Електродвигун постійного струму

Реферат: Винахід належить до електротехніки, а саме до електричних машин постійного струму, які застосовуються як приводи у різних механізмах, а також як генератори постійного струму. Електродвигун постійного струму, який містить корпус, розташовані у корпусі ротор і статор, ротор містить вал, постійні магніти, несучий елемент, який розташований на валу та який призначений для розташування на ньому постійних магнітів, постійні магніти виконані у формі таких тіл обертання як диск, циліндр, кульовий сегмент, кільце або тор, постійні магніти розташовані у роторі попарно таким чином, що вони утворюють два колових ряди постійних магнітів, статор містить принаймні два соленоїди або електромагніти, тримач для соленоїдів або електромагнітів, причому соленоїди або електромагніти виконані такими, що мають циліндричну форму. Технічний результат полягає у зменшенні ваги статора, що призводить до його низької матеріалоємності і призводить до низької трудомісткості при виготовленні такого статору, збільшенні крутного моменту при зменшенні енерговитрат на обертання ротору, що відповідно дає більш високе значення питомої потужності, яку можна отримати з одиниці ваги пристрою, та більш високому значенні коефіцієнту корисної дії. UA 114842 C2 (12) UA 114842 C2 UA 114842 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до електротехніки, а саме до електричних машин постійного струму, які застосовуються як приводи у різних механізмах, а також як генератори постійного струму. Відомий електродвигун постійного струму (стаття Булгар В.В., Бойко А.А., Ивлев Д.А. Регулируемый электропривод постоянного тока безредукторной лебедки пассажирского лифта. - Праці Одеського політехнічного університету. - 2013. - Вип. 3 (42). – С. 111-116.), який містить корпус, в якому розташовані ротор та два статори. Ротор містить вал, на якому розташований диск, на торцевій кільцевій стороні диска розташовані постійні магніти. Кожний статор містить тороїдну обвитку збудження. Недоліком цього відомого електродвигуна постійного струму є: - його значна матеріалоємність, що пов'язано із масою обвитки збудження у двох статорах; - невелике значення питомої потужності, яку можна отримати з одиниці ваги пристрою; - електродвигун є низькообертовим, і відповідно може застосовуватись тільки у пристроях, де необхідні низькі значення оборотів електродвигуна; - трудомісткість виготовлення такого елемента електродвигуна постійного струму як статори, що пов'язано із складністю конструкції статорів. В основу винаходу поставлена задача створення електродвигуна постійного струму, який завдяки запропонованій конструкції ротора та статора має низьку інерційність, низьку матеріалоємність та більш низьку трудомісткість виготовлення такого елемента електродвигуна постійного струму як статор, має високі значення оборотів електродвигуна, за рахунок збільшення крутного моменту при зменшенні енерговитрат на обертання ротора має більш високе значення питомої потужності, яку можна отримати з одиниці ваги пристрою, та має більш високе значення коефіцієнту корисної дії (надалі за текстом скорочено ККД) пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що електродвигун постійного струму містить корпус, розташовані у корпусі ротор і статор, ротор містить вал, постійні магніти, несучий елемент, який розташований на валу та який призначений для розташування на ньому постійних магнітів, причому несучий пристрій виконаний з діелектричного та діамагнітного матеріалу, постійні магніти виконані у формі таких тіл обертання як диск, циліндр, кульовий сегмент, кільце або тор, постійні магніти розташовані у роторі попарно таким чином, що вони утворюють два колових ряди постійних магнітів, при цьому постійні магніти в кожній парі постійних магнітів розташовані один проти одного співвісно на одній умовній осі, на однаковій відстані між собою та зорієнтовані різнойменними полюсами одне до одного, причому постійні магніти розташовані у роторі на однаковій відстані від вала, статор містить принаймні два соленоїди або електромагніти, тримач