ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
DIRECT CURRENT MOTOR

Изобретение относится к области электромеханики, а конкретнее к электрическим машинам постоянного тока.
Известен бесколлекторный электродвигатель постоянного тока (патент РФ №2302070, МПК H02K 31/00, опубл. 10.02.2006 г.), содержащий укрепленный на установленном в подшипниках валу сердечник и токосъемные средства. На сердечник уложена обмотка, состоящая из двух частей, соединенных последовательно встречно, концы которой соединены с установленными на валу контактными кольцами, подключенными через токосъемные щетки к одному зажиму источника тока. Середина обмотки соединена с установленным на сердечнике якоря контактным кольцом, подключенным через щетку к другому зажиму источника тока.
К недостаткам вышеописанного электродвигателя можно отнести ненадежность токосъема из-за высокой линейной скорости на кольце, укрепленном на сердечнике якоря.
Известен электродвигатель постоянного тока (М.М.Кацман. Электрические машины. М., Высшая школа, 2003. С.337-338, рис.24.4), содержащий статор цилиндрического типа с обмоткой возбуждения, якорь на валу, установленном на подшипниках, щеточно-коллекторный узел, расположенный между обмоткой якоря и внешней сетью.
К недостаткам прототипа можно отнести сложность конструкции, обусловленная наличием коллектора на якоре электродвигателя, который влияет на надежность работы и делает сложным технологию изготовления электродвигателя.
Изобретение решает задачу упрощения конструкции, повышения надежности ее работы и технологичности, за счет изменения месторасположения обмотки возбуждения и силовой обмотки, а также повышения качества коммутации тока возбуждения, возможности получения максимального вращающего момента независимо от угла поворота якоря.
Для получения необходимого технического результата в известном электродвигателе постоянного тока, содержащем статор цилиндрического типа, якорь на валу, установленном на подшипниках, обмотки возбуждения, силовую обмотку, токосъемные щетки силовая обмотка тороидального типа выполнена на статоре и состоит из двух частей, соединенных последовательно встречно и разделенных нейтральными зонами, причем начало первой части и конец второй части обмоток соединены с клеммами для подключения к сети постоянного тока. На валу якоря установлены обмотки возбуждения, каждая из которых выполнена в виде двухполюсной катушки с сердечником прямоугольного сечения и соединена с установленным на валу изоляционным кольцом, снабженным медными полукольцами, расположенными на нем с изоляционными промежутками и подключенными через токосъемные щетки к сети постоянного тока, причем ось токосъемных щеток ориентирована параллельно диаметральной оси нейтральных зон статора, а в каждой паре обмотки возбуждения и связанного с ней контактного кольца продольная ось обмотки возбуждения ориентирована параллельно диаметральной оси изоляционного кольца, проходящей через изоляционные промежутки.
На прилагаемых к описанию графических материалах изображено: на фиг.1 - статор; на фиг.2 - схематичное изображение якоря с контактными кольцами, на фиг.3 - фото внешнего вида предлагаемого электродвигателя.
На графических материалах приняты следующие обозначения:
1 - статор; 2, 3 - части обмотки статора; 4, 5 - нейтральные зоны на статоре; 6 - стальной сердечник прямоугольного сечения; 7, 8 - обмотки возбуждения; 9, 10 - контактные кольца; 11, 12 - контактные медные пластины; 13 - щетки; 14 - ось установки щеток на контактные кольца; 15 - продольная ось обмотки возбуждения; 16 - диаметральная ось контактного кольца.
Предлагаемый электродвигатель постоянного тока содержит статор 1 цилиндрической формы с тороидальной, например, обмоткой, состоящей из двух частей 2 и 3. Направление намотки провода в обмотке 2 встречно направлению намотки в обмотке 3. По диаметральной оси статора расположены нейтральные зоны 4 и 5, которые разделяют обмотки 2 и 3. В нейтральной зоне 4 расположены выводы начала обмотки 2 и конца обмотки 3 на клеммы для подключения к сети постоянного тока. В нейтральной зоне 5 последовательно соединяются обмотки 2 и 3. Обмотки возбуждения 7 и 8 выполнены на стальных сердечниках прямоугольного сечения 6 и являются по существу катушками с сердечниками. Каждая катушка имеет один положительный и один отрицательный полюс. Катушки устанавливаются на валу якоря симметрично оси вала, продольная ось обмотки возбуждения 7 по отношению к продольной оси обмотки возбуждения 8 сдвинута, например, на 90°. Контактные кольца 9 и 10 изготавливаются из изоляционного материала и снабжены закрепленными на них по периметру контактными медными полукольцами 11 и 12 с изоляционным промежутком между ними по диаметральной оси. Контактные полукольца используются для создания в обмотках возбуждения чередующегося магнитного поля. Продольная ось обмотки возбуждения 7 ориентирована параллельно диаметральной оси изоляционного кольца 9, проходящей через изоляционные промежутки, а продольная ось обмотки возбуждения 8 ориентирована параллельно диаметральной оси изоляционного кольца 10, проходящей через изоляционные промежутки.
Соединение обмоток возбуждения 7 и 8 с изоляционными кольцами 9 и 10 показано на фиг.2.
Ось токосъемных щеток 13 на изоляционные кольца 9 и 10 должна быть ориентирована параллельно диаметральной оси нейтральных зон 4 и 5 статора.
Щетки 13 соединяются с клеммами для подключения к сети постоянного тока.
Якорь электродвигателя содержит стальной вал, установленный на подшипниках в корпусе электродвигателя. На якоре электродвигателя установлены обмотки возбуждения 7 и 8 и изоляционные кольца 9 и 10.
Описание работы электродвигателя. При подключении обмотки статора и обмоток возбуждения к сети постоянного тока возникает магнитное поле обмотки статора и магнитное поле обмоток возбуждения. От взаимодействия этих полей возникают силы, действующие на проводник с током в обмотке статора, назовем их положительными. Точно такие же по величине силы действуют на полюса обмоток возбуждения, назовем их отрицательными. Под воздействием отрицательных сил на полюса обмоток возбуждения, создается электромагнитный вращающий момент, причем независимо от угла поворота якоря всегда максимальный по величине, зависит от числа и длины проводников статора в каждый момент времени находящихся над полюсами обмоток возбуждения. Число и длина активных проводников статора определяется шириной и длиной полюсов. Ширина полюса не должна превышать половины ширины нейтральной зоны (размер А фиг.1) для успешного переключения полярности обмоток возбуждения при прохождении нейтральной зоны статора. Качество коммутации тока возбуждения на полукольцах повышается за счет незначительных величин тока возбуждения, а также за счет увеличения времени контакта щетки с полукольцом и снижения линейной скорости на поверхности полукольца в связи с тем, что диаметр кольца значительно меньше диаметра коллектора.
Предлагаемый электродвигатель постоянного тока с контактными кольцами имеет следующие преимущества, которые упрощают его конструкцию:
- отсутствие коллектора с якорной обмоткой;
- отсутствие катушек возбуждения с полюсами на статоре;
- значительно упрощается конструкция якоря и технология его изготовления;
- возможность установки на якоре необходимого количества обмоток возбуждения;
- возможность ступенчатого и плавного регулирования мощности, числа оборотов, получения необходимых скоростных и механических характеристик путем управления током возбуждения и числом обмоток возбуждения;
- использование обмоток возбуждения в тормозных режимах;
- исполнение обмоток статора может быть как тороидального, так и петлевого типа.