ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2024 года по МПК H02K41/35 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической и электронной промышленностям и может найти применение в микроэлектромеханических системах.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является электрический двигатель постоянного тока, содержащий статор и подвижную часть, а также индуктор, якорь и щеточно-коллекторный узел с токоподводящими щетками, соединенный с якорем [1-3].

Известный электродвигатель постоянного тока содержит индуктор в виде неподвижного на статоре постоянного электромагнита с двумя полюсами (N-S) и якорь, содержащий быстро перемагничиваемый ферромагнитный сердечник, в который встраивают 8-20 проводящих рамок, расположенный на валу ротора. Концы рамок выведены на цилиндрический коллектор с отдельными ламелями-контактами по образующим цилиндра. К коллектору прижаты токоподводящие графитовые щетки, закрепленные на статоре. Для получения момента вращения на валу ротора на щетки подается постоянный ток, который через коллектор поступает на проводники рамок обмотки. В проводниках одной рамки ток протекает в разных направлениях под разными магнитными полюсами. Например, под северным полюсом ток протекает от коллектора, а под южным полюсом к коллектору. Известно, что проводник с током выталкивается из магнитного поля по правилу левой руки. Поэтому два проводника рамки создают парный момент вращения. Несколькими рамками создается непрерывное вращательное движение якоря и соответственно вала двигателя.

Недостатком известного электродвигателя является то, что при создании электроприводов с возвратно-поступательным механическим движением появляется необходимость использования кривошипно-шатунного механизма или колесно-реечной передачи для преобразования вращательного движения электродвигателя в линейное движение механического устройства. Создание микроэлектромеханических систем направлено на минимизацию использования механических преобразователей движения.

Предлагаемое техническое решение направлено на создание электродвигателя постоянного тока с возвратно-поступательным движением якоря, удовлетворяющего требованиям рабочих машин с возвратно-поступательным приводом без дополнительных преобразователей движения, а также удовлетворяющего требованиям к микросистемной технике по минимизации механических движений.

Технический результат достигается тем, что электрический двигатель постоянного тока, содержащий статор и подвижную часть, а также индуктор, якорь и щеточно-коллекторный узел с токоподводящими щетками, соединенный с якорем, при этом якорь и коллектор выполнены линейно-протяженными и расположены на статоре, при этом якорь содержит магнитопровод, линейно расположенные встречные магнитные полюсы с равным шагом и обмотки электрические на полюсах, соединенные последовательно попарно на встречных полюсах, коллектор выполнен из двух отдельных ламельных групп с шагом полюсов якоря, встречно расположенных в продолжение к рядам полюсов якоря, индуктор выполнен из ферромагнитного материала в виде сердечника в статоре, шириной больше двух шагов полюсов и расположен в пространстве между рядами полюсов статора на свободных подшипниковых направляющих, и дополнительно снабжена водилом и штоком, соединенными с индуктором и направленными в разные стороны, при этом токоподводящие щетки механически и изолированно соединены со штоком и прижаты по отдельности к ламельным группам коллектора, причем в одной группе щетка контактирует с выводом обмотки полюса слева от сердечника, а в другой группе с выводом обмотки справа от сердечника, и дополнительно содержит две щетки заземления, расположенные на один шаг ламелей по разные стороны от токоподводящих щеток, а также дополнительно содержит два коммутирующих элемента, соединенных с токоподводящими щетками и с источником электроэнергии постоянного тока, два концевых переключателя, соединенных механически с корпусом насоса и со штоком поршня, с электрическими контактами, соединенными в цепи коммутирующих элементов.

Отличительной особенностью предлагаемого изобретения является то, что индуктор и якорь расположены наоборот, якорь на статоре, а индуктор на подвижной части, как в машине переменного тока. Сила движения, действующая на индуктор, создается магнитным полем пары полюсов якоря (статора), находящейся несимметрично с индуктором и притягивающей индуктор. При перемещении индуктора под эти полюсы ток от их обмоток щетками коллектора отключается и переключается на обмотку следующей пары полюсов, находящихся опять несимметрично с индуктором.

Функциональная схема линейного электродвигателя постоянного тока приведена на чертеже.

