Моментный прецизионный двигатель

Изобретение относится к области электротехники, в частности к моментным электрическим двигателям, и может быть использовано в системах прецизионного электропривода, например, в системах точного наведения оптических и радиотехнических систем, эксплуатирующихся как в условиях атмосферы, так и в вакууме, а также в других применениях при повышенных требованиях к уровню пульсаций момента, вибраций, шумов и точного углового позиционирования.

Из уровня техники известен моментный двигатель с кольцевым ярмом статора, на котором закреплены многослойные кольцевые обмотки и с внутренней стороны статора на цилиндрическом роторе установлены постоянные магниты, (см. Моментный электропривод / А.Ю. Афанасьев. - Казань: Изд-во. Казан. Гос. Тех ун-та, 1997. - с. 10.)

Недостатками данного моментного двигателя являются:

- низкая эффективность использования обмотки, т.к. с магнитным полем взаимодействует только ток, протекающий по части витков, которые расположены на внутренней стороне статора. Это приводит к снижению статической добротности двигателя (С=Нм/(кг*Вт^{0 5})) и КПД двигателя;

- использование многослойных обмоток приводит к высокому тепловому сопротивлению обмотки и, соответственно, снижает эффективность по преобразованию электрической энергии в тяговый момент.

Из уровня техники также известна электрическая машина, содержащая шихтованный статор, скрепленный шпильками и шайбами и выполненный в виде кольцевого сердечника с зубцами на внешней и внутренней поверхности, несущий распределенную кольцевую секционную обмотку якоря и размещенный на стойке, кроме того, статор выполнен между однополярными полюсами внешнего и внутреннего индукторов, установленных на внешнем и внутреннем ободах ротора, отличающаяся тем, что внутренний индуктор смещен относительно внешнего индуктора и нижняя сторона каждой секции обмотки якоря смещена относительно верхней стороны этой же секции на угол 0,01-90 эл. град. в одном направлении. (См. патент РФ 2131637, Электрическая машина, Н02К 16/02, Н02К 19/10, Н02К 23/00 от 10.06.1999).

Недостатком данной электрической машины является наличие недопустимо большого для прецизионных применений зубцового момента в силу ее конструкции. Кроме того наличие шпилек в креплении якоря приводит к неоднородности магнитного поля в нем, что также выражается в неравномерности хода.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по использованию, технической сущности и достигаемому результату является бесконтактная синхронная машина, имеющая гладкий якорь с беспазовой активной зоной и постоянные магниты на роторе (См. патент РФ №2374743 С1, БЕСКОНТАКТНАЯ СИНХРОННАЯ МАШИНА, ИМЕЮЩАЯ ГЛАДКИЙ ЯКОРЬ С БЕСПАЗОВОЙ АКТИВНОЙ ЗОНОЙ И ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ НА РОТОРЕ от 28.03.2008, МПК 8 H02K 21/12 (2006.01), H02K 21/22 (2006.01), H02K 16/02 (2006.01), ЛОЗИЦКИЙ ОЛЕГ ЕВГЕНЬЕВИЧ (RU), ЛУГОВЕЦ ВЛАДИМИР АДОЛЬФОВИЧ (RU), МАТЕКИН ПАВЕЛ СЕМЕНОВИЧ (RU), СЕРДЕЧНИКОВ СЕРГЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ (RU).

Недостатками двигателя по прототипу является:

- невысокое значение магнитного поля взаимодействующего с обмотками статора двигателя, снижающего КПД;

- невысокое использование обмотки статора из-за применения обмотки барабанного или барабанно-кольцевого типа;

- высокое термическое сопротивление обмоток статора, снижающее эксплуатационные параметры двигателя по максимальной подводимой мощности.

Все это приводит к снижению статической добротности двигателя при использовании его в качестве прецизионного без редукторного привода.

Задачей настоящего изобретения является создание моментного прецизионного двигателя (МПД), обладающего минимальными потерями энергии, максимальной статической добротностью, практическим отсутствием пульсаций вращающего момента на валу и соответственно низким уровнем вибрации и шумов, сопровождающих ее работу.

Технический результат изобретения выражается в улучшении эксплуатационных показателей и, в частности, в достижении высокого КПД и надежности, в упрощении конструкции моментного двигателя в целом, а также в обеспечении уникально низкоуровневых виброшумовых характеристик разнообразных объектов и устройств (системы привода опорно-поворотных устройств оптических систем, как космических, так и наземных, морские и наземные транспортные средства и т.д.) в которых могут использоваться электроприводы на базе предлагаемого моментного прецизионного двигателя.

