnet Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 241000555745 Sciuridae Species 0.000 claims abstract description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 abstract description 9
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 16
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 5
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 4
- 101150038956 cup-4 gene Proteins 0.000 description 3
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K31/00—Acyclic motors or generators, i.e. DC machines having drum or disc armatures with continuous current collectors
- H02K31/02—Acyclic motors or generators, i.e. DC machines having drum or disc armatures with continuous current collectors with solid-contact collectors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Dc Machiner (AREA)
Abstract
Description
Известные двигатели постоянного тока, содержащие ротор с коллектором и щеткодержателями, а также статор, обладают способностью изменять скорость вращения ротора в широких пределах при изменении питающего напряжения, что относится к преимуществам таких двигателей, но при этом имеют существенный недостаток, связанный с низкой надежностью работы коллектора, вызывающий искрение в щеткодержателях. Кроме того, наличие переходных процессов тока в обмотках ротора не позволяет оптимизировать быстроходность вращения ротора.Known DC motors containing a rotor with a collector and brush holders, as well as a stator, have the ability to vary the rotor speed over a wide range when the supply voltage changes, which is an advantage of such motors, but at the same time they have a significant disadvantage associated with the low reliability of the collector causing sparking in brush holders. In addition, the presence of current transients in the rotor windings does not allow optimizing the speed of rotation of the rotor.
Указанные недостатки устранены в заявляемом техническом решении.These shortcomings are eliminated in the claimed technical solution.
Целями изобретения являются значительное упрощение конструкции и увеличение надежности и долговечности ее работы без коллектора, а также возможность существенного повышения скорости вращения ротора двигателя.The objectives of the invention are to significantly simplify the design and increase the reliability and durability of its work without a collector, as well as the possibility of a significant increase in the speed of rotation of the rotor of the engine.
Указанные цели достигаются в заявляемом бесколлекторном двигателе постоянного тока, содержащем вращающийся ротор с рабочей обмоткой и неподвижный статор, отличающимся тем, что рабочая обмотка ротора выполнена на цилиндрическом стакане с осью вращения, выполненном из немагнитного материала, в форме «беличьего колеса», то есть намотанная виток к витку по наружной части цилиндрического стакана, внутри которого размещен неподвижно плоский, неодимовый магнит со скругленными магнитными полюсами, образующий с магнитопроводящим цилиндрическим статором оппозитно расположенную пару магнитных зазоров, внутри которых находится цилиндрический стакан с его рабочей обмоткой, концы которой соединены с насаженными на оси его вращения токосъемными кольцами, с которыми контактируют подпружиненные щетки, установленные в закрепленном на токосъемной крышке двигателя щеткодержателе, при этом цилиндрический стакан снабжен закрепленной на нем крышкой из немагнитного материала с укороченной втулкой вращения, связанной через подшипник с втулкой на боковой крышке двигателя, а также через другой подшипник с осью жесткого крепления неодимового магнита на боковой крышке двигателя контргайкой на концевой части этой оси с резьбой, другая укороченная ось жесткого крепления неодимового магнита через подшипник связана с втулкой, выполненной на днище цилиндрического стакана и переходящей в ось вращения ротора двигателя, которая также через подшипник связана с втулкой на токосъемной крышке двигателя.These goals are achieved in the inventive brushless DC motor containing a rotating rotor with a working winding and a fixed stator, characterized in that the working winding of the rotor is made on a cylindrical cup with a rotation axis made of non-magnetic material, in the form of a "squirrel-wheel", that is, wound coil to coil on the outer part of the cylindrical glass, inside which is placed a stationary flat, neodymium magnet with rounded magnetic poles, forming with a magnetically conducting cylinder a stator with an opposite pair of magnetic gaps, inside of which there is a cylindrical cup with its working winding, the ends of which are connected to slip rings mounted on the axis of its rotation, which are contacted by spring-loaded brushes installed in a brush holder mounted on the motor cover of the motor, while the cylindrical cup is equipped with a cap of non-magnetic material fixed to it with a shortened sleeve of rotation, connected through a bearing with a sleeve on the side cover of the engine, as well as without another bearing with the axis of the rigid fastening of the neodymium magnet on the side cover of the engine with a lock nut on the end of this axis with a thread, the other shortened axis of the hard fastening of the neodymium magnet through the bearing is connected with a sleeve made on the bottom of the cylindrical cup and turning into the axis of rotation of the motor rotor, which also through a bearing connected to a sleeve on the slip ring of the engine.
