Бесконтактный электродвигатель постоянного тока

Заявляемая полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в электрооборудовании электротранспорта, насосов нефтегазовой промышленности, бытовой технике и генераторах электрической энергии.
Известен электромагнитный двигатель постоянного тока, содержащий статор с тремя катушками, расположенными в нем через 120°, и ротор, состоящий из двух ферромагнитных и двух немагнитных частей, соединенных в кольцо в определенном порядке, при этом на концах каждой из катушек статора установлены электромагнитные датчики, контролирующие расположение ферромагнитных частей ротора в упомянутых катушках и взаимодействующие с электронным устройством включения питания катушек двигателя. Также в двигателе установлены шестерни, соединенные с шестерней вала, установленного на шарикоподшипниках в гнездах статора, и крышки ротора (патент РФ №2362260, 2009 г.). Данное устройство принято за ближайший аналог.
Недостатком указанного устройства является значительная величина силы трения, возникающей между элементами устройства, что приводит к увеличению потребляемой мощности и снижению коэффициента полезного действия (КПД).
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в снижении потребляемой мощности с одновременным повышением КПД.
Указанный технический результат достигается тем, что бесконтактный электродвигатель постоянного тока, содержащий статор с катушками и ротор в виде кольца, причем на статоре установлены датчики, взаимодействующие с электронным устройством включения питания катушек двигателя, включает тела качения, расположенные между статором и ротором, при этом на роторе закреплены постоянные магниты, направленные одноименными полюсами друг к другу, кроме того намотка каждой катушки охватывает как статор, так и ротор.
Кроме того, ротор может быть выполнен внешним по отношению к статору.
А также статор может быть выполнен внешним по отношению к ротору.
Кроме того, ротор и статор могут быть выполнены из нескольких частей, соединенных в кольцо.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых изображено:
- на Фиг. 1 - общий вид двигателя в разрезе, в котором ротор выполнен внешним по отношению к статору;
- на Фиг. 2 - общий вид двигателя в разрезе, в котором статор выполнен внешним по отношению к ротору.
Согласно Фиг. 1-2, бесконтактный электродвигатель постоянного тока содержит статор 1 и ротор 2, выполненные в виде кольца. На статоре 1 размещены катушки индуктивности 3, датчики 4, взаимодействующие с электронным устройством включения питания катушек 3 (на чертеже не показано) и элементы крепления 5 для закрепления электродвигателя в конечном устройстве его использования. Катушки 3 включают в себя корпус, состоящий из двух частей, выполненных из немагнитного материала, например, пластика ABS, и намотку 6 из изолированного провода, выполненного из токопроводящего материала, например, из меди. Датчики 4 представляют собой магнитные датчики, например, датчики Холла, которые определяют положение ротора 2. На основе сигналов с датчиков 4 включается прямое или обратное напряжение постоянного тока на катушки 3. На роторе 2 размещены равноудаленно друг от друга постоянные магниты 7, выполненные из магнитотвердого материала с остаточной магнитной индукцией не менее 1.1 Br (Тл), например, неодимовые. Постоянные магниты 7 направлены одноименными полюсами друг к другу. Намотка каждой катушки 3 охватывает как статор 1, так и ротор 2. При этом при работе двигателя постоянные магниты 7 проходят сквозь катушки 3. Между статором 1 и ротором 2 расположены тела качения 8, размещенные в дорожках качения (на чертеже не показано) статора 1 и ротора 2 и отделенные друг от друга сепаратором 9, выполненным из полимерного материала, например, полиамида. Сепаратор 9 удерживает тела качения на равном расстоянии друг от друга и направляет их движение при работе электродвигателя. Тела качения 8 имеют кругообразную форму в сечении, например, в виде шариков. Статор 1, ротор 2 и тела качения 8 выполнены из немагнитного материала, имеющего магнитную проницаемость не больше 1.5 и твердость по Виккерсу более 700 HV, например, из оксида циркония.
Ротор 2 может быть выполнен внешним по отношению к статору 1, а также статор 1 может быть выполнен внешним по отношению к ротору 2 в зависимости от применения электродвигателя..
Ротор 2 и статор 1 могут быть выполнены из нескольких частей, соединенных в кольцо по технологии «паз в паз».
Бесконтактный электродвигатель постоянного тока собирается следующим образом.
Вначале на ротор 2 неразъемно устанавливают постоянные магниты 7, например, с помощью клея, соблюдая при этом, чтобы одноименные полюса магнитов были направлены друг к другу. Затем размещают статор 1 и ротор 2 на горизонтальной плоскости таким образом, чтобы они получили общую ось (кольцо в кольце). После этого между статором 1 и ротором 2 устанавливают в дорожках качения тела качения 8 и фиксируют положение тел качения на равном расстоянии друг от друга с помощью сепаратора 9. Затем в одной части корпуса каждой катушки 3 размещают статор 1 и ротор 2 и соединяют вторую часть корпуса катушки с первой таким образом, чтобы статор 1 и ротор 2 находились внутри каждой катушки 3. После чего на катушки 3 наматывают провод, формируя намотку 6. Затем катушки 3 с намоткой 6 фиксируют на статоре 1 с помощью крепежных элементов, например, стопорного кольца. После этого на статоре 1 устанавливают датчики 4 и закрепляют их с помощью крепежных элементов, например, болтовым соединением. Таким образом, все элементы бесконтактного электродвигателя постоянного тока находятся в конструктивном единстве. Выводы катушек 3 и датчиков 4 подключают к электронному устройству включения питания катушек и далее к электронному блоку управления. С помощью элементов крепления 5 электродвигатель закрепляют в конечном устройстве его использования.
Бесконтактный электродвигатель постоянного тока работает следующим образом.
При включении питания датчики 4 определяют положение ротора 2, и в зависимости от заданного направления вращения ротора 2 подается прямое или обратное напряжение постоянного тока на катушки 3. Электромагнитная сила, возникающая в катушке 3 при прохождении постоянного тока через намотку 6, заставляет двигаться постоянный магнит 7 в направлении приложенной силы и одновременно поворачивает ротор 2 вокруг своей оси. Постоянный магнит 7 при этом стремится занять положение в середине катушке 3. При достижении им центра катушки 3 датчик 4 определяет соответствующее положение ротора 2, и на основе данного сигнала с датчика 4 меняется полярность включения катушек 3. На постоянный магнит 7, находящийся в центре катушки 3, начинает действовать электромагнитная сила обратной полярности, выталкивающая его, при этом продолжая поворачивать ротор 2 вокруг своей оси в ранее заданном направлении. Одновременно с выталкиванием данного постоянного магнита 7 электромагнитная сила действует и на следующий постоянный магнит 7, а так как следующий постоянный магнит 7 расположен на роторе 2 одноименным полюсом к предыдущему, то этот магнит стремится занять положение в середине этой катушки 3. При этом ротор 2 поворачивается вокруг своей оси в ранее заданном направлении. Далее процесс смены полярности включения катушки 3 повторяется при достижении следующим постоянным магнитом 7 середины катушки 3.
Таким образом, электромагнитная сила от одной катушки 3 в одну единицу времени воздействует одновременно на два постоянных магнита 7, что увеличивает эффективность, а, следовательно, КПД электродвигателя. При этом максимально снижено трение между элементами электродвигателя, что приводит к снижению потребляемой мощности.