RU2821426C1

RU2821426C1 - Brushless dc electric motor

Info

Publication number: RU2821426C1
Application number: RU2024100650A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Сизов; Александр Вадимович Морозов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Новый цикл"
Filing date: 2024-01-12
Publication date: 2024-06-24

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering, in particular to brushless DC electric machines converting input DC energy into output mechanical energy of shaft rotation. Brushless DC electric motor comprises toroidal stator with toroidal housing and winding and comprises rotor with permanent magnets installed inside stator housing. Rotor is made in the form of a ring consisting of two semi-ring permanent magnets, on the inner side of the rotor ring there is a rotor gear, on the inner side of the stator housing, which faces the axis of the torus, there are cutouts uniformly located along its inner perimeter. On the outer side of the stator housing, in sections located opposite the cutouts of the inner side, the stator winding is located linearly, in sections between the cutouts the winding is located spirally around the surface of the torus. In places of cuts of the stator housing the rotor gear engages with transmission gears interacting with the central gear of the engine shaft.

EFFECT: wider range of equipment due to creation of a brushless DC electric motor, which provides high power per unit weight, high speed of shaft rotation and reliability of its operation.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к бесколлекторным электрическим машинам постоянного тока, преобразующим входную энергию постоянного тока в выходную механическую энергию вращения вала. Может быть использовано в качестве электродвигателя. При необходимости может быть использовано в качестве роторного электрического генератора постоянного тока, использующего постоянное магнитное поле. Применимо в силовых электроприводах, в электрических системах автомобилей, в электроприводах механизмов поворота частей тяжелой строительной и военной техники.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to brushless DC electric machines that convert DC input energy into output mechanical energy of shaft rotation. Can be used as an electric motor. If necessary, it can be used as a rotary DC electric generator using a constant magnetic field. Applicable in electric power drives, in electrical systems of automobiles, in electric drives of turning mechanisms of parts of heavy construction and military equipment.

Известен бесколлекторный двигатель постоянного тока по патенту России на изобретение RU2091969, Н02К 29/00, 1997, содержащий статор, на зубцах которого намотана m-фазная обмотка, и многополюсный ротор на постоянных магнитах. На каждом зубце статора намотано по одной катушке, фазы между собой разнесены на 120º. Каждая из фаз состоит из двух равных катушечных групп, в каждую из которых входят три соседних зубца, на которых находятся обмотки одной фазы. Направление намотки внутри катушечных групп чередуются. Недостатком являются значительные потери мощности вследствие наличия зазоров между магнитами ротора, наличия зазоров между статором и ротором, большой массы вращающегося многополюсного ротора. A brushless DC motor is known according to Russian patent for invention RU2091969, N02K 29/00, 1997, containing a stator on the teeth of which an m-phase winding is wound, and a multi-pole rotor with permanent magnets. One coil is wound on each stator tooth, the phases are separated by 120º. Each phase consists of two equal coil groups, each of which includes three adjacent teeth on which the windings of one phase are located. The winding direction within the coil groups alternates. The disadvantage is significant power losses due to the presence of gaps between the rotor magnets, the presence of gaps between the stator and the rotor, and the large mass of the rotating multi-pole rotor.

Известен бесколлекторный двигатель постоянного тока по патенту России на изобретение RU2391761, Н02К 31/00, 2010. Двигатель содержит ротор и статор, выполненный в виде цилиндрического магнитопровода, внутри которого размещены две секции из нескольких кольцевых магнитопроводов. В первой секции закреплен первый, а во второй секции - второй ребристо-цилиндрические электропроводники, выполненные из медной фольги. Внутренние концы первого и второго ребристо-цилиндрических магнитопроводников электрически соединены с внутренними медными кольцевыми электродами, а их внешние концы - с внешними медными кольцевыми электродами. Ротор выполнен в виде ребристо-цилиндрического электромагнита, кольцевые ребра которого входят в пазы первого и второго электропроводников. В средней части ротора размещена катушка подмагничивания, один конец которой соединен с электродом первого электропроводника, а второй присоединен к внешнему электроду второго электропроводника. Недостатком является невысокая эффективность работы двигателя, небольшое значение мощности, приходящейся на единицу массы этого двигателя.A brushless DC motor is known according to Russian patent for invention RU2391761, N02K 31/00, 2010. The motor contains a rotor and a stator made in the form of a cylindrical magnetic circuit, inside of which two sections of several ring magnetic circuits are placed. In the first section the first, and in the second section - the second, ribbed-cylindrical electrical conductors made of copper foil are fixed. The inner ends of the first and second fin-cylindrical magnetic conductors are electrically connected to the inner copper ring electrodes, and their outer ends are electrically connected to the outer copper ring electrodes. The rotor is made in the form of a ribbed-cylindrical electromagnet, the annular ribs of which fit into the grooves of the first and second electrical conductors. In the middle part of the rotor there is a bias coil, one end of which is connected to the electrode of the first electrical conductor, and the second is connected to the external electrode of the second electrical conductor. The disadvantage is the low efficiency of the engine, the small amount of power per unit weight of this engine.