для соленоїдів або електромагнітів, причому соленоїди або електромагніти виконані такими, що мають циліндричну форму, соленоїди або електромагніти розташовані так, що знаходяться просторово між двома коловими рядами постійних магнітів на однаковій відстані від вала. Крім того, за одним із варіантів здійснення технічного рішення, постійні магніти можуть бути розташовані у роторі так, що умовні осі кожної пари постійних магнітів є паралельними до умовної повздовжньої осі вала, та відстань між умовними осями всіх суміжних пар постійних магнітів є однаковою, соленоїди або електромагніти розташовані так, що відстань між умовними повздовжніми осями всіх соленоїдів або електромагнітів і умовною повздовжньою віссю вала є однаковою із відстанню між умовними осями всіх пар постійних магнітів і умовною повздовжньою віссю вала. Крім того, за одним із варіантів здійснення технічного рішення, статор може містити соленоїди або електромагніти. Крім того, за одним із варіантів здійснення технічного рішення, несучий пристрій може бути виконаний таким, що містить два фіксуючі елементи сплощеної форми, які жорстко закріплені на валу та розташовані на ньому так, що площини фіксуючих елементи сплощеної форми є перпендикулярними до умовної повздовжньої осі вала. Крім того, за одним із варіантів здійснення технічного рішення, фіксуючі елементи сплощеної форми можуть бути виконані у формі дисків. Крім того, за одним із варіантів здійснення технічного рішення, фіксуючі елементи сплощеної форми можуть бути виконані у формі дисків із отворами. Крім того, за одним із варіантів здійснення технічного рішення, фіксуючі елементи сплощеної форми можуть бути виконані зіркоподібної форми. Крім того, за одним із варіантів здійснення технічного рішення, фіксуючі елементи сплощеної форми можуть бути виконані у формі коліс із радіальними спицями. Крім того, за одним із варіантів здійснення технічного рішення, несучий пристрій може бути виконаний таким, що містить центральний елемент та два бічних елементи, причому бічні 1 UA 114842 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 елементи виконані сплощеної форми і розташовані так, що площини бічних елементів є перпендикулярними до умовної повздовжньої осі вала. Крім того, за одним із варіантів здійснення технічного рішення, бічні елементи можуть бути виконані у формі дисків. Крім того, за одним із варіантів здійснення технічного рішення, бічні елементи можуть бути виконані у формі дисків із отворами. Крім того, за одним із варіантів здійснення технічного рішення, бічні елементи можуть бути виконані зіркоподібної форми. Крім того, за одним із варіантів здійснення технічного рішення, бічні елементи можуть бути виконані у формі коліс із радіальними спицями. Крім того, за одним із варіантів здійснення технічного рішення, електродвигун постійного струму може містити принаймні один датчик положення ротора. Крім того, за одним із варіантів здійснення технічного рішення, датчик положення ротора може бути розташований на корпусі. Крім того, за одним із варіантів здійснення технічного рішення, датчик положення ротора може бути розташований на тримачі для соленоїдів або електромагнітів. Крім того, за одним із варіантів здійснення технічного рішення, як датчик положення ротора може бути використаний датчик Холла. Суть винаходу пояснюють креслення. Фіг. 1 - загальний вигляд електродвигуна постійного струму Фіг. 2 - вигляд спереду електродвигуна постійного струму. Фіг. 3 - вигляд збоку електродвигуна постійного струму без верхньої частини корпусу. Фіг. 4 - вигляд спереду несучого пристрою за першим варіантом виконання. Фіг. 5 - вигляд спереду несучого пристрою за другим варіантом виконання. Фіг. 6 - вигляд фіксуючого елемента сплощеної форми, що виконаний у формі дисків. Фіг. 7 - вигляд фіксуючого елемента сплощеної форми, що виконаний у формі дисків із отворами. Фіг. 8 - вигляд фіксуючого елемента сплощеної форми, що виконаний зіркоподібної форми. Фіг. 9 - вигляд фіксуючого елемента сплощеної форми, що виконаний у формі колеса із радіальними спицями. Електродвигун постійного