электропривод (варианты)

Формула изобретения

1. Электропривод, содержащий ротор и статор, при этом ротор выполнен в виде установленных на валу двух шайб с распределенными по внешней окружности полюсами и размещенного между шайбами цилиндрического магнита, намагниченного в аксиальном направлении, таким образом, что полюсы каждой из шайб являются одноименными, а по отношению к полюсам другой шайбы - разноименными, а статор выполнен в виде распределенных по окружности катушек, отличающийся тем, что полюсы ротора образованы зубьями, выполненными по внешней окружности обеих шайб и расположенными в плоскостях, перпендикулярных оси устройства, а полюсы катушек статора размещены с возможностью торцевого взаимодействия с полюсами ротора.

2. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что полюсы статора размещены в пространстве между упомянутыми полюсами ротора, выполненными на обеих шайбах.

3. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что полюсы ротора выполнены в одной плоскости с соответствующей шайбой.

4. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что одна или обе шайбы выполнены тарельчатой формы.

5. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что полюсы ротора, выполненные на одной шайбе, расположены в осевом направлении напротив полюсов ротора, выполненных на другой шайбе.

6. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что полюсы ротора, выполненные на одной шайбе, расположены в осевом направлении между полюсами ротора, выполненными на другой шайбе.

7. Электропривод по п.6, отличающийся тем, что полюсы ротора, выполненные на каждой из шайб, имеют дополнительный Г-образный полюсный выступ, одна сторона которого ориентирована в осевом направлении, а другая размещена между полюсами ротора, выполненными на другой шайбе, в одной плоскости с последними.

8. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что шайбы выполнены как одно целое с магнитом, образуя его полюсы.

9. Электропривод по п.8, отличающийся тем, что магнит выполнен из двух симметричных деталей, соединяемых в плоскости, перпендикулярной оси устройства.

10. Электропривод, содержащий ротор и статор, при этом ротор состоит из одной или нескольких секций, каждая из которых выполнена в виде установленных на валу двух шайб с распределенными по внешней окружности полюсами и размещенного между шайбами цилиндрического магнита, намагниченного в аксиальном направлении, таким образом, что полюсы каждой из шайб являются одноименными, а по отношению к полюсам другой шайбы - разноименными, причем полюсы ротора одной шайбы размещены между полюсами ротора другой шайбы, а статор выполнен в виде распределенных по окружности катушек, отличающийся тем, что в каждой секции ротора одна или обе шайбы выполнены тарельчатой формы, а полюсы ротора образованы зубьями, выполненными по внешней окружности обеих шайб и расположенными в одной плоскости, перпендикулярной оси устройства, при этом полюсы катушек статора размещены с возможностью торцевого взаимодействия с полюсами ротора.

11. Электропривод по п.10, отличающийся тем, что смежные шайбы многосекционного ротора в области цилиндрических магнитов соединены друг с другом, а цилиндрические магниты смежных секций ориентированы друг к другу одноименными полюсами.

12. Электропривод по п.10, отличающийся тем, что полюсы смежных шайб многосекционного ротора расположены в осевом направлении напротив друг друга.

13. Электропривод по п.10, отличающийся тем, что полюсы смежных шайб многосекционного ротора расположены в осевом направлении один между другими.

14. Электропривод по п.13, отличающийся тем, что смежные шайбы выполнены в виде одной шайбы с полюсами для обеих соседних секций.

15. Электропривод по п.10, отличающийся тем, что шайбы каждой из секций выполнены как одно целое с магнитом, образуя его полюсы.

16. Электропривод по п.15, отличающийся тем, что магнит выполнен из двух симметричных деталей, соединяемых в плоскости, перпендикулярной оси устройства.

Описание изобретения к патенту

Заявляемое изобретение относится к электротехнике, в частности к магнитоэлектрическим машинам, и может быть использовано при изготовлении электроприводов различного назначения, например, в вентиляторных установках, компрессорах, в колесе электромобиля и др.

