RU82956U1

RU82956U1 - ENGINE

Info

Publication number: RU82956U1
Application number: RU2008140471/22U
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Афанасьев; Валерий Алексеевич Нестерин; Алексей Васильевич Николаев; Виктор Александрович Чихняев
Priority date: 2008-10-03
Filing date: 2008-10-03
Publication date: 2009-05-10

Abstract

Двигатель, содержащий неподвижный статор, на котором на равном расстоянии друг от друга по окружности закреплены электромагниты, а также внешний подвижный ротор, на кольцеобразном магнитопроводе которого расположены постоянные магниты, между которыми установлены пластины из мягкомагнитного материала, отличающийся тем, что статор выполнен с зубцами, равномерно распределенными по окружности, на каждом из которых размещен электромагнит в виде намотанной на зубец катушки, причем катушки образуют две полуобмотки двигателя с помощью последовательного соединения каждой второй из них в одну полуобмотку и последовательного соединения всех остальных в другую полуобмотку, каждая из полуобмоток установлена с возможностью подключения к источнику питания через устройство управления, при этом постоянные магниты, расположенные на роторе, образуют полюсы ротора и установлены парами разнонаправленно намагниченных в радиальном направлении расположенных впритык друг к другу магнитов, а между каждой парой магнитов впритык к ним размещены зубцы ротора в виде пластин из мягкомагнитного материала, при этом: ! 2p=Z1, где p - число пар полюсов ротора, Z1 - число зубцов статора; ! S=2(τ-bp), где S - ширина зубца ротора, τ - величина полюсного деления, bp - ширина пары магнитов по окружности; ! Z2=0,5 Z1, где Z2 - число зубцов ротора.An engine comprising a fixed stator, on which electromagnets are fixed at an equal distance from each other around the circumference, as well as an external movable rotor, on the ring-shaped magnetic circuit of which there are permanent magnets, between which plates of soft magnetic material are installed, characterized in that the stator is made with teeth, uniformly distributed around the circumference, on each of which an electromagnet is placed in the form of a coil wound on a tooth, and the coils form two half-windings of the engine with the help of the serial connection of each second of them into one half-winding and the serial connection of all the others to another half-winding, each of the half-windings is installed with the possibility of connecting to a power source through a control device, while the permanent magnets located on the rotor form the poles of the rotor and are mounted in pairs of oppositely magnetized the radial direction of the magnets located close to each other, and between each pair of magnets adjacent to them are placed the teeth of the rotor in the form of plates of soft magnet nogo material, while:! 2p = Z1, where p is the number of pairs of rotor poles, Z1 is the number of stator teeth; ! S = 2 (τ-bp), where S is the width of the rotor tooth, τ is the magnitude of the pole division, bp is the width of the pair of magnets around the circumference; ! Z2 = 0.5 Z1, where Z2 is the number of teeth of the rotor.

Description

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам может быть использовано для промышленных механизмов, требующих регулирование скорости.The utility model relates to the field of electrical engineering, namely to electrical machines can be used for industrial machinery requiring speed control.

Многие механизмы, например, вентиляторы, привода транспортных устройств (велосипеды, мотоциклы, электрокары и т.д.), требуют компактных электромеханотронных устройств преобразования электрической энергии в регулируемую механическую. Такие устройства могут быть выполнены на базе вентильных двигателей с постоянными магнитами (ВДМ), системы управления которых интегрированы с электродвигателем при минимуме дополнительных устройств. Но возникают проблемы, связанные со снижением стоимости и габаритов ВДМ, поскольку последние должны заменить относительно дешевые коллекторные двигатели постоянного тока, имеющие массовое производство. Указанная замена становится возможной, если, во-первых, стоимость ВДМ не превысит ценового ограничения, во-вторых, допускаемая температура электронных компонентов блока управления ВДМ соответствует тепловым ограничениям их места работы и, в - третьих, габаритные размеры ВДМ не превышают таковые коллекторных электродвигателей.Many mechanisms, for example, fans, drives of transport devices (bicycles, motorcycles, electric cars, etc.), require compact electromechanotronic devices to convert electrical energy into adjustable mechanical energy. Such devices can be made on the basis of permanent magnet motor (VDM) motors, the control systems of which are integrated with the electric motor with a minimum of additional devices. But there are problems associated with reducing the cost and size of the VDM, since the latter should replace the relatively cheap DC collector motors with mass production. The indicated replacement becomes possible if, firstly, the cost of the VDM does not exceed the price limit, secondly, the permissible temperature of the electronic components of the VDM control unit corresponds to the thermal restrictions of their place of work and, thirdly, the overall dimensions of the VDM do not exceed those of the collector motors.

