СИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ОСЕВЫМ МАГНИТНЫМ ПОТОКОМ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к бесконтактным вентильным электрическим машинам дискового типа, предназначенным для работы в регулируемых электроприводах.
Известна торцевая магнитоэлектрическая машина по патенту RU 2337458 С1, содержащая закрепленный на неподвижном валу статор с тороидальным магнитопроводом и кольцевыми обмотками, ротор с постоянными магнитами чередующейся полярности и осевой намагниченностью, выполненный из двух соосных дисков, расположенных по обе стороны от статора и жестко связанных между собой по наружному диаметру, и датчик углового положения ротора.
Тороидальный магнитопровод статора имеет сложную конструкцию и сложен в изготовлении, так как необходимо выфрезеровывать в витом стальном магнитопроводе радиальные пазы для укладки обмотки с обеих сторон магнитопровода с высокой точностью и устранить возможность замыкания витков стали после фрезеровки. Кроме того при наличии пазов на статоре увеличивается момент трогания электрической машины и пульсация момента.
Наиболее близкой к настоящей полезной модели по технической сущности является бесщеточная электрическая машина постоянного тока дискового типа по патенту SU 1494877 (фиг.12). Эта машина представляет собой синхронную электрическую машину с осевым магнитным потоком и содержит корпус, закрепленный на нем дисковый статор с плоскими катушечными обмотками, ротор с постоянными магнитами чередующейся полярности и осевой намагниченностью, выполненный из двух соосных дисков из ферромагнитного материала, расположенных по обе стороны от статора и жестко связанных между собой и с валом, и датчик углового положения ротора, включающий в себя сигнальный диск, жестко связанный с ротором, и чувствительный элемент, закрепленный на корпусе. Сигнальный диск имеет радиальное расположенные выступы, а в качестве чувствительного элемента могут быть использованы фотоэлементы или датчики Холла, подключенные к управляющим входам схемы переключения обмоток.
Однако выполнение сигнальных элементов датчика положения ротора в виде радиальных выступов не обеспечивают хорошей настройки датчика и высокой точности управления электрической машиной.
Задачей полезной модели является разработка синхронной электрической машины с осевым магнитным потоком со встроенным датчиком положения ротора, обеспечивающим создание синусоидальных токов в обмотках, что обеспечивает повышение КПД и улучшение управляемости и точности регулирования при реализации векторного управления.
Указанная задача решается в синхронной электрической машина с осевым магнитным потоком, содержащей корпус, закрепленный на нем статор с тороидальным магнитопроводом и кольцевыми обмотками, ротор с постоянными магнитами чередующейся полярности и осевой намагниченностью, выполненный из двух соосных дисков, расположенных по обе стороны от статора и жестко связанных между собой и с валом, и датчик углового положения ротора, включающий в себя сигнальный диск, жестко связанный с ротором, и чувствительный элемент, закрепленный на корпусе. Согласно полезной модели диски ротора выполнены из немагнитного материала, а сигнальный диск закреплен на наружной поверхности одного из дисков ротора и содержит расположенные по окружности постоянные магниты чередующейся полярности с осевой намагниченностью, число которых равно или кратно числу полюсов машины, при этом чувствительный элемент датчика углового положения ротора представляет собой линейные датчики Холла, число которых равно числу кольцевых обмоток статора.
Использование в качестве чувствительных элементов линейных датчиков Холла и магнитов чередующейся полярности на сигнальном диске позволяет определить точное положение ротора на полюсном делении и обеспечить формирование синусоидальных токов в обмотках.
Предпочтительно внешний радиус сигнального диска меньше радиуса окружности, касающейся внутренних поверхностей постоянных магнитов, расположенных на дисках ротора.
Предпочтительно сигнальный диск расположен на диске ротора, наиболее удаленном от выходного конца вала.
Предпочтительно чувствительные элементы датчика углового положения ротора установлены на плате, расположенной в окне торцевой стенки корпуса машины напротив магнитов сигнального диска.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 схематично показана синхронная электрическая машина согласно полезной модели, вид в продольном разрезе;
на фиг.2 - синхронная машина в поперечном разрезе, вид по А и Б на фиг.1.
