МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МИКРОДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам с постоянными магнитами, и может быть использована в электроприводе микромеханизмов.
Известен магнитоэлектрический микродвигатель, имеющий постоянный магнит на роторе, стеклянный статор, изготовленный по технологии, в основе которой лежит комбинация стекловолоконной технологии и пленочной технологии микроэлектроники, с мультикапиллярными проводниками обмотки, расположенными в периферийных отверстиях статора, питающийся от источника напряжения регулируемой частоты [1. Градецкий В.Г. и др. Исследование статических и динамических процессов в микродвигателях // Микросистемная техника, №1, 2001, С. 13-21].
В указанном магнитоэлектрическом микродвигателе мультикапиллярные проводники образуют секции обмотки статора, при этом на каждый полюс и фазу микродвигателя приходится одна секция обмотки. В статье [1] описано синхронное управление магнитоэлектрическим микродвигателем с разгоном ротора электромагнитным полем с постепенно нарастающей частотой вращения.
Этот магнитоэлектрический микродвигатель выбран в качестве прототипа.
Недостатки прототипа заключаются в следующем.
При работе магнитоэлектрического микродвигателя наблюдается неустойчивое вращение ротора, а также срыв синхронности и остановка ротора при частоте вращения более 1200 об/мин, этой частоте вращения ротора соответствует частота вращения поля статора более 20 Гц.
В фазе обмотки статора магнитоэлектрического микродвигателя индуцируется небольшая э.д.с. вращения, что обусловлено наличием только одного эффективного проводника, приходящегося на полюс и фазу, в котором наводится э.д.с. вращения. Небольшой э.д.с. вращения, индуцируемой в обмотке статора магнитоэлектрического микродвигателя, в случае работы микродвигателя в режиме вентильного двигателя будет соответствовать небольшая частота вращения ротора и, соответственно, магнитоэлектрический микродвигатель, работающий в режиме вентильного двигателя, будет обладать небольшим диапазоном регулирования частоты вращения ротора.
Задачами полезной модели являются повышение устойчивости вращения ротора благодаря увеличению пускового и максимального момента магнитоэлектрического микродвигателя за счет его работы в режиме вентильного двигателя, а также увеличение частоты вращения и диапазона регулирования частоты вращения ротора магнитоэлектрического микродвигателя, работающего в режиме вентильного двигателя.
Для решения этих задач магнитоэлектрический микродвигатель работает в режиме вентильного двигателя, при этом в системе питания микродвигателя присутствует бездатчиковая система векторного управления. В магнитоэлектрическом микродвигателе, имеющем магнит на роторе, стеклянный статор, изготовленный по технологии, в основе которой лежит комбинация стекловолоконной технологии и пленочной технологии микроэлектроники, на полюс и фазу магнитоэлектрического микродвигателя приходится целое число последовательно соединенных проводников q, большее одного (q>1), определяемое по формуле:
1
где z - число эффективных проводников обмотки статора;
p - число пар полюсов магнита ротора;
m - число фаз обмотки статора.
В частности, магнит ротора магнитоэлектрического микродвигателя, работающего в режиме вентильного двигателя, имеет одну пару полюсов (p=1).
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен двумерный эскиз предлагаемого магнитоэлектрического микродвигателя.
На фиг. 2 изображен двумерный эскиз поперечного сечения предлагаемого магнитоэлектрического микродвигателя.
На фиг. 3 показано двумерное изображение предлагаемого магнитоэлектрического микродвигателя со стороны выходного конца вала при числе проводников на полюс и фазу микродвигателя q=2.
На фиг. 4 показано двумерное изображение предлагаемого магнитоэлектрического микродвигателя со стороны, обратной стороне выходного конца вала, при числе проводников на полюс и фазу микродвигателя q=2.
На фиг. 5 показано двумерное изображение предлагаемого магнитоэлектрического микродвигателя со стороны выходного конца вала при числе проводников на полюс и фазу микродвигателя q=3.
На фиг. 6 показано двумерное изображение предлагаемого магнитоэлектрического микродвигателя со стороны, являющейся противоположной стороне выходного конца вала, при числе проводников на полюс и фазу микродвигателя q=3.