Первое ограничение, являющееся наиболее существенным, диктует минимизацию числа силовых ключей блока управления и отказ от использования явных датчиков положения ротора ВДМ. В этих условиях применение однофазных ВДМ становится практически безальтернативным.The first limitation, which is the most significant, dictates the minimization of the number of power keys of the control unit and the refusal to use explicit sensors for the position of the VDM rotor. Under these conditions, the use of single-phase VDM becomes practically uncontested.

Использование однофазных ВДМ возможно при условии известной (предпусковой) фиксации положения ротора в обесточенном состоянии. При симметричном расположении постоянных магнитов на роторе однофазного ВДМ отсутствует пусковой момент и электродвигатель не запускаетсяThe use of single-phase VDM is possible under the condition of a known (prestart) fixation of the position of the rotor in a de-energized state. With a symmetrical arrangement of permanent magnets on the rotor of a single-phase VDM, there is no starting torque and the motor does not start

Известен электродвигатель, который содержит первичный элемент с многофазной обмоткой из сосредоточенных фазных катушек с вентильными коммутаторами для их поочередного подключения к внешней цепи постоянного тока и вторичный элемент имеет однородную структуру в направлении относительно перемещения первичного и вторичного элементов, последний имеет полюсные модули с геометрическими параметрами, обеспечивающими циклическое согласованное положение фазных катушек и полюсных модулей (патент RU 2189685, Н02к 29/00, опубл. 20.09.2001).A known electric motor, which contains a primary element with a multiphase winding of concentrated phase coils with gate switches for alternately connecting them to an external DC circuit and the secondary element has a uniform structure in the direction relative to the movement of the primary and secondary elements, the latter has pole modules with geometric parameters that provide cyclic coordinated position of phase coils and pole modules (patent RU 2189685, Н02к 29/00, publ. September 20, 2001).

Недостаток такой машины - низкий пусковой момент, низкая технологичность и сложность устройства управления.The disadvantage of this machine is the low starting torque, low adaptability and complexity of the control device.

В импульсном электродвигателе по патенту RU 2172261, В60К 7/00, опубл. 20.08.2001, кольцевые магнитопроводы статора установлены на держателе и имеют четные количества постоянных магнитов. Ротор выполнен цилиндрическим с закрепленными на обечайке квадроэлектромагнитами. Квадроэлектромагниты выполнены с четырьмя полюсами, обращенными к постоянным магнитам статора попарно по осевой линии и радиально, и четырьмя обмотками, включенными последовательно-встречно. Выводы квадроэлектромагнитов соединены с соответствующими парами токосъемников, установленных по осевым линиям квадроэлектромагнитов. Токосъемники сдвинуты друг от друга на угол, равный углу смещения квадроэлектромагнитов. В распределительном коллекторе количество медных пластин равно количеству постоянных магнитов на каждом из кольцевых магнитопроводов статора, при этом медные пластины разделены диэлектрическими промежутками.In a pulse electric motor according to patent RU 2172261, B60K 7/00, publ. 08/20/2001, the stator ring cores are mounted on the holder and have even numbers of permanent magnets. The rotor is made cylindrical with quadroelectromagnets fixed to the shell. Quadroelectromagnets are made with four poles facing the permanent magnets of the stator in pairs along the axial line and radially, and four windings connected in series and opposite. The conclusions of the quadroelectromagnets are connected to the corresponding pairs of current collectors installed along the axial lines of the quadroelectromagnets. Current collectors are shifted from each other by an angle equal to the angle of bias of the quadro-electromagnets. In the distribution manifold, the number of copper plates is equal to the number of permanent magnets on each of the annular stator magnetic cores, while the copper plates are separated by dielectric gaps.

