ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК H02N10/00 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, точнее к электрическим двигателям, использующим тепловой эффект. Такой двигатель может быть использован для создания частотно-регулируемого привода платформ инфранизкой частоты, применяемых в нанотехнологиях.

В настоящее время для указанной цели применяют электродвигатели с пьезоэффектом. Например, пьезодвигатель по патенту на полезную модель №40551.

Общими признаками упомянутых электродвигателей являются наличие статора (неподвижного основания) и ротора (правда, модифицированного). Пьезодвигатель может обеспечить малые перемещения, но преобразование их в плавное вращение затруднено. По сути, электродвигатели с пьезоэлементами - это шаговые двигатели и преобразование электричества во вращение происходит не плавно, а дискретно.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение стабильности частоты вращения и расширение диапазона регулирования скорости ротора вниз.

Для решения указанной технической задачи электрический двигатель содержит статор, в котором под углом 120° друг к другу относительно центра статора расположены элементы Пельтье так, что их первые пластины являются полюсами статора и контактируют с расположенным внутри статора неподвижно упругим теплопроводящим цилиндром, внутри которого размещен волновой планетарный механизм, состоящий из трех сателлитов и центрального вала, при этом статор и упругий теплопроводящий цилиндр теплоизолированы друг от друга.

Для повышения к.п.д. двигателя путем уменьшения потоков рассеивания тепла вторые пластины элементов Пельтье соединены между собой по внешнему периметру теплопроводным элементом.

Теплопроводный элемент может быть выполнен в виде цилиндра из теплопроводящего материала, например меди. Однако для еще большего повышения к.п.д. двигателя теплопроводный элемент вторых пластин следует выполнить в виде тепловых трубок, заполненных критическими газами (так называемый тепловой насос).

Для регулирования числа оборотов выходного вала такого электродвигателя элементы Пельтье следует подключать через известный трехфазный регулятор (частотно-регулируемый трехфазный преобразователь переменного тока) инфранизкой частоты и датчик оборотов, связанные между собой обратной связью. Если датчик оборотов выполнить с выходным сигналом квадратурного кода, то привод может быть реализован как система подчиненного регулирования, в которой при подходе к заданной позиции плавно уменьшается скорость вращения.

Отличительными признаками предлагаемого электродвигателя является выполнение явно выраженных полюсов статора из элементов Пельтье, расположенных под углом 120° друг к другу относительно центра статора так, что их первые пластины являются полюсами статора и контактируют с расположенным внутри статора неподвижно упругим теплопроводящим цилиндром, внутри которого размещен волновой планетарный механизм, состоящий из трех сателлитов и центрального вала, при этом статор и упругий теплопроводящий цилиндр теплоизолированы друг от друга. А кроме того, дополнительно, что теплопроводный элемент может быть выполнен в виде теплового насоса и что элементы Пельтье подключены к частотно-регулируемому преобразователю переменного тока совместно с датчиком оборотов.

Благодаря отличительным признакам в совокупности с известными достигнут следующий технический эффект:

1. В упругом цилиндре, зажатом между полюсами статора, возникает совместно с тепловой трехфазной волной, волна упругой деформации, бегущая от более теплого полюса к более холодному полюсу.

2. Как известно, в трехфазном токе, в котором на 120 градусов сдвинуты фазы, ни в один из моментов времени нет совпадения токов. С помощью элементов Пельтье электрические токи преобразуются в трехфазный тепловой поток, в котором также ни в один из моментов времени не наступает равенство потоков во всех фазах, если в элементах Пельтье ток коммутировать по этому же признаку. Поэтому тепловая волна будет бежать в одном направлении от более теплого к более холодному полюсу, если смена фаз греющего-охлаждающего тока будет происходить с частотой меньшей, чем постоянная времени тепловой волны. Если сменить фазы тока в элементах Пельтье, сменится направление вращения тепловой волны, а значит и упругой волны. Тем самым создана реверсивная машина.

3. За счет большой постоянной времени тепловой волны в двигателе достигаются обороты, недостижимые ни в одной машине. Имеются в виду обороты низкой частоты.

4. Поскольку передача упругой вращающейся волны идет непосредственно от статора к валу, то исключаются кинематические погрешности, свойственные понижающим редукторам, которые являлись бы обязательным агрегатом любой электрической или тепловой машины.

В результате поиска по источникам научно-технической и патентной литературы аналогов данному трехфазному электротепловому двигателю не найдено, поэтому решение соответствует критерию «новое», отличительные признаки предложенной машины обеспечивают совершенно новые характеристики приводов в целом, а именно достигаются инфранизкочастотные обороты вала привода без оборотных пульсаций и кинематических ошибок, поэтому решение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Одной из областей применения электротеплового двигателя является нанотехнология, где требуются поворотные платформы с высокой точностью позиционирования и плавностью перемещения, причем особенно там, где дискретность перемещений недопустима. Поэтому предложенное решение отвечает требованию «промышленно применимо».

