Бесщеточная электрическая машина постоянного тока дискового типа

 

Изобретение относится к электрическим вентильным машинам дискового типа. Целью изобретения является 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 перемежающиеся группы А и В катушек 18, поочередно запитываемых током, в одном и том же направлении. На роторном диске расположен по меньшей мере один постоянный магнит 12, имеющий асимметричную форму относительно формы катушек 18 статора, причем каждый магнит имеет участок 31 вершины и участок 32 основания, магнитное поле с общей полярностью проходит в том же самом осевом направлении, что и магнитное поле катушек. Когда участки вершин магнитов располагаются на одной линии с первой группой катушек, осуществляется запитывание этой группы катушек, в результате чего создается крутящий момент, приложенный к ротору без мертвых зон при однофазной обмотке статора. В режиме вентильного электродвигателя машина имеет простейший коммутатор на двух ключах. 17 з.п.ф-лы, 12 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) 5р 4 Н 02 К 29/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н IlATEHTY

12 !

Ж

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPbfTHRM

ПРИ ГКНТ ССОР (21) 3498827/24-07 (86) РСТ/VS 82/00072 (05.02 ° 82) (22) 06.10.82 (31) 232810 (32) 09.02.81 (33) US (46) 15.07.89. Бюл. Р 26 (71) Дэвид Х.Раш (VS) (72) Джеймс Х.Хан (US) (73) Дэвид х. Раш (vs) (53) 621.313. 292 (088. 8) (56) Заявка Великобрйтании

М 1407437, кл. Н 2 А, 1975.

Патент Франции В 2076493, кл. Н 02 К 29/ООФ 1971. (54) ВЕСЩЕТОЧНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ПОСТОЯННОГО ТОКА ДИСКОВОГО ТИПА (57) Изобретение относится к электрическим вентильным машинам дискового типа. Целью изобретения является 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 перемежакщиеся группы А и В катушек 18, поочередно запитываемых током, в одном и том же направлении. На роторном диске расположен по меньшей мере один постоянный магнит 12, имеющий асимметричную форму относительно формы катушек 18 статора, причем каждый магнит имеет участок 31 вершины и участок 32 основания, магнитное поле с общей полярностью проходит в том же осевом направлении, что и магнитное поле катушек. Когда участки вершин магнитов располагаются на одной-линии с первой группой катушек, осуществляется запитывание этой группы катушек, в результате чего создается крутящий момент, приложенный к ротору,без мертвых зон при однофаэной. обмотке статора. В режиме вентипьного электродвигателя машина имеет простейший коммутатор на двух ключах.

17 з.п.ф-лы, 12 ил.

149

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам постоянного тока дискового типа.

Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия и равномерности вращающего момента.

На фиг. 1 показана предлагаемая машина, сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 2 — сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 3 — сечение В-В на фиг. 1; на фиг.4-7 — участки статора с пунктирным изображением магнитов роторного диска для различных положений статора относительно ротора; на фиг.8график, показывающий характер изменения крутящего момента двигателя от угла поворота в соответствии с положениями, показанными на фиг.4-7; на фиг. 9 — фрагмент сигнального элемента датчика положения ротора; на фиг. 10 — блок-схема переключающего устройства; на фиг ° 11 — двигатель с двумя дисками якоря, поперечное сечение; на фиг. 12 — двигатель с двумя роторами и одним якорем, фрагмент поперечного сечения.

Электрическая машина может быть использована как в качестве двигателя, так и в качестве генератора.

Вал 1 установлен на подшипниках

2 и расположен вдоль центральной линии секций 3 и 4 корпуса двигателя. К валу посредством штифта 5 прикреплена металлическая втулка 6.

