ВЕНТИЛЬНЫЙ МОМЕНТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
BRUSHLESS TORQUE MOTOR

Изобретение относится к области электротехники, в частности к вентильным моментным электродвигателям, и может быть использовано в различных электроприводах, где требуется создание большого момента с минимальными пульсациями при ограниченных габаритах привода.
К настоящему времени в электромеханических приводах широко применяются различные типы электродвигателей: коллекторные постоянного и переменного тока, асинхронные, большая группа двигателей, относящихся к синхронным. Конструктивные особенности двигателей определяются их назначением, областями применения, требованиями схем, в которых они применяются, и др.
В схемах автоматики широкое распространение получили электродвигатели, работающие на постоянном токе. Такие двигатели обладают высокими удельными характеристиками, не требуют специальных источников питания. Классический пример такого электродвигателя - двигатель с щеточно-коллекторным узлом. Однако наличие последнего приводит к резкому снижению надежности работы таких двигателей, что приводит к ограничению области их применения.
Известно, что в последнее время находят более широкое применение бесконтактные двигатели постоянного тока не с механическим (щетка-коллектор), а с полупроводниковым коммутатором [Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. - М.: Высшая школа, 1988, с.с. 212-227]. Эти двигатели, обладая практически всеми положительными свойствами обычных двигателей постоянного тока, лишены их основного недостатка - наличия щеточно-коллекторного узла. Такие двигатели также называются вентильными по причине применения в схемах коммутации токов обмоток ключевых элементов, таких как транзисторы и тиристоры. Конструктивно вентильные двигатели выполняются обращенными. Как правило, эти двигатели состоят из трех элементов: 1) бесконтактного двигателя с многофазной обмоткой на статоре и возбужденным ротором (обычно в виде постоянного магнита); 2) датчика положения ротора, смонтированного в одном корпусе с двигателем, вырабатывающего сигналы управления, определяющие момент времени и последовательность коммутации обмоток двигателя; 3) бесконтактного электронного коммутатора, осуществляющего по сигналам датчика положения ротора коммутацию токов в обмотках статора двигателя. Положительные свойства вентильных двигателей дают возможность использовать их в широком диапазоне условий эксплуатации. Отдельное место среди вентильных двигателей занимают моментные электродвигатели, предназначенные для непосредственного встраивания в механизм, от которого требуется обеспечение высокой точности и хороших динамических характеристик. Применение моментных двигателей вызвано тем, что они позволяют отказаться от редуктора, который является сложным, дорогостоящим элементом снижающим надежность и ухудшающим массогабаритные характеристики привода. Моментные двигатели также называются электродвигателями прямого (безредукторного) привода  [Микеров А.Г. Прямой привод в России // Control Engineering Россия. - 2012. - № 1(38). - С. 8-11]. Наиболее перспективными считаются моментные вентильные двигатели с постоянными магнитами, обладающие линейными механическими и регулировочными характеристиками, высоким быстродействием, надежностью, большим сроком службы особенно в тяжелых и экстремальных условиях эксплуатации. Отличительной особенностью работы моментных двигателей является режим создания момента при низких, в пределе, нулевых скоростях поворота объекта управления (заторможенный режим работы двигателя). Однако при таком режиме по обмоткам протекает большой ток, вызывающий их значительный перегрев. Кроме того, в ряде случаев необходимо создать значительный момент при ограниченных габаритах двигателя; такая задача может быть решена только увеличением тока, протекающего по обмоткам. Существенный перегрев обмоток неизбежно приведет к их разрушению и выходу двигателя из строя. Различные приемы естественного и принудительного охлаждения усложняют конструкцию двигателя и снижают надежность его работы. Поэтому создание моментного вентильного двигателя с повышенным коэффициентом удельной отдачи, представляющим отношение развиваемого момента к объему двигателя, является актуальной задачей.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по использованию, технической сущности и достигаемому техническому результату является вентильный двигатель с двухсекционной многовитковой намоткой из покрытой изоляцией электропроводящей ленты [Пат. России №2454776 C1 Вентильный двигатель // В.М. Мартемьянов, А.Г. Иванова. 2012. Бюл. №18]. Этот двигатель выбран в качестве прототипа изобретения. Данный двигатель содержит ротор, состоящий из постоянного магнита и магнитопровода, разделенных зазором, и датчик положения ротора. В зазоре расположена двухсекционная многовитковая намотка из покрытой изоляцией электропроводящей ленты. Ленточные секции размещены концентрически. Ленты, из которых выполнены обе ленточные секции, имеют узкие поперечные вырезы, которые чередуются с одного и другого боковых краев ленты. Центры двух смежных пазов, расположенных на противоположных торцах ленты, получаемых при ее намотке за счет совмещения вырезов, находятся на расстоянии, равном полюсному делению магнита ротора. Пазы второй ленточной секции сдвинуты на половину полюсного деления магнита ротора относительно аналогичных пазов первой ленточной секции. Контакты, связанные с началом и концом ленты каждой ленточной секции, подсоединены к выходам переключателей реверса, входы которых связаны с выходами коммутаторов, присоединенных к источнику питания. К управляющим входам коммутаторов подключены выходы датчика положения ротора. Управляющие входы переключателей реверса связаны с блоком задатчика реверса.
