Электромагнитный привод
ELECTROMAGNETIC DRIVE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в транспортных средствах.
Известен электромагнитный привод, устанавливаемый в трамваях и троллейбусах для вращения колесных пар на рельсах и дорожном полотне. (И.С. Ефремов, В.М. Кобозев, В.В. Шевченко. Технические средства электрического транспорта. М., Высшая школа, 1985, с. 20-102).
Он содержит двигательную установку в виде магнитоприводной камеры, имеющей цилиндрический каркас, закрепленную на ней токопроводную магнитовозбуждаюшую обмотку, а также продольную ось симметрии, цилиндрический ротор, имеющий собственную продольную ось симметрии, совмещенную с осью симметрии приводной камеры, размещенный внутри приводной камеры центральный участок с диполюсными магнитными насадками и боковые участки, вынесенные за границы приводной камеры и выполненные в виде валов с подшипниками, насаженными колесами транспортного средства, системами трансмиссии торможения и редукций; кроме того устройство включает в себя токопреобразователи, силовой и хозяйственный токопроводы с системами регулирования мощности, включения-отключения, защиты, блокировки, подключенные к внешнему токопроводному источнику питания с одной стороны и к магнитовозбуждающей обмотке магнитоприводной камеры и потребителей собственных нужд соответственно с другой стороны.
Недостаток этого электродвигательного устройства - питание от внешнего токопроводного источника, при аварийных отключениях которого транспортное средство прекращает движение. Для перемещения же транспортного средства необходимы затраты большого количества электроэнергии.
Известно также электродвигательное устройство, в частности, для автомобиля, содержащее те же элементы, что и у вышеописанного устройства для трамвая и троллейбуса. В качестве источника питания здесь использован аккумулятор, устанавливаемый непосредственно на средстве передвижения (А.В. Шабанов, В.В. Ломакин. Характеристики электромобилей и тенденции развития электропривода. Журнал автомобильных инженеров. №3 (86) 2014, с. 38-43).
Недостаток этого электродвигательного устройства - ограниченный ресурс источника питания и его недостаточная мощность. Установка электрогенераторов, подключенных к боковым участкам ротора приводной камеры, ненамного увеличивает ресурс источника питания.
Известно электрогенерирующее устройство, содержащее цилиндрический статор с токопроводной магнитовозбуждающей обмоткой, подключенной к источнику питания, и коаксиально опоясывающий его ротор с токовоспринимающей обмоткой, подключаемой к потребителю, а также систему токовой циркуляции для самозапитывания через циркуляционный токопровод, соединяющий статорные клеммы с клеммами ротора (заявка US №60/139294 от 15.06.1999 г.).
Устройство работает в автономном режиме, либо выполняет функцию усилителя электрической мощности. Его недостаток - незначительный прирост мощности, в отсутствии системы охлаждения (обдува) оно перегревается, теряя работоспособность. Кроме того отсутствует возможность прямого подключения к вращающимся колесным и пропеллерным валам.
Известно также электрогенерирующее устройство, содержащее систему трансформирования параметров энергосети (напряжения, тока, мощности) в сторону увеличения их значений (патент РФ №2626815, МПК8 HO2J 50/12; HO2J 5/100).
Недостатком устройства является сложность его настройки и эксплуатации, что обуславливает потерю работоспособности. В отсутствии прямой связи с механизмами вращения, например, колес, пропеллеров и винтов возникает необходимость в установке дополнительных двигателей, что приводит к снижению эффективности устройства.
Известно также магнитное редукционное устройство, передающее вращательное движение от ротора двигательной установки рабочему валу механизма с изменением скорости вращения (патент РФ №2369955, МПК8 H02K 51/00. Магнитный редуктор. Б.И. от 10.10.2009 г).
Недостаток устройства - отсутствие возможности самостоятельно работать в бесприводном режиме.