Технический результат достигается тем, что моментный прецизионный двигатель, содержащий полый цилиндрический статор с m-фазными кольцевыми обмотками,

наружную относительно статора часть полого цилиндрического ротора с постоянными магнитами чередующейся полярности расположенными со стороны внутренней цилиндрической поверхности этой части ротора и образующие магнитную систему с радиальным зазором с внешней стороны m-фазных обмоток статора,

внутреннюю относительно статора часть цилиндрического ротора с постоянными магнитами чередующейся полярности расположенными со стороны внешней цилиндрической поверхности этой части ротора с радиальным зазором с внутренней стороны m-фазных обмоток статора,

отличающийся тем, что

m-фазные кольцевые обмотки состоят из отдельных прилегающих друг к другу сегментов, каждый из которых выполнен в виде однослойных кольцевых обмоток все выводы от которых расположены с одного торца статора, статор этим торцом установлен на подшипниковом щите двигателя, а выводы обмоток от всех сегментов пропущены через соответствующие отверстия в щите, прочно закреплены с его другой стороны и электрически соединены в m-фазные обмотки образующие симметричную электрическую цепь, при этом постоянные магниты размещенные на обеих цилиндрических частях ротора расположены напротив друг друга и имеют одинаковый магнитный полюс со стороны статора.

Сущность изобретения поясняется чертежом на фиг. 1.

Согласно чертежу МПД состоит из полого цилиндрического статора 1 с m-фазными обмотками, наружную относительно статора часть полого цилиндрического ротора 2 с постоянными магнитами 3 чередующейся полярности, внутреннюю относительно статора часть полого цилиндрического ротора 4 с постоянными магнитами 5 чередующейся полярности вместе образующие ротор 9 закрепленный на валу 10. На статоре 1 виток к витку расположены в один слой кольцевые сегментированные обмотки 6 имеющие выводы 7 со стороны одного из торцов статора 1. Статор 1 установлен на тепло-отводящем подшипниковом щите 8 двигателя, а выводы 7 пропущены через соответствующие отверстия в щите 8 и соединены в m-фазные обмотки образующие симметричную электрическую цепь. При работе МПД обмотки подключаются к симметричной m-фазной системе электропитания. Постоянные магниты 3 и 5 расположенные на внешней 2 и внутренней 4 поверхности ротора располагаются напротив друг друга и обращены к статоры одноименными полюсами.

Предлагаемый МПД имеет следующие достоинства:

1. Симметричная m-фазная система обмоток образует симметричную электрическую цепь. Будучи подключенной к симметричной системе электропитания такая система обмоток обеспечивает нулевое суммарное магнитное поле в сердечнике статора и соответственно отсутствие реактивного сопротивления обмоток статора. Сегментирование обмоток обеспечивает уменьшение полей рассеяния, увеличивает магнитную связь между обмотками и обеспечивает увеличение степени симметрии системы.

2. Отсутствует влияние магнитных полей статора на магнитные поля магнитной системы ротора, т.е. исключена продольная и поперечная реакция якоря.

3. Конструкция статора не имеет зубцов и других неоднородностей, что приводит к отсутствию зубцовых моментов при точной соосности ротора и статора.

4. Обмотки статора практически полностью взаимодействуют с магнитным полем, что приводит к максимальной эффективности двигателя.

5. Конструкция статора обеспечивает низкое тепловое сопротивление обмоток как для работы в вакууме, так и для работы в атмосфере и, соответственно, высокие тяговые характеристики без перегрева.

Предлагаемый МПД работает следующим образом.

При поступлении на m-фазную обмотку статора 1 питающих напряжений переменного тока на роторе 9 и соответственно выходном валу МПД 10, используемой в качестве электропривода, возникает вращающий момент. При этом токи, протекающие в m-фазной обмотке статора 1, создают в сердечнике статора 1 магнитное поле равное нулю. Это вытекает из первого правила Кирхгофа. В соответствии с ним алгебраическая сумма токов в узле (нейтральный провод при соединении фазовых обмоток звездой) равна нулю. Поэтому при подключении обмоток к симметричной m-фазной сети и суммарное магнитное поле H(t) внутри сердечника статора равно нулю, что вытекает из выражения:

где

H₀ - амплитуда напряженности магнитного поля;

ω - частота электрического напряжения;

t - время;

m - количество фаз;

I₀ - амплитуда тока;

k - коэффициент пропорциональности между током и напряженностью магнитного поля.

