БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2014 года по МПК H02K31/00 H02K31/02 

Заявляемое изобретение относится к области магнетизма и электротехники и может быть рекомендовано к использованию в широком ассортименте промышленных и бытовых изделий и приборов, в частности в гибридных автомобилях.

Двигатели постоянного тока, как правило, содержат электромагнитные статоры и роторы с секционированными обмотками, связанными с коллектором на оси вращения, контакты к ламелям которого выполнены угольными или медно-угольными щетками, закрепленными в оппозитно расположенных щеткодержателях, а прижим щеток к коллектору осуществляются пружинящими пластинами.

Недостатком таких двигателей является относительно низкая надежность работы коллекторно-щеточной группы, связанная с фактором скольжения коллектора относительно щеток, то есть с износом щеток и коллектора, усиливающимся за счет искрения при переходах контактов с одной пары ламелей коллектора на другую по ходу вращения ротора. Кроме того, одновременно работает одна из секций обмоток ротора, что снижает вращательный момент на оси двигателя. Возникающие переходные процессы - экспоненциальное возрастание тока в секции обмотки во времени, следующие с высокой частотой - до нескольких килогерц, снижают возможности увеличения скорости вращения ротора, что уменьшает удельную мощность на единицу объема (веса) двигателей и их быстроходность. Такие двигатели являются источниками радиопомех.

В основе действия известных электрических генераторов и двигателей лежит закон Фарадея об электромагнитной индукции, определяющий возникновение движущей силы в проводнике с током, находящемся в поперечном магнитном поле, либо возникновение в таком проводнике эдс индукции в случае движения проводника в поперечном магнитном поле [1-3].

В электрических моторах и генераторах постоянного тока используются статоры на основе постоянных магнитов и электромагнитов постоянного тока, и роторы, обмотка которых секционирована и соединена с коллектором, к ламелям которого через скользящие контакты подключены проводники, связанные либо с источником постоянного тока при работе устройства в качестве мотора, либо с электрической нагрузкой при работе этого устройства в качестве генератора постоянного тока (режим рекуперации в электромобилях при их торможении).

Известны бесколлекторные двигатели постоянного тока, ротор которых представляет собой проводящий диск, находящийся в поперечном магнитном поле постоянного магнита (электромагнита), в котором в его радиальных направлениях протекает постоянный ток от источника постоянного тока. Эта модель впервые была предложена М. Фарадеем в 1821 году. При этом используются скользящие контакты, связанные с осью проводящего диска и с его наружной кромкой [4]. Такие двигатели не нашли применения в энергетических устройствах из-за больших потерь в подводящих проводниках из-за малости сопротивления проводящего диска. Кроме того, наличие скользящих контактов снижает надежность действия бесколлекторных электродвигателей такого типа.

Другой модификацией электродвигателя М. Фарадея является бесколлекторный двигатель, ротор которого выполнен в виде проводящего цилиндра, по цилиндрическим стенкам которого протекает постоянный ток, например, сверху-вниз, а цилиндрические стенки этого проводящего цилиндра размещены в постоянном поперечном магнитном поле магнита, магнитные полюсы которого выполняют в виде концентрических цилиндрических поверхностей, аналогичных магниту известных акустических динамиков [5-6]. При этом также используются скользящие контакты, связанные с осью вращения проводящего цилиндра, скрепленной с проводящей верхней крышкой-основанием проводящего цилиндра, а также с его нижней кромкой. Такие бесколлекторные двигатели также не могут найти применение в энергетических системах по тем же причинам, как и в модели двигателя М.Фарадея. Первый униполярный двигатель, колесо Барлоу, создал Питер Барлоу, описав его в книге «Исследование магнитных притяжений», опубликованной в 1824 году. Колесо Барлоу представляло собой два медных зубчатых колеса, находящихся на одной оси. В результате взаимодействия тока, проходящего через колеса с магнитным полем постоянных магнитов, колеса вращаются во взаимопротивоположных направлениях. Токосъем осуществлен от электрически не связанных осей дисков, зубцы которых шестеренчато связаны с выходным валом и замыкают электрическую цепь этих колес.

