RU2356158C1

RU2356158C1 - Multilayer frontal torque motor

Info

Publication number: RU2356158C1
Application number: RU2008106649/09A
Authority: RU
Inventors: Алексей Петрович Сеньков (RU); Алексей Петрович Сеньков; Андрей Николаевич Калмыков (RU); Андрей Николаевич Калмыков; Валерий Михайлович Михайлов (RU); Валерий Михайлович Михайлов; Андрей Алексеевич Сеньков (RU); Андрей Алексеевич Сеньков
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2009-05-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention is attributed to electric engineering, specifically to highly reliable electrical machines and electric drive. Suggested multilayer frontal torque motor contains rotor consisting of several installed on one shaft ferromagnetic disks with constant magnets whose polarity interleaves in tangential direction, and toothed stators with ring phase windings installed in axial alignment with rotor. Herein, stators of different phases are shifted relative to each other by an angle of 2π el. radian divided by number of phases. Magnetic conductor of each stator is comprised of soft-ferrite "П"-shaped elements the number of which is equal to number of rotor poles. In this device "П"-shaped elements encompass ring winding alternatively from outside and from inside of ring winding if phase ring winding is detoured by angular coordinate.

EFFECT: increase in power of multilayer frontal torque electric motor due to increase of its torque by means of substantial increase of teeth area of its stator magnet conductor.

4 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам и электроприводу.The invention relates to electrical engineering, in particular to electric machines and electric drives.

Аналогом является, например, многослойный дисковый электродвигатель (Белый П.Н. Конструктивное развитие дисковых высокомоментных технологических электродвигателей с высококоэрцитивными постоянными магнитами // Электротехника, 2001, №7, с.20-23), имеющий четыре установленных на одном валу дисковых ротора с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и три расположенных между роторами статора, на зубцах которых в радиальных пазах размещены обмотки.An analogue is, for example, a multilayer disk electric motor (Belyi PN The constructive development of disk high-torque technological electric motors with highly coercive permanent magnets // Electrotechnics, 2001, No. 7, p.20-23), which has four disk rotors with constant mounted on one shaft magnets whose polarity alternates in the tangential direction, and three stators located between the rotors, on the teeth of which windings are placed in radial grooves.

Наиболее близок к предлагаемой машине многослойный торцевой моментный электродвигатель (патент РФ №2251784, БИ №13, 2005), содержащий ротор, состоящий из нескольких установленных на одном валу дисков с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и зубчатые статоры с кольцевыми обмотками фаз, установленными соосно с ротором, при этом статоры разных фаз смещены относительно друг друга на угол, равный 2π эл. рад., деленный на число фаз.Closest to the proposed machine is a multilayer end torque motor (RF patent No. 2251784, BI No. 13, 2005), containing a rotor consisting of several disks with permanent magnets mounted on one shaft, the polarity of which alternates in the tangential direction, and gear stators with ring windings phases installed coaxially with the rotor, while the stators of different phases are offset relative to each other by an angle equal to 2π el. rad. divided by the number of phases.

Недостатком прототипа является неполное использование магнитного потока постоянных магнитов, расположенных на роторе, так как площадь зубцов магнитопровода статора, через которые проходит магнитный поток, более чем в два раза меньше площади постоянных магнитов. Поэтому магнитный поток ротора, связанный с каждой кольцевой обмоткой фаз, мал, что не позволяет создать электродвигатель с высоким моментом на валу.The disadvantage of the prototype is the incomplete use of the magnetic flux of permanent magnets located on the rotor, since the area of the teeth of the stator magnetic circuit through which the magnetic flux passes is more than half the area of the permanent magnets. Therefore, the magnetic flux of the rotor associated with each annular phase winding is small, which does not allow creating an electric motor with a high torque on the shaft.

Техническим эффектом предлагаемого изобретения является значительное увеличение площади зубцов магнитопровода статора, что позволит увеличить момент, а значит и мощность многослойного торцевого моментного электродвигателя при одинаковых габаритах с прототипом.The technical effect of the invention is a significant increase in the area of the teeth of the stator magnetic circuit, which will increase the moment, and hence the power of the multilayer end torque motor with the same dimensions as the prototype.

