БЕСЩЕТОЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ТОРМОЖЕНИЕМ В ОБЕСТОЧЕННОМ СОСТОЯНИИ
BRUSHLESS DC MOTOR WITH BRAKING AT DEAD STATE

Область техники
Настоящее изобретение относится к бесщеточному двигателю постоянного тока с торможением в обесточенном состоянии. Настоящее изобретение относится, в частности, к бесщеточному трехфазному двигателю постоянного тока на постоянных магнитах с торможением в обесточенном состоянии, который включает в себя статор и вращающийся вокруг статора стакан ротора, снабженный несколькими полюсами постоянных магнитов.
Уровень техники
Чтобы привести электродвигатель, который не находится в эксплуатации и не питается электричеством, в желаемое фиксированное положение, например чтобы предотвратить движение клапана, приводимого в движение посредством привода, или вращение вентиля, обычно применяются тормозные пружины, которые постоянно давят на передаточный механизм привода и тем самым по возможности предотвращают вращение двигателя в обесточенном состоянии. Применение тормозных пружин хотя и оптимально в отношении затрат, но обладает тем недостатком, что они тормозят двигатель и при эксплуатации и тем самым приводят к потерям мощности. Из-за этого максимальное торможение, создаваемое тормозной пружиной, ограничивается. Вследствие механического контакта тормозной пружины с передаточным механизмом при эксплуатации возникают к тому же нежелательные и часто мешающие шумы. Кроме того, чрезвычайно трудно обеспечить торможение привода с помощью тормозных пружин в рамках заданных пределов допусков, в результате чего в зависимости от стратегии изготовления, появляются приводы, которые часто чрезмерно тормозятся при эксплуатации или торможение которых вне эксплуатации часто недостаточно.
В электродвигателе на постоянных магнитах существуют два магнитных поля. Одно создается постоянным магнитом и существует даже в обесточенном состоянии. Второе создается катушками, когда в них протекает ток. Взаимодействие двух этих магнитных полей обусловливает вращательное движение и создание момента вращения двигателя. Присутствие ферромагнитного материала (железа) изменяет направленность магнитного поля.
В документе DE 20 2004 018 822 U1 описывается не содержащий железного сердечника и бесщеточный электродвигатель с торможением в обесточенном состоянии, который включает в себя плоский тормозной диск из ферромагнитного материала. Постоянный магнит установлен на валу ротора и на расстоянии (воздушный зазор) охватывается катушкой, которая закреплена на внутренней стенке боковой поверхности корпуса и распространяется от дна корпуса до крышки корпуса. Тормозной диск установлен с внутренней стороны крышки корпуса и взаимодействует с магнитным полем вращающегося постоянного магнита так, что ротор при выключенном двигателе удерживается в заданном фиксированном положении. Однако так как тормозной диск находится внутри области катушки и вместе с тем также в магнитном поле катушки статора, он все же влияет на взаимосвязь обоих магнитных полей при эксплуатации и сокращает тем самым производительность двигателя.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является предложить бесщеточный двигатель постоянного тока с торможением в обесточенном состоянии, у которого отсутствуют по меньшей мере некоторые недостатки известных электродвигателей. В частности, задачей настоящего изобретения является предложить бесщеточный двигатель постоянного тока с торможением в обесточенном состоянии, который включает в себя статор и вращающийся вокруг статора стакан ротора, снабженный несколькими полюсами постоянных магнитов.
В соответствии с настоящим изобретением эти цели достигаются, в частности, с помощью признаков независимого пункта формулы изобретения. Другие предпочтительные варианты осуществления основаны, кроме того, на зависимых пунктах формулы изобретения и описании.