В качестве ближайщего аналога заявляемому техническому решению выбран бесколлекторный роторный электрический двигатель по патенту России RU2528983, Н02К 31/00, 2014. Двигатель содержит статор с обмоткой и ротор, вращающийся на подшипниках. Статор выполнен в виде тороида с внешней намоткой катушки. Ротор, вращающийся внутри статора на подшипниках, имеет постоянные магниты в виде цилиндров, расположенных по касательным к ротору. Недостатком является конструкция тороидального статора, не позволяющая использовать многовитковую обмотку. Это обуславливает низкую мощность данного двигателя, и низкую скорость вращения вала. Объясняется это тем, что в одновитковой обмотке не возможно создать достаточное напряжение, а использовать для получения высокой мощности источник постоянного тока, обеспечивающий высокую силу тока, проблематично из-за размеров и конструкции такого источника.A brushless rotary electric motor according to Russian patent RU2528983, Н02К 31/00, 2014 was selected as the closest analogue to the claimed technical solution. The motor contains a stator with a winding and a rotor rotating on bearings. The stator is made in the form of a toroid with an external coil winding. The rotor, rotating inside the stator on bearings, has permanent magnets in the form of cylinders located tangential to the rotor. The disadvantage is the design of the toroidal stator, which does not allow the use of a multi-turn winding. This causes low power of this engine and low shaft rotation speed. This is explained by the fact that it is not possible to create sufficient voltage in a single-turn winding, and using a direct current source that provides high current to obtain high power is problematic due to the size and design of such a source.

Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение арсенала средств, относящихся к бесколлекторным электродвигателям постоянного тока. The technical result of the claimed invention is to expand the arsenal of tools related to brushless DC electric motors.

Техническим результатом заявляемого изобретения является реализация данного назначения за счет создания бесколлекторного электродвигателя постоянного тока, обеспечивающего высокую мощность на единицу массы, высокий крутящий момент, высокую скорость вращения вала, надежность работы двигателя.The technical result of the claimed invention is the implementation of this purpose by creating a brushless DC electric motor that provides high power per unit mass, high torque, high shaft rotation speed, and reliable engine operation.

Указанный технический результат достигается тем, что в бесколлекторном электрическом двигателе постоянного тока, содержащем тороидальный статор с корпусом в виде тора и обмоткой, и содержащем ротор с постоянными магнитами, установленный внутри корпуса статора, согласно изобретению, ротор выполнен в виде кольца, состоящего из двух полукольцевых постоянных магнитов, на внутренней стороне кольца ротора закреплена роторная шестерня, на внутренней стороне корпуса статора, обращенной к оси тора, выполнены вырезы, равномерно расположенные вдоль его внутреннего периметра, на внешней стороне корпуса статора на участках, расположенных напротив вырезов внутренней стороны, обмотка статора расположена линейно, на участках между вырезами обмотка расположена спирально вокруг поверхности тора, в местах вырезов корпуса статора роторная шестерня входит в зацепление с передаточными шестернями, взаимодействующими, с центральной шестерней вала двигателя.This technical result is achieved by the fact that in a brushless DC electric motor containing a toroidal stator with a torus-shaped housing and a winding, and containing a rotor with permanent magnets installed inside the stator housing, according to the invention, the rotor is made in the form of a ring consisting of two semi-ring permanent magnets, a rotor gear is fixed on the inner side of the rotor ring, cutouts are made on the inner side of the stator housing facing the torus axis, evenly spaced along its inner perimeter, on the outer side of the stator housing in areas located opposite the cutouts on the inner side, the stator winding is located linearly, in the areas between the cutouts, the winding is arranged spirally around the surface of the torus; in the areas of the stator housing cutouts, the rotor gear meshes with the transmission gears interacting with the central gear of the motor shaft.

