SU1494877A3 - Бесщеточна электрическа машина посто нного тока дискового типа - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электрическим вентильным машинам дискового типа. Целью изобретени   вл етс  повышение КПД. Машина содержит роторный диск, установленный на валу, и статор, установленный неподвижно и расположенный коаксиально и параллельно относительно ротора. Статор содержит по меньшей мере две перемежающиес  группы А и В катушек 18, поочередно запитываемых током, в одном и том же направлении. На роторном диске расположен по меньшей мере один посто нный магнит 12, имеющий асимметричную форму относительно формы катушек 18 статора, причем каждый магнит имеет участок 31 вершины и участок 32 основани , магнитное поле с общей пол рностью проходит в том же самом осевом направлении, что и магнитное поле катушек. Когда участки вершин магнитов располагаютс  на одной линии с первой группой катушек, осуществл етс  запитывание этой группы катушек, в результате чего создаетс  крут щий момент, приложенный к ротору без мертвых зон при однофазной обмотке статора. В режиме вентильного электродвигател  машина имеет простейший коммутатор на двух ключах. 17 з.п.ф-лы, 12 ил.

Description

/4

J/

4i

00

sj

О4

(ригМ

Изобретение относитс  к электротехнике , в частности к электрическим машинам посто нного тока дискового типа.

Целью изобретени   вл етс  повышение коэффициента полезного действи и равномерности вращающего момента

На фиг. 1 показана предлагаема  машина, сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 2 - сечение Б-Б на фиг. 1; иа фиг. 3 - сечение В-В на фиг. 1; на фиг«4-7 - участки статора с пунктирным изображением магнитов роторного диска дп  различных положений статора относительно ротора; на фиг.8 - график, показьшающий характер изменени  крут щего момента двигател  от угла поворота в соответствии с положени ми, показанными на фиг.4-7; на фиг. 9 - фрагмент сигнального элемента датчика положени  ротора; на фиг. 10 - блок-схема переключающего устройства; на фиг. 11 - двигатель с двум  дисками  кор , поперечное сечение; на фиг. 12 - двигатель с двум  роторами и одним  корем , фрагмент поперечного сечени . Электрическа  машина может быть использована как в качестве двигател , так и в качестве генератора. Вал 1 установлен на подшипниках - и расположен вдоль центральной линии секций 3 и 4 корпуса двигател  . К валу посредством штифта 5 прикреплена металлическа  втулка 6,, К металлической втулке 6 при помощи винтов 7 прикреплен ротор, имеющий первый ферромагнитный диск 8 и второй ферромагнитньй диск 9, располо-- женный параллельно и на некотором рассто нии от первого роторного диска 8, задаваемом посредством ферромагнитного цилиндрического прокладочного кольца 10, которое также прикреплено к втулке 6 при помощи винтов 7 и диаметр которого равен диаметру втулки 6. Кроме того, к диску 9 с противоположной стороны от прокладочного кольца 10 прикреплен сигнальный элемент 11 датчика поло- жени  ротора. На роторном диске 8 устанавливаютс  один или несколько посто нных магнитов 12. В машине может использоватьс  любое количество посто нных магнитов 12, четное или нечетное. В рассматриваемом варианте  сп()льзуетс  восемь посто нных мат нитов.

0

5

0

5

0

Кольцеобразньй статор 13 прикреплен при помощи винтов 14 (фиг. 2) и 11рокладочных колец 15 (фиг. 3) к одной из секций корпуса электродвигател . Статорное кольцо 13 расположено между роторными дисками 8 и 9, образу  первый воздушный зазор 16 между роторным диском 8 и статором 13 и второй воздушный зазор 17 между статором 13 и вторым роторным диском 9,, группы А и В соединенных вместе катушек 18 образуют плоское статор- ное кольцо. Соседние катушки двух групп могут быть смещены на ширину катушки или на половину ширины катушки . Число катушек в предпочтительном случае выбирают в два раза больше числа посто нных магнитов 12i Катушки группы А чередуютс  с катушками группы В таким образом, что по окружности катушки располагаютс  в . следующей последовательности: А, В, А, В и т.До Катушки двух групп установлены компланарно, смежные стороны катушек расположены радиально и примыкают друг к другу.