Вышеназванные цели достигаются настоящим изобретением, в частности, благодаря тому, что предлагается (бесщеточный) синхронный двигатель, который включает в себя статор и вращающийся вокруг статора стакан ротора, снабженный несколькими полюсами постоянных магнитов, у которого предусмотрена соединенная со статором пластина, обеспечивающая момент фиксации, снабженная несколькими полюсными башмаками, служащими для создания момента фиксации, приводящего вращающийся стакан ротора в фиксированное положение, при этом полюсные башмаки пластины, обеспечивающей момент фиксации, расположены так, что в фиксированном положении между каждыми двумя соседними полюсами вращающегося стакана ротора они образуют магнитное (короткое) замыкание. Благодаря созданию момента фиксации посредством пластины, обеспечивающей момент фиксации, необходимость в тормозной пружине отпадает полностью или по меньшей мере может быть сильно уменьшена, так что при эксплуатации не происходит или происходит только небольшое уменьшение мощности, обусловленное торможением, и к тому же создается момент фиксации, который внутри узкого диапазона допуска соответствует заданному номинальному значению и в целом обеспечивает возможность более сильного торможения, чем с помощью тормозной пружины. Создание момента фиксации посредством пластины, обеспечивающей момент фиксации, полюсные башмаки которой создают магнитное (короткое) замыкание между соседними полюсами вращающегося стакана ротора, позволяет, кроме того, особенно предпочтительным образом располагать пластину, обеспечивающую момент фиксации, вне вращающегося магнитного поля, создаваемого статором при эксплуатации. Благодаря этому предотвращается влияние на электрические свойства бесщеточного двигателя постоянного тока и, в частности, предотвращается приводящее к уменьшению мощности влияние на бесщеточный двигатель постоянного тока, обусловленное наличием пластины, обеспечивающей момент фиксации.
Предпочтительно пластина, обеспечивающая момент фиксации, расположена по существу вне создаваемого статором при эксплуатации магнитного поля. В зависимости от исполнения, пластина, обеспечивающая момент фиксации, расположена в плоскости, проходящей перпендикулярно к оси вращения, над или под статором. В одном из вариантов осуществления бесщеточный двигатель постоянного тока включает в себя несколько одинаково выполненных пластин, обеспечивающих момент фиксации, при этом по меньшей мере одна из этих пластин, обеспечивающих момент фиксации, расположена в плоскости, проходящей перпендикулярно к оси вращения, над статором, и по меньшей мере одна из этих пластин, обеспечивающих момент фиксации, расположена в плоскости, проходящей перпендикулярно к оси вращения, под статором. Благодаря размещению пластины, обеспечивающей момент фиксации, выше и/или ниже статора, пластина, обеспечивающая момент фиксации, расположена так, что она не оказывает влияния на магнитное поле катушек статора. Благодаря этому магнитная цепь, которая отвечает за электрические свойства двигателя при эксплуатации, не нарушается вследствие наличия пластины, обеспечивающей момент фиксации. Пластина, обеспечивающая момент фиксации, находится, таким образом, вне магнитной цепи, возникающей при эксплуатации бесщеточного двигателя постоянного тока, которая замыкается от полюсных башмаков статора через воздушный зазор, постоянные магниты ротора и обратный поток через стакан ротора. Благодаря размещению пластины, обеспечивающей момент фиксации, выше и/или ниже статора, создание момента фиксации может, таким образом, не зависеть от электрических свойств двигателя и электрические свойства бесщеточного двигателя постоянного тока не подвергаются существенному влиянию, обусловленному наличием пластины, обеспечивающей момент фиксации. Таким образом, по сравнению с тормозными пружинами, могут создаваться во много раз большие моменты торможения, которые при эксплуатации двигателя практически не создают потерь мощности.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления пластина, обеспечивающая момент фиксации, расположена так, что она на своей обращенной к постоянным магнитам торцевой стороне перекрывается этими постоянными магнитами. Таким образом, пластина, обеспечивающая момент фиксации, полностью расположена в главном магнитном потоке постоянных магнитов.
Предпочтительно пластина, обеспечивающая момент фиксации, включает в себя некоторое количество полюсных башмаков, которое соответствует целочисленному делителю или кратному количества полюсов вращающегося стакана ротора.
В одном из вариантов осуществления полюсные башмаки выполнены Т-образно и их перекладины соответственно расположены на окружности, концентрической к вращающемуся стакану ротора. Перекладины Т-образных полюсных башмаков распространяются в фиксированном положении соответственно частично по области постоянных магнитов двух соседних полюсов вращающегося стакана ротора.
