RU2751098C1 - Commutator-less dc electric machine - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering, namely to DC electric machines, it can be used for both generating electrical energy and converting electrical energy into mechanical energy. A commutator-less DC electric machine contains a rotating armature and a fixed stator. The armature is made in the form of a closed balanced toroidal ring, around which the stator solenoid coils are placed around the perimeter of the ring, held on a fixed base. The armature is connected to the rotation shaft by a planetary gear. The crown gear of the said planetary gear is mounted along the armature ring. The satellites transmitting rotation from the planetary to the solar gear are made with the possibility of movement between the stator solenoid coils. The axes of rotation of the armature and the rotation shaft coincide.

EFFECT: technical result of the invention is an increase in the reliability and service life of the device.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам постоянного тока и может использоваться как для генерации электрической энергии, так и преобразования электрической энергии в механическую [H02K 1/00, H02K 25/00, H02K 99/00].The invention relates to the field of electrical engineering, namely to electric DC machines and can be used both for generating electrical energy and converting electrical energy into mechanical [H02K 1/00, H02K 25/00, H02K 99/00].

Из уровня техники известен БЕЗКОЛЛЕКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА [RU 25371 U1, опубл.: 27.09.2002], отличающийся тем, что на валу якоря установлены контактные кольца, к которым присоединены концы обмотки якоря.From the prior art, a COLLECTORless DC ELECTRIC MOTOR is known [RU 25371 U1, publ .: 27.09.2002], characterized in that slip rings are installed on the armature shaft, to which the ends of the armature winding are attached.

Также известен БЕЗКОЛЛЕКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА [RU 200412072 A, опубл.: 10.02.2006], отличающийся от униполярной машины наличием многовитковой обмотки на сердечнике якоря.Also known is a COLLECTOR DC ELECTRIC MOTOR [RU 200412072 A, publ .: 10.02.2006], which differs from a unipolar machine by the presence of a multi-turn winding on the armature core.

Недостатками аналогов является их низкая надежность, обусловленная наличием неподвижных графитовых или медно-графитовых) щеток, имеющих ограниченный ресурс и высокими динамическими и электрическими нагрузками на упомянутые щетки.The disadvantages of analogs are their low reliability due to the presence of fixed graphite or copper-graphite brushes, which have a limited resource and high dynamic and electrical loads on the said brushes.

Наиболее близким по технической сущности является БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ МОТОР - ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА [RU 2545525 C1, опубл.: 10.04.2015], содержащий вращающийся якорь вокруг неподвижного статора, отличающийся тем, что в качестве вращающегося якоря использована группа симметрично распределенных на окружности постоянных тороидальных магнитов, магнитные полюсы которых находятся на их плоских торцевых поверхностях и образуют прерывистый однонаправленный магнитный поток вдоль этой окружности, а в качестве неподвижного статора использована обмотка, выполненная на кольцевом каркасе круглого поперечного сечения, ось симметрии которого совпадает с осью симметрии вращающегося якоря.The closest in technical essence is a BRUSHLESS MOTOR - DC GENERATOR [RU 2545525 C1, publ .: 04/10/2015], containing a rotating armature around a stationary stator, characterized in that a group of permanent toroidal magnets symmetrically distributed on the circumference is used as a rotating armature, whose magnetic poles are located on their flat end surfaces and form an intermittent unidirectional magnetic flux along this circle, and a winding made on an annular frame of circular cross-section, the axis of symmetry of which coincides with the axis of symmetry of the rotating armature, is used as a stationary stator.

Основной технической проблемой прототипа является низкая надежность, связанная с непродуманностью конструкторского решения в части удержания статора внутри магнитов вращающегося якоря, так как магниты якоря выполнены тороидальными из двух склееных между собой половин и для реализации вращения якоря необходимо каким-то образом удерживать статор. Кроме того, значительный вес магнитов для мотор-генераторов большой мощности возникает проблема точного балансирования вращающегося якоря. Указанные конструктивные недостатки напрямую влияют на надежность устройства, а точнее, их наличие снижает надежность и срок службы мотор-генератора.The main technical problem of the prototype is low reliability associated with the ill-conceived design solution in terms of holding the stator inside the magnets of the rotating armature, since the armature magnets are made toroidal from two halves glued together and to implement the rotation of the armature, it is necessary to somehow hold the stator. In addition, the significant weight of magnets for high power motor generators raises the problem of accurate balancing of the rotating armature. These design flaws directly affect the reliability of the device, or rather, their presence reduces the reliability and service life of the motor generator.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.The objective of the invention is to eliminate the disadvantages of the prototype.

