Бесколлекторная электрическая машина

Бесколлекторная электрическая машина

Реферат

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве генераторов или двигателей постоянного или переменного тока с бесконтактной коммутацией.

В отличие от электрических машин с щеточно-коллекторным узлом (ЩКУ) в бесколлекторных машинах отсутствуют скользящие электрические контакты, за счет чего в них устранены такие недостатки, как искрение, помехи, износ щеток, плохой теплоотвод якоря и проч.

Электронным аналогом щеточно-коллекторного узла в бесколлекторных электродвигателях постоянного тока является датчик положения ротора и электронный переключатель направления тока в обмотках статора (инвертор) (см. В.В. Хрущев «Электрические машины систем автоматики», Л.: Энергоатомиздат, 1985, С. 136).

Недостатком электродвигателей указанного типа являются пульсации момента на его выходном валу, что ограничивает применение машины, например, в прецизионных следящих системах.

В униполярной машине постоянного тока по патенту RU №2397596, МПК Н02К 23/04, опубл. 20.08.2010, вместо скользящих механоэлектрических контактов используют электропроводящие ремни, которыми опоясаны два электропроводящих диска якоря, вращающиеся в одном направлении относительно постоянных магнитных полей между магнитными полюсами противоположной полярности, силовые линии которых направлены в противоположные стороны.

Недостатком машины является большая трудоемкость ее изготовления и дороговизна. Кроме того, в режимах пуска и торможения, а также при высоких скоростях на электропроводящие устройства действуют не только электромагнитные, но и центробежные, гравитационные силы трения, отрицательно влияющие на работу электрической машины.

Из известных решений наиболее близким аналогом предлагаемого устройства по технической сущности и назначению является бесколлекторная электрическая машина, называемая также вентильной, действие которой основано на вращающемся магнитном поле (см. Микеров А.Г. Управляемые вентильные двигатели малой мощности. Учебное пособие. СПб: СПбЭТУ, 1997. - 64 С.) Вентильный двигатель, выбранный за прототип заявляемой машины, состоит из электромеханической части (синхронной машины и датчика положения ротора) и из управляющей части (микроконтроллера и силового моста). В качестве ДПР используются или датчики Холла или оптоэлектронные датчики, выходной сигнал с которых поступает на коммутатор и обеспечивает его работу в ключевом режиме.

По своим рабочим характеристикам указанные машины являются альтернативой двигателям постоянного тока (ДПТ), но из-за отсутствия ЩКУ имеют более широкую область применения.

Принципиальный недостаток машины заключается в генерации во время работы двигателя обратного электромагнитного поля, создающего электрические помехи. Недостатком также является сложность конструкции машины.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в снижении уровня электрических помех при одновременном упрощении конструкции электрической машины.

Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков: в бесколлекторной электрической машине, содержащей, так же как и прототип, корпус с размещенным в нем статором с магнитными полюсами, ротор, в пазах которого уложена обмотка, датчик положения ротора (ДПР) и электронный коммутатор,) в отличие от прототипа ДПР и электронный коммутатор связаны между собой с помощью оптопар, состоящих из фотодатчиков и светодиодов, при этом одноименные элементы оптопар подключены по два элемента встречно-параллельно к концам каждой секции обмотки ротора, а два ответных элемента оптопары расположены на геометрической нейтрали относительно магнитных полюсов статора и включены последовательно в электронный коммутатор, размещенный в корпусе машины с возможностью обеспечения согласованного положения с элементами оптопары, размещенными в пазах ротора, при вращении последнего.

Для обеспечения работы машины в режиме двигателя в обмотки ротора включены фотоприемники, например фотодиоды, а в коммутатор - светоизлучатели, например светодиоды или лазерные диоды

Для обеспечения работы машины в режиме генератора в обмотки ротора включены светоизлучатели, например светодиоды или лазерные диоды, а в коммутатор - фотоприемники, например фотодиоды.

Для повышения спектрально-температурной стабильности машины коммутатор дополнительно снабжен оптическим термостабилизирующим фильтром.

Указанная совокупность обеспечивает негальваническую энергетическую связь обмотки вращающегося ротора с коммутатором в моменты совпадения оптических осей движущегося и неподвижного элементов оптопары.

Сопоставление предлагаемого устройства и прототипа показало, что поставленная задача решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».