Технический результат, выражающийся в создании бесколлекторного электродвигателя постоянного тока, обеспечивающего высокую мощность на единицу массы и высокий крутящий момент обеспечивается за счет снижения энергетических потерь при работе двигателя. Выполнение ротора в виде цельного кольца из соединенных постоянных магнитов позволяет снизить потери энергии электродвигателя. Соединение полуколец ротора без образования воздушного зазора между полюсами постоянных магнитов позволяет исключить потери электромагнитного поля при вращении ротора. Закрепление на внутренней стороне кольцевого ротора роторной шестерни, взаимодействующей через передаточные шестерни с центральной шестерней вала двигателя, позволяет снизить механические потери при передаче вращения. Выполнение в тороидальном корпусе статора вырезов, расположенных на его внутреннем диаметре, и установка напротив этих вырезов передаточных шестерен, равномерно расположенных вдоль внутреннего периметра статора, позволяет осуществить зацепление передаточных шестерен с роторной шестерней. Использование кольцевого ротора с роторной шестерней позволяет увеличить мощность двигателя на единицу массы за счет отсутствия потерь на вращение тяжелого многополюсного ротора, увеличить скорость вращения ротора, а применение зубчатых шестерен с оптимально рассчитанным передаточным отношением позволяет обеспечить необходимую скорость вращения вала электродвигателя. Выполнение обмотки статора спиральной, с расположением витков вокруг поверхности тора корпуса на большей части его длины, и расположение обмотки линейно, вдоль образующей тора на участках верхней поверхности корпуса статора, лежащих напротив вырезов, позволяет выполнить обмотку статора многовитковой, что повышает мощность двигателя по сравнению с аналогом. При этом увеличение мощности происходит за счет подачи напряжения, соответствующего многовитковой спиральной обмотке, выполненной из определенного материала. Обход вырезанных участков корпуса статора за счет линейного протягивания обмотки по верхней наружной поверхности большего диаметра тора позволяет применить спиральную обмотку и не нарушить ее целостность при вращении ротора и при передаче вращения с ротора на вал двигателя, что повышает надежность работы двигателя. В отличие от аналога, где из-за угрозы повреждения целостности обмотки при вращении ротора внутри торообразного статора возможно применение только одновитковой обмотки, в заявляемом решении расположение обмотки не препятствует вращению кольцевого ротора внутри тороидального статора. Таким образом, за счет конструктивных особенностей выполнения статора повышается мощность электродвигателя, выходная скорость вращения вала, надежность его работы. The technical result, expressed in the creation of a brushless DC electric motor, providing high power per unit mass and high torque is ensured by reducing energy losses during engine operation. Making the rotor in the form of a solid ring of connected permanent magnets makes it possible to reduce energy losses of the electric motor. The connection of the rotor half-rings without forming an air gap between the poles of the permanent magnets eliminates the loss of the electromagnetic field when the rotor rotates. Fixing a rotor gear on the inner side of the ring rotor, which interacts through transmission gears with the central gear of the engine shaft, reduces mechanical losses during transmission of rotation. Making cutouts in the toroidal stator housing located on its inner diameter and installing transmission gears opposite these cutouts, evenly spaced along the inner perimeter of the stator, allows the transmission gears to engage with the rotor gear. The use of an annular rotor with a rotary gear makes it possible to increase engine power per unit mass due to the absence of losses due to the rotation of a heavy multi-pole rotor, to increase the rotation speed of the rotor, and the use of gears with an optimally calculated gear ratio makes it possible to ensure the required rotation speed of the electric motor shaft. Making the stator winding spiral, with the windings arranged around the surface of the housing torus over most of its length, and the winding positioned linearly, along the generatrix of the torus on sections of the upper surface of the stator housing lying opposite the cutouts, makes it possible to make a multi-turn stator winding, which increases engine power compared to analogue. In this case, the increase in power occurs due to the supply of voltage corresponding to a multi-turn spiral winding made of a certain material. Bypassing the cut-out sections of the stator housing by linearly pulling the winding along the upper outer surface of the larger diameter of the torus makes it possible to use a spiral winding and not disrupt its integrity during rotation of the rotor and when transmitting rotation from the rotor to the motor shaft, which increases the reliability of the engine. Unlike the analogue, where, due to the threat of damage to the integrity of the winding when the rotor rotates inside the toroidal stator, it is possible to use only a single-turn winding, in the claimed solution the location of the winding does not prevent the rotation of the annular rotor inside the toroidal stator. Thus, due to the design features of the stator, the power of the electric motor, the output shaft rotation speed, and the reliability of its operation increase.