Известно принципиально новое техническое решение - бесконтактный и бесколлекторный двигатель постоянного тока по патенту РФ №2391761 того же автора, опубликованного в бюллетене №16 от 10.06.2010 [7]. В указанном бесколлекторном двигателе постоянного тока содержится неподвижный статор и ротор с осью вращения, и он отличается тем, что статор выполнен в виде полого цилиндрического магнитопровода, внутри которого размещены по его концам первая и вторая секции из нескольких кольцевых ребер магнитопроводника каждая, в первой и второй секциях кольцевых ребер магнитопроводника по всей их поверхности закреплен соответственно первый и второй ребристо-цилиндрический электропроводник, оба указанных ребристо-цилиндрических электропроводника статора выполнены из медной фольги склеиванием или путем напыления слоя меди на поверхности кольцевых ребер первого и второго магнитопроводников и не имеют с ними электрического контакта, внутренние концы первого и второго ребристо-цилиндрических электропроводников соединены с внутренними медными кольцевыми электродами, а их внешние концы - с внешними медными кольцевыми электродами через медные крышки-соединители, ротор выполнен в виде цилиндрического электромагнита с расположенными по его концам двумя одинаковыми первой и второй секциями из нескольких кольцевых ребер магнитопроводника, например, из стали, которые входят в пазы соответственно первой и второй секций кольцевых магнитопроводов статора с малыми зазорами между ними, в средней части ротора неподвижно и бесконтактно к нему соосно размещена обмотка подмагничивания, один конец которой соединен с первым внутренним медным кольцевым электродом первого ребристо-цилиндрического электропроводника, а второй - ко второму внешнему медному кольцевому электроду второго ребристо-цилиндрического электропроводника, при этом выходные зажимы двигателя соединены соответственно с первым внешним медным кольцевым электродом первого ребристо-цилиндрического электропроводника и со вторым внутренним медным кольцевым электродом второго ребристо-цилиндрического электропроводника.

Недостатком этого технического решения является низкое сопротивление синтезированной рабочей обмотки, закрепленной на неподвижном статоре, что увеличивает потери на подводящих проводах между двигателем и низковольтным источником постоянного тока; что снижает кпд преобразования электрической энергии в механическую.

Этот недостаток устранен в модификации этого же принципа построения бесколлекторных двигателей постоянного тока по заявке автора №2013115807/28 (023441) от 08.04.2013 на «Бесколлекторный двухроторный двигатель постоянного тока» [8], который следует считать в качестве прототипа заявляемому техническому решению.

Бесколлекторный двухроторный двигатель постоянного тока, содержит вращающийся намагниченный безобмоточный ротор и неподвижный тороидальный статор с наложенной на нем рабочей обмоткой, а также закрепленную на статоре катушку подмагничивания ротора и отличается тем, что в него введен жестко связанный с осью вращения ротора дополнительный безобмоточный ротор в форме магнитопроводящего цилиндра с дополнительной катушкой его подмагничивания, закрепленной к телу статора, оба вращающихся ротора с общей их осью вращения расположены их одноименными магнитными полюсами соответственно с внутренней и наружной поверхностями тороидального статора с образованием двух цилиндрических магнитных зазоров, внутри которых установлены прилегающие к тороидальному статору немагнитные цилиндры, на которые намотана рабочая обмотка тороидального статора, витки которой пропускаются через отверстия в последнем, а соответствующие полувитки рабочей обмотки находятся в непосредственной близости (с минимально допустимым зазором) от цилиндрических поверхностей обоих вращающихся роторов, обе катушки подмагничивания роторов и рабочая обмотка тороидального статора подключены последовательно или параллельно к источнику постоянного тока, причем образованные две независимые магнитные цепи «ротор - тороидальный статор» и «дополнительный ротор - тороидальный статор» замыкаются через магнитно связанные с их роторами магнитопроводящие шайбы, закрепленные с телами их роторов, с минимально допустимыми зазорами с неподвижными магнитопроводящими стенками тороидального статора; при этом толщина стенок немагнитных цилиндров выбрана в пять-десять раз большей зазора между проводниками рабочей обмотки тороидального статора и цилиндрическими поверхностями вращающихся роторов.

В этом двигателе, во-первых, рабочая обмотка является многовитковой, что существенно повышает кпд двигателя из-за значительного снижения потерь на подводящих проводниках от источника тока, во-вторых, удваивается общий вращательный момент, действующий на оба вращающихся на единой оси ротора, поскольку полувитки рабочей обмотки размещены соответственно в двух рабочих магнитных зазорах, и, в-третьих, расположение рабочих полувитков этой обмотки в непосредственной близости от вращающихся роторов и дальше от внутренней и внешней цилиндрических поверхностей тороидального статора приводит к перераспределению сил, действующих при взаимодействии магнитных полей на тороидальный статор и соответствующие два ротора в пользу последних.