Предпочтительно пластина, обеспечивающая момент фиксации, расположена на осевой опоре статора.
Вращающийся стакан ротора включает в себя предпочтительно постоянные магниты из магнитно-твердых материалов, таких как, например, неодим-железо-бор (NdFeB), а пластина, обеспечивающая момент фиксации, состоит, например, из материала, обладающего магнитной проводимостью, в частности из железа. Но она может также состоять из других магнитно-мягких, магнитно-полутвердых или магнитно-твердых материалов.
В одном из вариантов осуществления бесщеточный двигатель постоянного тока снабжен несколькими одинаково выполненными, расположенными друг над другом, перекрывая друг друга, пластинами, обеспечивающими момент фиксации.
Краткое описание чертежей
Ниже один вариант осуществления настоящего изобретения описан на примере. Этот пример осуществления иллюстрируется следующими прилагаемыми фигурами:
фиг.1: показано осевое поперечное сечение примера осуществления бесщеточного двигателя постоянного тока, снабженного вращающимся стаканом ротора и расположенной над статором пластиной, обеспечивающей момент фиксации,
фиг.2: показано осевое поперечное сечение статора бесщеточного двигателя постоянного тока, показанного на фиг.1,
фиг.3: показано осевое поперечное сечение вращающегося стакана ротора бесщеточного двигателя постоянного тока, показанного на фиг.1,
фиг.4: показан вид сверху примера осуществления пластины, обеспечивающей момент фиксации,
фиг.5: показано проходящее перпендикулярно к оси вращения поперечное сечение пластины, обеспечивающей момент фиксации, и вращающегося стакана ротора со схематичным изображением линий магнитного поля в фиксированном положении.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
На фиг.1 ссылочная позиция 1 относится к бесщеточному двигателю постоянного тока, включающему в себя статор 2 и вращающийся ротор 3, снабженный несколькими образованными постоянными магнитами 31 полюсами N, S постоянного магнита. Бесщеточный двигатель 1 постоянного тока, в частности, является трехфазным, и например, выполнен в виде съемного привода, и применяется в отопительной, вентиляционной и климатической технике, например, для открытия и закрытия клапанов, при этом он применяется с большими передаточными механизмами, имеющими передаточное отношение, равное, например, 1:5000.
Статор 2 включает в себя опору 20 статора, которая выполнена по существу в форме полого цилиндра, с вращательной симметрией вокруг оси z вращения. У опоры 20 статора имеется нижняя концевая область, служащая для крепления к несущему устройству, а также противоположная ей верхняя концевая область. Как изображено на фиг.1 и 2, статор 2 включает в себя несколько установленных на опоре 20 статора и расположенных вращательно-симметрично вокруг опоры 20 статора, соответственно образованных из листов 22 статора и катушек 21 статора полюсных башмаков 23, служащих для создания движущегося вращающегося магнитного поля при эксплуатации бесщеточного двигателя 1 постоянного тока. У каждого из полюсных башмаков 23 имеется проходящая перпендикулярно к оси z вращения центральная ось, и эти оси пересекаются в одной общей точке пересечения на оси z вращения.
На опоре 20 статора установлена, кроме того, пластина 4, обеспечивающая момент фиксации, которая расположена и выровнена предпочтительно в верхней концевой области, над статором 2, в частности над полюсными башмаками 23 статора 2, то есть над листами 22 статора и катушками 21, в проходящей перпендикулярно к оси z вращения плоскости. В одном из вариантов осуществления пластина 4, обеспечивающая момент фиксации, дополнительно или альтернативно расположена и выровнена в нижней концевой области, ниже статора 2, в частности, ниже полюсных башмаков 23 статора 2, то есть ниже листов 22 статора и катушек 21, в проходящей перпендикулярно к оси z вращения плоскости. В одном из вариантов пластина 4, обеспечивающая момент фиксации, выполнена многослойной и включает в себя несколько выполненных однообразными, расположенных друг над другом, перекрывая друг друга, пластин, обеспечивающих момент фиксации, или, соответственно, слоев пластин, обеспечивающих момент фиксации. Пластина 4, обеспечивающая момент фиксации, и листы 22 статора состоят, например, из материала, обладающего магнитной проводимостью, в частности из железа (листового железа).
