ДВИГАТЕЛЬ
ENGINE

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, может быть использовано для промышленных механизмов, требующих регулирование скорости.
Многие механизмы, например вентиляторы, привода транспортных устройств (велосипеды, мотоциклы, электрокары и т.д.), требуют компактных электромеханотронных устройств преобразования электрической энергии в регулируемую механическую. Такие устройства могут быть выполнены на базе вентильных двигателей с постоянными магнитами (ВДМ), системы управления которых интегрированы с электродвигателем при минимуме дополнительных устройств. Но возникают проблемы, связанные со снижением стоимости и габаритов ВДМ, поскольку последние должны заменить относительно дешевые коллекторные двигатели постоянного тока, имеющие массовое производство. Указанная замена становится возможной, если, во-первых, стоимость ВДМ не превысит ценового ограничения, во-вторых, допускаемая температура электронных компонентов блока управления ВДМ соответствует тепловым ограничениям их места работы и, в-третьих, габаритные размеры ВДМ не превышают таковые коллекторных электродвигателей.
Первое ограничение, являющееся наиболее существенным, диктует минимизацию числа силовых ключей блока управления и отказ от использования явных датчиков положения ротора ВДМ. В этих условиях применение однофазных ВДМ становится практически безальтернативным.
Использование однофазных ВДМ возможно при условии известной (предпусковой) фиксации положения ротора в обесточенном состоянии. При симметричном расположении постоянных магнитов на роторе однофазного ВДМ отсутствует пусковой момент, и электродвигатель не запускается.
Известен электродвигатель, который содержит первичный элемент с многофазной обмоткой из сосредоточенных фазных катушек с вентильными коммутаторами для их поочередного подключения к внешней цепи постоянного тока, и вторичный элемент имеет однородную структуру в направлении относительно перемещения первичного и вторичного элементов, последний имеет полюсные модули с геометрическими параметрами, обеспечивающими циклическое согласованное положение фазных катушек и полюсных модулей (патент RU 2189685, Н02K 29/00, опубл. 20.09.2001).
Недостаток такой машины - низкий пусковой момент, низкая технологичность и сложность устройства управления.
В импульсном электродвигателе по патенту RU 2172261, B60K 7/00, опубл. 20.08.2001, кольцевые магнитопроводы статора установлены на держателе и имеют четные количества постоянных магнитов. Ротор выполнен цилиндрическим с закрепленными на обечайке квадроэлектромагнитами. Квадроэлектромагниты выполнены с четырьмя полюсами, обращенными к постоянным магнитам статора попарно по осевой линии и радиально, и четырьмя обмотками, включенными последовательно-встречно. Выводы квадроэлектромагнитов соединены с соответствующими парами токосъемников, установленных по осевым линиям квадроэлектромагнитов. Токосъемники сдвинуты друг от друга на угол, равный углу смещения квадроэлектромагнитов. В распределительном коллекторе количество медных пластин равно количеству постоянных магнитов на каждом из кольцевых магнитопроводов статора, при этом медные пластины разделены диэлектрическими промежутками.
Недостаток указанного импульсного электродвигателя связан с невысокой технологичностью сборки. Кроме того, дисковое исполнение распределительного коллектора, а также большое количество используемых электромагнитов и токосъемников отрицательно сказываются на надежности работы электродвигателя.
В импульсном электродвигателе по патенту RU 2129965, B60K 7/00, опубл. 10.05.1999, использован статор с двумя установленными на держателе кольцеобразными магнитопроводами, на которых расположены четные количества равноудаленных по окружности постоянных магнитов, внутренний ротор с вращающимися относительно статора электромагнитами, попарно соединенными с токосъемниками, дисковый распределительный коллектор, выполненный с возможностью совместного с токосъемниками преобразования постоянного тока в импульсный разнонаправленный ток. Недостатки такого электродвигателя, характеризующегося внутренним расположением ротора относительно статора, проявляются в конструктивной сложности выполняемых на его основе механизмов, что предопределяет их низкую надежность в работе.
Наиболее близким к заявляемому является двигатель, содержащий неподвижный статор звездообразной литой конструкции, на котором равноудаленно по окружности закреплены электромагниты, внешний подвижный ротор звездообразной литой конструкции. На кольцеобразном магнитопроводе ротора расположены равноудаленные по окружности постоянные магниты, намагниченные в тангенциальном направлении, то есть "северный полюс - южный полюс - нейтральная зона", между которыми закреплены инерционные пластины (болванки) из мягкомагнитного материала, сдвинутые на определенный заданный фазовый угол. При этом статор с закрепленными на нем электромагнитами снабжен датчиком положения ротора и устройством управления, которые расположены на основании статора, а фазы индукторной машины электрически не связаны между собой (патент RU 2231201 МПК, H02K 29/00).
Недостатком этого устройства является недостаточный пусковой момент двигателя, так как эффект подмагничивания ротора относительно слаб. Этот эффект мог бы быть увеличен при выполнении магнитов увеличенной поперечной высотой и расположении пластины (болванки) из мягкомагнитного материала в глубоких пазах, как, например, в электрических машинах с «коллекторным» расположением магнитов, однако это невозможно из-за малой поперечной высоты тангенциально намагниченных магнитов.
Изобретение направлено на решение технической задачи создания несложной и недорогой конструкции двигателя с увеличенным пусковым моментом и улучшенными условиями запуска при останове двигателя.
Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение пускового момента вентильного двигателя путем усиления эффекта подмагничивания ротора, а также улучшение условий запуска двигателя.