Каждый магнит 12 намагничивани 

в поперечном направлении таким образом , что одна его сторона имеет одну и ту же пол рность (например.юж- , ную), в то врем  как его противоположна  сторона, примыкающа  к роторному диску 8, имеет противоположную пол рность, например северную. Маг- нитньй поток проходит от одного полюса каждого магнита 12 через воздушный зазор 16, противолежащую катушку или катушку 18 статорного кольца , через второй воздушный зазор 17, в радиальном направлении вдоль второго роторного диска 9, в осевом направлении через прокладочное кольцо 10, в радиальном направлении вдоль роторного диска 8 и возвращаетс  к противоположной стороне или полюсу посто нного магнита 12.

Чувствительные элементы 19 датчика положени  ротора, в качестве которых могут быть использованы фотоэлементы или датчики Холла, установлены на секции 4 корпуса и, подключены к управл ющим входам схемы 20 переключени  обмотоК, установленной g на кронштейне 21 в секции 4 корпуса. Источник 22 питани  датчика установгт лен на кронштейне 23 в секции 4 корпуса . Сигнальный элемент 11 имеет радиальное расположенные выступы.

5

0

5

0

смещенные друг относительно друга на определенный угол.

Предусмотренные в статоре 13 вентил ционные отверсти  24 способствуют охлаждению кожуха посредством конвенции воздуганых потоков. Питающие проводники 25 дп  катушек 18 проход т через отверстие в секции 4 корпуса двигател , от которого они изолированы при помощи изол тора 26

Катушки 18 расположены на статоре в виде круговой матрицы на равных рассто ни х от оси вала. На фиг. 2 кажда  катушка имеет треуголь ную форму или форму части диска с пр молинейными сторонами 27 и. 28 и дугообразным участком, или основанием 29, плавно соединенным с зтими сторонами, при этом внутренн   вер- шина 30 направлена в сторону центра статор а 13 и вала 1. Така  конфигураци  катушек позвол ет обеспечить максимальную площадь дл  каждой ка- тушеки. Р дом расположенные катушки могут быть смещены на рассто ние, большее максимальной ширины катушки в окружном направлении.

Кажда  катушка содержит один или несколько витков, при этом плоскость катушки расположена параллельно или в плоскости статорного кольца. В предпочтительном варианте катушки изготовлены без перекрыти  много- витковыми, с одинаковым числом витков в каждой, и наматываютс  в одном и том же направлении (т.е. все наматьшаютс  по часовой стрелке или все наматьтаютс  npoTtra часовой стрелки).

Катушки каждой группы А и В соедин ютс  последовательно или каким- либо другим образом (например, параллельно или последовательно-параллельно ) с тем, чтобы величина проте- какщего по ним тока была одной и той же. В рассматриваемом варианте используетс  шестнадцать катушек: восемь в группе А и восемь в группе В. Указанные катушки смещены друг относительно друга на одинаковые углы.

В двигателе может использоватьс  и другое количество посто нных магнитов „ В описываемой системе может использоватьс  до двенадцати посто нных магнитов. Посто нные магниты 12 располагаютс  в виде круговой Матрицы на роторном диске 8 и имеют

to

25

15 20 Д948776

треугольную либо другую форму (например трапецеидальную, овальную или сплющенную и т.д.), котора  отличаетс  от формы обмоток. Площадь активной поверхности кажлой из катушек может быть меньше площади активной поверхности посто нного магнита. Катушки могут иметь форму дисковых сегментов. Поскольку магнит с такой формой создает магнитный поток, несбалансированный относительно магнитного потока, создаваемого катушками 18, то создаетс  крут щий моиент. В о днофазном двигателе может создаватьс  положительный однонаправленный крут щий момент без мертвых зон.