Предлагаемое изобретение поясняется фигурами 1 и 2. На фиг.1 схематично изображен двигатель, на фиг.2 - привод.

На фиг.1 обозначены: статор 1, выполненный из теплоизоляционного материала, расположенные под углом 120 градусов друг к другу относительно центра статора 1 элементы Пельтье 2, первые пластины 3 элементов Пельтье, выполняющие функции полюсов машины, упругий волновой теплопроводящий цилиндр 4 (выполненный, например, из обычной стали), сателлиты 5 волнового планетарного механизма, вал 6 волнового механизма, он же выходной вал электротеплового двигателя, теплопроводящий жесткий цилиндр 7.

На фигуре 2 приведена схема включения предложенного двигателя в систему, совместно с которой они образуют частотно-регулируемый привод, подобный приводу асинхронному. На фигуре 2 обозначения соответствуют: трехфазный полупроводниковый инфранизкочастотный регулятор частоты 9, элементы Пельтье 2, включенные в три фазы и сдвинутые на 120 градусов относительно друг друга, волновое колесо 4, сателлиты 5, вал 6 двигателя, датчик положения 8, жестко соединенный с валом 6 двигателя.

Работает такой двигатель анологично частотно-регулируемому асинхронному приводу. При подаче знакопеременного тока в элемент Пельтье 2 в последнем изменится температура, становясь то меньше, то больше температуры окружающей среды. Поскольку токи в элементах Пельтье 2 сдвинуты на 120 градусов, то тепловой поток от элемента более теплого пойдет к элементу более холодному. Упругий цилиндр 4 в более теплом участке начинает расширяться, а более холодном участке сужаться. Так тепловая волна вызывает упругую волну в волновом планетарном механизме. Упругая волна преобразуется в движение вала 6 аналогично как в планетарном волновом механизме. Это перемещение вала 6 зафиксирует датчик положения 8 и передаст информацию об угле поворота в регулятор частоты 9, который фазу и частоту выходного сигнала изменит так, чтобы разность между заданным углом и отработанным устремить к 0.

Если в качестве датчика положения 8 применить датчик квадратурного кода, то он будет нести информацию и о скорости, которую регулятор частоты 9 отработает и обеспечит так называемое подчиненное регулирование скорости вала 6.

Применение в качестве теплопроводящего элемента тепловых трубок позволяет уменьшить потоки рассеивания тепла и тем самым повысить к.п.д. привода. В этом случае тепловые трубки совместно с упругим цилиндром 4 играют ту же роль, что в обычном асинхронном электродвигателе переменного тока короткозамкнутый ротор. А вместо вращающегося магнитного потока здесь создается вращающийся тепловой поток, который преобразуется во вращающуюся волну деформации упругого цилиндра 4.

Двигатель предназначен для использования в электротехнике в качестве электрического двигателя, использующего тепловой эффект. Такой двигатель может быть использован для создания частотно-регулируемого привода платформ инфранизкой частоты, применяемых в нанотехнологиях. Электрический двигатель содержит статор, в котором под углом 120° друг к другу относительно центра статора расположены элементы Пельтье так, что их первые пластины являются полюсами статора и контактируют с расположенным внутри статора неподвижно упругим теплопроводящим цилиндром, внутри которого размещен волновой планетарный механизм, состоящий из трех сателлитов и центрального вала. Изобретение обеспечивает повышение стабильности частоты вращения и расширение диапазона регулирования скорости ротора вниз. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электрический двигатель, характеризующийся тем, что он содержит статор, в котором под углом 120° друг к другу относительно центра статора расположены элементы Пельтье так, что их первые пластины являются полюсами статора и контактируют с расположенным внутри статора неподвижно упругим теплопроводящим цилиндром, внутри которого размещен волновой планетарный механизм, состоящий из трех сателлитов и центрального вала, при этом статор и упругий теплопроводящий цилиндр теплоизолированы друг от друга.2. Электрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что вторые пластины элементов Пельтье соединены между собой по периметру теплопроводными элементами.3. Электрический двигатель по п.2, отличающийся тем, что теплопроводные элементы выполнены в виде цилиндра из теплопроводящего материала.4. Электрический двигатель по п.2, отличающийся тем, что теплопроводные элементы выполнены в виде тепловых трубок.5. Электрический двигатель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что элементы Пельтье подключены к источнику питания посредством трехфазного регулятора инфранизкой частоты и датчика оборотов, связанных между собой обратной связью.