Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

Заявляемая полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в различных транспортных средствах, а также приборостроении.
Известен бесколлекторный двигатель постоянного тока, содержащий статор с Z одинаковыми равномерно распределенными зубцами, на которых размещена m-фазная обмотка, и ротор с 2p чередующимися полюсами из постоянных магнитов, намагниченных в радиальном направлении, при этом число зубцов статора Z, кратное числу фаз m, и число полюсов ротора 2р выбираются такими, чтобы разница между ними 2K, где K целое положительное число, была минимальной, и m-фазная обмотка, представляющая собой концентрическую обмотку, каждая фаза которой состоит из 2K катушечных групп, намотана таким образом, чтобы направление намотки на зубцах статора чередовалось внутри каждой катушечной группы и чтобы на зубцах одной фазы, сдвинутых на 180°/K, направление намотки было согласным при нечетном K и встречным при четном K (патент РФ №2091969, 1997 г.).
Недостатком указанного устройства является сравнительно низкий уровень надежности из-за подверженности перегреву и вибрациям, а также высокая вероятность короткого замыкания и выхода из строя блока управления в связи с использованием полномостовых схем переключения обмоток.
Также известен бесколлекторный электродвигатель постоянного тока, включающий внутренний ротор, содержащий отдельные постоянные магниты, равномерно расположенные по окружности с чередующимся направлением магнитного поля; внешний статор, содержащий две идентичные группы электромагнитов, расположенных по окружности с разных сторон ротора напротив друг друга так, что оси катушек электромагнитов параллельны оси вращения; датчики положения ротора; блок управления электромагнитами, при этом количество фаз N электродвигателя может быть любым числом из ряда N=2, 3, 4, 6; количество m электромагнитов в каждой группе кратно количеству фаз; количество n полюсов постоянных магнитов с одной стороны ротора четно, не кратно количеству фаз, больше количества m электромагнитов в группе и не кратно их числу; количество L датчиков положения ротора не меньше, чем количество фаз (патент РФ №126996, 2013 г.). Данное устройство принято за ближайший аналог.
Недостатком указанного устройства является сравнительно низкий уровень надежности, обусловленный подверженностью перегреву и вибрациям и усложненным блоком управления, а также высокая вероятность короткого замыкания и выхода из строя блока управления в связи с использованием полномостовых схем переключения обмоток.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении надежности устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что бесколлекторный электродвигатель постоянного тока, включающий внутренний ротор, содержащий постоянные магниты, равномерно расположенные по окружности с чередующимся направлением магнитного поля; внешний статор, содержащий электромагниты; датчики положения ротора и блок управления электромагнитами; содержит радиатор охлаждения в виде корпуса, при этом ротор выполнен с цилиндрическим кольцом из магнитомягкого материала, а катушки электромагнитов статора расположены в не менее чем два уровня, причем количество датчиков положения ротора не меньше количества уровней.
Кроме того, постоянные магниты ротора выполнены в виде составного магнита с чередующимся направлением магнитного поля без зазора между полюсами, что повышает надежность крепления магнитов к ротору и увеличивает срок их службы.
Также расположение катушек электромагнитов статора верхнего уровня смещено относительно катушек нижнего уровня на 45 градусов, что уменьшает магнитное притяжение в положении покоя и дает равномерный крутящий момент.
Кроме того, катушки электромагнитов статора выполнены с двойной обмоткой, что позволяет не использовать полномостовые схемы переключения катушек и тем самым повышает надежность блока управления.
Количество фаз N электродвигателя может быть любым числом из ряда N=4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, что позволяет не использовать полномостовых схем переключения катушек и тем самым повышает надежность блока управления.
Полезная модель иллюстрируется фигурами, на которых изображено:
- на Фиг. 1 - общий вид устройства в разрезе в аксонометрии;
- на Фиг. 2 - боковой разрез устройства;
- на Фиг. 3 - вид устройства сверху.
Согласно Фиг. 1-3 бесколлекторный электродвигатель постоянного тока включает внутренний ротор 1, внешний статор 2, датчики 3 положения ротора и блок управления 4. Внутренний ротор 1 содержит постоянные магниты 5, равномерно расположенные по окружности и выполненные в виде многополюсного составного магнита, в котором магниты 5 закрепляются с помощью высокопрочного клея, например цианокрилатного. Магниты 5 устанавливаются с чередованием полюсов, и их количество составляет не менее четырех. Одноименные полюса располагаются друг напротив друга. Ротор 1 выполнен с цилиндрическим кольцом 6 из магнитомягкого материала, например железа, которое служит для закрепления магнитов 5, а также для сглаживания магнитных полюсов. Толщина кольца 6 составляет 0.2-3 мм и выбирается в зависимости от силы постоянных магнитов 5 и катушек статора 2.
