БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ МОТОР-ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА
BRUSHLESS DC MOTOR-GENERATOR

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в промышленных и бытовых приборах и установках в качестве мотора-генератора постоянного тока.
Широко известны генераторы и электродвигатели постоянного тока, якорь которых снабжен коллектором и содержит совокупность обмоток, связанных с коллектором. При этом якорь вращается относительно магнитного поля, создаваемого магнитной системой статора, выполненной на основе постоянных магнитов или электромагнитов. При подаче постоянного тока через коллектор к обмоткам якоря устройство работает как двигатель, а при вращении якоря от постороннего вращающего устройства (турбина, дизельный двигатель и т.д.) устройство работает как электрогенератор постоянного тока [1-2].
Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции - индуцировании электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящимся в однородном вращающемся магнитном поле.
Однородное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, вращается вокруг своей оси в проводящем контуре (проволочной рамке) с равномерной угловой скоростью. Две равные порознь вертикальные стороны контура являются активными, так как их пересекают магнитные линии магнитного поля. Две равные порознь горизонтальные стороны контура - не активные, так как магнитные линии магнитного поля их не пересекают, магнитные линии скользят вдоль горизонтальных сторон, и электродвижущая сила в них не образуется.
В каждой из активных сторон контура индуктируется электродвижущая сила, величина которой определяется по формулам:
<mrow><msub><mi>e</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>Β</mi><mi>l</mi><mi>ν</mi><mi>sin</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><msub><mrow><mtext>  e</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msub><mo>=</mo><mi>Β</mi><mi>l</mi><mi>ν</mi><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>π</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>Β</mi><mi>l</mi><mi>ν</mi><mi>sin</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi></mrow>
,
1
2
<mrow />
где e и e - мгновенные значения электродвижущих сил, индуцированных в активных сторонах контура, в вольтах; B - магнитная индукция магнитного поля в вольт-секундах на квадратный метр (Тл, Тесла); l - длина каждой из активных сторон контура в метрах; ν=ωR - линейная скорость, с которой магнитные линии магнитного поля движутся по окружности радиусом R в метрах в секунду;
ω - угловая скорость вращения рамки, t - время в секундах; ωt и ωt+π - углы, под которыми магнитные линии пересекают активные стороны контура. Так как электродвижущие силы, индуцированные в активных сторонах контура, действуют согласно друг с другом, то результирующая электродвижущая сила, индуцируемая в контуре, будет равна e=2Blsinωt, то есть индуцированная электродвижущая сила в контуре изменяется по синусоидальному закону. При этом в реальных генераторах постоянного тока роль коллектора эквивалентна выпрямителю переменного тока с подключением к нагрузке последовательности рамок (обмоток), размещаемых на якоре генератора.
При подаче постоянного тока к коллектору якоря такое устройство работает как электродвигатель постоянного тока (обращенный режим электрогенератора) [3].
Существенным недостатком известных мотор-генераторов постоянного тока является использование в них малонадежного узла - вращающегося с якорем коллектора со щетками, скользящими по вращающейся поверхности коллектора, поскольку это приводит к искрению при переключениях тока с одной оппозитной пары ламелей коллектора на соседнюю по ходу вращения якоря оппозитную пару ламелей и, как следствие этого,  к износу как щеток, так и самого коллектора, ослаблению прижима щеток к коллектору при износе щеток. Это снижает надежность и срок безотказной работы известных коллекторных устройств. Так, часто встречающийся у автомобилистов отказ в запуске двигателя является следствием выхода из строя стартера из-за сильного износа его медно-угольных щеток, нарушающих их электрический контакт с коллектором.
Указанный недостаток известных устройств, использующих якоря с коллекторами, устранен в заявляемом техническом решении.
Целями изобретения являются упрощение устройства, повышение надежности его работы и увеличение срока его службы.
Указанные цели достигаются в бесколлекторном моторе-генераторе постоянного тока, содержащем вращающийся якорь вокруг неподвижного статора, отличающийся тем, что в качестве вращающегося якоря использована группа симметрично распределенных на окружности постоянных тороидальных магнитов, магнитные полюсы которых находятся на их плоских торцевых поверхностях и образуют прерывистый однонаправленный магнитный поток вдоль этой окружности, а в качестве неподвижного статора использована обмотка, выполненная на кольцевом каркасе круглого поперечного сечения, ось симметрии которого совпадает с осью симметрии вращающегося якоря.
Достижение указанных целей изобретения в заявляемом устройстве объясняется однонаправленным движением магнитных полей группы постоянных тороидальных магнитов якоря относительно кольцевой обмотки неподвижного статора, витки которой ортогональны вектору магнитной индукции внутри постоянных тороидальных магнитов, а также эквивалентностью движения проводника в поперечном к нему неподвижном магнитном поле и движения магнитного поля относительно неподвижного проводника, ортогонально расположенного относительно вектора магнитной индукции движущегося магнитного поля.
Работа устройства и его конструкция поясняются представленными рисунками.
