МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к электромашиностроению и электротехнике, а именно к конструкции торцевых асинхронных машин с одним статором и двумя роторами.
Известен электрический двигатель, по А. Св. СССР №1359855, МПК H02K 1/10, опубл. 15.12.1987 г., содержащий статор и добавочный полюс. Немагнитная прокладка расположена между скобами и сердечником добавочного полюса.
Недостаток нижний КПД двигателя из-за того, что немагнитная проставка ослабляет магнитный поток.
Известна электрическая машина, описанная в а. св. СССР 278836, кл. H02K 5/10. В ней, с целью упрощения технологии изготовления, активная часть статора выполнена в виде обмоточных модулей, состоящих из пакетов, набранных из чередующихся между собой проводников обмотки и отделенных слоем изоляции листовых ферромагнитных элементов и лобовых частей. Пакеты установлены на ярме статора с помощью клиньев, выполненных заодно с ярмом.
Основными недостатками этой конструкции являются низкая технологичность изготовления ярма, обусловленная наличием клиньев, худшие энергетические показатели машины за счет неравномерности активной длины магнитопровода, обусловленной отсутствием фиксации пакетов обмоточных модулей в радиальном направлении.
Известна также торцевая электрическая машина (А. Св. СССР №462255, H02K 17/02), содержащая беспазовый статор, набранный из катушечных групп, остов которого имеет посадочные места для установки в них катушечных групп и два ротора, расположенные по разные стороны статора. Остов статора имеет посадочные места для установки в них катушечных групп.
Существенным недостатком этой конструкции является то, что остов статора является несущим элементом конструкции машины и для обеспечения жесткости и прочности должен иметь значительную массу. Кроме того, в конструкции сложно проконтролировать и обеспечить равенство рабочих воздушных зазоров, сложно реализовать разнесение лобовых частей и их базирование.
Наиболее близкой к заявляемой машине является торцевая электрическая машина (пат. РФ №2246168, МПК H02K 21/24) со статором, закрепленным в корпусе, обращенным рабочими поверхностями к двум дискообразным роторам, установленным на валу в подшипниках качения.
Статор выполнен из двух половин, в каждой из которых выполнена распределенная обмотка в виде обмоточных модулей и ярмо, навитое из стальной ленты, установленных по разные стороны диска статора. На дисках роторов со стороны рабочих поверхностей статора смонтированы постоянные магниты, закрытые полюсными наконечниками.
Основной недостаток этой конструкции - сложность и трудоемкость монтажа обмоточных модулей на ярма дисков статора; большая масса и габариты машины из-за наличия двух ярм статора.
Известен магнитоэлектрический двигатель по патенту РФ №МПК опубл., прототип
Этот электродвигатель содержит статор, включающий диск, закрепленный в корпусе, и обмоточные модули, обращенные рабочими поверхностями к соответствующим дискообразным роторам с короткозамкнутыми обмотками, расположенным с двух сторон от статора и установленным в подшипниках качения, согласно изобретению в диске статора выполнены прорези, края которых (отгибы) у двух соседних прорезей направлены в одну сторону диска, а у двух следующих прорезей - в противоположную, в прорезях размещены обмоточные модули так, что между двумя пакетами пластин одного обмоточного модуля расположены по одному пакету пластин двух соседних обмоточных модулей с противоположной стороны диска, кроме того, на диске статора в промежутках между прорезями под обмоточные модули в радиальном направлении выполнены щелевидные прорези.
Недостаток - низкий КПД двигателя.
Задача создания полезной модели повышение КПД двигателя.
Технический результат - устранение вредного влияния магнитного поля постоянных магнитов статора в промежуточном положении ротора (в «мертвых точках»).
