RU2727956C1

RU2727956C1 - Electric motor

Info

Publication number: RU2727956C1
Application number: RU2019117928A
Authority: RU
Inventors: Михаил Иванович Новиков; Иван Михайлович Новиков
Original assignee: Михаил Иванович Новиков; Иван Михайлович Новиков
Priority date: 2019-06-07
Filing date: 2019-06-07
Publication date: 2020-07-28

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering, in particular to electric machines of inductor-reactive type, used as electric drives. Electric motor includes k phase windings, at that number of teeth on stator Zc = 6k and on rotor Zp = 5k, where k = 1, 2, 3, 4, 5, 6… Widths of stator and rotary teeth are equal, ratio of widths of stator teeth and cavities between them is equal to 1:1, and ratio of widths of rotor teeth and recesses between them is equal to 3:4. At k = 2 and more windings can be connected to control unit in parallel, and their connection is possible from one control unit or from several separate synchronized control units. Said windings can be connected to the control unit in series. It is also possible to connect windings to the control unit by separate upper and lower level switches.

EFFECT: technical result is provision of simple, reliable and small electric motor.

4 cl, 8 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, в частности, к электрическим машинам индукторно-реактивного типа, используемых в качестве электроприводов.The proposed invention relates to the field of electrical engineering, in particular, to electric machines of the inductor-reactive type, used as electric drives.

Известен вентильно-индукторный реактивный двигатель, содержащий индуктор с шихтованным магнитопроводом с полюсными выступами, охваченными фазными катушками возбуждения с вентильными коммутаторами для поочередного подключения катушек фаз к источнику постоянного тока, и якорь, установленный с возможностью рабочего перемещения относительно индуктора и снабженный магнитопроводом с полюсными выступами, и в котором магнитопроводы индуктора и якоря выполнены в виде автономных С-образных сердечников с полюсными выступами, расположенных поперек направления относительно рабочего перемещения индуктора и якоря (см., например, патент RU 2159494 С1, опубл. 20.11.2000 г.).Known valve-inductor jet engine containing an inductor with a laminated magnetic circuit with pole protrusions covered by phase excitation coils with valve switches for alternately connecting the phase coils to a direct current source, and an armature mounted with the possibility of working movement relative to the inductor and equipped with a magnetic circuit with pole protrusions, and in which the magnetic cores of the inductor and the armature are made in the form of autonomous C-shaped cores with pole protrusions located across the direction relative to the working movement of the inductor and the armature (see, for example, patent RU 2159494 C1, publ. 20.11.2000).

Недостатками данного технического решения является довольно большая удельная масса, а также пониженный пусковой момент и сохраняющийся относительно высокий уровень пульсаций момента.The disadvantages of this technical solution are a rather large specific gravity, as well as a reduced starting torque and a relatively high level of torque ripple.

Известен трехфазный реактивный индукторный двигатель, содержащий зубчатый ротор без обмоток и статор с зубцами (полюсами) и размещенными на них обмотками, в котором добиваются пониженных пульсаций момента за счет выполнения зубцового слоя с разной шириной зубцов ротора и статора, с разными ширинами основания и коронки зубцов статора, взаимных скосов зубцов ротора и статора и выполнения числа зубцов на статоре - 12, а на роторе - 8 (см., например, патент RU 2153218 С1, опубл. 20.07.2000 г.).A three-phase reactive inductor motor is known, containing a toothed rotor without windings and a stator with teeth (poles) and windings placed on them, in which reduced torque pulsations are achieved due to the implementation of a toothed layer with different widths of the teeth of the rotor and stator, with different widths of the base and crown of the teeth stator, mutual bevels of the rotor and stator teeth and the number of teeth on the stator is 12, and on the rotor - 8 (see, for example, patent RU 2153218 C1, publ. 20.07.2000).

Недостатками данного технического решения является довольно сложная конструкция и, соответственно, сложность в изготовлении (взаимный скос зубцов ротора относительно зубцов статора и сложная конфигурация профиля зубцов статора).The disadvantages of this technical solution is a rather complex design and, accordingly, the complexity in manufacturing (mutual bevel of the rotor teeth relative to the stator teeth and the complex configuration of the stator teeth profile).