Достоинством конструкции двигателя-прототипа является эффективное рассеивание тепла, выделяемого в двухсекционной многовитковой намотке при протекании тока, оно передается с минимальным сопротивлением на корпус двигателя и затем рассеивается в окружающем пространстве. Условия минимального теплового сопротивления обеспечены хорошим тепловым контактом двухсекционной многовитковой намотки и корпуса двигателя.
Недостаток двигателя-прототипа заключается в том, что концентрическое расположение двух ленточных секций увеличивает длину рабочего воздушного зазора, тем самым существенно уменьшает величину индукции основного магнитного потока и, как следствие, уменьшает развиваемый двигателем момент. Также увеличенная длина рабочего воздушного зазора приводит к увеличению диаметра двигателя. Кроме того, указанное взаимное расположение двух ленточных секций (фаз) требует тщательной межсекционной электрической изоляции, приводящей к усложнению, как конструкции двигателя, так и технологии его изготовления. Другим недостатком двигателя-прототипа является неравномерность зависимости ”развиваемый момент - угол поворота ротора”, что вызвано характером протекания распределенного тока в элементах ленты.
Общими существенными признаками с заявляемым техническим решением является наличие ротора, состоящего из постоянного магнита и магнитопровода, разделенных зазором, в котором расположена двухсекционная многовитковая намотка из покрытой изоляцией электропроводящей ленты с узкими поперечными основными вырезами, чередующимися с одного и другого боковых краев ленты на расстоянии, равном полюсному делению магнита ротора, контакты, связанные с началом и концом ленты каждой ленточной секции, присоединены к выходам переключателей реверса, входы которых связаны с выходами коммутаторов, присоединенных к источнику питания, датчика положения ротора, при этом к управляющим входам коммутаторов подключены выходы датчика положения ротора, управляющие входы переключателей реверса связаны с блоком задатчика реверса.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого технического решения, заключается в расширении арсенала вентильных моментных двигателей с одновременным увеличением развиваемого момента и снижением его пульсаций.
Технический результат достигается тем, что вентильный моментный двигатель содержит ротор, состоящий из постоянного магнита и магнитопровода, разделенных зазором. В зазоре расположена двухсекционная многовитковая намотка, состоящая из двух отдельных идентичных ленточных секций, размещенных соосно вдоль оси ротора. Ленточные секции выполнены из покрытой изоляцией электропроводящей ленты, на которой выполнены узкие поперечные вырезы. Основные поперечные  вырезы чередуются с одного и другого боковых краев ленты, образуя условный пластинчатый элемент, длина которого определяется полюсным делением магнита ротора. Ленточную секцию в этом случае можно представить как совокупность последовательно соединенных пластинчатых элементов. Центры аналогичных основных поперечных вырезов обеих ленточных секций смещены вокруг оси ротора на угол, соответствующий половине полюсного деления магнита ротора. На каждом участке витков ленточных секций, ограниченном двумя смежными основными вырезами (условном пластинчатом элементе), выполнены дополнительные поперечные вырезы, которые расположены на расстоянии одной трети полюсного деления магнита ротора от основных и имеют направление вырезов ближайших основных. Длины основных и дополнительных вырезов равны 0,9 ширины ленты. Ширина ленты каждой ленточной секции равна 1,2 линейной величины полюсного деления магнита ротора, определенной по средней линии, проведенной между внешней и внутренней поверхностями ленточной секции или, иначе, 1,2 длины ранее упомянутого пластинчатого элемента, входящего в состав среднего витка ленточной секции. Магнит ротора выполнен с коэффициентом полюсного перекрытия, равным 0,5. Контакты, связанные с началом и концом ленты каждой ленточной секции, присоединены к выходам переключателей реверса, входы которых связаны с выходами коммутаторов, присоединенных к источнику питания. К управляющим входам коммутаторов подключены выходы датчика положения ротора. Управляющие входы переключателей реверса связаны с блоком задатчика реверса.