Технический результат изобретения заключается в повышении надежности и срока службы устройства.The technical result of the invention is to improve the reliability and service life of the device.

Указанный технический результат достигается за счет того, что бесколлекторная электромашина постоянного тока, вращающийся якорь и неподвижный статор, отличающийся тем, что якорь выполнен в виде замкнутого сбалансированного тороидального кольца, вокруг которого по периметру кольца размещены соленоидные катушки статора, удерживаемые на неподвижном основании, якорь соединен с валом вращения планетарной передачей, при этом коронная шестерня упомянутой планетарной передачи смонтирована вдоль кольца якоря, а передающие вращение от планетарной к солнечной передаче сателлиты выполнены с возможностью движения между соленоидными катушками статора, при этом оси вращения якоря и вала вращения совпадают.The specified technical result is achieved due to the fact that a brushless DC electric machine, a rotating armature and a fixed stator, characterized in that the armature is made in the form of a closed balanced toroidal ring, around which the stator solenoid coils are placed around the perimeter of the ring, held on a fixed base, the armature is connected with a rotation shaft of a planetary gear, while the ring gear of the said planetary gear is mounted along the armature ring, and the satellites transmitting rotation from the planetary to the solar gear are made with the possibility of movement between the solenoid coils of the stator, while the axes of rotation of the armature and the rotation shaft coincide.

В частности, якорь выполнен из магнитомягкого материала.In particular, the armature is made of a soft magnetic material.

В частности, планетарная передача выполнена в виде двухступенчатой зубчатой передачей с неподвижными осями колес.In particular, the planetary gear is made in the form of a two-stage gear train with fixed axles of the wheels.

Краткое описание чертежей.Brief description of the drawings.

На фиг. 1 показан вид сбоку бесколлекторной машины постоянного тока.FIG. 1 is a side view of a DC brushless machine.

На фиг. 2 показан вид спереди бесколлекторной машины постоянного тока в разрезе.FIG. 2 is a cross-sectional front view of a DC brushless machine.

На фиг. 3 показано сечение ротора.FIG. 3 shows a cross-section of the rotor.

На фигурах обозначено: 1 - якорь, 2 - вал вращения, 3 - кольца якоря, 4 - основание, 5 - соленоидные катушки, 6 - коронная шестерня, 7 - солнечная шестерня, 8 - сателлиты, 9 - водило.The figures indicate: 1 - anchor, 2 - rotation shaft, 3 - armature rings, 4 - base, 5 - solenoid coils, 6 - ring gear, 7 - sun gear, 8 - satellites, 9 - carrier.

Осуществление изобретения.Implementation of the invention.

Бесколлекторная электромашина постоянного тока содержит вращающийся якорь 1 (см. Фиг. 1), соединенный с валом вращения 2 планетарной передачей. Якорь 1 выполнен сбалансированным из пары колец 3 (см. Фиг. 2) из магнитомягкого материала.The brushless DC electric machine contains a rotating armature 1 (see Fig. 1), connected to the rotation shaft 2 by a planetary gear. The armature 1 is made of a balanced pair of rings 3 (see Fig. 2) from a soft magnetic material.

Магнитомягкие материалы - это магнитные материалы, обладающие низкой коэрцитивной силой и, как следствие, узкой предельной петлей гистерезиса, которые по действием магнитного поля способны легко намагничиваться и размагничиваться. Иными словами, под действием магнитного поля магнитомягкий материал локализует в себе магнитную энергию в пределах пространства магнитного поля.Soft magnetic materials are magnetic materials with a low coercive force and, as a consequence, a narrow limiting hysteresis loop, which are easily magnetized and demagnetized under the influence of a magnetic field. In other words, under the action of a magnetic field, a soft magnetic material localizes in itself magnetic energy within the limits of the magnetic field space.