К металлической втулке 6 при помощи винтов 7 прикреплен ротор, имеющий первый ферромагнитный диск 8 и второй ферромагнитный диск 9, расположенный параллельно и на некотором расстоянии 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 жения ротора. На роторном диске 8 устанавливаются один ипи несколько постоянных магнитов 12. В машине может использоваться любое количество постоянных магнитов 12, четное или нечетное. В рассматриваемом варианте используется восемь постоянных магнитов.

4877

Кольцеобразный статор 13 прикреплен при помощи винтов 14 (фиг. 2) и йрокладочнйх колец 15 (фиг. 3) к

5 одной из секций корпуса электродвигателя. Статорное кольцо 13 расположено между роторными дисками 8 и 9, образуя первый воздушный зазор 16 между роторным диском 8 и статором

i3 и второй воздушный зазор 17 между статором 13 и вторым роторным диском

9. ГРуппы А и В соединенных вместе катушек 18 образуют плоское сташорное кольцо. Соседние катушки двух

15 групп могут быть смещены на ширину катушки или на половину ширины катушки. Число катушек в предпочтительном случае выбирают в два раза больше числа постоянных магнитов 12. Ка2р тушки группы А чередуются с катушка,ми группы В таким образом, что по окружности катушки располагаются в следующей последовательности: А, В, А, В и т,д. Катушки двух групп уста25 новлены компланарно, смежные стороны катушек расположены радиально и примыкают друг к другу.

Каждый магнит 12 намагничивания в поперечном направлении таким образом, что одна его сторона имеет одну и ту же полярность (например.южную), в то время как его противоположная сторона, примыкающая к роторному диску 8, имеет противоположную полярность, например северную. Маг35 нитный поток проходит от одного полюса каждого магнита 12 через воздушный зазор 16, противолежащую катушку или катушку 18 статорного кольца, через второй воздушный зазор 17, н радиальном направлении вдоль второго роторного диска 9, в осевом направлении через прокладочное кольцо

10, в радиальном направлении вдоль роторного диска 8 и возвращается

45 к противоположной стороне или полюсу постоянного магнита 12.

Чувствительные элементы 19 датчика положения ротора, в качестве ко— торых могут быть использованы фото" элементы или датчики Холла, установлены на секции 4 корпуса и.подключены к управляющим входам схемы 20 переключения обмоток, установленной на кронштейне 21 в секции 4 корпуса.

Источник 22 питания датчика установ лен на кронштейне 23 в секции 4 корпуса. Сигнальный элемент 11 имеет радиальное расположенные выступы, 1494877

40 смещенные друг относительно друга на определенный угол.

Предусмотренные в статоре 13 вентиляционные отверстия 24 способству5 ют охлаждению кожуха посредством конвенции воздушных потоков. Питающие проводники 25 для катушек 18 проходят через отверстие в секции 4 корпуса двигателя, от которого они fp изолированы при помощи изолятора 26.

Катушки 18 расположены на статоре в виде круговой матрицы на равнык расстояниях от оси вала. На фиг, 2 каждая катушка имеет треуголь- 15 ную форму или форму части диска с прямолинейными сторонами 27 и. 28 и дугообразным участком, или основанием 29, плавно соединенным с этими сторонами, при этом внутренняя вер- 20 шина 30 направлена в сторону центра статора 13 и вала I, Такая конфигурация катушек позволяет обеспечить максимальную площадь для каждой катушеки. Рядом расположенные катушки 25 могут быть смещены на расстояние, большее максимальной ширины катушки в окружном направлении.

Каждая катушка содержит один ипи несколько витков, при этом плоскость катушки расположена параллельно или в плоскости статорного кольца.

В предпочтительном варианте катушки изготовлены беэ перекрытия многовитковыми, с одинаковым числом витков в каждой, и наматываются в од35 ном и том же направлении (т.е. все наматываются по часовой стрелке или все наматываются против часовой стрелки) .

Катушки каждой группы А и В соединяются последовательно или какимлибо другим образом (например, параллельно или последовательно-парал» лельно) с тем, чтобы величина проте- 45 кающего по ним тока была одной и той же. В рассматриваемом варианте используется шестнадцать катушек: восемь в группе А и восемь в группе В. Указанные катушки смещены друг относительно друга на одинаковые углы.

