Безконтактний двигун постійного струму

Реферат: Винахід належить до безконтактних двигунів постійного струму переважно великої потужності, які використовуються в транспортних засобах як електропривод. Безконтактний двигун постійного струму містить комутатор, магнітну систему на роторі з радіальним магнітним зазором, в якому розміщено безпазовий статор з котушками, причому котушка складається з двох частин, які мають вигин в площині найменшого перерізу, виток розділений пазом на дві частини таким чином, що з однієї сторони - частини витка з'єднані, а з іншої сторони - розділені, і з'єднуються з сусідніми витками, і сторона, на якій частини витка з'єднані, протилежна відносно до сторони, на якій частини витка розділені, і кожна частина витка складається не менше ніж з двох паралельних стрічок, з'єднаних через торцеві поверхні, і ізольовані по бокових поверхнях. Технічним результатом, що досягається даним винаходом, є підвищення потужності електродвигуна, підвищення коефіцієнта заповнення магнітного зазору і питомої потужності та зменшення втрати потужності при прямому і зворотному перетворенні енергії в широкому діапазоні частот обертання електродвигуна. UA 114544 C2 (12) UA 114544 C2 UA 114544 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до силових електродвигунів, застосовується переважно в транспортних засобах з електричним приводом. Відомо безконтактний електродвигун постійного струму для гібридного автомобіля Toyota/Prius. Звіт про конструкцію та оцінка виробництва електродвигуна Toyota/ Prius, www.researehgate.net/publication/242498054Report on Toyota Prius Motor Design and Manufacturing Assessment, дата публікації 07.2004 р., який містить радіально намагнічені постійні магніти на роторі, два співвісні магнітопроводи - один з яких розміщено на роторі, а другий - поєднаний з силовими котушками статора, розміщено на корпусі. На корпусі також розташовано електронний комутатор. Виконання вентильного двигуна зі статоромелектромагнітом має широке застосування в силових приводах, завдяки можливості отримання великих обертових моментів. Недоліком зазначеного аналога є те, що кутова швидкість двигунів такого типу невелика (рідко перевищує 6000 об./хв.). Це пов'язано в першу чергу з тим, що статор має високу складову реактивного опору, а це обмежує пульсуючий струм в фазах на підвищених частотах обертання. Крім того, підвищені частоти обертання викликають зростання втрат потужності, які обумовлені: втратами при перемагнічуванні та від струмів Фуко в магнітопроводі статора; втратами від струмів Фуко в котушках статора. Найбільш близьким до запропонованого безконтактного двигуна постійного струму (БДПС) є заявка США №US2013/0009508A1, МПК Н02К21/24, опублікована Jan. 10.2013, що включає аксіальний варіант компоновки БДПС з безпазовим статором (який немає власного магнітопроводу), який містить комутатор, магнітну систему на роторі з аксіальним магнітним зазором, в якому розміщено безпазовий статор з котушками, виготовленими зі стрічок різного складу зі спіральною намоткою. Склад стрічок котушок статора: мідь з високою електропровідністю та магнітом'який метал. Стрічки розміщені таким чином, щоб площина найменшого перерізу стрічок співпадала з вектором магнітної індукції, генерованого постійними магнітами. Такий БДПС з безпазовим статором не має втрат потужності від перемагнічування та струмів Фуко в магнітопроводах. Недоліком найближчого аналога є невисокий коефіцієнт заповнення магнітного зазору робочими частинами котушок статора, що не дозволяє ефективно досягати в БДПС високої потужності. Крім того, потужні БДПС переважно мають конструкцію з радіальним зазором (далі магнітним зазором). Задачею винаходу є підвищення коефіцієнта заповнення радіального магнітного зазору струмонесучими частинами прямокутного перерізу котушок без пазового статора, що дозволить створити високооборотні потужні БДПС з високим коефіцієнтом перетворення енергії в широкому діапазоні частот обертання. Поставлена задача вирішується тим, що БДПС, який містить комутатор, магнітну систему на роторі з радіальним магнітним зазором, в якому розміщено безпазовий статор, з котушками, виготовленими з листового металу. Новим є те, що кожний виток котушки складається з двох частин - внутрішньої та зовнішньої, які мають вигин в площині найменшого