ЭЛЕКТРОДВИЖИТЕЛЬ
ELECTRIC MOTOR

Предложение относится к области построения электродвигателей с намагниченным ротором для передвижения транспортных средств (ТС) по поверхности с приводом на сферическое ведущее колесо.
Известно пассивное сферическое колесо [1], в котором используется фиксация с помощью роликов, установленных в обойме. Шаровый привод [2], дополнительно к [1] содержит электродвигатели, шпиндели, устройство управления и источник питания. Шароколесный движитель [2] принципиально позволяет перемещать ТС по любой траектории (под любым углом, в т.ч. острым) на поверхности с тремя электродвигателями. Для движения ТС по поверхности по произвольной траектории шаровое ведущее колесо должно поворачиваться в 3-мерном пространстве на любой угол в каждом направлении. При движении по разным траекториям ТС с шароколесным движителем [2] при управлении 3-мя двигателями, сверх обычных потерь электродвигателей электрически в среднем потеряется еще 50%. Потери уйдут на механический износ шпинделей шарового привода при проскальзывании. Шаровый привод [2] из-за вращения нескольких двигателей имеет недостатки: большой износ из-за сцепления, низкую точность при проскальзывании и низкий КПД.
Известен шароход [3] - ТС в виде одного шара, выполненное, например как управляемая по радио игрушка. В шароходе [3] электродвигатели, устройство управления и источник питания расположены внутри сферы. Это устройство имеет все недостатки движителя [2] и дополнительные сложности для горизонтальной стабилизации кабины.
Известны электродвигатели с намагниченным ротором [4, 5] и катушками статора, однако они вращаются только в одной плоскости в одном из двух направлений (по или против часовой стрелки) и не могут непосредственно (без шпинделей) поворачивать шаровое колесо без проскальзывания и потерь.
Наиболее близкими к предложению является электродвигатель [4], (прототип), который содержит ротор, корпус, статор с катушками и устройство управления, причем ротор имеет форму цилиндра.
Наиболее близкими к предложению является электродвигатель [4], (прототип), который содержит ротор, корпус, статор с катушками и устройство управления, причем ротор имеет форму цилиндра. Цель изобретения (технический результат) - снижение износа, повышение КПД и точности при произвольном перемещении ТС.Технический результат достигается тем, что:
• Электродвижитель, содержа ротор, корпус, статор с катушками и устройство управления. Ротор содержит оболочку, состоящую из двух частей, а также шары и сепаратор, первый шар имеет два магнитных полюса S и N, расположенные на противоположных сторонах по диаметру шара, причем внутри оболочки шары установлены в сепараторе, а внутренняя поверхность оболочки ротора имеет сцепление с первым шаром, ротор имеет два магнитных полюса S и N, выполнен в форме сферы, корпус движителя содержит две части, статор содержит катушки, расположенные по разным осям Ротор выполнен в форме сферы, а катушки статора расположены по разным осям;
• ротор является сферическим колесом ТС;
• ротор имеет сцепление со сферическим колесом ТС, колесо транспортного средства установлено в опорном держателе.
При анализе уровня техники и новизны заявляемого объекта не обнаружены аналоги с перечисленной совокупностью вышеназванных признаков. Следовательно, техническое решение соответствует критерию "новизна".
Электродвигатель, представлен: фиг.1 - разрез; фиг.2 - вид сверху, фиг.3 -функциональная схема, а на фиг.4 - пример выполнения ротора из 6 шаров. На фиг.5 представлено дополнительное сферическое колесо ТС, которое позволяет преодолевать неровности на поверхности.
Электродвижитель содержит ротор 10, корпус из деталей 21 и 22, статор с катушками 31, 32 и 33., устройство управления 4. Ротор 10 выполнен в форме сферы. Магнитные полюса S и N ротора 10 отображены условно в разрезе на фиг.1. Расположение полюсов S и N зависит от положения и ориентации первого намагниченного) шара 131 внутри ротора 10. Разрез первого намагниченного шара 131 приведен на фиг.4. Полюса первого шара 131 внутри функциональной схеме (фиг. 3) приведены ротор 10, катушки 31, 32, 33 и устройство управления 4.
Устройство управления 4:
• Энергонезависимо хранит в памяти углы последней ориентации полюса S сферы относительно осей 3-х мерного пространства, а также параметры катушек для компенсации технологических разбросов по результатам калибровки;
• Для поворота ротора 10 формирует 3 синхронных импульса тока в катушки 31, 32 и 33 нужных амплитуд и полярностей. Современные цифро-аналоговые преобразователи начиная с 10-12 разрядов обеспечат высокую точность формирования токов в катушках;
• Должно быть подключено с источнику электропитания. Реактивная энергия может возвращаться в источник электропитания при формировании срезов импульсов тока в катушках по осям;
• Для высокого КПД при отсутствии обратной связи длительность формируемых импульсов тока в катушках может быть априорно рассчитана или при наличие обратной связи по результату поворота с помощью дополнительных датчиков (на схеме фиг. 3 не отражено). Кроме того, с помощью дополнительных датчиков может контролировать перемещение ТС;
• Для дистанционного управления может иметь линию связи.
