Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами

Заявляемая полезная модель относится к устройствам резервирования синхронных электродвигателей с постоянными магнитами.
Известно изобретение, обеспечивающее резервирование электромеханического силового минипривода летательного аппарата, патент РФ № RU 2740466, состоящее из нескольких исполнительных механизмов, отличающееся тем, что каждый исполнительный механизм дополнен вторым электродвигателем, расположенным тандемно с первым на общем валу, при этом каждый электродвигатель имеет датчики тока и положения ротора, двуступенчатую волновую передачу с телами качения, электромеханическую муфту. Поэлементное резервирование электродвигателей и датчиков положения ротора, структурное резервирование исполнительных механизмов в целом обеспечивают повышение надежности привода, возможность отключения неисправного исполнительного механизма.
Следует отметить, что размещение второго электродвигателя для резервирования приводит к значительному увеличению массы и габаритных размеров электропривода, что является критичным для устройств космического назначения и авиационной техники и может быть неприемлимо в приложениях с жесткими ограничениями массы и габаритных размеров исполнительных механизмов. Тандемное расположение электродвигателей на общем валу не позволяет обеспечить резервирование ротора электродвигателя, в случае разрушения или деградации магнитов электродвигателей с постоянными магнитами, не обеспечивается резервирование электропривода.
Известен метод резервирования для повышения надежности электродвигателя, патент Китай № CN 109474136 A, заключающийся в проектировании обмоток статора электродвигателя так, чтобы вложить два набора обмоток в один стальной сердечник статора, с общим ротором. Каждый набор обмоток и система управления составляют независимый канал. Такой электродвигатель имеет двухслойную обмотку, первый слой с основным набором обмоток, второй слой - с резервным набором обмоток. При неисправности основного набора обмоток, выполняется переключение на резервный набор обмоток для обеспечения работоспособности электродвигателя.
Следует отметить, что предложенный метод использования двухслойных обмоток не применим для всех типов синхронных электродвигателей с постоянными магнитами, число пазов двигателя должно быть кратно трем, число полюсов двигателя должно быть кратно двум, метод неприменим для шаговых электродвигателей. Размещение двухслойной обмотки при сохранении неизменными габаритных размеров снижает электромагнитные и механические характеристики электродвигателя, поскольку объем обмоток электродвигателя уменьшается вдвое, по сравнению с одной обмоткой для электродвигателя того же размера.
Известен электродвигатель с постоянными магнитами с дублированными обмотками, принятый в качестве прототипа, патент Китай № CN 201742274 U, состоящий из внутреннего и внешнего статора, размещенных на одной оси, каждый из которых оснащен независимой обмоткой, пространственно пересекающихся в радиальном направлении и пространственно изолированных друг от друга чашеобразным ротором из магнитной стали. Пространственное разделение основной и резервной обмоток повышает надежность электродвигателя, предотвращает повреждение резервной обмотки при повреждении основной обмотки, не приводит к увеличению длины электродвигателя.
Следует отметить, что использование чашеобразного ротора увеличивает момент инерции, снижает технологичность изготовления ротора. Использование общего ротора не позволяет обеспечить резервирование ротора электродвигателя. В процессе износа элементов электропривода возможно образование мелких частиц материала, в том числе металлических, магнитных частиц. При попадании продуктов износа в область воздушного зазора между ротором и статором электродвигателя возможно налипание частиц на постоянные магниты ротора, ударное разрушение конструктивных элементов электродвигателя, постоянных магнитов, что приводит к лавинному процессу разрушения электродвигателя и электропривода. Крупные частицы продуктов износа при попадании в воздушный зазор могут привести к заклиниванию ротора электродвигателя и невозможности дальнейшего использования электродвигателя.
Технической задачей заявляемой полезной модели является увеличение надежности синхронного электродвигателя с постоянными магнитами электропривода космического назначения путем резервирования электродвигателя, предотвращение выхода электродвигателя из строя вследствие механических повреждений ротора в результате воздействия продуктов износа элементов электропривода.