Известен вентильный индукторно-реактивный двигатель, содержащий безобмоточный ротор с зубцами и статор, зубцы (полюса) которого охвачены катушками и размещены так, что образована m-фазная система, при этом выполняют число зубцов на статоре Zc=k×2m (то есть кратным 2m), число зубцов ротора Zp=Zc=±k, где k=2, 3, 4 … и в зависимости от размещения катушек m-фазных обмоток определяется направление магнитодвижущих сил катушек (см., например, патент 2352048 С1, опубл. 10.04.2009 г.) - прототип.Known inductor-reluctance motor containing a winding rotor with teeth and a stator, the teeth (poles) of which are covered by coils and placed so that an m-phase system is formed, while performing the number of teeth on the stator Zc = k × 2m (that is, a multiple of 2m ), the number of rotor teeth Zp = Zc = ± k, where k = 2, 3, 4 ... and depending on the location of the coils of the m-phase windings, the direction of the magnetomotive forces of the coils is determined (see, for example, patent 2352048 C1, publ. 10.04. 2009) - prototype.

Недостатками этого технического решения является необходимость изменения настроек системы управления при изменении величины к и недостаточное снижение массо-габаритных показателей двигателя.The disadvantages of this technical solution are the need to change the settings of the control system when the value of k changes and an insufficient reduction in the mass and dimensions of the engine.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания простого, надежного и малогабаритного электродвигателя.The proposed invention solves the problem of creating a simple, reliable and small-sized electric motor.

Для достижения указанного технического результата предлагаемый электродвигатель, содержащий статор с охваченными фазными обмотками зубцами (полюсами), размещенный внутри статора или вокруг него безобмоточный ротор с зубцами (полюсами) и с датчиком положения ротора (или без него), корпус с крышками и блоки управления (один или несколько), согласно изобретению включает к фазных обмоток, при этом число зубцов на статоре Zc=6k и на роторе Zp=5k, где k=1,2,3,4,5,6…, причем ширины статорных и роторных зубцов равны, отношение ширин статорных зубцов и впадин между ними равно 1:1, а отношение ширин роторных зубцов и впадин между ними равно 3:4,To achieve the specified technical result, the proposed electric motor contains a stator with teeth (poles) covered by phase windings, a winding rotor with teeth (poles) placed inside or around the stator and with a rotor position sensor (or without it), a housing with covers and control units ( one or more), according to the invention includes k phase windings, while the number of teeth on the stator Zc = 6k and on the rotor Zp = 5k, where k = 1,2,3,4,5,6 ..., and the widths of the stator and rotor teeth are equal, the ratio of the widths of the stator teeth and the cavities between them is 1: 1, and the ratio of the widths of the rotor teeth and the cavities between them is 3: 4,

при этом возможно, что при k=2 и более обмотки подключены к блоку управления параллельно, причем возможно их подключение от одного блока управления или от нескольких отдельных, синхронизированных между собой, блоков управления,it is possible that for k = 2 or more the windings are connected to the control unit in parallel, and it is possible to connect them from one control unit or from several separate, synchronized with each other, control units,

возможно также, что при k=2 и более обмотки подключены к блоку управления последовательно,it is also possible that for k = 2 or more, the windings are connected in series to the control unit,

возможно также, что обмотки подключены к блоку управления посредством раздельных ключей верхнего и нижнего уровня.it is also possible that the windings are connected to the control unit by means of separate keys of the upper and lower level.