Известны электрические машины торцевого типа, в которых ротор представляет собой диск, на торцевых поверхностях которого по окружности расположены постоянные магниты чередующейся полярности. Статор таких машин выполнен в виде диска (кольца), установленного соосно ротору, причем на торцевых поверхностях статора выполнены электромагнитные статорные катушки. К этому типу электрических машин относится, например, бесщеточный электродвигатель (электропривод) постоянного тока [1] . Известное устройство содержит по меньшей мере один установленный на валу ротор, выполненный в виде многополюсного магнитного диска, состоящего из секций, расположенных по окружности, причем полярность секций чередуется. Также устройство содержит по меньшей мере один дисковый статорный элемент, который определяет положение ротора, устройство для установки ротора (роторов) и статорного элемента (элементов) на общей оси, датчик для определения положения многополюсного магнитного диска относительно статорного элемента и устройство для определения профиля магнитного поля в элементах. На статорные элементы намотаны две обмотки, подача тока в одну из которых определяет полярность статорных полюсов. Данное устройство сложно в изготовлении, при этом наибольшую сложность представляет изготовление дисковых роторов с магнитными полюсами чередующейся полярности.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является электрическая машина, имеющая ротор с когтеобразными полюсами [2, стр.31]. Ротор такой машины представляет собой закрепленный на немагнитном валу цилиндрический аксиально намагниченный постоянный магнит, к торцевым поверхностям которого прикреплены две шайбы с полюсными выступами - "когтями". Шайбы выполнены из магнитно-мягкого материала, при этом все полюсы одной шайбы являются северными, а другой - южными. Полюсные выступы развернуты параллельно образующей цилиндра постоянного магнита, а шайбы ротора смещены относительно друг друга так, что полюсы одной из них находятся между полюсами другой.

Для увеличения мощности машины ротор выполняют многосекционным [2, стр. 32]. При этом на одном валу устанавливают несколько секций, каждая из которых состоит их двух шайб с когтеобразными полюсами и размещенного между ними цилиндрического магнита, намагниченного в аксиальном направлении. При сборке многосекционного ротора магниты в смежных секциях ориентируют друг к другу одноименными полюсами.

Известные конструкции электрических машин с когтеобразными роторами обладают тем преимуществом, что имеют только один магнит, надежно закрепленный между двумя шайбами. Это обеспечивает высокую ударопрочность ротора. В то же время такие роторы достаточно сложны в изготовлении. Кроме того, при высоких оборотах под действием центробежных сил возможен отгиб "когтей". Чтобы предотвратить это, требуется специальное усиление конструкции, что приводит к увеличению ее веса. Поскольку в известной конструкции реализуется радиальное взаимодействие ротора и статора, машины имеют большие радиальные габариты.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка простого в изготовлении, надежного и компактного электропривода. Заявляются два варианта решения поставленной задачи.

Сущность заявляемого изобретения по первому варианту заключается в том, что в электроприводе, ротор которого выполнен в виде установленных на валу двух шайб с распределенными по внешней окружности полюсами и размещенного между шайбами цилиндрического магнита, намагниченного в аксиальном направлении, таким образом, что полюсы каждой из шайб являются одноименными, а по отношению к полюсам другой шайбы - разноименными, а статор выполнен в виде распределенных по окружности катушек, согласно изобретению, полюсы ротора образованы зубьями, выполненными по внешней окружности обеих шайб и расположенными в плоскостях, перпендикулярных оси устройства, а полюсы катушек статора размещены с возможностью торцевого взаимодействия с полюсами ротора.

В отличие от известного ротор заявляемого устройства не имеет когтеобразных полюсных выступов (полюсов). Полюсы ротора образованы зубьями, которые выполнены по внешней окружности обеих шайб, выполняющих функцию магнитопроводов. Это обеспечивает высокую технологичность изготовления ротора и его конструктивную прочность. Благодаря тому, что полюсы ротора расположены в плоскостях, перпендикулярных оси устройства, а полюсы статора размещены с возможностью торцевого взаимодействия с полюсами ротора, появляется возможность уменьшить радиальные габариты устройства.

В частности, полюсы статора могут быть размещены в пространстве между упомянутыми полюсами ротора, выполненными на обеих шайбах. Это позволяет увеличить мощность электропривода, так как в пространстве между полюсами ротора магнитное поле имеет наибольшую напряженность.

