Електормагнітний двигун

Изобретение относится к области электромашиностроения. Известны электродвигатели, работающие по принципу силового взаимодействия электрического тока и магнитного поля (Иванов А.А. Справочник по электротехнике. - К.: Выща шк., 1984. - С.304, рис.9.1). В этих двигателях входная (электрическая) мощность существенно превышает выходную (механическую) мощность. Улучшить соотношение указанных мощностей в данном типе двигателей можно лишь незначительно за счет изменения коэффициента полезного действия. Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является двигатель Якоби, работающий по принципу силового взаимодействия магнитных полей и включающий статор, прикрепленный к корпусу и несущий магнитопроводы с обмотками, образующие неподвижные электромагниты, и ротор, закрепленный на валу, связанному с корпусом, также несущий магнитопроводы с обмотками, образующие подвижные электромагниты, причем полюсы подвижных и неподвижных электромагнитов обращены друг к другу (Белькинд А.Д. и др. История энергетической техники. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 664с., с.230, рис.4 - 15; с.233, рис.4 - 18). Недостатком двигателя Якоби является то, что в нем мощность входа также превышает мощность выхода. В основу изобретения поставлена задача такого усовершенствования конструкции двигателя, при котором за счет изменения геометрических соотношений, взаиморасположения элементов конструкции и электромагнитных характеристик повышается вращающий момент до такой величины, при которой, как следствие этого повышения, выходная мощность превышает входную. Поставленная задача решается тем, что в электромагнитном двигателе, включающем статор, прикрепленный к корпусу и несущий магнитопроводы с обмотками, образующие неподвижные электромагниты, и ротор, закрепленный на валу, связанному с корпусом и также несущий магнитопроводы с обмотками, образующие подвижные электромагниты, причем полюсы подвижных и неподвижных электромагнитов обращены друг к другу, согласно изобретению, отношение расстояния между кромками соседних полюсов к ширине полюсов составляет, по крайней мере, меньше единицы, отношение между площадью полюсов и произведением периметра полюсов на величину воздушного зазора между полюсами, по крайней, мере, превышает единицу, а напряжение электрического тока, подводимого к обмоткам электромагнитов, определяется из условия минимальности входной мощности. При этом электромагнитный двигатель целесообразно выполнить в виде соосно установленных секций, каждая из которых содержит статор с неподвижными электромагнитами и ротор с подвижными электромагнитами, причем полюсы, например, подвижных электромагнитов одной секции смещены относительно полюсов другой секции на угол, определяемый из условия максимальности вращающего момента. Магнитопроводы в предлагаемом двигателе целесообразно выполнять шихтованными, а число витков обмоток электромагнитов определять из условия минимальности противотоков. Последнее, в частности, может обеспечить безреостатный пуск двигателя. При питании электромагнитного двигателя постоянным током на его валу целесообразно закрепить коммутационные кольца в количестве, равном количеству секций, несущие секторы, половина из которых выполнена из токопроводящих материалов, а половина - из электроизоляционных, что улучшает условия коммутации. В частности, исключается круговой огонь. С валом предлагаемого двигателя целесообразно связать генератор-возбудитель, служащий для питания обмоток электромагнитов. В этом случае посторонние источники энергии используются только при пуске двигателя. На валу предлагаемого двигателя в ряде случаев целесообразно закрепить маховик для выравнивания вращающего момента. Часть электромагнитов, например, подвижных может быть заменена на постоянные магниты. Технический результат, указанный выше, достигается следующим образом. Известно, что выходная (механическая) мощность электродвигателя зависит от вращающего момента на его валу, а входная (электрическая) мощность - от напряжения электрического тока. Поэтому соотношение между вы ходной и входной мощностями можно увеличить путем повышения вращающего момента и снижения напряжения электрического тока. Автором заявки опытным путем установлено, что вращающий момент находится в существенной зависимости от соотношения расстояния между кромками соседних полюсов к ширине полюсов, а также соотношения между площадью полюсов и произведением периметра полюсов