ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С КОСЫМИ МАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель является устройством и относится к электрическим машинам. Более конкретно к электродвигателям.
Уровень техники
Известны различные конструкции (аналоги) электродвигателей (ЭД):
Асинхронные ЭД. В асинхронных машинах преобразование энергии происходит при несинхронном (асинхронном) вращении ротора и магнитного поля статора. В двигательном режиме разница частот вращения ротора и поля статора в большинстве случаев невелика и составляет лишь несколько процентов [1, с. 150];
Синхронные ЭД. В синхронных машинах преобразование энергии происходит при синхронном вращении ротора и магнитного поля статора. Синхронные двигатели предназначены для привода механизмов, не требующих регулирования частоты вращения, таких, как компрессоры, насосы, шаровые мельницы, вентиляторы, двигатель-генераторные установки и т.п. [1, с. 261];
Электрические машины постоянного тока. Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Вращающаяся часть машины состоит из, укрепленных на валу, якоря и коллектора. [2, с. 27].
Известна также конструкция шаговых электродвигателей [3, с. 46], принцип действия которых следующий: ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора (магнита); последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора. При этом момент, вращающий ротор, создается за счет сил взаимного притягивания или отталкивания соответствующих полюсов ротора и полюсов электромагнита статора, включенных в данный момент. При этом полюса ротора, как и статора, могут быть электромагнитами. Указанная конструкция принимается в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является следующее: магнитопровод от полюса статора и ротора при всех его положениях перпендикулярны оси вращения ротора, то есть не используется вращающий момент от силы притяжения между магнитными полями полюсов.
В предлагаемой полезной модели представлено техническое решение, позволяющее увеличить вращающий момент на валу ЭД с косыми магнитными полями не менее чем два раза, по сравнению с вращающим моментом на валу ЭД с прямыми магнитными полями.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является создание ЭД с косыми магнитными полями, который должен обладать большим моментом на валу, по сравнению с существующими аналогами, при таких же габаритах ЭД и потребляемой мощности.
Технический результат состоит в увеличении момента на валу ЭД с косыми полями более чем вдвое по сравнению с имеющимися аналогами с прямыми магнитными полями (см. фиг. 3).
Такое увеличение момента на валу ЭД позволяет создавать двигатели с меньшей металлоемкостью и с меньшими габаритными характеристиками при заданной потребляемой мощности.
Технический результат достигается тем, что:
в предлагаемой конструкции оси симметрии полюсов магнитопровода и статора, и ротора не пересекают ось вала вращения ротора, т.е. не находятся в плоскости, проходящей через ось вращения ротора;
значение момента вращения на валу ротора, создаваемое силой взаимодействия магнитного поля от полюса статора с магнитным полем от полюса ротора, зависит от угла наклона оси симметрии полюса ротора, а также и от угла наклона оси симметрии полюса статора, от плоскости, проходящей через ось вращения вала ротора;
для увеличения момента вращения на валу ротора используется составляющая силы, направленная по касательной к поверхности торца полюса магнитопровода ротора, возникающей от силы осевого (соосного) взаимодействия между магнитным полем от полюса статора и магнитным полем от полюса ротора;
экспериментально доказано, что суммарный вращающий момент на валу ЭД с косыми магнитными полями может быть не менее чем вдвое больше, чем вращающий момент на валу в ЭД с прямыми магнитными полями (см. фиг. 3).
Краткое описание чертежей
1
2
2
На фиг. 1 схематично изображена конструкция прототипа ЭД. Из рисунка видно, что оси магнитопровод полюсов статора и ротора (якоря) при любом положении ротора всегда расположены перпендикулярно оси вращения ротора. При такой конструкции ЭД вращающий момент на валу ЭД при подходе полюса ротора к соосному положению с полюсом статора зависит только от горизонтальной силы F, так как вертикальная сила F не создает момент. В момент положения ротора, когда положение полюсов статора и ротора соосно сила F вообще равна нулю.
2
1
1
2
1
2
На фиг. 2 схематично изображена конструкция заявленного на получение патента ЭД с косыми магнитными полями. Из рисунка видно, что полюса статора и ротора (якоря) расположены под углами, соответственно, ϕ и ϕ к перпендикуляру от оси вала ротора. При такой конструкции ЭД суммарный момент зависит не только от силы F, но и от силы F. Вектор суммарной силы, создающий крутящий момент на валу ЭД, равен векторной сумме F+F.
1
2
На фиг. 3 представлен график экспериментальной зависимости момента от суммарной силы, действующей на имитатор якоря (ротора) в зависимости от угла ϕ=ϕ=ϕ. Из фиг. 3 видно, что уже при угле ϕ=30° момент равен 0,506 кгс⋅см, а при угле ϕ=0° момент составляет 0,234 кгс⋅см. Доказано, что момент на валу ЭД с косыми магнитными полями более чем вдвое больше, чем момент в аналоге ЭД с прямым полем.
Осуществление полезной модели
ЭД с косыми магнитными полями имеет следующие составляющие (см. фиг. 2): статор с полюсами, ротор (якорь) с полюсами.
Работа ЭД указанной конструкции осуществляется следующим образом: электрическое напряжение подается в виде импульса на соответствующие электромагниты полюсов статора. Возникающее магнитное поле соответствующих полюсов статора, взаимодействуя с магнитным полем соответствующих полюсов ротора, создает момент силы, действующей на ротор. Под действием момента ротор осуществляет поворот на некоторый заданный в конкретной реализации конструкции ЭД угол. После этого электрическое напряжение переключается на следующие полюса статора, тем самым заставляя ротор далее вращаться.
Длительность импульса подачи напряжения на полюса статора, взаимное расположение полюсов статора и ротора, количество полюсов статора и ротора определяется расчетным путем с учетом результатов эксперимента (см. фиг. 3).
Литература
1. Проектирование электрических машин. Под редакцией И.П. Копылова - М.: Энергия, 1980. - 438 с., ил.
2. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. - 3-е изд., перераб. - Л.: Энергия, 1978. - 832 с., ил.
3. Москаленко В.В. Электродвигатели специального назначения. - М.: Энергоиздат, 1981. - 104 с., ил. - (Б-ка электромонтера. Вып. 522).