МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использовано для создания вращения или вращающего момента в различных следящих системах, для компенсации возникающих моментов и в различных следящих системах для позиционирования, коррекции и программного разворота.
Известен линейный двигатель постоянного тока, содержащий замкнутый магнитопровод, вдоль одной из сторон которого размещен прямолинейный постоянный магнит, а на другой стороне магнитопровода размещена с возможностью перемещения катушка. (Патент США №5341053).
Недостатком данного двигателя является невозможность его использования для создания вращения или вращающего момента.
Известен линейный двигатель постоянного тока, включающий статор, содержащий магнитопроводы, расположенные между магнитопроводами два постоянных магнита, векторы намагничивания которых направлены встречно, и якорь, выполненный в виде расположенной вокруг магнитопровода обмотки (патент РФ на полезную модель №101283).
Недостатком данного двигателя является возможность создания только прямолинейного движения обмотки и он не может быть использован для создания вращения или вращающего момента.
Технической задачей заявляемой полезной модели является создание магнитоэлектрического двигателя постоянного тока, обеспечивающего возможность получения вращения или вращающего момента, а также возможность расширения арсенальных средств.
Техническая задача решается тем, что магнитоэлектрический двигатель постоянного тока содержит магнитопровод, состоящий по меньшей мере из двух элементов, выполненных изогнутыми с формированием части круговой траектории движения электромагнитной катушки, которая охватывает один из этих элементов, размещена с возможностью перемещения вдоль него и кинематически связана с осью вращения, и по меньшей мере один постоянный магнит, расположенный между элементами со стороны их концов так, что один полюс контактирует с одним элементом, а другой - с другим, причем ось вращения электромагнитной катушки может быть совмещена с центральной осью симметрии магнитоэлектрического двигателя.
Техническая задача решается тем, что элементы магнитопровода выполнены в виде вставленных друг в друга коаксиальных цилиндров, разомкнутых по образующей с образованием поперечного сечения С-образной или подковообразной формы, а постоянный магнит расположен между ними так, что один полюс соприкасается с концевой частью одного элемента, а другой полюс - с близлежащей концевой частью другого.
Техническая задача решается также тем, что магнитоэлектрический двигатель снабжен вторым постоянным магнитом, контактирующим со вторыми концевыми частями элементов так, что каждый из элементов соединен своими концевыми частями с одноименными полюсами магнитов.
Техническая задача решается также тем, что элементы магнитопровода выполнены в виде трех вставленных один в другой коаксиальных цилиндров, разомкнутых по образующей с образованием в поперечном сечения С-образной или подковообразной формы, причем один из элементов выполнен из двух цилиндров, соединенных между собой по концевым частям и образующих в поперечном сечении замкнутый контур, охватывающий эквидистантно третий цилиндр с размещенной на нем электромагнитной катушкой, образующий второй элемент, соединенный с первым элементом через по крайней мере один постоянный магнит так, что один полюс постоянного магнита контактирует с первым элементом в месте соединения его концевых частей, а другой - с близлежащей концевой частью второго элемента.
Техническая задача решается также тем, что магнитоэлектрический двигатель снабжен вторым постоянным магнитом, контактирующим со второй концевой частью второго элемента полюсом, одноименным полюсу первого магнита, контактирующего с его первой концевой частью, а вторым полюсом контактирующим с второй концевой частью первого элемента.
Техническая задача решается также тем, что элементы магнитопровода выполнены в виде параллельных кольцевых пластин, расположенных коаксиально друг другу, на одной из которых размещена электромагнитная катушка, а постоянный магнит расположен между ними. Кроме того, плоские параллельные кольцевые пластины расположены на центральной оси симметрии магнитоэлектрического двигателя, а двигатель снабжен осью вращения, кинематически связанной с электромагнитной катушкой.
Техническая задача решается также тем, что элементы магнитопровода выполнены в виде параллельных кольцевых пластин, расположенных коаксиально друг другу, по меньшей мере одна из которых выполнена разомкнутой С-образной или подковообразной формы и на ней размещена электромагнитная катушка.
Техническая задача решается также тем, что магнитопровод выполнен в виде трех разомкнутых параллельных кольцевых пластин С-образной формы, средняя из которых образует первый элемент, на котором размещена электромагнитная катушка, а две других соединены между собой по концам и образуют второй элемент, охватывающий эквидистантно первый элемент, который контактирует с ним через по крайней мере один постоянный магнит так, что один его полюс контактирует с концом первого элемента, а другой - со вторым в месте соединения его концов.