на величину воздушного зазора между полюсами подвижных и неподвижных электромагнитов. Первое соотношение должно быть как можно меньшим, а второе - как можно большим. Опыты показали, что уменьшая первое соотношение и увеличивая второе можно добиться многократного увеличения вращающего момента без повышения входной мощности. Также опытным путем автором заявки установлено, что в односекционном электромагнитном двигателе на значительном угле поворота ротора относительно статора вращающего момента почти нет. Электрический ток при этом никакой полезной работы не выполняет. В этих положениях ротора ток не только бесполезен, но и вреден, так как нагревает обмотки электромагнитов. Если двигатель выполнить, например, из двух секций со смещенными полюсами одной секции относительно другой, а электрический ток подавать поочередно то в одну секцию, то в другую, когда он создает максимальный вращающий момент, то последний можно увеличить приблизительно вдвое не затрачивая дополнительной энергии. При этом существенно улучшаются условия работы обмоток электромагнитов, т.к. они половину времени не нагреваются, а охлаждаются. Выполнение магнитопроводов шихтованными также направлено на увеличение вращающего момента без повышения входной мощности. Известно, что ши хтованные магнитопроводы позволяют существенно снизить момент сопротивления, обусловленный перемагничиванием и уменьшающий вращающий момент на валу двигателя. Существенно увеличить соотношение между выходной и входной мощностями можно также соответствующим выбором напряжения электрического тока. Эксперименты, проведенные автором заявки, показали, что в заданной конструкции электромагнитного двигателя (определены размеры ротора, статора, магнитопроводов и т.д.) вращающий момент определяется магнитодвижущей силой электрический ток, - число витков обмоток электромагнитов), т.е. при выбранной величине электрическим током, рассчитываемым по закону Ома. Поэтому уменьшая до возможных пределов электрическое сопротивление обмоток электромагнитов (ограничивается размерами обмоток) можно при заданной величине электрического тока (вращающего момента на валу двигателя) существенно снизить и требуемое напряжение , а с ним и входную мощность Таким образом, перечисленная в формуле изобретения совокупность признаков обеспечивает предлагаемому электромагнитному двигателю новый эффект превышение выходной мощности над входной. Этот эффект обеспечивается конструктивным путем (без увеличения затрат внешней энергии) и не противоречит закону сохранения энергии, так как в предлагаемом двигателе используется новый источник энергии внутренняя энергия ферромагнитных материалов. Причем, сам двигатель является индикатором наличия этой энергии и возможности использования ее в полезных целях. На фиг.1 показан предлагаемый электромагнитный двигатель, общий вид; на фиг.2 - разрез по сечению А - А. Электромагнитный двигатель состоит из корпуса 1, с которым связан вал 2 и в котором размещены две секции электромагнитных механизмов. Одна из секций включает ротор, состоящий из жестко закрепленного на валу диска 3, к которому прикреплены шихтованные магнитопроводы 4 с обмотками 5, образующие подвижные электромагниты, и статор, состоящий из шихто ванных магнитопроводов 6, жестко связанных с корпусом, и обмоток 7. Магнитопроводы 6 и обмотки 7 образуют неподвижные электромагниты. Вторая секция имеет аналогичную конструкцию: ротор состоит из диска 8 с подвижными электромагнитами 9, а статор - из шихтованных магнитопроводов 10 с обмотками 11 (неподвижных электромагнитов). Полюсы подвижных электромагнитов одной секции смещены относительно полюсов другой секции на угол определяемый из условия максимальности вращающего момента. На валу закреплены два коммутационных кольца обычной конструкции, каждое из которых состоит из 8 - ми секторов. Четыре сектора выполнены из токопроводящего материала, а четыре - из электроизоляционного. Каждое коммутационное кольцо связано с двумя щетками. Обмотки электромагнитов соединены друг с другом так, что при подключении их к источнику постоянного тока неподвижные электромагниты имеют постоянную полюсность (северная чередуется с южной), а полюсность подвижных электромагнитов (северная также чередуется с южной) меняется при помощи коммутационных колец на противоположную при каждом повороте ротора на межполюсный угол (в данном случае на 90°). В настоящей конструкции электромагнитного двигателя выполнены следующие условия: