ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к электротехнике, а точнее к высокооборотным электрическим машинам для бытовой техники, например для пылесосов или молочных сепараторов.
Известна электрическая машина, содержащая безобмоточный ротор, зубчатый магнитопровод которого закреплен на валу с подшипниками, статор с зубчатым магнитопроводом и сосредоточенной катушкой, установленной на одном или нескольких зубцах и подключенной к выходам электронного коммутатора с возможностью запитки по командам устройства определения углового положения ротора относительно статора (см. патент России №2059993, кл. 6 H02K 19/06; 19/24. Опубл. 10.05.96 г. Бюл. №13.).
Недостатком данного аналога является его высокая стоимость из-за нетехнологичности и сложности конструкции.
Известна электрическая машина, содержащая безобмоточный ротор, зубчатый магнитопровод которого закреплен на валу с подшипниками, статор с зубчатым магнитопроводом и сосредоточенной катушкой, установленной на одном или нескольких зубцах и подключенной к выходам электронного коммутатора с возможностью запитки по командам устройства определения углового положения ротора относительно статора (см. полезная модель России №1973, кл. 6 H02K 19/06. Опубл. 16.03.96 г.).
Недостатком данного аналога является также высокая стоимость из-за нетехнологичности и сложности конструкции.
Также известна электрическая машина, принятая за прототип, содержащая безобмоточный ротор, зубчатый магнитопровод которого закреплен на валу с подшипниками, статор с зубчатым магнитопроводом и сосредоточенной катушкой, установленной на одном или нескольких зубцах и подключенной к выходам электронного коммутатора с возможностью запитки по командам устройства определения углового положения ротора относительно статора (см. патент России №2266606, кл. H02K 29/10, 19/06. Опубл. 20.12.2005 г. Бюл. №35).
Недостатком прототипа также является высокая стоимость из-за нетехнологичности и сложности конструкции.
Заявляемое техническое решение направлено на снижение стоимости электрической машины.
Для этого в электрической машине, содержащей безобмоточный ротор, зубчатый магнитопровод которого закреплен на валу с подшипниками, статор с зубчатым магнитопроводом и сосредоточенной катушкой, установленной на одном или нескольких зубцах и подключенной к выходам электронного коммутатора с возможностью запитки по командам устройства определения углового положения ротора относительно статора, согласно данного заявления, устройство определения углового положения ротора относительно статора установлено на зубчатом магнитопроводе статора.
Ответная часть устройства определения углового положения ротора относительно статора может быть выполнена на торце зубчатого магнитопровода ротора. Например, в виде шторок и пазов с возможностью взаимодействия с оптопарой или датчиком Холла.
На зубчатом магнитопроводе статора могут быть выполнены пазы или отверстия, в которые плотно входят дополнительные ловители, жестко связанные с устройством определения углового положения ротора относительно статора.
В электрической машине катушка может быть плотно насажена на магнитопровод, при этом боковая сторона зубца, прилегающая к катушке и сама катушка, изготовлены на конус с углом в диапазоне 0…6 градусов, а между катушкой и дном паза зубчатого магнитопровода статора выполнен компенсирующий зазор, обеспечивающий плотную посадку катушки.
Катушка может быть выполнена на каркасе с выступами, на которых закреплено устройство определения углового положения ротора относительно статора.
На боковой стороне зубца, прилегающей к катушке, может быть выполнен дополнительный паз, а каркас катушки снабжен защелкой, входящей в этот дополнительный паз, жестко и плотно фиксирующей катушку на зубчатом магнитопроводе статора.
Каркас катушки может охватывать два зубца, образуя полюс статора, и на каркасе, между двумя зубцами, выполнен карман в виде двух дополнительных встречно направленных Г-образных перемычек, между которыми, в кармане, радиально установлен постоянный магнит со смещением от оси полюса в диапазоне 1…5 градусов.
Каркас катушки может быть снабжен дополнительным выступом, сжимающим зубчатый магнитопровод статора в процессе сборки параллельно оси вращения.
Для более надежной фиксации каркаса катушки на полюсе может быть отогнут крайний лист зубца магнитопровода статора от оси вращения к каркасу.
В электрической машине на выступах каркаса могут быть установлены токопроводящие штыри, соединенные с выводными концами катушек, на которых своими выходами установлен электронный коммутатор, изготовленный совместно, на одной плате, с устройством определения углового положения ротора относительно статора, например, с оптопарой.
Электрическая машина может иметь число зубцов ротора равным 6, а число зубцов статора равным 4, которые разделены на два полюса по два зубца, каркасы расположены противоположно друг другу, при этом катушки и магниты, по направлению магнитного потока, включены согласно, а оптопара установлена в соответствии с зубчатым магнитопроводом статора с возможностью прохождения шторок и пазов, расположенных на торце зубчатого магнитопровода ротора, сквозь ее щель, причем четыре выхода электронного коммутатора соединены с четырьмя штырями каркасов катушек.
Зубчатый магнитопровод ротора и вал могут быть залиты пластмассой, обеспечивая двойной класс защиты по изоляции, и из которой одновременно выполнены шторки и пазы на торце ротора.
