БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ЛАЗЕРНО-ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОПОДВОДОМ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к бесколлекторным электрическим двигателям постоянного тока.
Уровень техники в данной области характеризуется следующими техническими решениями.
Известна электрическая машина постоянного тока [Пат. РФ 2077106, МПК H02K 23/04, БИ 10, 1997], содержащая станину статора, ротор с медной обмоткой и валом и коллектор, снабженная корпусом и сверхпроводящими магнитами, закрепленными между корпусом и станиной, обмотка крепится на валу при помощи стеклонитей и эпоксидной смолы, а станина и вал выполнены из немагнитной стали.
Недостатком данной электрической машины постоянного тока является наличие коллекторного узла, который вызывает искрение между пластинами коллектора и контактными щетками, что ведет к значительной потере энергии, выходу из строя машины.
Известен двигатель вентильный, относящийся к области приборостроения и электротехники. [Пат. РФ 2211522, МПК H02K 21/00, 2001], содержащий корпус, соосно расположенные в корпусе ротор с постоянным магнитом, магнитопровод якоря в виде полого цилиндра, жестко связанный с ротором, и размещенную между ротором и магнитопроводом якоря первую обмотку, консольно закрепленную на корпус, дополнительно содержит вторую обмотку, размещенную между ротором и магнитопроводом якоря и закрепленную на корпусе напротив и соосно первой обмотке, при этом связь магнитопровода якоря и ротора выполнена в виде вставки из немагнитного материала, размещенной в области магнитопровода якоря между близлежащими торцами первой и второй обмоток. Кроме того, первая и вторая обмотки установлены с возможностью осевого разворота относительно друг друга.
Недостатком двигателя вентильного являются недостаточные надежность, долговечность, скорость вращения ротора, а также высокая стоимость и сложность изготовления.
Известно также устройство двигателя постоянного тока, относящееся к области электромашиностроения, а именно к бесконтактным электрическим двигателям постоянного тока [пат. РФ 2302070, МПК H02K 31/00 (2006.01)], содержащее якорь в виде пакета магнитомягкого железа и обмотки, закрепленных на валу, а также шарикоподшипниковые опоры, установленные в подшипниковых щитах, якорь размещен в поле закрепленного на корпусе статора в виде пакета магнитомягкого железа с обмоткой возбуждения радиального направления, якорь и статор помещены в герметичный корпус с вакуумплотными подшипниковыми щитами, заполненный инертными газами, в состав двигателя постоянного тока введены катоды, аноды и нити накала, причем на электроизоляционной втулке, укрепленной на подшипниковом щите, размещен неподвижный катод, и на ней укреплена нить накала данного катода, против него по радиусу к оси вращения на валу якоря с помощью электроизоляционного электродержателя закреплены пластинчатые аноды, образующие цилиндрическую поверхность, в количестве 2n штук, где n≥3, на этом же электроде держателе по концентрической цилиндрической поверхности меньшего радиуса укреплены 2n пластин подвижных катодов, расположенных против соответствующих пластин подвижных анодов, на электроизоляционной втулке, укрепленной на подшипниковом щите, размещены также нити накалов подвижных катодов, а также неподвижный анод, противолежащий по отношению к неподвижному катоду и обращенный рабочей поверхностью в сторону подвижных катодов от оси вращения вала, при этом к диаметрально противоположным пластинам подвижных анодов и катодов подсоединены начала и концы соответствующих секций обмотки якоря, при этом неподвижный катод соединен с отрицательным, а неподвижный анод с положительным гермовыводами, предназначенными для подключения источника питания якоря.
Недостатками данного устройства, принятого за прототип предлагаемого изобретения, является наличие герметичного корпуса с вакуумплотными подшипниковыми щитами, заполненным инертными газами, это делает производство сложным (точность подгона прокладок) и дорогостоящим, а также необходимо тщательное наблюдение за уплотнительными втулками (прокладки) в процессе эксплуатации. Имеет место сложность передачи вращающего момента от двигателя к рабочему органу.
Задача настоящей полезной модели заключается в упрощении конструкции бесконтактного электродвигателя постоянного тока путем отказа от герметичного корпуса, увеличении мощности и скорости вращения, повышении его надежности и ресурса работы, а также снижении себестоимости.
Технический результат заключается в применении лазерного токоподвода вместо электронного, повышении к.п.д., надежности и безопасности энергосберегающих высокооборотных электрических машин, снижение их веса и себестоимости, а также упрощении технологии их изготовления и ремонта.
Поставленная задача достигается тем, что в двигатель постоянного тока, содержащий якорь в виде пакета магнитомягкого железа с тремя обмотками, жестко закрепленных на валу, установленного в шарикоподшипниковых опорах на корпусе, при этом якорь размещен в постоянном магнитном поле, закрепленном на корпусе статора, состоящего из шести магнитов, ориентированных таким образом, что магнитное поле чередуется направлением магнитного потока, отличающийся тем, что якорь и статор помещены в негерметичный корпус с двумя шарикоподшипниковыми опорами, якорь, жестко закрепленный на валу, содержит блок электроники, электронный токоподвод заменен на три лазерно-фотодиодных узла, состоящих из трех лазеров, жестко закрепленных на корпусе двигателя, ориентированных так, что лучи падают на оптический расширитель, состоящий из фотодиодов, работающих в фотогальваническом режиме, лазерный луч поочередно падает на сегменты оптического расширителя, предназначенного для преобразования фотогальванической энергии в постоянный электрический ток для подвода на блок электроники, в зависимости от углового положения ротора относительно корпуса прибора, лазеры предназначены для поочередного засвечивания отдельных сегментов оптического расширителя для подвода сигналов в блок электроники и для запитывания обмоток в определенной последовательности для создания переменного магнитного поля, взаимодействие которого со статором создает вращающий момент для увлечения во вращение ротора.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами: на фиг. 1 - электрокинематическая схема, на фиг. 2 - электрическая функциональная схема, на фиг. 3 - схема управления обмотками ротора.