В двигателе может использоваться и другое количество постоянных магнитов. В описываемой системе может использоваться до двенадцати посто55 янных магнитов. Постоянные магниты

12 располагаются и виде круговой

Матрицы на роторнои диске 8 и имеют треугольную либо другую форму (например трапецеидальную, овальную или сплющенную и т.д.), которая оч личается от формы обмоток. Площадь активной поверхности каждой из катушек может быть меньше площади активной поверхности постоянного магнита. Катушки могут иметь форму дисковых сегментов, Поскольку маг« нит с такой формой создает магнитный поток, несбалансированный относительно магнитного потока, создаваемого катушками t8, то создается крутящий момент. В однофазном двигателе может создаваться положительный однонаправленный крутящий момент беэ мертвых зон.

Предпочтительно использовать отдельные постоянные магниты, а ие единое магнитное кольцо (например, из порошкообразного железа или херами ческого материала) с множеством полюсов. Использование отдельных постоянных магнитов позволяет сформировать поле с нужным распределением, обеспечить меньший вес и меньшую инерцию и исключить проблему лом кости цельного магнитного кольца.

Постоянные магниты 12 (фиг. 3) имеют форму равнобедренных треугольников, у каждого из которых имеется вершина 3t и основание 32, причем ось каждого треугольника направлена перпендикулярно радиальному направлению. Вершина 31 одного постоянного магнита 12 отделена от основания

32 смежного с ним постоянного магнита 12. Однако в общем случае вершина 31 одного магнита может быть соединена с основанием 32 смежного магнита. Вершина 31 каждого постоянного магнита направлена к внешнему участку основания 32 смежного магнита, а не к его центру. Чередование постоянных магнитов 12 по схеме вершина — основание — вершина повторяется на протяжении круговой матрицы, расположенной вокруг оси роторного диска 8. Постоянный магнит может не, иметь строгую форму равнобедренного треугольника или прямолинейные стороны. Например, участок вершины постоянных магнитов 12 может быть более продолговатым по сравнению с показанным на фиг. 3 или более тупым, что выбирается из условия получения заданного характера изменения крутя щего момента. притяжения, которая стремится располо.кить в одну линию магнитные оси каждой катушки группы А с магнитными асями смежного магнита 12, что в итоге создает крутящий момент, приложенный к роторному диску 8. В действительности притягивается целый участок, например основание 32 каждого магнита 12, к центру катушки группы А с левой ее стороны против часовой стрелки, что вызывает вращение в направлении, показанном стрелкой W.

В положении, показанном на фиг.5, большая часть магнита 12 взаимодействует со стороной 28 катушки, что увеличивает крутящий момент, приложенный к ротору. Однако в этом положении на магниты 12 начинает воздействовать противодействующий крутящий момент, возникающий в результате взаимодействия протекакщего в противоположном направлении тока по стороне 27 катушки группы А с верхней площадкой

31 магнита 12„ Однако величина этого противодействующего крутящего момен-

7 149487

Постоянные магниты 12 в предпочтительном случае располагают на роторном диске 8 таким образом, чтобы один угол основания 32 был смежным с внешней окружностью роторного диска 8, Желательно, чтобы основание 32 каждого постоянного магнита имело скругленную форму, как это показано на фиг. 3. Такое скругленное осно- . 10 ванне 32 направлено радиально, что обеспечивает некоторое расстояние между линейными сторонами 27, 28 катушек и основанием 32 постоянного магнита 12, 15

Поскольку во всех катушках 18 ток протекает в одном и том же направле.нии, создавая магнитные поля того же направления, что и поля постоянных магнитов 12, то предотвращается 20 размагничивание постоянных магнитов, которое имело бы место при противоположном направлении протекания тока в катушках.