Внешний статор 2 содержит электромагниты 7 в виде катушек с обмоткой. Обмотка выполнена двойным изолированным медным проводом одинакового сечения. Катушки имеют явно выраженные магнитные полюса. Количество полюсов катушек в 2 раза превышает количество полюсов ротора 1. Катушки электромагнитов статора 2 расположены в не менее чем два уровня. Расположение катушек верхнего уровня смещено относительно катушек нижнего уровня на 45 градусов. Катушки подключаются либо последовательно, либо параллельно. Смена полюсов катушки происходит за счет переменного включения обмоток катушек. Ток по одному проводу катушки подается всегда в одном направлении, по другому проводу катушки в обратном направлении.
За время включения той или иной обмотки катушки отвечают датчики 3 положения ротора, количество которых не меньше количества уровней. Датчики 3 представляют собой датчики магнитного поля, например датчики Холла. Ротор 1, статор 2 и датчики 3 размещаются в корпусе 8 электродвигателя, при этом корпус 8 осуществляет функцию радиатора охлаждения и выполнен из материала, хорошо проводящего тепло, например алюминия. Кроме того, корпус 8 удерживает катушки статора 2 на разных уровнях. Снаружи к корпусу 8 разъемно, например болтами, прикреплен блок управления 4. Блок управления 4 содержит полевые транзисторы, микроконтроллер и драйверы нижнего плеча (на чертежах не показано). Используется схема работы транзисторов в ключевом режиме. По сигналу от датчиков 3 положения ротора микроконтроллер подает сигнал на драйвер управления транзистором нижнего плеча, драйвер подает сигнал на полевой транзистор, тем самым включая необходимые катушки.
Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока собирается следующим образом.
На цилиндры ротора 1 закрепляются с помощью высокопрочного клея, например цианокрилатного, постоянные магниты 5 и поверх насаживается цилиндрическое кольцо 6. Затем наматывается обмотка на катушки статора 2 для образования электромагнитов 7. В корпусе 8 устанавливается подготовленный статор 2 и фиксируется с помощью теплопроводящего клея, например «Радиал». Далее устанавливается подготовленный ротор 1 в корпус 8 и фиксируется с помощью верхней и нижней частей корпуса. После чего снаружи к корпусу 8 прикрепляется с помощью болтов блок управления 4. Катушки статора 2 соединяются с блоком управления 4 с помощью проводов, пропускаемых через отверстия в корпусе 8. Далее на каждый уровень устанавливаются датчики 3 положения ротора между катушками статора 2 максимально близко к ротору 1 и закрепляются с помощью клея, например цианокрилатного. Датчики 3 подсоединяются к блоку управления 4 с помощью проводов, пропускаемых через отверстия в корпусе 8.
Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока работает следующим образом.
При подаче электроэнергии датчики 3 положения ротора определяют какие катушки статора 2 необходимо включить для смещения магнитного потока и подают сигнал на блок управления 4. Блок управления 4 включает необходимые катушки, из-за чего происходит поворот ротора 1. Далее ток подается на другие катушки по сигналу датчика 3 положения ротора. Таким образом, двигатель начинает вращение за счет притяжения магнитов ротора 1 и катушек статора 2. Регулирование скорости вращения происходит с помощью уменьшения либо увеличения питающего напряжения. При отключении электропитания двигатель прекращает свою работу.
Наличие радиатора охлаждения в виде корпуса уменьшает нагревание электродвигателя, что способствует повышению его надежности.
Выполнение ротора с цилиндрическим кольцом из магнитомягкого материала позволяет избежать отсоединения магнитов от вала ротора из-за вибрации при работе электродвигателя, тем самым повышая его надежность.
Расположение катушек электромагнитов статора в не менее чем два уровня уменьшает осевую вибрацию, также способствуя повышению надежности электродвигателя.
При этом, с учетом того, что количество датчиков положения ротора не меньше количества уровней, увеличивается точность позиционирования ротора и, соответственно, надежность всего устройства.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет повысить надежность устройства в целом.