Линейный электрический двигатель постоянного тока содержит электромеханическую часть двигателя и коммутатор. Двигатель содержит статор 64, на котором расположены якорь 32, коллектор 5 с двумя плоскими ламельными пластинами 6, 9 (далее - коллекторами) и неподвижные части 2, 29 концевых переключателей K1, К2 соответственно. Линейно-подвижная часть двигателя содержит индуктор (сердечник магнитный) 30, закрепленные к сердечнику 30 водило 43 и шток 27 со щеткодержателями 7, 11, 12, 15 и щетками 8, 10, 13, 14 в них соответственно, и подвижные части 3, 16 концевых переключателей K1, К2, закрепленные также на штоке. Якорь 32 содержит магнитопровод (корпус) 32 (якорь и корпус обозначены одной позицией 32), выполненный в виде замкнутой полосы с параллельными линейно-протяженными участками, магнитные полюсы 34-42 и встречные 55-63, расположенные на линейных участках магнитопровода 32, с электрической обмоткой каждый полюс по типу обмоток 33, 54 на полюсах 34, 55 соответственно. Магнитные полюсы 34-42, 55-63 выполнены в виде прямоугольных параллелепипедов, расположенных поперечно на линейных участках магнитопровода 32 с равным шагом и симметрично встречно друг к другу. Обмотки противоположных полюсов соединены последовательно, например, обмотки 33 и 54 полюсов 34 и 55. На магнитопроводе 32 закреплены направляющие 31 с подшипниками для подвижного сердечника 30.

В продолжение к линейным участкам магнитопровода 32 расположен коллектор 5, содержащий две плоские параллельные друг к другу пластины 6, 9 (далее - коллектор 5, коллектор 6, коллектор 9) с раздельными поперечно расположенными на пластинах и параллельно расположенными с полюсами якоря проводящими ламелями 17-26, 44-53, разделенными друг от друга изоляторами 28. Ламели коллекторов 6, 9 расположены встречно симметрично друг с другом, но могут быть сдвинуты меньше чем на полшага. Шаг ламелей равен шагу полюсов. Ширина ламелей больше ширины изоляторов между ними. Количество ламелей не меньше количества полюсов.

Обмотки противоположных полюсов (34, 55); (35, 56); (36, 57); (37, 58); (38, 59); (39, 60); (40, 61); (41, 62); (42, 63) якоря 32 соединены последовательно друг с другом. При этом ламели 17-26 верхнего коллектора 6 соединены с обмотками верхних полюсов 34-42 якоря 32, а ламели 44-53 нижнего коллектора 9 соединены с обмотками нижних полюсов 55-63. При этом симметрично противоположные ламели коллекторов соединены с обмотками полюсов со сдвигом на один шаг или более.

Обмотки нижних полюсов якоря соединены с ламелями нижнего коллектора в соответствии с порядковыми номерами полюсов от начала якоря и ламелей от начала коллектора. На схеме обмотка 54 полюса 55 соединена с первой от края коллектора 9 ламелью 44; обмотка второго полюса 56 соединена со второй ламелью 45 и так далее… обмотка полюса 63 с ламелью 52.

Обмотки верхних полюсов якоря соединены с ламелями верхнего коллектора 6 со сдвигом на один порядковый номер. Обмотка 33 первого по порядку полюса 34 соединена со второй по порядку от начала коллектора 6 ламелью 18. Обмотка второго верхнего полюса 35 соединена с третьей ламелью 19 далее обмотка полюса 36 с ламелью 20… обмотка полюса 42 с ламелью 26. Свободные от такой схемы соединений ламели - в частности первая ламель 17 верхнего коллектора 9 и последняя ламель 53 нижнего коллектора 9 соединяются с соседними ламелями 18 и 52 соответственно.

