Многосекционный двигатель постоянного тока с кольцевыми скользящими контактами

Изобретение относится к области магнитной энергетики и может быть использовано при построении высоконадежных и быстроходных двигателей постоянного тока.

Широко известны коллекторные двигатели постоянного тока. К их преимуществам относится возможность плавной регулировки скорости вращения и высокий пусковой вращательный момент. Однако серьезными недостатками таких двигателей являются относительно небольшая надежность их работы в связи с искрением и повышенным износом контактных щеток, а также ограничение по наибольшей скорости вращения ротора из-за переходных процессов при переключениях обмоток ротора от источника постоянного тока при вращении коллектора.

Указанные недостатки устранены в заявляемом техническом решении при сохранении отмеченных преимуществ коллекторных двигателей постоянного тока.

Целями изобретения являются повышение надежности, экономичности и быстроходности при работе двигателя постоянного тока принципиально новой конструкции.

Указанные цели достигаются в многосекционном двигателе постоянного тока с кольцевыми скользящими контактами, включающем неподвижный статор, ротор с осью вращения с парой подшипников, установленных в боковых крышках, скрепленных с телом статора, и магнитную систему, отличающийся тем, что неподвижный статор выполнен из полого магнитопроводящего цилиндра, внутри которого размещен многополюсный ротор, включающий цилиндрический постоянный магнит с магнитной индукцией В радиусом R_M, например, неодимовый, торцы которого жестко закреплены с двумя магнитопроводящими многополюсными крышками с числом магнитных полюсов p на каждой из них шириной h и длиной L, эквидистантно распределенных по окружности и с эквидистантным чередованием магнитных полюсов от обеих магнитопроводящих крышек, причем соблюдается равенство πR_M²/2р=hL, при этом в 2 р магнитных зазорах между магнитными полюсами ротора и статором размещены 2 р одинаковых рамочных обмоток из n витков в каждой, размещенных в соответствующих двух смежных парах магнитных полюсов от разных магнитопроводящих крышек, включенных между собой по правилу «начало одной обмотки с началом смежной и конец одной обмотки с концом другой смежной», а оба начала первой из обмоток и начало последней 2 р-ой обмотки подключены через изолированные от оси вращения кольцевые скользящие контакты и выводы, размещенные на немагнитопроводящих крышках статора (силуминовых, текстолитовых и др.), к источнику постоянного тока с регулируемым напряжением.

Достижение целей изобретения объясняется заменой ненадежного коллектора на пару кольцевых скользящих контактов, отсутствием переходных процессов в установившемся режиме работы двигателя, что позволяет существенно увеличить быстроходность двигателя регулировкой напряжения питания, а экономичность работы объясняется использованием сильного (неодимового) постоянного магнита в теле ротора, магнитная индукция В которого равномерно распределена в 2 р магнитных зазорах малой ширины Δ с площадью h L, внутри каждого из которых находится по 2 n прямых проводников длиной L каждый от соответствующих двух смежных рамочных обмоток (между рамочными обмотками и статором имеется воздушный промежуток шириной (Δ - ε), где ε - ширина пространства в магнитных зазорах, занятого парой смежных обмоток).

Конструкция заявляемого двигателя понятна из представленных рисунков. На рис. 1 показан разрез по АА (см. рис. 3) с видом вдоль оси вращения. На рис. 2 представлена деталировка основных частей двигателя, хотя и не полная - без правой магнитопроводящей крышки магнита и левой немагнитопроводящей крышки статора. На рис. 3 дан центральный разрез сборки двигателя (вид сбоку), но без указания на вторую магнитопроводящую крышку цилиндрического магнита справа от него.

На рис. 1 представлены следующие части заявляемого двигателя:

1 - цилиндрический постоянный магнит (например, неодимовый) с радиусом R_M,

2 - левая и правая (не показана) магнитопроводящие крышки цилиндрического магнита 1 с посадочными буртиками, с эквидистантно расположенными по окружностями р магнитными полюсами шириной h и длиной L для каждой из крышек,

3 - магнитопроводящий цилиндрический статор толстостенный для снижения потерь разнонаправленных магнитных потоков в его теле,

4 - 2 р рамочных обмоток, рабочие части которых длиной L размещены в 2 р магнитных зазорах с чередующимися магнитными полюсами N и S, а соединяющие эти рабочие части обмоток проводники участия в работе двигателя не принимают,

5 - полуоси вращения ротора или общая ось вращения (при рассверливании магнита 1),

На рис. 2 представлена деталировка основных частей двигателя, включающая:

6 - подшипниковую пару,

7 - кольцевые электроды, соединенные с началами первой и 2 р-ой рамочными обмотками 4, установленные изолированно от полуосей 5,

8 - дисковые изоляторы, насаженные на полуоси 5 и с установленными на них кольцевыми контактами 7 на тугой посадке,

9 - скользящие контакты (напр., медноугольные щетки, подпружиненные к кольцам 7),

10 - крышки статора из немагнитного материала (силумин, текстолит) с установленными в них подшипниками 6, центрирующими положение ротора относительно статора,

11 - изолированные выводы двигателя для подключения к источнику постоянного тока.

