ГЕРКОНОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в электродвигательных установках постоянного тока, в частности, в стартерных двигателях и электродрелях, эксплуатируемых на объектах повышенной радиационной опасности.
Известен бесколлекторный двигатель постоянного тока, содержащий корпус (станину), статор с многосекционными обмотками, электронный (полупроводниковый) коммутатор, ротор с постоянными магнитами и бесконтактный датчик углового положения ротора, выходные сигналы которого подключены к управляющим входам электронного коммутатора [1]. С учетом углового положения ротора электронный коммутатор подключает соответствующие секции обмоток статора к источнику электрического питания. Двигатели постоянного тока имеют хорошие регулировочные свойства, развивают большой крутящий момент и потому нашли широкое применение в специальной и бытовой технике.
Недостаток известного бесколлекторного двигателя постоянного тока состоит в низком развиваемом крутящем моменте, пульсирующем характере его формирования и, кроме того, при воздействии проникающей радиации и в условиях радиоактивного заражения местности в известном бесколлекторном двигателе постоянного тока выходит из строя его полупроводниковый коммутатор и двигатель перестает работать.
Наиболее близким известным техническим решением (прототипом) является двигатель постоянного тока, содержащий корпус с боковыми фланцами и подшипниками, статор с электромагнитными полюсами, ротор с n секциями витков провода, уложенными в пазы ротора, и вал, на котором размещены ротор и внутренние кольца подшипников, наружные кольца которых установлены на боковых фланцах корпуса, внутри которого размещен статор с электромагнитными полюсами [2]. Кроме того, известный двигатель постоянного тока содержит вращающийся электроизоляционный держатель электродов электровакуумных диодов, установленный на валу внутри герметичного корпуса двигателя, и диаметрально расположенные внутри герметичного корпуса двигателя неподвижные электроизоляционные держатели электродов электровакуумного диода. К каждому катоду и аноду вращающихся электровакуумных диодов подключены выводы соответствующих витков обмотки ротора. Анод и катод неподвижного электровакуумного диода связаны с клеммами источника электрического питания двигателя постоянного тока и расположены внутри герметичного корпуса двигателя так, что появляется возможность протекания тока через те электроды подвижных электровакуумных диодов, которые при их вращении приблизились к поверхности анода и катода неподвижного электровакуумного диода. Для работы электровакуумных диодов внутри герметичного корпуса двигателя установлены нити подогрева (накаливания катода). Крутящий момент к нагрузке двигателя передается с помощью электромагнитных муфт сцепления.
Недостаток прототипа состоит в том, что для разогрева нитей накаливания и для работы электромагнитных муфт сцепления вала двигателя с нагрузкой требуется дополнительный источник электрической энергии, что снижает КПД двигателя, так как дополнительный источник электрической энергии не участвует в формировании крутящего момента. Кроме того, крутящий момент в магнитном поле статора формируется только с помощью той одной единственной из n секцией витков ротора, по которой протекает ток через электроды неподвижного диода. Остальные (n-1) секции витков ротора в магнитном поле статора крутящий момент не формируют, так как через них ток не протекает. Поэтому, установленные в прототипе электроды неподвижного диода, выполняют всего лишь известную функцию одной пары щеток известных коллекторных двигателей постоянного тока.
Целью полезной модели является повышение развиваемого крутящего момента двигателем постоянного тока путем формирования крутящего момента сразу от всех (n-1) секций витков ротора с вращающимися герконами в магнитном поле статора, а не от одной секции витков ротора, к выводам которой подается известным образом ток через известные щетки (электроды неподвижного диода) машины постоянного тока.
Сущность полезной модели заключается в том, что, кроме известных и общих отличительных признаков, а именно: корпуса двигателя с боковыми фланцами и подшипниками, статора с электромагнитными полюсами, ротора с n секциями витков провода, уложенными в пазах ротора, и вала, на котором размещены ротор и внутренние кольца подшипников, наружные кольца которых установлены на боковых фланцах корпуса, внутри которого размещен статор с электромагнитными полюсами, предлагаемый герконовый двигатель постоянного тока содержит пару токоподводящих колец и n герконов, каждый из которых содержит первый и второй переключающие контакты, размыкающий контакт первого переключающего контакта подключен к замыкающему контакту второго переключающего контакта и к выводу начала каждой из n секций витков провода, размыкающий контакт второго переключающего контакта подключен к замыкающему контакту первого переключающего контакта и к выводу конца каждой из n секций витков провода, первый и второй переключающие контакты n герконов соединены соответственно с парой токоподводящих колец, неподвижные токоподводящие элементы которых подключены к клеммам «+» и «-» источника питания.
Новизна полезной модели состоит в том, что герконовый двигатель постоянного тока содержит пару токоподводящих колец и n герконов, каждый из которых содержит первый и второй переключающие контакты, размыкающий контакт первого переключающего контакта подключен к замыкающему контакту второго переключающего контакта и к выводу начала каждой из n секций витков провода, размыкающий контакт второго переключающего контакта подключен к замыкающему контакту первого переключающего контакта и к выводу конца каждой из n секций витков провода, первый и второй переключающие контакты n герконов соединены соответственно с парой токоподводящих колец, неподвижные токоподводящие элементы которых подключены к клеммам «+» и «-» источника питания, что обеспечивает повышение крутящего момента двигателя постоянного тока.