На направляющих 31 якоря 32 расположен индуктор (сердечник) 30, к которому подсоединены водило 43 для передачи линейного движения рабочей машине и шток 27 с четырьмя щетками 8, 10, 13, 14. Все щетки установлены в щеткодержатели 7, 12, 11, 15 соответственно с прижимными пружинами. Две токоподводящие щетки 13, 10 соединены к штоку 27 изолированно и прижимаются к ламелям противоположных коллекторов 6, 9. Две заземляющие щетки 8, 14 на щеткодержателях 7, 15, закреплены на штоке 27 рядом с токоподводящими щетками 10, 13 на щеткодержателях 11, 12 на расстоянии одного шага ламелей, причем по разные стороны от них на противоположных коллекторных пластинах. Заземляющая щетка 8, прижатая к коллектору 9, расположена на шаг ближе к началу коллектора от токоподводящей щетки 13 (дальше в направлении от якоря 32). Заземляющая щетка 14, прижатая к коллектору 6, расположена на шаг дальше от токоподводящей щетки 10 (ближе к якорю 32). Подвижные части 3, 16 концевых переключателей K1, К2 закреплены на штоке 27 на расстоянии от подвижных равному рабочему ходу индуктора 30 вдоль полюсов якоря 32.

Такая схема соединений и расположение токоподводящих и заземляющих щеток позволяют подачей тока на обмотки якоря создавать несимметричное магнитное поле, оказывающее силовое действие на подвижный сердечник или влево, или вправо. При приведенном расположении сердечника, а соответственно и щеток поданный ток на токоподводящую щетку 10 верхнего коллектора 6 проходит через ламель 18 на обмотку 33 полюса 34, далее на обмотку 54 противоположного нижнего полюса 55 на ламель 44 и через заземляющую щетку 8 со щеткодержателем 7 на землю. Щетки 8, 14 установлены на щеткодержателях 7, 15, которые соединены с землей. Протекающий ток через обмотки 33 и 54 противоположных полюсов 34 и 55 создает между ними магнитный поток, замыкающийся через сердечник 30 и магнитопровод 32. Из конфигурации сердечника 30 и несимметрично (правее) находящегося по отношению к полюсам 34, 55 следует, что магнитный поток полюсов 34, 55, направленный от полюса 34 к полюсу 55, входит через левую часть полюса сердечника, проходит по сердечнику и выходит через левую часть нижнего полюса в полюс 55 якоря 32 и далее замыкается по магнитопроводу 32. Искривленное вправо магнитное поле в сердечнике создает силу, действующую на сердечник влево. Из практики известно, что асимметрично расположенный сердечник в магнитном поле притягивается в симметричное положение под полюсы. Эта сила является силой, движущей сердечник.

Коммутатор 65 линейного электрического двигателя предназначен для переключения напряжения, подаваемого на щетку одного из двух коллекторов 5, 9 для перемещения водила 31 из якоря 32 двигателя или обратно в якорь 32. Движение водила 31 из якоря происходит при подаче напряжения на щетку 8 нижнего коллектора 9 движении сердечника вправо, движение водила 31 обратно в якорь 32 двигателя происходит при подаче напряжения на щетку 14 верхнего коллектора 6.

Коммутатор 65 содержит два входа (±) подключения питающего напряжения и два выхода для подключения напряжения (+) к щеткам или верхнего, или нижнего коллекторов. Отрицательный полюс источника питания заземлен на корпус двигателя. Для подачи напряжения поочередно на щетки 10, 13 и коллекторы 6, 9 коммутатор 65 содержит две пары коммутирующих контактов: контакты К3.1 для подачи напряжения на щетку 13 нижнего коллектора 9, и контакты К5.1 для подачи тока на щетку 10 верхнего коллектора 6.

Схема коммутатора построена для общего случая мощного двигателя с большим током обмоток якоря 32, а соответственно и щеток 8, 10, 13, 14. Коммутатор содержит два силовых реле К3, К5 с нормально разомкнутыми контактами К3.1, К5.1, соединенными с токоподводящими щетками 13, 10 через пружинные проводники 4, 1, два реле включения К4, К5 с контактами самоудержания К4.1, К6.1 и с нормально разомкнутыми контактами включения К4.2, К6.2, соединенными в цепи питания силовых реле К3, К5. Концевые переключатели K1, К2 содержат нормально разомкнутые контакты K1.1, К2.1 и нормально замкнутые контакты К2.2, К1.2, соединенные в цепи питания реле К6, К4 соответственно, причем контакты K1.1, К2.1 соединены параллельно контактам самоудержания К6.1, К4.1. Коммутатор содержит блокировочные реле К7, К8, соединенные в цепи контактов К3.1, К5.1 соответственно, содержащие нормально замкнутые контакты К7.1, К8.1, соединенные последовательно с коммутирующими контактами К5.1, К3.1 соответственно. Коммутатор содержит выключатель S1 питания двигателя и кнопку S2 «пуск».