Это достигается тем, что в многослойном торцевом моментном электродвигателе, содержащем ротор, состоящий из нескольких установленных на одном валу ферромагнитных дисков с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и зубчатые статоры с кольцевыми обмотками фаз, установленные соосно с ротором, при этом статоры разных фаз смещены относительно друг друга на угол, равный 2π эл. радиан, деленный на число фаз, согласно изобретению магнитопровод каждого статора составляют «П-образные» элементы из магнитомягкого материала, число которых равно числу полюсов ротора, причем упомянутые элементы при обходе кольцевой обмотки по угловой координате охватывают кольцевую обмотку поочередно - то со стороны наружной, то со стороны внутренней поверхности кольцевой обмотки.This is achieved by the fact that in a multilayer end torque motor containing a rotor, consisting of several ferromagnetic disks with permanent magnets mounted on one shaft, the polarity of which alternates in the tangential direction, and gear stators with ring phase windings mounted coaxially with the rotor, while the stators different phases are offset relative to each other by an angle equal to 2π el. radian divided by the number of phases, according to the invention, the magnetic circuit of each stator is composed of “U-shaped” elements of soft magnetic material, the number of which is equal to the number of poles of the rotor, and the said elements, bypassing the annular winding along the angular coordinate, cover the annular winding alternately from the outside, then from the side of the inner surface of the annular winding.

Выполнение магнитопровода каждого статора из «П-образных» элементов из магнитомягкого материала, число которых равно числу полюсов ротора, и охватывающих кольцевую обмотку поочередно - то со стороны наружной, то со стороны внутренней поверхности кольцевой обмотки, позволяет значительно увеличить площадь зубцов магнитопровода статора, через которые проходит магнитный поток. Следовательно, в предлагаемом многослойном торцевом моментном электродвигателе значительно увеличится по сравнению с прототипом такого же габарита магнитный поток ротора, связанный с кольцевыми обмотками, а значит момент и мощность.The implementation of the magnetic circuit of each stator from the "U-shaped" elements of soft magnetic material, the number of which is equal to the number of poles of the rotor, and covering the ring winding alternately - either from the outer or from the inner surface of the ring winding, can significantly increase the area of the teeth of the stator magnetic circuit, through which passes the magnetic flux. Therefore, in the proposed multilayer end-face torque motor, the magnetic flux of the rotor associated with the ring windings, and hence the moment and power, will significantly increase compared with the prototype of the same size.

На фиг.1 показано направление магнитного потока в «П-образных» элементах из магнитомягкого материала; на фиг.2 - фрагмент кольцевой обмотки статора с «П-образными» элементами; на фиг.3 - электромагнитная система предлагаемого электродвигателя; на фиг.4 - часть линейной развертки дисков ротора и статоров.Figure 1 shows the direction of magnetic flux in the "U-shaped" elements of soft magnetic material; figure 2 is a fragment of the annular stator winding with "U-shaped" elements; figure 3 - electromagnetic system of the proposed motor; figure 4 is a part of a linear scan of the rotor disks and stators.

На фиг.1а - «П-образный» элемент 1 из магнитомягкого материала охватывает обмотку 2 (на фиг.1а показано поперечное сечение обмотки 2). Ток в обмотке 2 направлен на фиг.1а от наблюдателя. Магнитный поток Ф проходит по часовой стрелке по «П-образному» элементу 1 и замыкается через воздушный зазор. При этом правая сторона «П-образного» элемента 1, из которой выходят силовые линии магнитного потока Ф_, является северным полюсом N, а левая сторона «П-образного» элемента 1 является южным полюсом S.On figa - "U-shaped" element 1 of magnetically soft material covers the winding 2 (figa shows a cross section of the winding 2). The current in the winding 2 is directed to figa from the observer. The magnetic flux Φ passes clockwise along the "U-shaped" element 1 and closes through the air gap. In this case, the right side of the "U-shaped" element 1, from which the lines of force of the magnetic flux Φ exit _, is the north pole N, and the left side of the "U-shaped" element 1 is the south pole S.

