МАГНИТОДИНАМИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ С БЕСКОНТАКТНОЙ КОММУТАЦИЕЙ

Полезная модель 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. 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 импульсно-инерционному двигателю можно считать двигатель по патенту РФ на полезную модель №83372. Электродвигатель содержит:
источник постоянного тока,
статор с равномерно расположенными по его окружности электромагнитами, каждый в виде двух катушек с обмотками, соединенных с источником постоянного тока,
ротор с расположенными по окружности чередующимися постоянными магнитами и
распределительный коллектор, жестко соединенный с ротором и состоящий из токопроводящих пластин, которые разделены между собой диэлектрическими промежутками и соединены друг с другом проводниками, а
также токосъемные щетки, установленные с возможностью контакта с токопроводящими пластинами коллектора,
Однако при таком схемном решении в электромагнитах используются классические сердечники из магнитомягких материалов, которые в процессе работы двигателя требуют дополнительного времени и энергии для перемагничивания, что приводит к ограничению количества оборотов и снижает надежность работы.
Задача предлагаемого решения - повышение эксплуатационно-технических характеристик.
Для решения поставленной задачи предложена новая схема электродвигателя, в котором изменены конструкция отдельных узлов и связи между узлами. Двигатель содержит источник постоянного тока, статор с расположенными по его окружности катушками (соленоидами), которые имеют вытянутую вдоль окружности форму, ротор с постоянными магнитами и распределительный коллектор.
В отличие от известных схем, в предлагаемом двигателе соленоиды соединены с источником постоянного тока параллельно, а постоянные магниты соединены одноименными полюсами Кроме того двигатель дополнен закрепленным на статоре оптическим датчиком и взаимодействующими с ним светоотражающими полосами на роторе, а распределительный коллектор выполнен в виде электронных ключей, включенных в цепь питания катушек и управляемых через микропроцессор сигналами с оптического датчика.
Длина каждого соленоида равна длине постоянного магнита.
В предлагаемом схемном решении отсутствуют магнитомягкие сердечники катушек, а также исключен механический контакт токосъемных щеток с токопроводящими пластинами коллектора, который заменен набором быстродействующих электронных ключей, что при сохранении направления вращения ротора уменьшает затраты энергии, позволяет повысить число оборотов двигателя и расширить сферу его применения.
Сущность полезной модели поясняется фиг.1, где показано схематичное изображение электродвигателя, вид сбоку,
На оси 1 жестко закреплен статор 2 (фиг.1) и ротор 3. На неподвижной окружности статора равномерно расположены соленоиды (катушки) 4, в данном случае 3 соленоида. Каждый из указанных соленоидов имеет вытянутую вдоль окружности статора форму. Один конец обмотки соленоида соединен с полюсами двупопярного источника питания, а второй конец соленоида подключен параллельно к разным полюсам источника питания через силовые ключи 5.1-5.6. Также на статоре 2 закреплен N-канальный оптический датчик 6 и оси зубчатых колес 7.
Концентрично статору смонтирован ротор 3 двигателя, который представляет собой зубчатое колесо из немагнитного материала, выполненное с возможностью взаимодействия с зубчатыми колесами 7, оси которых закреплены на статоре 2. За счет этого взаимодействия вращающий момент ротора 3 передается на внешний обод 8, являющийся ободом колеса. На внутренней стороне ротора 3 установлены 4 постоянных магнита N-S 9, которые соединены между собой одноименными полюсами.
Электромагнитные поля соленоидов 4 статора имеют одинаковое направление с полями постоянных магнитов 9 ротора 3. Длина каждой катушки 4 равна длине одного постоянного магнита 9.
На внутренней поверхности ротора дополнительно нанесены светоотражающие полосы 10. Полосы 10 нанесены так, чтобы сигналы с них могли быть получены фотодатчиком 6, который соединен с микроконтроллером (не показан).
В предлагаемой схеме коллектор выполнен в виде набора описанных выше электронных ключей 5.1-5.6.
Принцип действия предлагаемого электродвигателя основан на силах электромагнитного притяжения и отталкивания, возникающих при взаимодействии соленоида 4 статора 2 и постоянных магнитов 9 ротора 3. При включении источника питания ток проходит через соленоиды 4, в результате создаются электромагнитные поля. Постоянные магниты 9, направление поля которых в данный момент одинаково с направлением полей соленоидов втягиваются внутрь обмоток соленоидов. Одновременно магниты, поля которых имеют противоположное направление с полями соленоидов, выталкиваются из них. Возникает момент силы и ротор проворачивается. Сигнал со светоотражающей полоски 10 поступает на фотодатчик 6, благодаря чему фиксируется положение ротора (магнитов). В заданном положении магнитов 9 с микроконтроллера после обработки сигнала с фотодатчика 6 поступает сигнал на один из ключей 5.1-5.6 и осуществляется обесточивание одного из соленоидов, а затем смена полярности включения его обмотки за счет включения другого ключа этого соленоида.
При смене полярности соленоидов происходит выталкивание одних магнитов и втягивание других. Вращение ротора продолжается. Далее обесточивается и меняется направление поля следующего соленоида. Движение продолжается, при этом ротор продолжает двигаться в ту же сторону.
В предлагаемом двигателе коллектор, регулирующий поступление тока на соленоиды, выполнен в виде набора электронных ключей, что позволило снизить время и потребляемую энергию на перемагничивание катушек соленоидов. Управление двигателем осуществляется бесконтактно, электронным способом (светоотражающие полоски - фотодатчик - микроконтроллер - ключи), что обеспечивает большую надежность по сравнению с контактным управлением в прототипе.
Управление ключами может быть отрегулировано для решения определенной задачи, определенного алгоритма работы двигателя: определенного режима движения, определенной динамики, для создания экономичного режима и т.д.)
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 самым область его применения. Настоящее предложение позволило улучшить эксплуатационно-технических характеристик электродвигателя при сохранении относительной простоты конструкции и надежности.