ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при создании электрических машин с постоянными магнитами.
Известен синхронный линейный электродвигатель (см. патент РФ 2658301 Н02К 41/03, 2016), содержащий индуктор на постоянных магнитах и секционный явнополюсный якорь с трехфазной обмоткой. За счет относительного смещения полюсов каждой фазы повышена технологичность изготовления при сохранении удельных силовых характеристик. Известен линейный двигатель постоянного тока (см. патент США 5701042 Н02К 41/02 1997), содержащий статор с катушками обмоток возбуждения и ротор с постоянными магнитами чередующейся полярности. Перемещение ротора осуществляется коммутацией каждой катушки в отдельности постоянным током.
Известен линейный двигатель постоянного тока (см. полезная модель РФ 63992 Н02К 41/02 2006), содержащий неподвижную часть с обмоткой возбуждения и подвижную часть с постоянными магнитами. Каждая фаза двигателя состоит из трех сосредоточенных катушек, соединенных последовательно и питается током синусоидальной формы. Данное устройство позволяет снизить пульсации тягового усилия и повысить равномерность хода. Рассмотренные электродвигатели имеют общие недостатки, которые заключаются в следующем.
Суммарную силу взаимодействия между катушками обмотки и магнитами индуктора можно разложить на две составляющие, продольную и поперечную. Первая составляющая направлена по движению ротора и поэтому несет полезную нагрузку. Вторая составляющая, за счет взаимного притяжения или отталкивания между обмоткой и магнитами, направлена перпендикулярно к первой и поэтому оказывает негативное воздействие на электродвигатель. В частности, она может создавать тормозящий эффект и приводить к преждевременному износу подшипников.
С другой стороны, абсолютная величина продольной (полезной) составляющей силы взаимодействия имеет недостаточное значение, т.к. взаимодействие между обмоткой и магнитами происходит в одной (ограниченной) области, т.е. является односторонним. Известна электрическая машина (варианты) (см. патент РФ 2650879 Н02К 21/00, пункт 4 формулы изобретения 2015), содержащая группу линейных магнитных сборок Халбаха, зоны максимальной индукции которых расположены либо перпендикулярно, либо параллельно к плоскости движения ротора с точностью до нескольких градусов, причем при разомкнутых магнитопроводах ротора и статора данное устройство преобразуется в линейную электрическую машину, в которой функции ротора или статора может выполнять как группа линейных магнитных сборок Халбаха с магнитопроводом, так и, соответственно, магнитопровод с обмоткой (прототип).
Линейные магнитные сборки Халбаха усиливают магнитное поле с одной стороны и ослабляют с другой, поэтому их использование позволяет повысить величину магнитной индукции в рабочем зазоре данной электрической машины, по сравнению с вышеприведенными аналогами. За счет этого повышается значение продольной (полезной) составляющей силы взаимодействия между катушками обмотки и магнитами линейной сборки, хотя ее величина также остается недостаточной в силу отмеченных выше причин. С другой стороны, перпендикулярная составляющая силы взаимодействия также здесь присутствует и также может оказывать негативное воздействие. Сущность полезной модели заключается в следующем.
Единая задача, на решение которой направлена полезная модель заключается в улучшении технических характеристик линейного электрического двигателя. Единый технический результат, который может быть получен при осуществлении данной полезной модели заключается в повышении продольной (полезной) составляющей, направленной по движению ротора, и в уменьшении влияния перпендикулярной составляющей силы взаимодействия между катушками обмотки и магнитами линейной сборки. Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известный электрический двигатель, содержащий группу линейных магнитных сборок Халбаха с магнитопроводом и соответствующий магнитопровод с обмоткой, дополнительно введены группы линейных магнитных сборок и соответствующие им магнитопроводы с обмотками, образующие совместно с первой группой магнитных сборок и первым магнитопроводом с обмоткой функциональные группы. В каждой функциональной группе имеется две группы линейных магнитных сборок и два магнитопровода с обмотками, которые являются взаимными зеркальными отображениями. Все группы линейных магнитных сборок имеют общий магнитопровод.
В частных случаях общее количество функциональных групп в линейном электрическом двигателе выбирается из ряда 1, 2, 3, 4…
Заявленная полезная модель соответствует требованию единства. Она относится к одному техническому решению, включающему совокупность существенных признаков, которые необходимы для улучшения технических характеристик устройства, т.е. для решения единой задачи полезной модели.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналоги, характеризующиеся признаками, тождественными всем существенным признакам, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию новизны. Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен линейный электрический двигатель с одной функциональной группой (вид сверху). Изображено по одной линейной магнитной сборке Халбаха в каждой группе. На фиг. 2 изображен линейный электрический двигатель с одной функциональной группой в аксонометрической проекции.
На фиг. 3 изображен линейный электрический двигатель с двумя функциональными группами в аксонометрической проекции. Магнитопроводы обмоток не изображены. Сведения, подтверждающие возможность осуществления заявленной полезной модели с получением указанного технического результата, заключаются в следующем. Перспективным направлением в разработке электрических машин является применение магнитных сборок (массивов) Халбаха (см. https://ru. Wikipedia. org/wiki/ Магнит-ная_сборка_Халбаха).
Различают три вида магнитных сборок Халбаха: _линейная магнитная сборка Халбаха; _цилиндр Халбаха; _сфера Халбаха.