1
2
3
Магнитоэлектрический микродвигатель состоит из стеклянного статора 1, изготовленного по технологии, в основе которой лежит комбинация стекловолоконной технологии и пленочной технологии микроэлектроники, из проводников 4 обмотки статора, расположенных в периферийных отверстиях стеклянного статора, вала 2, установленного в переднем подшипниковом узле 3 и в заднем подшипниковом узле 6, постоянного магнита ротора 7, расположенного на валу, шайбы 8 из диэлектрического материала, а также имеет лобовые части 5 обмотки статора, образующие последовательное соединение проводников каждого полюса и фазы распределенной обмотки статора. Лобовые части выполнены из изолированного провода, например, из медного эмалированного провода. Электрическое соединение концов проводников лобовых частей обмотки с концами соответствующих проводников обмотки, находящихся в периферийных отверстиях статора, осуществляется с помощью пайки. Для образования распределенной обмотки статора концы проводников фаз обмотки, по которым токи текут в прямом направлении (А, В, С) с помощью проводников лобовых частей обмотки соединяются с концами проводников соответствующих фаз обмотки, по которым токи текут в обратном направлении {-А, -В, -С) таким образом, что образуется последовательное соединение проводников в каждой фазе распределенной обмотки статора в соответствии с числом q проводников на полюс и фазу. Выводы обмотки L, L, L предназначены для подключения трехфазной распределенной обмотки статора микродвигателя к инвертору напряжения, входящему в состав системы питания магнитоэлектрического микродвигателя. Передний подшипниковый узел 3 в целях осуществления стабильной работы магнитоэлектрического микродвигателя имеет буртик, защищающий вал от соприкосновения с лобовыми частями обмотки. Диэлектрическая шайба 8 с возможностью свободного вращения установлена на валу в области между магнитом ротора и передним подшипниковым узлом и предназначена для уменьшения силы трения между магнитом ротора и передним подшипниковым узлом, которая может возникать при осевом перемещении ротора в пределах люфта.
1
2
3
1
2
3
В случае, если магнитоэлектрический микродвигатель, работающий в режиме вентильного двигателя, имеет четное число проводников (q) на полюс и фазу, например, q=2 (фиг. 3, фиг. 4), то концы распределенной обмотки целесообразно соединить таким образом, чтобы выводы обмотки статора L, L, L оказались расположенными со стороны, противоположной стороне выходного конца вала. В этом случае лобовые части обмотки, соединенные таким образом, как изображено на фиг. 4, образуют перекрестие с той стороны, где расположены выводы обмотки L, L, L. При этом с противоположной стороны микродвигателя (фиг. 3) перекрестие не образуется, и проводники лобовых частей обмотки могут быть симметрично разделены и направлены относительно буртика переднего подшипникового щита, защищающего вал от соприкосновения с лобовыми частями обмотки.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
В случае, если магнитоэлектрический микродвигатель, работающий в режиме вентильного двигателя, имеет нечетное число проводников (q) на полюс и фазу, например, q=3 (фиг. 5, фиг. 6), то концы распределенной обмотки целесообразно соединить таким образом, чтобы выводы обмотки статора L, L, L оказались расположенными со стороны выходного конца вала. В этом случае лобовые части обмотки, соединенные таким образом, как изображено на фиг. 6, образуют перекрестие с противоположной стороны микродвигателя относительно той стороны, где расположены выводы обмотки L, L, L. При этом со стороны микродвигателя, где расположены выводы обмотки L, L, L (фиг. 5) перекрестие не образуется, и проводники лобовых частей обмотки могут быть симметрично разделены и направлены относительно буртика переднего подшипникового щита, защищающего вал от соприкосновения с лобовыми частями обмотки.
1
1
Современные технологические возможности позволяют изготавливать поликапиллярные стеклянные трубки по технологии, в основе которой лежит комбинация стекловолоконной технологии и пленочной технологии микроэлектроники, достаточно малых диаметров (2-3 мм и менее) с числом отверстий z, равным 12 и более, что дает возможность увеличивать напряжение питания в звене постоянного тока (U) при заданной частоте вращения ротора магнитоэлектрического двигателя, работающего в режиме вентильного двигателя, пропорционально э.д.с. вращения, индуцируемой в распределенной обмотке статора. В свою очередь, э.д.с. вращения Е, индуцируемая в распределенной обмотке статора, в случае беззубцовой обмотки будет определяться в соответствии с выражением [2, 3]:
1
где ƒ - частота тока в проводниках обмотки статора;
m1
Ф - амплитуда первой гармоники магнитного потока, сцепленного с обмоткой статора и созданного вращающимся магнитом ротора.
Частота тока в проводниках обмотки статора определяется по формуле:
где n - частота вращения ротора, об/мин.
0
Частота вращения ротора магнитоэлектрического двигателя, работающего в режиме вентильного двигателя, пропорциональна напряжению питания в звене постоянного тока (U), в частности, частота вращения ротора при идеальном холостом ходе n определяется выражением:
е
где С - коэффициент Э.Д.С;
Ф - магнитный поток в зазоре на пару полюсов.
Таким образом, увеличение числа (q) проводников обмотки статора на полюс и фазу магнитоэлектрического микродвигателя, работающего в режиме вентильного двигателя, при неизменных параметрах питания обмотки и неизменных параметрах магнита ротора приведет к увеличению частоты вращения ротора при его работе в режиме вентильного двигателя, что также расширит диапазон регулирования частоты вращения ротора магнитоэлектрического микродвигателя.
Источники информации
1. Градецкий В.Г. и др. Исследование статических и динамических процессов в микродвигателях // Микросистемная техника, №1, 2001. С. 13-21.
2. Нестерин В.А. Компоненты интеллектуальных мехатронных модулей / В.А. Нестерин, Е.В. Волокитина. - Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2014. - 306 с.
3. Копылов И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов / И.П. Копылов. - 3-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2002. - 607 с.