Недостатком прототипа является неиспользование в работе двигателя тех частей рабочей обмотки, которые являются соединениями пар работающих «полувитков», находящихся в двух цилиндрических магнитных зазорах, поскольку эти соединительные части не охвачены магнитным полем, что заметно уменьшает эффективность работы двигателя, поскольку длина этих соединительных частей соизмерима с длиной двух «полувитков» в каждом витке рабочей обмотки.

Указанный недостаток известного решения (прототипа) устранен в заявляемом техническом решении.

Целью изобретения является увеличение кпд и удельной мощности двигателя на единицу его объема или веса.

Указанные цели достигаются в заявляемом бесколлекторном двигателе постоянного тока, содержащем вращающийся намагниченный безобмоточный ротор и неподвижный тороидальный статор с наложенной на нем рабочей обмоткой, а также закрепленные на неподвижной оси статора, закрепленной с корпусом двигателя, две катушки подмагничивания системы «ротор-статор», включенные последовательно с рабочей обмоткой и создающие магнитные потоки, передаваемые к ротору через две оппозитно расположенные на оси статора магнитопроводящие шайбы с малым зазором от магнитопроводящих шайб тела ротора, причем рабочая обмотка статора расположена с минимально допустимым зазором от магнитного полюса ротора и существенно удалена от магнитного полюса статора использованием диэлектрической прокладки; на которой намотана рабочая обмотка; и при этом ротор снабжен тремя подшипниками качения: один из которых установлен в крышке корпуса двигателя, отличающемся тем, что рабочий магнитный полюс статора выполнен в виде тороида с круглым сечением, связанный с его осью через магнитопроводящий диск, с двух сторон от которого размещены две катушки подмагничивания, закрепленные на неподвижной оси статора, во внутренней полости которой пропущены выводные проводники последовательно соединенных двух катушек подмагничивания и рабочей обмотки наружу двигателя, на тороидальном магнитном полюсе статора размещен полый тороид из немагнитного (диэлектрического) материала, на котором намотана рабочая обмотка, например, однослойная виток к витку, причем толщина его стенок выбрана в пять-десять раз больше воздушного зазора между рабочей обмоткой статора и тороидально-цилиндрическим телом ротора, который имеет форму полого тороида из магнитопроводящего материала и состоит из двух скрепляемых при сборке половин, магнитно связанных с магнито-проводящими шайбами, передающими магнитные потоки, через полые магнитопроводящие цилиндры, в цилиндрически-тороидальном магнитном зазоре между ротором и статором образовано магнитное поле, векторы которого ортогональны направлению тока в витках рабочей обмотки, которые пропущены через двухрядные отверстия в магнитопроводящем диске статора, кроме того, два подшипника качения установлены по концам оси ротора относительно неподвижной оси статора.

Достижение поставленной цели объясняется благодаря практически полному использованию длины проводника рабочей обмотки статора, поскольку витки этой обмотки почти полностью охвачены в любом произвольном сечении тороидальной конструкции «ротор-статор» магнитным полем, вектор которого в любой произвольной точке проводника этой обмотки ортогонален направлению тока в ней, совпадающему с касательной к данной точке проводника. Последнее обусловливает появление сил Лоренца, однонаправлено по окружностям приложенных между рабочей обмоткой по всей ее длине и тороидальными магнитными полюсами системы «ротор-статор». Эти силы разлагаются на неравные составляющие вследствие несимметричного расположения витков рабочей обмотки между магнитными полюсами системы «ротор-статор», большая по величине из которых приложена к ротору, вызывая его вращение. Лишь ничтожная часть длины проводника рабочей обмотки (порядка 4…5%) не охвачена магнитным полем, поскольку эта малая часть витков проходит через отверстия в магнитопроводящем диске статора и не охвачена магнитным полем. Тороидальный ротор в его сечении не является замкнутым со стороны магнитопроводящего диска статора. Витки рабочей обмотки пропущены при намотке через двухрядные отверстия в этом диске. В решении-прототипе эти потери составляют порядка 50%, то есть на порядок больше, чем в заявляемом техническом решении. Изобретение понятно из представленных рисунков. На рис.1 приведен центральный разрез бесколлекторного двухроторного двигателя постоянного тока - прототипа - с оцифровкой его элементов со звездочками:

