Результат интеллектуальной деятельности: БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВУХРОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Заявляемое изобретение относится к области магнетизма и электротехники и может быть рекомендовано к использованию в широком ассортименте промышленных и бытовых изделий и приборов.

Двигатели постоянного тока, как правило, содержат электромагнитные статоры и роторы с секционированными обмотками, связанными с коллектором на оси вращения, контакты к ламелям которого выполнены угольными или медно-угольными щетками, закрепленными в оппозитно расположенных щеткодержателях, а прижим щеток к коллектору осуществляется пружинящими пластинами.

Недостатком таких двигателей является относительно низкая надежность работы коллекторно-щеточной группы, связанная с фактором скольжения коллектора относительно щеток, то есть с износом щеток и коллектора, усиливающимся за счет искрения при переходах контактов с одной пары ламелей коллектора на другую по ходу вращения ротора. Кроме того, одновременно работает одна из секций обмоток ротора, что снижает вращательный момент на оси двигателя. Возникающие переходные процессы - экспоненциальное возрастание тока в секции обмотки во времени, следующие с высокой частотой - до нескольких килогерц, снижают возможности увеличения скорости вращения ротора, что снижает удельную мощность на единицу объема (веса) двигателей и их быстроходность. Такие двигатели являются источниками радиопомех.

В основе действия известных электрических генераторов и двигателей лежит закон Фарадея об электромагнитной индукции, определяющий возникновение движущей силы в проводнике с током, находящемся в поперечном магнитном поле, либо возникновение в таком проводнике ЭДС индукции в случае движения проводника в поперечном магнитном поле [1-3].

В электрических моторах и генераторах постоянного тока используются статоры на основе постоянных магнитов и электромагнитов постоянного тока, и роторы, обмотка которых секционирована и соединена с коллектором, к ламелям которого через скользящие контакты (как правило, угольные или медно-угольные щетки) подключены проводники, связанные либо с источником постоянного тока при работе устройства в качестве мотора, либо с электрической нагрузкой при работе этого устройства в качестве генератора постоянного тока (рекуперация в электромобилях при их торможении).

Известны бесколлекторные двигатели постоянного тока, ротор которых представляет собой проводящий диск, находящийся в поперечном магнитном поле постоянного магнита (электромагнита), в котором в его радиальных направлениях протекает постоянный ток от источника постоянного тока. Эта модель впервые была предложена М.Фарадеем в 1821 году. При этом используются скользящие контакты, связанные с осью проводящего диска и с его наружной кромкой [4]. Такие двигатели не нашли применения в энергетических устройствах из-за больших потерь в подводящих проводниках из-за малости сопротивления проводящего диска. Кроме того, наличие скользящих контактов снижает надежность действия таких бесколлекторных электродвигателей.

Другой модификацией электродвигателя М.Фарадея является бесколлекторный двигатель, ротор которого выполнен в виде проводящего цилиндра, по цилиндрическим стенкам которого протекает постоянный ток, например, сверху-вниз, а цилиндрические стенки этого проводящего цилиндра размещены в постоянном поперечном магнитном поле магнита, магнитные полюсы которого выполняют в виде концентрических цилиндрических поверхностей, аналогичных магниту известных акустических динамиков [5-6]. При этом также используются скользящие контакты, связанные с осью вращения проводящего цилиндра, скрепленной с проводящей верхней крышкой-основанием проводящего цилиндра, а также с его нижней кромкой. Такие бесколлекторные двигатели также не могут найти применение в энергетических системах по тем же причинам, как и в модели двигателя М.Фарадея. Первый униполярный двигатель, колесо Барлоу, создал Питер Барлоу, описав его в книге «Исследование магнитных притяжений», опубликованной в 1824 году. Колесо Барлоу представляло собой два медных зубчатых колеса, находящихся на одной оси. В результате взаимодействия тока, проходящего через колеса с магнитным полем постоянных магнитов, колеса вращаются во взаимно противоположных направлениях. Токосъем осуществлен от электрически не связанных осей дисков, зубцы которых шестеренчато связаны с выходным валом и замыкают электрическую цепь этих колес.