Недостаток указанного импульсного электродвигателя связан с невысокой технологичностью сборки. Кроме того, дисковое исполнение распределительного коллектора, а также большое количество используемых электромагнитов и токосъемников отрицательно сказываются на надежности работы электродвигателя.The disadvantage of this pulse motor is associated with low manufacturability. In addition, the disk design of the distribution manifold, as well as the large number of electromagnets and current collectors used, negatively affect the reliability of the electric motor.

В импульсном электродвигателе по патенту RU 2129965, В60К 7/00, опубл. 10.05.1999, использован статор с двумя установленными на держателе кольцеобразными магнитопроводами, на которых расположены четные количества равноудаленных по окружности постоянных магнитов, внутренний ротор с вращающимися относительно статора электромагнитами, попарно соединенными с токосъемниками, дисковый распределительный коллектор, выполненный с возможностью совместного с токосъемниками преобразования постоянного тока в импульсный разнонаправленный ток. Недостатки такого электродвигателя, характеризующегося внутренним расположением ротора относительно статора, проявляются в конструктивной сложности выполняемых на его основе механизмов, что предопределяет их низкую надежность в работе.In a pulse electric motor according to patent RU 2129965, B60K 7/00, publ. 05/10/1999, a stator was used with two ring-shaped magnetic circuits mounted on the holder, on which there are even amounts of permanent magnets equally spaced around the circumference, an internal rotor with electromagnets rotating relative to the stator, paired with current collectors, a disk distribution manifold made with the possibility of constant conversion together with current collectors current into pulsed multidirectional current. The disadvantages of such an electric motor, characterized by the internal location of the rotor relative to the stator, are manifested in the structural complexity of the mechanisms performed on its basis, which determines their low reliability in operation.

Наиболее близким к заявляемому является двигатель, содержащий неподвижный статор звездообразной литой конструкции, на котором равноудаленно по окружности закреплены электромагниты, внешний подвижный ротор звездообразной литой конструкции. На кольцеобразном магнитопроводе ротора расположены равноудаленные по окружности постоянные магниты, намагниченные в тангенциальном направлении, то есть "северный полюс - южный полюс - нейтральная зона", между которыми закреплены инерционные пластины (болванки) из мягкомагнитного материала, сдвинутые на Closest to the claimed one is an engine containing a fixed stator of a star-shaped cast structure, on which electromagnets are equally spaced around the circumference, an external movable rotor of a star-shaped cast structure. On the ring-shaped rotor magnetic circuit there are permanent magnets equally spaced around the circumference, magnetized in the tangential direction, that is, the "north pole - south pole - neutral zone", between which inertial plates (blanks) of soft magnetic material are fixed, shifted by

определенный заданный фазовый угол. При этом статор с закрепленными на нем электромагнитами снабжен датчиком положения ротора и устройством управления, которые расположены на основании статора, а фазы индукторной машины электрически не связаны между собой (патент RU 2231201 МПК Н02К 29/00)defined predetermined phase angle. In this case, the stator with electromagnets fixed to it is equipped with a rotor position sensor and a control device, which are located on the base of the stator, and the phases of the induction machine are not electrically interconnected (patent RU 2231201 IPC Н02К 29/00)

Недостатком этого устройства является недостаточный пусковой момент двигателя так как эффект подмагничивания ротора относительно слаб. Этот эффект мог бы быть увеличен при выполнении магнитов увеличенной поперечной высотой и расположении пластины (болванки) из мягкомагнитного материала в глубоких пазах, как, например, в электрических машинах с «коллекторным» расположением магнитов, однако это невозможно из-за малой поперечной высоты тангенциально намагниченных магнитов.The disadvantage of this device is the insufficient starting torque of the engine since the effect of magnetization of the rotor is relatively weak. This effect could be increased when magnets are made with an increased transverse height and the arrangement of a plate (blank) of soft magnetic material in deep grooves, as, for example, in electric machines with a “collector” arrangement of magnets, but this is impossible due to the low transverse height of the tangentially magnetized magnets.

