Электрический двигатель с низким моментом короткого замыкания, приводное устройство с несколькими двигателями и способ изготовления такого двигателя
Изобретение относится к электрическому двигателю с низким моментом короткого замыкания, предназначенному для использования в приводном устройстве с несколькими двигателями, приводящими в движение один и тот же элемент. Технический результат – осуществление двигателя с магнитом, характеризующегося низким моментом короткого замыкания между фазами. Двигатель содержит статор (1), образованный пакетом листов с обмотками, образующими фазы, и ротор (2), оснащенный магнитами, распределенными в угловом направлении, по меньшей мере, вокруг участка (5) ротора, и установленный с возможностью поворота в гнезде (3) статора. Статор имеет длину, превышающую длину указанного участка ротора. Ротор оснащен по меньшей мере одним кольцом (6) из магнитного материала, смежным с указанным участком ротора и установленным в гнезде статора. Зазор между кольцом и статором идентичен зазору между магнитами и статором. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к электрическому двигателю с низким моментом короткого замыкания, предназначенному для использования в приводном устройстве с несколькими двигателями, приводящими в движение один и тот же элемент.
Как правило, двигатель с магнитами содержит ротор, оснащенный магнитами, и статор, образованный пакетом листов, окруженным электрическими цепями в виде обмоток, образующими электрические фазы и обеспечивающими управление двигателем.
Некоторые приводные устройства содержат первый двигатель и второй двигатель, которые соединены с одним элементом и приводят в движение этот элемент независимо друг от друга. Для этого роторы обоих двигателей могут быть соединены с одним валом.
В режиме номинальной работы используют только первый двигатель для приведения в движение элемента, а второй двигатель применяют только в случае отказа первого двигателя.
Эта избыточность обеспечивает более надежную работу приводного устройства, хотя и за счет относительно большой массы приводного устройства.
Кроме того, некоторые неисправности двигателя или его электроники управления могут привести к созданию двигателем усилия торможения. Поэтому параметры двигателей необходимо рассчитывать с возможностью компенсации этого усилия торможения, создаваемого неисправным двигателем. В частности, если неисправный двигатель имеет короткое замыкание между фазами, приведение в движение элемента другим двигателем приводит к вращению ротора неисправного двигателя и к наведению в короткозамкнутых фазах тока, который невозможно устранить и который приводит к появлению противодействующего момента.
Следовательно, параметры двигателей необходимо рассчитывать таким образом, чтобы они могли самостоятельно перемещать элемент с учетом не только внешних воздействий на элемент, то также противодействующего момента, который может создавать неисправный двигатель. Таким образом, двигатели должны создавать больший момент, что приводит к повышению их стоимости, к увеличению их габарита и массы.
Следует напомнить, что максимальный момент короткого замыкания Ссс имеет значение Ссс=3/2⋅K2/(2p⋅(L-M)) и появляется при скорости V=R/(p⋅(L-M)) и при крутизне p=3/2⋅K2/R, где K является коэффициентом момента фаза/нейтраль, ρ является числом пар полюсов, L является индуктивностью двигателя, M является совокупной индуктивностью фаза/нейтраль и R является сопротивлением фаза/нейтраль.
Для ограничения этого момента, как известно, увеличивают сопротивление обмоток, чтобы увеличить скорость вращения ротора, при которой появляется максимальный момент. Однако это решение применимо только для двигателей, работающих на низкой скорости. Кроме того, оно способствует увеличению потерь за счет эффекта Джоуля, что приводит к снижению характеристик двигателя и делает невозможным охлаждение двигателя.
Изобретение призвано предложить двигатель с магнитом, характеризующийся низким моментом короткого замыкания между фазами.
В связи с этим объектом изобретения является двигатель с магнитами, содержащий статор, образованный пакетом листов с обмотками, образующими фазы, и ротор, оснащенный магнитами, распределенными в угловом направлении, по меньшей мере, вокруг участка ротора, и установленный с возможностью поворота в гнезде статора. Гнездо статора имеет длину, превышающую длину указанного участка ротора, и ротор оснащен по меньшей мере одним кольцом из магнитного материала, смежным с указанным участком ротора и установленным в гнезде статора.
Таким образом, кольцо из магнитного материала увеличивает индуктивность двигателя, что позволяет уменьшить максимальный момент короткого замыкания. Заявленное решение представляет исключительный интерес, так как низкий момент короткого замыкания получают без изменения конструкции статора и, следовательно, без изменения промышленного инструмента, используемого для его изготовления. Это же касается и общей конструкции ротора. Изготовление заявленного двигателя обходится не намного дороже, чем изготовление классического двигателя.
