БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
COMMUTATOR-FREE DC MOTOR

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании надежных двигателей постоянного тока упрощенной конструкции.
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 эдс индукции в случае движения проводника в поперечном магнитном поле (Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Электродинамика сплошных сред, 2 изд., М., 1982; Дж.Джексон, Классическая электродинамика, пер.с англ., М., 1965; Д.В.Сивухин, Общий курс физики, 2 изд., т.3, Электричество, М., 1983).
В электрических моторах и генераторах постоянного тока используются статоры на основе постоянных магнитов и электромагнитов постоянного тока, и роторы, обмотка которых соединена 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.
Недостатком известных устройств является необходимость использования в них коллекторов (или контактных колец) и скользящих контактов, снижающих надежность таких электродвигателей и генераторов постоянного тока.
Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.
Целями изобретения являются упрощение конструкции и повышение надежности двигателей постоянного тока.
Указанные цели достигаются в заявляемом бесколлекторном двигателе постоянного тока, содержащем неподвижный статор и ротор с осью вращения, отличающемся тем, что статор выполнен в виде полого цилиндрического магнитопровода, внутри которого размещены по его концам первая и вторая секции из нескольких кольцевых ребер магнитопроводника каждая, в первой и второй секциях кольцевых ребер магнитопроводника ко всей их поверхности закреплены соответственно первый и второй ребристо-цилиндрические электропроводники, оба указанных ребристо-цилиндрических электропроводника статора выполнены из медной фольги склеиванием или путем напыления слоя меди на поверхности кольцевых ребер первого и второго магнитопроводников и не имеют с ними электрического контакта, внутренние концы первого и второго ребристо-цилиндрических электропроводников соединены с внутренними медными кольцевыми электродами, а их внешние концы - с внешними медными кольцевыми электродами через медные крышки-соединители, ротор выполнен в виде цилиндрического электромагнита с расположенными по его концам двумя одинаковыми первой и второй секциями из нескольких кольцевых ребер магнитопроводника, например, из стали, которые входят в пазы соответственно первой и второй секций кольцевых магнитопроводов статора с малыми зазорами между ними, в средней части ротора неподвижно и бесконтактно к нему соосно размещена катушка подмагничивания, один конец которой соединен с первым внутренним медным кольцевым электродом первого ребристо-цилиндрического электропроводника, а второй - ко второму внешнему медному кольцевому электроду второго ребристо-цилиндрического электропроводника, при этом выходные зажимы двигателя соединены соответственно с внешним медным кольцевым электродом первого ребристо-цилиндрического электропроводника и с внутренним медным кольцевым электродом второго ребристо-цилиндрического электропроводника.
Достижение указанных целей объясняется возникновением вращательного момента в системе «ротор-статор» при протекании постоянного тока в двух встречно включенных через катушку подмагничивания электромагнита ротора ребристо-цилиндрических электропроводников в силу закона об электромагнитной индукции (по правилу левой руки), который действует постоянно в любом угловом положении электромагнита ротора, поскольку при использовании токопроводящих медных кольцевых электродов плотность тока в любой точке ребристо-цилиндрических электропроводников является одинаковой, а векторы электрического тока в этих электропроводниках являются встречно направленными. Это создает постоянно действующие и однонаправленные касательные силы, приложенные между неподвижно закрепленными ребристо-цилиндрическими электропроводниками и двумя полюсами электромагнита ротора, и эти силы приводит последний во вращательное движение. Поскольку сопротивление ребристо-цилиндрических электропроводников является весьма малым, питание двигателя должно осуществляться от низковольтного источника постоянного тока с малым внутренним сопротивлением, например, от аккумулятора. Наличие кольцевых ребер в статоре и роторе увеличивает общую поверхность магнитно-связанных ротора и статора, а также позволяет существенно увеличить сопротивление электропроводников статора, что снижает падение напряжения в подводящих соединениях двигателя с источником постоянного тока, то есть увеличивает кпд двигателя. Отсутствие в заявляемом двигателе коллектора и токосъемников с медно-угольными щетками (например, как у автомобильных стартеров) существенно упрощает конструкцию двигателя и повышает надежность и долговечность его работы.
На чертеже дана схема предлагаемого устройства.