Ближайшим аналогом заявляемого технического решения является бесконтактный и бесколлекторный двигатель постоянного тока, известный из патента РФ №2391761, опубликованного в бюллетене №16 от 10.06.2010 [7]. В указанном бесколлекторном двигателе постоянного тока содержится неподвижный статор и ротор с осью вращения, и он отличается тем, что статор выполнен в виде полого цилиндрического магнитопровода, внутри которого размещены по его концам первая и вторая секции из нескольких кольцевых ребер магнитопроводника каждая, в первой и второй секциях кольцевых ребер магнитопроводника по всей их поверхности закреплен соответственно первый и второй ребристо-цилиндрический электропроводник, оба указанных ребристо-цилиндрических электропроводника статора выполнены из медной фольги склеиванием или путем напыления слоя меди на поверхности кольцевых ребер первого и второго магнитопроводников и не имеют с ними электрического контакта, внутренние концы первого и второго ребристо-цилиндрических электропроводников соединены с внутренними медными кольцевыми электродами, а их внешние концы - с внешними медными кольцевыми электродами через медные крышки-соединители, ротор выполнен в виде цилиндрического электромагнита с расположенными по его концам двумя одинаковыми первой и второй секциями из нескольких кольцевых ребер магнитопроводника, например из стали, которые входят в пазы соответственно первой и второй секций кольцевых магнитопроводов статора с малыми зазорами между ними, в средней части ротора неподвижно и бесконтактно к нему соосно размещена обмотка подмагничивания, один конец которой соединен с первым внутренним медным кольцевым электродом первого ребристо-цилиндрического электропроводника, а второй - ко второму внешнему медному кольцевому электроду второго ребристо-цилиндрического электропроводника, при этом выходные зажимы двигателя соединены соответственно с первым внешним медным кольцевым электродом первого ребристо-цилиндрического электропроводника и со вторым внутренним медным кольцевым электродом второго ребристо-цилиндрического электропроводника.

Недостатком известного ближайшего аналога (прототипа) по отношению к заявляемому устройству является низкое сопротивление синтезированной рабочей обмотки, закрепленной на неподвижном статоре, что увеличивает потери на подводящих проводах между двигателем и низковольтным источником постоянного тока, снижая кпд преобразования электрической энергии в механическую.

Указанные недостатки известного аналога устранены в заявляемом техническом решении.

Целями изобретения являются увеличение энергетической эффективности бесколлекторного двигателя постоянного тока с отсутствующими скользящими контактами, а также упрощение конструкции и увеличение надежности и долговечности его действия.

Указанные цели достигаются в бесколлекторном двухроторном двигателе постоянного тока, содержащем вращающийся намагниченный безобмоточный ротор и неподвижный тороидальный статор с наложенной на нем рабочей обмоткой, а также закрепленную на статоре катушку подмагничивания ротора, отличающемся тем, что в него введен жестко связанный с осью вращения ротора дополнительный безобмоточный ротор в форме магнитопроводящего цилиндра с дополнительной катушкой его подмагничивания, закрепленной к телу статора, оба вращающихся ротора с общей их осью вращения расположены их одноименными магнитными полюсами соответственно с внутренней и наружной поверхностями тороидального статора с образованием двух цилиндрических магнитных зазоров, внутри которых установлены прилегающие к тороидальному статору немагнитные цилиндры, на которые намотана рабочая обмотка тороидального статора, витки которой пропускаются через отверстия в последнем, а соответствующие полувитки рабочей обмотки находятся в непосредственной близости (с минимально допустимым зазором) от цилиндрических поверхностей обоих вращающихся роторов, обе катушки подмагничивания роторов и рабочая обмотка тороидального статора подключены последовательно или параллельно к источнику постоянного тока, причем образованные две независимые магнитные цепи «ротор - тороидальный статор» и «дополнительный ротор - тороидальный статор» замыкаются через магнитно связанные с их роторами магнитопроводящие шайбы, закрепленные с телами их роторов, с минимально допустимыми зазорами с неподвижными магнитопроводящими стенками тороидального статора; при этом толщина стенок немагнитных цилиндров выбрана в пять-десять раз большей зазора между проводниками рабочей обмотки тороидального статора и цилиндрическими поверхностями вращающихся роторов.

Достижение поставленных целей изобретения в заявляемом техническом решении объясняется, во-первых, многовитковостью рабочей обмотки тороидального статора, что существенно повышает кпд двигателя из-за значительного снижения потерь на подводящих проводниках от источника тока, во-вторых, удвоением возникающих однонаправленных вращательных моментов, действующих на оба вращающихся ротора, поскольку полувитки рабочей обмотки размещены соответственно в двух рабочих магнитных зазорах, и, в-третьих, расположением рабочих полувитков этой обмотки в непосредственной близости от вращающихся роторов и дальше от внутренней и внешней цилиндрических поверхностей тороидального статора, что приводит к перераспределению сил, действующих при взаимодействии магнитных полей на тороидальный статор и соответствующие два ротора в пользу последних.