Предпочтительно использовать отдельные посто нные магниты, а не единое магнитное кольцо (например, из порошкообразного железа или керамического материала) с множеством полюсов . Использование отдельных посто нных магнитов позвол ет сформировать поле с нужным распределением, обеспечить меньший вес и меньшую инерцию и исключить проблему ломкости цельного магнитного кольца. Посто нные магниты 12 (фиг. 3) имеют форму равнобедренных треугольников , у каждого из которых имеетс  вершина 31 и основание 32, причем ось каждого треугольника направлена перпендикул рно радиальному направлению . Вершина 31 одного посто нного магнита 12 отделена от основани  32 смежного с ним посто нного магнита 12. Однако в общем случае вершина 31 одного магнита может быть соединена с основанием 32 смежного магнита. Вершина 31 каждого посто нного магнита направлена к внешнему участку основани  32 смежного маг нита, а не к его центру. Чередование посто нных магнитов 12 по схеме вершина - основание - вершина повтор етс  на прот жении круговой матрицы, расположенной вокруг оси роторного диска 8. Посто нный магнит может не , иметь строгую форму равнобедренного треугольника или пр молинейные стороны Например, участок вершины посто нных магнитов 12 может быть более продолговатым по сравнению с показанным на фиг о 3 или более тупьм, что выбираетс  из услови  получени  заданного характера изменени  крутЯ щего момента.

30

35

40

45

50

55

Посто нные магниты 12 в предпочтительном случае располагают на роторном диске 8 таким образом, чтобы один угол основани  32 был смежным с внешней окружностью роторного диска 8, Желательно, чтобы основание 32 каждого посто нного магнита имело скругленную форму, как это показано на фиг. 3.Такое скругленное осно- вание 32 направлено радиально, что обеспечивает некоторое рассто ние между линейными сторонами 27, 28 катушек и основанием 32 посто нного магнита 12.

Поскольку во всех катушках 18 ток протекает в одном и том же направле- .нии, создава  магнитные псщ  того же направлени , что и пол  посто нных магнитов 12, то предотвращаетс  размагничивание посто нных магнитов, которое имело бы место при противоположном направлении протекани  тока в катушках.

Возможен вариант устройства, в ко- 25 наково с направлением магнитного пол  взаимодействующего с ней посто нтором ток во всех катушках протекает в таком направлении, при котором создаваемое магнитное поле обращено в осевом направлении, противоположном направлению пол , создаваемого посто нными магнитами 12. В таком устройстве посто нные магниты перемещаютс  в направлении, противополож- нсм направлению их перемещени  в варианте изобретени , описанном выше .

При сборке ротора вьштамповьшают пластину 33 из прочного немагнитного термостойкого материала, например из сплава алюмини , с отверсти-.  ми, форма которых совпадает с формой посто нных магнитов 12. Пластину 33 фиксируют путем соединени  с роторным диском 8 (фиг. 1), после чего в отверсти  пластины 33 вставл ют посто нные магниты 12, которые приклеивают к диску 8. Внешние участки 34 пластины 33 (фиг. 3) способствуют закреплению посто нных магнитов на месте и преп тствуют цх смещению под действием центробеж- ной силы, возникающей при вращении роторного диска 8. Обычно толщина немагнитной пластины 33 меньше толщины магнитов 12о На поверхности немагнитной пластины 33 и вокруг магнитов 12 прокладьшают материал 35 из термореактивной пластмассы, которьй равномерно.заполн ет простный полюс магнита обращен в сторону секериого полюса смежной катушки.

30 Вследствие этого между возбужденными катупжами 18 и посто нными магнитами 12 возникает сила магнитного прнт женн , котора  стремитс  расположить в одну линию магнитные оси

Tg каждой катушки группы А с мах нитными ос ми смежного магнита 12, что в итоге создает крут щий момент, приложенный к роторному диску 8, В действительности прит гиваетс  дельй участок, например основание 32 каж40

45

50

55

дого магнита ,12, к центру катушки группы А с левой ее стороны против часовой стрелки, что вызьгоает вращение в направлении, показанном стрелкой W.