Шайбы ротора, одна или обе, могут быть выполнены как в виде плоского диска, имеющего зубья-полюсы по внешней окружности, в этом случае полюсы ротора будут в одной плоскости с соответствующей шайбой, а также могут иметь тарельчатую форму. Это позволяет оптимизировать габариты устройства в зависимости от используемых магнита, статора, требуемой мощности, а также габаритов конструкции, в которой предполагается монтировать электропривод.

В зависимости от конструкции статора полюсы ротора, выполненные на одной шайбе, могут быть расположены в осевом направлении как напротив полюсов ротора, выполненных на другой шайбе, так и между ними. Принимая во внимание, что принцип работы таких устройств основан на поочередном переключении распределенных по окружности катушек статора, магнитное поле которых взаимодействует с полюсами ротора, последний вариант расположения полюсов ротора обеспечивает более равномерное вращение ротора, так как фактически в два раза увеличивает общее число полюсов ротора.

Дополнительно, полюсы ротора, выполненные на каждой из шайб, могут имеют Г-образный полюсный выступ, одна сторона которого ориентирована в осевом направлении, а другая размещена между полюсами ротора, выполненными на другой шайбе, в одной плоскости с последними. Это позволяет сконцентрировать магнитное поле ротора и увеличить мощность электропривода.

Возможно выполнение ротора, когда шайбы выполнены как одно целое с магнитом, образуя его полюсы. Это предполагает изготовление магнита сложной конфигурации, однако позволяет избежать потерь в шайбах - магнитопроводах и, соответственно, увеличить напряженность магнитного поля в зазоре между полюсами ротора. Возможен вариант, когда магнит выполняется из двух симметричных деталей, соединяемых в плоскости, перпендикулярной оси устройства. В этом случае упрощаются как изготовление магнита, так и сборка устройства.

Сущность заявляемого изобретения по второму варианту заключается в том, что в электроприводе, ротор которого состоит из одной или нескольких секций, каждая из которых выполнена в виде установленных на валу двух шайб с распределенными по внешней окружности полюсами и размещенного между шайбами цилиндрического магнита, намагниченного в аксиальном направлении, таким образом, что полюсы каждой из шайб являются одноименными, а по отношению к полюсам другой шайбы - разноименными, причем полюсы ротора одной шайбы размещены между полюсами ротора другой шайбы, а статор выполнен в виде распределенных по окружности катушек, согласно изобретению, в каждой секции ротора одна или обе шайбы выполнены тарельчатой формы, а полюсы ротора образованы зубьями, выполненными по внешней окружности обеих шайб и расположенными в одной плоскости, перпендикулярной оси устройства, при этом полюсы катушек статора размещены с возможностью торцевого взаимодействия с полюсами ротора.

Так же, как и по первому варианту, в отличие от известного ротор заявляемого устройства не имеет когтеобразных полюсных выступов (полюсов). Полюсы ротора образованы зубьями, которые выполнены по внешней окружности обеих шайб. Это обеспечивает высокую технологичность изготовления ротора и его конструктивную прочность. Благодаря тому, что полюсы ротора расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси устройства, что обеспечивается тарельчатой формой шайб, а полюсы статора размещены с возможностью торцевого взаимодействия с полюсами ротора, появляется возможность уменьшить радиальные габариты устройства.

В случае многосекционного ротора смежные шайбы в области цилиндрических магнитов соединяются друг с другом, а цилиндрические магниты смежных секций ориентируются друг к другу одноименными полюсами. Изготовление электропривода многосекционным позволяет увеличивать его мощность.

Так же, как и для первого варианта, в зависимости от конструкции статора полюсы смежных шайб многосекционного ротора могут быть расположены в осевом направлении как напротив друг друга, так и в промежутках между друг другом. Последнее обеспечивает более равномерное вращение ротора.

Дополнительно, в случае расположения полюсов смежных шайб многосекционного ротора в промежутках между друг другом эти смежные шайбы могут быть выполнены в виде одной шайбы с полюсами для обеих соседних секций.

Как и в первом варианте, возможно выполнение ротора, когда шайбы выполнены как одно целое с магнитом, образуя его полюсы, в том числе когда магнит выполняется из двух симметричных деталей, соединяемых в плоскости, перпендикулярной оси устройства.