Возможен вариант устройства, в ко- 25 тором ток во всех катушках протекает в таком направлении, при котором создаваемое магнитное поле обращено в осевом направлении, противоположном направлению поля, создаваемого 30 постоянными магнитами 12. В таком устройстве постоянные магниты перемещаются в направлении, противополож ном направлению их перемещения в варианте изобретения, описанном вьг ше.

При сборке ротора выштамповывают пластину 33 из прочного немагнитного термостойкого материала, например из сплава алюминия, с отверсти-. 40 ями, форма которых совпадает с hopмой постоянных магнитов 12. Пластину 33 фиксируют путем соединения с роторным диском 8 (фиг. 1), после чего в отверстия пластины 33 вставляют постоянные магниты 12, которые приклеивают к диску 8. Внешние участки 34 пластины 33 (фиг, 3) способствуют закреплению постоянных магнитов на месте и препятствуют цх смещению под действием центробеж ной силы, возникающей при вращении роторного диска 8. Обычно толщина немагнитной пластины 33 меньше толщины магнитов 12. На поверхности немагнитной пластины 33 и вокруг магнитов 12 прокладывают материал

35 из термореактивной пластмассы, который равномерно. заполняет прост7

8 ранство от поверхности пластины 33 до поверхности вершины постоянных магнитов 12, закрывая острые кромки магнитов 12, Наличие такого пластического материала способствует удержанию постоянных магнитов на месте и уменьшает величину силы трения о воздух.

Принцип действия электродвигателя можно пояснить при помощи схем, показанных на фиг. 4-7. По фнг. 4 вершины 31 магнитов 12 расположены практически на одной линии с центрами катушек группы А. Если запитать катушки А (катушки В в это время обесточены), то ток, протекающий по этим катушкам в плоскости, параллельной диску 8, создает магнитные поля, направления которых перпендикулярны плоскости статора 13 и параллельны магнитным полям постоянных магнитов 12. При этом направление магнитного поля каждой катушки одинаково с направлением магнитного поля взаимодействующего с ней постоянного магнита, в результате чего южный полюс магнита обращен в сторону северного полюса смежной катушки.

Вследствие этого между возбужденными катушками 18 и постоянными магнитами 12 возникает сила магнитного

1494877

I0 та много меньше прямого крутящего момента состоянии между моментами времени t о имеющего направление () создаваемо- и t . Если бы основание магнита было

Ф 3 го при взаимодействии магнита 12 со плоским, то могла бы образовываться стороной 28 катушки группы А, что

5 мертвая зона когда основание магни-

У объясняется меньшей площадью магнита та располагается на одной линии нев его вершине 31, взаимодействующей посредственно со стороной 27 катушсо стороной 27 катушек группы А, ки. При отсутствии скругленного осВ итоге это приводит к спрямлению нования в точке й4 знак момента мекривой крутящего момента, отличающей- 1ð няетсн, после чего величина крутяще ся от обычной синусоиды (фиг. 8). го момента изменяется в соответствии

