РЕПУЛЬСИОННЫЙ БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
REPULSION COMMUTATOR-FREE ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к электрическим машинам, конкретно к электродвигателям, и может быть использовано на промышленных предприятиях. Известен тиристорный асинхронный электропривод (а.с. СССР №357656), который включает асинхронный электродвигатель, подключенный к электронному устройству.
Недостаток этого устройства в том, что тиристорная система управления полностью не решает вопрос увеличения начального момента асинхронного двигателя. Момент асинхронного двигателя прямо пропорционален квадрату приложенного напряжения. Тиристорная система управления не устраняет этот недостаток.
Известна также униполярная электрическая машина (см. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. «Электрические машины». Ч.1. Л.: Энергия, 1972. С.318-319), имеющая ротор, электромагниты и скользящие контакты.
Недостатком этой машины является то, что она работает при большом токе, а передача больших токов на расстояние требует увеличения сечения провода в электрической сети и связана со значительной потерей энергии и металла.
Известен однофазный асинхронный двигатель (см. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. «Электрические машины». Ч.2. М.-Л.: Энергия, 1965. С.562-564), имеющий статор, ротор, однофазную обмотку на статоре и беличью клетку на роторе.
Недостатком этого двигателя является то, что при снижении скорости вращения ротора до нуля крутящий момент также падает до нуля, а при вращении двигателя с синхронной скоростью его крутящий момент приобретает отрицательное значение.
Известен репульсионный бесколлекторный электродвигатель с одной обмоткой на статоре и комплектом щеток, являющихся частью замкнутых проводящих контуров (см. патент RU 2304838 C2), который взят за прототип.
Репульсионный бесколлекторный электродвигатель имеет статор с однофазной обмоткой на нем, ротор с беличьей клеткой, перемычки которой выполнены в виде контактных колец, и замкнутые проводящие контуры, закрепленные на статоре, щетки которых примыкают к контактным кольцам.
Недостатком репульсионного бесколлекторного электродвигателя является наличие контактных колец и щеток, за состоянием которых необходимо следить, что увеличивает эксплуатационные расходы. Наличие щеток также снижает надежность работы электродвигателя. Для осуществления реверса этой машины требуется дополнительная затрата времени.
Цель предлагаемого изобретения - повышение надежности работы и обеспечение экономичной эксплуатации электродвигателя за счет изготовления его репульсионным при исключении механического устройства, подводящего питание к ротору.
Этот технический результат достигается за счет того, что статор имеет два магнитопровода, оси симметрии которых параллельны друг другу и перпендикулярны оси вращения ротора, полюсы одного магнитопровода лежат на его оси симметрии, другой магнитопровод кольцеобразен, имеет одну пару полюсов с внутренней стороны кольца, угол между осью симметрии каждого полюса и осью симметрии магнитопровода находится в пределе от 15° до 75°. На этих полюсах размещена обмотка в виде катушки, навитой по спирали. С противоположной от полюсов части магнитопровода находится обмотка, представляющая собой катушку, навитую по спирали. Эти обмотки соединены между собой таким образом, что направление их навивки одно и то же. Между полюсами магнитопроводов находится ротор.
На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого электродвигателя.
На фиг.2 - разрез А-А фиг.1.
На фиг.3 - разрез Б-Б фиг.1.