1* - неподвижный, связанный с корпусом двигателя тороидальный статор с его магнитопроводящей крышкой (на рисунке справа),

2* - полувитки рабочей обмотки тороидального статора 1, расположенные вблизи поверхности вращающегося безобмоточного ротора,

3* - полувитки рабочей обмотки тороидального статора 1, расположенные вблизи поверхности дополнительного безобмоточного ротора, выполненного в форме полого магнитопроводящего цилиндра,

4* - немагнитный (диэлектрический) цилиндр, вплотную прилегающий к внутренней поверхности магнитного полюса тороидального статора,

5* - дополнительный немагнитный (диэлектрический) цилиндр, вплотную прилегающий к внешней поверхности магнитного полюса тороидального статора с цилиндрическим выносом (вправо на рис.1) для крепления к нему дополнительной катушки подмагничивания дополнительного ротора,

6* - магнитопроводящая крышка тороидального статора (на рис.1 слева),

7* - вращающийся безобмоточный ротор с цилиндром подмагничивания с центральным отверстием в нем (слева) и отрезком оси вращения (справа),

8* - магнитопроводящая шайба ротора 7, закрепленная на тугой посадке с цилиндром подмагничивания ротора 7, с выносной осью вращения (справа) и отрезком оси вращения (слева),

9* - катушка подмагничивания ротора 7,

10* - дополнительный безобмоточный ротор, жестко закрепленный на оси вращения путем тугой посадки его с отрезком оси вращения ротора 7,

11* - магнитопроводящая шайба, закрепленная с цилиндром подмагничивания дополнительного ротора 10,

12* - дополнительная катушка подмагничивания дополнительного ротора 10, жестко закрепленная с телом неподвижного тороидального статора 1 через вынос немагнитного (диэлектрического) цилиндра 5,

13* - крышка корпуса двигателя (слева на рис.1),

14* - полый немагнитный цилиндрический корпус двигателя с посадочными канавками для связи с крышкой 13 и магнитопроводящей стенкой 6 тороидального статора 1,

15* - наружные подшипники двигателя,

16* - внутренний подшипник двигателя,

17* - выводы рабочей обмотки (ее полувитков 2 и 3) тороидального статора 1,

18* - выводы последовательно соединенных катушек подмагничивания 9 и 12 безобмоточных роторов 7 и 10 соответственно (подводящие проводники не указаны).

На рис.2 представлена конструкция заявляемого двигателя в составе:

1 - первая половина ротора тороидально-цилиндрической конструкции,

2 - вторая половина ротора тороидально-цилиндрической конструкции,

3 - выходная ось вращения ротора,

4 - тороидальный статор с магнитопроводящим диском,

5 - неподвижная магнитопроводящая ось статора, фигурными стрелками показаны направления магнитных потоков,

6 - первая крышка корпуса двигателя с неподвижно закрепленной в ней осью 5 статора,

7 - подшипник ротора на оси статора со стороны первой крышки корпуса двигателя,

8 - подшипник ротора на оси статора со стороны второй крышки корпуса двигателя,

9 - подшипник ротора во второй крышке корпуса двигателя,

10 - вторая крышка корпуса двигателя со стороны выходной оси ротора 3,

11 - первая магнитопроводящая шайба статора,

12 - вторая магнитопроводящая шайба статора,

13 - первая катушка подмагничивания системы «ротор-статор» на оси 5 статора,

14 - вторая катушка подмагничивания системы «ротор-статор» на оси 5 статора,

15 - полый тороид из немагнитного (диэлектрического) материала, наложенный на цилиндрически-тороидальной части статора,

16 - витки рабочей обмотки статора, например, однослойной, намотанной виток к витку,

17 - цилиндрический полый корпус двигателя, сочленяемый с крышками 6 и 10,

18 - изолированные от корпуса двигателя клеммы выводов рабочей обмотки 16 и последовательно с ней включенных катушек подмагничивания 13 и 14 (соединения этих элементов на рис.1 не указаны).