Достижение поставленных целей изобретения объясняется исключением из конструкции двигателя коллектора - основной ненадежной его детали, его заменой на пару скользящих контактов, а повышение скорости вращения ротора объясняется отсутствием переходных процессов, характерных для коллекторных двигателей, При этом в рабочей обмотке протекает ток непрерывно во времени при заданном напряжении питания и заданной нагрузке (без переходных процессов), что позволяет существенно увеличить скорость вращения ротора до квазигироскопических скоростей (а заодно и мощность и КПД двигателя) повышением питающего напряжения.The achievement of the objectives of the invention is explained by the exclusion from the design of the collector engine - its main unreliable part, its replacement by a pair of sliding contacts, and the increase in rotor speed is explained by the absence of transient processes characteristic of collector motors. In this case, current flows continuously in the working winding at a given supply voltage and specified load (without transients), which can significantly increase the rotor speed to quasi-hygroscopic soon Tay (as well as engine power and efficiency) increase the supply voltage.
На рис. 1-3 приведены различные сечения конструкции заявляемого двигателя.In fig. 1-3 shows various sections of the design of the inventive engine.
На рис. 1 дан боковой разрез двигателя, включающего следующие элементы и узлы:In fig. 1 shows a side section of the engine, including the following elements and assemblies:
1 - плоский неодимовый магнит со скругленными магнитными полюсами,1 - flat neodymium magnet with rounded magnetic poles,
2 - магнитопроводящий цилиндрический статор,2 - magnetic conductive cylindrical stator,
3 - рабочую обмотку статора в форме «беличьего колеса»,3 - working stator winding in the form of a "squirrel wheel",
4 - цилиндрический стакан с осью вращения из немагнитного электропроводящего материала, например, Д-16,4 - a cylindrical glass with an axis of rotation of a non-magnetic electrically conductive material, for example, D-16,
5 - крышку цилиндрического сткана с укороченной втулкой вращения из немагнитного материала,5 - the cover of a cylindrical machine with a shortened sleeve of rotation of non-magnetic material,
6 - токосъемную крышку двигателя,6 - slip cover of the engine,
7 - боковую крышку двигателя с неподвижной втулкой, обращенной во внутрь двигателя,7 - the side cover of the engine with a fixed sleeve facing the inside of the engine,
8 - контргайку жесткого крепления оси неодимого магнита 1; на этой оси имеется резьба,8 - a lock nut of rigid fastening of an axis of a
9 - щеткодержатель с парой подпружиненных к кольцевым контактам 10 и 11 щеток,9 - brush holder with a pair of brushes spring-loaded to the
10 - изолированный от оси вращения ротора кольцевой (например, медный) контакт, подключенный с началом рабочей обмотки ротора,10 - insulated from the axis of rotation of the rotor of the ring (for example, copper) contact connected with the beginning of the working winding of the rotor,
11 - касающийся оси вращения ротора кольцевой (например, медный) контакт,11 - touching the axis of rotation of the rotor annular (for example, copper) contact,
12 - электроды подключения двигателя к источнику питания,12 - electrodes connecting the engine to a power source,
13 - электрически закрепленный на цилиндрическом стакане 4 конец рабочей обмотки 3,13 - electrically fixed on a
14 - один их четырех подшипников двигателя.14 - one of the four engine bearings.