Поставленная техническая задача достигается тем, что резервированный электродвигатель состоит из основного ротора, основного статора, радиатора, резервного статора, резервного ротора, электромагнитной муфты основного электродвигателя, электромагнитной муфты резервного электродвигателя, втулки для соединения основного ротора с основной электромагнитной муфтой, втулки для соединения резервного ротора и резервной электромагнитной муфты, втулки для соединения основной электромагнитной муфты и вала электропривода, втулки для соединения резервной электромагнитной муфты и вала электропривода, теплоизолятора, платы подключения, основных и резервных датчиков обратной связи, например, но не ограничиваясь, датчиков Холла, при этом основной и резервный ротор имеют одинаковое количество полюсов, основной и резервный статоры имеют одинаковое количество пазов, одинаковый набор обмоток, при этом основной и резервный статор позиционируются относительно радиатора, при этом основной статор устанавливается по внутреннему диаметру посадочной поверхности радиатора, резервный статор устанавливается по внешнему диаметру посадочной поверхности радиатора. Радиатор выполнен из немагнитного сплава с теплопроводностью не менее 120 Вт/м град, для передачи тепла от статора электродвигателя на корпусные элементы электропривода и внешние радиаторы. Радиатор также обеспечивает диэлектрический зазор между электромагнитным полем внутреннего статора и электромагнитным полем внешнего статора, снижает влияние взаимоиндукции проводников основной и резервной обмоток электродвигателя. Между радиатором и платой подключения размещен тепловой изолятор для предотвращения передачи тепла от основного и резервного статора на элементы платы подключения, в том числе датчики обратной связи, интерфейсы подключения.
Обмотки возбуждения основного электродвигателя и обмотки возбуждения резервного электродвигателя конструктивно разделены радиатором, что предотвращает повреждение резервной обмотки при повреждении основной обмотки. За счет радиального размещения статоров и роторов основного и резервного электродвигателей не увеличивается длина электродвигателя. Датчики обратной связи (датчики Холла) также физически разделены радиатором, что предотвращает повреждение резервного набора датчиков при повреждении основного набора датчиков.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности электропривода космического назначения путем резервирования электропривода за счет размещения синхронного электродвигателя с постоянными магнитами с двумя статорами и двумя роторами, расположенных радиально, улучшение температурного режима работы с помощью радиатора.
На фиг. 1 показано продольное сечение синхронного электродвигателя с постоянными магнитами.
На фиг. 2 показано размещение основного статора на посадочной поверхности радиатора и резервного статора на посадочной поверхности радиатора.
На фиг. 3 показан способ установки синхронного электродвигателя с постоянными магнитами в корпус электропривода.
Как показано на фиг. 1, синхронный электродвигатель с постоянными магнитами состоит из основного ротора 1 с постоянными магнитами основного ротора 2, основного статора 3 с обмотками возбуждения основного статора 4, электромагнитной муфты основного электродвигателя 5, радиатора 6, резервного статора 7 с обмотками возбуждения резервного статора 8, резервного ротора 9 с постоянными магнитами резервного ротора 10, электромагнитной муфты резервного электродвигателя 11, теплоизолятора 12, платы подключения 13, основных датчиков Холла 14, резервных датчиков Холла 15. Плата подключения 13 закрепляется через теплоизолятор 12 на радиаторе 6 с помощью винтов 16. Вал электропривода 17 устанавливается в электромагнитную муфту основного двигателя 5 с помощью втулки 18, в электромагнитную муфту резервного электродвигателя 11 с помощью втулки 19. Основной ротор 1 устанавливается в электромагнитную муфту основного электродвигателя 5 через втулку 20. Резервный ротор 9 устанавливается в электромагнитную муфту резервного электродвигателя 11 через втулку 21. Радиатор 6 выполнен из сплава алюминия Д16 или Д16Т с коэффициентом 130 Вт/м⋅град.
Основной статор 3 устанавливается в радиатор 6 по внутренней посадочной поверхности радиатора 22, резервный статор 7 устанавливается в радиатор 6 по внешней поверхности радиатора 23, как показано на фиг. 2.
