ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
ELECTROMAGNETIC DC MOTOR

Изобретение относится к машиностроению, к электродвигателям, в частности к электродвигателям постоянного тока.
Известны двигатели постоянного тока с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. Электродвигатели с параллельным возбуждением имеют постоянную скорость при различных нагрузках и возможность регулирования скорости в широких пределах. Скорость вращения электродвигателей с последовательным возбуждением можно регулировать или путем изменения напряжения на зажимах, включая последовательно с якорем регулируемое сопротивление, или изменением магнитного потока электродвигателя, что достигается шунтированием обмотки возбуждения реостатом. Свойства электродвигателей с последовательным возбуждением делают целесообразным их применение на транспорте, так как в этих случаях требуются большие вращающие моменты при малых скоростях вращения.
Недостатком этих электродвигателей этого типа является энергозатратный способ регулирования скорости вращения. Использование коллектора с щеточным механизмом уменьшает безремонтный срок работы электродвигателя и создает высокочастотные электромагнитные помехи. Электродвигатели имеют высокие массогабаритные показатели и высокую стоимость изготовления ввиду большой массы меди и магнитных материалов, используемых при их изготовлении.
Сущность изобретения заключается в иной конструкции электродвигателя, а именно в использовании в предлагаемом электродвигателе нового способа получения крутящего момента на валу путем применения соленоидных катушек и коммутирующего устройства, управляющего включением и выключением катушек. В конструкции электромагнитного двигателя применены три катушки, установленные в корпусе, внутри которых расположен ротор, выполненный в виде кольца, состоящего из четырех частей. Ротор состоит из двух ферромагнитных и двух немагнитных частей, соединенных между собой. Ротор внутренней зубчатой частью примыкает к трем шестерням с валами. На внешней поверхности ротора, на его немагнитных частях, имеются углубления для толкателей, управляющих контактами включателей, подающих напряжение на катушки.
Технический результат проявляется в повышении технических характеристик, а именно в увеличении диапазона частоты вращения вала двигателя от 0 до 10000 об/мин, достижении коэффициента полезного действия не ниже 0,98, получении высокого крутящего момента на валу электродвигателя, не зависящего от скорости вращения вала, что создает лучшую нагрузочную характеристику момента на валу электродвигателя.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается за счет того, что в электромагнитном двигателе применены три катушки, установленные в статоре. Внутри катушек расположен ротор, выполненный в виде кольца, состоящего из четырех частей, из двух ферромагнитных и двух немагнитных частей, соединенных между собой в определенном порядке. Ротор внутренней зубчатой частью примыкает к трем шестерням с валами. На статоре установлены включатели, обеспечивающие поочередное включение катушек электромагнитов, что обеспечивает постоянную беспрерывную передачу крутящего момента без разрыва потока мощности от ротора на валы двигателя. Крутящий момент двигателя зависит от диаметра ротора и от напряжения на катушках Двигатель не имеет ограничений по скорости вращения.
На фиг.1 изображен вид электродвигателя со снятой крышкой.
На фиг.2 - вид ротора.
На фиг.3 - таблица включения катушек электромагнитов в зависимости от угла поворота ротора.
На фиг.4 - график зависимости величины крутящего момента вала электродвигателя от угла поворота ротора.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем. На фиг.1 и 2 показан электромагнитный двигатель, состоящий из трех катушек (1-3), размещенных в статоре (4), изготовленного из немагнитного металла, например из алюминиевого сплава. Каркасы катушек жестко крепятся болтами через 120 градусов относительно друг друга, на статоре. Ротор (5), имеющий вид кольца, установлен, с возможностью скольжения, внутри каркасов катушек. Ротор (фиг.2) состоит из четырех равных частей - двух магнитных частей (6), изготовленных из ферромагнитной стали с узкой петлей гистерезиса, и разделенный двумя частями (7), изготовленными из немагнитной стали. Части ротора жестко соединяются между собой точечной сваркой и подвергаются механической обработке. На внешней стороне немагнитных частей ротора выполнены два углубления (8), имеющие по краям скосы (9), а также радиусы, обеспечивающие плавную работу плунжеров. Углубления (фиг.2), выполненные на роторе, занимают сектор 80 градусов (от 15 до 105 градусов) от нулевой отметки. Три плунжера (10-12) расположены в отверстиях статора через 120 градусов относительно друг друга и относительно нулевой отметки через 90, 210, 330 градусов. При работе двигателя плунжеры совершают возвратно-поступательные движения и управляют тремя включателями (13-15), производящими последовательное включение и выключение катушек электромагнитов двигателя. Включатели расположены на статоре через 120 градусов относительно друг друга и относительно нулевой отметки через 90, 210, 330 градусов и представляют собой контактные группы, примыкающие к управляющим плунжерам. Плунжеры изготовлены из бронзы, причем концы плунжеров, примыкающие к внешней поверхности ротора, имеют сферическую поверхность. Для усиления контакта с ротором плунжеры снабжены пружинами (16). Внутренняя зубчатая часть (17) ротора входит в зацепление с тремя шестернями (18-20), установленными через 120 градусов относительно друг друга. Шестерни имеют стальные накладки (21), примыкающие с двух сторон, с возможностью скольжения, к ротору, что позволяет отцентрировать ротор и исключить его механический контакт с каркасами катушек. Оси (22) шестерен установлены на шарикоподшипниках в гнездах статора и съемной крышке. Съемная крышка крепится к статору через прокладку болтами. Для изменения направления вращения двигателя устанавливаются на статоре три дополнительных плунжера и три включателя, расположенные через 120 градусов относительно друг друга и относительно нулевой отметки в точках 105, 225, 345 градусов (не показано). При высоких оборотах ротора двигателя вместо механического управления включением катушек электромагнитов применяется электронная система включения, обеспечивающая высокую надежность. Контакты включателя крепятся к корпусу через электроизолирующую прокладку и закрываются пластмассовыми накладками. Герметически закрытый корпус двигателя заполняется маслом, предназначенным для смазки трущихся взаимодействующих деталей и для охлаждения обмоток двигателя.