струму містить корпус 1 (дивитись фіг. 1, фіг. 2), який складається із верхньої частини корпусу 2 та нижньої частини корпусу 3. У корпусі 1 розташовані ротор 4 та статор 5 (дивитись фіг. 1, фіг. 2). Верхня частина корпусу 2 є опорами для ротора 4. Ротор 4 містить вал 6, несучий пристрій 7, та розташовані на несучому пристрої 7 постійні магніти 8 (дивитись фіг. 1, фіг. 3). На одному кінці вала 6 розташований шків 9 (дивитись фіг. 1, фіг. 2). Статор 5 містить два соленоїди або електромагніти 10, тримач 11 для соленоїдів або електромагнітів. Соленоїди або електромагніти 10 виконані такими, що мають циліндричну форму. Соленоїди або електромагніти 10 розташовані так, що знаходяться просторово між двома коловими рядами постійних магнітів 8 на однаковій відстані від вала 6. Під терміном "соленоїд" розуміється котушка індуктивності, в якій обвитка з дроту намотана на трубку. Під терміном "електромагніт" розуміється котушка індуктивності, в якій обвитка з дроту намотана на суцільне осердя, у даному випадку на циліндричне суцільне осердя. Як соленоїди можуть бути використані соленоїди будь-якої відомої конструкції, та які виконані будь-яким відомим способом, наприклад, намотуванням мідного дроту на трубку. Як електромагніти можуть бути використані електромагніти будь-якої відомої конструкції, та які виконані будь-яким відомим способом, наприклад, намотуванням мідного дроту на циліндричне суцільне осердя. Переважним варіантом здійснення технічного рішення є варіант використання у статорі соленоїдів. Це пов'язано із тим, що при використанні соленоїда відсутній який-небудь магнітний опір. При використанні електромагніту магнітне поле, що створюється у статорі, буде сильніше, ніж у випадку використання соленоїду, але в осерді електромагніту зберігається залишкова намагніченість, яку потрібно долати при обертанні ротора - тому з'являється додатковий опір обертанню ротора, і відповідно з'являються додаткові енерговтрати. Соленоїди 10 розташовують у статорі 5 певним чином так, щоб при цьому виконувались одразу декілька наступних мов: - щоб кожний із соленоїдів 10 розташовувався на однаковій відстані від вала 6; 2 UA 114842 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 - щоб відстань між умовними повздовжніми осями всіх соленоїдів 10 була однаковою із відстанню між умовними осями всіх пар постійних магнітів 8 і умовною повздовжньою віссю вала 6. Згідно до заявленого технічного рішення ротор може мати декілька варіантів виконання відповідно до того, як буде виконано несучий пристрій 7, який призначений для розташування на ньому постійних магнітів 8. Варіанти виконання несучого пристрою 7 та його елементів показані на фіг. 4 - фіг. 9. За одним із варіантів виконання несучого пристрою 7, який показаний на фіг. 4, несучий пристрій 7 може містити два фіксуючі елементи 12 сплощеної форми, які жорстко закріплені на валу 6 та розташовані на ньому так, що площини фіксуючих елементи 12 сплощеної форми є перпендикулярними до умовної повздовжньої осі вала 6. Два фіксуючі елементи 12 сплощеної форми жорстко закріплені на валу 6. Фіксуючі елементи 12 сплощеної форми розташовані на валу 6 перпендикулярно до нього, тобто площина кожного із фіксуючих елементів 12 сплощеної форми є перпендикулярною до умовної повздовжньої осі вала. Зрозуміло, що при виготовленні ротора неможливо отримати ідеальну точність куту між площиною кожного із фіксуючих елементів 12 сплощеної форми та умовною повздовжньою віссю вала 6 у 90°. Тому під терміном "перпендикулярно" розуміється таке взаємне розташування фіксуючих елементів 12 сплощеної форми та вала 6, при якому максимальне відхилення від бажаного куту між площиною кожного із фіксуючих елементів 12 сплощеної форми та умовною повздовжньою віссю вала 6 у 90° складає не більше 4°. Кожний із фіксуючих елементів 12 сплощеної форми виконаний з діелектричного та діамагнітного матеріалу, наприклад, може бути такий матеріал як алюміній, неіржавна сталь, текстоліт, вуглепластик тощо. На фіг. 6 показаний варіант виконання фіксуючих елементів 12 сплощеної форми, що виконані у формі