На рис. 1 представлена схема возбуждения э.д.с. в прямом соленоиде 1 при движении вдоль него в том или ином направлении постоянного тороидального магнита 2, величина и знак которой регистрируется гальванометром 3.
o
На рис. 2 представлена конструкция устройства, в котором прямой соленоид 1 заменен на круглый соленоид 4 радиуса R с круглым поперечным сечением радиуса r, а во вращающемся якоре использована группа n постоянных тороидальных магнитов 5 с их разрезами на боковых поверхностях, обращенных от оси вращения якоря, используемых для пропуска плоских проводников обмотки круглого соленоида 4. Каркас группы постоянных тороидальных магнитов 5 связан траверсами 6 с осью вращения 7. Выводы неподвижного круглого соленоида подключают к электрической нагрузке 8 в случае использования устройства в качестве электрогенератора постоянного тока, ось вращения якоря которого механически соединена с турбиной или дизель-мотором 9. В случае использования заявляемого устройства в качестве электродвигателя постоянного тока к концам круглого соленоида подключают источник постоянного тока, например батарею аккумуляторов (последнее не показано на рис. 2).
Рассмотрим действие заявляемого устройства - бесколлекторного мотор-генератора постоянного тока, например, в режиме его работы как электрогенератора (рис. 2).
Предварительно обратимся к рассмотрению вопроса о возникновении постоянной по знаку э.д.с. в прямом соленоиде 1 при движении вдоль него постоянного тороидального магнита 2 в каком-то одном направлении. Заявителем опытно установлено возникновение такой э.д.с., что требует специального пояснения. Могло бы показаться, что возбуждение э.д.с. невозможно, поскольку имеет место компенсация э.д.с. одного знака в части витков соленоида с возрастающим вектором магнитной индукции (при вдвижении магнита) с э.д.с. противоположного знака в части витков соленоида с убывающим вектором магнитной индукции (при выдвижении магнита). Однако это не так, поскольку такая компенсация в результирующей э.д.с. имеет место только для краевых зон, охваченных постоянным тороидальным магнитом, движущимся с какой-то скоростью вдоль прямого соленоида, но не для той группы витков соленоида, которая испытывает движение ортогонального к виткам этих групп магнитного поля постоянной величины. Достижение этого условия обеспечивается при использовании достаточно протяженных по высоте постоянных тороидальных магнитов, внутри центральной части которых вектор магнитной индукции можно полагать неизменным по величине. Как известно, движение проводника в скрещенном постоянном магнитном поле вызывает в нем э.д.с. индукции, как об этом указывалось выше, в полном соответствии с законом об электромагнитной индукции. Такая же э.д.с, но с противоположным знаком будет возникать при движении постоянного магнитного поля относительно скрещенного к вектору поля неподвижного проводника в силу принципа эквивалентности относительного движения.
О
О
Поскольку экспериментально доказано возникновение э.д.с. в прямом соленоиде 1 по схеме рис. 1 с движением вдоль него постоянного тороидального магнита 2, то необходимо было перейти от небесконечного прямого соленоида к «бесконечному» его аналогу в виде круглого соленоида 4 с вращением вокруг него постоянного тороидального магнита, а для увеличения эффективности всего устройства использовать группу из n симметрично расположенных относительно круглого соленоида 4 постоянных тороидальных магнитов 5 с разрезами, как об этом указано выше, с осью вращения 7 такой конструкции этих магнитов, механически связанной с источником вращательного движения 9. При этом все магниты такой группы в каждый данный момент времени создают внутри круглого соленоида в его соответствующих отрезках движущееся и однонаправленное прерывистое относительно некоторой окружности магнитное поле, и эта окружность является осью симметрии круглого соленоида. Возникающие в этих участках, охваченных постоянными тороидальными магнитами, круглого соленоида э.д.с. величиной e*=kBlν складываются между собой, образуя на концах круглого соленоида результирующую э.д.с. E=nkBlν, где k - число витков круглого соленоида, для которых внутри постоянного тороидального магнита (для каждого из n магнитов группы) вектор магнитной индукции B постоянен, l=2πr, где r - радиус круглого витка круглого соленоида 4, и ν=ωR - линейная скорость движения магнитного поля вдоль круглого соленоида с радиусом R. Значение sin ωt в полученной формуле для результирующей э.д.с. E не фигурирует, поскольку в любой произвольный момент времени вектор магнитной индукции B внутри постоянных тороидальных магнитов скрещен по отношению к виткам круглого соленоида, то есть находится под углом φ=π/2=const(t), следовательно, sinφ=1, и полученная формула верна. Это обусловливает получение постоянного по знаку напряжения на концах круглого соленоида, соединенных с нагрузкой 8, то есть генерирование постоянного тока, величина которого определяется, в частности, угловой скоростью вращения ω якоря такого генератора постоянного тока.
О
О
В отличие от получения частично пульсирующего тока одного направления в известных коллекторных электрогенераторах в заявляемом устройстве индуцируется чисто постоянный ток без каких-либо пульсаций, не требующий сглаживания применением сглаживающих фильтров. Это также следует отнести к числу достоинств заявляемого устройства. Поскольку напряжение в нагрузке определяется скоростью вращения якоря электрогенератора, то такое устройство можно использовать как измеритель скорости вращения (как тахогенератор). Действительно, E=2πnkBrRω=αω, где α=2πnkBrR - некоторая размерная константа (определяемая в вольт-секундах) при заданной геометрии устройства и заданной индукции B используемых одинаковых постоянных тороидальных магнитах.
Литература
1. Справочник по средствам автоматики, под ред. В.Э. Низе и И.В. Антика, М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 353-358.
2. Хрущев В.В., Электрические микромашины автоматических устройств. Л., Высшая школа, 1976, с. 384.
3. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы: Учебник для вузов. - СПб: «Питер», 2008. - С. 320.