ЭЛЕКТРОДВИЖИТЕЛЬ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ЛИНЕЙНУЮ ТЯГОВУЮ СИЛУ
ELECTRIC PROPULSION FOR CONVERTING ELECTRIC ENERGY INTO LINEAR TRACTION FORCE

1. Область техники, к которой относится изобретение
Электродвижитель непосредственно преобразует электрическую энергию в тяговую силу и может быть использован в области машиностроения. Перспективными направлениями применения электродвижителя является использование его в качестве привода наземного, надводного, подводного и воздушного транспорта, а также пассажирских и грузовых лифтов. Применение электродвижителя для космических аппаратов ввиду предполагаемой малой мощности на единицу массы по сравнению с современными реактивными двигателями ограничивается в рамках изменения ориентации космического аппарата в пространстве, поддержания на заданной околоземной орбите или для ускорения полета межпланетных космических аппаратов, когда требуется длительное воздействие сравнительно небольшой тяговой силы. Питание электродвижителя в этих случаях осуществляется от солнечных батарей.
2. Уровень техники
Известно устройство для преобразования вращения в линейную тяговую силу, в котором грузы также движутся по окружности и формируют линейную тяговую силу прохождением некоторого постоянного участка своей траектории с большей линейной скоростью, при этом грузы имеют механическое соединение с осью вращения и приводятся в движение по окружности с помощью внешнего привода вращения. Каждый из этих грузов выполнен с возможностью механического принудительного регулируемого приближения боковой стороной к соседнему грузу и удаления от него на определенном участке траектории (см. заявку RU №2002123853/11 автора Эхина Ю.Б. «Способы преобразования вращения твердого тела в линейную тяговую силу "методом направленного дисбаланса", а также устройства для использования способов и применение таких устройств», п.9). Учитывая, что для привода данного устройства необходим внешний двигатель и редуктор, а также из-за того, что конструкция обладает большой инертностью и в связи с этим невысокими развиваемыми оборотами, то имеющаяся на выходе тяговая сила получается излишне энерго- и материалоемкая.
Известно электромеханическое устройство, содержащее круглый вращающийся ротор с расположенными по окружности грузами, выдвигающимися под действием центробежных сил. При вращении ротора, под действием магнитных полей ротора и статора, грузы выдвигаются и перемещаются по внутренним стенкам статора, имеющим в сечении форму эллипса. Ось вращения ротора устанавливается на большой оси вращения эллиптической фигуры, что создает неравномерность при движении грузов и формирует линейную тяговую силу (см. заявку RU №99100919/09 авторов Санькова Б.Ф. и Никифоровой Л.Т. «Универсальное электромагнитное устройство перемещения в стационарных и нестационарных условиях»). Данное устройство также имеет статор и ротор, однако тяговая сила формируется дополнительными грузами, вращающимися на общей оси, что приводит к утяжелению конструкции и создает значительное сопротивление движению грузов по траектории.
Заявляемый электродвижитель не имеет вышеперечисленных недостатков, так как непосредственно преобразует электрическую энергию в линейную тяговую силу. Линейная тяговая сила является равнодействующей неуравновешенных центробежных сил, возникающих при неравномерном движении подвижных полюсов ротора, являющихся носителями инерционных масс, при взаимодействии с магнитным полем статора. Подвижные полюсы ротора движутся вокруг статора по орбите в виде окружности или выпуклой замкнутой кривой линии. Неравномерность движения подвижных полюсов ротора выражается в прохождении некоторого постоянного участка орбиты с увеличенной линейной скоростью. Подвижные полюсы ротора движутся независимо друг от друга и не имеют общей оси вращения, что позволяет добиться достаточно высоких скоростей при одновременном снижении массы полюсов и не требует внешнего привода.
