Электромагнитный двигатель
Изобретение относится к области электротехники, касается конструктивного выполнения электродвигателей постоянного тока и может быть использовано в качестве мотор-колес на транспорте или в иных областях техники. Технический результат, достигаемый при использованнии предлагаемого изобретения, состоит в повышении эксплуатационно-технических характеристик электромагнитного двигателя при сохранении относительной простоты его конструкции и надежности. Указанный технический результат достигается тем, что в электромагнитном двигателе, содержащем источник питания, распределительный коллектор, а также закрепленные на одной оси статор с постоянными магнитами и ротор с расположенными по его окружности соленоидами, соединенными с распределительным коллектором, согласно настоящему изобретению статор содержит два магнитопровода в форме кольца с постоянными магнитами, которые установлены с чередующейся полярностью, причем постоянные магниты верхнего кольца расположены напротив постоянных магнитов нижнего кольца и направлены друг на друга одноименными полюсами, между верхним и нижним кольцами статора на одной с ним оси установлен ротор в форме кольца из немагнитного материала, на котором смонтированы четное число постоянных магнитов с направленными друг на друга одноименными полюсами и катушки соленоида, а между постоянными магнитами расположены магнитные наконечники. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение касается конструкции электродвигателей постоянного тока и может быть использована в качестве мотор-колес на транспорте или иных областях
техники.
Известен встроенный электродвигатель (WO 93/08999, 13.05.93), содержащий две основные части: неподвижный статор, закрепленный на оси и имеющий магнитопровод с постоянными магнитами, размещенными равномерно, и подвижный ротор, несущий обод и содержащий, по крайней мере, две группы электромагнитов, а также распределительный коллектор, закрепленный на статоре и имеющий токопроводящие пластины, соединенные с источником постоянного тока. На роторе закреплены токосъемники, имеющие электрический контакт с пластинами распределительного коллектора.
Однако описанный электродвигатель и его разновидности имеют ряд недостатков, главный из которых заключается в необходимости больших пусковых и переходных токов при начале движения и ускорении транспортного средства. Это приводит к быстрому износу и порче аккумуляторов и ухудшению теплового режима. Также названные электродвигатели имеют низкий крутящий момент, что существенно ограничивает область их практического использования.
Известны аналогичные электродвигатели по патентам на изобретения №2248657 от 2003 г., №2285997 от 2005 г. и №2303536 от 2006 г. Указанные электродвигатели содержат статор, на котором размещены с одинаковым шагом постоянные магниты. Статор расположен внутри ротора и разделен с ним воздушным промежутком. На роторе закреплено четное число электромагнитов, которые расположены попарно напротив друг друга. Каждый электромагнит содержит две катушки с последовательно встречным направлением обмоток. Распределительный коллектор закреплен на корпусе статора и состоит из токопроводящих пластин, которые расположены по окружности, разделены диэлектрическими промежутками и соединены с чередованием полярности с источником постоянного тока. С пластинами коллектора контактируют токосъемники, при этом каждый из них подключен к одноименному выводу обмоток соответствующих электромагнитов. Обмотки катушек смежных электромагнитов соединены последовательно, а выводы обмоток противоположных электромагнитов, не подключенные к токосъемникам, соединены между собой. Алгоритм работы указанных двигателей, а также их эксплуатационно-технические характеристики не обеспечивают эффективной и надежной работы.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому электромагнитному двигателю можно считать двигатель по патенту РФ на изобретение №2303536. В этом двигателе, как в обычном классическом электромагнитном двигателе, использованы классические сердечники из магнитомягких материалов, которые в процессе работы требуют дополнительного времени и энергии для перемагничивания, что приводит к ограничению количества оборотов и снижает производительность и надежность работы.
Задача предлагаемого изобретения - повышение эксплуатационно-технических характеристик электромагнитного двигателя.
Для решения поставленной задачи предложена новая схема электродвигателя, в котором изменены конструкции отдельных узлов и связи между узлами. Электромагнитный двигатель содержит источник питания, распределительный коллектор и закрепленные на одной оси статор с постоянными магнитами и ротор с расположенными по его окружности соленоидами, соединенными с распределительным коллектором. В предлагаемом двигателе существенно изменена конструкция статора. Статор содержит два магнитопровода форме кольца с постоянными магнитами, которые установлены с чередующейся полярностью, причем постоянные магниты верхнего кольца расположены напротив постоянных магнитов нижнего кольца и направлены друг на друга одноименными полюсами, между верхним и нижним кольцами статора на одной с ним оси установлен ротор в форме кольца из немагнитного материала, на котором смонтированы четное число постоянных магнитов с направленными друг на друга одноименными полюсами и катушки соленоида, а между магнитами расположены магнитные наконечники.
Постоянные магниты статора и ротора выполнены в форме усеченного сектора причем магниты статора с выступами по внешнему и внутреннему краю.
Длина по дуге постоянных магнитов статора и ротора равна. Количество постоянных магнитов на кольцах статора и ротора четное, количество катушек соленоида ротора нечетное.
Токонесущие щетки распределительного коллектора расположены по лучам, проходящим по центрам постоянных магнитов статора.
Длина катушки соленоида ротора равна длине постоянного магнита. В предлагаемом схемном решении отсутствуют классическая схема электромагнита с сердечником из магнитомягкого материала, потребляющая энергию на намагничивание и перемагничивание. Благодаря этому повышаеся производительность двигателя.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где показаны:
фиг.1 - взрыв-схема колец статора и ротора, фиг.2 - вид двигателя сбоку.