На фиг.1б «П-образный» элемент 3 из магнитомягкого материала, охватывающий обмотку 2, развернут по сравнению с «П-образным» элементом 1 на 180°. Ток в обмотке 2 на фиг.1б, также как на фиг.1а, направлен от наблюдателя. Магнитный поток Ф также проходит по часовой стрелке, но теперь правая сторона «П-образного» элемента 3 является южным полюсом S, а левая сторона «П-образного» элемента 3 является северным полюсом N.On figb "U-shaped" element 3 of soft magnetic material covering the winding 2, deployed in comparison with the "U-shaped" element 1 by 180 °. The current in the winding 2 in Fig.1b, as in Fig.1a, is directed from the observer. The magnetic flux Φ also passes clockwise, but now the right side of the U-shaped element 3 is the south pole S, and the left side of the U-shaped element 3 is the north pole N.

На фиг.1в «П-образный» элемент 1 охватывает обмотку 2, также как на фиг.1а. Ток в обмотке 2 направлен на фиг.1в к наблюдателю. Полярность сторон «П-образного» элемента 1 по сравнению с фиг.1а изменится: правая сторона «П-образного» элемента 1 является южным полюсом S, а левая сторона «П-образного» элемента 1 - северным полюсом N.On figv "U-shaped" element 1 covers the winding 2, as in figa. The current in the winding 2 is directed on figv to the observer. The polarity of the sides of the "U-shaped" element 1 will change compared to figa: the right side of the "U-shaped" element 1 is the south pole S, and the left side of the "U-shaped" element 1 is the north pole N.

На фиг.1г «П-образный» элемент 3 охватывает обмотку 2, также как на фиг.1б. Ток в обмотке 2 направлен на фиг.1г к наблюдателю. Полярность сторон «П-образного» элемента 3 по сравнению с фиг.1б изменится: правая сторона «П-образного» элемента 3 является северным полюсом N, а левая сторона «П-образного» элемента 3 - южным полюсом S.In Fig.1d, the "U-shaped" element 3 covers the winding 2, as in Fig.1b. The current in the winding 2 is directed to Fig.1d to the observer. The polarity of the sides of the “U-shaped” element 3 will change in comparison with FIG. 1b: the right side of the “U-shaped” element 3 is the north pole N, and the left side of the “U-shaped” element 3 is the south pole S.

Таким образом, на фиг.1а-1г показано, что полярность сторон «П-образных» элементов 1 и 3 зависит от направления тока в обмотке 2 и от расположения «П-образных» элементов 1 и 3 относительно обмотки 2.Thus, figa-1g shows that the polarity of the sides of the "U-shaped" elements 1 and 3 depends on the direction of the current in the winding 2 and on the location of the "U-shaped" elements 1 and 3 relative to the winding 2.

На фиг.2 показан фрагмент кольцевой обмотки 2 с «П-образными» элементами 1 и 3. «П-образные» элементы 1 охватывают кольцевую обмотку 2 со стороны наружной поверхности кольцевой обмотки 2, а «П-образные» элементы 3 охватывают кольцевую обмотку 2 со стороны внутренней поверхности. Стрелка показывает направление намагничивающей силы I·w кольцевой обмотки 2, где I - ток обмотки 2; w - число витков обмотки 2. В соответствии с направлением намагничивающей силы кольцевой обмотки 2 и положением «П-образных» элементов 1 и 3 относительно обмотки 2 ближние к наблюдателю стороны «П-образных» элементов 1 будут иметь южную полярность S, а дальние стороны «П-образных» элементов 1 будут иметь северную полярность N. У «П-образных» элементов 3 ближние к наблюдателю стороны «П-образных» элементов 3 будут иметь северную полярность N, а дальние стороны - южную полярность S.Figure 2 shows a fragment of the annular winding 2 with "U-shaped" elements 1 and 3. "U-shaped" elements 1 cover the annular winding 2 from the outer surface of the annular winding 2, and the "U-shaped" elements 3 cover the annular winding 2 from the side of the inner surface. The arrow shows the direction of the magnetizing force I · w of the annular winding 2, where I is the current of the winding 2; w is the number of turns of the winding 2. In accordance with the direction of the magnetizing force of the annular winding 2 and the position of the "U-shaped" elements 1 and 3 relative to the winding 2, the sides of the "U-shaped" elements 1 closest to the observer will have a south polarity S, and the far sides The "U-shaped" elements 1 will have a north polarity N. For the "U-shaped" elements 3, the sides of the "U-shaped" elements 3 closest to the observer will have a north polarity N, and the far sides will have a south polarity S.