Электрическая схема предлагаемого герконового двигателя постоянного тока в его продольном сечении с одной (n=1) вращающейся в магнитном поле статора секцией витков провода с герконом условно изображена в начале вращения ротора на фиг.1, а после поворота ротора на 180° - показана на фиг.2. На фиг.1 и 2 обозначено: 1 - вал герконового двигателя постоянного тока; 2 - ротор с пазами; 3 - секция витков провода; 4 - геркон с двумя переключающимися контактами; 5 - токоподводящие кольца; 6 - неподвижные токоподводящие элементы; 7 - нагрузка.
В исходном положении вал двигателя 1 жестко соединен с ротором 2, к противоположным концам секции проводников 3 которого подключены выводы геркона 4. Переключающие контакты геркона 4 соединены через токоподводящие кольца 5 и неподвижные токоподводящие элементы 6 с клеммами «+» и «-» источника питания. Нагрузка 7 двигателя жестко связана с валом 1 двигателя.
Предлагаемый герконовый двигатель постоянного тока работает следующим образом.
При подключении источника электрического питания к клеммам «+» и «-» протекает ток через неподвижные токоподводящие элементы 6, токоподводящие кольца 5, переключающие контакты геркона 4 и секцию витков 3 провода, уложенных в пазы ротора 2. Так как ток протекает по проводам 3 в магнитном поле N-S статора, то по правилу левой руки проводники 3 начнут поворачиваться с ротором 2 и осью (валом двигателя) 1 в направлении, указанном кружками на нагрузке 7. Точка в кружке обозначает движение в сторону наблюдателя, а крест в кружке показывает направление перемещения от наблюдателя. Последовательно, одна за другой секции витков провода, уложенных в пазах якоря ротора, поворачиваются на валу всех известных машин постоянного тока, получая электрическую энергию через пару щеток щеточно-коллекторного узла. Такой принцип работы машин постоянного тока лежит в основе всех известных двигателей постоянного тока. Щеточно-коллекторный узел ограничивает протекающий ток якоря и развиваемый крутящий момент.
Предлагается заменить щеточно-коллекторный узел машин постоянного тока двумя токоподводящими кольцами 5 и n вращающимися вместе с проводами 3 герконами 4.
Герконы [3] - герметичные контакты, управляемые магнитным полем, имеют малые габаритные размеры, непрерывная продолжительность работы около 10 лет с частотой переключения 1 кГц, устойчивы к воздействию проникающей радиации и радиоактивному заражению окружающей местности, мощность типового геркона 100...150 вт.
Под действием протекающего по секции 3 провода тока в магнитном поле (фиг.1) поворачивается, как упоминалось выше, ротор 2 с валом 1 в направлении, определяемом правилом левой руки. В горизонтальном положении секции 3 проводов переключающие контакты геркона 4 займут нейтральное положение. При дальнейшем вращении ротора 2 с валом 1, например, под действием момента инерции, переключающие контакты геркона 4 (фиг.2) примут положение, противоположное (поворот на 180°) исходному положению. В магнитном поле статора переключающие контакты геркона 4 переключаются и формируют замкнутую цепь протекания тока от источника электрического питания к клеммам «+» и «-» через неподвижные токоподводящие элементы 6, токоподводящие кольца 5, переключающие контакты геркона 4 и секцию витков 3 провода, уложенных в пазы ротора 2. Формирование вращающего (крутящего) момента в герконовом двигателе продолжается и при повороте секции 3 проводов на 180°.
При размещении в пазах ротора 2 не одной, а n вращающихся вместе с проводами 3 герконами 4, повышается в несколько десятков раз развиваемый крутящий электромагнитный момент герконового двигателя постоянного тока.
Протекающие токи в одном направлении всех n секций витков провода ротора 2 его верхней половины и, протекающие эти же токи в другом направлении всех n секций витков провода ротора 2 его нижней половины в магнитном (электромагнитном) поле статора по закону Ампера создают суммарный вращающий электромагнитный момент, значение которого значительно превышает вращающий электромагнитный момент, создаваемый в прототипе с помощью одной лишь секции проводов с протекающим по ней току через щеточно-коллекторный узел.
Промышленная применимость изобретения обосновывается тем, что в нем используются известные в электротехнике элементы и узлы (герконы, токосъемные кольца) по своему прямому функциональному назначению. В организации-заявителе изготовлена в 2009 году модель герконового двигателя постоянного тока.
Положительный эффект от использования изобретения состоит в том, что в сравнении с прототипом увеличивается формируемый вращающий электромагнитный момент двигателя постоянного тока в К раз, где
,
n - число вращающихся секций витков провода, уложенных в пазы ротора 2 герконового двигателя постоянного тока;
φ - среднее значение угла проекции сил Ампера и наводимой ЭДС всех вращающихся витков провода с протекающими по ним токами на ось ординат, образованную силовыми линиями магнитного поля неподвижных магнитных полюсов N-S.
Источники информации:
1. Немцов М.В. Электротехника и электроника: Учебник для вузов. - М.: Издательство МЭИ, 2003 г., с.458-460. (аналог).
2. Патент РФ №2206955, Двигатель постоянного тока, МПК H02P 6/14, H02K 29/00, приоритет 13.08.2001 г, патентообладатель: Мельников А.В. (прототип).
3. Рабкин Л.И., Евгенова И.Н., Герконы, М., 1968 г.