Техническая задача решается также тем, что магнитопровод выполнен в виде трех параллельных кольцевых пластин, средняя из которых образует первый элемент, на котором размещена электромагнитная катушка, а две других образуют второй и третий элемент, и снабжен вторым постоянным магнитом, установленным между первым и третьим элементом зеркально первому постоянному магниту, установленному между первым и вторым элементом. Кроме того, магнитоэлектрический двигатель снабжен по меньшей мере второй электромагнитной катушкой, размещенной на втором элементе с возможностью перемещения вдоль него. При этом вторая электромагнитная катушка кинематически связана с центральной осью вращения. При применении двух электромагнитных катушек последние подключены к электропитанию с возможностью встречного направления токов в них.
Полезная модель поясняется чертежами (фиг.1-13). На Фиг.1 показан схематично магнитоэлектрический двигатель в разрезе. На фиг.2 показана электромагнитная катушка в разрезе. На фиг.3 изображен магнитоэлектрический двигатель, элементы магнитопровода которого выполнены в виде коаксиальных цилиндров. На фиг.4-13 изображен магнитоэлектрический двигатель, элементы магнитопровода которого выполнены в виде параллельных кольцевых пластин.
Согласно полезной модели магнитоэлектрический двигатель содержит магнитопровод, состоящий по меньшей мере из двух элементов 1 и 2, электромагнитную катушку 3, размещенную на элементе 1 с возможностью перемещения по нему, и по меньшей мере один постоянный магнит 4, расположенный так, что один его полюс примыкает к элементу 1, а другой - к элементу 2 (фиг.1). Элементы 1 и 2 выполнены изогнутыми с образованием по меньшей мере части круговой траектории движения электромагнитной катушки 3. На фиг.3 представлен вариант двигателя, идентичный первому, но с двумя постоянными магнитами 4 и 5, расположенными по концевым частям элементов 1 и 2 и соединенных с ними так, что северный полюс N соединен только с концами первого элемента 1, а южный S - только с концами второго элемента 2. Магнитоэлектрический двигатель содержит также ось 6 вращения, связанную поводком 7 с электромагнитной катушкой 3.
1
2
0
max
Элементы 1 и 2 магнитопровода изогнуты таким образом, что электромагнитная катушка 3, перемещаясь по элементу 1 магнитопровода, определяющего траекторию движения электромагнитной катушки 3, совершает круговое движение вокруг oси 6 вращения. Электромагнитная катушка 3 (фиг.2) охватывает элемент 1 магнитопровода, повторяя внешний контур его сечения. Витки провода катушки намотаны так, что ток I протекает в плоскости чертежа (фиг.2) и пересекая силовые линии магнитного поля В, индуцированного постоянным магнитом 4, взаимодействует с ним. При этом возникает сила F, которая перпендикулярна плоскости чертежа. Зазоры δ и δ между катушкой 3 и элементами 1 и 2 магнитопровода выбираются из конструктивных соображений и должны быть минимальными. Они необходимы для того, чтобы катушка 3 могла свободно перемещаться относительно элемента 1 магнитопровода. В этой связи предпочтительно применение бескаркасной технологии изготовления электромагнитной катушки. Электромагнитная катушка 3 жестко связана поводком 7 с осью вращения 6 и таким образом сила F создает вращающий момент на оси вращения 6 (фиг.1). При изменении направления тока в катушке меняется направление силы F и соответственно направление вращения оси. Углом φ (фиг.1) обозначен угол отклонения или поворота оси вращения 6 относительно начального положения. В данном случае за начальное выбрано крайнее левое положение. На чертеже крайнее левое положение соответствует углу φ(φ=0), a крайнее правое - углу φ.
Поставленная задача создания двигателя с активным элементом - катушкой, обеспечивающей вращательное движение, например, оси 6, при простоте и технологичности конструкции и отказе от сложных дополнительных элементов решена за счет выполнения элементов магнитопровода изогнутыми и снабжения двигателя осью вращения. При этом было разработано несколько вариантов двигателя, которые, отличаясь по своему конструктивному исполнению, позволяют наиболее оптимально решить поставленную задачу.
Технический результат заключается в том, что поступательное перемещение катушки по круговой траектории преобразуется во вращение центральной оси 6. При этом при простоте конструкции обеспечивается точное позиционирование катушки относительно элементов магнитопровода, наличие гарантированных зазоров исключает потери на трение кроме потерь на вращение оси в узле подшипника (на чертеже не показано). Данное устройство может применяться в качестве моментного двигателя с большим рабочим углом и по этой характеристике существенно превосходит аналоги.