Сущность изобретения поясняется следующим графическим материалом.
На фиг. 1 показана структурная схема заявляемого вентильного моментного двигателя.
Фиг. 2 поясняет принцип исключения пульсаций момента.
На фиг. 3 а) представлен характер протекания распределенного тока при наличии дополнительных вырезов; б) показан вид зависимости момента от угла поворота ротора.
На фиг. 4 показаны а) магнитная цепь двигателя; б) фрагменты разверток обеих ленточных секций.
На фиг. 5 показан вариант конструктивного выполнения двигателя: а) продольный разрез; б) вид слева с местным разрезом.
В предлагаемой конструкции, также как в двигателе-прототипе, тепло, выделяемое при протекании тока, с минимальным сопротивлением передается на корпус двигателя и затем рассеивается в окружающем пространстве. Минимальное тепловое сопротивление обеспечивается непосредственным расположением обеих ленточных секций на трубчатой части крышки двигателя, в то время как в двигателе-прототипе непосредственный тепловой контакт существует только с одной ленточной секцией.
С другой стороны, соосное расположение ленточных секций существенно уменьшает длину воздушного зазора магнитной цепи, что приводит к увеличению индукции и к соответствующему увеличению развиваемого момента. Уменьшение воздушного зазора также дает возможность уменьшить диаметр корпуса двигателя.
Раздельная установка идентичных ленточных секций снимает задачу применения межсекционной изоляции, улучшает технологичность конструкции и повышает надежность работы электродвигателя. Соответствующие геометрические характеристики ленточных секций позволяют получить зависимость ”момент-угол поворота  ротора” с минимальными пульсациями.
В работе [Долгих А.Г., Мартемьянов В.М., Бориков В.Н. Активный ленточный элемент моментного электродвигателя  // Завалишинские чтения 17: сб. докл./СПб.: ГУАП, 2017, с.с. 144-151] показано, что если зависимости развиваемых моментов обеих ленточных секций будут идентичными и представлять сочетание равнобедренных треугольников, то результирующий момент двигателя будет неизменным при всех положениях ротора; в идеале пульсации момента будут отсутствовать.
рез
На фиг. 2а представлена “треугольная” зависимость развиваемого момента от угла поворота ротора при действии только одной ленточной секции и при отсутствии в ней коммутации тока. Фиг. 2б показывает такую же зависимость в случае коммутации тока датчиком положения ротора. На фиг. 2в показан результирующий момент М, получаемый суммированием моментов двух ленточных секций, смещенных на половину полюсного деления τ магнита ротора.
В том же литературном источнике  показано, что “треугольная” зависимость момента от угла может, в частности, быть реализована с помощью двух дополнительных вырезов на каждом пластинчатом элементе. Дополнительные вырезы, как показано на фиг. 3а, обеспечивают изменения в характере протекания по пластинчатому элементу распределенного тока с целью получения необходимой зависимости (фиг. 3б) момента от угла поворота ротора.
cp
cp
На фиг. 4а показаны величины полюсного деления τ и полюсной дуги 0,5τ магнита ротора, при этом коэффициент полюсного перекрытия α=0,5. Здесь же показана линейная величина полюсного деления l, являющаяся частью средней линии, проведенной между внешней и внутренней поверхностями ленточной секции и лежащей в пределах полюсного деления τ магнита ротора. В данном случае величина lсоответствует длине участка (пластинчатого элемента) среднего витка ленточной секции, ограниченного двумя смежными основными вырезами.
cp
Введение параметра l объясняется тем, что длины аналогичных участков выше- и нижерасположенных витков ленты отличаются в большую и меньшую стороны, что сказывается на различие активных сопротивлений таких участков. Указанное обстоятельство учитывается при выборе оптимальных геометрических параметров намотки ленточной секции.