Изобретение понятно из представленных рисунков.

На рис.1 представлен центральный разрез вида сбоку на заявляемый двигатель, содержащий следующие элементы:

1 - неподвижный, связанный с корпусом двигателя тороидальный статор с его магнитопроводящей крышкой (на рисунке справа),

2 - полувитки рабочей обмотки тороидального статора 1, расположенные вблизи поверхности вращающегося безобмоточного ротора,

3 - полувитки рабочей обмотки тороидального статора 1, расположенные вблизи поверхности дополнительного безобмоточного ротора, выполненного в форме полого магнитопроводящего цилиндра,

4 - немагнитный (диэлектрический) цилиндр, вплотную прилегающий к внутренней поверхности магнитного полюса тороидального статора,

5 - дополнительный немагнитный (диэлектрический) цилиндр, вплотную прилегающий к внешней поверхности магнитного полюса тороидального статора с цилиндрическим выносом (вправо на рис.1) для крепления к нему дополнительной катушки подмагничивания дополнительного ротора,

6 - магнитопроводящая крышка тороидального статора (на рис.1 слева),

7 - вращающийся безобмоточный ротор с цилиндром подмагничивания с центральным отверстием в нем (слева) и отрезком оси вращения (справа),

8 - магнитопроводящая шайба ротора 7, закрепленная на тугой посадке с цилиндром подмагничивания ротора 7, с выносной осью вращения (справа) и отрезком оси вращения (слева),

9 - катушка подмагничивания ротора 7,

10 - дополнительный безобмоточный ротор, жестко закрепленный на оси вращения путем тугой посадки его с отрезком оси вращения ротора 7,

11 - магнитопроводящая шайба, закрепленная с цилиндром подмагничивания дополнительного ротора 10,

12 - дополнительная катушка подмагничивания дополнительного ротора 10, жестко закрепленная с телом неподвижного тороидального статора 1 через вынос немагнитного (диэлектрического) цилиндра 5,

13 - крышка корпуса двигателя (слева на рис.1),

14 - полый немагнитный цилиндрический корпус двигателя с посадочными канавками для связи с крышкой 13 и магнитопроводящей стенкой 6 тороидального статора 1,

15 - наружные подшипники двигателя,

16 - внутренний подшипник двигателя,

17 - выводы рабочей обмотки (ее полувитков 2 и 3) тороидального статора 1,

18 - выводы последовательно соединенных катушек подмагничивания 9 и 12 безобмоточных роторов 7 и 10 соответственно (подводящие проводники не указаны).

На рис.2 дан вид спереди на разборку двигателя с указанием взаимного расположения части его элементов в двух рабочих магнитных зазорах, магнитных полюсов, образующихся на цилиндрических поверхностях роторов 7 и 10 (N) и тороидального статора 1 (S), и направлений магнитного поля в двух рабочих магнитных зазорах с векторами напряженностей этих магнитных полей H₁ и Н₂. Роторы 7 и 10 связаны с единой осью вращения, испытывая действие однонаправленных вращательных моментов от взаимодействия магнитных полей, образованных в соответствующих магнитных зазорах и током в полувитках рабочей обмотки тороидального статора 1. Направление этих токов в полувитках 2 и 3 рабочей обмотки показано стрелками на рис.1. Фигурными стрелками показаны направления вращения роторов 7 и 10.

На рис.3 дана линейная развертка части двух цилиндрических магнитных зазоров с указанием возникающих парциальных сил со стороны оппозитной пары полувитков 2 и 3 рабочей обмотки тороидального статора 1 в соответствии с законом об электромагнитной индукции и третьим законом Ньютона. Эти однонаправленные парциальные силы складываются по числу витков n рабочей обмотки, создавая результирующие вращательные моменты M₁ и М₂ для соответствующих двух роторов 7 и 10. По правилу «левой руки» на полувитки 2 и 3 действуют парциальные силы (для каждого из полувитков 2 и 3) соответственно F₁ и F₂ при протекании в рабочей обмотке статора 1 постоянного тока I в поперечных магнитных полях с напряженностями H₁ и Н₂. Толщина немагнитных (диэлектрических) цилиндров 4 и 5 равна h-d, где d - диаметр проводника рабочей обмотки статора. Величина зазора между полувитками 2 и 3 и соответствующими цилиндрическими поверхностями роторов 7 и 10 равна ε << h и соизмерима с диаметром проводника d, намотанного виток к витку со стороны ротора 7 (со стороны ротора 10 полувитки имеют ненулевой зазор между собой, так как R₁+ε<R₂ - ε, а именно 2ε<<R₂-R₁). Толщина стенок немагнитных (диэлектрических) цилиндров 4 и 5 при этом равна h-d. Для пропуска витков рабочей обмотки тороидального статора 1 при ее намотке в теле магнитопроводящего статора вне магнитных зазоров делаются сверления в «шахматном порядке» в двух строках. Последнее обеспечивает нормальное функционирование магнитопровода статора, без увеличения его магнитного сопротивления. Эти сверления не показаны на рис.3. На рисунке для простоты смежные витки рабочей обмотки показаны с заметным зазором.