В линейной магнитной сборке из трех - пяти элементов индукция магнитного поля усиливается с одной стороны сборки примерно на 60 - 70% и ослабляется с противоположной стороны на такую же величину, значит закон сохранения энергии выполняется. При увеличении количества элементарных магнитов в сборке будет происходить дальнейшее увеличение величины магнитной индукции, в пределе до 100%. Это происходит благодаря взаимно перпендикулярному направлению векторов намагниченности каждого элемента линейной магнитной сборки. С картиной распределения магнитных силовых линий можно ознакомиться на
https://elcut.ru/advanced/halbach array r.htm
https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/655587
Рассмотрим линейный электродвигатель, изображенный на фиг.1, 2.
Устройство содержит две группы 1 и 2 линейных магнитных сборок Халбаха. На чертеже в каждой группе изображено по одной линейной магнитной сборке, состоящих из девяти элементарных магнитов. Стрелками показаны направления намагниченности каждого элемента. Между группами 1 и 2 магнитных сборок расположен их общий магнитопровод 3. Устройство содержит также два магнитопровода 4 и 5 с обмотками 6 и 7 катушечного типа. Между магнитной сборкой 1 и обмоткой 6 образован левый рабочий зазор, а между магнитной сборкой 2 и обмоткой 7 образован правый рабочий зазор линейного электродвигателя. Обмотки 6 и 7 изображены как группы отдельных катушек с количеством в группе по 9 штук.
Левая часть линейного электродвигателя (позиции 1, 4, 6) и правая часть (позиции 2, 5, 7), совместно образующие одну функциональную группу, являются зеркальными отображениями друг друга относительно центральной линии (плоскости), проходящей через середину магнитопровода 3.
Зона максимальной индукции линейной магнитной сборки 1 будет находиться в области левого рабочего зазора, а зона максимальной индукции магнитной сборки 2 будет находиться в области правого рабочего зазора электродвигателя. Это обеспечивается определенным намагничиванием элементов сборок. Векторы их намагниченности изображены на фиг.1 стрелками. Такое распределение магнитного поля подтверждается результатами моделирования линейного двигателя программными средствами.
При включении электродвигателя катушки обмоток 6 и 7 будут создавать свое магнитное поле, которое будет взаимодействовать с магнитным полем магнитных сборок 1 и 2. Возникшие при этом суммарные силы взаимодействия будут приложены к ротору электродвигателя, т.е. к линейным магнитным сборкам 1 и 2.
Вектор силы, приложенный, например, к сборке 1, можно разложить на два взаимно перпендикулярных вектора. Первый из них будет направлен по направлению движения ротора. Второй вектор, перпендикулярный первому, будет направлен либо в направлении притяжения, либо в направлении отталкивания сборки 1 и обмотки 6. Конкретное направление выбирается заданием нужного направления тока в катушках обмотки 6. Допустим, что это направление есть взаимное притяжение.
В этом случае токи в катушках обмотки 7 задаются таким образом, чтобы между магнитной сборкой 2 и обмоткой 7 было также взаимное притяжение. В результате вектор силы, приложенной к магнитной сборке 2, будет также иметь первую составляющую в направлении движения ротора и вторую составляющую в направлении взаимного притяжения.
Первые две составляющие для сборки 1 и для сборки 2 приложены к общему ротору и действуют в одном направлении, поэтому в результате они суммируются, и общая величина продольной составляющей силы взаимодействия между ротором электродвигателя и его статором увеличивается в два раза по сравнению с прототипом. Поперечные составляющие силы взаимодействия для сборки 1 и сборки 2 приложены также к общему ротору, направлены в противоположные направления и по модулю примерно равны, поэтому их сумма будет стремиться к нулю.
Такой результат также подтверждается проведенным компьютерным моделированием данного линейного электродвигателя методом конечных элементов.
На фиг. 3 изображен линейный электродвигатель в аксонометрической проекции с двумя функциональными группами. Для упрощения на чертеже не изображены магнитопроводы обмоток.
Устройство содержит первую функциональную группу, в состав которой входят линейные магнитные сборки 1 и 2 и группы катушек обмотки 6 и 7 (магнитопроводы 4 и 5 не показаны).
Устройство также содержит вторую функциональную группу, в состав которой входят линейные магнитные сборки 8 и 9 и группы катушек обмотки 10 и 11 (магнитопроводы обмоток также не показаны). Вторая функциональная группа расположена по отношению к первой под углом 90 градусов. Все линейные магнитные сборки имеют общий магнитопровод 3. В данном электродвигателе образовано четыре рабочих зазора: левый, правый, верхний и нижний. Составные части функциональных групп также являются взаимными зеркальными отображениями. Зоны максимальной индукции каждой магнитной сборки находятся в своем рабочем зазоре.
Направления намагниченности магнитов линейных сборок 8 и 9 соответствует намагниченности сборок 1 и 2. Направления тока в обмотках 10 и 11 задаются аналогично токам в обмотках 6 и 7. Поэтому воздействие второй функциональной группы на общую силу взаимодействия между ротором и статором будет аналогично изложенному выше. В результате общая величина продольной (полезной) составляющей силы взаимодействия между обмотками и линейными магнитными сборками увеличится в четыре раза по сравнению с прототипом. Суммарная величина поперечной (негативной) составляющей силы взаимодействия будет также близка к нулю. Этот результат также подтверждается проведенным компьютерным моделированием данного линейного электродвигателя. Дальнейшее увеличение количества функциональных групп в составе линейного электродвигателя обеспечит дальнейшее увеличение продольной составляющей силы взаимодействия между катушками обмотки и магнитами линейных сборок при сохранении величины общей поперечной составляющей вблизи нуля.
Применение линейного электродвигателя с использованием предлагаемых технических решений в составе, например, станков с ЧПУ, позволит улучшить их технические характеристики.