Решение указанных задач достигнуто в магнитоэлектрическом двигателе, содержащем ротор с, по меньшей мере, одной парой постоянных магнитов, корпус из немагнитного материала, статорные индуктивные обмотки, установленные в нем, источник постоянного тока соединенный со статорными индуктивными обмотками и постоянные магниты установленные на статоре, тем, что количество статорных индуктивных обмоток соответствует количеству постоянных магнитов на статоре и они размещены по оси постоянных магнитов статора, на корпусе установлен, по меньшей мере, один датчик магнитного потока, имеющий контакты, которые включены последовательно в цепь питания статорных индуктивных обмоток, при этом датчик магнитного потока установлен таким образом, что его контакты замыкаются до совмещения осей постоянных магнитов статора и ротора, т.е. с угловым опережением включения. На статоре может быть установлена дополнительная статорная обмотка. Статорные индуктивные обмотки могут быть соединены последовательно. Статорные индуктивные обмотки могут быть соединены параллельно. Между источником постоянного тока и статорными индуктивными обмотками может быть подключен регулятор тока. К валу может быть прикреплен маховик. Датчик магнитного потока может быть установлен на боковой стенке корпуса. Датчик магнитного потока может быть установлен на торце корпуса. Датчик магнитного потока может быть установлен таким образом, что датчик магнитного потока установлен с возможностью перемещения относительно статора для регулирования угла опережения включения. Датчик магнитного потока может быть соединен с приводом опережения включения. Привод может быть выполнен ручным. Привод может быть выполнен автоматическим. В качестве датчика магнитного потока может быть применен геркон. В качестве датчика магнитного потока может быть применен датчик Холла. К дополнительной обмотке может быть подключена нагрузка. Ротор может содержать вал, к которому присоединен электрогенератор. К электрогенератору может быть присоединена внешняя нагрузка. К электрогенератору может быть присоединен автономный блок электропитания. Статор может быть размещен радиально относительно ротора. Статор может быть размещен со стороны торца ротора. Статор может быть размещен одновременно радиально и со стороны торца ротора. Магнитоэлектрический двигатель может быть выполнен с возможностью регулирования момента, скорости вращения и мощности. Регулирование может быть выполнено за счет регулятора тока в цепи питания статорных обмоток постоянным током в виде потенциометра. Магнитоэлектрический двигатель может быть размещен на транспортном средстве.
Сущность изобретение поясняется на чертежах фиг. 1…23, где:
- на фиг. 1 приведена полная схема устройства,
- на фиг. 2 приведена упрощенная схема устройства,
- на фиг. 3 приведена конструкция статорной индуктивной обмотки, первый вариант,
- на фиг. 4 приведена конструкция статорной индуктивной обмотки, первый вариант,
- на фиг. 5 приведен разрез A-A ротора с одной парой постоянных магнитов,
- на фиг. 6 приведен разрез A-A ротора с двумя парами постоянных магнитов,
- на фиг. 7 приведен разрез A-A статора с одной парой постоянных магнитов,
- на фиг. 8 приведен разрез A-A статора с 4-мя парами постоянных магнитов,
- на фиг. 9 приведена электрическая схема, вид в плане,
- на фиг. 10 приведена электрическая схема, вид сбоку,
- на фиг. 11 приведена конструкция двигателя с генератором, первый вариант,
- на фиг. 12 приведена конструкция двигателя с генератором, второй вариант,
- на фиг. 13 приведена конструкция двигателя с генератором, третий вариант,
- на фиг. 14 приведен первый вариант установки магнитного датчика,
- на фиг. 15 приведен второй вариант установки магнитного датчика,
- на фиг. 16 приведен график изменения плеча рычага в зависимости от угла поворота,
- на фиг. 17 приведен график изменения плеча рычага в зависимости от угла поворота,
- на фиг. 18 приведен график изменения плеча рычага в зависимости от угла поворота,
- на фиг. 19 приведен магнитоэлектрический двигатель с регулированием угла опережения включения обмоток.
- на фиг. 20 приведен разрез B-B на фиг. 19,
- на фиг. 21 приведена первый вариант электрической схемы,
- на фиг. 22 приведен второй вариант электрической схемы,
- на фиг. 23 приведен третий вариант электрической схемы.
Магнитоэлектрический двигатель (фиг. 1…23) содержит корпус 1, статорные индуктивные обмотки 2, источник постоянного тока 3 (например, аккумуляторная батарея АБ), постоянные магниты 4 и 5. Постоянные магниты 4 и 5 предпочтительно выполнить неодимовыми. Статорные индуктивные обмотки 2, размещены на цилиндрических каркасах (не показано) и их оси симметрии направлены строго по осям намагничивания постоянных магнитов 4 и 5. Статорные индуктивные обмотки 2 могут быть выполнены в двух вариантах или непосредственно намотаны на постоянных магнитах 4 и 5 или на сердечнике 27 (фиг. 3 и 4)·
Минимальное число постоянных магнитов 4 и 5 - одна пара (фиг. 4), возможно применение в двигателе нескольких пар постоянных магнитов 4 и 5 (фиг. 7).
