ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА СО СКОЛЬЗЯЩИМИ КОНТАКТАМИ
DC MOTOR WITH SLIDING CONTACTS

Изобретение относится к области физики магнетизма и может быть использовано в качестве быстроходного электродвигателя постоянного тока повышенной надежности.
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 э.д.с. 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, обмотки которых соединены 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. Использование коллекторов и щеткодержателей для угольных или медно-угольных щеток в таких двигателях существенно снижает их надежность и долговечность безотказной работы. Известны бесколлекторные (вентильные) двигатели постоянного тока, снабженные полупроводниковыми коммутаторами и датчиками положения ротора, а также шаговые двигатели, преобразующие электрические сигналы в дискретные угловые перемещения вала [4-9]. Это усложняет состав оборудования таких двигателей.
В качестве аналога заявляемому техническому решению выбран коллекторный двигатель постоянного тока [3] с присущими ему недостатками.
Недостатком известных устройств является необходимость использования в них коллекторов, снижающих надежность таких моторов-генераторов постоянного тока.
Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.
Целями изобретения являются упрощение конструкции, увеличение быстроходности и повышение надежности и долговечности двигателей постоянного тока.
Указанные цели достигаются в заявляемом двигателе постоянного тока со скользящими контактами, содержащем статор и ротор с осью вращения с размещенными на ней скользящими контактами кольцевого типа и подшипниковой парой, заключенные в разборный корпус, отличающемся тем, что в качестве статора использованы два укрепленных к корпусу ферромагнитных тороида из магнитомягкого материала, помещенные соответственно в первую и вторую цилиндрические катушки, соосные оси вращения, и на ферромагнитных тороидах статора намотаны катушки вокруг образующих этих тороидов, а ротор выполнен в виде ферромагнитного тороида из магнитомягкого материала, размещенного между ферромагнитными тороидами статора и жестко закрепленного траверсами с осью вращения, ферромагнитный тороид ротора помещен в третью цилиндрическую катушку, закрепленную с ферромагнитным тороидом ротора, причем все катушки включены к источнику постоянного тока последовательно так, что намагничивающийся ферромагнитный тороид ротора взаимно однонаправлено отталкивается от намагниченных ферромагнитных тороидов статора, кроме того, катушки, намотанные вокруг образующих ферромагнитных тороидов статора, включены так, что магнитные поля, возникающие внутри этих ферромагнитных тороидов, являются однонаправленными.
Достижение поставленных целей объясняется возникновением косокругового намагничивания ферромагнитных тороидов статора от совместного действия магнитных полей в первой и второй цилиндрических катушках и катушках, намотанных вокруг образующих ферромагнитных тороидов статора, векторы которых наклонены в одинаковых направлениях относительно плоскостей ферромагнитного тороида ротора и являются встречно направленными векторам намагниченности последнего, что образует вращательный момент за счет касательных составляющих векторов косокругового намагничивания, ориентированных в направлении вращения ферромагнитного тороида ротора. Регулируя ток в катушках двигателя, можно изменять величину указанного вращательного момента, приложенного между его статором и ротором, то есть регулировать мощность двигателя или угловую скорость вращения ротора при заданной присоединенной нагрузке. Соотношением числа витков в первой и второй цилиндрических катушек и катушек, намотанных вокруг образующих ферромагнитных тороидов статора, можно изменять наклон векторов косокругового намагничивания последних, то есть отталкивающие силы, воздействующие на ферромагнитный тороид ротора, а также касательные составляющие сил, образующих вращательный момент.
Заявляемое устройство понятно из представленного рисунка.
Бесколлекторный двигатель постоянного тока содержит:
1 - разборный корпус,
2 - первый ферромагнитный тороид статора, выполненный из магнитомягкого материала,
3 - первую цилиндрическую катушку, соосную оси вращения,
4 - катушку, намотанную вокруг образующей первого ферромагнитного тороида статора,
5 - элементы крепления первого ферромагнитного тороида статора к корпусу,
6 - второй ферромагнитный тороид статора, выполненный из магнитомягкого материала,
7 - вторую цилиндрическую катушку, соосную оси вращения,
8 - катушку, намотанную вокруг образующей второго ферромагнитного тороида статора,
9 - элементы крепления второго ферромагнитного тороида статора к корпусу,
10 - ферромагнитный тороид ротора, выполненный из магнитомягкого материала,
11 - третью цилиндрическую катушку, закрепленную с ротором,
12 - траверсы крепления ферромагнитного тороида ротора с осью вращения,
13 - ось вращения с закрепленными на ней скользящими контактами кольцевого типа,
14 и 15 - подшипники оси вращения,
16 и 17 - электрические клеммы двигателя с изоляционными прокладками.
Рассмотрим действие заявляемого устройства.