Этот технический результат достигается тем, что статор двигателя выполнен с зубцами, равномерно распределенными по окружности, на каждом из которых намотана катушка, причем катушки образуют две полуобмотки двигателя с помощью последовательного соединения каждой второй из них в одну полуобмотку и последовательного соединения всех остальных в другую полуобмотку. Каждая из полуобмоток установлена с возможностью подключения к источнику питания через управляемый транзисторный ключ. При этом постоянные магниты, расположенные на роторе и образующие его полюсы, установлены парами разнонаправленно намагниченных в радиальном направлении расположенных впритык друг к другу магнитов, а между каждой парой магнитов впритык к ним размещены зубцы ротора в виде пластин, из магнитномягкого материала, при этом:
1
1
2р=Z, где р - число пар полюсов ротора, Z - число зубцов статора;
p
p
S=2(τ-b), где S - ширина зубца ротора, τ - величина полюсного деления, b - ширина одного магнита по наружной окружности, обращенной к воздушному зазору;
2
1
2
Z=0,5 Z, где Z - число зубцов ротора.
1
1
1
p
2
1
p
На чертеже представлен предлагаемый двигатель в поперечном разрезе. Электродвигатель содержит статор 1 с зубцами (полюсами) Z, который может быть выполнен из шихтованной электротехнической холоднокатаной стали. Статор жестко закреплен на оси 3. Зубцы 2 статора 1 равномерно распределены по окружности и на каждом из них намотана катушка 4 обмотки. Последовательное соединение каждой второй из катушек образует одну из полуобмоток, а всех остальных катушек - вторую полуобмотку, каждая из них подключается к источнику питания через ключ (транзистор), управляемый от интегрированной в электродвигатель системы управления (на чертеже не показан). Ротор 5 выполнен с возможностью вращения относительно оси 3. По периферии ротора 5 размещен магнитопровод 6, выполненный в виде стального кольца, на поверхности которого, на внутренней стороне обращенной к статору 1, установлены пары разнонаправленно в радиальном направлении намагниченных и установленых впритык друг к другу кольцеобразных постоянных магнитов 7, а между каждой парой магнитов также впритык к ним размещены зубцы 8 ротора в виде пластин из мягкомагнитного материала, ширина которых меньше величины полюсного деления τ. Число полюсов ротора (количество постоянных магнитов) 2р=Z, где р - число пар полюсов ротора, Z - число зубцов статора. Для увеличения пускового момента промежутки между парами магнитов, равные 2(τ-b), заполнены пластинами из магнитномягкого материала, например магнитомягкой стали, образующей ферромагнитные зубцы 8 на роторе 5 с числом, равным Z=0,5 Z, и шириной 2(τ-b). Поперечный размер (высота) каждого зубца ротора может достигать величины полюсного деления машины τ.
Такая конструкция представляет собой однофазный вентильный двигатель комбинированного возбуждения.
Двигатель работает следующим образом. В момент пуска электродвигателя от источника постоянного напряжения через ключ подается питание на одну из полуобмоток, например, 4 статора 1. От каждой из них создается суммарный электромагнитный момент на валу двигателя, состоящий из двух составляющих. Первая - электромагнитный момент, образующийся при взаимодействии намагничивающей силы, созданной током катушек с потоком постоянных магнитов 7 ротора 5. Вторая составляющая -электромагнитный момент, создаваемый равнодействующей азимутальной составляющей пондеромоторных сил тяжения между феррмагнитными зубцами 8 ротора 5 и активными полюсами, образованными зубцами 2 статора с подключенной полуобмоткой статора 1. В предлагаемой конструкции постоянные магниты намагничены радиально и их поперечный размер (высота) может достигать полюсного деления машины. Поперечный размер (ширина) каждого зубца ротора может достигать величины полюсного деления машины.
Обычно при симметричном расположении постоянных магнитов на роторе однофазного ВДМ отсутствует пусковой момент и электродвигатель не запускается. Эта проблема в предлагаемом изобретении решена путем несимметричного расположения магнитов, при котором воздушные промежутки имеются только между каждой парой радиально и разнонаправлено намагниченных магнитов, расположенных встык, и отсутствуют внутри пары. Таким образом, благодаря тому что немагнитные зоны имеют различную ширину, а также соотношениям размеров, приведенных в описании изобретения, при останове двигателя зубцы ротора занимают несимметричное положение относительно пар магнитов положение, при котором при подаче тока в однофазную обмотку всегда будет возникать пусковой момент, причем значительно усиленный благодаря наличию вышеописанных зубцов ротора.
Таким образом, две составляющие создают пусковой электромагнитный момент при том же токе обмотки, что и в прототипе. Величина электромагнитного момента в два раза выше, чем в прототипе. Это подтверждают математические расчеты физической модели предлагаемого электродвигателя. На физической модели получено увеличение пускового момента в 1,9 раза. Повышаются электромагнитный момент и мощность по отношению к весу и занимаемому объему электрической машины заявляемой конструкции.
При этом, при появлении пускового тока в любой из полуобмоток статора, состоящих из катушек соответствующих зубцов, к ротору будут приложены два момента одного направления: первый вызван взаимодействием тока катушек с магнитами, второй - притяжением этих катушек с током к стальным вставкам (зубцам) на роторе. Полевые расчеты предлагаемой конструкции указывают на возможный рост момента почти в два раза. Этот существенный результат достигается очень несложным и недорогим описанным выше конструктивным решением.