Выключателем S1 подается напряжение на коммутатор. Так как контакты K1.1, К6.1, К2.1, К4.1 разомкнуты, то контакты К3.1, К5.1 тоже разомкнуты и двигатель находится в режиме ожидания. Нажатием кнопки «пуск» S2 подается ток на реле К4, которое замыкает свои контакты самоудержания К4.1 и контакты К4.2, которые включают питание на силовое реле К3, включающее контакты К3.1, через которые проходит ток на токоподводящую щетку 13. Далее ток поступает, например, на ламель 45 коллектора 9, а затем от щетки 13 через ламель 45 на обмотку полюса 56, с которой последовательно соединена обмотка противоположного полюса 35, через которую ток поступает на ламель 19 верхнего коллектора 6, с которой контактирует щетка заземления 14, замыкающая цепь тока на землю. Обмотки полюсов 56, 35 создают магнитный поток, замыкающийся через сердечник 30 и через магнитопровод 32. В таком положении щеток сердечник 30 находится в несимметричном положении левее от магнитного потока полюсов 56, 35. Искривленный влево магнитный поток создает силу, направленную вправо, втягивающую сердечник под полюсы 56, 35 в симметричное положение.

Искривленные силовые линии имеют стремление к минимизации своей длины. В искривленном магнитном поле имеется участок уплотненных силовых линий, отталкивающихся друг от друга и создающих силу в направлении вогнутости (или разреженности) силовых линий.

При перемещении сердечника вправо под полюсы 56, 35 шток 27 перемещает все щетки вправо на следующие ламели. Токоподводящая щетка 13, оставаясь еще на ламели 45, переходит дополнительно на ламель 46 нижнего коллектора 9, а щетка заземления 14 переходит дополнительно на ламель 20 верхнего коллектора 6. В таком положении, когда сердечник 30 еще не дошел до симметричного положения под полюсы 56, 35, ток начинает проходить дополнительно от щетки 13 через ламель 46, обмотку полюса 57, обмотку противоположного полюса 36, ламель 20, щетку заземления 14 на землю. Ток в обмотках полюсов 57, 36 создает дополнительный магнитный поток, который опять проходит через сердечник с искривлением вправо. Искривленное магнитное поле полюсов 57, 36 создает силу, втягивающую сердечник 30 под эти полюсы в симметричное положение. Сердечник при этом перемещает посредством штока 27 щетки 13, 14 на следующие ламели 47, 21 соответственно. При этом щетка 14 уводится штоком 27 с ламели 19 на ламель 20 полностью с переходом на ламель 21. Таким образом, сердечник 30 постоянно находится под действием силы искривленного магнитного поля, направленной вправо.

Когда сердечник 30 переместится в крайнее правое положение, и подвижная часть 16 концевого переключателя К2 на штоке 27 переместится до неподвижной части 29, контакт К2.2 разомкнется, отключится питание реле включения К4, контакт самоудержания разомкнется, контакт К4.2 отключает питание на силовое реле К3, коммутирующие контакты К3.1 которого размыкаются, и ток на токоподводящую щетку 13 отключается.

В положении, когда привод 16 вводит в действие контакты 29 концевого переключателя К2, сердечник 30 находится под полюсами 42, 63 и 41, 62, щетка заземления 14 находится на ламели 26, токоподводящая щетка 10 на ламели 25, щетка заземления 8 на ламели 51.

Реле К7 отключается и его контакты К7.1 в цепи коммутации тока щетки 10 замыкаются. Блокировочное реле К7 предотвращает одновременную случайную подачу напряжения на другую токоподводящую щетку 13 размыканием контактов К7.1 в цепи коммутирующих контактов К3.1. Аналогичную роль исполняет блокировочное реле К8, размыкающее контакты К8.1 на линии питания щетки 13 при поданном напряжении на щетку 10.