В соответствии с принципом суперпозиции в первом и втором ферромагнитных тороидах статора образуется так называемая косокруговая намагниченность (термин введен автором [10]), при которой векторы магнитного поля на торцах этих тороидов наклонены под некоторым углом относительно вертикалей к этим торцевым плоскостям, восстановленных из произвольных точек последних, и эти углы наклона ориентированы по соответствующим окружностям в одну и ту же сторону. Это связано с алгебраическим сложением магнитных полей, образующихся при протекании постоянного тока в цилиндрических катушках 3 и 7, а также в катушках 4 и 8, намотанных соответственно вокруг образующих первого и второго ферромагнитных тороидов статора. Постоянный ток, протекающий в третьей цилиндрической катушке 11, намагничивает ферромагнитный тороид ротора 10, и векторы его намагничивания коллинеарны оси вращения 13 во всем объеме тороида. Если магнитные полюсы ферромагнитных тороидов 2 и 10, обращенные друг к другу, а также магнитные полюсы ферромагнитных тороидов 6 и 10, также обращенные друг к другу в составе конструкции двигателя, являются одноименными, как это показано на рисунке фигурными стрелками и буквами, обозначающими северный N и южный S полюсы, то такие ферромагнитные тороиды попарно отталкиваются друг от друга за счет составляющих, коллинеарных оси вращения 13, и, кроме того, между статором и ротором двигателя возникает вращательный момент [11] за счет касательных составляющих для векторов косокругового намагничивания, направленных в одном из направлений - по часовой стрелке или против нее в зависимости от направления тока в катушках двигателя, соединенных последовательно с источником постоянного тока (обозначены начала и концы цилиндрических катушек буквами Н и К соответственно). Использование магнитомягкого материала в ферромагнитных тороидах 2, 6 и 10 связано с тем, что в таких материалах практически отсутствует остаточная намагниченность, что не формирует преимущественное расположение доменов ферромагнетиков, то есть позволяет изменять угловой наклон векторов косокругового намагничивания в ферромагнитных тороидах 2 и 6 статора, например, шунтированием первой и второй цилиндрических катушек 3 и 7 резисторами (не показанными на рисунке), что позволяет изменять соотношение токов в катушках 2 и 6 по сравнению с токами в катушках 4 и 8. Подбор соотношений этих токов и расстояний между ферромагнитными тороидами ротора и статора позволяет оптимизировать энергетические характеристики двигателя, в частности, его к.п.д.
При использовании ферроматериалов с достаточно высоким значением относительной магнитной проницаемости (порядка 1000 и выше) можно считать, что цилиндрические катушки 3, 7 и 11 намагничивают практически только соответствующие ферромагнитные тороиды 2, 6 и 10, то есть действуют независимо по отношению к ферромагнитным тороидам, не помещенным в эти цилиндрические катушки.
Использование двух ферромагнитных тороидов 2 и 6 удваивает вращательный эффект, а также снижает момент трения в подшипниках 14 и 15 (если использовать только один ферромагнитный тороид статора, то момент трения существенно увеличивается за счет неуравновешенной силы расталкивания ферромагнитных тороидов ротора и статора).
Преимущество заявляемого устройства определяется отсутствием в его составе коллектора [12-13], что увеличивает надежность и долговечность заявляемого двигателя.
Источники информации
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. Юферов Ф.М. Электрические микромашины автоматических устройств. Л.: Высшая школа, 1976, 416 с.
5. Хрущев В.В. Электрические микромашины автоматических устройств. Л.: Энергия, 1976, 354 с.
6. Васильев Ю.К. и др., Электрические двигатели с гладким якорем для систем автоматики, М.: Энергия, 1979, 176 с.
7. Кузнецов В.Г., Лапин Е.С., Лапина Л.М. Бесконтактный двигатель постоянного тока с дискретно-фазовой синхронизацией, Электротехническая промышленность, Электрические машины, вып. 8 (90), 1978, с. 3-4.
8. Копылов И.П., Панферов Ю.Б. Микродвигатели постоянного тока с коммутаторами на магнитоуправляемых контактах. М.: Энергия, 1976, 88 с.
9. Справочник по средствам автоматики, под ред. В.Э. Низе и И.В. Антика. М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 348-363.
10. Меньщих О.Ф. Способ косокругового намагничивания ферромагнитного тороида, Патент РФ №2391730, Опубл. в бюлл. №16 от 10.06.2010, а также Патент РФ №2392681, Опубл. в бюлл. №17 от 20.06.2010.
11. Меньших О.Ф. Прибор для измерения силового взаимодействия ферромагнитных тороидов с косокруговым намагничиванием, Патент РФ №2405164, Опубл. В бюлл. №33 от 27.11.2010.
12. Меньших О.Ф. Бесколлекторный двухроторный двигатель постоянного тока, Патент РФ №2531029, Опубл. в бюлл. №29 от 20.10.2014.
13. Меньших О.Ф. Бесколлекторный двигатель постоянного тока, Патент РФ №2533886, Опубл. в бюлл. №33 от 27.11.2014.