перерізу, що забезпечує прилягання торцевих поверхонь до внутрішньої і зовнішньої поверхонь циліндричного статора, виток розділений пазом на дві частини таким чином, що з однієї сторони - частини витка з'єднані, а з іншої сторони - розділені, і з'єднуються з сусідніми витками, і сторона, на якій частини витка з'єднані, протилежна відносно до сторони, на якій частини витка розділені, і кожна частина витка складається не менше ніж з двох паралельних стрічок, з'єднаних через торцеві поверхні, і ізольовані по бокових поверхнях. Суть винаходу пояснюють креслення, де: на фіг. 1 схема конструкції БДПС з радіальним магнітним зазором і безпазовим статором; на фіг. 2 вигляд заготовки котушки після вирізки з листа металу; на фіг. 3 заготовка котушки після часткового (90°) вигину елементів; на фіг.4 три проекції заготовки котушки після повного вигину елементів; на фіг. 5 заготовка котушки після виконання плаского вигину заготовки для першого варіанта конструкції статора; на фіг. 6 заготовка котушки після виконання плаского вигину заготовки для другого варіанта конструкції статора; на фіг. 7 котушки однієї фази для першого варіанта конструкції статора; на фіг. 8 вигляд зверху котушок однієї фази для першого варіанта конструкції статора; на фіг. 9 загальний вигляд статора першого варіанта конструкції; 1 UA 114544 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 на фіг. 10 вигляд розкритої котушки статора для другого варіанта конструкції; на фіг. 11 вигляд котушки статора другого варіанта конструкції після кінцевого вигину; на фіг. 12 котушки однієї фази для другого варіанта конструкції статора; на фіг. 13 загальний вигляд статора другого варіанта конструкції. На фіг. 1 показана схема конструкції БДПС з радіальним магнітним зазором і безпазовим статором (не має власного магнітопроводу). БДПС включає ротор 1 в підшипниках 2 встановлений в корпусі 3. На роторі 1 розміщена магнітна система з постійними магнітами 4 та двома магнітопроводами 5 і 6, які концентрують магнітне поле від радіально намагнічених постійних магнітів в радіальному магнітному зазорі, в якому розміщено статор 7, закріплений на корпусі через проміжну деталь 8. На корпусі також розміщуються датчик положення (умовно не показано), який дає інформацію про поточне положення ротора, та електронний комутатор 9, який створює обертовий момент, керуючи струмом в котушках фаз статора 7 (електричний зв'язок з комутатором умовно не показано). Принципова особливість конструкції наведеного варіанту побудови БДПС є консольне кріплення статора та необхідність того, щоб вся консольна частина статора, яка включає робочу частину і лобну (не робочу), мала радіальні габарити, які не перевищують розміри магнітного зазору. Ця вимога до розмірів лобної частини статора обумовлена конструктивними вимогами до складання мотора. Розглянемо приклад виготовлення котушок з листового металу для наступного складання статора БДПС фіг. 1. На фіг. 2 показано вигляд заготовки для котушки на чотири витки після вирізки її з листа, наприклад, лазерним променем. Заготовка включає розрізи S1, які розділяють виток на дві частини, і виконуються з однієї сторони на вихід, а з другої - має місце з'єднання в лобних частинах L1. Початок L2 і кінець L3 виконуються у вигляді подовження лобних частин, які виходять за габарити котушки. Внутрішні розрізи S2 ділять кожну частину витка на дві однакові стрічки, які як струмонесучі елементи включені паралельно, так як з'єднані в лобних частинах L1, L2, L3 Всі сформовані стрічки мають однакову ширину В, причому різниця між зовнішнім і внутрішнім радіусами статора дорівнює 2В. На фіг. 3 показано заготовку котушки при частковому (90°) вигині її елементів. Всі лінії вигину співпадають з осями розрізів S2, а напрямок вигину почергово змінюється. На фіг. 4 показані три проекції заготовки котушки при виконанні повного (180°) вигину елементів. Розрізи S2 умовно показані лініями. По крайній справа проекції (фіг.4) заготовки котушки, яка дає вигляд заготовки в напрямку, перпендикулярному найменшому перерізу розмірів складових частин заготовки, буде показана подальша трансформація заготовки котушки, яка пов'язана з тим, що треба забезпечити прилягання відповідних торцевих поверхонь котушок до внутрішньої та зовнішньої поверхонь статора. На фіг. 5 показано вигляд