Полезная модель направлена на решение технической задачи создания несложной и недорогой конструкции двигателя с увеличенным пусковым моментом и улучшенными условиями запуска при останове двигателя.The utility model is aimed at solving the technical problem of creating a simple and inexpensive engine design with an increased starting torque and improved starting conditions when the engine is stopped.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является увеличение пускового момента вентильного двигателя путем усиления эффекта подмагничивания ротора, а также улучшение условий запуска двигателя.The technical result of the claimed utility model is to increase the starting torque of the valve motor by enhancing the magnetizing effect of the rotor, as well as improving the conditions for starting the engine.

Этот технический результат достигается тем, что статор двигателя выполнен с зубцами, равномерно распределенными по окружности, на каждом из которых намотана катушка, причем катушки образуют две полуобмотки двигателя с помощью последовательного соединения каждой второй из них в одну полуобмотку и последовательного соединения всех остальных в другую полуобмотку. Каждая из полуобмоток установлена с возможностью подключения к источнику питания через управляемый транзисторный ключ. При этом постоянные магниты, расположенные на роторе и образующие его полюсы, установлены парами разнонаправленно намагниченных в радиальном направлении расположенных впритык друг к другу магнитов, а между каждой парой магнитов впритык к ним размещены зубцы ротора в виде пластин, из магнитномягкого материала, при этом:This technical result is achieved by the fact that the stator of the motor is made with teeth evenly distributed around the circumference, on each of which a coil is wound, and the coils form two half-windings of the motor by connecting each second one in series to one half-winding and connecting all the others to the other half-winding . Each of the semi-windings is installed with the ability to connect to a power source through a controlled transistor switch. In this case, the permanent magnets located on the rotor and the poles forming it are installed by pairs of oppositely magnetized radially located close to each other magnets, and between each pair of magnets the teeth of the rotor are placed adjacent to them in the form of plates made of magnetically soft material, while:

2р=Z₁, где р - число пар полюсов ротора, Z₁ - число зубцов статора;2p = Z ₁ , where p is the number of pairs of rotor poles, Z ₁ is the number of stator teeth;

S=2(τ-b_р), где S - ширина зубца ротора, τ- величина полюсного деления, b_p - ширина одного магнита по наружной окружности, обращенной к воздушному зазору;S = 2 (τ-b _p ), where S is the width of the rotor tooth, τ is the magnitude of the pole division, b _p is the width of one magnet along the outer circle facing the air gap;

Z₂,=0,5 Z₁, где Z₂ - число зубцов ротора.Z ₂ = 0.5 Z ₁ , where Z ₂ is the number of teeth of the rotor.

На фиг. представлен заявляемый двигатель в поперечном разрезе.In FIG. presents the inventive engine in cross section.

Электродвигатель содержит статор 1 с зубцами (полюсами) Z₁, который может быть выполнен из шихтованной электротехнической холоднокатаной стали. Статор The electric motor contains a stator 1 with teeth (poles) Z ₁ , which can be made of burdened electrical cold-rolled steel. Stator