В положении, показанном на фиг,5, больша  часть магнита 12 взаимодействует со стороной 28 катушки , что увеличивает крут щий момент , приложенный к ротору. Однако в этом положении  а магниты 12 начинает воздействовать противодействующий крут щий момент, возникающий в результате взаимодействи  протекакщего в противоположном направлении тока по стороне 27 катушки группы А с верхней площадкой 31 магнита 12,, Однако величина этого противодействующего крут щего момен-.

ранство от поверхности пластины 33 до поверхности, вершины посто нных магнитов 12, закрыва  острые кромки магнитов 12с Наличие такого пластического материала способствует удержанию посто нных магнитов на месте и уменьшает величину силы трени  о воздухо

Принцип действи  электродвигател  можно по снить при помощи схем, показанных на фиг 4-7. По фиг. 4 вершины 31 магнитов 12 расположены практически на одной линии с центрами катушек группы АО Если запитать катушки А (катушки В в это врем  обесточены), то ток, протекающий по этим катушкам в плоскости, параллельной диску 8, создает магнитные

пол , направлени  которых перпендикул рны плоскости статора 13 и параллельны магнитным пол м посто нных магнитов 12. При этом направление магнитного пол  каждой катушки одиный полюс магнита обращен в сторону секериого полюса смежной катушки.

0 Вследствие этого между возбужденными катупжами 18 и посто нными магнитами 12 возникает сила магнитного прнт женн , котора  стремитс  расположить в одну линию магнитные оси

g каждой катушки группы А с мах нитными ос ми смежного магнита 12, что в итоге создает крут щий момент, приложенный к роторному диску 8, В действительности прит гиваетс  дельй участок, например основание 32 каж0

5

0

5

дого магнита ,12, к центру катушки группы А с левой ее стороны против часовой стрелки, что вызьгоает вращение в направлении, показанном стрелкой W.

В положении, показанном на фиг,5, больша  часть магнита 12 взаимодействует со стороной 28 катушки , что увеличивает крут щий момент , приложенный к ротору. Однако в этом положении  а магниты 12 начинает воздействовать противодействующий крут щий момент, возникающий в результате взаимодействи  протекакщего в противоположном направлении тока по стороне 27 катушки группы А с верхней площадкой 31 магнита 12,, Однако величина этого противодействующего крут щего момен-.

1

та много меньше пр мого крут щего моме имеющего направление со , создаваемого при взаимолействии магнита 12 со стороной 28 катушки группы А, что объ сн етс  меньшей площалью магнита в его вершине 31, взаимодействующей со стороной 27 катушек группы А, В итоге это приводит к спр млению кривой крут щего момента, отличающейс  от обычной синусоиды (фиг, 8).

Согласно фиг. 8 ток начинает протекать по катушке группы А в момент времени t, когда относительное расположение катушек и.посто нных магнитов соответствует фиг. 4. Крут щий

момент дл  точки t представлен кривой 36. В момент времени t,взаимное расположение обмоток и посто нных магнитов соответствует показанному на фиг о 5, при этом крива  зависимости крут щего момента от времени становитс  более плоской относительно момента времени t,. По этой причине магнит 12 и ротор продолжают вращатьс  в направлении 03 .

Когда вершины магнитов занимают положение, показанное на фиг. 6, участок каждого из магнитов 12, с которым взаимодействует сторона 28 катушек группы А, становитс  несколько больше по сравнению с положением, показанным на фиг, 5, в то врем  как площадь вершин магнитов 12, подверженна  воздействию обратного крут щего момента, более заметно возрастает по сравнению с площадью верщины дл  случа , показанного на фиг. 5. В это врем  активный участок магнита, взаимодействующий со стороной 28 катушки, все еще больше активного участка магнита, взаимодействующего со стороной 27 катушки, в результате чего магниты 12 и роторный

