Импульсный электродвигатель

Авторы патента:

Полезная модель касается конструкции электродвигателей постоянного тока, в частности безредукторных коллекторных электродвигателей низкого напряжения, и может быть использована в качестве мотор-колес на транспорте или иных областях техники.

Задача предлагаемого решения - повышение эксплуатационно-технических характеристик за счет повышения числа оборотов и снижения затрат энергии.

Для решения поставленной задачи предложена новая схема электродвигателя, в котором изменено расположение и связи между узлами. Электродвигатель содержит источник постоянного тока, электромагниты 3, каждый в виде двух катушек 4 постоянные магниты 7, расположенные с двух сторон от электромагнитов 3, и распределительный коллектор, состоящий из токопроводящих пластин 8, которые разделены между собой диэлектрическими промежутками 9, а также токосъемные щетки 11, установленные с возможностью контакта с пластинами коллектора. В отличие от известных схем в предлагаемом электродвигателе катушки 4 электромагнитов соединены с источником питания параллельно, имеют вытянутую вдоль окружности статора форму, между торцами катушек закреплены постоянные магниты 5, полюса которых перпендикулярны полюсам постоянных магнитов 7 ротора, каждая нечетная токопроводящая пластина 8 распределительного коллектора соединена по часовой стрелке с соседней пластиной, а каждая четная с п+3 (n=1).

Кроме того, оси постоянных магнитов, расположенных на одной окружности ротора, проходят по лучам промежутков между постоянными магнитами на другой окружности ротора, а расстояние между постоянными магнитами соседних электромагнитов равно расстоянию между осями постоянных магнитов ротора.

3 п.ф., 2 рис.

Полезная модель касается конструкции электродвигателей постоянного тока, в частности, безредукторных коллекторных электродвигателей низкого напряжения, и может быть использована в качестве мотор-колес на транспорте или иных областях техники.

Известен встроенный электродвигатель (WO 93/08999 А1, 13.05.93), содержащий две основные части: неподвижный статор, закрепленный на оси и имеющий магнитопровод с постоянными магнитами, размещенными равномерно, и подвижный ротор, несущий обод и содержащий по крайней мере две группы электромагнитов, а также распределительный коллектор, закрепленный на статоре и имеющий токопроводящие пластины, соединенные с источником постоянного тока. На роторе закреплены токосъемники, имеющие электрический контакт с пластинами распределительного коллектора. Однако описанный электродвигатель и его разновидности имеют ряд недостатков, главный из которых заключается в необходимости больших пусковых и переходных токов при начале движения и ускорении транспортного средства. Это приводит к быстрому износу и порче аккумуляторов и ухудшению теплового режима. Также названные электродвигатели имеют низкий крутящий момент, что существенно ограничивает область их практического использования.

Известны аналогичные электродвигатели по патентам на изобретения 2248657 от 2003 г., 2285997, 2005 г и 2303536 от 2006 г. Указанные электродвигатели содержат статор, на котором размещены с одинаковым шагом постоянные магниты. На роторе закреплено четное число электромагнитов, которые расположены попарно напротив друг друга. Каждый электромагнит содержит две катушки с последовательно встречным направлением обмоток. Распределительный коллектор закреплен на корпусе статора и состоит из токопроводящих пластин, которые расположены по окружности, разделены диэлектрическими промежутками и соединены с чередованием полярности с источником постоянного тока. С пластинами коллектора контактируют токосъемники, при этом каждый из них подключен к одноименному выводу обмоток соответствующих электромагнитов. Обмотки катушек смежных электромагнитов соединены последовательно, а выводы обмоток противоположных электромагнитов, не подключенные к токосъемникам, соединены между собой. Алгоритм работы указанных двигателей, а также их эксплуатационно-технические характеристики не обеспечивают эффективной и надежной работы.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому импульсно-инерционному двигателю можно считать двигатель по патенту РФ на полезную модель по заявке 2009105023. Электродвигатель содержит:

источник постоянного тока,

статор с равномерно расположенными по его окружности электромагнитами, каждый в виде двух катушек с обмотками, соединенных с источником постоянного тока,

ротор с расположенными по окружности чередующимися постоянными магнитами и

распределительный коллектор, жестко соединенный с ротором и состоящий из токопроводящих пластин, которые разделены между собой диэлектрическими промежутками и соединены друг с другом проводниками, а

также токосъемные щетки, установленные с возможностью контакта с токопроводящими пластинами коллектора,

Однако при таком схемном решении в процессе работы двигателя постоянно меняется направление поля, что приводит к ограничению количества оборотов и снижает надежность работы.