Сущность заявляемого изобретения (вариантов) поясняется графическими материалами, на которых изображено:

фиг. 1 - ротор электропривода по первому варианту, у которого полюсы, выполненные на одной шайбе, расположены в осевом направлении напротив полюсов, выполненных на другой шайбе;

фиг.2 - ротор электропривода по первому варианту, у которого полюсы, выполненные на одной шайбе, расположены в осевом направлении между полюсами, выполненными на другой шайбе;

фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 - примеры выполнения тарельчатых шайб ротора электропривода по первому варианту;

фиг. 6 - ротор электропривода по первому варианту с дополнительными Г-образными полюсными выступами;

фиг. 7 - ротор электропривода по первому варианту, в котором шайбы выполнены как одно целое с магнитом;

фиг. 8 - ротор электропривода по первому варианту, в котором шайбы выполнены как одно целое с магнитом и состоят из двух симметричных деталей, соединяемых в плоскости, перпендикулярной оси устройства;

фиг. 9 - пример двухсекционного ротора электропривода по второму варианту;

фиг.10 - пример двухсекционного ротора электропривода по второму варианту для случая, когда смежные шайбы выполнены в виде одной шайбы с полюсами для обеих смежных секций;

фиг. 11, фиг.12 и фиг.13 - примеры размещения полюсов статора относительно полюсов ротора, поясняющие работу электропривода.

Ротор заявляемого изобретения по первому варианту (фиг.1 - фиг.6) содержит установленные на валу 1 шайбы 2 и 3, а также аксиально намагниченный цилиндрический магнит 4, размещенный между шайбами 2 и 3, которые выполняют функцию магнитопроводов. По внешней окружности шайбы 2 и 3 имеют полюсы 5 и 6 соответственно, выполненные в виде зубьев. Вал 1 изготавливается из немагнитного материала, например из латуни. Вал 1 может быть изготовлен и из магнитного материала, например стали, но в этом случае для уменьшения магнитных потерь на нем целесообразно установить втулку из немагнитного материала (на фиг.1 - фиг.10 не показана), отделяющую вал 1 от шайб 2, 3 и магнита 4. Шайбы 2 и 3 могут быть установлены таким образом, что полюсы 5 и 6 располагаются напротив друг друга (см. фиг.1), или могут быть повернуты таким образом, что в осевом направлении полюсы 5 располагаются между полюсами 6 и наоборот (см. фиг. 2). Катушки 7 статора могут быть установлены с любой стороны относительно полюсов 5 и 6 таким образом, чтобы обеспечивалось их торцевое взаимодействие. Наиболее предпочтительным является вариант установки катушек 7 статора в зазоре между полюсами 5 и 6 (см. фиг.2), при этом полюсные наконечники 8 и 9 катушек 7 статора располагаются напротив полюсов 5 и б ротора соответственно.

Одна или обе шайбы 2 и 3 могут быть выполнены тарельчатой формы, как показано на фиг. 3 - фиг.6. Такая форма позволяет оптимизировать зазор между полюсами 5 и 6 в зависимости от осевого размера магнита 4, а также формы и размеров катушек 7 статора. В частности, на фиг.4 показан пример реализации в случае, когда для обеспечения большой коэрцитивной силы магнит 4 имеет большой осевой размер, а катушки 7 статора выполнены плоскими, например, в виде печатных проводников на плате 10. В этом случае для установления требуемого зазора между полюсами 5, 6 ротора и катушками 7 статора шайбы 2 и 3 выполнены тарельчатой формы. Шайбы 2 и 3 тарельчатой формы могут быть изготовлены штамповкой.

Другой пример реализации заявляемого устройства по первому варианту представлен на фиг.6. Электропривод содержит установленные на валу 1 шайбы 2 и 3, а также аксиально намагниченный цилиндрический магнит 4, размещенный между ними. По внешней окружности шайбы 2 и 3 имеют полюсы 5 и 6 соответственно, выполненные в виде зубьев. Дополнительно полюсы 5 и 6 имеют Г-образные полюсные выступы 11 и 12, одна сторона которых ориентирована в осевом направлении, а другая размещена между полюсами 6 и 5 соответственно в одной плоскости с последними. В пространстве, образованном полюсами 5 и полюсными выступами 11, а также полюсами 6 и полюсными выступами 12, размещены катушки 7 статора. Такая конструкция позволяет увеличить мощность электропривода.