диск 8 продолжают вращатьс  в направлении со , но при этом величина крут щего момента несколько уменьшаетс  и становитс  равной величине, соответствующей моменту времени t (фиг, 8). Следовательно, пр мой крут щий момент все еще больше величины обратного крут щего момента, возникающего в результате взаимодействи  стороны 27 катушки и более узких участков магнита 12. Скругленное основание обеспечивает наличие у посто нного магнита участка, к которому прит гиваетс  плоска  сторона 28 катушки, наход щейс  в возбужденном

А877

,

10

состо нии между моментами времени t и t,. Если бы основание магнита было

5

5

3 плоским

10

15

Если бы основание магнита

то могла бы образовьшатьс  мертва  зона, когда основание магни- та располагаетс  на одной линии непосредственно со стороной 27 катутп- ки„ При отсутствии скругленного основани  в точке t. знак момента мен етс , после чего величина крут щег го момента измен етс  в соответствии с пунктирной кривой, показанной на фиг о 8 о

Положение, показанное на фиг. 7, соответствует тому, которое занимают магниты 12 после перемещени  их на 180 элоград.относительно положени , показанного на фиг. 4. В этом положении вершина 31 каждого посто- 0  нного магнита 12 расположена практически на одной линии с центрами катушек группы В и наход тс  в таком же самом относительном положении , которое занимали посто нные маг- 25 ниты 12 и катушки группы А на фиг.4. Если в этот момент времени переключить ток с катушек группы А на катушки группы В, то рассмотренный цикл изменени  крут щего момента на ин- 0 тервале времени от момента t, до момента t, повторитс  в соответствии кривой 37, показанной на фиг. В.

Сигнальньш элемент It (фиг. 9) содержит р д расположенных радиаль- но выступов 38, которые смещены друг от друга на определенный угол и отделены один от другого промежутками 39 о Величина угла, занимаемого самим выступом 38 и 0 ним промежутком, люпа ,

ных на число катушек А или число катушек группы В. По фиг. 9 этот угол равен 22,5°.

При возбуждении чувствительного элемента 19 источником 22 питани  Начинает работать переключающа  схема 20 (фиг. 10).Переключающа  схема 20 включает пару транзисторов 40.1, образующих схему Дарлингтона, которые служат дп  запитьшани  группы А . 4сатушек, и аналогично соединенную пару транзисторов 40.2, в результате чего ток начинает протекать через группу В катушек. Группы А и В катушек могут располагатьс  в смежных плоскост х. Например, две группы катушек могут быть расположены с противоположных сторон диска. В другом варианте две группы катушек моследующим за равна 360 , делен0

5

II

гут быть разделены, при этом одна группа, установленна  на статоре, располагаетс  с одной стороны роторного элемента, а друга  группа - с его противоположной стороны.

На фиг. 11 представлен вариант двигател , который содержит два статора 13, расположенных по обе стороны роторного диска 8. В обнотках катушек 18, расположенных на одном статорном кольце, ток протекает в том же направлении. В результате на роторный диск 8 воздействует крут щий момент в направлении Q .

В третьем варианте статор вьшол- нен с двум  активными поверхност ми напротив которых установлен свой роторный диск 8 (фиг. 12). Второй роторный диск представл ет собой зеркальное отражение первого. На каждом диске расположены посто нные магниты 12. Пол рность магнита роторного диска, расположенного с одной стороны статора, противоположна пол рности диска, расположенного с другой стороны статора.

Выполнение двигател  с двум  роторами или двум  статорами повьпиает его удельные массогабаритные показа телИс

Изобретение может найти пр мене мне при создании высокоскоростных венти.пьных электродвигателей с высокой равномерностью скорости вращени .

