Электромагнитный двигатель переменного тока, работающий при низких температурах Российский патент 2025 года по МПК H02K19/04 H02K55/00 H02K11/30 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромагнитным двигателям, и может быть использовано в областях науки и в областях техники, где требуется обеспечить плавное и стабильное вращение двигателя на малых оборотах при гелиевых температурах.

Известны электродвигатели переменного тока, которые состоят из нескольких частей: статора с конечным числом полюсов и ротора из металла или ферромагнетика. При подаче электрического тока на обмотки статора в зазоре между статором и ротором создается электромагнитное поле, которое и вращает ротор.

К недостаткам таких устройств относится наличие определенного числа полюсов, что соответствует наличию дискретного шага у таких двигателей. Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является электромагнитный двигатель с плавным ходом на низких оборотах, который состоит из двух катушек разного диаметра, намотанных медным проводом, медного диска, оси, постоянного магнита и модуля ПИД-регулятора, состоящего из лазера, световодов, фоторезистора, микроконтроллера и двух ЦАП [. Патент на изобретение №2798870 «Электромагнитный двигатель переменного тока с плавным ходом на низких оборотах», опубл.28.06.2023 г. ].

К недостаткам данного решения относятся наличие катушек, намотанных медным проводом, тепловой поток от которых поступает в жидкий гелий, и металлического подшипника, размеры которого изменяются при понижении температуры.

Технический результат заявляемого технического решения заключается в повышении стабильности работы двигателя на малых оборотах при гелиевых температурах за счет замены медного провода на сверхпроводящий провод Nb-Ti и замены металлического подшипника на керамический.

Указанный технический результат достигается заменой медного провода на сверхпроводящий провод, что позволяет снизить выделение тепла в катушках двигателя, а также позволяет пропускать большие токи при небольшом тепловыделении. Замена металлического подшипника на керамический, отличающийся малым коэффициентом термического расширения, позволяет использовать его при гелиевых температурах без «перекосов» конструкции. Катушки размещаются с одной стороны диска, что позволяет уменьшить размер двигателя и использовать систему магнит-геркон для отслеживания скорости вращения диска. Это в свою очередь позволяет уменьшить размер двигателя и снизить теплоприток в криогенных установках.

Вертикальная ось двигателя снизу закреплена в нижнем керамическом подшипнике, который расположен на нижней опоре. Сверху ось центрирована во втором керамическом подшипнике, закрепленном на верхней опоре. Это позволяет плоскому диску (ротору), жестко скрепленному с этой осью, свободно и без перекосов соосно вращаться в низкотемпературных жидкостях под действием приложенного переменного электромагнитного поля. Для обеспечения более равномерного и плавного вращения и подавления «паразитных» колебательных движений ротора используется магнитный демпфер - постоянный магнит, установленный над диском. Верхняя часть вертикальной оси, выступает на несколько сантиметров над верхним керамическим подшипником, что позволяет закрепить на оси модули, необходимые для передачи вращения другим деталям, например, лопастям вентилятора.

На фиг. 1 представлена общая схема двигателя, работающего при низких температурах.

На фиг. 2 представлена общая схема управления электромагнитным двигателем.

На фиг. 3 представлена схема взаимодействия между токами, пропускаемыми через катушки, и токами Фуко, генерирующимися в диске.

Электромагнитный двигатель содержит медный диск 1, закрепленный перпендикулярно на оси 2, два керамических подшипника 3 и 4, две катушки одинакового размера 5, намотанные сверхпроводящим проводом из Nb-Ti, постоянный магнит 6, который закрепляется на медном диске 1, геркон 7, который при прохождении рядом с ним магнита замыкается/размыкается, микроконтроллер STM32 8, драйверы 9, силовые ключи 10 и ЭВМ 11.

Электромагнитный двигатель работает за счет возникновения в катушках и диске вихревых индукционных токов с разными фазами.

В исходном состоянии медный диск 1, закрепленный на вертикальной оси 2, катушки 5 и постоянный магнит 6 неподвижны относительно установки и наблюдателя. При подаче сигнала с драйверов 9 при помощи силовых ключей 10 переменного электрического тока с разностью фаз 90° через катушки 5, в них возникает переменное электрическое поле, влияющее непосредственно на диск. Амплитуда и разность фаз контролируется программой, реализованной на микроконтроллере 8. Переменное магнитное поле в катушках наводит в медном диске токи Фуко, которые в свою очередь отстают по фазе на 90° относительно катушек их создавших. Происходит взаимодействие токов друг с другом: токи с одинаковой фазой притягиваются, с разной - отталкиваются. Это в свою очередь приводит во вращение медный диск 1 и вертикальную ось 2. Вращающий момент такой системы пропорционален произведению токов, протекающих по катушкам М_Вр~I₁⋅I₂. Для равномерного вращения диска в систему вводится петля обратной связи на основе ПИД-регулятора. Для уменьшения трения между механическими поверхностями и уменьшения нагрева за счет трения между соприкасающимися поверхностями керамические подшипники 3 и 4 смазаны графитовой смазкой, которая не замерзает при низких температурах.

Введенный в систему ПИД-регулятор включает в себя геркон 7, микроконтроллер 8, два драйвера 9, два силовых ключа 10 и управляющий ЭВМ 11. При прохождении постоянного магнита 6 под герконом 7, происходит замыкание/размыкание контактов в самом герконе, таким образом сигнал передается на микроконтроллер 8. Затем сигнал с микроконтроллера 8 обрабатывается и по обработанным данным подстраивает настройки драйверов 9 через силовые ключи 10 таким образом, чтобы вращение медного диска 1 оставалось равномерным.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – повышение стабильности работы двигателя на малых оборотах. Электромагнитный двигатель переменного тока, работающий при низких температурах, содержит медный диск, металлическую ось, перпендикулярную диску, два керамических подшипника, две катушки одинакового размера, намотанные сверхпроводящим проводом, постоянный магнит, геркон, микроконтроллер, два драйвера, два ключа верхнего и нижнего уровней и ЭВМ. Система подвески вертикальной оси состоит из керамических подшипников, смазанных графитовой смазкой. Система обратной связи осуществлена при помощи системы магнит-геркон, где магнит, прикрепленный к верхней стороне диска, замыкает/размыкает контакт в герконе, сигнал с которого затем отправляется на микроконтроллер. По обработанным микроконтроллером данным подстраиваются настройки драйверов таким образом, чтобы вращение медного диска оставалось равномерным. 3 ил.

Электромагнитный двигатель переменного тока, работающий при низких температурах, включающий в себя медный диск, закрепленный на вертикальной оси, которая зафиксирована сверху и снизу подшипниками, две катушки одинакового диаметра, по обмоткам которых протекает переменный ток, и ПИД-регулятор, включающий в себя микроконтроллер, два драйвера, два ключа верхнего и нижнего уровней и управляющую ими ЭВМ, отличающийся тем, что система подвески вертикальной оси состоит из керамических подшипников, смазанных графитовой смазкой, а система обратной связи осуществлена при помощи системы магнит-геркон, где магнит, прикрепленный к верхней стороне диска, замыкает и размыкает контакт в герконе, сигнал с которого затем отправляется на микроконтроллер, и, после обработки в нем, корректирует значения частоты, амплитуды и фазы выходящих с генератора сигналов, приходящих на катушки одинакового диаметра, находящиеся с одной стороны медного диска.