Фиг. 7 иллюстрирует пример выполнения шайб 2 и 3 как одно целое с магнитом 4. В этом случае формуется аксиально намагниченный кольцеобразный магнит, имеющий цилиндрическую часть 13 и полюсные части 14, 15. При этом полюсные части 14 и 15 по внешней окружности имеют зубья, выполняющие функции полюсов ротора. Чтобы смонтировать статор, разместив его катушки в зазоре между полюсами такого ротора, статор должен быть разборным. Поскольку это не всегда удобно, упомянутый кольцеобразный магнит может быть изготовлен из двух аксиально намагниченных магнитов 16 и 17 (см. фиг.8), собираемых на валу 1 разноименными полюсами навстречу друг другу. Последний вариант удобен еще и тем, что требует более простые формы для изготовления магнитов 16 и 17.

На фиг. 9 представлен двухсекционный ротор заявляемого изобретения по второму варианту. Первая секция этого ротора содержит установленные на валу 1 шайбы 18 и 19 с соответствующими полюсами, выполненными в виде зубьев, а также аксиально намагниченный цилиндрический магнит 20, размещенный между шайбами 18 и 19, выполняющими функцию магнитопроводов. Вторая секция ротора выполнена аналогично и содержит установленные на валу 1 шайбы 21 и 22 с соответствующими полюсами 23 и 24, выполненными в виде зубьев, а также аксиально намагниченный цилиндрический магнит 25, размещенный между шайбами 21 и 22. Шайба 19 первой секции и шайба 22 второй секции выполнены тарельчатыми таким образом, что их полюсы размещаются между полюсами шайб 18 и 21 соответственно в одних плоскостях с последними. С целью унификации деталей ротора все шайбы 18, 19, 21 и 22 могут быть выполнены тарельчатыми с едиными размерами, при этом полюсы соответствующих шайб будут располагаться в плоскостях центрального сечения обеих секций. При установке на валу 1 обе секции ротора плотно соединяют друг с другом, при этом магниты 20 и 25 ориентируют друг к другу одноименными полюсами. Для предотвращения осевого смещения секций за счет отталкивающего усилия, возникающего при такой установке магнитов 20 и 25, в конструкции предусмотрены стопорящие детали (на фиг.9 не показаны). Предпочтительное размещение катушек статора - в зазоре между полюсами шайб 18, 19 и 21, 22.

Аналогично можно выполнить шайбы 18, 19 и магнит 20, а также шайбы 21, 22 и магнит 25 как одно целое, в том числе состоящими из двух одинаковых частей (см. фиг.7 и фиг, 8).

На фиг. 10 представлен пример выполнения заявляемого устройства по второму варианту с двухсекционным ротором, состоящим из установленных на валу 1 шайбы 18 и магнита 20 первой секции, шайбы 21 и магнита 25 второй секции, а также шайбы 26, смежной для обеих секций. Зубья 27 и 28 шайбы 26 отогнуты поочередно в стороны первой и второй секций и образуют вместе с зубьями шайб 18 и 21 полюсы ротора. В зазоре между последними устанавливаются катушки 7 статора.

Работа заявленных устройств основана на электромагнитном взаимодействии попеременно включаемых и выключаемых катушек статора с полюсами ротора и аналогична работе известных электроприводов [1, 2]. Примеры, поясняющие работу устройств, представлены на фиг.11, фиг.12 и фиг.13, на которых показаны полюсы 5 и 6 ротора, а также электрическая катушка 7 статора и полюсные наконечники 8 и 9 ее сердечника. Там же стрелкой указано направление вращения ротора.

На фиг. 11 представлен вариант, когда разноименные полюсы 5 и 6 ротора расположены в разных плоскостях и ориентированы напротив друг друга. В этом случае статор, выполненный в виде распределенных по окружности катушек 7, размещен в зазоре между полюсами 5 и 6, а его полюсные наконечники 8 и 9 расположены оппозитно друг другу и обращены к полюсам 5 и 6 статора соответственно, обеспечивая торцевое взаимодействие с последними. Попеременное подключение напряжения U к катушке 7 статора, в том числе смена полярности напряжения U, приводит к созданию разноименных магнитных полюсов на полюсных наконечниках 8 и 9. Образовавшееся между полюсными наконечниками 8 и 9 катушки 7 статора магнитное поле взаимодействует с постоянным магнитным полем, существующим между зубьями 5 и 6 ротора.