Кроме того, объектом изобретения является приводное устройство, содержащее по меньшей мере два двигателя, по меньшей мере один из которых является двигателем вышеупомянутого типа, при этом оба двигателя соединены с одним перемещаемым элементом.
Двигатель вышеупомянутого типа используют в режиме номинальной работы для приведения в движение перемещаемого элемента. В случае короткого замыкания между фазами, поскольку максимальный момент короткого замыкания является незначительным, параметры другого двигателя в основном рассчитаны только в зависимости от момента, необходимого для приведения в движение перемещаемого элемента. Следовательно, приводное устройство в соответствии с изобретением является менее тяжелым и менее громоздким, чем приводные устройства с несколькими классическими двигателями.
Объектом изобретения является также способ изготовления такого двигателя. Этот способ включает в себя этапы изготовления статора, установки магнитов на роторе и установки на роторе кольца из магнитного материала, при этом длину статора и кольца выбирают в зависимости от требуемой индуктивности двигателя и кольцо имеет наружную поверхность, выбираемую в зависимости от требуемого магнитного сопротивления двигателя.
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания частных не ограничительных вариантов выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 - схематичный вид в продольном разрезе двигателя согласно первому варианту выполнения изобретения;
фиг. 2 - вид этого двигателя в поперечном разрезе по линии II-II;
фиг. 3 - вид, аналогичный фиг. 2, версии первого варианта выполнения;
фиг. 4 - вид, аналогичный фиг. 1, двигателя согласно второму варианту выполнения изобретения;
фиг. 5 - вид, аналогичный фиг. 1, двигателя согласно третьему варианту выполнения изобретения.
Показанный на чертежах двигатель в соответствии с изобретением содержит статор 1, классически образованный пакетом листов с обмотками для получения фаз, и ротор 2, установленный с возможностью поворота в гнезде 3 статора 1. Ротор 2 оснащен магнитами 4, распределенными в угловом направлении, по меньшей мере, вокруг участка 5 ротора 2. Общая конструкция двигателя с магнитами известна, поэтому ее подробное описание опускается.
В соответствии с изобретением гнездо 3 статора 1 имеет длину L, превышающую длину 1 указанного участка 5 ротора 2.
Ротор 2 оснащен по меньшей мере одним кольцом 6 из магнитного материала, которое расположено смежно с указанным участком 5 и установлено в гнезде 3 статора 1. В данном случае кольцо 6 выполнено из железа или из магнитного сплава, например из сплава, содержащего железо и кремний или железо и кобальт.
Длину L гнезда 3 статора 1 и длину l' кольца 6 определяют для получения соответствующей индуктивности, чтобы двигатель имел наименьший возможный момент короткого замыкания и при этом сохранял соответствующие характеристики для своего будущего использования.
Зазор между кольцом 6 и статором 1 по существу идентичен минимальному зазору между магнитами ротора 2 и статором 1. Таким образом, кольцо 6 позволяет увеличить индуктивность по сравнению с двигателем, не имеющим такого кольца. Наличие идентичного зазора, с одной стороны, между кольцом 6 и статором 1 и, с другой стороны, между магнитами и статором 1 облегчает также изготовление двигателя.
Как показано на фиг. 1 и 2, согласно первому варианту выполнения, ротор 2 содержит только один участок 5 и кольцо 6 расположено вблизи одного из концов участка 5.
В данном случае кольцо 6 имеет гладкую наружную поверхность. Гладкая поверхность не создает эффекта шероховатости.
В версии, показанной на фиг. 3, кольцо 6 имеет зубчатую наружную поверхность. В данном случае кольцо 6 имеет поперечное сечение с зубчатым контуром.
Зубчатая наружная поверхность позволяет создать эффект магнитного сопротивления, обеспечивающий создание момента путем соответствующего управления двигателем. Это может представлять интерес в некоторых вариантах применения.
Разумеется, зубцы кольца 6 могут иметь параллельные, сходящиеся или расходящиеся боковые стороны в зависимости от требуемого эффекта магнитного сопротивления.
На фиг. 1 пунктирной линией показан второй двигатель для получения приводного устройства с двумя идентичными двигателями, роторы 2 которых соединены с одним выходным валом 7, связанным с перемещаемым элементом. Двигатели соединены с известным блоком 10 управления, выполненным таким образом, чтобы в режиме номинальной работы питание получал только один из двигателей и вращал выходной вал 7.