На рис.3 представлен центральный разрез части двигателя (без второй крышки 2) вида сбоку со всеми ранее указанными частями 1-11 двигателя.

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

Учитывая малые магнитные зазоры Δ между 2 р магнитными полюсами и статором, можно получить в них индукцию В, как на полюсах магнита 1, если выполнить условие равенства площадей πR_M²/2р=hL, что всегда выполнимо. При этом магнитное поле является радиальным и поперечным по отношению к прямым проводникам длиной L, расположенным в 2p магнитных зазорах с чередующимися направлениями векторов магнитной индукции в смежных магнитных зазорах. Направления токов в рабочих частях рамочных обмоток 4 (внутри магнитных зазоров) указаны на рис.1 и 3 пунктирными стрелками), и при указанной магнитной полярности N на левой стороне от цилиндрического магнита 1 магнитопроводящей крышке 2 легко понять, что ко всем 2 p n прямым проводникам длиной L действует одинаковая и однонаправленная по кругу сила Лоренца, создающая общий вращательный момент M=B(2pnL)JR (Дж), где J - ток в обмотках 4, a R - радиус, на котором расположены относительно центра оси вращения рабочие части витков рамочных обмоток 4. Здесь индукция В выражается в единицах Тесла (Тл), длина рабочего проводника 2 р n L и радиус R в метрах, а ток J в Амперах. При этом имеется в виду, что направление токов в рабочих проводниках обмоток 4 ортогонально векторам В в 2 р магнитных зазорах. Соединительные части проводников каждого из витков рамочных обмоток 4 с магнитным полем не взаимодействуют, но лишь добавляют омические потери, величина которых снижается с увеличением числа 2 р обмоток 4. В рассматриваемом в данной заявке случае число р=4, то есть при радиусе R полная длина не работающего проводника равна 4π R n и соотносится к полной рабочей длине проводника 2 р n L как 4πRn/2pnL=2πR/pL. Так, при р=4 имеем отношение πR//2L, и можно полагать, что при р=4 приблизительно половина используемого в обмотках 4 проводника в работе двигателя не участвует.Если положить р=10, то соотношение принимает вид πR/5L, то есть видно, что большая часть проводника используется полезно - для создания вращательного момента.

Как и для коллекторных двигателей постоянного тока, в рассматриваемом двигателе при вращении ротора в магнитном поле в обмотках 4 возникает э.д.с, определяемая выражением: Е=В (2 р n L)ωR, где ω - угловая скорость вращения ротора двигателя, и знак этой э.д.с. противоположен знаку подводимого к двигателю напряжения U внешнего источника постоянного тока. В установившемся режиме работы двигателя на внешнюю нагрузку соблюдается условие J=(U-Е)/r, где r - полное активное сопротивление всех 2 р рамочных обмоток 4, определяемой полной длиной используемого проводника 4πRn+2pnL=2n(2πR+pL), его диаметром d и удельным сопротивлением ρ. Тогда имеем r=0,5πρn(2πR+рL)d², где диаметр проводника d выражается в миллиметрах, а удельное сопротивление по меди равно р=0,017 Ом.м/мм².

Модификацией заявляемого устройства следует считать жесткое скрепление ротора со статором, поскольку такая механическая система является НЕ ЗАМКНУТОЙ, и Лоренцевы силы не опираются на тело статора, а опираются на магнитное поле, которое остается неподвижным при вращении всей совокупности «ротор-статор», как это вытекает из «парадокса Фарадея» - вращение диска Фарадея с током вместе со скрепленным с диском магнитом [1, 2]. При такой конструкции снижается ширина магнитного зазора или в последнем можно расположить большее число витков n рамочных обмоток 4. Тогда крышки статора 10 следует исключить, а подшипниковую пару 6 установить в неподвижном корпусе двигателя.

Литература

1. Сигалов Р.Т., Шаповалова Т.И., Каримов X.X., Самсонов Н.И. Новые исследования движущих сил магнитного поля. - Ташкент: ФАН, 1975.

2. Меньших О.Ф., Безопорное движение системы проводника с током в магнитном поле, Internet, Allbest.ru, База знаний (доклад), опубл. 28.07.2015.