Известен наиболее близкий электромагнитный привод транспортного средства, принятый в качестве прототипа, включающий двигательную установку, источник электропитания, питательный, силовой, циркуляционный и хозяйственный проволочные токопроводы с системой автоматики, главный силовой вращательный вал с системой управления, потребители электролитания собственных нужд, причем двигательная установка содержит, по - крайней мере, одну магнитосиловую и одну магнитоэлектрогенерирующую камеры, имеющие общую продольную ось симметрии, статорные каркасы из ферромагнитных труб, установленных с равномерным угловым шагом вдоль собственных условных цилиндрических поверхностей, навитые спиралями на трубы магнитовозбуждающие проволочные токопроводы, подключенные к системам токораздачи на входе в магнитосиловую камеру и токосбора на выходе из магнитоэлектрогенерирующей камеры, а также цилиндрические роторы с общей продольной осью симметрии, совпадающей с осью симметрии камер, размещенными внутри камер центральными участками с диполюсными магнитными насадками, вынесенными за границы камер и выполненными в виде валов с подшипниками боковыми участками, при этом один из боковых участков ротора магнитосиловой камеры подключен к главному силовому вращательному валу, а другой его участок и один из боковых участков ротора магнитоэлектрогенерирующей камеры соединены редуктором, питательный токопровод одним концом подключен к источнику питания, силовой токопровод подключен одним концом к системе токораздачи на входе в магнитосиловую камеру, циркуляционный токопровод соединяет систему токораздачи на входе в магнитосиловую камеру и систему токосбора на выходе из магнитоэлектрогенерирующей камеры, хозяйственный токопровод соединяет источник питания и потребители собственных нужд (патент РФ 2011272, МПК HO2K 23/00; Б.И. от 15.04.1994).
Недостаток устройства - недостаточно высокое напряжение и мощность, снимаемые при запуске и длительной работе в автономных режимах без подзарядки и замены источника питания.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении снимаемого напряжения и мощности установки при запусках и длительной работе в автономных режимах без подзарядки и замены источника питания.
Указанный технический результат достиагется за счет того, что электромагнитном приводе транспортного средства, включающем двигательную установку, источник электропитания, питательный, силовой, циркуляционный и хозяйственный проволочные токопроводы с системой автоматики, главный силовой вращательный вал с системой управления, потребители электропитания собственных нужд, причем двигательная установка содержит, по - крайней мере, одну магнитосиловую и одну магнитоэлектрогенерирующую камеры, имеющие общую продольную ось симметрии, статорные каркасы из ферромагнитных труб, установленных с равномерным угловым шагом вдоль собственных условных цилиндрических поверхностей, навитые спиралями на трубы магнитовозбуждающие проволочные токопроводы, подключенные к системам токораздачи на входе в магнитосиловую камеру и токосбора на выходе из магнитоэлектрогенерирующей камеры, а также цилиндрические роторы с общей продольной осью симметрии, совпадающей с осью симметрии камер, размещенными внутри камер центральными участками с диполюсными магнитными насадками, вынесенными за границы камер и выполненными в виде валов с подшипниками боковыми участками, при этом один из боковых участков ротора магнитосиловой камеры подключен к главному силовому вращательному валу, а другой его участок и один из боковых участков ротора магнитоэлектрогенерирующей камеры соединены редуктором, питательный токопровод одним концом подключен к источнику питания, силовой токопровод подключен одним концом к системе токораздачи на входе в магнитосиловую камеру, циркуляционный токопровод соединяет систему токораздачи на входе в магнитосиловую камеру и систему токосбора на выходе из из магнитоэлектрогенерирующей камеры, хозяйственный токопровод соединяет источник питания и потребители собственных нужд, где, согласно изобретению, двигательная установка дополнительно оснащена соленоидом с ферромагнитным трубчатым сердечником и навитой на него проволочной токопроводной спиралью, а также трубчатыми ферромагнитопроводами, соединяющими сердечник соленоида со статорными каркасами магнитосиловой и магнитоэлектрогенерирующей камер, при этом входной конец токопроводной спирали соленоида соединен со вторым концом токопровода источника питания, а его выходной конец соединен со вторым концом силового токопровода, кроме того к источнику питания подключено стационарное зарядное устройство, а система токосбора магнитоэлектрогенерирующей камеры соединена с входным концом токопроводной спирали соленоида и со стационарным зарядным устройством дополнительным токопроводом циркуляции.
Оснащением привода соленоидом с ферромагнитным трубчатым сердечником и навитой на него проволочной токопроводной спиралью, а также трубчатыми ферромагнитопроводами, соединяющими сердечник соленоида со статорными каркасами магнитосиловой и магнитоэлектрогенерирующей камер, соединением входного конца токопроводной спирали со вторым концом токопровода источника питания, а выходного конца со вторым концом силового токопровода, подключением к источнику питания стационарного зарядного устройства, соединением системы токосбора магнитоэлектрогенерирующей камеры с входным концом токопроводной спирали соленоида и со стационарным зарядным устройством дополнительным токопроводом циркуляции решается задача по упрощению настройки и эксплуатации, повышению надежности, эффективности, долговечности при работе установки в длительном автономном режиме без подзарядки или замены источника питания. Ферромагнитные сердечник соленоида, соединительные трубы и трубчатый каркас камер образуют единый магнитопровод, а совместно со спиралью соленоида и проволочным токопроводом камерных труб формируют контур взаимной индукции, увеличивающей напряжение, подаваемое в камеры и их мощность как при запуске, так и в рабочих режимах. Исключение хотя бы одного из перечисленных признаков нарушает работоспособность установки, влечет потерю эффективности, усложняет эксплуатацию. В связи с этим предлагаемые при-знаки являются существенными и полезными.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена упрощенная схема электромагнитного привода, в частности, колесного, транспортного средства; на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1, увеличено; на фиг. 3 - разрез Б - Б на фиг. 1, увеличено.