В нижеследующем описании второго и третьего вариантов выполнения элементы, идентичные или аналогичные описанным выше элементам, имеют такие же цифровые обозначения.
Как показано на фиг. 4 и согласно второму варианту выполнения, ротор 2 содержит два участка 5, оснащенных магнитами 4, и кольцо 6 установлено между двумя участками 5.
Как показано на фиг. 5 и согласно третьему варианту выполнения, ротор 2 содержит два участка 5, оснащенных магнитами 4, и кольцо 6 установлено между двумя участками 5.
Второе кольцо 6 из магнитного материала установлено на конце одного из участков 5.
Во всех вариантах выполнения расположение кольца или колец 6 на роторе предпочтительно осуществляют таким образом, чтобы ограничить риск магнитной утечки на уровне магнитов. Для этого в продольном направлении предусмотрено пространство между кольцом или кольцами 6 и магнитами, причем это пространство больше зазора между магнитами и статором. Предпочтительно пространство в два раза больше этого зазора. В альтернативном варианте или дополнительно кольцо или кольца 6 выполнены из двух коаксиальных кольцевых частей, а именно из наружной части из магнитного материала и внутренней части, входящей в контакт с ротором и, следовательно, выполненной из немагнитного материала. Толщина внутренней части превышает зазор между магнитами и статором.
Двигатель согласно первому варианту выполнения изготавливают при помощи нижеследующего способа.
Способ изготовления в соответствии с изобретением включает в себя следующие этапы:
- изготавливают статор 1,
- устанавливают магниты 4 на участке 5 ротора 2,
- на роторе 2 устанавливают кольцо 6 из магнитного материала.
В ходе осуществления способа длины L и l' соответственно гнезда 3 статора 1 и кольца 6 выбирают в зависимости от требуемой индуктивности двигателя.
Кроме того, кольцо 6 имеет наружную поверхность, выбираемую в зависимости от требуемого магнитного сопротивления двигателя.
Разумеется, изобретение не ограничивается описанными вариантами выполнения и охватывает любую версию, не выходящую за рамки объема изобретения, определенные формулой изобретения.
В частности, приводное устройство может содержать более двух двигателей. Среди этих двигателей только часть может быть оснащена кольцом 6, а другие его не имеют. В этом последнем случае блок управления выполнен таким образом, чтобы использовать в режиме номинальной работы двигатель или двигатели, оснащенные кольцом, а другие двигатели используют в случае отказа.
Роторы двигателей приводного устройства могут быть соединены напрямую с перемещаемым элементом, или могут быть соединены напрямую с одним валом, или могут быть соединены с ними при помощи средства передачи движения.
Двигатель может содержать более двух колец 6.
1. Двигатель с магнитами, содержащий статор (1), образованный пакетом листов с обмотками, образующими фазы, и ротор (2), оснащенный магнитами (4), распределенными в угловом направлении, по меньшей мере, вокруг участка (5) ротора, и установленный с возможностью поворота в гнезде (3) статора, отличающийся тем, что статор имеет длину, превышающую длину указанного участка ротора, а ротор оснащен по меньшей мере одним кольцом (6) из магнитного материала, смежным с указанным участком ротора и установленным в гнезде статора, при этом зазор между кольцом и статором идентичен зазору между магнитами и статором.
2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что кольцо (6) имеет гладкую наружную поверхность.
3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что кольцо (6) имеет зубчатую наружную поверхность.
4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что ротор (2) содержит два участка (5), оснащенных магнитами (4), а кольцо (6) установлено между двумя указанными участками.
5. Двигатель по п. 4, отличающийся тем, что на конце одного из участков (5) установлено второе кольцо (6) из магнитного материала.
6. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что кольцо (6) выполнено из железа или из магнитного сплава.
7. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он содержит в продольном направлении немагнитное пространство между кольцом (6) и магнитами (4), причем указанное пространство больше зазора между магнитами и статором (1).
8. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что кольцо (6) выполнено из двух коаксиальных кольцевых частей, а именно из наружной части из магнитного материала и из внутренней части, входящей в контакт с ротором (2), выполненной из немагнитного материала, при этом толщина внутренней части превышает зазор между магнитами (4) и статором (1).
9. Приводное устройство, содержащее по меньшей мере два двигателя, по меньшей мере один из которых является двигателем по любому из пп. 1-8, при этом роторы (2) двигателей соединены с одним перемещаемым элементом.
10. Приводное устройство по п. 9, в котором роторы (2) двигателей соединены с одним валом.