Рассмотрим действие заявляемого бесколлекторного двухроторного двигателя постоянного тока (БДДПТ).

По правилу «левой руки» в поперечном магнитном поле с напряженностью магнитного поля Н (в амперах на метр) на проводник длиной L (в метрах) с током I (в амперах) действует парциальная сила Лоренца F, равная F=µ_O L I Н (в ньютонах), где µ_O=1,256·10^-6 Гн/м - магнитная постоянная. Следовательно, в обозначениях на рис.3 имеем F₁=µ_о L I H₁ и F₂=µ_o L I H₂.

В соответствии с третьим законом Ньютона (сила действия равна и противоположна силе противодействия) силы действия F₁ и F₂ на полувитки 2 и 3 рабочей обмотки статора 1 (см. рис.3) определяют такие же по величине, но противоположно направленные силы противодействия, приложенные к источникам поперечных магнитных полей H₁ и Н₂ - соответственно к статору 1 и обоим роторам 7 и 10. Эти силы противодействия как равнодействующие разлагаются на существенно не равные по величине составляющие F_РОТ - роторную и F_СТ - статорную, где F_РОТ<<F_СТ, так как h>>ε.

Нетрудно понять, что F_РОТ ²+F_СТ ²+2 F_РОТ F_СТ cos β=F², где β - угол между векторами F_РОТ и F_СТ, поэтому получаем разложение противодействующей силы F на составляющие в виде F_РОТ ≈ F {1+cos [π(ε+d/2)/(h+ε)]}/2 и

F_CT ≈ F {1 - cos [π(ε+d/2)/(h+ε))]/2 с учетом близости β→π/2,

где 0≤ε+d/2≤h+ε, где h+ε - расстояние между полюсами магнитных зазоров для независимых систем «ротор-статор».

Тогда суммарная сила F_{РОТ Σ1}, действующая по касательной на ротор 7 (внутренний), равна F_{РОТ Σ1}=n F_РОТ1=n µ_o L I H₁ {1+cos [π(ε+d/2)/(h+ε)]}/2, а суммарная сила, действующая по касательной на дополнительный ротор 10 (внешний), равна F_{РОТ Σ2}=n µ_o L I H₂ {1+cos [π(ε+d/2)/(h+ε)]}/2.

Легко понять, что вращательный момент M₁, приложенный к ротору 7, определяется как M₁=R₁ F_{РОТ Σ1}, а момент вращения М₂, приложенный к дополнительному ротору 10, равен М₂=R₂ F_{РОТ Σ2.} Поскольку оба этих вращательных момента совпадают по направлению, то общий вращательный момент М_Σ на оси вращения двигателя равен сумме моментов M₁ и М₂, то есть имеем М_Σ=n µ_о L I (R₁H₁+R₂H₂){1+cos [π (ε+d/2)/(h+ε)]}/2. Если в первом приближении считать, что cos [π(ε+d/2)/(h+ε)]≈1, то для М_Σ получаем М_Σ≈n µ_о L I (R₁H₁+R₂H₂).

При выполнении однослойной намотки рабочей обмотки тороидального статора 1 виток к витку с диаметром проводника d на внутреннем диаметре немагнитного цилиндра 4 умещается число витков, равное n=2π(R₁+ε)/d≈2π-R₁/d, так как R₁ >d. Тогда M_Σ ≈ 2 π R₁ µ_о L I (R₁H₁+R₂H₂) / d. Если ампер-витки в дополнительной катушке подмагничивания 12 по отношению к ампер-виткам катушки подмагничивания 9 выбрать так, что будет выполняться равенство R₁H₁=R₂H₂, что, безусловно, всегда выполнимо, то получим упрощенное выражение для полного вращательного момента на оси двигателя, равного M_Σ≈4 π R₁ ² µ_о L I H₁/d. Если катушка подмагничивания 9 создает магнитный поток Ф₁, то индукция В₁=µ_о Н₁ магнитного поля, в первом приближении, в рабочем магнитном зазоре определяется как B₁=Ф₁/S_РОТ1, где S_РОТ1=2 π R₁ L - площадь магнитного полюса ротора 7 (полагая, что длина ротора-полюса равна длине полувитков 2 (рис.1), откуда для напряженности магнитного поля H₁ получим соотношение H₁=B₁/µ_o=Ф₁ / µ_о S_РОТ1=Ф₁/2 π µ_о R₁ L. Подставляя полученное значение H₁ в формулу для М_Σ, получим M_Σ≈4πR₁ ²µ_o L I Ф₁/2π µ_oR₁ L d=2 R₁ I Ф₁ / d=2 R₁ n I Ф₁/2 π R₁=n IФ₁/π.