Claims (15)

1. Формула изобретени 

   1 с Бесщеточна  электрическа  машина посто нного тока дискового типа , содержаща  коаксиально расположенные относительно друг друга статор и ротор, на одном из которых расположены I посто нные магниты, а на другом - обмотка  кор , актигвна  поверхность которой обращена к активной поверхности полюсов посто нных магнитов, обмотка  кор  выполнена в виде отдельных катушек, образующих катушек, расположенных в магнитном поле посто нных магнитов с условым смещением относительно Друг друга, и переключающее устрой- стпо, предназначенное пн  поочередного подключени  групп катушек обмотки

    кор  к цепи посто нного тока, отличающа с  тем, что, с целью повышени  К1Щ, катушки обмотI 2

   5

   0 5

   Q

   5

   0

   5

   0

   5

   ки  кор  вьшолнены с одинаковым направлением намотки, активные поверхности посто нных магнитов имеют одинаковую , пол рность, кажда  катушка или каждый посто нный магнит вьтол- нен с возможностью изменени  силы магнитного взаимодействи  между посто нным магнитом и током в катушке в .окружном направлении.
2. 2. Машина по п. 1, отлича- ю щ а   с   тем, что посто нные магниты расположены на роторе, а обмотка  кор  - на статоре.
3. 3 о Машина по п. 1, отличающа с  тем, что катушки двух групп установлены компланарно и чередуютс  между собой в окружном направлении,
4. 4.Машина по пп. 1 и 2, о т л и- чающа с  тем, что стороны катушек расположены радиально.
5. 5.Машина попп„1-4, о т л и ч а- ю щ а   с   тем, что р дом расположенные катущки примыкают одна к другой.
6. 6.Машина по пп.1-5, о т л и ч а- ю щ а   с   тем, что р дом расположенные катушки смещены на рассто ние , большее максимальной ширины катушки в окружном направлении.
7. 7о Машина по пп.1-6, отличающа с  тем, что полюса образованы отдельными посто нными магнитами .
8. 8. Машина по п. 7, отличающа  с   тем, что либо катушки, либо посто нные магниты выполнены с радиальным размером, уменьшак«цим- с  в окружном направлении.
9. 9. Мапшна по п. 8, о т л и ч а- ю щ а   с   тем, что переключающее устройство выполнено с возможностью подключени  катушек к цепи посто нного тока при таком положении, когда суженный участок посто нного магнита расположен напротив центра катушки .
10. 10о Машина по пп.1-9, отличающа с  тем, что число катушек в два раза больше числа посто нных магнитов.
11. 11. Машина по пп.1-10, отличающа с  тем, что соседние. катушки двух групп смещены на ширину катушки.
12. 12.Машина по пп„1-10, отличающа с  тем, что соседние

    катушки двух групп смещены на половину ширингл катушки.
13. 13.Машина по пп. 1-12, отличающа с  тем, что она снабжена вторым  корем, аналогичным первому  корю, посто нные магниты выполнены с двум  активными поверхност ми , активна  поверхность второго  кор  обращена к второй активной поверхности посто нных магнитов.
14. 14.Машина по пп.1-12, о т л и- чающа с  тем, что она снабжена вторыми посто нными магнитами,  корь выполнен с двум  активными поверхност ми, активна  поверхность вторых посто нных магнитов обращена к второй активной поверхности  кор .
15. 15. Машина по пПо1-14, о т л и- чающа .с  тем, что площадь активной поверхности каждой из катушек меньше площади актийной поверхности посто нного магнита.

    16о Машина по пп.1-15, отличающа с  тем, что форма катушек отличаетс  от формы посто нных магнитов,

    17, Машина по пп.1-16, о т д и- чающа с  тем, что посто нные магниты выполнены с активной поверхностью треугольной формы с основанием, расположенным радиаль- но„

    18о Машина по пп.1-17, о тд и- чающа с  тем, что катушки имеют форму дисковых сегментов

    5-5

    Фи&.2

    7S

    Il4.

    f4

    iS

    cpu.S

    IS

    /4

    12.

    21

    38

    if

    Фиг.З

    2.7

    Фиг. 6

    Фчг.10

    Фи2.11

    Редактор И. Рыбченко

    Составитель А. Сантапов

    Техред л.Олийнык Корректор Н.Король

    Заказ 4137/59

    Тираж 646

    ВНИИПИ Государственного комитета по изобретени м и открыти м при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д. 4/5

    Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

    13189

    23

    -В

    -12.

    Фиг.11

    Подписное