На рис.3 показан вид сверху на центральный поперечный разрез двигателя, в котором дополнительно к рис.1 указаны элементы:

19 - ось статора с полостным отверстием в ней для электрических выводов двигателя,

20 - двухрядные отверстия для намотки рабочей обмотки в магнитопроводящем диске,

21 - крепежная кромка второй половины 2 тороидально-цилиндрического ротора,

22 - отверстия в кромке 21 для болтовых соединений при сборке двигателя.

На магнитопроводящем диске статора показаны фигурными стрелками направления магнитного потока от оси 5 статора (рис.5) к тороидальному телу магнитного полюса статора, например, северной полярности (N).

Двухрядность расположения отверстий 22 на магнитопроводящем диске обусловлена необходимостью обеспечения малого магнитного сопротивления магнитопроводящего диска статора при плотной намотке витков рабочей обмотки 16 при существенном различии диаметров расположения витков рабочей обмотки в плоскости магнитопроводящего диска статора.

На рис.4 показан линеаризированный фрагмент системы «ротор-статор» с рабочей обмоткой 16, намотанной на полом тороиде из немагнитного (диэлектрического) материала. Указаны размеры зазоров £ и h от проводника рабочей обмотки 16 соответственно от цилиндрических поверхностей ротора 2 и статора 4, а также диаметр витков D рабочей обмотки. Стрелками показаны направления тока J в витках рабочей обмотки 16 и магнитного поля с напряженностью Н в цилиндрически-тороидальном магнитном зазоре (тонкими стрелками), а также действия касательной составляющей силы со стороны рабочей обмотки 16 на поверхность ротора 1 (толстыми стрелками).

Рассмотрим конструкцию и действие заявляемого двигателя.

Двигатель содержит тороидально-цилиндрические разборный ротор из двух половин 1 и 2 с выходной осью 3 и статор 4, оснащенный магнитопроводящим диском и центрально расположенной на нем осью статора 5, неподвижно закрепленной на первой крышке 6 корпуса двигателя 17. Ось ротора связана с неподвижной осью статора через подшипники 7 и 8, а выходная ось ротора дополнительно снабжена подшипником 9, установленным во второй крышке 10 корпуса двигателя. На оси статора в непосредственной близости от магнитопроводящих стенок ротора установлены магнитопроводящие шайбы 11 и 12, через которые магнитные потоки, создаваемые первой 13 и второй 14 катушками подмагничивания магнитной системы «ротор-статор», передаются через цилиндрические магнитопроводы ротора к его рабочей тороидально-цилиндрической части. Эти магнитные потоки через магнитопроводящий диск статора передаются к рабочей части тороидально-цилиндрического магнитного полюса статора с круглым поперечным сечением. Тороидально-цилиндрические магнитные полюсы являются взаимно соосными, и между ними образован тороидально-цилиндрический магнитный зазор, внутри которого существует радиально-неоднородное магнитное поле с напряженностью Н в зоне расположения рабочей обмотки 16 статора, постоянной по величине в любой точке этой обмотки. Вектор магнитного поля для любой точки рабочей обмотки ортогонален касательной к этой точке обмотки, то есть к направлению постоянного тока в данной точке проводника рабочей обмотки. Для того чтобы витки рабочей обмотки 16 располагались в непосредственной близости от вращающегося ротора с малым воздушным зазором ε (рис.4), на магнитном полюсе статора укреплен полый тороид из немагнитного (диэлектрического) материала 15, толщина стенок которого h>>ε, смысл чего указывается ниже. На рис.1 для простоты не показаны соединения рабочей обмотки 16 и катушек подмагничивания 13 и 14, включенных последовательно и выполненных из одного и того же по сечению медного проводника. Выводы этого соединения пропущены через сверления в теле неподвижной оси статора 5 и подсоединены к клеммам 18, изолированным от корпуса двигателя и размещенным на первой крышке 6 корпуса.