Вокруг якоря 1 на неподвижном основании 4 (см. Фиг. 3) смонтированы соленоидные катушки 5, при этом корпуса соленоидных катушек 5 смонтированы вокруг якоря 1 с зазором, обеспечивающим вращение якоря 1 внутри упомянутых корпусов соленоидных катушек 5. Solenoid coils 5 are mounted around the armature 1 on a fixed base 4 (see Fig. 3), while the bodies of the solenoid coils 5 are mounted around the armature 1 with a gap that ensures the rotation of the armature 1 inside the mentioned bodies of the solenoid coils 5.

Планетарная передача содержит коронную шестерню 6, смонтированную между или вдоль колец якоря 3, солнечную шестерню 7, смонтированную на валу вращения 2 и сателлиты 8, соединяющие коронную 6 и солнечную 7 шестерни, при этом сателлиты 8 смонтированы с возможностью вращения вдоль коронной шестерни 6 между соленоидными катушками 5. Сателлиты 8 подвижно смонтированы на водило 9. Основание водило 9 совпадает с осью вала вращения 2 и подвижно соединено с солнечной шестерней 7. Вал вращения 2 подвижно смонтирован в отверстии основания 4. При такой схеме планетарная передача является двухступенчатой зубчатой передачей с неподвижными осями колес.The planetary gear contains a ring gear 6 mounted between or along the rings of the armature 3, a sun gear 7 mounted on the rotation shaft 2 and satellites 8 connecting ring 6 and sun 7 gears, while the satellites 8 are mounted with the possibility of rotation along the ring gear 6 between the solenoids coils 5. The satellites 8 are movably mounted on the carrier 9. The base of the carrier 9 coincides with the axis of the rotation shaft 2 and is movably connected to the sun gear 7. The rotation shaft 2 is movably mounted in the hole of the base 4. With this scheme, the planetary gear is a two-stage gear train with fixed axles wheels.

Бесколлекторная электромашина может работать как в режиме мотора, так и в режиме генератора.A brushless electric machine can operate in both motor mode and generator mode.

В режиме мотора обмотки соленоидных катушек 5 подключают к источнику постоянного напряжения (на фигурах не показан). Под действием протекающего в обмотках соленоидных катушек 5 постоянного тока вокруг них возникает магнитные поля, вектора магнитной индукции которых направлены по касательной якоря 1. Под действием магнитных полей участки колец якоря 3 намагничиваются и якорь 1 приходит в движение внутри упомянутых катушек 5. Движение якоря 1 через коронную шестерню 6 передают через сателлиты 8, вращающиеся между соленоидными катушками 5, на солнечную шестерню 7, смонтированную на валу вращения 2.In the motor mode, the windings of the solenoid coils 5 are connected to a constant voltage source (not shown in the figures). Under the action of the direct current flowing in the windings of the solenoid coils 5, magnetic fields arise around them, the magnetic induction vectors of which are directed tangentially to the armature 1. Under the action of magnetic fields, the sections of the rings of the armature 3 are magnetized and the armature 1 starts to move inside the said coils 5. The movement of the armature 1 through the ring gear 6 is transmitted through the satellites 8 rotating between the solenoid coils 5 to the sun gear 7 mounted on the rotation shaft 2.

В режиме генератора к соленоидным катушкам 5 подключают потребителя электрической энергии. Приводят во вращение вал вращения 2, вращательное движение от которого через солнечную шестерню 7 и сателлиты 8 передают на коронную шестерню 6 и соответственно якорь 1. Имеющий остаточную намагниченность мягкомагнитный материал якоря 1 проходя внутри соленоидных катушек 5 возбуждает в витках упомянутых катушек ЭДС индукции под действием которой замкнутым на цепи соленоидным катушкам 5 потребителям течет индукционный ток.In the generator mode, a consumer of electrical energy is connected to the solenoid coils 5. The shaft of rotation 2 is brought into rotation, the rotational movement from which through the sun gear 7 and the satellites 8 is transmitted to the ring gear 6 and, accordingly, the armature 1. Having residual magnetization, the soft magnetic material of the armature 1, passing inside the solenoid coils 5, excites the induction EMF in the turns of the said coils under the influence of which closed on the circuit solenoid coils 5 consumers flow induction current.

