Электродвигатель постоянного тока с кольцевым коллектором

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к электродвигателям постоянного тока, и может быть использована в бытовой технике и промышленных механизмах.
Известен электродвигатель постоянного тока с пластинчатым коллектором [1], состоящий из станины и якоря с обмотками, а также щеточным присоединением с пластинчатым коллектором обмотки якоря электродвигателя с источником питания.
Недостатком [1] является уменьшение моторесурса из-за износа щеток пластинчатого коллектора и замыкания пластин пластинчатого коллектора, а также образования высокочастотных помех.
Известен электрический двигатель постоянного тока [2], который имеет статор, состоящий из двух симметричных частей, к каждой из которых крепится катушка возбуждения. Якорь, который закреплен на валу и расположен между двумя частями статора, он имеет обмотку и вращается в магнитных полях катушек возбуждения, не перемагничиваясь. Обмотка якоря намотана цельным проводником, и поэтому пластинчатый коллектор отсутствует, поскольку заменен на два контактных кольца, которые жестко закреплены и изолированы на валу.
Недостатком [2] является то, что электромагнитное поле якоря имеет векторное направление, согласное с векторным направлением электромагнитного поля с одной частью двух симметричных частей обмотки статора, с другой частью встречное, и, как следствие, якорь испытывает разнонаправленные электромагнитные усилия. Это явление снижает энергоэффективность и кпд электродвигателя.
Наиболее близким к заявленному техническому решению, прототипом, является электродвигатель постоянного тока с кольцевым коллектором [3], состоящий из станины с полюсами с обмоткой возбуждения и якоря с обмоткой, и на валу якоря имеется коллектор из двух колец с соответствующими щетками, через которые присоединен к источнику постоянного тока с изменяющимся периодически направлением тока с помощью тиристорного ключа, который управляется датчиком положения обмотки.
Недостатком [3] является то, что прототип усложнен наличием датчика, определяющего положения обмотки якоря относительно статора.
Целью предлагаемого технического решения является повышения моторесурса, энергоэффективности и надежности за счет отсутствия датчиков и пластинчатого коллектора.
Цель предлагаемого технического решения достигается тем, что электродвигатель постоянного тока имеет статор, закрепленный к корпусу с обмотками в долевых пазах во внутренней полости, и якорь, закрепленный на валу с обмоткой в пазу, в средней части по окружности, оба конца обмотки якоря выведены по валу и подключены  соответственно к первому и второму изолированным контактным кольцам, предусмотренным на валу. Катушечная обмотка якоря при этом размещена в средней части якоря в предусмотренном по окружности пазу, имеющем глубину до 0,5 радиуса и ширину 0,33 длины якоря. По внутренней окружности статора предусмотрены пазы с определенным шагом по окружности и по длине от лобовых торцов до средней части статора, причем оси пазов от правого и левого лобовых торцов смещены друг от друга, а в средней части имеют общий паз по окружности внутренней полости статора. Обмотки в пазах статора представляют собой пакеты изолированных проводов, соединенных между собой в лобовых обоих торцах с помощью соответствующих, дополнительно предусмотренных первым шунтирующим шлейфовым проводником, и в средней части все концы проводников пазовых обмоток также соединены между собой вторым шунтирующим шлейфовым проводником, предусмотренным в пазу. Причем первый шунтирующий шлейфовый проводник лобовых обоих торцов присоединен к одному полюсу своего источника питания, а второй шунтирующий шлейфовый проводник, предусмотренный в пазу, что по внутренней окружности в средней части статора, подключен к другому полюсу этого источника питания.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется на фигурах 1 и 2, где
1 - клеммник от источника питания;
2 - статор электродвигателя;
3 - обмотка на статоре, в пазах, что в створе оси вала;
4 - обмотка якоря в пазу, что по окружности в средней части;
5 - якорь электродвигателя;
6 - вал электродвигателя;
7 - подшипник вала;
8 - контактные кольца на валу (контактные щетки - условно не показаны);
9 - условно обозначенный регулятор тока статора.
Электродвигатель постоянного тока работает следующим образом: на обмотку 4 (фиг. 1) якоря 5, размещенного на валу 6 из немагнитного металла, подано напряжение постоянного тока через контактные кольца 8 со щетками от собственного клеммника 1 источника якорного напряжения. При этом электромагнитные потоки от торцов якоря веером расходятся через зазоры со статором 2 (на фиг. 1 показаны "Bp"), проходят вдоль статора 2 в противоположный его торец, и далее через второй зазор замыкаются, или иначе электромагнитные потоки веерообразно концентрируются через торец якоря 2 законом "ротора" или замкнутой орбитой на нем. Причем электромагнитные потоки перпендикулярно пересекают проводники статорной обмотки 3, что уложены от правого и от левого лобовых торцов с определенным шагом по окружности, по обе стороны якорной обмотки 4. Токи в проводниках обмотки 3 статора 2 от его средней части протекают разнонаправлено, и по закону электротехники проводник с током, находящийся в электромагнитном поле от другого тока подвергается воздействию электромагнитных сил. Поскольку якорная обмотка 4 закреплена на якоре 5, который закреплен на валу 6 электродвигателе подшипниками 7, то вал подвержен вращению. Обмотки 3 статора 2, уложенные в смещенных друг от друга пазах, от правого и левого лобовых торцов подключены встречно соответственно первым шунтирующим шлейфовым проводником, а общий вывод подключен к одному полюсу клеммника 1 источника питания, противоположные присоединения обмотки с средней части статора соединены между собой и подключены вторым шунтирующим шлейфовым проводником ко второму полюсу источника питания.
Преимущество предлагаемого технического решения заключается в том, что вектора воздействия электромагнитных сил от направления токов в обмотках 3 и направления электромагнитного поля на них от тока в обмотке якоря направлены по касательной в любом месте в одном направлении, что вызывает вращение вала двигателя, изменение направления возможно изменением полярности на клеммнике 1. В предложенном техническом решении с отсутствием датчиков положения обмотки якоря электродвигателя достигается цель - повышение энергоэффективности и надежности.
Использованные источники:
1. А.В. Иванов-Смоленский. Электрические машины. М. изд. Энергия. 1980.
2. U.А. №61940 U. МПК (2011.01.). Украина. Электродвигатель постоянного тока. Кузьменко Г.П.
3. Патент РФ №163130, МПК (2006.01) Н02К 13/10, Н02К 23/26. Приоритет от 22.12.2015 г. Опубликовано 10.07.2016 г. Бюл. №19. Описание патента.