0
max
На фиг.1 представлен вариант реализации двигателя, магнитная система которого состоит из магнитопровода, элементы 1 и 2 которого выполнены в виде двух коаксиальных цилиндров, разомкнутых по образующей с образованием поперечного сечения С-образной (подковообразной) формы, и одного постоянного магнита 4. Один из элементов - 2 охватывает другой - 1, а постоянный магнит 4 расположенного между ними так, что один полюс (N) соприкасается с концевой частью элемента 1, а второй (S) - с концевой частью элемента 2. Элемент 2 охватывает элемент 1 с образованием равномерного зазора. Электромагнитная катушка 3 размещена на элементе 1 с возможностью перемещения по нему и соединена поводком 7 с осью вращения 6. При прохождении постоянного тока через катушку 3 он начинает взаимодействовать с магнитным полем В, которое индуцировано постоянным магнитом 4 в зазоре между элементами 1 и 2 магнитопровода, вследствие чего возникает сила F, действующая на электромагнитную катушку 3. Так как катушка 3 посредством поводка 7 жестко связана с осью 6, то на оси 6 возникает вращающий момент. Направление и сила этого момента зависит от направления и величины силы F, которые в свою очередь зависят от направления и силы тока в катушке. Включая или выключая ток, а также меняя его силу и направление можно управлять вращением оси, либо задавать на ней необходимый момент. Угол φ показывает текущее положение оси и может изменяться от φ до φ.
На фиг.3 представлен вариант реализации двигателя, у которого магнитная система состоит из двух постоянных магнитов 4 и 5 и магнитопровода, состоящего из внешнего элемента 2, образующего в поперечном сечении замкнутый контур, и внутреннего разомкнутого элемента 1, который своими концами опирается на одноименные полюса N постоянных магнитов 4 и 5, другие полюса S которых примыкают к элементу 2 магнитопровода. Элемент 8, изготовленный из немагнитного материала, обеспечивает взаимное позиционирование всех элементов магнитной системы (фиг.1 - один элемент 8, на фиг.3 - их два). Элемент 1 вставлен своими концами в отверстия, выполненные в элементах 8 для обеспечения его контакта с полюсами N постоянных магнитов 4 и 5.
Элементы 1 и 2 магнитопровода выполнены в виде трех коаксиальных цилиндров 9, 10 и 11, разомкнутых по образующей с образованием поперечного сечения С-образной (подковообразной) формы, каждый последующий из которых охватывает предыдущий. Внешний элемент 2 выполнен из двух цилиндров 9 и 11, соединенных между собой по концевым частям 12 и охватывающих эквидистантно внутренний цилиндр 10 - элемент 1 с размещенной на нем электромагнитной катушкой 3. В данной конструкции активные поверхности элементов 1 и 2 магнитопровода имеют форму цилиндрических поверхностей, расположенных концентрично оси вращения 6. Эта конструкция выполнена симметричной относительно оси вращения 6, совпадающей в данном случае с осью симметрии двигателя, а постоянные магниты 4 и 5 расположены со стороны концевых частей 12 элемента 2. Электромагнитная катушка 3 надета на внутренний элемент 1 (цилиндр 10) с зазором и имеет возможность перемещаться вдоль него. Цилиндр 10 определяет круговую форму траектории движения катушки. С помощью поводка 7 электромагнитная катушка 3 жестко связана с осью вращения 6, при этом поводок 7 обеспечивает точное позиционирование катушки 3 относительно элементов магнитопровода.
Следующий вариант, изображенный на фиг.4, имеет подобный состав деталей. На фиг.5 этот двигатель изображен на стадии сборки для лучшего восприятия конструкции отдельных деталей. Его отличает компоновка магнитопровода и форма элементов. Элемент 13, изготовленный из немагнитного материала, обеспечивает взаимное позиционирование всех элементов магнитной системы, которая выполнена в виде трех кольцевых пластин 14, 15 и 16 С-образной формы (подковообразной формы), расположенных в параллельных плоскостях и которые перпендикулярны оси вращения 6. Для контактирования пластины 14 с постоянными магнитами 4 и 5 ее концы вставлены в отверстия, выполненные в элементах 13.