Сила Fi, действующая на намагниченную сферу по i - ой оси без учета потерь на рассеивание магнитного потока может быть рассчитана по формуле:
где i=1, 2, 3 для 3-х мерного пространства X, Y и Z;
i
J - магнитный момент по i-ой оси;
В - модуль магнитной индукции намагниченной сферы;
i
ϕ - угол между i-ой осью и вектором В.
Вектор В внутри намагниченной сферы направлен от полюса S к N. а магнитный момент катушки ориентирован по правилу «правой руки». По завершению поворота ротор (намагниченная сфера) ориентируется по вектору J.
i
Магнитный момент J, создаваемый катушкой по i-ой оси определяется:
i
где N - число витков i-ой катушки;
i
S - площадь витка i-ой катушки;
i
L - ток в i-ой катушке.
Магнитная индукция В (в случае не намагниченной среды) может быть рассчитана по формуле:
где μ - свойство материала;
0
-7
μ≈4π×10 Гн/м(в СИ);
Н - напряженность магнитного поля.
2
i
Современные магнитные материалы (неодимовый, самарий - кобальт, магнитопласт) имеют высокую индукцию В (В≈0,5÷4,3 Тл) и многолетнюю стабильность параметров, причем их коэрцитивная сила сохраняет исходную намагниченность при напряженностях поля Н≤500÷1400 А/м. Напряженность магнитного поля Н, создаваемая катушками, не должна превышать коэрцитивную силу, т.к. нельзя допустить перемагничивание ротора. Длительность импульсов тока должна быть достаточна для окончания переходных процессов в катушках индуктивности и времени инерционности ротора и ТС. В шаговом режиме для однозначной траектории ТС все три угла поворота ϕ должны быть меньше π.
Вариант конструкции электродвижителя представлен на фиг. 1 и 2, где:
• Катушки 31, 32 и 33 показаны условно. Каркас цилиндрический. Намотка простая;
• Катушки 31, 32 и 33 расположены по осям X, Y и Z и имеют одинаковые размеры;
• Фиксация катушек на корпусе может быть любой - клей, фиксаторы.
Одинаковые размеры катушек не являются обязательными, т.к. в устройстве управления 4 должна быть возможность ввода разных параметров катушек по осям (см. формулу 2), а также компенсации технологических разбросов по результатам калибровки. Кроме того, каждая катушка может иметь вторую половину обмотки, расположенную на противоположной грани корпуса. Катушка 33 может иметь больший диаметр и быть установлена горизонтально по центру ротора.
При повороте сферического ротора, когда вектор В ротора ориентируется по вектору J, но возможна небольшая угловая ошибка - Да. Линейная ошибка Да может быть рассчитана по формуле:
r
где D - диаметр ротора.
r
Например, при Δα=3° и D=100 мм получим Δа≈2,5 мм.
Для повышения точности электродвижителя ТС предлагается встроенный в ротор редуктор. На фиг. 4 представлен разрез ротора, который содержит оболочку, состоящую из двух частей 11 и 12, а также шары 13 и сепаратор 14, первый шар 131 имеет два магнитных полюса S и N, расположенные на противоположных сторонах по диаметру шара. Внутри оболочки шары 13 установлены в сепараторе, а внутренняя поверхность оболочки ротора имеет сцепление с первым шаром 131. В данном примере ротор содержит шесть шаров одинакового диаметра, из которых на разрезе (фиг. 4) видны только четыре. Все шары 13 должны свободно вращаться в сепараторе и обеспечить надежное сцепления внутренней поверхности оболочки ротора с первым шаром 131.
В электродвижителе с редуктором в составе ротора линейная ошибка Δа' рассчитывается по формуле:
b
где D - диаметр шара;
o
D- внутренний диаметр оболочки;
Δα' - угловая шибка.
o
b
Сравнение формул (4) и (5) показывает, что при равных диаметрах ротора и угловых ошибках Δα'=Δα линейная ошибка будет меньше в D/D раз.
Ротор 10 может быть непосредственно ведущим сферическим колесом ТС, Желательно, что бы другие (пассивные) колеса ТС также имели сферическую форму.
На фиг. 5 представлены: дополнительное сферическое колесо ТС 61, опорный держатель 62 и поверхность 70. Ротор 10 имеет сцепление со сферическим колесом ТС 61. Это позволит преодолевать неровности на поверхности при сохранении линейной точности.
Таким образом, предложение обладает низким износом, высоким КПД и, высокой точностью при произвольном перемещении ТС и возможностью преодоления небольших неровностей на поверхности.
Источники информации
1. Патент RU 2505447, МПК B62D 57/00 27.01.2014.
2. Патент RU 2581806, МПК B62D 57/02, 20.04.2016.
3. Патент RU 2297356, МПК B62D 57/00, 20.04.2007.
4. Патент US 6891306 В1, НКИ 310/218, 10.05.2005.
5. Патент RU 2654492, МПК Н02К 21/.04, 21.05.2018.