Синхронный электродвигатель устанавливается в корпус электропривода 24 через радиатор 6 по посадочной поверхности корпуса 25, закрепляется винтами 26, как показано на фиг. 3.
Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами работает следующим образом: во время эксплуатации основного электродвигателя от блока управления на обмотки возбуждения основного статора 4 подается напряжение питания. Основной ротор 1 соединен через втулку 20 с входным звеном электромагнитной муфты 5. Выходное звено электромагнитной муфты 5 через втулку 18 соединено с валом электропривода 17. Электромагнитная муфта 5 нормально замкнута и при отсутствии напряжения питания передает вращение от основного ротора 1 к валу электродвигателя 17 через втулку 20 и втулку 18. Для определения углового положения основного ротора 1 и резервного ротора 9 на плате подключения 13 размещены основные датчики Холла 14 и резервные датчики Холла 15, направленные на постоянные магниты основного ротора 2 и постоянные магниты резервного ротора 10. Во время эксплуатации основного электродвигателя, обмотки возбуждения резервного статора блоком управления коммутируются к нулевой шине источника питания, предотвращая работу резервного статора 7 в режиме генератора.
При работе основного электродвигателя, электромагнитная муфта 11 нормально разомкнута и при отсутствии напряжения питания не передает вращение от резервного ротора 9 на вал электропривода 13. При обнаружении неисправности при вращении основного ротора 1 по показаниям основных датчиков Холла 14 или внешнего датчика углового положения электропривода, блок управления коммутирует обмотки возбуждения основного статора к нулевой шине источника питания. Затем на электромагнитную муфту 5 подается управляющее напряжение, размыкая механическое соединение основного ротора 1 через втулку 20 и втулку 17 вала электропривода 17. Затем на электромагнитную муфту 11 подается управляющее напряжение, механически соединяя резервный ротор 9 через втулку 21 и вал электропривода 17 через втулку 19. Затем обмотки возбуждения резервного статора 8 подключаются к управляющим выходам блока управления, возобновляется функционирование электропривода с резервным электродвигателем.
Основные датчики Холла 14 и резервные датчики Холла 15 обеспечивают дополнительное резервирование, при исправной работе основного ротора 1 и выходе из строя основных датчиков Холла 14, направленных на основной ротор 1, блок управления подключает резервные датчики Холла 15 для определения углового положения. При эксплуатации резервного электродвигателя, основные датчики Холла 14 и резервные датчики Холла, направленные на основной ротор 1, отключаются от системы управления, измерение углового положения осуществляется с помощью основных датчиков Холла 14, направленных на резервный ротор 9. При выходе из строя основных датчиков Холла 14, направленных на резервный ротор 9, подключаются резервные датчики Холла 15, направленные на резервный ротор 9.
Блок управления содержит информацию о характеристиках основного и резервного электродвигателей, при переключении между основным и резервным электродвигателем параметры управления корректируются для учета момента инерции резервного ротора 9 и втулки 21, различий в значении индуктивности, сопротивления обмоток возбуждения основного статора 4 и обмоток возбуждения резервного статора 8.
Резервный ротор 9 обеспечивает резервирование в случае механического повреждения основного ротора 1, постоянных магнитов основного ротора 2, изменения воздушного зазора между основным ротором 1 и основным статором 3 вследствие попадания продуктов износа элементов электропривода.
Таким образом резервирование электродвигателя путем радиального размещения резервных статора и ротора позволяет увеличить надежность электродвигателя, механически изолировать вал электродвигателя 17, основной ротор 1 и резервный ротор 9, при этом минимизировать увеличение габаритных размеров резервированного двигателя, обеспечить требуемые технические характеристики, применение радиатора для монтажа статоров электродвигателя улучшает температурный режим работы двигателя, теплоизолятор предотвращает нагрев платы подключения и датчиков обратного положения.
Достигнут технический результат, а именно повышена надежность электропривода космического назначения путем резервирования электропривода за счет размещения синхронного электродвигателя с постоянными магнитами с двумя статорами и двумя роторами, размещенными радиально, улучшен температурный режим работы с помощью радиатора.