Устройство содержит следующие элементы и узлы:
1 - ротор в виде электромагнита с двумя одинаковыми секциями из нескольких кольцевых ребер магнитопроводника,
2 - статор в виде полого магнитопроводящего цилиндра с двумя встроенными внутри у его концов одинаковыми первой и второй секциями из нескольких кольцевых ребер магнитопроводника, например, ферритового,
3 - катушка подмагничивания ротора, установленная бесконтактно и соосно средней части ротора и неподвижно закрепленная относительно статора,
4 - первый и второй ребристо-цилиндрические электропроводники, жестко связанные соответственно с первой и второй секциями кольцевых ребер магнитопроводов статора (не имеющие с ними электрического контакта),
5 - первый и второй внутренние медные кольцевые электроды (для равномерного распределения плотности тока в первом и втором ребристо-цилиндрических электропроводниках 4),
6 - первый и второй внешние медные кольцевые электроды,
7 - первая и вторая медные крышки-соединители соответственно первого и второго внешних медных кольцевых электродов 6, электрически соединенные с внешними концами соответственно первого и второго ребристо-цилиндрических электропроводников 4 и с первым и вторым внешними медными кольцевыми электродами 6,
8 - изолятор выходной шины от первого внешнего медного кольцевого электрода,
9 - изолятор выходной шины от второго внутреннего медного кольцевого электрода,
10 - изолятор шины связи с катушкой подмагничивания ротора,
11 - корпус двигателя,
12 - ребра охлаждения статора двигателя,
13 - изоляционные цилиндрические стойки крепления первого и второго внешних медных кольцевых электродов 6,
14 - ось вращения ротора с подшипниковой парой.
Рассмотрим действие заявляемого технического решения.
Проводник с током, находящийся в магнитном поле, ортогональном проводнику, испытывает действие силы, стремящейся отклонить проводник в перпендикулярном к нему направлении, а также, и к вектору магнитного поля (правило левой руки). Эта сила в соответствии с третьим законом Ньютона приложена со стороны источника магнитного поля, каковым является электромагнит ротора 1, к проводнику с током, каковыми являются первый и второй ребристо-цилиндрические электропроводники 4. Если один из названных объектов закреплен неподвижно, то указанная сила стремится переместить другой в направлении действия силы. Магнитное поле образуется в малых зазорах между кольцевыми ребрами ротора 1 и статора 2 и во всех точках поверхности перпендикулярно электропроводящей поверхности ребристо-цилиндрических электропроводников 4. Поэтому возникающие касательные парциальные силы действуют во всех точках электропроводящей поверхности, в результате чего возникают вращательные моменты в каждой из двух секций. Векторы этих моментов имеют одинаковое направление (складываются друг с другом), поскольку векторы токов в первом и во втором ребристо-цилиндрических электропроводниках 4 направлены взаимно встречно. Так, в первой секции (в верхней части чертежа) ток направлен снизу-вверх, а во второй (в нижней части чертежа), наоборот, сверху-вниз. Магнитные силовые линии электромагнита ротора 1 выходят из его северного полюса N к магнитопроводящим ребрам статора 2 и пересекают при этом медную фольгу второго (нижнего) ребристо-цилиндрического электропроводника 4, который не экранирует магнитное поле, а затем магнитные силовые линии с кольцевых ребер статора входят в магнитопроводящие ребра южного магнитного полюса S ротора, пересекая проводящий слой первого (верхнего) ребристо-цилиндрического электропроводника. Применяя правило левой руки, легко понять, что в указанных магнитных полях касательные силы, приложенные между первым и вторым электропроводниками 4 и магнитными полюсами S и N ротора 1, однонаправленны, что удваивает величину результирующего вращательного момента, приводящего ротор во вращательное движение.
Следует указать, что сборка заявленного двигателя предполагает выполнение статора составным из двух половин, соединяемых между собой с направляющими стопорами, ротор также может быть изготовлен составным, чтобы можно было ввести в него катушку подмагничивания, неподвижно закрепленную в центральной части полого магнитопроводящего цилиндра статора.
3
Вместо электромагнитного ротора 1, последний может быть выполнен как постоянный магнит с большим значением коэрцитивной силы, например, из цилиндра намагниченного феррита SmCo со встроенными на его концы первой и второй секциями из нескольких кольцевых ребер магнитопроводника (А.А.Преображенский, Е.Г.Биширд, Магнитные материалы и элементы, 3 изд., М., 1986). В этом случае надобность в катушке подмагничивания 3 отпадает, и вся конструкция двигателя существенно упрощается.
Следует отметить, что заявляемый тип двигателя принципиально не работает от источников переменного тока, и при необходимости следует использовать полупроводниковые выпрямительные диоды, соединенные в мостовые схемы (мосты Греца, Ларионова).
Представляет интерес перспектива применения частотно-импульсного питания рассматриваемого двигателя через управляемые тиристоры от заряжаемых от сети переменного тока импульсных конденсаторов, что позволяет получать огромные токи в импульсах с частотой их следования 100 Гц. Это также эквивалентно использованию источников тока с весьма малым внутренним сопротивлением.