1
1
2
1
2
1
Электромагнитный привод на фиг. 1, 2, 3 включает в себя двигательную установку 1 в корпусе 2, источник электропитания 3, питательный, силовой, циркуляционный и хозяйственный проволочные токопроводы 4, 5, 6, 7 соответственно с системой автоматики 8, отвечающей за операции включения - отключения, контроля, сигнализации, защиты, блокировки, главный силовой вращательный вал 9 с системой управления 10, имеющую узлы трансмиссии, регулирования скоростного режима и торможения, потребители электропитания 11 собственных нужд. Двигательная установка 1 содержит также, по крайней мере, одну магнитосиловую и одну магнитоэлектрогенерирующую камеры 12 и 13 соответственно, имеющие общую продольную ось симметрии L, статорные каркасы 14 и 15, выполненные в виде ферромагнитных труб 16 и 17 соответственно, установленные с равномерным угловым шагом γ и γ вдоль собственных условных цилиндрических поверхностей P и P соответственно, навитые спиралями на ферромагнитные трубы 16 и 17 магнивозбуждающие проволочные токопроводы 18 и 19, подключенные к системе токораздачи 20 на входе в магнитосиловую камеру 12 и к системе токосбора 21 на выходе из магнитоэлектрогенерирующей камеры 13 соответственно, а также цилиндрические роторы 22 и 23 с общей продольной осью симметрии L2, совпадающей с осью симметрии L магнитосиловой камеры 12 и магнитоэлектрогенерирующей камеры 13, размещенными внутри магнитосиловой камеры 12 и магнитоэлектрогенерирующей камеры 13 центральными участками 24 и 25 сооветственно, оснащенными диполюсными магнитными насадками 26 и 27, вынесенными за границы магинтосиловой камеры 12 и магнитоэлектрогенерирующей камеры 13 и выполненными в виде валов с подшипниками боковыми участками 28, 29 и 30, 31. При этом боковой участок 28 цилиндрического ротора 22 магнитосиловой камеры 12 подключен к главному силовому вращательному валу 9, а другой его боковой участок 29 и боковой участок 30 цилиндрического ротора 23 магнитоэлектрогенерирующей камеры 13 соединены редуктором 32, в частности, магнитным.
Диполюсные магнитные насадки 26, 27 закреплены на внешней поверхности центральных участков 24 и 25 цилиндрических роторов 22 и 23 соответственно. Питательный проволочный токопровод 4 одним концом подключен к источнику питания 3, силовой проволочный токопровод 5 одним концом подключей к системе токораздачи 20 на входе в магнитосиловую камеру 12, циркуляционный проволочный токопровод 6 соединяет систему токораздачи 20 на входе в магнитосиловую камеру 12, и систему токосбора 21 на выходе из магнитоэлектрогенерирующей камеры 13, хозяйственный проволочный токопровод 7 соединяет источник питания 3 и потребители электропитания 11 собственных нужд.
Особенностью устройства является оснащение двигательной установки 1 дополнительно соленоидом 33 в корпусе 34 с ферромагнитным трубчатым сердечником 35 и навитой на него проволочной токопроводной спирали 36, а также трубчатыми ферромагнитопроводами 37, соединяющими ферромагнитный трубчатый сердечник 35 соленоида 33 со статорными каркасами 14 и 15 магнитосиловой и магнитоэлектрогенерирующей камер 12 и 13 соответственно, при этом входной конец токопроводной спирали 36 соленоида 33 соединен со вторым концом питающего проволочного токопровода 4 источника питания 3, а ее выходной конец со вторым концом силового проволочный токопровода 5. Кроме того к источнику питания 3 подключено стационарное зарядное устройство 38, а система токосбора 21 магнитоэлектрогенерирующей камеры 13 соединена с входным концом токопроводной спирали 36 соленоида 33 и со стационарным зарядным устройством 38 дополнительным циркуляционным проволочный токопроводом 39.