Последовательность переключения катушки 7 статора в зависимости от положения полюсов 5 и 6 ротора показана на фиг.11. В положении, изображенном на фиг.11а, полюсные наконечники 8 и 9 катушки 7 статора притягивают полюсы 5 и 6 ротора, имеющие намагниченность противоположного знака, что вызывает вращение ротора. Когда ротор поворачивается в положение, при котором срединная часть его полюсов 5 и 6 размещается напротив полюсных наконечников 8 и 9 катушки 7 статора (фиг. 11б), питающее напряжение U отключается. Ротор продолжает вращение по инерции и смещается до положения, указанного на фиг.11в. В этот момент на катушку 7 статора подается напряжение U противоположной полярности и полюсные наконечники 8 и 9 катушки 7 статора отталкивают одноименные магнитные полюсы 5 и 6 ротора, вращая его в заданном направлении. При дальнейшем смещении ротора в положение, когда полюсные наконечники 8 и 9 катушки 7 статора размещаются в средней части пространства между полюсами 5 и 6 ротора (см. фиг.11г), питающее напряжение U отключается от катушки 7 статора. Затем, после смещения ротора по инерции в направлении вращения, процесс повторяется.

При расположении разноименных полюсов 5 и 6 ротора в одной плоскости (фиг. 12) полюсные наконечники 8 и 9 катушки 7 статора размещаются с одной стороны от указанной плоскости, при этом угловое расстояние между полюсными наконечниками 8 и 9 равно угловому расстоянию между соседними полюсами 5 и 6 ротора. Попеременное подключение напряжения U к катушке 7 статора приводит к созданию на полюсных наконечниках 8 и 9 разноименных магнитных полей, взаимодействующих с постоянным магнитным полем, существующим между полюсами 5 и 6 ротора.

В положении, изображенном на фиг.12а, полюсные наконечники 8 и 9 катушки 7 статора отталкивают одноименные магнитные полюсы 5 и 6 ротора и притягивают разноименные магнитные полюсы 6 и 5 ротора, что вызывает его вращение. Когда ротор поворачивается в положение, при котором срединная часть его полюсов 5 и 6 размещается напротив полюсных наконечников 9 и 8 катушки 7 статора (фиг. 12б), питающее напряжение U отключается от катушки 7 статора. Ротор продолжает вращение по инерции и смещается до положения, указанного на фиг. 12в. После этого на катушку статора 7 подается питающее напряжение U противоположной полярности. При этом полюсные наконечники 8 и 9 отталкивают одноименные магнитные полюсы 6 и 5 ротора и притягивают разноименные полюсы 5 и 6 ротора. Когда ротор поворачивается в положение, при котором срединная часть его полюсов 5 и 6 размещается напротив полюсных наконечников 8 и 9 катушки 7 статора (фиг.12г), питающее напряжение U отключается от катушки 7 статора. После смещения ротора по инерции в направлении вращения процесс повторяется.

В случае выполнения устройства, когда полюсы 5 и 6 ротора расположены в разных плоскостях и в осевом направлении друг между другом, статор может быть выполнен в виде расположенных по окружности катушек 7, имеющих полюсные наконечники 8 и 9, ориентированные к полюсам 5 и 6 соответственно, при этом угловое расстояние между полюсными наконечниками 8 и 9 выбирается равным угловому расстоянию между соседними полюсами 5 и 6. На фиг.13, представляющей данный пример реализации изобретения, показаны четыре фазы угловых положений ротора и соответствующая им подача питающего напряжения U на катушку 7 статора. Работа устройства в данном случае аналогична работе устройства, проиллюстрированной на фиг.11.

Источники информации

1. Патент США 5440185, МПК 6 Н 02 К 21/12, опубл. 1995.

2. В.А. Балагуров, Ф.Ф. Галатеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергия, 1988 - прототип.