На фиг.3 электромагнитная система предлагаемого многослойного торцевого моментного электродвигателя изображена в трехфазном варианте. Кольцевая обмотка 2 с «П-образными» элементами 1 и 3 образует статор 4 первой фазы предлагаемого электродвигателя. Статор 5 второй фазы образует кольцевая обмотка 6 с «П-образными» элементами 7 и 8, а статор 9 третьей фазы образует кольцевая обмотка 10 с «П-образными» элементами 11 и 12. Статоры 4, 5 и 9 должны быть неподвижно закреплены, например, с помощью компаунда в корпусе электродвигателя, который на чертеже не показан. Статор 4 размещается между дисками 13 и 14 ротора, статор 5 размещается между дисками 14 и 15 и статор 9 размещается между дисками 15 и 16 ротора. Диски 13, 14, 15 и 16 ротора зафиксированы на выходном валу 17 электродвигателя. На торцевых поверхностях дисков 13, 14, 15 и 16, обращенных к статорам 4, 5 и 9, установлены постоянные магниты 18.In Fig.3, the electromagnetic system of the proposed multilayer end torque motor is depicted in a three-phase version. An annular winding 2 with "U-shaped" elements 1 and 3 forms a stator 4 of the first phase of the proposed electric motor. The stator 5 of the second phase forms an annular winding 6 with "U-shaped" elements 7 and 8, and the stator 9 of the third phase forms an annular winding 10 with "U-shaped" elements 11 and 12. The stators 4, 5 and 9 must be fixedly fixed, for example, using a compound in the motor housing, which is not shown in the drawing. The stator 4 is placed between the disks 13 and 14 of the rotor, the stator 5 is placed between the disks 14 and 15 and the stator 9 is located between the disks 15 and 16 of the rotor. The disks 13, 14, 15 and 16 of the rotor are fixed on the output shaft 17 of the electric motor. Permanent magnets 18 are installed on the end surfaces of the disks 13, 14, 15 and 16 facing the stators 4, 5 and 9.

На фиг.4 показана часть линейной развертки дисков 13, 14, 15 и 16 ротора и статоров 4, 5 и 9, на которой указана полярность установленных на дисках 13, 14, 15 и 16 постоянных магнитов 18. При обходе дисков 13, 14, 15 и 16 в тангенциальном направлении полярность магнитов 18 чередуется, при этом полярность постоянных магнитов 18, расположенных напротив друг друга на торцевых поверхностях дисков 13, 14, 15 и 16, обращенных к одному и тому же статору 4, 5 или 9, противоположна. Статоры 4, 5 и 9, показанные на фиг.3 и 4, смещены относительно друг друга на 2π/3 эл. рад.Figure 4 shows a part of a linear scan of the disks 13, 14, 15 and 16 of the rotor and stators 4, 5 and 9, which shows the polarity of the permanent magnets 18 mounted on the disks 13, 14, 15 and 16. When circumventing the disks 13, 14, 15 and 16 in the tangential direction, the polarity of the magnets 18 alternates, while the polarity of the permanent magnets 18, located opposite each other on the end surfaces of the disks 13, 14, 15 and 16, facing the same stator 4, 5 or 9, is opposite. The stators 4, 5 and 9 shown in FIGS. 3 and 4 are offset from each other by 2π / 3 e. glad.