Основным достоинством заявляемого устройства является то, что вся длина рабочей обмотки участвует в создании вращательного момента (в прототипе рабочая обмотка приблизительно наполовину не используется за счет соединительных ее отрезков проводника, не находящихся в магнитном поле между двумя роторами и статором). Круглые витки рабочей обмотки 16 полностью находятся в тороидально-цилиндрическом магнитном зазоре за исключением небольшой части витков (порядка 5% длины окружности витка) из-за пропуска этой части сквозь отверстия в магнитопроводящем диске статора. Незамкнутость поперечного сечения ротора связана с необходимостью передачи магнитного потока, создаваемого катушками подмагничивания 13 и 14, от неподвижной магнитопроводящей оси статора 5 к тороидально-цилиндрическому статору 4 через магнитопроводящий диск статора, на всей поверхности которого возникает магнитный полюс одной полярности, например, северной (N). Указанный магнитный поток также передается через пару магнитопроводящих шайб 11 и 12 на магнитопроводящий тракт ротора с минимальным воздушным зазором между двумя парами магнитопроводящих шайб статора и ротора. При этом на всей внутренней поверхности тороидально-цилиндрического ротора 1 образуется магнитный полюс одной полярности, например, южной (S). Между этими полюсами образуется неоднородное радиальное магнитное поле, напряженность которого Н в месте расположения витков рабочей обмотки 16 определяется полным магнитным потоком Ф; создаваемым катушками подмагничивания 13 и 14 - их ампервитками при заданном значении относительной магнитной проницаемости магнитного материала, из которого выполнена система «ротор-статор». Направления магнитного потока указано фигурными стрелками на оси статора и на магнитопроводящем диске статора (рис.2 и 3). Магнитная индукция В в зоне расположения витков рабочей обмотки равна В=Ф/Q, где Q - площадь поверхности тороидально-цилиндрической рабочей обмотки 16, величина которой зависит от диаметра витков D рабочей обмотки и средней длины ее окружности. Зная эти величины можно найти значение напряженности постоянного магнитного поля в тороидально-цилиндрическом магнитном зазоре у витков рабочей обмотки, так как Н=В/µ_O µ, где µ_O=1,256*10^-6 Гн/м - магнитная постоянная, µ - относительная магнитная проницаемость ферроматериала магнитопровода (для железа (µ≈400 и более) - безразмерная величина.

По известному правилу «левой руки» в поперечном магнитном поле с напряженностью магнитного поля Н (в амперах на метр) на проводник длиной L (в метрах) с током J (в амперах) действует сила Лоренца F, равная F=µ_O L I Н (в ньютонах). С учетом того, что в рассматриваемой конструкции двигателя практически 95% длины рабочей обмотки 16 используется полезно, под длиной проводника L в данном случае следует понимать величину L=0,95 π k D n, где D - диаметр витка рабочей обмотки, n - число витков рабочей обмотки на длине π k D, причем коэффициент k определяет размер тороидального ротора и указывает на то, во сколько раз расстояние между диаметрально противоположными точками на рабочей обмотке 16 (см. рис.1) больше диаметра витка этой обмотки. Например, коэффициент k может быть задан величиной k=3,5 при диаметре корпуса двигателя около 4 D. При плотной намотке (виток к витку) в один слой число витков n=π k D / d, где d - диаметр проводника рабочей обмотки. При этом сечение проводника q=π d²/4, и при допустимой плотности тока в медном проводнике j=10 А/мм² максимальное значение тока.1 в рабочей обмотке находится как J=π j d²/4. Тогда при диаметре проводника d=2 мм и диаметре витка D=50 мм число витков n=3,14*3,5*50/2=275 витков. Сила тока в такой обмотке может достигать величины J=3,14*10*4/4=31,4 А. При этом диаметр корпуса двигателя оценивается как 200 мм. Полная рабочая длина обмотки 16 при указанных параметрах равна L=0,95 π k D n=0,95*3,14*3,5*0,05*275=143,5 м. Сопротивление такой рабочей обмотки постоянному току равно R_РАБ=ρ L/q=0,017 * 143,5/3,14=0,777 Ом, где ρ - удельное сопротивление по меди, равное 0,017 Ом*м/мм², и при заданном наибольшем токе J=31,4 А падение напряжения на этой обмотке составит U_РАБ=J R_РAБ=0,777* 31,4=24,4 В. Мощность рассеяния в рабочей обмотке составляет величину P_РАБ=J² * R_РАБ=766 Вт. Если катушки подмагничивания системы «ротор-статор» 13 и 14, выполненные тем же по сечению медным проводником имеют сопротивление, равное сопротивлению рабочей обмотки, то полная потребляемая от источника постоянного тока мощность составит Р_∑=3 * 766=2300 Вт=2,3 кВт. При кпд такого двигателя не хуже 90%, рабочая мощность двигателя на валу может быть равной около 2 кВт. В качестве источника питания могут быть использованы аккумуляторные батареи с напряжением порядка 73 В (шесть последовательно включенных 12-и вольтовых автомобильных аккумуляторов). Длина двигателя может составить около 3 D=150 мм, так что объем двигателя равен V_ДВ.=12 π D³=12 * 3,14 * 0,05³=0,0047 куб.м=4,7 дм³, и удельная мощность двигателя на единицу его объема может быть не хуже величины 0,43 кВт/дм³.