На рис. 2 показана часть фронтального разреза двигателя со следующими размерами: R - радиус рабочей обмотки 3, rП - радиус скруглений магнитных полюсов N и S плоского неодимового магнита 1 с осями его неподвижного крепления, Н - ширина магнита 1 при заданной его длине L (не указана на рис. 1), Δ - магнитные зазоры между магнитными полюсами магнита 1 и цилиндрического магнитопровода статора 2, внутри которых располагается цилиндрический стакан 4 с рабочей обмоткой 3 ротора с воздушными зазорами от магнитных полюсов и цилиндрического статора (неподвижных частей двигателя).In fig. Figure 2 shows a part of the frontal section of the motor with the following dimensions: R is the radius of the working
На рис. 3 показана выборочно организация намотки проводника рабочей обмотки 3 в форме «беличьего колеса» на поверхности цилиндрического стакана в сборе с неодимовым магнитом 1 и крышкой 5 с ее втулкой. Так, начальный первый проводник огибает втулку крышки 5 и далее идет по сплошной стрелке на противоположный конец этой крышки, занимая положение n/2, где n - число витков в рабочей обмотке 3. Затем показано направление шестого проводника, огибающего втулку крышки 5 и занимающего место (n/2)+5 на противоположном конце стакана 4. Наконец, одиннадцатый поводник, огибая втулку крышки 5, идет далее по прерывистой стрелке на место за номером (n/2)++10, и т.д. Таким способом осуществляется намотка n витков рабочей обмотки 3. Все проводники рабочей обмотки 3 также огибают втулку на днище цилиндрического стакана.In fig. Figure 3 shows the selective organization of the winding of the conductor of the working winding 3 in the form of a "squirrel wheel" on the surface of a cylindrical glass assembly with a
Рассмотрим работу заявляемого двигателя.Consider the operation of the inventive engine.
Как видно на рис. 2, в двух магнитных зазорах шириной Δ каждый располагается по р частей витков рабочей обмотки 3, общее число которых равно n=2πR/d, где d - диаметр проводника рабочей обмотки при ее плотной намотке виток к витку. При известных значениях ширины Н неодимового магнита 1 и радиусе закругления rП его магнитных полюсов легко вычисляется угол взаимодействия магнитного поля с р отрезками витков рабочей обмотки 3, то есть с прямыми проводниками длиной L, Этот радиальный угол α вычисляется по следующей формуле:As seen in fig. 2, in two magnetic gaps of width Δ each is located on p parts of the turns of the working winding 3, the total number of which is n = 2πR / d, where d is the diameter of the conductor of the working winding when it is tightly wound round to round. With known values of the width H of the
Длина дуги на рабочей обмотке 3, охватываемая магнитным полем с индукцией В, легко вычисляется из выражения:Arc length on the working
и на этой длине дуги размещается р отрезков проводника длиной L каждый, где Тогда полная длина проводника рабочей обмотки 3 в любой момент времени при вращении ротора, охваченного магнитным полем с магнитной индукцией В в двух магнитных зазорах, равна L∑ согласно выражениям (1) и (2):and on this length of the arc there are p pieces of conductor of length L each, where Then the full length of the conductor of the working winding 3 at any time during the rotation of the rotor covered by a magnetic field with magnetic induction B in two magnetic gaps is equal to L ∑ according to expressions (1) and (2):
Согласно закону об электромагнитной индукции (правило левой руки) в скрещенном к магнитному полю с индукцией В прямом проводнике длиной L∑ с протекающем по нему током J возникает поперечная к проводнику сила Лоренца F, значение которой находится по формуле:According to the law on electromagnetic induction (the rule of the left hand) in a magnetic field crossed with induction In a direct conductor of length L ∑ with current J flowing through it, a Lorentz force F transverse to the conductor appears, the value of which is found by the formula:
Рассмотрим пример одной из возможных реализаций двигателя.Consider an example of one of the possible implementations of the engine.