Технический результат изобретения - повышение надежности и срока службы устройства достигается за счет выполнения вращающегося внутри неподвижных соленоидных катушек 5 якоря 1 в виде сбалансированного кольца из магнитомягкого материала, передача вращения от которого осуществляется двухступенчатой зубчатой планетарной передачей с неподвижными осями колес, симметричное расположение сателлитов 8 которых взаимно уравновешиваются и обеспечивают постоянный зазор между якорем 1 и упомянутыми катушками 5. Кроме того, малые нагрузки в передаче упрощают конструкцию и снижают потери в ней. Выбранное конструктивное решение позволяет упростить конструкцию бесколлекторной электромашины и обеспечить безотказную работу ее узлов в течение длительного срока. The technical result of the invention is to increase the reliability and service life of the device due to the implementation of the armature 1 rotating inside the stationary solenoid coils 5 in the form of a balanced ring of soft magnetic material, the transmission of rotation from which is carried out by a two-stage planetary gear with fixed axles of the wheels, the symmetrical arrangement of the satellites 8 of which is mutually are balanced and provide a constant clearance between the armature 1 and the said coils 5. In addition, low loads in the transmission simplify the design and reduce losses in it. The chosen design solution allows to simplify the design of the brushless electric machine and to ensure the trouble-free operation of its components for a long time.

В 2019 году была изготовлена, согласно описания, бесколлекторная электромашина постоянного того, которая показала высокую выходную мощность при небольших массогабаритных показателях за счет получения больших передаточных отношений при небольшом числе зубчатых колес, удобство в использовании благодаря возможности отбора мощности с обоих концов вала вращения 2, а также простоту компоновки с ШИМ-регулятором. Кроме того, электромашина обладает такими преимуществами, как экономичность и взрывобезопасность, а также большим пусковым моментом.In 2019, according to the description, a brushless electric machine of a constant volume was manufactured, which showed high output power with small mass and dimensions due to obtaining large gear ratios with a small number of gear wheels, ease of use due to the possibility of taking power from both ends of the rotation shaft 2, and See also the simplicity of the PWM controller layout. In addition, the electric machine has such advantages as economy and explosion safety, as well as a large starting torque.

Claims (3)

1. Бесколлекторная электромашина постоянного тока, содержащая вращающийся якорь и неподвижный статор, отличающаяся тем, что якорь выполнен в виде замкнутого сбалансированного тороидального кольца, вокруг которого по периметру кольца размещены соленоидные катушки статора, удерживаемые на неподвижном основании, якорь соединен с валом вращения планетарной передачей, при этом коронная шестерня упомянутой планетарной передачи смонтирована вдоль кольца якоря, а передающие вращение от планетарной к солнечной передаче сателлиты выполнены с возможностью движения между соленоидными катушками статора, при этом оси вращения якоря и вала вращения совпадают. 1. Brushless DC electric machine containing a rotating armature and a fixed stator, characterized in that the armature is made in the form of a closed balanced toroidal ring, around which the stator solenoid coils are located around the ring perimeter, held on a fixed base, the armature is connected to the rotation shaft by a planetary gear, the ring gear of the said planetary gear is mounted along the armature ring, and the satellites transmitting rotation from the planetary to the solar gear are made with the possibility of movement between the solenoid coils of the stator, while the axes of rotation of the armature and the rotation shaft coincide. 2. Электромашина по п.1, отличающаяся тем, что якорь выполнен из магнитомягкого материала.2. An electric machine according to claim 1, characterized in that the armature is made of a soft magnetic material. 3. Электромашина по п.1, отличающаяся тем, что планетарная передача выполнена в виде двухступенчатой зубчатой передачей с неподвижными осями колес.3. The electric machine according to claim 1, characterized in that the planetary gear is made in the form of a two-stage gear train with fixed axles of the wheels.

Images