БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
BRUSHLESS DC MOTOR

Известные двигатели постоянного тока, содержащие ротор с коллектором и щеткодержателями, а также статор, обладают способностью изменять скорость вращения ротора в широких пределах при изменении питающего напряжения, что относится к преимуществам таких двигателей, но при этом имеют существенный недостаток, связанный с низкой надежностью работы коллектора, вызывающий искрение в щеткодержателях. Кроме того, наличие переходных процессов тока в обмотках ротора не позволяет оптимизировать быстроходность вращения ротора.
Указанные недостатки устранены в заявляемом техническом решении.
Целями изобретения являются значительное упрощение конструкции и увеличение надежности и долговечности ее работы без коллектора, а также возможность существенного повышения скорости вращения ротора двигателя.
Указанные цели достигаются в заявляемом бесколлекторном двигателе постоянного тока, содержащем вращающийся ротор с рабочей обмоткой и неподвижный статор, отличающимся тем, что рабочая обмотка ротора выполнена на цилиндрическом стакане с осью вращения, выполненном из немагнитного материала, в форме «беличьего колеса», то есть намотанная виток к витку по наружной части цилиндрического стакана, внутри которого размещен неподвижно плоский, неодимовый магнит со скругленными магнитными полюсами, образующий с магнитопроводящим цилиндрическим статором оппозитно расположенную пару магнитных зазоров, внутри которых находится цилиндрический стакан с его рабочей обмоткой, концы которой соединены с насаженными на оси его вращения токосъемными кольцами, с которыми контактируют подпружиненные щетки, установленные в закрепленном на токосъемной крышке двигателя щеткодержателе, при этом цилиндрический стакан снабжен закрепленной на нем крышкой из немагнитного материала с укороченной втулкой вращения, связанной через подшипник с втулкой на боковой крышке двигателя, а также через другой подшипник с осью жесткого крепления неодимового магнита на боковой крышке двигателя контргайкой на концевой части этой оси с резьбой, другая укороченная ось жесткого крепления неодимового магнита через подшипник связана с втулкой, выполненной на днище цилиндрического стакана и переходящей в ось вращения ротора двигателя, которая также через подшипник связана с втулкой на токосъемной крышке двигателя.
Достижение поставленных целей изобретения объясняется исключением из конструкции двигателя коллектора - основной ненадежной его детали, его заменой на пару скользящих контактов, а повышение скорости вращения ротора объясняется отсутствием переходных процессов, характерных для коллекторных двигателей, При этом в рабочей обмотке протекает ток непрерывно во времени при заданном напряжении питания и заданной нагрузке (без переходных процессов), что позволяет существенно увеличить скорость вращения ротора до квазигироскопических скоростей (а заодно и мощность и КПД двигателя) повышением питающего напряжения.
На рис. 1-3 приведены различные сечения конструкции заявляемого двигателя.
На рис. 1 дан боковой разрез двигателя, включающего следующие элементы и узлы:
1 - плоский неодимовый магнит со скругленными магнитными полюсами,
2 - магнитопроводящий цилиндрический статор,
3 - рабочую обмотку статора в форме «беличьего колеса»,
4 - цилиндрический стакан с осью вращения из немагнитного электропроводящего материала, например, Д-16,
5 - крышку цилиндрического сткана с укороченной втулкой вращения из немагнитного материала,
6 - токосъемную крышку двигателя,
7 - боковую крышку двигателя с неподвижной втулкой, обращенной во внутрь двигателя,
8 - контргайку жесткого крепления оси неодимого магнита 1; на этой оси имеется резьба,
9 - щеткодержатель с парой подпружиненных к кольцевым контактам 10 и 11 щеток,
10 - изолированный от оси вращения ротора кольцевой (например, медный) контакт, подключенный с началом рабочей обмотки ротора,
11 - касающийся оси вращения ротора кольцевой (например, медный) контакт,
12 - электроды подключения двигателя к источнику питания,
13 - электрически закрепленный на цилиндрическом стакане 4 конец рабочей обмотки 3,
14 - один их четырех подшипников двигателя.
П
На рис. 2 показана часть фронтального разреза двигателя со следующими размерами: R - радиус рабочей обмотки 3, r - радиус скруглений магнитных полюсов N и S плоского неодимового магнита 1 с осями его неподвижного крепления, Н - ширина магнита 1 при заданной его длине L (не указана на рис. 1), Δ - магнитные зазоры между магнитными полюсами магнита 1 и цилиндрического магнитопровода статора 2, внутри которых располагается цилиндрический стакан 4 с рабочей обмоткой 3 ротора с воздушными зазорами от магнитных полюсов и цилиндрического статора (неподвижных частей двигателя).