жестко закреплен на оси 3. Зубцы 2 статора 1 равномерно распределены по окружности и на каждом из них намотана катушка 4 обмотки. Последовательное соединение каждой второй из катушек образуют одну из полуобмоток, а всех остальных катушек - вторую полуобмотку, каждая из них подключается к источнику питания через ключ (транзистор), управляемый от интегрированной в электродвигатель системы управления (на чертеже не показан). Ротор 5 выполнен с возможностью вращения относительно оси З. По периферии ротора 5 размещен магнитопровод 6, выполненный в виде стального кольца, на поверхности которого, на внутренней стороне обращенной к статору 1, установлены пары разнонаправленно в радиальном направлении намагниченных и установленных впритык друг к другу кольцеобразных постоянных магнитов 7, а между каждой парой магнитов также впритык к ним размещены зубцы 8 ротора в виде пластин из мягкомагнитного материала, ширина которых меньше величины полюсного деления τ. Число полюсов ротора (количество постоянных магнитов) 2р=Z₁, где р - число пар полюсов ротора, Z₁ - число зубцов статора. Для увеличения пускового момента промежутки между парами магнитов, равные 2(τ-b_р) заполнены пластинами из магнитномягкого материала, например, магнитомягкой стали, образующей ферромагнитные зубцы 8 на роторе 5 с числом равным Z₂=0,5Z₁ и шириной 2(τ-b_р). Поперечный размер (высота) каждого зубца ротора может достигать величины полюсного деления машины τ.rigidly fixed to the axis 3. The teeth 2 of the stator 1 are evenly distributed around the circumference and a coil 4 of the winding is wound on each of them. The serial connection of each second coil forms one of the half-windings, and all other coils form the second half-winding, each of them is connected to the power source through a key (transistor) controlled from an integrated control system in the electric motor (not shown in the drawing). The rotor 5 is made to rotate about the Z axis. A magnetic circuit 6 is arranged on the periphery of the rotor 5, made in the form of a steel ring, on the surface of which, on the inner side facing the stator 1, pairs of oppositely directed radially magnetized and mounted ring-wise close to each other are installed permanent magnets 7, and between each pair of magnets also adjacent to them are placed the teeth 8 of the rotor in the form of plates of soft magnetic material, the width of which is less than the magnitude of the pole division τ. The number of rotor poles (number of permanent magnets) 2p = Z ₁ , where p is the number of pairs of rotor poles, Z ₁ is the number of stator teeth. To increase the starting moment, the gaps between the pairs of magnets equal to 2 (τ-b _p ) are filled with plates of soft magnetic material, for example, soft magnetic steel forming ferromagnetic teeth 8 on rotor 5 with a number equal to Z ₂ = 0.5Z ₁ and a width of 2 (τ -b _p ). The transverse size (height) of each tooth of the rotor can reach the magnitude of the pole division of the machine τ.

Такая конструкция представляет собой однофазный вентильный двигатель комбинированного возбуждения.This design is a single-phase combined drive excitation motor.

Двигатель работает следующим образом. В момент пуска электродвигателя от источника постоянного напряжения через ключ подается питание на одну из полуобмоток, например, 4 статора 1. От каждой из них создается суммарный электромагнитный момент на валу двигателя, состоящий из двух составляющих. Первая - электромагнитный момент, образующийся при взаимодействии намагничивающей силы, созданной током катушек с потоком постоянных магнитов 7 ротора 5. Вторая составляющая - электромагнитный момент, создаваемый равнодействующей азимутальной составляющей пондеромоторных сил тяжения между феррмагнитными зубцами 8 ротора 5 и активными полюсами, образованными зубцами 2 статора с подключенной полуобмоткой статора 1. В заявляемой конструкции постоянные магниты намагничены радиально и их поперечный размер (высота) может достигать полюсного деления машины. Поперечный размер (ширина) каждого зубца ротора может достигать величины полюсного деления машины.The engine operates as follows. At the time of starting the electric motor from a constant voltage source, a key is supplied with power to one of the semi-windings, for example, 4 stators 1. From each of them a total electromagnetic moment is created on the motor shaft, consisting of two components. The first is the electromagnetic moment generated by the interaction of the magnetizing force created by the current of the coils with the flux of permanent magnets 7 of the rotor 5. The second component is the electromagnetic moment created by the resultant azimuthal component of the ponderomotive traction forces between the ferromagnetic teeth 8 of the rotor 5 and the active poles formed by the teeth of the stator 2 connected stator half-winding 1. In the claimed design, the permanent magnets are magnetized radially and their transverse size (height) can reach the pole dividing machines. The transverse size (width) of each tooth of the rotor can reach the magnitude of the pole division of the machine.