3. Раскрытие изобретения
Сущность изобретения заключается в том, что взаимодействие магнитных полей статора и ротора заставляет подвижные полюсы ротора двигаться вокруг статора по орбите, имеющей форму окружности или замкнутой выпуклой кривой линии. Поскольку полюсы статора создают неравномерное магнитное поле, то и полюсы ротора движутся неравномерно, двигаясь по орбите с некоторым ускорением на одном участке и замедлением на другом участке в течение одного оборота по орбите. В результате неуравновешенные центробежные силы, возникающие при неравномерном движении подвижных полюсов ротора, формируют вектор тяги, что и является достигаемым техническим результатом изобретения.
Электродвижитель состоит из корпуса, статора и ротора.
Корпус в поперечном сечении имеет форму окружности или замкнутой выпуклой кривой линии, устанавливается на раме транспортного средства с возможностью поворота в двух плоскостях или с возможностью поворота в одной плоскости, если статор установлен в корпусе с возможностью поворота. Корпус служит для установки статора и ротора, выполняет роль магнитопровода ротора, а также принимает на себя действие центробежных сил движущихся полюсов ротора.
Статор состоит из сердечника с полюсами и обмоткой или магнитопровода с расположенными по периметру в виде окружности или замкнутой выпуклой кривой линии полюсами из постоянных магнитов. Если полюсы статора расположены по окружности, то для изменения направления тяговой силы статор может быть установлен в корпусе электродвижителя с возможностью поворота вокруг своей оси на угол до 360° включительно. Особенностью конструкции статора являются полюсы различного размера и с разным числом витков обмотки таким образом, что полюс большего размера создает более интенсивное магнитное поле. Создание полюсом большего размера более интенсивного магнитного поля необходимо для того, чтобы подвижные полюсы ротора проходили разные по длине участки периметра статора за одинаковое время. Полюсы располагаются по периметру статора от наибольшего полюса к наименьшему, с постепенным уменьшением их размера, при этом наибольший и наименьший полюсы находятся, как правило, в диаметрально противоположных точках периметра. Статор находится внутри ротора, полюсы магнита статора обращены наружу. Подаваемое на обмотку статора напряжение может быть постоянным или переменным. При постоянном напряжении полюсы статора формируют неравномерное неподвижное магнитное поле, а при переменном напряжении полюсы статора формируют неравномерное вращающееся магнитное поле.
Ротор состоит из подвижных полюсов количеством, равным числу пар полюсов статора. Подвижные полюса состоят из сердечников и обмотки или являются постоянными магнитами, движущимися по внутренней поверхности корпуса в виде окружности или замкнутой выпуклой кривой линии. Магнитопровод ротора неподвижный, его функцию выполняет корпус электродвижителя. Полюсы ротора установлены на колесах и движутся независимо друг от друга. Все полюсы ротора имеют одинаковую массу, размеры и число витков обмотки. Для равномерного распределения полюсов ротора по магнитопроводу при отсутствии напряжения на обмотках статора и ротора используются, например, мягкие пружины, работающие на сжатие. Скользящий электрический контакт обмоток полюсов ротора с внешним источником электрической энергии осуществляется через коллектор или контактные кольца и токосъемные щетки. Вариантов их конструкции может быть несколько. Например, коллектор может быть установлен в корпусе электродвижителя с возможностью вращения, токоподающие щетки установлены неподвижно. Приводом вращения коллектора в этом случае может быть как механическая передача от подвижных полюсов ротора, так и внешний привод, например электродвигатель с регулируемым числом оборотов. Другая конструкция предусматривает установку пластин коллектора или контактных колец без возможности вращения, радиально или с торцов подвижных полюсов ротора. В этом случае каждый полюс ротора имеет по две или более токосъемные щетки, движущиеся вместе с полюсом и обеспечивающие скользящий электрический контакт обмотки полюса с пластинами коллектора или контактными кольцами. Дополнительные контактные кольца могут также использоваться для формирования единой обмотки ротора, соединяя витки разных подвижных полюсов последовательно.
4. Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан электродвижитель с питанием от сети трехфазного переменного тока. Полюсы (2) статора электромагниты, подвижные полюсы (7) ротора постоянные магниты. По внутренней поверхности корпуса (1), являющегося также магнитопроводом, перемещаются подвижные полюсы (7) ротора. Подвижные полюсы (7) ротора колесами (5) опираются на корпус (1) и направляющие (4). Полюсы (2) статора установлены на магнитопроводе (8) или образуют с ним единое целое (являются сердечником). Полюсы (2) имеют разное число витков обмотки (3) таким образом, что больший полюс создает более интенсивное магнитное поле. Обмотка статора сформирована из трех частей по четыре полюса в каждой: одного большого, одного малого и двух средних. При подключении к сети статор создает вращающееся магнитное поле, неравномерное по интенсивности и угловой скорости вращения, заставляя двигаться неравномерно подвижные полюсы (7) ротора по внутренней поверхности корпуса (1). Для обеспечения равномерного распределения подвижных полюсов (7) по корпусу (1) при отключении питания полюсы разведены между собой пружинами (6), работающими на сжатие. На обмотку (3) статора подано питание, поэтому полюсы (7) показаны в движении.
На фиг.2 показан электродвижитель с питанием от постоянного тока, подвижные полюсы (7) ротора электромагниты, полюсы (2) статора постоянные магниты. По внутренней поверхности корпуса (1), являющегося также магнитопроводом, перемещаются подвижные полюсы (7) ротора. Подвижные полюсы (7) ротора колесами (5) опираются на корпус (1) и направляющие (4). Полюсы (7) ротора имеют обмотку (10), концы обмотки выходят на токосъемные щетки (11), которые снимают напряжение с пластин (9) коллектора. Для обеспечения равномерного распределения подвижных полюсов (7) по корпусу (1) при отключении питания полюсы разведены между собой пружинами (6), работающими на сжатие. Полюсы (2) статора установлены на магнитопроводе (8) или образуют с ним единое целое (постоянный магнит с полюсами по периметру). При подаче постоянного напряжения на обмотку (10) полюсы (7) начинают неравномерное движение по внутренней поверхности корпуса (1), отталкиваясь от полюсов (2) неподвижного статора. Своевременную перекоммутацию электрических цепей обеспечивает неподвижный коллектор с пластинами (9).
На фиг.3 показан электродвижитель с питанием от сети трехфазного переменного тока, на обмотку полюсов статора подается трехфазное переменное напряжение, а на обмотку полюсов ротора подается постоянное напряжение. По внутренней поверхности корпуса (1), являющегося также магнитопроводом, перемещаются подвижные полюсы (7) ротора. Подвижные полюсы (7) ротора колесами (5) опираются на корпус (1) и направляющие (4). Полюсы (7) ротора имеют обмотку (10), концы обмотки выходят на токосъемные щетки (11), которые снимают постоянное напряжение с контактных колец (12). Для обеспечения равномерного распределения подвижных полюсов (7) по корпусу (1) при отключении питания полюсы разведены между собой пружинами (6), работающими на сжатие. Полюсы (2) статора установлены на магнитопроводе (8) или составляют с ним единое целое (являются сердечником). При подаче постоянного напряжения на обмотку (10) ротора и переменного напряжения на обмотку (3) статора полюсы (7) начинают неравномерное движение по внутренней поверхности корпуса (1), увлекаемые вращающимся магнитным полем статора.
5. Осуществление изобретения.
Осуществление изобретения имеет несколько основных вариантов в зависимости от рода тока и требуемой мощности электродвижителя. Основными компонентами электродвижителя являются корпус, статор, ротор.
В центральной части корпуса с возможностью поворота на угол до 360° включительно и с приводом такого поворота устанавливается статор, как правило, это электромагнит с сердечником, обмоткой и расположенными по окружности полюсами. Полюсы статора имеют различные размеры и число витков обмотки таким образом, что полюс большего размера создает более интенсивное магнитное поле. Полюсы равномерно располагаются по периметру статора от наибольшего полюса к наименьшему, с постепенным уменьшением их размера, при этом наибольший и наименьший полюсы находятся, как правило, в диаметрально противоположных точках периметра. Подаваемое на обмотку статора напряжение может быть постоянным или переменным. При постоянном напряжении полюсы статора формируют неравномерное неподвижное магнитное поле, а при переменном напряжении полюсы статора формируют неравномерное вращающееся магнитное поле.