Отличительными признаками предлагаемого электродвигателя является то, что включает к фазных обмоток, при этом число зубцов на статоре Zc=6k и на роторе Zp=5k, где k=1,2,3,4,5,6…, причем ширины статорных и роторных зубцов равны, отношение ширин статорных зубцов и впадин между ними равно 1:1, а отношение ширин роторных зубцов и впадин между ними равно 3:4,Distinctive features of the proposed electric motor is that it includes k phase windings, while the number of teeth on the stator Zc = 6k and on the rotor Zp = 5k, where k = 1,2,3,4,5,6 ..., and the widths of the stator and rotor the teeth are equal, the ratio of the widths of the stator teeth and the cavities between them is 1: 1, and the ratio of the widths of the rotor teeth and the cavities between them is 3: 4,

при этом возможно, что при k=2 и более обмотки подключены к блоку управления параллельно, причем возможно их подключение от одного блока управления или от нескольких отдельных, синхронизированных между собой, блоков управления,возможно также, что обмотки подключены к блоку управления последовательно,it is possible that for k = 2 or more the windings are connected to the control unit in parallel, and it is possible to connect them from one control unit or from several separate, synchronized with each other, control units, it is also possible that the windings are connected to the control unit in series,

Предлагаемое изобретение можно проиллюстрировать с помощью чертежей и схем, на которых показаны:The proposed invention can be illustrated with the help of drawings and diagrams, which show:

- фиг. 1, 2 - вариант конструкции предлагаемого электродвигателя (продольный и поперечный разрезы).- fig. 1, 2 - a design variant of the proposed electric motor (longitudinal and transverse sections).

- фиг. 3 - выноска элемента «зубцового слоя» электродвигателя- fig. 3 - the leader of the "tooth layer" element of the electric motor

- фиг. 4 - вариант конструкции (другой) электродвигателя.- fig. 4 - a design option (other) of the electric motor.

- фиг. 5, 6, 7 - варианты схем подключения фазных обмоток.- fig. 5, 6, 7 - options for connecting phase windings.

- фиг. 8 - схема коммутатора с раздельными ключами верхнего и нижнего уровня.- fig. 8 is a diagram of a switch with separate upper and lower level keys.

В закрытом крышкой 1 корпусе 2 (см. фиг. 1, 2) размещен статор 3, на зубцах (полюсах) 4 которого размещены фазные обмотки 5. На установленном в подшипниках 6 вале 7 выполнен размещенный внутри статора 3 ротор 8 с зубцами 9 и датчиком положения 10, который укреплен на вале 7. Кабельный ввод 11 - для подвода кабеля питания (на фиг. 1, 2 не показан) к блоку управления 12. Кабельный ввод 13 - для подвода сигнального кабеля (на фиг. 1, 2 не показан) к блоку управления 12 и датчику положения 10. На выноске фиг. 3 представлен элемент «зубцового слоя» электродвигателя, в котором на статоре 3 выполнены зубцы 4 и впадины 14 между ними, а на роторе 8 зубцы 9 и впадины 15 между ними. Зубцы 4, 9 и впадины 14 равны по ширине, а впадины 15 на роторе 8 превышают ширину зубцов 9 ротора 8 на 1/3 от его ширины (соотношение ширин зубца 9 и впадины 15 ротора 8-3:4).A stator 3 is placed in a housing 2 closed by a cover 1 (see Fig. 1, 2), on the teeth (poles) 4 of which there are phase windings 5. On a shaft 7 installed in bearings 6, a rotor 8 with teeth 9 and a sensor is located inside the stator 3 position 10, which is fixed on the shaft 7. Cable gland 11 - for supplying the power cable (not shown in Figs. 1, 2) to the control unit 12. Cable gland 13 - for supplying the signal cable (not shown in Figs. 1, 2) to the control unit 12 and the position sensor 10. In the callout of FIG. 3 shows an element of the "toothed layer" of an electric motor, in which teeth 4 and depressions 14 between them are made on the stator 3, and teeth 9 and depressions 15 between them on the rotor 8. The teeth 4, 9 and depressions 14 are equal in width, and the depressions 15 on the rotor 8 exceed the width of the teeth 9 of the rotor 8 by 1/3 of its width (the ratio of the widths of the tooth 9 and the cavity 15 of the rotor is 8-3: 4).

Вариант конструкции со статором 16 внутри ротора 17 в поперечном разрезе представлен на фиг. 4.An embodiment with a stator 16 inside the rotor 17 in cross section is shown in FIG. 4.