отношение расстояния между кромками соседних полюсов к ширине полюсов существенно меньше единицы, отношение между площадью полюсов и произведением периметра полюсов на величину воздушного зазоре между полюсами существенно больше единицы, а напряжение электрического тока, подводимого к обмоткам электромагнитов, определено исходя из минимальности входной мощности. Данная конструкция рассчитана на питание постоянным током, но возможно также использование переменного тока или смешанного (часть электромагнитов питается постоянным током, а часть - переменным). Возможно также в отличие от приведенной конструкции, в которой полюсы перпендикулярны оси вращения ротора, располагать полюсы параллельной этой оси. Электромагнитный двигатель работает следующим образом. Предположим, что полюсы подвижных электромагнитов занимают перед пуском двигателя положение, показанное на фиг.1 и 2, т.е. полюсы подвижных электромагнитов секции 8 - 11 наклонены по отношению к полюсам неподвижных электромагнитов на угол а оси полюсов подвижных и неподвижных электромагнитов секции 3 - 7 совпадают. Подключать секцию 3 - 7 к источнику электрического тока в этом положении нецелесообразно, так как ток не будет создавать вращающий момент. Поэтому коммутационные кольца и щетки установлены так, что ток в это время подается в секцию 8 - 11. При этом в результате взаимодействия магнитных полей подвижных и неподвижных электромагнитов в этой секции создается окружная сила притяжений полюсов и ротор поворачивается на угол 45°, например, по часовой стрелке. В этом положении электромагнитов секции 8 11 они обесточиваются, а ток подается к обмоткам электромагнитов секции 3 - 7, т.к. подвижные электромагниты этой секции повернувшись на угол 45° стали занимать выгодное положение с точки зрения величины вращающего момента. Под действием окружной силы притяжения полюсов подвижных и неподвижных электромагнитов секции 3 7 ротор поворачивается на угол 45° и т.д. При этом благодаря тому, что отношение расстояния между кромками соседних полюсов к ширине полюсов составляет меньше единицы, отношение площади полюсов к произведению периметра полюсов на величину воздушного зазора между полюсами составляет больше единицы, напряжение электрического тока выбрано из условия минимальности входной мощности, двигатель выполнен в виде двух секций электромагнитных механизмов, а магнитопроводы электромагнитов выполнены шихтованными выходная (механическая) мощность двигателя существенно превышает входн ую (электрическую) мощность. Возможность разработки электродвигателя, в котором выходная мощность превышает входн ую, подтверждена экспериментально. Автором заявки построен экспериментальный двигатель, соответствующий по конструкции фиг.1 и фиг.2. Двига тель односекционный с 8 - ю полюсами (четыре подвижных, четыре неподвижных). Магнитопроводы выполнены шихтованными (трансформаторная сталь толщиной 0,35мм), катушки намотаны медным проводом диаметром 5мм (число витков в каждой катушке, 17). Диаметр ротора 280мм, диаметр окружности, на которой лежат центры полюсов электромагнитов ~170мм. Источник электрического тока - селеновый выпрямитель с напряжением ~3в, напряжение на зажимах двигателя ~2,5в. Частота вращения в установившемся движении (вращающий момент уравновешен моментом сопротивления) ~600об/мин. Первоначальны электрический ток при пуске двигателя снизился примерно в 3 раза и в установившемся движении составил ~20а. Измеренный средний вращающий момент (обусловлен окружным усилием притяжения полюсов) ~0,4кгм. Этот момент в установившемся движении уравновешивается в основном двумя моментами сопротивления: моментом трения в подшипниках (роликовые конические), возникающим вследствие осевой силы протяжения полюсов; по измерению ~0,26кгм; моментом, обусловленном перемагничиванием. По расчету (при частоте перемагничивания 40 1/с удельные потери приняты 2вт/кг, масса магнитопроводов 40кг) этот момент ~0,13кгм. В данном эксперименте мощности двигателя получились следующими: входная (электрическая) выходная (механическая) Таким образом, в экспериментальном двигателе выходная мощность примерно в 5 раз превышает входную при том, что вынужденное стремление автора заявки к максимальному упрощению привело к тому, что двигатель получился крайне несовершенный с точки зрения приведенного описания (фиг.1 и 2). Он содержит только одну секцию, имеет всего 8 полюсов, электрический ток примерно половину времени не создает вращающий момент и т.д.