Вентильный электродвигатель с наружным ротором

(71) Заявитель Республиканское унитарное предприятие Приборостроительный завод ОПТРОН(72) Авторы Шафранский Валентин Иванович Соколовский Валерий Фомич Шевченко Анатолий Алексеевич Литовко Владимир Иосифович(73) Патентообладатель Республиканское унитарное предприятие Приборостроительный завод ОПТРОН(57) Вентильный электродвигатель с наружным ротором, содержащий на обращенной к статору поверхности ротора радиально намагниченные постоянные магниты с чередующейся полярностью с числом парполюсов, статор с тем же числом парполюсов, инвертор и датчик положения ротора с возможностью управления инвертором,отличающийся тем, что датчик положения ротора выполнен в виде кольцеобразного постоянного магнита в магнитопроводящей обойме, намагниченного в аксиальном направлении с чередующейся полярностью и числом пар полюсов, равным числу парполюсов 8119 1 2006.06.30 ротора, установленного на подшипниковом щите ротора соосно с неподвижным валом статора, и магниточувствительных элементов, размещенных на неподвижной плате вне зоны магнитного поля обмотки статора, при этом одна сторона магниточувствительных элементов обращена к соответствующему полюсу кольцеобразного постоянного магнита,а другая экранирована магнитопроводящей пластиной, расположенной на той же плате. Изобретение относится к области электрических машин с постоянными магнитами и датчиком положения ротора. Оно может быть использовано в транспортных средствах малой грузоподъемности (инвалидные коляски, электровелосипеды, подъемники и пр.), а также в других механизмах (конвейеры, деревообрабатывающие станки и пр.). Известен электродвигатель (мотор-колесо) для транспортных средств малой грузоподъемности, в котором вращающаяся часть является наружной. По устройству и принципу действия он представляет собой обращенный коллекторный двигатель 1. Основные его недостатки - сложность конструкции, малая надежность, большие эксплуатационные расходы по уходу за коллектором. Известен вентильный электродвигатель, содержащий синхронную машину с наружным ротором, инвертор и датчик положения ротора. На внутренней поверхности наружного ротора, обращенной к статору, установлены радиально намагниченные постоянные магниты с чередующейся полярностью. На наружной поверхности статора, обращенной к наружному ротору, уложена многофазная обмотка, подключенная к сети постоянного тока через инвертор, коммутация которого осуществляется по сигналам датчика положения наружного ротора. Этот датчик содержит электромагнит, размещенный на наружной поверхности статора, и стержни из ферромагнитного материала, расположенные на внутренней поверхности наружного ротора с обеих сторон каждого постоянного магнита 2. Известный вентильный электродвигатель имеет следующие недостатки 1) чувствительный элемент (электромагнит) датчика положения наружного ротора находится в магнитном поле обмотки статора, поэтому под влиянием этого поля датчик дает неточную информацию о положении ротора 2) наличие ферромагнитных стержней с обеих сторон каждого постоянного магнита увеличивает их магнитный поток рассеяния, что приводит к уменьшению полезного магнитного потока. Вращающий момент электрической машины 3(1) МФ,где с - коэффициент,Ф - полезный магнитный поток ротора, - магнитодвижущая сила (МДС) обмотки статора, - сФ - максимальный момент, - угол между осями МДС и магнитного потока. В вентильном двигателе за один период происходит в общем случаепереключений 2 электрических радиан угол(коммутаций), а за межкоммутационный период изменится от некоторого значения 1 до 2. Среднее значение момента(2)к (21 )к 1 2 21 2 2 .к 1 12 ср - среднее значение угла 2 между осями МДС и магнитного потока за межкоммутационный период, то(3) к 2 к 2 Отсюда следует, что при прочих равных условиях средний момент будет наибольший,если 2 ср 1.(5)к 2. 2 2 При неточной информации датчика положения ротора условие (5) не выполняется, по этомуср. 2 Таким образом, как видно из (3), перечисленные выше недостатки известного двигателя являются причиной уменьшения его среднего момента в заданном объеме и при заданной МДС. Полезная мощность пропорциональна моменту, а МДС - току и потребляемой мощности. Поэтому эти недостатки приводят к увеличению удельного расхода материалов и к снижению коэффициента полезного действия (КПД). Техническая задача, решаемая изобретением, - усовершенствование вентильного электродвигателя для машин и механизмов с двигателем малой мощности (индивидуальные малые транспортные средства, машины и механизмы и пр.) при одновременном увеличении его КПД и уменьшении расхода материалов, повышении надежности и долговечности, что позволит сократить до минимума эксплуатационные расходы. Поставленная задача достигается тем, что в вентильном электродвигателе с наружным ротором, содержащим на обращенной к статору поверхности ротора радиально намагниченные постоянные магниты с чередующейся полярностью с числом пар р полюсов, статор с тем же числом пар р полюсов, инвертор и датчик положения ротора с возможностью управления инвертором, датчик положения ротора выполнен в воде кольцеобразного постоянного магнита в магнитопроводящей обойме, намагниченного в аксиальном направлении с чередующейся полярностью и числом пар полюсов, равным числу пар р полюсов ротора, установленного на подшипниковом щите ротора соосно с неподвижным валом статора, и магниточувствительных элементов, размещенных на неподвижной плате вне зоны магнитного поля обмотки статора. При этом одна сторона магниточувствительных элементов обращена к соответствующему полюсу кольцеобразного постоянного магнита, а другая экранирована магнитопроводящей пластиной, расположенной на той же плате. Одновременно магниточувствительные элементы выполняют вторую функцию - вместе с магнитопроводящей обоймой уменьшают магнитное сопротивление, т.