Согласно фиг. 8 ток начинает про- с пунктирной кривой, показанной на текать по катушке группы А в момент фиг. 8. времени t,, когда относительное рас- Положение, показанное на фиг. 7 ° положение катушек и .постоянных маг- 15 соответствует тому, которое заниманитов соответствует фиг. 4. Крутящий ют магниты 12 после перемещения их момент для точки ср представлен кри- на 180 эл.град. относительно положевой 36. В момент времени t взаимное ния, показанного на фиг. 4. В этом расположение обмоток и постоянных положении вершина 31 каждого постомагнитов соответствует показанному 2р янного магнита 12 расположена пракна фиг. 5, при этом кривая зависимос- тически на одной линии с центрами ти крутящего момента от времени ста- катушек группы В и находятся в тановится более плоской относительно ком же самом относительном положемомента времени t . По этой причине нии, которое занимали постоянные магмагнит 12 и ротор продолжают вращать- 25 ниты 12 и катушки группы А на фиг.4. ся в направлении 63 . Если в этот момент времени переклюКогда вершины магнитов занимают чить ток с катушек группы А на катушположение, показанное на фиг. 6, ки группы В, то рассмотренный цикл участок каждого из магнитов 12, с изменения крутящего момента на инкоторым взаимодействует сторона 28 3р тервале времени от момента to до катушек группы А, становится несколь- момента t повторится в соответствии ко больше по сравнению с положением, .кривой 37, показанной на фиг ° 8 ° показанным на фиг, 5, в то время Сигнальный элемент 11 (фиг. 9) как площадь вершин магнитов 12, под- содержит ряд расположенных радиальверженная воздействию обратного кру- З но выступов 38, которые смещены друг тящего момента, более заметно воз- от друга на определенный угол и отрастает по сравнению с площадью делены один от другого промежуткавершины для случая, показанного на ми 39. Величина угла, занимаемого фиг. 5. В это время активный участок самим выступом 38 и следующим за магнита, взаимодействующий со сторо- 4р ним промежутком, равна 360, деленной 28 катушки, все еще больше актив- ных на число катушек А или число каного участка магнита, взаимодейству- тушек группы В. По фиг. 9 этот угол ющего со стороной 27 катушки, в ре- равен 22,5 зультате чего магниты 12 и роториый При возбуждении чувствительного диск 8 продолжают врашаться в направ- 45 элемента 19 источником 22 питанйя лении Ы, но при этом величина крутя- начинает работать переключающая схещего момента несколько уменьшается ма 20 (фиг, 10).Переключающая схема и становится равной величине, соот- 20 включает пару транзисторов 40;1 ° ветствующей моменту времени и образующих схему Дарлингтона, кото(фиг. 8) . Следовательно, прямой кру- 50 рые служат для запитывания труппы А тящий момент все еще больше величи- -катушек, и аналогично соединенную ны обратного крутящего момента, воз- пару транзисторов 40.2, в результаникающего в результате взаимодей- те чего ток начинает протекать через ствия стороны 27 катушки и более уз- группу В катушек. Группы А и В катукнх участков магнита 12. Скругленное шек могут располагаться в смежных

55 основание обеспечивает наличие у по- плоскостях. Например, две группы стоянного магнита участка, к которо- катушек могут быть расположены с му притягивается плоская сторона 28 противоположных сторон диска. В дру. катушки, находящейся в возбужденном гом варианте две группы катушек мо1494877

15

Формула из обре тения

1 . Бесщеточная электрическая ма- 40 шина п6стоянного тока дискового типа, содержащая коаксиально расположенные относительно друг друга статор и ротор, на одном из которых расположены постоянные магниты, а 45 на другом — обмотка якоря, активная поверхность которой обращена к активной поверхности полюсов постоянных магнитов, обмотка якоря выполнена в виде отдельных катушек, образующих группы катушек, расположенных в магнитном поле постоянных магнитов с угловым смещением относительно друг друга, и переключающее устройство предназначенное для поочередЭ

55 ного подключения групп катушек o6MQTки якоря к цепи постоянного тока, ! отличающаяся тем, что, с целью повышения К1Щ, катушки обмотгут быть разделены, при этом одна группа, установленная на статоре, располагается с одной стороны роторного элемента, а другая группа—

Э с его противоположной стороны, На фиг. 11 представлен вариант двигателя, который содержит два статора 13, расположенных по обе стороны роторного диска 8, В обиотках катушек 18, расположенных на одном статорном кольце, ток протекает в том же направлении. В результате на роторный диск 8 воздействует крутящий момент в направлении (а .

В третьем варианте статор выполнен с двумя активными поверхностями,,напротив которых установлен свой роторный диск 8 (фиг. 12) . Второй роторный диск представляет собой зеркальное отражение первого. На каждом диске расположены постоянные магниты 12. Полярность магнита роторного диска, расположенного с одной стороны статора, противоположна 25 полярности диска, расположенного с другой стороны статора.