В соответствии с третьим законом Ньютона (сила действия равна и противоположна силе противодействия) результирующая сила действия F со стороны рабочей обмотки 16, находящейся в магнитном поле с напряженностью Н при токе в обмотке J, прикладывается как к неподвижному статору 4, не производя никакой работы (отсутствует взаимное перемещение), так и к подвижному ротору 1, и эти силы действия F_РОТ и F_СТ не равны по величине из-за несимметричного расположения рабочей обмотки в магнитном зазоре между полюсами ротора и статора - ближе к ротору и дальше от статора, как это видно на рис.4 при условии h>>ε, откуда следует неравенство F_РОТ>>F_СТ. Нетрудно показать, что силы Р_РОТ и F_СТ могут быть вычислены по формулам: F_РОТ≈F{1+cos[π(ε+d/2)/(h+ε)]}/2 и F_СТ≈F{1-cos[π(ε+d/2)//(h+ε))]/2 с учетом близости β→π/2 (угол β измеряется между векторами F_РОТ и F_СТ), где 0≤ε+d/2≤h+ε, где h+ε - расстояние между магнитными полюсами ротора и статора. Касательная сила F, приложенная к ротору 1, находится как F=F_РОТ sin β<<F_РОТ с учетом малого отклонения угла β от прямого.

Под действием касательной силы F возникает вращательный момент М_ВР=F R_{О РОТ}, где R_{О РОТ} - рычаг ротора, равный расстоянию между центром оси статора 5 и центром витков рабочей обмотки. В ранее рассмотренном примере R_{O РОТ} ≈ 1,5 D=75 мм. Мощность на выходной оси 3 ротора равна Р=ω М_ВР; где ω - угловая скорость вращения оси 3 (ω=2π: F, где F - скорость вращения оси в оборотах в секунду).

Рассмотренный тип бесколлекторного двигателя постоянного тока выгодно отличается от всех известных коллекторных двигателей отсутствием ненадежного их элемента - коллектора со щетками и вообще отсутствием каких-либо скользящих контактов, снижающих надежность и долговечность санкционирования известных двигателей. В коллекторных двигателях одномоментно работает только одна из множества секций обмотки ротора, а в рассматриваемом типе двигателя работает постоянно вся рабочая обмотка тороидального статора, что увеличивает энергетику двигателя. При его работе отсутствуют переходные процессы, характерные для коллекторных двигателей постоянного тока из-за высокочастотного переключения секций обмотки его ротора. Это способствует увеличению скорости вращения роторов заявляемого двигателя и отсутствию излучений в широком спектре радиопомех. Кроме того, это приводит к увеличению удельной полезной мощности на валу двигателя на единицу его объема (веса).

Сборка заявляемого двигателя не представляет затруднений, поскольку он состоит из нескольких разъемных частей, как это видно на рис. 2. Промышленное изготовление заявляемого типа двигателя представляет большой интерес для технических средств, требующих при работе повышенной надежности их работы и длительного срока службы. Например, такие двигатели могут применяться в гибридных автомобилях.

К примеру, в создаваемом гибридном автомобиле, разрабатываемым фирмой «Е-авто» под Санкт-Петербургом, используются асинхронные электродвигатели из-за непригодности коллекторных малонадежных двигателей постоянного тока. Однако при этом приходится преобразовывать электроэнергию от литий-ионных аккумуляторных батарей (или высокоемкостных конденсаторов) в электроэнергию переменного тока, что снижает кпд всего силового агрегата. Поэтому применение бесколлекторных двигателей постоянного тока оказывается предпочтительным перед применением асинхронных двигателей переменного тока.