На фигуре схематично представлен бесколлекторный электродвигатель постоянного тока.The figure schematically shows a brushless DC motor.

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока содержит тороидальный статор с корпусом 1, выполненным в виде тора. Статор является катушкой индуктивности. Статор установлен в основании (на чертеже не показано) для ее удержания в устойчивом положении и изоляции. На одних участках корпуса 1 статора выполнена спиральная обмотка 2, вкруговую охватывающая тороидальную поверхность в полоидальном направлении, на других участках корпуса 1 статора выполнена линейная обмотка 3, расположенная вдоль верхней наружной поверхности тора корпуса 1 в тороидальном направлении, без кольцевого охвата трубчатой поверхности тора. Обмотка статора выполнена многовитковой. На внутренней поверхности корпуса 1, обращенной к центральной оси тора, выполнены вырезы 4. Вырезы 4 равномерно расположены вдоль внутреннего периметра корпуса 1 статора. Внутри полого корпуса 1 расположен ротор 5. Ротор 5 выполнен кольцевым, составленным из двух соединенных полукольцевых постоянных магнитов. На поверхности ротора 5 с его внутренней стороны, вдоль меньшего его диаметра закреплена роторная шестерня 6. Вырезы 4 в корпусе статора 1 частично открывают участки роторной шестерни 6. На этих участках роторная шестерня 6 входит в зацепление с передаточными шестернями 7. Передаточные шестерни 7 взаимодействуют с центральной шестерней 8, установленной на выходном валу 9 электродвигателя. Участки корпуса 1 статора на которых обмотка 3 выполнена линейной, расположены с внешней противоположной стороны корпуса 1 напротив участков с вырезами 4 на его внутренней стороне.The brushless DC electric motor contains a toroidal stator with a housing 1 made in the form of a torus. The stator is an inductor. The stator is installed in the base (not shown in the drawing) to hold it in a stable position and insulate it. In some areas of the stator housing 1, a spiral winding 2 is made, circularly enveloping the toroidal surface in the poloidal direction; in other areas of the stator housing 1, a linear winding 3 is made, located along the upper outer surface of the torus of the housing 1 in the toroidal direction, without annular coverage of the tubular surface of the torus. The stator winding is multi-turn. On the inner surface of the housing 1, facing the central axis of the torus, cutouts 4 are made. The cutouts 4 are evenly spaced along the inner perimeter of the stator housing 1. Inside the hollow housing 1 there is a rotor 5. The rotor 5 is made of a ring, composed of two connected semi-ring permanent magnets. On the surface of the rotor 5 on its inner side, along its smaller diameter, a rotor gear 6 is fixed. The cutouts 4 in the stator housing 1 partially open sections of the rotor gear 6. In these sections, the rotor gear 6 engages with the transmission gears 7. The transmission gears 7 interact with central gear 8 mounted on the output shaft 9 of the electric motor. The sections of the stator housing 1 on which the winding 3 is made linear are located on the outer opposite side of the housing 1 opposite the sections with cutouts 4 on its inner side.

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока работает следующим образом.A brushless DC motor works as follows.

Принцип действия основан на электромагнитной индукции. При подаче на концы обмотки статора напряжения от источника постоянного тока внутри катушки возникает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем ротора 5. Ротор 5 начинает поворачиваться. Направление вращения зависит от направления тока в катушке. При смене полярности, направление вращения меняется. При вращении ротора 5 роторная шестерня 6 передает крутящий момент с ротора 5 на выходной вал 9 двигателя посредством редуктора, образуемого роторной шестерней 6, передаточными шестернями 7, центральной шестерней 8. При передаче вращения с роторной шестерни 6 на передаточные шестерни 7 не происходит повреждения обмотки статора за счет внешнего линейного 3 расположения обмотки на участках взаимодействия шестерен 6 и 7. Крутящий момент и скорость вращения зависит от геометрии ротора 5, его остаточной магнитной индукции, магнитной индукции, создаваемой в катушке индуктивности, от механической нагрузки на валу 9 двигателя. При габаритах двигателя 100*100*50 мм, он может иметь следующие параметры: номинальная скорость вращения 3000 об/мин, номинальная мощность 50 Вт, номинальный момент более 0,15 Нм, масса 2 кг. The operating principle is based on electromagnetic induction. When voltage from a direct current source is applied to the ends of the stator winding, a magnetic field appears inside the coil, which interacts with the magnetic field of rotor 5. Rotor 5 begins to rotate. The direction of rotation depends on the direction of the current in the coil. When the polarity changes, the direction of rotation changes. When the rotor 5 rotates, the rotor gear 6 transmits torque from the rotor 5 to the output shaft 9 of the engine through a gearbox formed by the rotor gear 6, transfer gears 7, and the central gear 8. When transmitting rotation from the rotor gear 6 to the transfer gears 7, no damage to the stator winding occurs due to the external linear 3 arrangement of the winding in the areas of interaction of gears 6 and 7. Torque and rotation speed depend on the geometry of the rotor 5, its residual magnetic induction, the magnetic induction created in the inductor, and the mechanical load on the motor shaft 9. With motor dimensions of 100*100*50 mm, it can have the following parameters: rated rotation speed 3000 rpm, rated power 50 W, rated torque more than 0.15 Nm, weight 2 kg.