С некоторой очень малой задержкой после срабатывания контакта К2.2 концевой переключатель включает контакт К2.1 и подает ток на обмотку реле включения К6 через нормально замкнутые контакты концевого переключателя К1. Реле К6 включает контакты самоудержания К6.1 и контакты Кб.2 в цепи силового реле К5, которое замыкает коммутирующие контакты К5.1, и через нормально замкнутые контакты К7.1 и обмотку блокировочного реле К8 ток от источника питания поступает на щетку 10 верхнего коллектора 6.

В крайнем правом рабочем состоянии сердечник 30 находится правее полюсов 41, 62, токоподводящая щетка 13 находится на ламели 52, токоподводящая щетка 10 находится на ламели 25, а заземляющие щетки 8, 14 контактируют с ламелями 51, 26 соответственно.

После переключения коммутатором тока на токоведущую щетку 10 ток поступает на ламель 25, обмотку полюса 41, последовательно соединенную с ней обмотку противоположного полюса 62, далее на ламель 51 нижнего коллектора 9, с которой находится в контакте щетка заземления 8, замыкающая цепь тока на землю. Ток через обмотки противолежащих полюсов 41, 62 создает между полюсами магнитный поток. При этом линия симметрии сердечника 30 находится правее линии симметрии полюсов 41, 62 и соответственно правее магнитного потока. Так как магнитное сопротивление сердечника значительно меньше магнитного сопротивления воздушного промежутка, магнитный поток полюсов искривляется в сторону сердечника 30 вправо и проходит через него. Искривленное магнитное поле (силовые линии) вправо создает силу, действующую влево, и перемещает сердечник под полюсы 41, 62. При этом токоподводящая щетка 10 перемещается на край ламели 24 верхнего коллектора, а щетка заземления 8 нижнего коллектора перемещается на край ламели 50. В таком промежуточном положении создается дополнительный к описанному контур тока по пути «щетка 10 - ламель 24 - обмотка полюса 40 - обмотка полюса 61 - ламель 50 - щетка 8 - земля». Ток обмоток полюсов 40, 61 создает магнитный поток, который искривляясь вправо через полюс сердечника, проходит через сердечник и замыкается через магнитопровод 32. Этот магнитный поток восполняет убывающую силу предыдущих полюсов и движет сердечник под полюсы 40, 61, а щетки 10, 8 перемещаются на следующие ламели левее.

Когда подвижная часть (привод) 3 на штоке 27 концевого переключателя К1 дойдет до неподвижной части 2 контакты концевого переключателя К1.2 размыкаются, питание реле включения К6 прерывается, контакты самоудержания К6.1 размыкаются, контакты К6.2 в цепи силового реле К5 размыкаются, коммутирующие контакты К5.1 размыкаются, напряжение с токоподводящей щетки 10 снимается, блокировочное реле К8 отключается, его контакты К8.1 замыкаются, контакты K1.1 концевого переключателя К1 замыкаются. Контакты К2.2 концевого переключателя К2 нормально замкнуты, и реле включения К4 получает питание на свою обмотку. Тогда контакты самоудержания К4.1 реле К4 и контакты включения К4.2 замыкаются, силовое реле К3 включается и замыкает коммутирующие контакты К3.1, которые подают ток на щетку 13. Далее повторяется первая половина цикла - движения сердечника с выдвижением водила 43 из якоря.

Количество пар полюсов якоря и пар ламелей коллектора определяют рабочую длину хода сердечника. При этом для подачи тока на подвижные щетки 10, 13 от неподвижного коммутатора 65 двигатель снабжен пружинными узлами, выпускающими проводники при движении щеток на удаление (вправо) и стягивающими их при движении щеток на приближение (влево). При большом рабочем ходе сердечника пружинные устройства могут быть заменены на скользящие контакты.