Электродвигатель работает следующим образом. При подключении источника постоянного тока двигатель начинает сразу работать, т.к. независимо от положения ротора включена одна или две из трех катушек. Предположим, что до включения ротор занимал положение, показанное на фиг.1, что соответствует подключению катушек (1, 2) электромагнитов включателями (13, 14) к источнику питания. При подаче питающего напряжения в катушках (1, 2) возникают электромагнитные силы, под действием которых ферромагнитные части ротора втягиваются в катушки и стремятся занять положение в середине катушек, поворачивая ротор (5) вокруг его оси. В момент занятия каждой из ферромагнитных частей ротора центрального положения в каждой из катушек из углубления (8) поднимается плунжер (9), размыкающий контакты (10) включателей (13, 14), отключающих питающее напряжение с катушек (1, 2), что обеспечивает легкий выход ферромагнитной части ротора из катушек. При работе двигателя толкатели, управляемые ротором, поочередно включают и выключают катушки в определенной последовательности, показанной в таблице (фиг.3). При вращении ротора его внутренняя зубчатая часть передает крутящий момент на три шестерни и их валы. Ввиду того, что при работе двигателя происходит одновременное включение двух катушек или одной, происходит изменение крутящего момента на валу двигателя по величине. Величина изменения крутящего момента на валу двигателя за один поворот ротора отображена на графике (фиг.4).
Благодаря использованию в электромагнитном двигателе трех катушек, установленных на статоре, внутри которых расположен ротор, выполненный в виде кольца, состоящего из четырех частей, из двух ферромагнитных и двух немагнитных частей, соединенных между собой в определенном порядке, обеспечивается передача крутящего момента на вал двигателя без разрыва потока мощности. Благодаря тому, что ротор примыкает внутренней зубчатой частью к трем шестерням с валами, - это позволяет производить подключение к ним дополнительных механизмов. Предложенная конструкция электродвигателя не имеет ограничения скорости вращения снизу и может начинаться с нуля и повышаться до максимальных значений, ограничиваемых только механической прочностью используемых материалов и технологией подшипников. Например, диапазон частоты вращения от 0 до 10000 об/мин для одного и того же электродвигателя полностью достижим. Электродвигатель имеет повышенный коэффициент полезного действия не ниже 0,98, независящий от скорости вращения вала. Мощность электродвигателя не зависит от скорости вращения вала, что создает почти идеальную нагрузочную характеристику момента на валу электродвигателя. Массогабаритные показатели не зависят от скорости вращения вала, то есть можно сделать массу и габариты двигателя небольшими даже для скорости вращения вала 0-10 об/мин. Уменьшается стоимость изготовления электродвигателя, так как масса электродвигателя значительно уменьшается и, следовательно, уменьшается масса меди и масса магнитных материалов для изготовления. Предварительная оценка показывает, что стоимость снижается в 3-4 раза. Возможность модульного исполнения повышает надежность, так что выход из строя одного модуля только уменьшает мощность, но оставляет работоспособным сам электродвигатель. Ввиду устройства и технологического исполнения двигатель имеет плоскую форму, что обеспечивает применение его в устройствах, где другие двигатели не смогут выполнять нужную функцию. Таким образом, предлагаемый электромагнитный двигатель обладает существенными отличиями и полезными свойствами по сравнению со стандартными электрическими машинами.