В электрической машине статор и ротор могут быть установлены консольно на одном подшипниковом щите, состоящем из двух обратно расположенных открытых подшипниковых гнезд и плоского оребренного основания, перпендикулярного оси вращения, с четырьмя выступами и двумя бонками, причем статор забазирован с осью вращения по четырем выступам щита и прикручен к нему саморезными винтами в бонки вдоль катушек, при этом подшипник, установленный на выходном конце вала ротора зафиксирован стопорной шайбой.
Для улучшения качества литья и снижения расхода материала торец второго от выходного конца вала подшипникового гнезда может быть выполнен с чередованием пазов и ребер.
Между подшипниками на валу может быть смонтирована дополнительная втулка, а сами подшипники могут быть установлены в амортизаторах, выполненных в виде резиновых втулок, при этом между основанием подшипникового щита и статором установлен вентилятор.
В плате электронного коммутатора и устройства определения углового положения зубцов ротора относительно зубцов статора по оси вращения может быть выполнено отверстие, сквозь которое может быть пропущен вал, на котором за статором и платой установлен подшипник.
На плате два силовых ключа могут быть установлены рядом и обращены к статору, а фильтровая емкость установлена под ними, с обратной стороны платы.
Электрическая машина может быть снабжена дополнительным экраном, установленным выступами в пазах каркасов между катушками, и сформирован оптимальный канал охлаждения платы и катушек.
Дополнительным экраном поток воздуха может быть направлен над силовыми ключами.
В электрической машине, в основании подшипникового щита, могут быть выполнены три паза с отверстиями, расположенными по периметру под 120 градусов и охватывающими четыре выступа и бонки, причем один паз установлен по оси одного полюса, а два других паза установлены по бокам второго полюса.
В отличие от прототипа значительно упрощена конструкция предлагаемой электрической машины: она собрана в одном подшипниковом щите, зубчатый магнитопровод статора стянут и зафиксирован каркасом катушек и не требует дополнительных заклепок или сварки, катушки легко одеваются на конус полюсов и плотно прилегают к зубцам, обеспечивая хорошую теплопередачу, встречно Г-образный карман каркасов катушек надежно фиксирует стартовые магниты на полюсах без их приклеивания, одной операцией заливки пластмассы в роторе соединены вал и зубчатый пакет магнитопровода, на торце которого одновременно выполнены шторки и пазы для взаимодействия с оптопарой, плата электронного блока выполнена совместно с оптопарой, сквозь щель которой проходят шторки и пазы, и установлена на штыри каркасов катушек, выполнив электрические соединения в двигателе четырьмя местами пайки.
Сборка также существенно упрощена: вентилятор устанавливается либо отливается вместе с ротором, монтируется нижний подшипник и устанавливается втулка или без нее. Подшипники в амортизаторах или без них устанавливаются в подшипниковые гнезда и фиксируются стопорной шайбой. Статор с платой устанавливается на выступы подшипникового щита и фиксируется двумя саморезными винтами.
Так как устройство определения углового положения ротора относительно статора жестко и точно связано с зубчатым магнитопроводом статора, то не требуется дополнительная настройка работы электрической машины.
На плоском основании подшипникового щита выполнена система защиты от попадания жидкости сверху на двигатель и плату, что увеличивает надежность электрической машины.
В дальнейшем предлагаемое техническое решение поясняется чертежами конкретного исполнения, на которых:
- на фиг. 1 показан продольный разрез электрической машины по оси вращения, проходящий между двумя полюсами;
- на фиг. 2 изображено поперечное сечение А-А, которое открывает вид снизу на электрическую машину;
- на фиг. 3 показан вид спереди на электрическую машину, аналогично фиг. 1, только без разреза;
- на фиг. 4 представлен разрез Б-Б по выступам подшипникового щита, где установлен статор;
- на фиг. 5 расположен увеличенный вид I из фиг. 4 на каркасную катушку и ее крепление;
- на фиг. 6 изображен вид справа на электрическую машину;
- на фиг. 7 показан разрез С-С по оребренной части подшипникового щита, расположенной между верхним и нижним подшипником.
Электрическая машина (см. чертежи) содержит безобмоточный ротор 1, зубчатый магнитопровод 2 которого закреплен жестко на валу 3, на котором установлены подшипники: верхний 4 и нижний 5. Пакет статора 6 выполнен виде зубчатого магнитопровода 7.
Подшипники 4, 5 установлены в амортизаторах 8 в одном подшипниковом щите 9, состоящем из двух обратно расположенных открытых подшипниковых гнезд и плоского оребренного основания 10.
Между подшипниками установлена дополнительная распорная втулка 11, а верхний подшипник 4 зафиксирован на валу 3 стопорной шайбой 12. Торец второго от выходного конца вала подшипникового гнезда выполнен с чередованием ребер 13 и пазов 14 (см. фиг. 1, фиг. 7).
Вентилятор 15 расположен между основанием 10 подшипникового щита 9 и зубчатым магнитопроводом 2 ротора 1, который залит пластмассой 16. На торце 17 зубчатого магнитопровода 2 выполнены шторки 18 из пластмассы 16 и пазы 19.