Снаружи статора, на внутренней поверхности корпуса, установлен ротор, представляющий собой подвижные постоянные или электрические магниты на колесах, движущиеся по направляющим и опирающиеся на корпус. Для равномерного распределения полюсов по магнитопроводу относительно друг друга, при отсутствии напряжения на обмотках статора и ротора, применены мягкие пружины, соединяющие полюсы в единый пакет. Другой вариант равномерного распределения предусматривает обклейку боковых сторон подвижных полюсов упругим эластичным материалом, например резиной, толщина двух обклеек не должна превышать минимального расстояния между подвижными полюсами в движении. Этот вариант может быть дополнен нерастяжимыми нитями, соединяющими подвижные полюсы между собой, при этом длина нити между соседними полюсами должна быть чуть больше максимального расстояния между подвижными полюсами в движении. Равномерное распределение полюсов по магнитопроводу при отключенном питании необходимо для того, чтобы при подаче питания на электродвижитель каждый подвижный полюс ротора сразу занимал «свое» место относительно полюсов статора. Каждый подвижный полюс, если это электромагнит, имеет по две или более токосъемные щетки, снимающие напряжение на обмотку с пластин коллектора или контактных колец или подключающие обмотку к пускорегулирующей аппаратуре. Магнитопроводом ротора служит корпус электродвижителя.
Работу электродвижителя на постоянном токе рассмотрим по фиг.2. Неподвижный или установленный с возможностью поворота статор создает неподвижное неравномерное магнитное поле. Полюсами (2) статора являются постоянные магниты. Полярность полюсов (2) и полюсов (7) чередуется, количество пар полюсов ротора равно количеству пар полюсов статора. На неподвижные контактные пластины (9) коллектора подается постоянное напряжение. Напряжение на обмотку (10) подвижных полюсов с пластин (9) коллектора снимают токосъемные щетки (11). Неподвижный коллектор с пластинами (9) обеспечивает своевременную перекоммутацию электрических цепей. Двигаясь по внутренней поверхности корпуса, имеющей форму окружности, с увеличенной линейной скоростью на определенном участке траектории, полюсы создают неуравновешенные центробежные силы, равнодействующая которых является линейной тяговой силой, приложенной к корпусу электродвижителя.
Работу электродвижителя на переменном токе рассмотрим по фиг.3. Неподвижный или установленный с возможностью поворота статор создает вращающееся неравномерное магнитное поле. Полюсами (2) статора являются электромагниты. Подвижными полюсами (7) также являются электромагниты. Подвижные токосъемные щетки (11) создают скользящий электрический контакт между неподвижными контактными кольцами (12) и обмоткой (10). В данном случае возможны три варианта:
- контактные кольца (12) через токосъемные щетки (11) замыкают обмотку (10) подвижных полюсов (7) ротора или каждая обмотка (10) подвижного полюса (7) замкнута сама на себя (короткозамкнутый ротор);
- обмотка (10) подвижных полюсов (7) ротора выведена на пускорегулирующую аппаратуру, например реостат (фазный ротор). При работе на трехфазном напряжении и двенадцати полюсах будет три контактных кольца (12), а пары токосъемных щеток (11) на подвижных полюсах (7) будут скользить по двум из трех контактных колец (12) таким образом, чтобы три фазные части обмотки ротора соединялись на самом роторе в звезду (три ветви по четыре соединенных параллельно обмоток подвижных полюсов);
- на контактные кольца (12) подается постоянное напряжение, которое токосъемные щетки (11) передают на обмотку (10).
Полярность подвижных полюсов (7), так же как и полюсов (2) статора, чередуется. Двигаясь по внутренней поверхности корпуса, имеющей форму окружности, с увеличенной линейной скоростью на определенном участке траектории, полюсы создают неуравновешенные центробежные силы, равнодействующая которых является линейной тяговой силой, приложенной к корпусу электродвижителя.