Как показано на фиг.1, синхронная электрическая машина содержит корпус 1, в котором на подшипниках 2 установлен вал 3. С корпусом 1 жестко связан статор 4 в виде тороидального магнитопровода 5 с кольцевыми трехфазными обмотками 4' (фиг.2), выводы 6 которых соединены с силовым разъемом 7, закрепленным на коробке 8, установленной на корпусе 1.
На валу 3 закреплен ротор в виде двух соосных немагнитных дисков 9, которые расположены по обе стороны от статора 4. В каждом из дисков 9 выполнены окна, в которые уложены постоянные магниты 10, прикрепленные к магнитному диску 11. На каждом диске 9 ротора может располагаться любое четное количество постоянных магнитов 3 с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью.
К диску 9 ротора, наиболее удаленному от выходного конца вала 3, прикреплен сигнальный диск 12 датчика углового положения ротора с сигнальными магнитами 13 чередующейся полярности в количестве, равном числу полюсов диска 9 ротора. Диаметр расположения сигнальных магнитов 13 выбирается минимально возможным для данной машины. Предпочтительно внешний радиус сигнального диска 12 меньше радиуса окружности, касающейся внутренних поверхностей постоянных магнитов 10, расположенных на дисках 9 ротора.
Чувствительные элементы 14 датчика углового положения представляют собой линейные датчики Холла и расположены на плате 15, закрепленной в окне торцевой стенки корпуса 1 машины напротив сигнальных магнитов 13. Минимальная величина угла окна в корпусе 1 для установки платы 15 составляет 360°/р, где р - число пар полюсов на дисках 9.
После общей сборки двигателя настройка датчика углового положения ротора может осуществляться смещением платы 15 в окне корпуса 1.
Число чувствительных элементов 14 соответствует числу фаз обмоток статора. Чувствительные элементы 14 расположены на плате 15 таким образом, чтобы угол между их осями для трехфазной машины составлял 120°/р, где р - число пар полюсов электрической машины (число пар полюсов на дисках 9). Чувствительные элементы распаяны соединительными проводами, которые выведены на разъем 16, закрепленный на крышке 17, предназначенный для соединения с силовым преобразователем. Фиксирующий винт 18 обеспечивает закрепление платы 15 после настройки ее положения в окне корпуса 5.
Синхронная электрическая машина работает следующим образом.
Постоянный магнит 10 левого диска ротора 9 (фиг.1) создает осевой рабочий магнитный поток, который проходит через рабочий торцевой зазор и через левую зону статора попадает в тороидальный магнитопровод 5 левой части статора и, проходя вдоль него, опять попадает в тот же рабочий зазор и через него - на постоянный магнит 10 противоположной полярности того же (левого) диска ротора 9, замыкаясь по магнитопроводу 11 ротора на исходный постоянный магнит 10. Путь рабочего магнитного потока правого диска ротора аналогичен (фиг.1). Пропускаемый по кольцевым обмоткам 4 статоров ток создает электромагнитные моменты левого и правого дисков ротора, которые совпадают как по величине, так и по направлению. Это приводит к тому, что при согласованной подаче тока на кольцевые обмотки статора вал двигателя будет вращаться с требуемой частотой. При этом сигналы с чувствительных элементов датчика положения ротора используются для формирования фазных токов в функции угла поворота ротора. Использование сигнального диска с постоянными магнитами позволяет при его вращении относительно платы с чувствительными элементами получить синусоидальное изменение магнитной индукции на полюсном делении. Эти изменения воздействуют на линейные датчики Холла, которые формируют синусоидальные напряжения на выходе. Использование трех чувствительных элементов позволяет с высокой точностью определить положение ротора относительно обмоток статора на полюсном делении (более 100 точек). Для сравнения - использование фотооптических датчиков или дискретных датчиков Холла в сочетании с крыльчаткой (диск с радиальными выступами) в качестве сигнального элемента в устройстве по SU 1494877 позволяет определить только 6 состояний на полюсном делении (для трехфазной машины). Совместная обработка сигналов от трех чувствительных элементов, расположенных со смещением один относительно другого на 120°/р, позволяет также определить значение средней точки характеристик чувствительных элементов. Все вышеперечисленное обеспечивает эффективное управление машиной, а также увеличивает ее КПД за счет уменьшения потерь при обеспечении синусоидальных токов в обмотке машины.