Репульсионный бесколлекторный электродвигатель содержит корпус 1, в который заведен статор 2, состоящий из магнитопровода 3 и магнитопровода 4. Магнитопровод 3 имеет кольцеобразную форму. На его оси симметрии выполнены полюсы 5 с размещенной на них однофазной обмоткой возбуждения 6, представляющей собой катушку, навитую по спирали. Магнитопровод 4 имеет кольцеобразную форму. Нижняя часть магнитопровода 4 шире верхней. За счет этого увеличены внешние габариты в нижней части магнитопровода 4. Нижняя часть магнитопровода 4 упирается противоположными сторонами в бурт 7 корпуса 1 и в крышку 8, заведенную в корпус 1. В верхней части магнитопровода 4 размещена обмотка индукции 9, представляющая катушку, навитую по спирали. Между корпусом 1 и обмоткой индукции 9 находится зазор 10. В нижней части магнитопровода 4 выполнены полюсы 11. Угол α между осью симметрии магнитопровода 4 и осями симметрии полюсов 11 находится в пределе от 15° до 75°. На полюсах 11 размещена обмотка блокировки 12, представляющая собой катушку, навитую по спирали. Между полюсами 5 и полюсами 11 находится ротор 13. В роторе 13, а также между магнитопроводом 3 и магнитопроводом 4 имеется пространство 14. В нем частично размещены обмотка возбуждения 6, обмотка индукции 9 и обмотка блокировки 12. Расстояние между обмоткой возбуждения 6 и обмоткой индукции 9 находится в пределах от 1 мм до 10 мм. Пространство 14 делит ротор 13 на часть ротора 15 и часть ротора 16. Ширина части ротора 15 равна ширине магнитопровода 3, а части ротора 16 - ширине магнитопровода 4. Часть ротора 15 вместе с магнитопроводом 3 составляют магнитопровод 17. Часть ротора 16 вместе с полюсами 11 и участком 18 магнитопровода 4, находящимся между полюсами 11, представляет собой магнитопровод 19. Магнитопровод 19 охватывает пространство 20. Магнитопровод 4 без полюсов 11, но вместе с участком 18 составляют магнитопровод 21. Магнитопровод 21 без участка 18, но вместе с полюсами 11 и частью ротора 16 охватывает пространство 22. Магнитопровод 21 охватывает пространство 23. На роторе 13 размещена беличья клетка 24, состоящая из проводящих стержней 25 и проводящих перемычек 26. Ротор 13 имеет вал 27, который заведен в подшипники 28, установленные в крышке 8 и крышке 29, заведенных в корпус 1. Обмотка индукции 9 и обмотка блокировки 12 соединены между собой таким образом, что имеют одно и то же направление намотки их витков. Оси симметрии магнитопровода 3 и магнитопровода 4 параллельны между собой и перпендикулярны оси вращения ротора 13.
l
1
1
2
1
1
1
1
2
1
1
Репульсионный бесколлекторный электродвигатель работает следующим образом. Обмотка возбуждения 6, обмотка индукции 9 и обмотка блокировки 12 подключаются к электрической сети, в результате чего возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле состоит из переменного магнитного и вихревого электрического полей. Переменное магнитное поле сосредоточивается в основном в магнитопроводе 17, магнитопроводе 19 и магнитопроводе 21. Вихревое электрическое поле циркулирует как внутри этих магнитопроводов, так и в пространстве, к ним примыкающем. Вихревое электрическое поле, воздействуя на электроны, находящиеся в беличьей клетке 24, вызывает циркуляцию индукционного тока в ней. В части ротора 15 напряженность вихревого электрического поля вдоль стержней 25 равна нулю в месте нахождения ее вертикальной оси симметрии и увеличивается прямо пропорционально увеличению расстояния от этой оси симметрии. В крайних точках части ротора 15, на его горизонтальной оси симметрии, величина напряженности вихревого электрического поля максимальна. По обе стороны от вертикальной оси симметрии части ротора 15 направление вектора напряженности вихревого электрического поля одно и то же, а с противоположных сторон от этой оси направление вектора напряженности вихревого электрического поля противоположно. В месте нахождения перемычки 26 на части ротора 15 величина напряженности вихревого электрического поля максимальна. Воздействием вихревого электрического поля на электроны в стержнях 25, находящихся в пространстве 14, можно пренебречь, поскольку угол между вектором напряженности вихревого электрического поля и стержнями 25 равен или примерно равен 90°. Поскольку  то э.д.с. индукции в беличьей клетке 24, расположенной в части ротора 15, будет тем больше, чем больше величина E воздействует на электроны стержней 25 и чем длиннее перемычка 26, соединяющая стержни 25. Знак э.д.с. обусловлен направлением вектора напряженности вихревого электрического поля. Э.д.