Электромагнитный привод, предлагаемый в качестве изобретения, работает путем включения источника питания 3 и подачи напряжения в питательный проволочный токопровод 4, токопроводную спираль 36 соленоида 33, в силовой проволочный токопровод 5, систему токораздачи 20 и магнитовозбуждающие токопроводы 18. Возникающие вокруг магнитовозбуждающих токопроводов 18 магнитные поля взаимодействуют с диполюсной системой магнитных полей насадки 26 центрального участка 24 цилиндрического ротора 22, приводя последний во вращение. При этом вращение передается через редуктор 32 цилиндрическому ротору 23. При вращении цилиндрического ротора 23 вращаются его центральный участок 25 с диполюсной магнитной насадкой 27, и создаваемой ею магнитными полями. Последние, взаимодействуя с магнитными полями ферромагнитных труб 17, вызывают электрический ток в навитых на них магнитовозбуждающих проволочных токопроводах 19, далее в системе токосбора 21 и циркуляционных проволочных токопроводах 6 и 39.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
3
В зависимости от необходимых в эксплуатации значений токовой нагрузки, мощности и напряжения при проектировании задают (при необходимости подбирая на стенде) радиусы R, R условных цилиндрических поверхностей P и Р, радиусы r, r центральных участков 24, 25 цилиндрических роторов 22, 23 с диполюсными магнитными насадками 26, 27, количество магнитных диполюсов, шаги угловых смещений γ и γ ферромагнитных труб 16, 17, количество витков n, n токопроводов 18, 19 на этих трубах, диаметры труб 16, 17 и магнитовозбуждающих проволочных токопроводов 18, 19. Кроме того задают параметры соленоида 33, в том числе количество витков n токопроводной спирали 36, ее диаметр и диаметр ферромагнитного трубчатого сердечника 35, трубчатого ферромагнитопровода 37. При наборе необходимых токовых параметров отключают источник питания 3 от питающего проволочного токопровода 4. В установке циркулирует ток по циркуляционным проволочным токопроводам 6 и 39. В зависимости от эксплуатационных условий включают силовую нагрузку через систему управления 10. Подают потребителям электропитания 11 собственных нужд по хозяйственному проволочному токопроводу 7, заряжают источник питания 3 через стационарное зарядное устройство 38. Выделяемая электроэнергия магнитоэлектрогенерирующей камерой 13 гасится с помощью магнитосиловой камеры 12, главного силового вала 9 и системы управления 10, а также потребителями электропитания 11 собственных нужд, стационарным зарядным устройством 38. Соотношение отмеченных параметров имеют оптимальные диапазоны, при реализации которых устройство наиболее эффективно. Эти диапазоны являются предметом иных изобретений, в объеме настоящей заявки не рассматриваются.
При оснащении электромагнитного привода транспортного средства соленоидом 33 с ферромагнитным трубчатым сердечником 35 и навитой на него проволочной токопроводной спиралью 36, а также трубчатыми ферромагнитопроводами 37, соединяющими ферромагнитный трубчатый сердечник 35 соленоида 33 со статорными каркасами 14 и 15 магнитосиловой и магнитоэлектрогенерирующей камер 12 и 13 соответственно, соединением входного конца токопроводной спирали 36 соленоида 33 со вторым концом питающего проволочного токопровода 4 источника питания 3, а выходного конца со вторым концом силового проволочного токопровода 5, подключением к источнику питания 3 стационарного зарядного устройства 38, соединением системы токосбора 21 магнитоэлектрогенерирующей камеры 13 с входным концом токопроводной спирали 36 соленоида 33 и со стационарным зарядным устройством 38 дополнительным циркуляционным проволочным токопроводом 39 формируется единый магнитопровод из ферромагнитного трубчатого сердечника 35 соленоида 33, соеденительных ферромагнитных труб 37 и ферромагнитных труб 16 и 17 статорных каркасов 14 и 15 магнитосиловой камеры 12 и магинтоэлектрогенерирующей камеры 13, который вместе с токопроводной спиралью 36 соленоида 33 и магнитовозбуждающими проволочными токопроводами 18 и 19 статорных каркасов 14 и 15, выполненных из ферромагнитных труб 16 и 17, образует контур взаимной индукции, увеличивающей напряжение, подаваемое в магнитосиловую камеру 12 и магнитоэлектрогенерируюшую камеру 13, и их мощность как при запуске, так и в рабочих автономных режимах без подзарядки или замены источника питания. Исключение хотя бы одного из перечисленных признаков нарушает работоспособность установки, влечет потерю эффективности, усложняет эксплуатацию. В связи с этим предлагаемые признаки являются существенными и полезными.
Использование изобретения связано с транспортными средствами, в том числе с колесными, гусеничными, пропеллерными, винтовыми. Принципиальная схема привода на фиг. 1, 2, 3 для колесного транспортного средства аналогична схемам приводов для - других перечисленных средств, их работа также аналогична работе привода колесного средства передвижения. Система управления 10, системы токораздачи 20, система токосброса 21, стационарное зарядное устройство 38 и их работа в настоящей заявке не рассматриваются.