В опоре 20 статора имеется отверстие 25 и установленный в нем подшипник 24, служащий для помещения или, соответственно, установки оси 32 ротора, расположенной концентрически к оси z вращения вращающегося ротора 3. Опора 20 статора изготовлена, например, из медного сплава, а ось 32 ротора, например, из нержавеющей стали.
Вращающийся ротор 3 включает в себя окружающий статор 2 стакан 30 ротора, который закреплен на оси 32 ротора с помощью крепления 33. Стакан 30 ротора имеет, например, наружный диаметр, составляющий от двух до пяти сантиметров, и высоту, составляющую от двух до четырех сантиметров. На обращенной к оси 32 ротора внутренней стороне, то есть на внутренней стенке стакана 30 ротора, установлены несколько постоянных магнитов 31 в виде чередующихся в окружном направлении полюсов, например двенадцати чередующихся северных и южных полюсов N, S, как показано на фиг.5. Постоянные магниты 31 предпочтительно изготовлены из магнитно-твердых материалов, таких как, например, неодим-железо-бор (NdFeB), и образуют шину или кольцо, расположенное на внутренней стенке стакана 30 ротора и окружающее ось 32 ротора. Вместо кольца магниты могут быть также расположены дискретно в форме окружности. На фиг.5 белая, изображенная штриховой линией окружность схематично иллюстрирует границу между вращающимся стаканом 30 ротора, изготовленным, например, из листового железа, и расположенной над ним окружной, выполненной в виде шины многополюсной областью постоянных магнитов.
В собранном состоянии ротор 3, как изображено на фиг.1, установлен с возможностью вращения осью 32 ротора в опоре 20 статора, а стакан 30 ротора надет подобно колоколу над статором 2 и выполнен с возможностью свободного вращения вокруг оси z вращения и статора 3.
Как изображено на фиг.4 и 5 пластина 4, обеспечивающая момент фиксации, включает в себя внутреннее опорное кольцо 40 и несколько полюсных башмаков 41, которые вращательно-симметрично расположены на наружной стороне опорного кольца 40. Пластина 4, обеспечивающая момент фиксации, или, соответственно, ее опорное кольцо 40, как показано на фиг.1, закреплена в верхней (и/или нижней) концевой области опоры 20 статора так, что центр Z опорного кольца лежит на оси z вращения. В собранном состоянии ось 32 ротора направлена, таким образом, через отверстие опорного кольца 40.
P
P
i
Полюсные башмаки 41 выполнены Т-образно и имеют каждый продольную ось p, которые встречаются в центре опорного кольца 40. Перекладины 410 Т-образных полюсных башмаков 41, будучи отвернуты каждая от опорного кольца 40, расположены на наружной окружности, концентрической к опорному кольцу 40. Как видно на фиг.5, отвернутые от опорного кольца торцевые стороны 4s перекладин 410 Т-образных полюсных башмаков 41, начиная от центра Z опорного кольца 40, закруглены с радиусом r окружности. Радиус r окружности закругленных торцевых сторон 4s перекладин 410 меньше, чем внутренний радиус r ротора 3 от центра оси 32 ротора (ось вращения z) до постоянных магнитов 31, 31a, 31b, расположенных в окружном направлении на стакане 30 ротора, так что между полюсными башмаками 41 пластины 4, обеспечивающей момент фиксации, в частности между торцевыми сторонами 4s перекладин 410 полюсных башмаков 41, и постоянными магнитами 31, 31a, 31b существует воздушный зазор L2 и пластина 4, обеспечивающая момент фиксации, механически не препятствует вращению ротора 3.
Количество полюсных башмаков 41 пластины 4, обеспечивающей момент фиксации, предпочтительно равно целочисленному делителю или целому кратному количества полюсов вращающегося стакана 30 ротора.