Пусть L=0,1 м, Н=2rП/3, d=2 мм, R=0.06 м, В=1.3 Тл и J=30 А, Тогда имеем для α=arctg{1/[4rП 2/Н2+1]1/2}=arctg 0.3162=0,30625 рад. При этом р=Rα//d=2*60*0,30625/2≈18, следовательно, L∑=2pL=3,6 м. Тогда легко находим полную касательную Лоренцеву силу, действующую в любой момент времени на рабочую обмотку 3, равную F=BL∑J=1,3*3,6*30=140,4 ньютон. При R=0,06 м вращательный момент W=FR=140,4*0,06=8,414 Дж. При скорости вращения выходной оси ротора f=50 об/сек, то есть при ω=314 рад/сек получаем механическую мощность двигателя РМ=8.414*314=2644 Вт. При этом плотность тока в медном проводнике выбирается порядка 10 А/мм2, что допустимо. Магнитные зазоры Δ можно вырать равными 8 мм, так что между полюсами магнита 1 и внутренней стенкой цилиндрического стакана 4, а также между наружной кромкой проводника рабочей обмотки 3 и магнитопроводящим цилиндром 2 статора образуются воздушные зазоры по 2 мм, и при этом толщина стенки цилиндрического стакана 4 составляет также 2 мм.Let L = 0.1 m, H = 2r P / 3, d = 2 mm, R = 0.06 m, B = 1.3 T and J = 30 A, then for α = arctg {1 / [4r P 2 / N 2 +1] 1/2 } = arctg 0.3162 = 0.30625 rad. Moreover, p = Rα // d = 2 * 60 * 0.30625 / 2≈18, therefore, L ∑ = 2pL = 3.6 m. Then it is easy to find the full tangent Lorentz force acting at any time on the working winding 3 equal to F = BL ∑ J = 1.3 * 3.6 * 30 = 140.4 Newton. At R = 0.06 m, the rotational moment is W = FR = 140.4 * 0.06 = 8.414 J. At a speed of rotation of the output axis of the rotor f = 50 r / s, that is, at ω = 314 rad / s we obtain the mechanical power of the engine P M = 8.414 * 314 = 2644 W. In this case, the current density in the copper conductor is selected on the order of 10 A / mm 2 , which is permissible. The magnetic gaps Δ can be selected equal to 8 mm, so that between the poles of the
При вращении ротора в его рабочей обмотке возникает э,д,с. индукции с обратным знаком полярности по сравнению с полярностью питающего напряжения U источника постоянного тока. Величину возникающей э.д.с. Е находят из известного соотношения:When the rotor rotates in its working winding occurs e, d, s. reverse polarity induction compared to the polarity of the supply voltage U of the DC source. The magnitude of the emerging emf E is found from a known ratio:
При подстановке в (5) указанных выше величин, имеем Е=-1,3*3,6*314*0,06=-88,16 В. То есть напряжение питания U при этом должно несколько превышать по модулю величину Е. Это превышение ΔU=ρJ, где ρ - активное сопротивление всей рабочей обмотки 3 с ее выводами, которое определяется для медного проводника как ρ=0,017 Ом.м/мм2×(полную длину обмотки с выводами в метрах)/(сечение медного проводника в кв.мм.). Полное число витков рабочей обмотки n=2πR/d=6,28*60/2=188 витков. Длина одного витка равна 2(101+37)=276 мм, а полная длина рабочей обмотки 3 равна 0,276*188=52 м С учетом выводов принимаем длину проводника равной 52,2 м. Тогда сопротивление в цепи ротора будет равно 0.017*52,2//3,14=0,283 Ом. При токе J=30 А получаем ΔU=8,48 В. Следовательно, напряжение источника питания на выходных клеммах 12 двигателя должно быть равно U=ΔU+|Е|=8,48+88,16=96,64 В. При этом потребляемая мощность PO составляет PO=96,64*30=2899 Вт. Тогда КПД двигателя в таком режиме равен η=2544/2899=0,877.Substituting the above values into (5), we have E = -1.3 * 3.6 * 314 * 0.06 = -88.16 V. That is, the supply voltage U should slightly exceed the value of E. excess ΔU = ρJ, where ρ is the active resistance of the entire working winding 3 with its terminals, which is determined for the copper conductor as ρ = 0.017 Ohm.m / mm 2 × (the total length of the winding with the terminals in meters) / (section of the copper conductor in square .mm.). The total number of turns of the working winding is n = 2πR / d = 6.28 * 60/2 = 188 turns. The length of one turn is 2 (101 + 37) = 276 mm, and the total length of the working