Магнитное поле от магнитов 3 и 5 расположенных на цилиндрических роторах 2 и 4 входит почти перпендикулярно в статор 1, проходит через витки обмотки 6 и взаимодействует с током обмотки. В соответствии с законом Ампера на витки действует тангенциальная сила, которая создает момент вращения ротора. Поскольку магниты обращены к статору одинаковыми полюсами, то силы, которые действуют на витки расположенные на внутренней части статора и на витки расположенные на наружной части статора оказываются сонаправленными. Конструкция обеспечивает максимальную долю длины витка взаимодействующего с магнитным полем, даже при небольшом отношении длины статора к его диаметру. Непосредственный контакт однослойной обмотки и сердечника статора с корпусом электропривода обеспечивает эффективное охлаждение статора. Причем, отвод тепла на подшипниковый щит осуществляется в основном за счет теплопроводности, что обеспечивает охлаждение в условиях отсутствия конвекции, например в вакууме.

В общем случае статор изготавливается из ферримагнитного материала, витки сегментов m-фазной обмотки статора изготавливаются из изолированного медного провода и пропитываются специальным теплопроводящим клеящим компаундом, обеспечивающим прочное соединение витков со статором, а выводов с поверхностью отверстий в теплоотводящем подшипниковом щите двигателя. Такая конструкция обеспечивает наибольший крутящий момент и позволяет изготовить статор на базе распространенных технологических процессов. При работе на высоких оборотах мотора, статор, с целью снижения потерь на вихревые токи, может быть шихтован. Например, статор может быть изготовлен из электротехнического железа путем намотки ленты по аналогии с технологией изготовления тороидальных трансформаторов. Пропитка обмотки теплопроводящим компаундом обеспечивает улучшение теплоотвода и повышение механической прочности статора. Гладкая форма статора обеспечивает минимизацию зубцового момента. Он будет проявляться только вследствие несоосности ротора и статора, которая может образовываться в силу остаточных допусков на точность технологического процесса.

При сборке ПМД выводы сегментов катушек закрепляются с помощью паяного соединения на тонкослойной печатной плате, укрепленной на внешней стороне подшипникового щита, а разводка платы обеспечивает электрическое соединение отдельных сегментов в симметричную m-фазную обмотку статора и имеет клеммы для подключения к системе электропитания. Сегментация фазных обмоток обеспечивает наличие большого количества выводов, по два от каждого сегмента. Это дает возможность передать электромагнитные усилия, возникающие в процессе работы МПД, только посредством этих выводов. В силу большого количества сегментов, на каждый из них приходится только малая часть усилия от момента вращения. Расчеты показывают, что прочность двух выводов припаянных, например, к печатной плате установленной с другой стороны подшипникового щита многократно превышают разрушающие напряжения в них при работе МПД даже без учета дополнительного крепления статора за счет пропитки. Использование печатной платы позволяет технологично объединить сегменты обмоток в единую m-фазную симметричную обмотку нужной конфигурации (параллельное, последовательное или смешанное соединение сегментов) и обеспечить соединение с питающей сетью.

При повышенных требованиях к плавности хода статор изготавливается из диэлектрического керамического материала с высокой теплопроводностью, витки выполняются в виде металлизации керамики с припайкой выводов, а торец статора со стороны выводов плотно закрепляется на теплоотводящем подшипниковом щите двигателя. При таком исполнении статора полностью исключаются реактивные моменты, и обеспечивается повышенная плотность тока в обмотках, т.к. витки имеют прямоугольное сечение и, вследствие этого, увеличенную площадь теплоотвода. Несмотря на то, что индукция магнитного поля уменьшается, увеличение плотности тока позволяет во много скомпенсировать падение крутящего момента. Каждый сегмент обмотки в этом случае представляет собой один виток выполненный методом металлизации керамики. Выводы формируются путем припайки или приварки отдельных деталей. Коммутация сегментов обеспечивается с помощью печатной платы.

Для увеличения коэффициента использования обмотки, тело статора в сечении выполняется в форме трапеции, а выводы обмоток располагаются со стороны широкого основания, при этом магнитные системы ротора располагаются параллельно боковым сторонам трапеции. Такая конфигурация наиболее эффективна при изготовлении тела статора из неферромагнитного материала. При использовании магнитного материала возникает не скомпенсированная сила притяжения между ротором и статором, которая может достигать значительных величин (сотни кг), что может отрицательно сказаться на подшипниках двигателя.

Значительно увеличить статическую добротность двигателя можно за счет того, что тело статора имеет полость для прокачки охлаждающей жидкости, причем штуцеры подвода/отвода охлаждающей жидкости выведены на подшипниковый щит МПД. При расположении штуцеров диаметрально, симметрия магнитной системы не меняется, но при этом можно значительно увеличить плотность тока в однослойной обмотке, что пропорционально увеличивает крутящий момент.

Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности "новизна".

Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности, как "изобретательский уровень".

Условие патентоспособности "промышленная применимость" изобретения подтверждена изготовлением макетов в соответствии с приведенным описанием и чертежом на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования. Изготовленный макет характеризовался следующими размерами.

Внешний вид изготовленного макета с параметрами, приведенными в таблице 1, показан на фиг. 2. Полученные выходные параметры двигателя приведены в таблице 2 в сравнении с отечественными и зарубежными моделями.

Данные для сравнения взяты из работы - «Микеров А.Г., Рубцова Е.А. Выбор моментных двигателей систем автоматического управления по их энергетическим и динамическим показателям. - ИЗВЕСТИЯ СПбГЭТУ «ЛЭ-ТИ», №6, 2010 г., с. 58-70.». Основным полученным результатом является значительное увеличение статической добротности или отношение максимального момента к массе электропривода и корню квадратному из потребляемой мощности. Первая колонка содержит параметры двигателей серии ДБМ, которые представляют технический уровень 80-х гг. XX в. Современные зарубежные двигатели показывают, что они превосходят двигатели ДБМ по значению статической добротности в 1.7...2.5 раза. Измеренные показатели макета показывают, что по статической добротности предложенное решение позволяет увеличить это значение еще не менее, чем в 1,7 раза.

Таким образом, предлагаемый МПД может быть использована в различных областях (военная и космическая техника, промышленность и т.д.) - везде, где требуется использование электроприводов при повышенных требованиях к уровню пульсаций момента, вибраций, шумов и экономии электроэнергии.

На основании вышеизложенного и по результатам проведенного патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемое техническое решение отвечает критериям "Новизна", "Изобретательский уровень", "Промышленная применимость" и может быть защищена патентом Российской Федерации на изобретение.

1. Моментный прецизионный двигатель, содержащий

полый цилиндрический статор с m-фазными кольцевыми обмотками,

наружную относительно статора часть полого цилиндрического ротора с постоянными магнитами чередующейся полярности, расположенными со стороны внутренней цилиндрической поверхности этой части ротора и образующими магнитную систему с радиальным зазором с внешней стороны m-фазных обмоток статора,

внутреннюю относительно статора часть цилиндрического ротора с постоянными магнитами чередующейся полярности, расположенными со стороны внешней цилиндрической поверхности этой части ротора с радиальным зазором с внутренней стороны m-фазных обмоток статора,

отличающийся тем, что

m-фазные кольцевые обмотки состоят из отдельных прилегающих друг к другу сегментов, каждый из которых выполнен в виде однослойных кольцевых обмоток, все выводы от которых расположены с одного торца статора, статор этим торцом установлен на подшипниковом щите двигателя, а выводы обмоток от всех сегментов пропущены через соответствующие отверстия в щите, прочно закреплены с его другой стороны и электрически соединены в m-фазные обмотки, образующие симметричную электрическую цепь, при этом постоянные магниты, размещенные на обеих цилиндрических частях ротора, расположены напротив друг друга и имеют одинаковый магнитный полюс со стороны статора.

2. Моментный прецизионный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что статор изготовлен из ферромагнитного материала, витки сегментов m-фазной обмотки статора изготовлены из изолированного медного провода и залиты специальным теплопроводящим клеящим компаундом, обеспечивающим прочное соединение витков со статором, а выводов с поверхностью отверстий в теплоотводящем подшипниковом щите двигателя.

3. Моментный прецизионный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что выводы сегментов катушек закреплены с помощью паяного соединения на тонкослойной печатной плате, укрепленной на внешней стороне подшипникового щита, а разводка платы обеспечивает электрическое соединение отдельных сегментов в симметричную m-фазную обмотку статора и имеет клеммы для подключения к системе электропитания.

4. Моментный прецизионный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что статор изготовлен из диэлектрического керамического материала с высокой теплопроводностью, витки выполнены в виде металлизации керамики с припайкой выводов, а торец статора со стороны выводов плотно закреплен на теплоотводящем подшипниковом щите двигателя.

5. Моментный прецизионный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что тело статора в сечении имеет форму трапеции, выводы обмоток расположены со стороны широкого основания, при этом магнитные системы ротора располагаются параллельно боковым сторонам трапеции.

6. Моментный прецизионный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что тело статора имеет полость для прокачки охлаждающей жидкости, причем штуцеры подвода/отвода охлаждающей жидкости выведены на подшипниковый щит двигателя.