Многослойный торцевой моментный электродвигатель работает следующим образом. Пусть сначала постоянный ток условного положительного направления протекает в кольцевой обмотке 2 статора 4 первой фазы, а обмотка 6 статора 5 второй фазы и обмотка 10 статора 9 третьей фазы обесточены. При условном положительном направлении тока обмотка 2 намагничивает «П-образные» элементы 1 и 3, охватывающие кольцевую обмотку 2. При этом торцевые стороны «П-образных» элементов 1 и 3, обращенные к дискам 13 и 14 ротора, будут иметь чередующуюся в тангенциальном направлении полярность. «П-образные» элементы 1 и 3 будут взаимодействовать с постоянными магнитами 18, установленными на дисках 13 и 14, и появится момент, который установит диски 13 и 14 ротора в такое положение, чтобы магнитные потоки постоянных магнитов 18 были направлены согласно с магнитными потоками «П-образных» элементов 1 и 3, как показано на фиг.4. Магнитные потоки Ф, созданные магнитами 18 и «П-образных» элементов 1 и 3 и показанные на фиг.4, замыкаются через диски 13 и 14 ротора, выполненные из ферромагнитного материала.A multilayer end torque motor operates as follows. First, let the direct current of the conditional positive direction flow in the annular winding 2 of the stator 4 of the first phase, and the winding 6 of the stator 5 of the second phase and the winding 10 of the stator 9 of the third phase are de-energized. With the conditional positive direction of the current, the winding 2 magnetizes the "U-shaped" elements 1 and 3, covering the annular winding 2. In this case, the end sides of the "U-shaped" elements 1 and 3 facing the rotor disks 13 and 14 will have alternating tangential direction of polarity. The "U-shaped" elements 1 and 3 will interact with the permanent magnets 18 mounted on the disks 13 and 14, and a moment will appear that sets the rotor disks 13 and 14 in such a position that the magnetic fluxes of the permanent magnets 18 are directed according to the magnetic fluxes "U-shaped" elements 1 and 3, as shown in Fig.4. The magnetic flux F created by the magnets 18 and the "U-shaped" elements 1 and 3 and shown in figure 4, are closed through the disks 13 and 14 of the rotor made of ferromagnetic material.

При подаче постоянного тока условного положительного направления в кольцевую обмотку 6 статора 5 второй фазы и выключенных кольцевой обмотки 2 статора 4 первой фазы и кольцевой обмотки 10 статора 9 третьей фазы обмотка 6 намагнитит «П-образные» элементы 7 и 8 с чередующейся полярностью. Полярность сторон элементов 7 будет аналогична полярности сторон элементов 1, показанной на фиг.4, а полярность сторон элементов 8 будет аналогична полярности сторон элементов 3. Статор 5 второй фазы смещен относительно статора 4 первой фазы на 2π/3 эл. рад. Поэтому при взаимодействии «П-образных» элементов 7 и 8 с постоянными магнитами 18, расположенными на сторонах дисков 14 и 15, обращенных к статору 6, ротор развернется на 2π/3 эл. рад. Тогда магнитные потоки постоянных магнитов 18 и «П-образных» элементов 7 и 8 совпадут.When direct current of conditional positive direction is applied to the annular winding 6 of the stator 5 of the second phase and the annular winding 2 of the stator 4 of the first phase and the annular winding 10 of the stator 9 of the third phase are turned off, the winding 6 will magnetize the "U-shaped" elements 7 and 8 with alternating polarity. The polarity of the sides of the elements 7 will be similar to the polarity of the sides of the elements 1 shown in figure 4, and the polarity of the sides of the elements 8 will be similar to the polarity of the sides of the elements 3. The stator 5 of the second phase is shifted relative to the stator 4 of the first phase by 2π / 3 e. glad. Therefore, when the “U-shaped” elements 7 and 8 interact with the permanent magnets 18 located on the sides of the disks 14 and 15 facing the stator 6, the rotor will rotate at 2π / 3 e. glad. Then the magnetic flux of the permanent magnets 18 and the "U-shaped" elements 7 and 8 will coincide.

При включении кольцевой обмотки 10 статора 9 третьей фазы и выключенных кольцевой обмотки 2 статора 4 первой фазы и кольцевой обмотки 6 статора 5 второй фазы обмотка 10 намагнитит «П-образные» элементы 11 и 12. Момент, возникший при взаимодействии «П-образных» элементов 11 и 12 с постоянными магнитами 18, заставит ротор развернуться на 4π/3 эл. рад. от исходного положения.When you turn on the annular winding 10 of the stator 9 of the third phase and off the annular winding 2 of the stator 4 of the first phase and the annular winding 6 of the stator 5 of the second phase, the winding 10 will magnetize the "U-shaped" elements 11 and 12. The moment that occurred during the interaction of the "U-shaped" elements 11 and 12 with permanent magnets 18, will cause the rotor to turn around 4π / 3 e. glad. from the starting position.