В варианте конструкции с k=2 (см. фиг. 5) подключение фазных обмоток 5 осуществлено параллельно от одного коммутатора (в блоке управления 12), а в варианте, показанном на фиг. 6, при k=2 подключение фазных обмоток 5 осуществлено также параллельно от двух синхронизированных между собой коммутаторов 18. На фиг. 7 приведена схема подключения фазных обмоток 5 электродвигателя последовательно. Величина к определяет количество фазных обмоток, каждая из которых представляет собой трехфазную систему (см. фиг. 5-7).In the embodiment with k = 2 (see Fig. 5), the phase windings 5 are connected in parallel from one switch (in the control unit 12), and in the embodiment shown in Fig. 6, for k = 2, the phase windings 5 are also connected in parallel from two synchronized switches 18. In FIG. 7 shows a diagram of connecting the phase windings 5 of the electric motor in series. The value of k determines the number of phase windings, each of which is a three-phase system (see Fig. 5-7).

Работает предлагаемый электродвигатель следующим образом (см. фиг. 1…8).The proposed electric motor operates as follows (see Fig. 1 ... 8).

Подача силового электропитания к блоку управления 12 осуществляется через кабельный ввод 11. По сигналу управления (подаваемому по сигнальному кабелю через кабельный ввод 13) контур регулирования (размещенный в блоке управления 12) формирует сигнал задания по скорости вращения ротора 8 (установленного на вале 7, размещенном в подшипниках 6, укрепленных в корпусе 2, закрытом крышкой 1), который по взаимодействию с обратной связью (по сигналам датчика положения 10) по скорости вырабатывает сигнал задания по току в фазных обмотках 5. Контур регулирования тока в обмотках 5 формирует сигнал задания по формированию напряжения на фазных обмотках 5. Сигнал задания поступает на регулятор напряжения (размещенный в блоке управления 12), который формирует выходное силовое напряжение, поступающее на коммутатор 18. Коммутатор 18 формирует алгоритм коммутации фаз двигателя в соответствии с принципом управления (данный электродвигатель может работать в режиме шагового двигателя, бесколлекторного двигателя постоянного тока либо как асинхронный двигатель при управлении от частотно-токового преобразователя). Фазные катушки 5 статора 3, в соответствии с алгоритмом коммутации, создают вращающееся магнитное поле, которое приводит во вращение ротор 8 электродвигателя со скоростью, соответствующей скорости вращения магнитного поля. В зависимости от системы управления двигатель либо совершает заданное число оборотов по заданию (трехконтурное управление), либо поддерживает заданную частоту вращения (двухконтурное управление).The power supply to the control unit 12 is carried out through the cable entry 11. According to the control signal (supplied via the signal cable through the cable entry 13), the control loop (located in the control unit 12) generates a reference signal for the rotation speed of the rotor 8 (installed on the shaft 7 located in bearings 6, fixed in housing 2, closed with a lid 1), which, by interaction with feedback (according to the signals of the position sensor 10) in speed, generates a current reference signal in the phase windings 5. The current control loop in the windings 5 generates a formation reference signal voltage on the phase windings 5. The reference signal goes to the voltage regulator (located in the control unit 12), which forms the output power voltage supplied to the switch 18. The switch 18 forms the algorithm for switching the motor phases in accordance with the control principle (this electric motor can operate in the stepper motor, brushless motor dc motor or as an asynchronous motor when controlled from a frequency-current converter). The phase coils 5 of the stator 3, in accordance with the switching algorithm, create a rotating magnetic field, which drives the rotor 8 of the electric motor at a speed corresponding to the rotation speed of the magnetic field. Depending on the control system, the engine either rotates at the set speed on request (three-circuit control) or maintains the set speed (double-circuit control).