Обычно при симметричном расположении постоянных магнитов на роторе однофазного ВДМ отсутствует пусковой момент и электродвигатель не запускается. Эта проблема в заявляемом изобретении решена путем несимметричного расположения Usually, with a symmetrical arrangement of permanent magnets on the rotor of a single-phase VDM, there is no starting torque and the motor does not start. This problem in the claimed invention is solved by an asymmetric arrangement

магнитов, при котором воздушные промежутки имеются только между каждой парой радиально и разнонаправлено намагниченных магнитов, расположенных встык, и отсутствуют внутри пары. Таким образом, благодаря тому, что немагнитные зоны имеют различную ширину, а также соотношениям размеров, приведенных в описании изобретения, при останове двигателя зубцы ротора занимают несимметричное положение относительно пар магнитов положение, при котором при подаче тока в однофазную обмотку всегда будет возникать пусковой момент, причем значительно усиленный благодаря наличию вышеописанных зубцов ротора.magnets, in which air gaps are only between each pair of radially and multidirectional magnetized magnets located end-to-end, and are absent inside the pair. Thus, due to the fact that the non-magnetic zones have different widths, as well as the aspect ratios given in the description of the invention, when the engine is stopped, the rotor teeth occupy an asymmetric position relative to the pairs of magnets, a position at which a starting torque will always occur when a current is applied to a single-phase winding, and significantly enhanced due to the presence of the above teeth of the rotor.

Таким образом, две составляющие создают пусковой электромагнитный момент при том же токе обмотки, что и в прототипе. Величина электромагнитного момента в два раза выше, чем в прототипе. Это подтверждают математические расчеты физической модели предлагаемого электродвигателя. На физической модели получено увеличение пускового момента в 1,9 раза. Повышаются электромагнитный момент и мощность по отношению к весу и занимаемому объему электрической машины заявляемой конструкции.Thus, the two components create a starting electromagnetic moment at the same winding current as in the prototype. The magnitude of the electromagnetic moment is two times higher than in the prototype. This is confirmed by mathematical calculations of the physical model of the proposed electric motor. On the physical model, an increase in starting torque of 1.9 times is obtained. The electromagnetic moment and power are increased with respect to the weight and occupied volume of the electric machine of the claimed design.

При этом, при появлении пускового тока в любой из полуобмоток статора, состоящих из катушек соответствующих зубцов, к ротору будут приложены два момента одного направления: первый вызван взаимодействием тока катушек с магнитами, второй - притяжением этих катушек с током к стальным вставкам (зубцам) на роторе. Полевые расчеты предлагаемой конструкции указывают на возможный рост момента почти в два раза. Этот существенный результат достигается очень несложным и недорогим описанным выше конструктивным решением.Moreover, when the inrush current appears in any of the stator half-windings, consisting of coils of the corresponding teeth, two moments of the same direction will be applied to the rotor: the first is caused by the interaction of the current of the coils with magnets, the second is the attraction of these coils with current to the steel inserts (teeth) on rotor. Field calculations of the proposed design indicate a possible increase in the moment almost doubled. This significant result is achieved by a very simple and inexpensive design solution described above.

Claims

An engine comprising a fixed stator, on which electromagnets are fixed at an equal distance from each other around the circumference, as well as an external movable rotor, on the ring-shaped magnetic circuit of which there are permanent magnets, between which plates of soft magnetic material are installed, characterized in that the stator is made with teeth, uniformly distributed around the circumference, on each of which an electromagnet is placed in the form of a coil wound on a tooth, and the coils form two half-windings of the engine with the help of the serial connection of each second of them into one half-winding and the serial connection of all the others to another half-winding, each of the half-windings is installed with the possibility of connecting to a power source through a control device, while the permanent magnets located on the rotor form the poles of the rotor and are mounted in pairs of oppositely magnetized the radial direction of the magnets located close to each other, and between each pair of magnets adjacent to them are placed the teeth of the rotor in the form of plates of soft magnet material, while:

2 _p = Z ₁ , where p is the number of pairs of rotor poles, Z ₁ is the number of stator teeth;

S = 2 (τ-b _p ), where S is the width of the rotor tooth, τ is the magnitude of the pole division, b _p is the width of the pair of magnets around the circumference;

Z ₂ = 0.5 Z ₁ , where Z ₂ is the number of teeth of the rotor.