Заявляемый электродвигатель имеет ряд преимуществ перед существующими аналогами, к которым относятся компактность и малая высота оси вращения, совмещение в одном корпусе электромагнитной части конструкции и редуктора, относительно невысокая масса за счет отсутствия ярма магнитопровода, увеличенный вращающий момент за счет встроенного редуктора и увеличенного диаметра ротора при сохранении малого числа полюсов обмотки. Отсутствие внешнего магнитопровода снижает магнитную проводимость, но снижение напряженности поля в воздушном зазоре компенсируется увеличением намагничивающего тока статора по отношению к номинальному току. В предлагаемом двигателе улучшены условия охлаждения обмоток статора 2 и 3. Предлагаемый двигатель имеет массу в 1,1-1,2 раз меньшую в сравнении с существующими двигателями. В двигателе предложенной конструкции возможно создание повышенного крутящего при изменении размеров ротора 5. The inventive electric motor has a number of advantages over existing analogues, which include compactness and low height of the rotation axis, combination of the electromagnetic part of the structure and the gearbox in one housing, relatively low weight due to the absence of a magnetic circuit yoke, increased torque due to the built-in gearbox and increased rotor diameter at maintaining a small number of winding poles. The absence of an external magnetic circuit reduces the magnetic conductivity, but the decrease in field strength in the air gap is compensated by an increase in the magnetizing stator current relative to the rated current. The proposed motor has improved cooling conditions for stator windings 2 and 3. The proposed motor has a mass 1.1-1.2 times less than existing motors. In the engine of the proposed design, it is possible to create increased torque when changing the size of the rotor 5.

Данную электрическую машину можно использовать в качестве генератора постоянного тока. Закрепление на внутренней стороне кольцевого ротора роторной шестерни, взаимодействующей через передаточные шестерни с центральной шестерней вала двигателя, позволяет реализовать в одном корпусе двигатель и редуктор. При принудительном вращении вала 9 в статоре наводится переменная ЭДС, которая зависит от скорости вращения ротора 5. Номинальный ток зависит от сечения провода в обмотке 2, 3 статора.This electric machine can be used as a DC generator. Fixing a rotor gear on the inner side of the ring rotor, which interacts through transmission gears with the central gear of the engine shaft, makes it possible to implement an engine and a gearbox in one housing. When the shaft 9 is forced to rotate, a variable EMF is induced in the stator, which depends on the rotation speed of the rotor 5. The rated current depends on the cross-section of the wire in the stator winding 2, 3.

Таким образом, изобретение позволяет расширить арсенала средств, относящихся к бесколлекторным электродвигателям постоянного тока, обеспечить большую мощность и момент на единицу массы, высокую скорость вращения вала и надежность работы электродвигателя. Thus, the invention makes it possible to expand the arsenal of tools related to brushless DC electric motors, to provide greater power and torque per unit mass, high shaft rotation speed and reliable operation of the electric motor.

Claims

A brushless DC electric motor containing a toroidal stator with a body in the form of a torus and a winding and containing a rotor with permanent magnets installed inside the stator housing, characterized in that the rotor is made in the form of a ring consisting of two semi-ring permanent magnets on the inner side of the rotor ring the rotor gear is fixed, on the inner side of the stator housing, facing the torus axis, there are cutouts evenly spaced along its inner perimeter, on the outer side of the stator housing in areas located opposite the cutouts on the inner side, the stator winding is located linearly, in areas between the cutouts the winding is located spirally around the surface of the torus, in places where the stator housing is cut out, the rotor gear meshes with transmission gears interacting with the central gear of the motor shaft.