Благодаря выполнению зубцового слоя статора 3 и ротора 8 так, что ширины статорных 4 и роторных 9 зубцов равны, отношение ширин статорных зубцов 4 и впадин 14 между ними равно 1:1, а отношение ширин роторных зубцов 9 и впадин 15 между ними равно 3:4, и соответствующему соединению фазных катушек 5 между собой и подключению их к блоку управления 12 обеспечивается постоянство магнито-движущей силы, направленной в одну сторону в любых типах электродвигателей данной конструкции (при любых k) при оптимальном электрическом угле включения обмоток, обеспечиваемом блоком управления 12, однажды настроенным и не требующем перенастройки при изменении к.Due to the implementation of the toothed layer of the stator 3 and the rotor 8 so that the widths of the stator 4 and rotor 9 teeth are equal, the ratio of the widths of the stator teeth 4 and the cavities 14 between them is 1: 1, and the ratio of the widths of the rotor teeth 9 and the cavities 15 between them is 3: 4, and the corresponding connection of the phase coils 5 to each other and their connection to the control unit 12 ensures the constancy of the magnetic driving force directed in one direction in any types of electric motors of this design (for any k) at the optimal electric angle of switching on the windings provided by the control unit 12 once configured and does not require reconfiguration when changing to.

Коммутатор 18 с раздельными ключами (см. фиг. 8) представляет собой часть блока управления 12. Коммутатор с раздельными ключами позволяет избавиться от вентильного блока в управлении фазными обмотками, что повышает надежность и эффективность работы электродвигателя.The switch 18 with separate keys (see Fig. 8) is part of the control unit 12. The switch with separate keys allows you to get rid of the valve block in the control of the phase windings, which increases the reliability and efficiency of the electric motor.

При параллельном подключении фазных обмоток 5 повышается надежность электродвигателя, так как в этом случае выход из строя одной из фазных обмоток 5 не приводит к выходу из строя электродвигателя, а при подключении от нескольких синхронизированных коммутаторов происходит дополнительное резервирование двигателя за счет резервирования коммутаторов.When the phase windings 5 are connected in parallel, the reliability of the electric motor increases, since in this case the failure of one of the phase windings 5 does not lead to the failure of the electric motor, and when connected from several synchronized switches, additional redundancy of the engine occurs due to the redundancy of the switches.

При последовательном подключении фазных обмоток 5 повышается момент, развиваемый электродвигателем, при том же токе потребления, но при этом снижается надежность электродвигателя, так как выход из строя одной из фазных обмоток 5, приводит к выходу из строя электродвигателя.When the phase windings 5 are connected in series, the torque developed by the electric motor increases with the same consumption current, but at the same time the reliability of the electric motor decreases, since the failure of one of the phase windings 5 leads to failure of the electric motor.

Конструктивное исполнение статор 16 внутри ротора 17 (см. фиг. 4) позволяет использовать предлагаемый электродвигатель для мотор-колеса.The design of the stator 16 inside the rotor 17 (see Fig. 4) allows you to use the proposed electric motor for the motor-wheel.

Предлагаемый электродвигатель выполнен в металле (см. фиг. 1, 2) в габаритах 170×170×70 мм с k=3 и развивает пусковой момент (при параллельном подключении) примерно 20 Нм (при токе 20 А).The proposed electric motor is made in metal (see Fig. 1, 2) in dimensions of 170 × 170 × 70 mm with k = 3 and develops a starting torque (with parallel connection) of about 20 Nm (at a current of 20 A).

Claims

1. An electric motor containing a stator with teeth (poles) covered by phase windings, a winding rotor with teeth and with a rotor position sensor (or without it), a housing with covers and control units (one or more), located inside or around the stator, , which includes k phase windings, while the number of teeth on the stator Zc = 6k and on the rotor Zp = 5k, where k = 1, 2, 3, 4, 5, 6 ..., and the widths of the stator and rotor teeth are equal, the ratio of the widths of the stator the teeth and depressions between them is 1: 1, and the ratio of the widths of the rotor teeth and the depressions between them is 3: 4.

2. An electric motor according to claim 1, characterized in that for k = 2 or more, the windings are connected to the control unit in parallel, and it is possible to connect them from one control unit or from several separate, synchronized control units.

3. The electric motor according to claim 1, characterized in that when k = 2 or more, the windings are connected to the control unit in series.

4. The electric motor according to claim 1, characterized in that the windings are connected to the control unit by means of separate keys of the upper and lower levels.