с., индуцированной в стержнях 25, расположенных в пространстве 14, можно пренебречь. Беличья клетка 24, находящаяся в части ротора 16, расположена в зоне действия вихревых электрических полей, связанных с обмоткой индукции 9 и обмоткой блокировки 12. Стержни 25, расположенные на горизонтальной оси симметрии части ротора 15, соединяются перемычкой 26 максимальной длины. С уменьшением расстояния от стержней 25 до вертикальной оси симметрии части ротора 15 уменьшаются и проекции длины участков перемычки 26, соединяющих стержни 25, на горизонтальную ось симметрии части ротора 15. Поскольку величина напряженности вихревого электрического поля возрастает прямо пропорционально увеличению расстояния от вертикальной оси симметрии части ротора 15 до стержней 25, а проекция длины перемычки 26 на горизонтальную ось симметрии части ротора 15 будет максимальна, когда перемычка 26 соединяет стержни 25, находящиеся на горизонтальной оси симметрии части ротора 15, то в этом случае э.д.с. индукции в контуре, образованном стержнями 25, лежащими на горизонтальной оси симметрии части ротора 15, и перемычкой 26, их соединяющей, будет максимальной. По мере сужения этого контура э.д.с. индукции в нем будет уменьшаться прямо пропорционально уменьшению расстояния от вертикальной оси симметрии части ротора 15 до стержней 25. При этом э.д.с. индукции в контурах будет обозначена знаком (+) по правую сторону от вертикальной оси симметрии части ротора 15 и знаком (·) по ее левую строну. В стержнях 25, расположенных на вертикальной оси симметрии части ротора 15, э.д.с. не индуцируется, а суммарная э.д.с. в перемычке 26, их соединяющей, также равна нулю. Вихревое электрическое поле, возникающее при работе обмотки индукции 9 и обмотки блокировки 12, сосредоточивается в пространстве 20 и пространстве 22, а также в магнитопроводе 19 и магнитопроводе 21. Переменное магнитное поле, сосредоточенное в магнитопроводе 19 и магнитопроводе 21, циркулирует в одном и том же направлении. Значит, вихревые электрические поля, которые неразрывно связаны с этими переменными магнитными полями, будут также циркулировать в одном и том же направлении. Переменное магнитное поле, сосредоточенное в магнитопроводе 21, превратившись в вихревое электрическое поле, не может равномерно распределиться в пространстве 23. Ему препятствует вихревое электрическое поле, связанное с магнитопроводом 19. Таким образом, переменное магнитное поле, сосредоточенное в участке 18, превратившись в вихревое электрическое поле, концентрируется в пространстве 20. Там же сосредоточивается вихревое электрическое поле, порожденное переменным магнитным полем, циркулирующим в магнитопроводе 19. Концентрация вихревого электрического поля в пространстве 20 приводит к тому, что плотность энергии этого поля в пространстве 20 будет выше, чем в пространстве 22, а поскольку , то и напряженность вихревого электрического поля в пространстве 20 также больше, чем в пространстве 22. Под воздействием вектора напряженности вихревого электрического поля большей величины оказываются те стержни 25, находящиеся в части ротора 16, которые расположены ближе к пространству 20. Угол между стержнями 25, находящимися в пространстве 14, и векторами напряженности вихревых электрических полей, циркулирующих относительно магнитопровода 19 и магнитопровода 21, примерно равен 90°. Этим воздействием на стержни 25 можно пренебречь. Угол между перемычкой 26, расположенной на части ротора 16, и векторами напряженности вихревых электрических полей, циркулирующих относительно магнитопровода 19 и магнитопровода 21, меняется от нуля до 90°. Согласно формуле  максимальная э.д.с. индуктируется в контуре из стержней 25, находящихся на вертикальной оси симметрии части ротора 16, и перемычкой 26. В этом случае будет наибольшей разница между величинами напряженности вихревых электрических полей в верхней и нижней частях по вертикальной оси симметрии части ротора 16. Индуцированная в перемычке 26 э.д.с. в этом случае также будет максимальной. При приближении стержней 25 части ротора 16 к его горизонтальной оси симметрии разница по величине напряженностей вихревых электрических полей, воздействующих на эти стержни 25, будет уменьшаться. Уменьшится также э.д.с. индукции на участках перемычки 26, соединяющей данные стержни 25. Таким образом, если на стержнях 25, которые вместе с перемычками 26 образуют контуры, изобразить знаки э.д.с. индукции, то когда (+) наносятся на стержни 25, находящиеся выше горизонтальной оси симметрии части ротора 16, тогда ниже этой оси на стержне 25 наносятся (·). При работе обмотки индукции 9 создается переменный магнитный поток Ф, а при работе обмотки блокировки 12 возникает переменный магнитный поток Ф. На участке 18 переменные магнитные потоки Ф и Ф соединяются друг с другом, образуя переменный магнитный поток Ф=Ф+Ф. Э.д.с., индуцированная в беличьей клетке 24 на части ротора 16, окажется , поскольку в пространстве 20 блокируется вихревое электрическое поле, порожденное переменным магнитным потоком Ф, который распространяется по участку 18. Э.д.с., индуцированные в различных частях беличьей клетки 24, суммируются между собой. Возникшая трансформаторная э.