е. увеличивают магнитный поток, проходящий через магниточувствительные элементы, в результате чего повышаются чувствительность датчика положения ротора и точность информации о положении ротора. Благодаря этому условие (5) выполняется более точно, а средний момент возрастает. Таким образом, благодаря увеличению точности датчика положения ротора и уменьшению магнитного потока рассеяния, достигается уменьшение удельного расхода материалов и увеличение КПД. На фиг. 1 изображена конструктивная схема вентильного электродвигателя с наружным ротором, а на фиг. 2 - вид сверху, и фиг. 3 - вид сбоку кольцеобразного постоянного магнита в магнитопроводящей обойме.ср 8119 1 2006.06.30 Вентильный электродвигатель содержит наружный ротор 1 и внутренний статор 2. На поверхности наружного ротора 1, обращенной к статору 2, расположены р пар радиально намагниченных постоянных магнитов 3 с чередующейся полярностью. На поверхности статора 2, обращенной к наружному ротору 1, размещена многофазная обмотка 4 с тем же числом пар р полюсов. Наружный ротор 1 закреплен в подшипниковых щитах 5 и 6 с возможностью вращения на подшипниках 7 и 8 относительно неподвижного вала 9, на который напрессован статор 2 с помощью ступицы 10 или непосредственно. На подшипниковом щите 5 в обойме 11 из магнитопроводящего материала установлен соосно с валом 9 кольцеобразный постоянный магнит 12, намагниченный в аксиальном направлении на то же число пар полюсов, которое имеют статор 2 и наружный ротор 1,или постоянный магнит 12 может быть собран из 2 р сегментов с чередующейся полярностью, как показано на фиг. 2. Неподвижно относительно вала 9 установлена плата 13 из электроизоляционного материала, а на ней закреплены магниточувствительные элементы 14, например датчик Холла. Одна сторона магниточувствительных элементов 14 обращена к кольцеобразному постоянному магниту 12, а другая - к магнитопроводящей пластине 15,размещенной на плате 13, на которой расположены также необходимые элементы электроники (на фигурах не показано). Для пропуска проводов к обмотке 4 статора 2 и к плате 13 вал 9 выполнен полым полностью или частично. Выходы магниточувствительных элементов 14 через усилители (на фигурах не показано) соединены с формирователем управления сигналов инвертора, к которому подключена обмотка статора 2 (электрическая схема не показана). Вентильный двигатель работает следующим образом. С помощью датчика положения ротора, состоящего из элементов 1115 (фиг. 1), осуществляется позиционный способ управления инвертором (на фигурах не показано), при котором поддерживается определенный угол между осью МДС обмотки статора 2 и осью магнитного потока наружного ротора 1. Благодаря этому наружный ротор 1 развивает момент, мгновенное значение которого определяется уравнением (1), а среднее - уравнением (3). Из (3) видно, что с целью достижения необходимого среднего момента коммутация ключей инвертора (на фигурах не показано) должна происходить при таких положениях наружного ротора 1, при которых выполняются условия (4) и (5). Точность выполнения этих условий обеспечивается конструкцией датчика положения наружного ротора 1. Многочувствительные элементы 14 датчика положения наружного ротора 1 находятся вне зоны магнитного поля обмотки 4 статора 2 и экранированы магнитопроводящей пластиной 15. Поэтому их выходной сигнал определяется только магнитным полем кольцеобразного постоянного магнита 12 датчика (на фигурах не показано) положения наружного ротора 1. Так как число р пар полюсов постоянного магнита 12 такое же, как и у наружного ротора 1, то полярность выходного сигнала магниточувствительных элемен 360 тов 14 меняется с такой же периодичностью геометрических градусов, как и поляр 2 ность магнитного штока наружного ротора 1. С помощью магнитопроводящих обоймы 11 и пластины 15 магнитное сопротивление для магнитного потока постоянного магнита 12 сильно уменьшается, поэтому магнитный поток, проходящий через магниточувствительные элементы 14, и крутизна фронта их выходного сигнала увеличиваются. Управляющий сигнал на коммутацию ключей инвертора (на фигурах не показано) формируется, когда выходной сигнал датчика положения наружного ротора 1 достигнет логической единицы. Поэтому увеличение крутизны фронта этого сигнала уменьшает зону нечувствительности датчика положения наружного ротора 1 и увеличивает точность выполнения условий (4) и (5). Как видно из (3), средний момент вентильного двигателя при прочих равных условиях будет тем больше, чем больше полезный магнитный поток наружного ротора 1. 4 8119 1 2006.06.30 Увеличение полезного магнитного потока наружного ротора 1 достигается тем, что между его постоянными магнитами 3 отсутствуют ферромагнитные (магнитопроводящие) стержни (на фигурах не показано), поэтому магнитный поток рассеяния магнитов 3 меньше, а полезный магнитный поток больше, чем у известного вентильного двигателя. Таким образом, в результате повышения точности информации датчика положения наружного ротора 1 и уменьшения магнитного потока рассеяния наружного ротора 1 при таких же, как у известного вентильного электродвигателя объеме и потребляемой мощности, средний момент и полезная мощность заявляемого двигателя больше, то есть удельный расход материалов меньше, а КПД больше. Источники информации 1.203985 С 2, 2000. 2.2153757 С 2, 2000 (прототип). 3. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. - М. Высшая школа, 1976. - С. 196. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5