Задача предлагаемого решения - повышение эксплуатационно-технических характеристик за счет обеспечение вращения двигателя только в одну сторону.

Для решения поставленной задачи предложена новая схема электродвигателя, в котором изменены конструкция отдельных узлов и связи между узлами. Электродвигатель содержит источник постоянного тока, статор с равномерно расположенными по его окружности электромагнитами, каждый в виде двух катушек с обмотками, соединенных с источником постоянного тока, ротор с чередующимися постоянными магнитами, которые расположены по окружности с двух сторон от электромагнитов, и

распределительный коллектор, который жестко соединен с ротором и состоит из токопроводящих пластин, разделенных между собой диэлектрическими промежутками и соединенных друг с другом проводниками, а

также токосъемные щетки, соединенные с источником питания и установленные с возможностью контакта с пластинами коллектора,

В отличие от известных схем, в предлагаемом электродвигателе катушки электромагнитов соединены с источником питания параллельно, имеют вытянутую вдоль окружности форму, между торцами катушек закреплены постоянные магниты, полюса которых перпендикулярны полюсам постоянных магнитов ротора, каждая нечетная токопроводящая пластина распределительного коллектора соединена по часовой стрелке с соседней пластиной, а каждая четная с п+3 (n=1).

Предлагаемое схемное решение исключает изменение направления поля и направления вращения ротора, уменьшает затраты энергии, позволяет повысить число оборотов двигателя и расширить сферу его применения.

Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами:

фиг.1 - схематичное изображение электродвигателя, вид сверху, фиг.2 - вид сбоку.

На оси 1 жестко закреплен статор 2 (фиг.2), на неподвижной окружности которого равномерно расположено четное число электромагнитов 3 (фиг.1 и 2), в данном случае 4 электромагнита. Каждый из указанных электромагнитов 3 имеет вытянутую вдоль окружности статора форму и имеет по две катушки 4, которые соединены с полюсами источника питания параллельно. Между торцами катушек 4 закреплены постоянные N-S магниты 5, оси полюсов которых перпендикулярны оси ротора (полюс N излучает наружу, полюс S излучает внутрь статора).

На оси 1 концентрично статору 2 закреплен вращающийся ротор 6 (фиг.1), по окружности которого равномерно установлены чередующиеся постоянные N-S магниты 7 с двух сторон от катушек электромагнитов 4. При этом оси постоянных магнитов, расположенных на одной окружности проходят по лучам в середине промежутков между постоянными магнитами, расположенными на другой окружности ротора 6. Кроме того, расстояние между постоянными магнитами 5 соседних электромагнитов 3 равно расстоянию между осями постоянных магнитов 7 ротора.

На роторе 6 концентрично постоянным магнитам 7 жестко закреплен распределительный коллектор, состоящий из равномерно расположенных по окружности токопроводящих пластин 8. Пластины 8 с наружной стороны разделены изоляционным материалом 9, а с противоположной стороны соединены друг с другом проводниками 10. При этом каждая нечетная токопроводящая пластина 8 распределительного коллектора соединена по часовой стрелке с соседней пластиной, а каждая четная с п+3 (n=1).

Количество токопроводящих пластин 8 всегда четно, в предлагаемом варианте в два раза больше количества постоянных магнитов на одной окружности.

Электродвигатель работает от источника питания. К его контактам параллельно присоединены обмотки катушек электромагнитов. Выходы обмоток соединены с токосъемными щетками 11, которые закреплены с возможностью контакта с токопроводящими пластинами 8 коллектора. Щетки 11 имеют правые и левые части, разделенные диэлектриком.