д.с. вызывает циркуляцию индукционного тока в беличьей клетке 24. Поскольку знаки э.д.с. индукции в беличьей клетке 24, размещенной в части ротора 15 и части ротора 16, сдвинуты относительно друг друга на 90°, то циркуляция индукционного тока в беличьей клетке 24 осуществляется таким образом, что направление этого тока по одну сторону от оси, наклоненной под углом β к горизонтальной оси симметрии ротора 13, обозначается (·), а по другую сторону - (+). Если пренебречь потерями в стали и меди, то трансформаторная э.д.с. отстает по фазе от переменных магнитных потоков обмотки возбуждения 6 и обмотки блокировки 12 на 90°. Индукционный ток отстает по фазе от трансформаторного э.д.с. на 90° и на 180° от этих переменных магнитных потоков. Поскольку потери в электродвигателе невелики, то отставания по фазе индукционного тока от магнитного потока будут примерно такими же, как и в идеальных условиях. Взаимодействие переменных магнитных полей обмотки возбуждения 6 и обмотки блокировки 12 с индукционным током обусловливает возникновение силы Лоренца. Согласно правилу левой руки сила, действующая на индукционный ток, текущий в стержнях 25, находящихся в части ротора 15 выше его горизонтальной оси симметрии, будет иметь одно и то же направление. А сила, действующая на индукционный ток, текущий в стержнях 25, находящихся по другую сторону от этой оси, будет иметь противоположное направление. В результате этого появляется крутящий момент М, имеющий одно и то же направление. Действие силы Лоренца в части ротора 16 вызывает появление крутящего момента М. Согласно правилу левой руки направление крутящего момента М будет противоположным по отношению к крутящему моменту М. А величина М>М поскольку . Таким образом, возникает крутящий момент М=М-М, который действует на ротор 13. Поскольку переменные магнитные потоки обмотки возбуждения 6 и обмотки блокировки 12, а также индукционный ток одновременно меняют свое направление, то направление крутящего момента остается неизменным и ротор 13 придет во вращение. Трансформаторная э.д.с. не возникает и не исчезает мгновенно. При вращении ротора 13 участки беличьей клетки 24 с индуцированными в них э.д.с. переносятся в пространстве. В результате меняется ориентация по отношению к магнитным потокам обмотки возбуждения 6 и обмотки блокировки 12 циркулирующего в беличьей клетке 24 индукционного тока. Поэтому угол β уменьшается, что приводит к увеличению М и уменьшению М. При вращении ротора 13 в магнитных потоках обмотки возбуждения 6 и обмотки блокировки 12 возникает э.д.с. вращения противоположного знака по отношению к трансформаторной э.д.с. Поскольку э.д.с. вращения возрастает прямо пропорционально скорости вращения ротора 13, то разница по величине между трансформаторной э.д.с. и э.д.с. вращения будет убывать обратно пропорционально скорости вращения ротора 13. В такой же пропорции уменьшается индукционный ток, циркулирующий в беличьей клетке 24. Так как сила Лоренца прямо пропорциональна величине магнитного потока и тока, на который действует магнитный поток, то крутящий момент электродвигателя также будет пропорционален величине магнитного потока обмотки возбуждения 6 и силе индукционного тока, циркулирующего в беличьей клетке 24. А поскольку индукционный ток уменьшается обратно пропорционально скорости вращения ротора 13, то в такой же пропорции будет уменьшаться и крутящий момент электродвигателя. Реверс электродвигателя осуществляется либо путем переключения обмотки возбуждения 6, либо путем переключения соединенных между собой обмотки индукции 9 и обмотки блокировки 12. Крышка 8 и крышка 29 являются опорами для подшипников 28, на которые опирается вал 27. Между буртом 7 и крышкой 8 крепится магнитопровод 4. Зазор 10 предотвращает контакт между корпусом 1 и обмоткой индукции 9.
Таким образом, электродвигатель имеет характеристики, близкие к характеристикам репульсионного бесколлекторного двигателя с одной обмоткой на статоре, контактными кольцами и комплектом щеток. Но в предлагаемом электродвигателе отсутствуют контактные кольца и щетки; в результате повышается надежность его работы и снижаются расходы по обслуживанию двигателя. Кроме того, формулой  нельзя пользоваться на практике, поскольку сведения о величине и направлении вектора напряженности вихревого электрического поля в различных точках пространства, где это поле циркулирует, крайне малы. С другой стороны, не уделяется внимание изучению вихревого электрического поля потому, что эта теория мало используется в практических целях. Таким образом, возник замкнутый круг, существующий на протяжении многих десятилетий. Наличие данного изготовленного электродвигателя, который при включении его в электрическую сеть самостоятельно пришел во вращение, может послужить толчком для разрыва сложившегося замкнутого круга.