В примере, показанном на фиг.5, ротор 3 на стакане 30 ротора включает в себя двенадцать чередующихся северных и южных полюсов N, S, а у пластины 4, обеспечивающей момент фиксации, имеется шесть полюсных башмаков 41.
Как изображено на фиг.5, полюсные башмаки 41 расположены так, что их продольные оси p в фиксированном положении соответственно располагаются между двумя соседними постоянными магнитами 31a, 31b, находящимися рядом друг с другом на стакане 30 ротора, так что их перекладины 410 образуют магнитное замыкание между каждыми двумя соседними северным и южным полюсами N, S, как видно по изображенному характеру линий 5 магнитного поля постоянных магнитов 31, 31a, 31b, обусловленных полюсными башмаками 41. При этом перекладина 410 полюсного башмака 41 проходит с обеих сторон от продольной оси p в плоскости пластины 4, обеспечивающей момент фиксации, соответственно по части области одного из соседних постоянных магнитов 31a, 31b, и бесконтактно перекрывает эту упомянутую часть области (торцевой стороной 4s перекладины 410). В примере, показанном на фиг.5, ширина перекладины 410 меньше, чем ширина постоянного магнита 31, 31a, 31b, так что в фиксированном положении в плоскости пластины 4, обеспечивающей момент фиксации, соответственно меньше половины постоянного магнита 31, 31a, 31b бесконтактно перекрывается перекладиной 410 полюсного башмака 41. При отсутствии вращающегося магнитного поля статора 2, то есть в обесточенном состоянии, когда бесщеточный двигатель 1 постоянного тока не эксплуатируется, достаточно создаваемого таким образом полюсным башмаком 41 магнитного замыкания между чередующимися северными и южными полюсами N, S, чтобы создать момент, тормозящий бесщеточный двигатель 1 постоянного тока, который приводит вращающийся стакан 30 ротора и вместе с тем ротор 3 в заданное фиксированное положение.
Как показано на фиг.1, пластина 4, обеспечивающая момент фиксации, направлена по существу перпендикулярно постоянным магнитам 31 и имеет обращенную к постоянным магнитам 31 торцевую сторону 4s, которая находится, как изображено на фиг.4, соответственно на обращенной к постоянным магнитам 31 стороне перекладины 410 полюсного башмака 41. Пластина 4, обеспечивающая момент фиксации, относительно продольной направленности оси z вращения расположена так, что на своей торцевой стороне 4s она полностью перекрывается постоянными магнитами 31. Это значит, что вся ограниченная верхней стороной 4o и нижней стороной 4u пластины 4, обеспечивающей момент фиксации, область торцевой стороны 4s, будучи отделена только воздушным зазором L2, находится напротив области постоянных магнитов, образованной постоянными магнитами 31. Благодаря тому, что постоянные магниты 31 распространяются по всей ограниченной верхней стороной 4o и нижней стороной 4u пластины 4, обеспечивающей момент фиксации, области торцевой стороны 4s и за ее пределы, пластина 4, обеспечивающая момент фиксации, полностью попадает в главный магнитный поток постоянных магнитов 31.
При эксплуатации (движущееся) магнитное поле катушек 21 статора соответственно направляется посредством полюсных башмаков 23 статора 2, образованных листами 22 статора. Магнитная цепь при эксплуатации замыкается от полюсного башмака 23 статора 2 через воздушный зазор L1, постоянные магниты 31 ротора 3 и благодаря обратному потоку через стакан 30 ротора. Благодаря размещению пластины 4, обеспечивающей момент фиксации, выше и/или ниже статора 2, пластина 4, обеспечивающая момент фиксации, располагается вне этой магнитной цепи. Тем самым предотвращается существенное влияние наличия пластины 4, обеспечивающей момент фиксации, на электрические свойства бесщеточного двигателя 1 постоянного тока. То есть так как пластина 4, обеспечивающая момент фиксации, расположена по существу вне области действия вращающегося магнитного поля, создаваемого статором 2 при эксплуатации, пластина 4, обеспечивающая момент фиксации, и, в частности, ее полюсные башмаки 41 во время эксплуатации не оказывают на бесщеточный двигатель постоянного тока влияния, приводящего к уменьшению мощности.