Двигатель имеет ротор 6, в состав которого входят постоянные магниты 7 и 8 и вал 9, установленный на подшипниках 10 и 11. Постоянные магниты 7 и 8, стоящие на роторе 6 также следует выполнить неодимовыми. В состав ротора 6, кроме того, входит цилиндр 12 из немагнитного материала для крепления постоянных магнитов 7 и 8 на роторе 6. Около торца ротора 6 установлен датчик магнитного потока 13, например, датчик Холла, имеющий контакты 14. В качестве датчика магнитного потока 13 может использоваться геркон. Контакты 14 (нормально разомкнутые) включены последовательно в цепь питания постоянным электрическим током статорных индуктивных обмоток 2 между ними и источником постоянного тока 3.
Официальное название датчика Холла - датчик положения на эффекте Холла. Это датчик, работающий на эффекте Холла, суть которого заключается в том, что при помещении в магнитное поле некоторого проводника с постоянным током, в этом проводнике возникает поперечная разность потенциалов. Также называет холловским напряжением. Датчик Холла весьма широко распространен в автомобилестроении, с его помощью измеряют угол положения распределительного вала, на некоторых автомобилях - угол положения коленчатого вала, на более старых автомобилях он сигнализировал о моменте ценообразования.
Геркон (сокращение от «герметичный [магнитоуправляемый] контакт») - электромеханическое устройство, представляющее собой пару ферромагнитных контактов, запаянных в герметичную стеклянную колбу. При поднесении к геркону постоянного магнита или включении электромагнита, контакты замыкаются. Герконы используются как датчики положения, концевые выключатели и т.д.
Геркон с электромагнитной катушкой составляет герконовое реле. Существуют разновидности герконов по контактной группе: с замыкающимся контактом, размыкающимся контактом и переключающимся контактом. Геркон с замыкающимся контактом - контакт разомкнут при отсутствии магнитного поля, и замыкается при наличии магнитного поля.
Геркон с размыкающимся контактом - контакт замкнут при отсутствии магнитного поля, и размыкается при наличии магнитного поля. Геркон с переключающимся контактом имеет три вывода - при отсутствии магнитного поля замкнута одна пара выводов, а при наличии магнитного поля замкнута другая пара выводов. Герконы различаются также по конструктивным особенностям. Они бывают сухими (с сухими контактами) и ртутными, в которых капля ртути смачивает контактирующие поверхности, уменьшая их электрическое сопротивление и предотвращая вибрацию пластин в процессе работы.
В двигателе может быть применена дополнительная статорная обмотка 15. Дополнительная статорная обмотка 15 размещена по траектории движения постоянных магнитов 7 и 8 ротора 6. К валу 9 может быть прикреплен маховик 16 для преодоления «мертвых точек» (механический инерциоид вращения) имеющий маховичные грузы 17 закрепленные на соединительной штанге 18.
Двигатель имеет статор 19, содержащий корпус 1, выполненный в виде полого немагнитного цилиндра с боковой стенкой 20 и торцами 21. На боковой стенке 20 или на одном из торцев 21 размещены постоянные магниты 4 и 5 и статорные индуктивные статорные обмотки 2 (фиг. 6 и 7).
Электрическая схема управления (фиг. 8 и 9) содержит регулятор тока 22 (например, широтно-импульсный прерыватель тока или другое электронное устройство). К дополнительной статорной обмотке 15 может быть присоединен выпрямитель 23, в простейшем случае обратный диод, или выпрямительный мост, к выходу которого подсоединена электрическая нагрузка 24. Один из выходов из дополнительной обмотки 15 заземлен при помощи заземления 25.
В корпусе 1 выполнены отверстия 26 для вывода концов дополнительной обмотки 15. Статорные индуктивные обмотки 2 могут быть намотаны на постоянные магниты 4 и 5 или на железный сердечник 27, который контактирует с постоянными магнитами 3 и 4 (фиг. 3 и 4)·
Возможен вариант двигателя с нагрузкой в виде электрического генератора. К валу 9 посредством муфты 28 присоединен вал 29 электрического генератора 30, к которому проводами 31 присоединен регулятор напряжения 32 с выхода электрического генератора 30, к которому присоединен электрическая нагрузка 33. Возможно торцовое расположение ротора 6 относительно статора 19 (фиг. 9).