Позиции на чертежах имеют следующие обозначения: 1 - ротор (якорь) электродвигателя; 2 - вал; 3 - шарикоподшипниковая опора; 4 - корпус БЭПТ; 5 - один из 6-ти полюсов магнитной системы статора; 6 - первая секция одной из 3х обмоток ротора; 7 - фотоэлемент первой секции; 8 - лазер секции 6 и фотоэлемент 7; 9 - вторая секция второй обмотки ротора; 10 - фотоэлемент второй секции; 11 - лазер секции 9 и фотоэлемента 10; 12 - третья секция третьей обмотки ротора; 13 - фотоэлемент третьей секции; 14 - лазер третьей обмотки и фотоэлемент 13; 15 - шарикоподшипниковая опора.
Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока с лазерным токоподводом содержит вал якоря (2), который с помощью двух шарикоподшипниковых опор (3) и (15) прикреплен к корпусу (4) (крепежные винты не показаны).
На валу (2) закреплен ротор в виде вала с пакетом железа якоря (1), выполненного из магнитомягкой стали, в пазах которого уложены три пары обмоток якоря (6, 9, 12).
На корпусе (4) размещена магнитная система статора (5), состоящая из 6 полюсов и образующая цилиндрическую поверхность.
Лазеры (8, 11, 14), установленные на корпусе (4), предназначены для передачи световой энергии с корпуса (4) на ротор электродвигателя (1).
На роторе (2) имеются расширители (фиг. 3) и фотоприемники (7, 10, 13) для преобразования световой энергии в электрическую, в виде постоянного тока. Выходы каждого фотоприемника соединены с электронным блоком, который управляет переключением обмоток.
Лазеры (8, 11, 14) направлены на фотодиоды (7, 10, 13), в совокупности образуя лазерно-фотодиодные узлы (7-8, 10-11, 13-14), расположенные через 120° относительно оси ротора электродвигателя (1).
Обмотка ротора покрыта электроизоляционным материалом, например лаком МЛ-92. Это необходимо для предотвращения возникновения токов утечки между токопроводящими элементами конструкции.
Устройство работает следующим образом.
Лазеры (8, 11, 14) питают постоянным напряжением U, вследствие чего лазер испускает мощный узконаправленный поток излучения.
Лазерный луч попадает на фотодиоды (7, 10, 13), которые работают в фотогальваническом режиме и вырабатывают электрическую энергию постоянного тока.
Выходы каждого фотоприемника соединены с электронным блоком, который управляет переключением обмоток (используется 3 пары обмоток, чтобы повысить надежность).
При подключении питания к лазерам (8, 11, 14) они испускают лучи, которые падают на оптический расширитель, состоящий из фотодиодов, работающих в фотогальваническом режиме, причем лазерный луч поочередно падает на сегменты оптического расширителя, преобразующего фотогальваническую энергию в постоянный электрический ток поступающий на блок электроники, в зависимости от углового положения ротора относительно корпуса прибора лазеры засвечивают отдельные сегменты оптического расширителя, сигналы с которого обрабатывает блок электроники и запитывает обмотки в определенной последовательности, создавая переменное магнитное поле, которое, взаимодействуя со статором (5), увлекает за собой ротор (1), тем самым приводя его во вращение. Ротор закреплен на корпусе (4) с помощью шарикоподшипников (3, 15).
При подключении обмотки якоря (6, 9, 12) к источнику питания в ней возникает большой ток, называемый пусковым и превышающий в несколько раз его номинальное значение. Причем под полюсами возбуждения противоположной полярности направление токов в проводниках обмотки якоря также противоположно. Согласно правилу "левой руки" на эти проводники действуют силы Ампера, направленные против часовой стрелки и увлекающие якорь во вращение. При этом в проводниках обмотки якоря наводится электродвижущая сила (противо-ЭДС), направленная встречно напряжению источника питания. По мере разгона якоря растет и противо-ЭДС в его обмотке. Соответственно ток якоря уменьшается от пускового до величины, соответствующей рабочей точке на характеристике двигателя.
Достоинствами электрической машины с бесконтактным токоподводом являются повышенные надежность и долговечность его работы.
Исполнительный (рабочий) орган может находиться во внутренней части двигателя. В частности, таким рабочим органом может быть ротор гироскопа или генератор переменного тока. В других случаях передача вращающего момента может производиться от вала (2) к исполнительному органу через посредство муфты и редуктора.
Технико-экономическая эффективность заключается в упрощении конструкции электродвигателя и достигается за счет того, что предложенный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока с лазерным токоподводом не требует герметизации, что удешевляет конструкцию, содержит три лазерно-фотодиодных узла, которые при передаче энергии через воздушное пространство обладают очень малой потерей энергии, следовательно, скорость вращения ротора и КПД возрастают, также отсутствие трущихся деталей в токоподводящем узле приводит к уменьшению затрат на обслуживание и ремонт, так как уменьшается износ деталей, за счет чего увеличивается надежность, ресурс работы и снижается нагрев двигателя во время работы.