В свою очередь, проведенный информационный поиск в области электрических машин не выявил отдельных отличительных признаков заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где представлена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит корпус 1, на внутренней поверхности которого укреплен статор (магнитные полюсы с обмотками возбуждения (ос), (на фиг. 1 символом «B⁺» указано направление вектора магнитной индукции). Внутри статора расположен ротор 2 в виде металлического цилиндра с продольными пазами, внутри которых размещена обмотка 3 ( направление ЭДС в нижней ветви обмотки указано символом «e_←»). Устройство отличается тем, что к концам каждой секции обмотки ротора 3 подсоединены встречно-параллельно два светодиода 4, 5 в режиме генератора или два фотодиода в режиме двигателя, при этом во внешнюю неподвижную цепь (коммутатор) включены фотодиоды 6, 7 или светодиоды, располагаемые на геометрической нейтрали полюсов машины, в результате чего образуется динамическая мультиэлементная оптопара. В устройство также входят переключатели режимов работы машины - 8, где: 8SAp - переключатель цепи ротора; 8SAc - включатель цепи статора. Позициями 9-13 на фиг. 1 обозначены соответственно нагрузка - 9; источник электроэнергии - 10; вал машины - 11; подшипники 12 в торцевых стенках 13 корпуса 1. В режиме генератора 4, 5 - светоизлучатели, 6, 7 - фотоприемники, 8SAp включен в положение «Г», 8SAc включен; в режиме двигателя 4, 5 - фотоприемники, 6, 7 - светоизлучатели, 8SAp включен в положение «Д», 8SAc включен.

При работе машины в режиме генератора (Г) переключатель 8 включает нагрузку 9 или в режиме двигателя (Д) источник электроэнергии 10. При вращении ротора в моменты совпадения оптических осей движущегося и неподвижного элементов оптопары автоматически обеспечивается негальваническая энергетическая связь обмотки вращающегося ротора с неподвижной внешней цепью (коммутатором). Причем в целях уменьшения потерь светодиоды, фотодиоды и оптические термостабилизирующие фильтры оптопар согласовывают по спектральным, частотным и пространственно-временным характеристикам. Для термостабилизации работы оптопары перед ее неподвижными элементами устанавливают управляемые или неуправляемые оптические термостабилизирующие фильтры. В качестве термостабилизирующего фильтра может быть применено устройство на основе интерферометра Фабри-Перо с неподвижным и подвижным зеркалами, на последнем из которых укреплены равномерно по периметру три пьезоэлектрических элемента (см. Патент RU 2054639). Для защиты от возможных перенапряжений светодиодов и фотодиодов при коммутации секций обмотки якоря могут быть применены известные методы защиты, в частности при кратковременных выбросах тока и небольшом превышении над номинальным значением достаточно использовать механизмы шунтирования (см. С.А. Волошин, С.А. Архипов. Современные оптоэлектронные приборы для силовой электроники. Изд. ЗАО «Протон-Импульс». Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 3/2000).

Предлагаемая машина разработана специалистами кафедры «Электротехника и автоматика» ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в составе научно-исследовательской работы. Были произведены расчеты, показавшие возможность использования машины в энергосберегающих автоматизированных комплексах.

Благодаря низкому уровню электрических и механических помех предлагаемая бесколлекторная машина может быть использована в малошумящих транспортных, бытовых и измерительно-информационных комплексах. В свою очередь, более простая конструкция машины значительно сокращает ее стоимость, повышает надежность и расширяет область применения.

Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».

1. Бесколлекторная электрическая машина, содержащая корпус с размещенным в нем статором с магнитными полюсами, ротор, в пазах которого уложена обмотка, датчик положения ротора (ДПР) и электронный коммутатор, отличающаяся тем, что в ней ДПР и электронный коммутатор связаны между собой с помощью оптопар, состоящих из фотодатчиков и светодиодов, при этом одноименные элементы оптопар подключены по два элемента встречно-параллельно к концам каждой секции обмотки ротора, а два ответных элемента оптопары расположены на геометрической нейтрали относительно магнитных полюсов статора и включены последовательно в электронный коммутатор, размещенный в корпусе машины с возможностью обеспечения согласованного положения с элементами оптопары, размещенными в пазах ротора, при вращении последнего.

2. Бесколлекторная электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что в ней в обмотки ротора включены фотоприемники, например фотодиоды, а в коммутатор - светоизлучатели, например светодиоды или лазерные диоды

3. Бесколлекторная электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что в ней в обмотки ротора включены светоизлучатели, например светодиоды или лазерные диоды, а в коммутатор - фотоприемники, например фотодиоды.

4. Бесколлекторная электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что в ней в обмотке ротора коммутатор дополнительно снабжен оптическим термостабилизирующим фильтром.