Внизу электрической машины смонтирована плата 20 электронного коммутатора с оптопарой 21. На торце 17 ротора 1 выполнен дополнительный вентилятор 22 для охлаждения платы 20, а поток воздуха через двигатель формируется экраном 23.
Катушки 24, 25 (см. фиг. 2) выполнены каркасными с выводами в виде штырей 26, 27 и 28, 29, соответственно, и установлены, также соответственно, на полюсе 30 с зубцами 31 и 32 и на полюсе 33 с зубцами 34 и 35. На штырях 26, 27, 28 и 29 смонтирована плата 20.
На статоре 6 выполнены дополнительные отверстия 36 или пазы 37, по которым может быть соориентирована плата 20 и оптопара 21 по отношению к зубцам 31, 32, 34, 35.
В выступах 38 основания 10 статор 6 закреплен с помощью двух саморезных винтов 39 (см. фиг. 2, 3).
В основании 10 выполнены три монтажных паза 40 - под полюсом 33, и 41, 42 по бокам от полюса 30. Четыре выступа 38 и две бонки 43 (см. фиг. 3, 4) выполнены заодно с основанием 10.
На полюсах 30, 33 радиально установлены постоянные стартовые магниты 44, 45, соответственно, под углом А от 1 до 5 градусов по отношению к оси полюсов. Магниты 44, 45 расположены в карманах каркасных катушек 24, 25 между Г-образными перемычками 46, 47 и 48, 49, соответственно (см. фиг. 4, 5).
Зубцы 31, 31, 34, 35 выполнены с углом В в диапазоне от 0 до 3 градусов снаружи и на сторонах, обращенных к катушкам, снабжены дополнительным пазом 50, в который защелкиваются каркасные катушки дополнительным выступом 51 при сборке. Между каркасными катушками 24, 25 и дном паза выполнен зазор С от 0 до 0,75 мм для гарантированной посадки катушек на полюс по конусу (см. фиг. 5).
Плата 20 электронного коммутатора выполнена на двух ключах 52, 53, расположенных на той же стороне платы, что и оптопара 21, а фильтровая емкость 54 установлена под упомянутыми ключами (см. фиг. 6).
Торцовая часть нижнего гнезда подшипникового щита 9 выполнена с чередованием ребер 13 и пазов 14 (см. фиг. 7), а в основании 10 сформированы каналы 55 для сброса жидкости и защиты от попадания влаги на катушки 24, 25 и плат 20.
Электрическая машина работает следующим образом. При обесточенных катушках 24, 25 под действием момента от постоянных магнитов 44, 45 ротор 1 занимает стартовое положение (см. фиг. 4).
После подачи питания на электронный коммутатор 20 срабатывает оптопара 21 и подается команда на формирование однополярного импульса тока в катушки 24, 25. При протекании тока через катушки возникают магнитные силы притяжения зубчатого магнитопровода 2 ротора 1 к полюсам 30, 33 статора 6. Под действием вращающего момента ротор 1 начинает вращаться и в положении совпадения зубец ротора-зубец статора выключается оптопара 21 и обесточиваются катушки 24, 25. Далее ротор вращается за счет накопленной кинетической энергии, пока ось зубцов пакета магнитопровода 2 ротора 1 не совпадет с осью полюсов 30, 33, то есть в положении между зубцами (см. фиг. 4). Снова включается оптопара 21 и подается следующий импульс тока, частота вращения увеличивается, и таким образом электрическая машина выходит на заданный режим работы. Такое питание катушек 24, 25 обеспечивает запуск, вращение ротора 1 и работу электрической машины.
Для более надежного запуска может быть сформирован первый или несколько импульсов тока вне зависимости от команды оптопары 21. В этом случае ротор становится в положение зубец статора-зубец ротора, импульс снимается и под действием магнитов 44, 45 ротор 1 возвращается в положение зубец ротора-ось полюса. Срабатывает оптопара 21 и далее работа идет так, как было описано ранее.
В отличие от прототипа в предлагаемой электрической машине значительно упрощена конструкция и сборка, что снижает ее стоимость, а именно: один подшипниковый щит; магнитопровод статора стянут и зафиксирован каркасом катушек; катушки легко одеваются на конус полюсов и плотно прилегают к зубцам; просто и надежно фиксируются стартовые магниты; одной операцией заливки пластмассы в роторе соединены вал и зубчатый пакет магнитопровода, на торце которого одновременно выполнены шторки и пазы для взаимодействия с оптопарой, а также дополнительный вентилятор; плата электронного коммутатора, выполненная совместно с оптопарой, установлена на штыри каркасов катушек, выполнив все электрические соединения в двигателе четырьмя местами пайки.
Статор с платой устанавливается на выступы подшипникового щита и фиксируется двумя саморезными винтами.
Оптопара жестко и точно связана с зубчатым магнитопроводом статора и это также позволяет технологические погрешности производства (сумму всех отклонений по деталям) свести к минимуму и массово выпускать такие электрические машины, так как не требуется дополнительная настройка их работы.