Магнитопровод так же, как и в предыдущем случае, содержит внешний замкнутый элемент 2, образованный пластинами 15 и 16, соединенными между собой по концам 17, и разомкнутый внутренний элемент 1 - кольцевую пластину 14, на которую надета катушка 3. В данной конструкции ось 6 неподвижна относительно магнитопровода, на нее крепится подвижный поводок 7 с электромагнитной катушкой 3.
Рассмотренные варианты исполнения двигателя реализуют поставленную задачу. Однако внешний элемент 2 магнитопровода относительно сложен в изготовлении, представляет трудность точного позиционирования элементов магнитной системы между собой. Это требует увеличения размеров элемента 13, что приводит к уменьшению рабочего угла φ двигателя. Между боковыми гранями постоянных магнитов, которые не контактируют с элементами магнитопровода, и элементами магнитопровода образуется мост, наличие которого ведет к уменьшению магнитной индукции в рабочей области. Для борьбы с этим явлением необходимы экраны, либо увеличение воздушного зазора, что влечет за собой увеличение габаритных размеров всего устройства. Этих недостатков лишены варианты двигателя, приведенные ниже.
Двигатель, отличающийся максимальной компактностью, изображен на фиг.6 и 7. Магнитопровод состоит из двух идентичных элементов 1 и 2, выполненных в виде кольцевых пластин (колец) 18 и 19, между которыми расположен один постоянный магнит 4. Элемент 20 выполнен из немагнитного материала и служит для взаимного позиционирования частей магнитной системы. Крепежные элементы 21 также изготавливаются из немагнитного материала и служат для соединения элементов магнитопровода и корпуса 22, в который входит подшипниковый узел. Ось вращения 6 выполнена заодно с поводком 7, к которому крепится электромагнитная катушка 3, надетая на элемент 1 магнитопровода. Приведенная конструкция помимо компактности отличается простотой и технологичностью.
Следующая конструкция (фиг.8) развивает вариант исполнения, представленный на фиг.6. На фиг.9 этот вариант двигателя показан в разрезе по плоскости, проходящей через ось вращения 6 и ось симметрии поводка 7 в положении, как это изображено на фиг.8. Для повышения КПД в конструкцию двигателя введены второй постоянный магнит 5 и дополнительный элемент 23 магнитопровода, выполненный в форме кольцевой пластины, идентичной пластинам 18 и 19. Второй постоянный магнит 5 установлен между кольцевыми пластинами 19 и 23 зеркально первому постоянному магниту 4, расположенному между кольцевыми пластинами 18 и 19. Постоянные магниты ориентированы таким образом, что их одноименные полюса примыкают к среднему элементу 1 - кольцевой пластине 19 магнитопровода.
1
2
На фиг.10 показан следующий вариант двигателя, на фиг.11 он показан в разрезе. В данном устройстве имеются две идентичные катушки 3 и 24, которые соединены между собой. Токи I и I в катушках 3 и 24 направлены таким образом, что, если в первой катушке 3 он протекает по часовой стрелке в плоскости чертежа, то во второй - 24 он имеет обратное направление. При этом на участках катушек, находящихся между элементами магнитопровода, направление токов совпадает, соответственно и силы, возникающие в обеих катушках, совпадают по направлению и создают суммарный момент на оси 6.
В тех случаях, когда элемент 1 магнитопровода, на который надета катушка, выполнен замкнутым, например, в виде кольцевой пластины (кольца), электромагнитную катушку требуется наматывать непосредственно на магнитопроводе, для чего необходимо иметь специальное намоточное оборудование.
Для исключения этой процедуры или, если такое оборудование отсутствует, предлагается вариант двигателя, в котором элемент 1 магнитопровода выполняют разомкнутым подковообразной формы (фиг.12 и фиг.13). На этот разомкнутый элемент 1 можно надеть заранее изготовленную катушку. К концам этого элемента 1 магнитопровода примыкают одноименными полюсами два кольцевых постоянных магнита 4 и 5, которые намагничены коаксиально, т.е. они имеют форму цилиндров, торцы которых формируют полюса. Вся магнитная система соединяется крепежными элементами 21, которые изготовлены из немагнитного материала. Корпус 22 также изготовлен из немагнитного материала, в нем имеется подшипник, в котором вращается ось 6, выполненная заодно с поводком 7, к которому крепится катушка 3.
Полезная модель в заявленных вариантах исполнения может применяться в качестве моментного двигателя с большим рабочим углом и по этой характеристике существенно превосходит аналоги.