суцільних дисків. На фіг. 7 показаний варіант виконання фіксуючих елементів 12 сплощеної форми, що виконані у формі дисків із отворами. На фіг. 8 показаний варіант виконання фіксуючих елементів 12 сплощеної форми, що виконані зіркоподібної форми. На фіг. 9 показаний варіант виконання фіксуючих елементів 12 сплощеної форми, що виконані у формі коліс із радіальними спицями. Виконання фіксуючих елементів 12 сплощеної форми у формі дисків із отворами, зіркоподібної форми, у формі коліс із радіальними спицями дозволяє зменшити вагу ротора, і відповідно зменшити інерційність ротора, та підвищити крутний момент при зменшенні енерговитрат на обертання ротора підвищити значення питомої потужності, яку можна отримати з одиниці ваги пристрою, отримати більш високе значення коефіцієнту корисної дії. За другим із варіантів виконання несучого пристрою 7, який показаний на фіг. 5, несучий пристрій 7 може містити центральний елемент 13 та два бічних елементи 14, причому бічні елементи 14 виконані сплощеної форми і розташовані так, що площини бічних елементів 14 є перпендикулярними до умовної повздовжньої осі вала 6. Аналогічно до першого варіанту виконання несучого пристрою 7, бічні елементи 14 є перпендикулярними до вала 6, тобто площина кожного із бічних елементів 14 є перпендикулярною до умовної повздовжньої осі вала 6. Зрозуміло, що при виготовленні ротора неможливо отримати ідеальну точність куту між площиною кожного із бічних елементів 14 та умовною повздовжньою віссю вала 6 у 90°. Тому під терміном "перпендикулярно" розуміється таке взаємне розташування бічних елементів 14 та вала 6, при якому максимальне відхилення від бажаного куту між площиною кожного із бічних елементів 14 та умовною повздовжньою віссю вала 6 у 90° складає не більше 4. Кожний із бічних елементів 14 може бути виконаний з діелектричного та діамагнітного матеріалу, наприклад, може бути такий матеріал як алюміній, неіржавна сталь, текстоліт, вуглепластик тощо. Також, аналогічно до виконання фіксуючих елементів 12 сплощеної форми, бічні елементи 14 можуть бути виконані у формі дисків, у формі дисків із отворами, зіркоподібної форми, у формі коліс із радіальними спицями. Технічний результат, який дає таке виконання бічних елементів 14, є аналогічним до фіксуючих елементів 12 сплощеної форми. На несучому пристрої 7 розташовані постійні магніти 8, вони можуть бути розташовані на фіксуючих елементах 12 сплощеної форми або на бічних елементах 14. Постійні магніти 8 можуть бути виконані у формі таких тіл обертання як диск, циліндр, кульовий сегмент, кільце або тор, таким чином постійні магніти 8 мають форму тіл, в яких є умовні осі. У даному варіанті виконання технічного рішення показаний такий варіант виконання форми постійного магніту як диск, але для фахівця є очевидним та зрозумілим можливість виконання постійного магніту іншої зазначеної форми. 3 UA 114842 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Постійні магніти 8 розташовані у роторі 4 попарно таким чином, що вони утворюють два колових ряди постійних магнітів, при цьому постійні магніти в кожній парі постійних магнітів розташовані один проти одного співвісно на одній умовній осі, на однаковій відстані між собою та зорієнтовані різнойменними полюсами одне до одного, причому постійні магніти розташовані у роторі на однаковій відстані від вала. Ще однією умовою розташування постійних магнітів у роторі 4 є розташування у роторі так, що умовні осі кожної пари постійних магнітів є паралельними до умовної повздовжньої осі вала, та відстань між умовними осями всіх суміжних пар постійних магнітів є однаковою. Зрозуміло, що при виготовленні ротора неможливо отримати ідеальну точність при розташуванні пар постійних магнітів 8 на однаковій відстані від вала 6, та на однаковій відстані між собою. Тому під терміном "однакова відстань" розуміється таке взаємне розташування пар постійних магнітів 8 між собою та із валом 6, при якому максимальне відхилення від середнього значення зазначених відстаней складає не більше 3 мм. Також зрозуміло, що при виготовленні ротора неможливо отримати