На оси 1 двигателя соосно закреплены статор и ротор (фиг.1, 2). Двигатель представляет собой магнитную муфту и состоит из трех круговых колец - верхнего 2, нижнего 3 и расположенного между ними центрального 4. На верхнем 2 и нижнем 3 кольцевых магнитопроводах статора установлено по четному количеству постоянных магнитов 5 и 6, в данном случае, по два магнита (магниты 5 верхнего кольца смонтированы со стороны центрального кольца 4 и на фиг.1 показаны штриховой линией). Постоянные магниты 6 нижнего кольца 3 расположены напротив постоянных магнитов 5 верхнего кольца 2 и направлены друг на друга одноименными полюсами. Постоянные магниты 5 и 6 имеют форму усеченных секторов с выступами по внутреннему и наружному краю. При большем количестве постоянных магнитов на кольцах 2 и 3 они должны быть расположены по окружности колец равномерно с одинаковыми промежутками и чередующейся полярностью.
Ротором является центральное круговое кольцо 4, которое выполнено из немагнитного материала. На кольце установлены постоянные магниты 7 и 8 (две штуки) в форме усеченных секторов, которые направлены друг на друга одноименными полюсами. Между магнитами 7 и 8 размещены полюсные наконечники 9. Длины по дуге всех магнитов и полюсных наконечников равны.
На роторе 4 смонтировано нечеткое количество обмоток соленоидов 10, в данном случае три соленоида. Каждый из указанных соленоидов 10 имеет вытянутую вдоль окружности ротора форму так, что кольцо 4 ротора размещено внутри обмоток соленоидов 10.
Кольцо 4 ротора центрируется между боковыми кольцами 2 и 3 статора с помощью опорных роликов 11.
На корпусе двигателя по лучам, проходящим по центрам постоянных магнитов 5 и 6, установлены две пары токонесущих щеток 12. Каждая пара щеток соединена с источником постоянного тока (фиг.1). Направление тока в парах чередуется.
На корпусе ротора 14 размещен распределительный коллектор 13, имеющий пары токосъемных пластин, разделенных диэлектрическими промежутками.
Каждая пара пластин соединена с началом и концом обмотки соленоида 10 (не показано), напротив которой она расположена. Количество пластин соответствует количеству соленоидов. Длина каждой пластины по дуге равна дуговой длине обмотки соленоида.
Принцип действия предлагаемого электродвигателя основан на взаимодействии проводника с током, помещенного в магнитное поле. Между находящимися друг напротив друга одноименными полюсами постоянных магнитов 5 и 6 верхнего 2 и нижнего 3 кольцевого магнитопровода, и расположенными между ними полюсными наконечниками 9, установленными между одноименными полюсами постоянных магнитов 7 и 8 центрального кольца 4, образующими противоположные полюса, возникает направленный магнитный поток. Векторы магнитных полей, проходящие по воздушным зазорам между указанными магнитными полюсами образуют радиальное магнитное поле, которое фиксирует кольцо ротора 4 от поворачивания.
Если в обмотку соленоида 10, находящегося в зоне действия магнитного поля, подать ток, то возникнут электромагнитные силы, стремящиеся вытолкнуть проводники обмоток из магнитного поля. Симметрично сходящиеся на одних полюсах и расходящиеся на противоположных полюсах векторы магнитных полей выталкивают проводники с током обмоток соленоидов 10 (в зависимости от направления тока в обмотках) в одном направлении, возникает результирующая сила, проталкивающая соленоид сквозь магнитное поле.
После выхода одной из обмоток соленоида 10 из зоны эффективного действия результирующей силы подача тока в эту обмотку прекращается. Ротор продолжает вращение за счет работы других катушек.
Далее при вхождении катушки 10 в зону действия последующих полюсов противоположного направления ток в обмотку подается в противоположном направлении, и возникающая результирующая сила задает момент движения.
Направление тока в обмотках задается токонесущими контактами (щетками 12).
Таким образом, в предлагаемом двигателе отсутствует классическая схема электромагнита с сердечником из магнитомягкого материала, потребляющая энергию на намагничивание и перемагничивание, для которых также затрачивается дополнительное время. Это позволяет сделать двигатель более экономичным и с большей производительностью.
В данной схеме электродвигателя достигнуто уменьшение скачков напряжения (электропотребление) при разгоне электродвигателя и улучшены его динамические характеристики. Электродвигатель работает без изменения направления поля, уменьшена длина пути, которую ротор проходит по инерции, что позволило снизить его энергоемкость. Предлагаемая схема позволила при тех же энергетических затратах увеличить число оборотов двигателя и расширить тем область его применения. Настоящее предложение позволило улучшить эксплутационно-технических характеристик электродвигателя при сохранении относительной простоты конструкции и надежности.
1. Электромагнитный двигатель, содержащий источник питания, распределительный коллектор и закрепленные на одной оси статор с постоянными магнитами и ротор с расположенными по его окружности соленоидами, соединенными с распределительным коллектором, отличающийся тем, что статор содержит два магнитопровода в форме кольца с постоянными магнитами, которые установлены с чередующейся полярностью, причем постоянные магниты верхнего кольца расположены напротив постоянных магнитов нижнего кольца и направлены друг на друга одноименными полюсами, между верхним и нижним кольцами статора установлен ротор в форме кольца из немагнитного материала, на котором смонтированы четное число постоянных магнитов с направленными друг на друга одноименными полюсами и катушки соленоида, а между магнитами расположены магнитные наконечники.
2. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты статора и ротора выполнены в форме усеченного сектора, причем магниты статора имеют выступы по внешнему и внутреннему краю.
3. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что длина по дуге постоянных магнитов статора и ротора равна.
4. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что количество постоянных магнитов на кольцах статора и ротора четное, количество катушек соленоида ротора нечетное.
5. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что токонесущие щетки распределительного коллектора расположены по лучам, проходящим по центрам постоянных магнитов статора.
6. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что длина катушки соленоида ротора равна длине постоянного магнита.