Отметим, что с увеличением питающего напряжения U будет расти мощность и КПД такого двигателя, поскольку ΔU=const(ω), что весьма существенно отличает его от коллекторных двигателей постоянного тока. Поэтому предлагаемый двигатель может найти широкое распространение в технике.Note that with an increase in the supply voltage U, the power and efficiency of such an engine will increase, since ΔU = const (ω), which quite significantly distinguishes it from DC collector motors. Therefore, the proposed engine can be widely used in engineering.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018103001A RU2671230C1 (en) | 2018-01-10 | 2018-01-10 | Brushless dc motor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018103001A RU2671230C1 (en) | 2018-01-10 | 2018-01-10 | Brushless dc motor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2671230C1 true RU2671230C1 (en) | 2018-10-30 |
Family
ID=64103449
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018103001A RU2671230C1 (en) | 2018-01-10 | 2018-01-10 | Brushless dc motor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2671230C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2223628A (en) * | 1988-10-10 | 1990-04-11 | John Michael Gale | Concentric pole homopolar d.c electric motor |
RU2391761C1 (en) * | 2008-10-28 | 2010-06-10 | Олег Фёдорович Меньших | Commutator-free dc motor |
RU2012101157A (en) * | 2012-01-11 | 2013-07-20 | Олег Федорович Меньших | DC MOTOR |
RU2533886C1 (en) * | 2013-05-27 | 2014-11-27 | Олег Фёдорович Меньших | Brushless direct current motor |
RU2015120400A (en) * | 2015-05-28 | 2016-12-20 | Олег Фёдорович Меньших | Brushless DC Motor |
-
2018
- 2018-01-10 RU RU2018103001A patent/RU2671230C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2223628A (en) * | 1988-10-10 | 1990-04-11 | John Michael Gale | Concentric pole homopolar d.c electric motor |
RU2391761C1 (en) * | 2008-10-28 | 2010-06-10 | Олег Фёдорович Меньших | Commutator-free dc motor |
RU2012101157A (en) * | 2012-01-11 | 2013-07-20 | Олег Федорович Меньших | DC MOTOR |
RU2533886C1 (en) * | 2013-05-27 | 2014-11-27 | Олег Фёдорович Меньших | Brushless direct current motor |
RU2015120400A (en) * | 2015-05-28 | 2016-12-20 | Олег Фёдорович Меньших | Brushless DC Motor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5696419A (en) | High-efficiency electric power generator | |
US3842300A (en) | Laminated rotor structure for a dynamoelectric machine | |
KR880006820A (en) | DC motor with permanent magnet field stimulation | |
KR20120118756A (en) | Brushless direct current motor | |
JP6009140B2 (en) | DC motor | |
KR102081454B1 (en) | DC generator utilizing of a multi-circuit brush | |
US6153959A (en) | Axle-less electromagnetic rotating assembly | |
US20140252900A1 (en) | DC Homopolar Generator with Drum Wound Air Coil Cage and Radial Flux Focusing | |
US5742111A (en) | D.C. electric motor | |
US7362026B2 (en) | Homopolar multi-frames (cylinders) generator-motor | |
US20100295397A1 (en) | Electromechanical Machine | |
KR102081455B1 (en) | DC generator utilizing of a multi-circuit brush | |
RU2671230C1 (en) | Brushless dc motor | |
JP2007006633A (en) | Motor and fuel pump using same | |
US4136294A (en) | Direct-current micromotor | |
JPS61173658A (en) | Dc rotary motor | |
CN107681842B (en) | Brush DC motor | |
US9142930B2 (en) | Electric motor with spark suppression circuit | |
EP4030598A1 (en) | Electric motor and electrical equipment | |
CN102738998A (en) | Brush DC motor | |
KR20160008070A (en) | Rectifying bearing and direct current motor using the same | |
JP5491588B2 (en) | Motor with brush | |
US3275861A (en) | Electric motor with arcuate pole pieces | |
US3184628A (en) | Variable reluctance generator having a rotor winding | |
EP0226356A1 (en) | Electric motor with ironless armature |