На рис. 3 показана выборочно организация намотки проводника рабочей обмотки 3 в форме «беличьего колеса» на поверхности цилиндрического стакана в сборе с неодимовым магнитом 1 и крышкой 5 с ее втулкой. Так, начальный первый проводник огибает втулку крышки 5 и далее идет по сплошной стрелке на противоположный конец этой крышки, занимая положение n/2, где n - число витков в рабочей обмотке 3. Затем показано направление шестого проводника, огибающего втулку крышки 5 и занимающего место (n/2)+5 на противоположном конце стакана 4. Наконец, одиннадцатый поводник, огибая втулку крышки 5, идет далее по прерывистой стрелке на место за номером (n/2)++10, и т.д. Таким способом осуществляется намотка n витков рабочей обмотки 3. Все проводники рабочей обмотки 3 также огибают втулку на днище цилиндрического стакана.
Рассмотрим работу заявляемого двигателя.
П
Как видно на рис. 2, в двух магнитных зазорах шириной Δ каждый располагается по р частей витков рабочей обмотки 3, общее число которых равно n=2πR/d, где d - диаметр проводника рабочей обмотки при ее плотной намотке виток к витку. При известных значениях ширины Н неодимового магнита 1 и радиусе закругления r его магнитных полюсов легко вычисляется угол взаимодействия магнитного поля с р отрезками витков рабочей обмотки 3, то есть с прямыми проводниками длиной L, Этот радиальный угол α вычисляется по следующей формуле:
Длина дуги  на рабочей обмотке 3, охватываемая магнитным полем с индукцией В, легко вычисляется из выражения:
∑
и на этой длине дуги размещается р отрезков проводника длиной L каждый, где  Тогда полная длина проводника рабочей обмотки 3 в любой момент времени при вращении ротора, охваченного магнитным полем с магнитной индукцией В в двух магнитных зазорах, равна L согласно выражениям (1) и (2):
∑
Согласно закону об электромагнитной индукции (правило левой руки) в скрещенном к магнитному полю с индукцией В прямом проводнике длиной L с протекающем по нему током J возникает поперечная к проводнику сила Лоренца F, значение которой находится по формуле:
Рассмотрим пример одной из возможных реализаций двигателя.
П
П
*
*
∑
∑
*
*
*
М
*
2
2
1/2
2
Пусть L=0,1 м, Н=2r/3, d=2 мм, R=0.06 м, В=1.3 Тл и J=30 А, Тогда имеем для α=arctg{1/[4r/Н+1]}=arctg 0.3162=0,30625 рад. При этом р=Rα//d=2600,30625/2≈18, следовательно, L=2pL=3,6 м. Тогда легко находим полную касательную Лоренцеву силу, действующую в любой момент времени на рабочую обмотку 3, равную F=BLJ=1,33,630=140,4 ньютон. При R=0,06 м вращательный момент W=FR=140,40,06=8,414 Дж. При скорости вращения выходной оси ротора f=50 об/сек, то есть при ω=314 рад/сек получаем механическую мощность двигателя Р=8.414314=2644 Вт. При этом плотность тока в медном проводнике выбирается порядка 10 А/мм, что допустимо. Магнитные зазоры Δ можно вырать равными 8 мм, так что между полюсами магнита 1 и внутренней стенкой цилиндрического стакана 4, а также между наружной кромкой проводника рабочей обмотки 3 и магнитопроводящим цилиндром 2 статора образуются воздушные зазоры по 2 мм, и при этом толщина стенки цилиндрического стакана 4 составляет также 2 мм.
При вращении ротора в его рабочей обмотке возникает э,д,с. индукции с обратным знаком полярности по сравнению с полярностью питающего напряжения U источника постоянного тока. Величину возникающей э.д.с. Е находят из известного соотношения:
*
*
*
*
*
*
O
O
*
2
При подстановке в (5) указанных выше величин, имеем Е=-1,33,63140,06=-88,16 В. То есть напряжение питания U при этом должно несколько превышать по модулю величину Е. Это превышение ΔU=ρJ, где ρ - активное сопротивление всей рабочей обмотки 3 с ее выводами, которое определяется для медного проводника как ρ=0,017 Ом.м/мм×(полную длину обмотки с выводами в метрах)/(сечение медного проводника в кв.мм.). Полное число витков рабочей обмотки n=2πR/d=6,2860/2=188 витков. Длина одного витка равна 2(101+37)=276 мм, а полная длина рабочей обмотки 3 равна 0,276188=52 м С учетом выводов принимаем длину проводника равной 52,2 м. Тогда сопротивление в цепи ротора будет равно 0.01752,2//3,14=0,283 Ом. При токе J=30 А получаем ΔU=8,48 В. Следовательно, напряжение источника питания на выходных клеммах 12 двигателя должно быть равно U=ΔU+|Е|=8,48+88,16=96,64 В. При этом потребляемая мощность P составляет P=96,6430=2899 Вт. Тогда КПД двигателя в таком режиме равен η=2544/2899=0,877.
Отметим, что с увеличением питающего напряжения U будет расти мощность и КПД такого двигателя, поскольку ΔU=const(ω), что весьма существенно отличает его от коллекторных двигателей постоянного тока. Поэтому предлагаемый двигатель может найти широкое распространение в технике.