После этого вновь включается кольцевая обмотка 2 статора 4 первой фазы, ротор поворачивается еще на 2π/3 эл. рад. и т.д.After that, the annular winding 2 of the stator 4 of the first phase is turned on again, the rotor rotates another 2π / 3 e. glad. etc.

Для изменения направления вращения ротора нужно изменить порядок переключения фаз двигателя на обратный.To change the direction of rotation of the rotor, you need to change the order of switching the phases of the motor to the opposite.

При дискретном характере изменения токов в обмотках, как описано выше, двигатель будет работать как шаговый. Если на фазы двигателя подать трехфазное синусоидальное напряжение, то двигатель будет работать как трехфазный синхронный электродвигатель с плавным вращением вала. Если переключать обмотки по сигналам датчика положения ротора, то двигатель будет работать как бесконтактный двигатель постоянного тока (вентильный). Предлагаемую электрическую машину можно использовать также в качестве генератора для получения многофазного напряжения.With the discrete nature of the change in currents in the windings, as described above, the motor will work as a stepper. If a three-phase sinusoidal voltage is applied to the phases of the motor, the motor will operate as a three-phase synchronous electric motor with smooth rotation of the shaft. If you switch the windings according to the signals of the rotor position sensor, the motor will work as a non-contact DC motor (valve). The proposed electric machine can also be used as a generator for multiphase voltage.

В предлагаемом многослойном торцевом моментном электродвигателе радиальная длина и площадь боковых сторон «П-образных» элементов, которые являются зубцами статоров, более чем в два раза превышают радиальную длину и площадь зубцов статоров прототипа. Через боковые стороны «П-образных» элементов может пройти практически весь поток постоянных магнитов, установленных на роторе. Поэтому кольцевые обмотки предлагаемого электродвигателя будут связаны с намного большим магнитным потоком ротора, чем обмотки прототипа. От магнитного потока ротора, связанного с кольцевыми фазами, зависит момент электродвигателя. Следовательно, предлагаемое изобретение позволит увеличить момент, а значит и мощность многослойного торцевого моментного электродвигателя при одинаковых габаритах с прототипом.In the proposed multilayer end torque motor, the radial length and the area of the sides of the "U-shaped" elements, which are the teeth of the stators, more than double the radial length and the square of the teeth of the stators of the prototype. Almost the entire flux of permanent magnets mounted on the rotor can pass through the sides of the "U-shaped" elements. Therefore, the ring windings of the proposed motor will be associated with a much larger magnetic flux of the rotor than the windings of the prototype. From the magnetic flux of the rotor associated with the ring phases depends on the moment of the electric motor. Therefore, the present invention will increase the moment, and therefore the power of the multilayer end torque motor with the same dimensions as the prototype.

Claims

Многослойный торцевой моментный электродвигатель, содержащий ротор, состоящий из нескольких установленных на одном валу ферромагнитных дисков с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и зубчатые статоры с кольцевыми обмотками фаз, установленные соосно с ротором, при этом статоры разных фаз смещены относительно друг друга на угол, равный 2π эл. радиан, деленный на число фаз, отличающийся тем, что магнитопровод каждого статора составлен из магнитомягких П-образных элементов, число которых равно числу полюсов ротора, причем элементы при обходе кольцевой обмотки фазы по угловой координате охватывают кольцевую обмотку поочередно то со стороны наружной, то со стороны внутренней поверхности кольцевой обмотки. A multilayer end torque motor containing a rotor, consisting of several ferromagnetic disks with permanent magnets mounted on one shaft, the polarity of which alternates in the tangential direction, and gear stators with ring phase windings mounted coaxially with the rotor, while the stators of different phases are offset relative to each other at an angle equal to 2π e. radian divided by the number of phases, characterized in that the magnetic circuit of each stator is composed of soft U-shaped elements, the number of which is equal to the number of poles of the rotor, and the elements, when circumventing the phase ring winding along the angular coordinate, cover the ring winding alternately from the outside, then from side of the inner surface of the annular winding.