ідеальну точність куту між умовною подовжню віссю кожної пари постійних магнітів 8 та умовною повздовжньою віссю вала 6 у 0°. Тому під терміном "паралельно" розуміється таке взаємне розташування пар постійних магнітів 8 та вала 6, при якому максимальне відхилення від бажаного куту між умовною повздовжньою віссю пари постійних магнітів 68 та умовною повздовжньою віссю вала 6 у 0° складає не більше 4°. Для нормальної роботи електродвигуна постійного струму за даним технічним рішенням необхідно узгоджувати подачу імпульсу струму на соленоїди із положенням постійних магнітів. Для цього у електродвигунах постійного струму використовують датчики положення ротора. У технічному рішенні теж може бути використаний принаймні один датчик положення ротора. За різними варіантами здійснення технічного рішення, датчик положення ротора може бути розташований на корпусі або на тримачі для соленоїдів або електромагнітів. Як датчик положення ротора може бути використаний відомий фахівцям датчик Холла. Пристрій за технічним рішенням працює наступним чином. В положенні ротора, коли один із соленоїдів знаходиться напроти пари постійних магнітів, на соленоїд подають постійний електричний струм. В соленоїді збуджується магнітне поле, яке відштовхується полями пари постійних магнітів, що призводить до утворення крутного моменту, і ротор обертається до положення, коли за напрямком обертання ротора пара постійних магнітів буде знаходитись напроти другого соленоїду, і далі повторюється збудження магнітного поля вже у цьому соленоїді. Потім цикл повторюється для наступної пари постійних магнітів. Почергове послідовне збудження магнітного поля у кожному наступному за напрямком обертання ротора соленоїді призводить до постійного обертання ротора. Технічний результат, який досягається запропонованим технічним рішенням: - електродвигун постійного струму має високі значення обертів вала; - відсутність у статорі суцільного осердя та великої тороїдної обвитки збудження значно зменшує вагу статора, що призводить до його низької матеріалоємність, та призводить до низької трудомісткості при виготовлення такого статора; - завдяки використанню потужних постійних магнітів, легкого за вагою ротора, певного взаємного розташування у просторі постійних магнітів та електромагнітів, призводить до значного збільшення крутного моменту при зменшенні енерговитрат на обертання ротора, що відповідно дає більш високе значення питомої потужності, яку можна отримати з одиниці ваги пристрою, та більш високе значення коефіцієнту корисної дії пристрою. Останній зазначений технічний результат досягається за рахунок вживання потужних постійних магнітів як джерела механічної енергії. Наприклад, якщо постійний магніт має силу утримання 100 кілограм, то його магнітне поле діє з силою 100×9,8=980 Н. Якщо ця сила буде прикладена до важеля з плечем, рівним 1 метр, то крутний момент буде складати 980 Нхм. А оскільки використовуються пара постійних магнітів, то відповідно крутний момент буде складати 1960 Нхм. Особливість запропонованого технічного рішення полягає в тому, що таке магнітне поле, яке створюється парою постійних магнітів, буде відштовхувати будь-який соленоїд або електромагніт, який має невелику величину магнітного поля. Тому струм збудження магнітного поля в соленоїді або електромагніті може бути дуже маленьким, і цього буде достатньо для обертання ротора електродвигуна. Це означає, що енергетичні витрати на збудження магнітного поля в соленоїді або електромагніті також будуть бути дуже маленькими. Наведені приклади та варіанти здійснення технічного рішення лише ілюструють технічне рішення, але не обмежують його. 60 4 UA 114842 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 1. Електродвигун постійного струму, який містить корпус, розташовані у корпусі ротор і статор, ротор містить вал і постійні магніти, який відрізняється тим, що ротор додатково містить несучий елемент, який розташований на валу та який призначений для розташування на ньому постійних магнітів, причому несучий пристрій виконаний з діелектричного та діамагнітного