Литература

1. Л.Д.Ландау, Е.М.Лисфшиц, Электродинамика сплошных сред, 2 изд., М., 1982;

2. Дж.Джексон, Классическая электродинамика, пер. с англ., М., 1965;

3. Д.В.Сивухин, Общий курс физики, 2 изд., т.3, Электричество, М., 1983;

4. Электрические униполярные машины, под ред. Л.А. Суханова, М., ВНИИЭМ, 1964, с.14;

5. «Электричество», №8, 1991, с.6-7, рис.8;

6. Патент Великобритании №2223628 А;

7. О.Ф.Меньших, Бесколлекторный двигатель постоянного тока, Патент РФ №2391761; опубл. в №16 от 10.06.2010;

8. О.Ф. Меньших, Бесколлекторный двухроторный двигатель постоянного тока, Заявка на изобретение №2013115807/, 28 (023441) с приоритетом от 08.04.2013 (прототип).

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в широком ассортименте промышленных и бытовых изделий и приборов, в частности в гибридных автомобилях. Технический результат - увеличение кпд и удельной мощности двигателя на единицу его объема или веса. Бесколлекторный двигатель постоянного тока содержит вращающийся намагниченный безобмоточный ротор и неподвижный тороидальный статор с рабочей обмоткой и двумя катушками подмагничивания, две оппозитно расположенные на статоре магнитопроводящие шайбы с малым зазором от магнитопроводящих шайб тела ротора. Рабочая обмотка статора расположена с минимально допустимым зазором от магнитного полюса ротора и существенно удалена от магнитного полюса статора использованием диэлектрической прокладки, на которой намотана рабочая обмотка. Рабочий магнитный полюс статора выполнен в виде тороида с круглым сечением, связанный с его неподвижно закрепленной на корпусе двигателя магнитопроводящей осью через магнитопроводящий диск, с двух сторон от которого размещены две катушки подмагничивания. Выводы последовательно соединенных катушек подмагничивания и рабочей обмотки подключены к источнику постоянного тока. На тороидальном магнитном полюсе статора размещен полый тороид из немагнитного (диэлектрического) материала, на котором намотана рабочая обмотка, а толщина его стенок выбрана в пять-десять раз больше воздушного зазора между рабочей обмоткой статора и тороидально-цилиндрическим телом ротора, который имеет форму полого тороида из магнитопроводящего материала и состоит из двух половин, магнитно связанных с магнито-проводящими шайбами. 4 ил.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока, содержащий вращающийся намагниченный безобмоточный ротор и неподвижный тороидальный статор с наложенной на нем рабочей обмоткой, а также закрепленные на неподвижном статоре две катушки подмагничивания системы «ротор-статор», включенные последовательно с рабочей обмоткой и создающие магнитные потоки, передаваемые к ротору через две оппозитно расположенные на статоре магнито-проводящие шайбы с малым зазором от магнитопроводящих шайб тела ротора, причем рабочая обмотка статора расположена с минимально допустимым зазором от магнитного полюса ротора и существенно удалена от магнитного полюса статора использованием диэлектрической прокладки, на которой намотана рабочая обмотка, и при этом ротор снабжен тремя подшипниками качения, один из которых установлен в крышке корпуса двигателя, отличающийся тем, что рабочий магнитный полюс статора выполнен в виде тороида с круглым сечением, связанный с его неподвижно закрепленной на корпусе двигателя магнитопроводящей осью через магнитопроводящий диск, с двух сторон от которого размещены две катушки подмагничивания, закрепленные на оси статора, во внутренней полости которой пропущены выводы последовательно соединенных двух катушек подмагничивания и рабочей обмотки наружу двигателя для его подключения к источнику постоянного тока, на тороидальном магнитном полюсе статора размещен полый тороид из немагнитного (диэлектрического) материала, на котором намотана рабочая обмотка, например, однослойная виток к витку, причем толщина его стенок выбрана в пять-десять раз больше воздушного зазора между рабочей обмоткой статора и тороидально-цилиндрическим телом ротора, который имеет форму полого тороида из магнитопроводящего материала и состоит из двух скрепляемых при сборке половин, магнитно связанных с магнито-проводящими шайбами, передающими магнитные потоки, через полые магнитопроводящие цилиндры, в цилиндрически-тороидальном магнитном зазоре между ротором и статором образовано магнитное поле, векторы которого ортогональны направлению тока в витках рабочей обмотки, которые пропущены через двухрядные отверстия в магнитопроводящем диске статора, кроме того, два подшипника качения установлены по концам оси ротора относительно неподвижной оси статора.