Основными техническими характеристиками линейного электродвигателя являются сила действия водила на рабочую машину и частота перемещений. Так как действие линейного двигателя основано на том же физическом явлении (стягивания силовых линий магнитного поля по длине и отталкивания их друг от друга), какое используется в электрических двигателях вращения, то и силовые их характеристики идентичные. Частотные характеристики определяются скоростью переключения тока последовательно по полюсам, что в рассмотренной конструкции определяется силой трения подшипников 31 и скоростью переключения тока концевыми переключателями. В колебательном движении сердечника со щетками должны учитываться также резонансные эффекты, а именно масса, сила сопротивления и частота колебаний подвижной части.

Амплитуда колебаний или длина хода может ограничиваться только конструкционными сложностями подачи тока на подвижные щетки от неподвижного коммутатора.

Сопоставительный с прототипом анализ предлагаемого изобретения показал, что с помощью предлагаемого технического решения создается возвратно-поступательное силовое воздействие движением якоря в поле магнита индуктора без использования кривошипно-шатунного механизма и позволяет упростить конструкции механизмов электропривода с возвратно-поступательным устройством. Линейные двигатели для микросистемной техники могут далее развивать в направлении конструкций, в которых функции коллектора будут выполнять транзисторные устройства, а временную зависимость движения сердечника и водила задавать в любом функциональном виде по программе.

1. Морозов А.Г. Электротехника, электроника и импульсная техника. М.: Высшая школа, 1987. - 420 с.

2. Пузевич Н.Л. Электрооборудование автомобильной техники [Текст]: учебник для вузов / Н.Л. Пузевич, А.В. Писарчук, В.Д. Рогачев. - Рязань: РВВДКУ, 2017. - 504 с.

3. Рогачев В.Д. Энергопитание устройств и систем телекоммуникаций / учебник для вузов / В.Д. Рогачев, Н.Л. Пузевич, А.В. Писарчук, Ю.Н. Меркушов. - Рязань: РВВДКУ, 2016. - 407 с.

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение в микроэлектромеханических системах. Технический результат – повышение технологичности конструкции. Электрический двигатель постоянного тока содержит статор с линейными якорем и коллектором и подвижный магнит-индуктор, расположенный между полюсами якоря и связанный с токоподводящими к коллектору щетками. Ламели коллектора, контактирующие со щетками, соединены с обмотками полюсов якоря, находящимися на шаг полюсов впереди положения магнита-индуктора по направлению его движения, которое задается направлением тока через щетки, переключаемым двумя коммутирующими элементами, приводимыми в действие концевыми переключателями, расположенными на корпусе коллектора и штоке щеткодержателя, а также с использованием вспомогательных релейных устройств. 1 ил.

Линейный электрический двигатель постоянного тока, содержащий статор и подвижную часть, а также индуктор, якорь и щеточно-коллекторный узел с токоподводящими щетками, соединенный с якорем, отличающийся тем, что якорь и коллектор выполнены линейно-протяженными и расположены на статоре, при этом якорь содержит магнитопровод, линейно расположенные встречные магнитные полюсы с равным шагом и обмотки электрические на полюсах, соединенные последовательно попарно на встречных полюсах, коллектор выполнен из двух отдельных ламельных групп с шагом полюсов якоря, встречно расположенных в продолжение к рядам полюсов якоря, индуктор выполнен из ферромагнитного материала в виде сердечника в статоре шириной больше двух шагов полюсов и расположен в пространстве между рядами полюсов статора на свободных подшипниковых направляющих, и дополнительно снабжен водилом и штоком, соединенными с индуктором и направленными в разные стороны, при этом токоподводящие щетки механически и изолированно соединены со штоком и прижаты по отдельности к ламельным группам коллектора, причем в одной группе щетка контактирует с выводом обмотки полюса слева от сердечника, а в другой группе с выводом обмотки справа от сердечника, и дополнительно содержит две щетки заземления, расположенные на один шаг ламелей по разные стороны от токоподводящих щеток, а также дополнительно содержит два коммутирующих элемента, соединенных с токоподводящими щетками и с источником электроэнергии постоянного тока, два концевых переключателя, соединенных механически с якорем и со штоком поршня, с электрическими контактами, соединенными в цепи коммутирующих элементов.