Электрогенератор 30 закреплен на платформе 34 при помощи кронштейнов 35 (фиг. 11…13). Во втором варианте магнитоэлектрический двигатель закреплен на платформе 34 при помощи кронштейна 36. На роторе 6 закреплена ведущая шестерня 37, а на валу 29 электрогенератора 30 закреплена ведомая шестерня 38. Шестерни 37 и 38 находятся в зацеплении. На фиг. 13 приведен третий вариант устройства.
На фиг.14 и 15 приведены варианты установки магнитного датчика 13. Магнитный датчик 13 может быть установлен на боковой стенке 20 корпуса 1 (фиг. 15) или на торце 21.
При этом магнитный датчик 13 должен быть смещен на угол Δφ (угол опережения включения) относительно магнита 4 статора 19.
Обоснование оптимального угла опережения включения поясняется графиками (фиг. 16…18). На фиг. 16 приведен график изменения плеча силы создающей момент поз. 39. На фиг. 17 приведен график изменения силы притяжения магнитов ротора и статора поз. 40 и на фиг. 18 приведен график изменения момента сил создаваемых магнитами ротора и статора. При этом в так называемой верхней мертвой точке (угол φ=180 град) несмотря на максимальную силу притяжения постоянных магнитов ротора с статора из-за нулевого значения плеча рычага момент равен нулю. При этом включение обмоток возбуждения 2 необходимо выполнять с небольшим опережением из-за того, что контакты 14 срабатывают не мгновенно, а ротор обладает инерцией.
Оптимальные угол опережения включения
Δφ=7…15 град.
При этом, чем выше скорость вращения ротора 6, тем больше угол опережения включения.
Возможно выполнение угла опережения включения управляемым (фиг. 19 и 20). Для этого магнитный датчик 13 закреплен на направляющих 41 на торцовой стенке 20 с возможностью перемещения. Перемещение осуществляется приводом 42, связанным с магнитным датчиком 13. При этом привод 42 может быть ручным (например, винт) или автоматическим, например, шаговый двигатель.
Возможные варианты электрической схемы соединения электронного оборудования магнитоэлектрического двигателя приведены на фиг. 21…23. На фиг. 21 показано последовательное соединение статорных обмоток возбуждения 2, а на фиг. 22 - параллельное соединение статорных обмоток возбуждения 2. Между источником постоянного тока 2 и статорными обмотками возбуждения 2 подключены выключатель 43 и контакты 14.
Возможна установка в цепи питания статорных обмоток возбуждения 2 регулятора тока 22 выполненный в виде потенциометра 44 для регулирования крутящего момента на валу 9, скорости его вращения и мощности двигателя (фиг. 23).
РАБОТА УСТРОЙСТВА
Устройство работает следующим образом (фиг. 1…20).
Для запуска устройства предназначен автономный блок электропитания 3. С него подают электрический ток на статорные индуктивные обмотки 2 и 2-1 включив выключатель 43 (фиг. 21…23). При этом они (статорные индуктивные обмотки) нейтрализуют магнитное поле постоянных магнитов 4 и 5, установленных на роторе 6. Датчик магнитного потока 13 срабатывает пока магнит 4 не дошел на некоторое угловое расстояние Δφ (угол опережения включения) до постоянного магнита 7 и его контакты 14 замыкаются. Силы притягивания между магнитами 3 и 7 нейтрализуются, но за счет маховика 16 ротор 6 проходит «мертвую точку». Потом снова срабатывает датчик магнитного потока 13 и его контакты 14 размыкаются. Полюс «S» постоянного магнита 4 притягивается к следующему полюсу постоянного магнита 8 статора.
При необходимости уменьшить или увеличить угол опережения включения Δφ приводом 42 магнитный датчик 13 перемещают приводом 42 (фиг. 19), при этом процесс регулирования угла опережения включения может быть автоматизирован, например, в зависимости от скорости вращения вала (фиг. 20).
При необходимости регулирования момента на валу 9 используют регулятор тока 22 в виде потенциометра 44 (фиг. 23).
Применение полезной модели позволило:
- повысить КПД устройства за счет «дармовой» энергии постоянных магнитов,
- получить электроэнергию для внешнего потребителя,
- работать в автономном режиме,
- выполнять регулирование крутящего момента, скорости вращения и мощности двигателя.