Анализируя полученное выражение для M_Σ≈n I Ф₁/π, отмечаем, что вращательный момент непосредственно не зависит от геометрии ротора 7 - его длины L и радиуса R₁, а определяется лишь ампер-витками рабочей обмотки тороидального статора 1 и магнитным потоком Ф₁, создаваемым катушкой подмагничивания 9, который, в свою очередь, определяется ампер-витками этой катушки подмагничивания.

Однако произведение n I определяется допустимой плотностью тока j в рабочей обмотке (для медного проводника можно принимать, что j=10 А/мм²) и радиусом R₁, поскольку n=2 π R₁/d. Для тока I имеем выражение I=π j d²/4. Тогда для произведения n I получим n I=(2 π R₁/d) (π j d²/4)=π² j R₁ d/2 (значения R₁ и d берутся в миллиметрах). Следовательно, М_Σ≈n I Ф₁/π=π j R₁ d Ф₁/2, то есть полный вращательный момент на оси двигателя пропорционально возрастает с увеличением радиуса R₁ при заданной величине диаметра d применяемого медного проводника и заданном значении магнитного потока Ф₁, создаваемого катушкой подмагничивания 9. Те же рассуждения относятся и ко второму магнитному контуру из тороидального статора 1 и дополнительного ротора 10 в предположении равенства R₁H₁=R₂H₂, а также при Ф₁=Ф₂.

Полезная мощность на оси вращения двигателя равна Р_оси=ω |M_Σ|, где ω - круговая частота вращения роторов 7 и 10.

Как уже указывалось выше, рабочая обмотка тороидального статора 1 может подключаться к источнику постоянного тока независимо от питания катушек подмагничивания (обычно включенных между собой последовательно) или последовательно с этими катушками. В последнем случае проводники всех обмоток выполняются из одного и того же медного проводника (по его сечению), что минимизирует потери на подводящих проводниках от единого источника постоянного тока.

Рассмотренный тип бесколлекторного двухроторного двигателя постоянного тока выгодно отличается от всех известных коллекторных двигателей отсутствием ненадежного их элемента - коллектора со щетками и вообще отсутствием каких-либо скользящих контактов, снижающих надежность и долговечность функционирования известных двигателей. В коллекторных двигателях одномоментно работает только одна из множества секций обмотки ротора. В рассматриваемом типе двигателя работает постоянно вся рабочая обмотка тороидального статора, что увеличивает энергетику двигателя. При его работе отсутствуют переходные процессы, характерные для коллекторных двигателей постоянного тока из-за высокочастотного переключения секций обмотки его ротора. Это способствует увеличению скорости вращения роторов заявляемого двигателя и отсутствию излучений в широком спектре радиопомех. Кроме того, это приводит к увеличению удельной полезной мощности на валу двигателя на единицу его объема (веса).

Сборка заявляемого двигателя не представляет затруднений, поскольку он состоит из нескольких разъемных частей, как это видно на рис.1 (эти части отделены пунктиром).

Промышленное изготовление заявляемого типа двигателей представляет большой интерес для технических средств, требующих при работе повышенной надежности их работы и длительного срока службы. Например, такие двигатели могут применяться в гибридных автомобилях.

Литература

1. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Электродинамика сплошных сред, 2 изд. М., 1982.

2. Дж.Джексон. Классическая электродинамика, пер. с англ. М., 1965.

3. Д.В.Сивухин. Общий курс физики, 2 изд., т.3. Электричество. М., 1983.

4. Электрические униполярные машины, под ред. Л.А.Суханова. М., ВНИИЭМ, 1964, с.14.

5. «Электричество», №8, 1991, с.6-7, рис.8.

6. Патент Великобритании №2223628 А.

7. О.Ф.Меньших. Бесколлекторный двигатель постоянного тока. Патент РФ №2391761, опубл. в №16 от 10.06.2010.