Выполнение двигателя с двумя роторами или двумя статорами повышает его удельные массогабаритные показатели, Изобретение может найти применение при создании высокоскоростных вентильных электродвигателей с высокой равномерностью скорости враще35 ния ° ки якоря выполнены с одинаковым направлением намотки, активные поверхности постоянных магнитов имеют одинаковую полярность, каждая катушка ипи каждый постоянный магнит выполнен с воэможностью изменения силы магнитного взаимодействия между постоянным магнитом и током в катушке в,окружном направлении.

2. Машина по и. 1, о т л и ч аю щ а-я с я тем, что постоянные магниты расположены на роторе, а обмотка якоря — на статоре.

3. Машина по п. 1, о т л и ч аю щ а я с я тем, что катушки двух групп установлены компланарно и чередуются между собой в окружном направлении.

4, Машина по пп. 1 и 2, о т л ич а ю щ а я с я тем, что стороны катушек расположены радиально.

5. Машина по пп.1-4, о т л и ч аю щ а я с я тем, что рядом расположенные катушки примыкают одна к другой.

6. Машина по пп.1-5, о т л и ч аю щ а я с я тем, что рядом расположенные катушки смещены на расстояние, большее максимальной ширины катушки в окружном направлении.

7. Машина по пп.1-6, о т л и ч аю щ а я с я тем, что полюса образованы отдельными посToянными магнитами.

8. Машина по п. 7, о т л и ч аю щ а я с я тем, что либо катушки, либо постоянные магниты выполнены с радиальным размером, уменьшающимся в окружном направлении.

9. Машина по п. 8, о т л и ч аю щ а я с я тем, что переключающее устройство выполнено с возможностью подключения катушек к цепи постоянного тока при таком положении, когда суженный участок постоянного магнита расположен напротив центра катушки.

10. Машина по пп.1-9, о т л ич а ю щ а я с я тем, что число катушек в два раза больше числа постоянных магнитов °

11. Машина по пп.1-10, о т л ич а ю щ а я с я тем, что соседние. катушки двух групп смещены на ширину катушки.

12.Машина по пп.1-10, о т л ич а ю щ а я с я тем, что соседние

О /В

2—

8 Б

Фиг./

Фиа 2

I 3 14948 катушки двух групп смещены на половину ширины катушки.

13. Машина по пп. 1-12, о т л ич ающа я с я тем, что она снабжена вторым якорем, аналогичным первому якорю, постоянные магниты выполнены с двумя активными поверхностями, активная поверхность второго якоря обращена к второй активной поверхности постоянных магнитов.

14. Машина по пп.1-12, о т л ич а ю щ а я с я тем, что она снабжена вторыми постоянными магнитами, якорь выполнен с двумя активными поверхностями, активная поверхность вторых постоянных магнитов обращена к второй активной поверхности якоря.

77 l4

15. Машина по пп.1-14, о т л ич а ю щ а я. с я тем, что площадь активной поверхности каждой из катушек меньше площади активной поверхности постоянного магнита.

16. Машина по пп.1-15, о т л ич а ю щ а я с я тем, что форма катушек отличается от формы постоянных магнитов.

17. Машина по пп.1-16, о т л ич а ю щ а я с я тем, что постоянные магниты выполнены с активной поверхностью треугольной формы с основанием, расположенным радиально.

18. Машина по пп.1-17, о т л ич а ю щ а я с я тем, что катушки имеют форму дисковых сегментов.

1494877

В-В

1494877

Фиг.Я 4

1494877

43f8 9

Фиг Q

Составитель А. Санталов

Техред Л. Олийнык Корректор Н.Король

Редактор И. Рыбченко

Тираж б46

Подписное

Заказ 4137/59

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101