Принцип действия предлагаемого электродвигателя аналогичен традиционному электродвигателю постоянного тока и основан на силах электромагнитного притяжения и отталкивания, возникающих при взаимодействии электромагнитов статора и постоянных магнитов ротора. При прохождении ротором положения, когда ось электромагнита расположена между осями постоянных магнитов, катушки электромагнита запитаны так, что создают магнитный полюс, противоположный полюсу последующего в направлении вращения постоянного магнита и одноименный с полюсом предыдущего постоянного магнита. Таким образом, электромагнит одновременно отталкивается от предыдущего и притягивается к последующему постоянному магниту. При прохождении постоянным магнитом положения напротив оси электромагнита последний обесточен, поскольку токосъемник располагается напротив диэлектрического промежутка. Это положение ротор проходит по инерции. Преимущества настоящего электродвигателя заключаются в строго определенном соотношении числа электромагнитов и постоянных магнитов и их взаиморасположении, а также в используемой схеме коммутации электромагнитов.

Электродвигатель работает следующим образом. При включении источника питания ток от положительного полюса источника постоянного тока проходит через катушки 4 электромагнитов 3 (все обмотки соединены параллельно), далее через правые части щеток 11 на соединенные между собой проводником пластины 8 коллектора. Далее, через пластины 8 коллектора, ток подается на левые щетки и через обмотки катушек электромагнитов на отрицательный контакт источника питания. Цепь замыкается. Поле электромагнита вступает во взаимодействие с ближайшим постоянным магнитом 7 и возникает момент силы, поворачивающий ротор.

При попадании торца электромагнита в промежуток между постоянными магнитами одновременно происходит переход щеток 11 с токопроводящей пластины на диэлектрический элемент коллектора - электромагниты обесточиваются. В этот момент вступают в действие торцевые постоянные магниты 5, N полюса которых отталкиваются от пройденного N полюса постоянного магнита наружной окружности ротора, a S полюса - от одноименного полюса внутренней окружности ротора. Это обеспечивает дальнейший поворот ротора и переход токосъемных щеток к следующей пластине коллектора. В следующий момент ток в катушки электромагнитов подается в противофазе. Они начинают снова взаимодействовать с постоянными магнитами, не прекращая движения ротора. Токопроводящие пластины соединены проводниками таким образом, чтобы, не меняя полярности на входе двигателя, менять направление тока в обмотках электромагнита вращением коллектора. При этом двигатель вращается только в одном направлении.

В данной схеме электродвигателя достигнуто уменьшение скачков напряжения (электропотребление) при разгоне электродвигателя и улучшены его динамические характеристики. Электродвигатель работает без изменения направления поля, уменьшена длина пути, которую ротор проходит по инерции, что позволило снизить его энергоемкость. Предлагаемая схема позволила при тех же энергетических затратах увеличить число оборотов двигателя и расширить тем самым область его применения. Настоящее предложение позволило улучшить эксплуатационно-технических характеристик электродвигателя при сохранении относительной простоты конструкции и надежности.

1. Импульсный электродвигатель, содержащий источник постоянного тока, статор с равномерно расположенными по его окружности электромагнитами, каждый в виде двух катушек с обмотками, ротор с чередующимися постоянными магнитами, которые расположены с двух сторон от электромагнитов, распределительный коллектор, который жестко соединен с ротором и состоит из токопроводящих пластин, разделенных между собой диэлектрическими промежутками и соединенных друг с другом проводниками, а также токосъемные щетки, соединенные с катушками электромагнитов и установленные с возможностью контакта с пластинами коллектора, отличающийся тем, что катушки электромагнитов соединены с источником питания параллельно, имеют вытянутую вдоль окружности статора форму, между торцами катушек закреплены постоянные магниты, полюса которых перпендикулярны полюсам постоянных магнитов ротора, каждая нечетная токопроводящая пластина распределительного коллектора соединена по часовой стрелке с соседней пластиной, а каждая четная с n+3 (n=1).

2. Импульсный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что оси постоянных магнитов, расположенных на одной окружности ротора, проходят по лучам промежутков между постоянными магнитами на другой окружности ротора.

3. Импульсный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что расстояние между постоянными магнитами соседних электромагнитов равно расстоянию между осями постоянных магнитов ротора.