матеріалу, постійні магніти виконані у формі таких тіл обертання як диск, циліндр, кульовий сегмент, кільце або тор, постійні магніти розташовані у роторі попарно таким чином, що вони утворюють два колових ряди постійних магнітів, при цьому постійні магніти в кожній парі постійних магнітів розташовані один проти одного співвісно на одній умовній осі, на однаковій відстані між собою та зорієнтовані різнойменними полюсами одне до одного, причому постійні магніти розташовані у роторі на однаковій відстані від вала, статор містить принаймні два соленоїди або електромагніти, тримач для соленоїдів або електромагнітів, причому соленоїди або електромагніти виконані такими, що мають циліндричну форму, соленоїди або електромагніти розташовані так, що знаходяться просторово між двома коловими рядами постійних магнітів на однаковій відстані від вала. 2. Електродвигун постійного струму за пунктом 1, який відрізняється тим, що постійні магніти розташовані у роторі так, що умовні осі кожної пари постійних магнітів є паралельними до умовної повздовжньої осі вала, та відстань між умовними осями всіх суміжних пар постійних магнітів є однаковою, соленоїди або електромагніти розташовані так, що відстань між умовними повздовжніми осями всіх соленоїдів або електромагнітів і умовною повздовжньою віссю вала є однаковою із відстанню між умовними осями всіх пар постійних магнітів і умовною повздовжньою віссю вала. 3. Електродвигун постійного струму за пунктом 1, який відрізняється тим, що статор містить соленоїди. 4. Електродвигун постійного струму за пунктом 1, який відрізняється тим, що статор містить електромагніти. 5. Електродвигун постійного струму за будь-яким із пунктів 1-4, який відрізняється тим, що несучий пристрій містить два фіксуючі елементи сплощеної форми, які жорстко закріплені на валу та розташовані на ньому так, що площини фіксуючих елементи сплощеної форми є перпендикулярними до умовної повздовжньої осі вала. 6. Електродвигун постійного струму за пунктом 5, який відрізняється тим, що фіксуючі елементи сплощеної форми виконані у формі дисків. 7. Електродвигун постійного струму за пунктом 5, який відрізняється тим, що фіксуючі елементи сплощеної форми виконані у формі дисків із отворами. 8. Електродвигун постійного струму за пунктом 5, який відрізняється тим, що фіксуючі елементи сплощеної форми виконані зіркоподібної форми. 9. Електродвигун постійного струму за пунктом 5, який відрізняється тим, що фіксуючі елементи сплощеної форми виконані у формі коліс із радіальними спицями. 10. Електродвигун постійного струму за будь-яким із пунктів 1-4, який відрізняється тим, що несучий пристрій містить центральний елемент та два бічних елементи, причому бічні елементи виконані сплощеної форми і розташовані так, що площини бічних елементів є перпендикулярними до умовної повздовжньої осі вала. 11. Електродвигун постійного струму за пунктом 10, який відрізняється тим, що бічні елементи виконані у формі дисків. 12. Електродвигун постійного струму за пунктом 10, який відрізняється тим, що бічні елементи виконані у формі дисків із отворами. 13. Електродвигун постійного струму за пунктом 10, який відрізняється тим, що бічні елементи виконані зіркоподібної форми. 14. Електродвигун постійного струму за пунктом 10, який відрізняється тим, що бічні елементи виконані у формі коліс із радіальними спицями. 15. Електродвигун постійного струму за будь-яким із пунктів 1-14, який відрізняється тим, що додатково містить принаймні один датчик положення ротора. 16. Електродвигун постійного струму за пунктом 15, який відрізняється тим, що датчик положення ротора розташований на корпусі. 17. Електродвигун постійного струму за пунктом 15, який відрізняється тим, що датчик положення ротора розташований на тримачі для соленоїдів або електромагнітів. 18. Електродвигун постійного струму за будь-яким із пунктів 15-17, який відрізняється тим, що як датчик положення ротора використовують датчик Холла. 5 UA 114842 C2 6 UA 114842 C2 7 UA 114842 C2 8 UA 114842 C2 9 UA 114842 C2 Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10