проекції заготовки після її вигину в площині найменшого перерізу для першого варіанта конструкції статора, коли витки мають постійний нахил до утворюючих циліндричних поверхонь статора. Траєкторія вигину внутрішньої торцевої поверхні витків відповідає частині еліпса, осі якого паралельні лініям X та Y, а параметри еліпса залежать від розмірів статора та кількості полюсів мотора. На фіг. 6 показано вигляд проекції заготовки котушки після аналогічного (фіг. 5) вигину для другого варіанта конструкції статора, коли робочі частини витків мають ділянки з постійним нахилом до утворюючих циліндричних поверхонь статора та прямі ділянки, коли такий нахил відсутній. Довжині прямої ділянки відповідає довжина прямої центральної частини витків (фіг. 6). При виконанні вигинів, показаних на фіг. 5 і фіг. 6, необхідно встановити в розріз S1 тонкий (0,05…0,1) лист, наприклад, текстоліту, обмежити рухомість витків у всіх напрямках, крім напрямку вигину, обмежити рухомість лобних частин витків у всіх напрямках, крім напрямку осі У, та поступовою подачею трафарету відповідної форми виконати вигин витків, обтискуючи заготовку по всій довжині. Так як відношення ширини стрічок витка до довжини стрічки складає одиниці процентів, то вигин витків у напрямку найменшого перерізу не представляє складності. Ця стадія виготовлення заготовки котушки найбільше підходить для її ізолювання. Для цього треба частково (на 30°…45°) відігнути місця повного вигину (180°), чим забезпечити доступ, наприклад, лаку до всіх поверхонь, і ізолювати їх, з подальшим поверненням заготовки котушки до початкової форми. Якщо вигини, показані на фіг. 5, фіг 6 незначні, то ізолювання заготовки можна виконати на стадії її виготовлення, показаної на фіг. 3. 2 UA 114544 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На фіг.7 зображені котушки статора однієї фази для першого варіанта конструкції статора. Фаза складається з двох котушок 10 і 11, які зсунуті по фазі на 180° електричних градусів, тому з'єднуються зустрічно. Напрямок струму в котушках показано стрілками. Схематично показано положення постійних магнітів 12, при якому котушки даної фази мають максимальну ефективність. Фіг. 7 показує підхід до розкриття заготовки фіг. 5 в кожній котушці. Виток займає сектор з центральним кутом, який дорівнює центральному куту двох полюсів магніту (360° електричних градусів). Кожна половина витка - внутрішня 13 і зовнішня 14, мають свій постійний кут нахилу до утворюючих циліндричних поверхонь статора. Враховуючи напрямок струму в котушках однієї фази (фіг. 7) видно, що створювані магнітоелектричні сили обумовлюють момент навколо осі обертання мотора. При виготовленні котушки після розкриття першого ряду (кількість витків одного ряду дорівнює кількості пар полюсів магнітної системи) складання кожного наступного витка потребує виконання переплетення, яке полягає в паралельному переносі нерозкритої частини заготовки навколо серединного діаметра циліндра (який займає котушка) на половину обороту. Операція переплетення повинна виконуватися при складанні кожного поточного витка з вже складеними, які належать цій чи іншим котушкам. Тому відсутність переплетення витків має місце тільки при виготовленні першого ряду першої котушки. Послідовність виготовлення статора передбачає послідовне складання сусідніх котушок, тому складені котушки однієї фази, показані на фіг. 7, не розглядаються як етап складання статора, а дають уявлення в розташуванні відповідних котушок за умови, що котушки інших фаз умовно не показані. Фіг. 8 дає проекцію вигляду зверху на котушки однієї фази фіг. 7. Осі найменших розмірів перерізу лобних частин витків розміщуються по радіусу, а лобні частини половини витка мають відносний кут повороту, рівний центральному куту полюса магніту. Тому кожний переріз робочої частини витка має кут закручування (відносно поздовжньої осі відповідної частини витка), який пропорційний лінійному розміру до лобної частини. При коаксіальному намагнічуванні постійних магнітів вектор поля, що генерується кожним магнітом в кожній точці магнітного зазору завжди проходить через площину найменшого перерізу витків котушок, що зменшує втрати від струмів Фуко в статорі. Відсутність розрізів S2 (фіг. 2) в лобних частинах L1, L2, L3 викликає збільшення товщини статора в області