На фиг. 4б приведены развертки фрагментов витков обеих ленточных секций, где показан характер выполнения вырезов. Основные вырезы витков обеих ленточных секций расположены также как и у двигателя-прототипа с шагом в полюсное деление τ и эти вырезы у двух ленточных секций относительно друг друга смещены на половину полюсного деления (τ/2). У предлагаемого двигателя выполнены дополнительные вырезы, которые расположены на расстоянии одной трети полюсного деления магнита ротора от основных и имеют направления ближайших основных вырезов. Здесь b - ширина ленты.
Проведенный численный анализ соотношений геометрических характеристик активных элементов моментного двигателя показал, что желаемая “треугольная” характеристика “момент-угол поворота ротора” может быть реализована в случае, если выбраны следующие параметры: коэффициент полюсного перекрытия магнита ротора равен 0,5; дополнительные поперечные вырезы расположены на расстоянии одной трети длины участка ленты, ограниченного двумя смежными основными вырезами; длины основных и дополнительных вырезов должны быть равны 0,9 ширины ленты. Кроме того, с целью получения минимального электрического сопротивления ленточной секции, а соответственно большей величины тока и развиваемого момента, ширина ленты должна быть равна 1,2 линейной величины полюсного деления магнита ротора (длины пластинчатого элемента, ограниченного двумя смежными основными вырезами), определенной по средней линии, проведенной между внешней и внутренней поверхностями ленточной секции. Особенности работы схемы коммутации токов в ленточных секциях и схемы реверса, а также конструкции датчика положения ротора аналогичны применяемым в двигателе-прототипе.
Предлагаемый вентильный моментный двигатель (фиг. 1) содержит ротор в виде постоянного магнита 1 и магнитопровода 2, которые разделены воздушным зазором. Переключение многовитковых ленточных секций 3 и 4 производится по сигналам датчика положения ротора 5. Ленточные секции 3 и 4 (Фиг. 5а) расположены в воздушном зазоре соосно вдоль оси ротора и смонтированы на трубчатой части крышки 6 двигателя. В лентах, из которых выполнены ленточные секции, имеются узкие поперечные вырезы, которые чередуются с одного и другого боковых краев ленты. Основные поперечные вырезы 7, 8 (Фиг. 4б), расположенные на противоположных краях ленты, находятся на расстоянии равном полюсному делению магнита ротора τ, условно образуя пластинчатый элемент ленты. Основные вырезы 7 ленты первой  ленточной секции 3 сдвинуты на половину полюсного деления магнита ротора относительно основных вырезов 8 ленты второй ленточной секции 4. В теле каждого условного пластинчатого элемента выполнено по два дополнительных выреза 9, 10, которые расположены на расстоянии одной трети полюсного деления магнита ротора (τ/3) от основных и имеют  направление ближайших основных вырезов. На Фиг. 1, Фиг. 4 основные вырезы лент первой ленточной секции 3 и второй 4 показаны как 7 и 8, а дополнительные как 9, 10. Контакты, связанные с началом и концом ленты каждой ленточной секции, подсоединены к выходам переключателей реверса 11, входы которых связаны с выходами коммутаторов 12, присоединенных к источнику питания 13. К управляющим входам коммутаторов 12 подключены выходы датчика положения ротора 5, а управляющие входы переключателей реверса 11 связаны с блоком задатчика реверса 14.
Пример технической реализации изобретения поясняется фиг. 5. С целью повышения момента двигателя ротор - магнит 1 выполнен четырехполюсным. В зазоре между ротором-магнитом и магнитопроводом 2 на трубчатой части крышки 6 помещены две идентичные ленточные секции 3 и 4. Соответствующие основные и дополнительные поперечные вырезы лент обеих ленточных секций сдвинуты на угол, равный половине полюсного деления магнита ротора, в данном случае этот угол равен 45°. На одном валу с ротором-магнитом 1 и магнитопроводом 2 закреплен ротор датчика положения 5 ротора двигателя, а чувствительные элементы 15 и 16 датчика положения установлены в корпусе статора датчика положения, смонтированного на трубчатой части крышки 6 двигателя. Схема управления  двигателем аналогична схеме управления двигателя-прототипа: сигналы с упомянутых чувствительных элементов 15, 16 датчика положения ротора поступают на управляющие входы коммутаторов 12, которые подключают ленточные секции к источнику питания 13, а реверсирование двигателя производится блоком задатчика реверса 14 и переключателями реверса 11 как показано на фиг. 1.
Технический результат изобретения: увеличение развиваемого момента и снижение его пульсаций.