розташування лобних частин. Це місцеве збільшення товщини статора не перевищує подвійної товщини листа, з якого виготовлені котушки. Якщо товщина листа менше, ніж зазор між статором та ротором, то умова, необхідна для складання мотора (фіг. 1) виконується. На фіг. 9 показано загальний вигляд першого варіанта конструкції трифазного статора для 12-полюсного БДПС. Фіксація елементів статора за допомогою клеїв та компаундів має традиційний підхід і на фіг. 9 умовно не показана. Для полегшення складання статора першого варіанта конструкції доцільно в лобних частинах L1 витків (фіг. 2) виконувати технологічні отвори, які дозволять фіксувати за допомогою розтяжок вже складені витки котушок, а для зручності виконання переплетення діаметр статора, обумовлений розтяжками, може бути суттєво збільшений (по відношенню до кінцевих розмірів). Після складання всіх котушок статора треба зменшити його діаметр і тим самим збільшити його висоту до кінцевих розмірів. На фіг. 10 показано дві проекції розкритої котушки, отриманої з заготовки котушки фіг. 6 для другого варіанта конструкції статора. В цьому варіанті будуть використовуватися котушки, витки яких мають прямі ділянки, паралельні поздовжній осі статора, та ділянки з постійним нахилом до утворюючих циліндра статора. Розкриття котушки полягає в паралельному переносі прямих ділянок котушки в різні сторони на однакові відрізки. На другому етапі вигину котушки, показаному на фіг. 11, прямі ділянки повертають навколо осі Y на кут μ. і забезпечують прилягання прямих ділянок витків відповідно до діаметра d1 внутрішнього діаметра статора і до діаметра d2 - середнього діаметра статора. Це, в свою чергу, забезпечує прилягання витків з відповідної сторони до діаметра d3 - зовнішнього діаметра статора. Для прилягання ділянок з нахилом до відповідних діаметрів статора в заготовці фіг. 6 виконані вигини по частинах еліпса. При повороті прямих ділянок на кут  кожний виток котушки повертається на кут , навколо осі мінімальної кутової жорсткості, ця вісь паралельна Y і з однієї сторони проходить через розрізи S1 в лобній частині витка (фіг. 6), а з іншої сторони (де половини витка з'єднуються) через умовне продовження прорізі S1 в лобній частині. Кут  може бути в межах - /2n… /n (n кількість полюсів магнітної системи), причому зменшення кута  зменшує необхідний рівень 3 UA 114544 C2 5 10 15 20 25 вигину в заготовці (фіг. 6), але при цьому збільшується кут неспівпадіння осі найменшого розміру перерізу прямої ділянки витка і вектора магнітної індукції в цьому місці. При =/n зазначене співпадіння має місце і втрати від струмів Фуко в статорі мінімізуються. Котушка у вигляді, показаному на фіг. 11, фіксується клеями, компаундами і є складовою частиною статора. На фіг. 12 показані котушки статора однієї фази. Умовно показано положення постійних магнітів ротора 12, при якому дана фаза має максимальну ефективність. Сусідні котушки зсунуті на 180° електричних градусів, тому їх електричне з'єднання - зустрічне. Складання статора з котушок (фіг. 11) виконується послідовним розміщенням сусідніх котушок, тому складання котушок однієї фази (фіг.8) не є проміжним етапом складання статора. На фіг. 13 показано трифазний статор для 12-ти полюсного БДПС другого варіанта конструкції. Кількість котушок в кожній фазі дорівнює "n", а загальна кількість котушок nk (k- кількість фаз). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Безконтактний двигун постійного струму, який містить комутатор, магнітну систему на роторі з радіальним магнітним зазором, в якому розміщено безпазовий статор з котушками, виготовлений з листового металу, який відрізняється тим, що кожний виток котушки складається з двох частин - внутрішньої та зовнішньої, які мають вигин в площині найменшого перерізу, виток розділений пазом на дві частини таким чином, що з однієї сторони частини витка з'єднані, а з іншої сторони - розділені, і з'єднуються з сусідніми витками, а сторона, на якій частини витка з'єднані, протилежна відносно до сторони, на якій частини витка розділені, і кожна частина витка складається не менше ніж з двох паралельних стрічок, з'єднаних через торцеві поверхні, і ізольовані по бокових поверхнях. 4 UA 114544 C2 5 UA 114544 C2 6 UA 114544 C2 7 UA 114544 C2 8 UA 114544 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9