Електродвигун постійного струму

Реферат: Двигун постійного струму оснащений першим основним елементом (1), виготовленим з магнітопровідного, що включає систему постійних магнітів (3) однополюсної та, відносно осі обертання електродвигуна, радіальної орієнтації, а також забезпечений другим основним елементом (2), виготовленим з магнітонепровідного матеріалу з принаймні однією котушкою (4) з виходами для під'єднання до джерела постійного струму. Котушка (4) знаходиться на сердечнику (5), виготовленому з магнітопровідного матеріалу та знаходиться на рівновіддаленій відстані вздовж системи магнітів. Перша та друга частини взаємно рухомі відносно одна одної. UA 111192 C2 (12) UA 111192 C2 UA 111192 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується електродвигуна постійного струму. Передумови створення винаходу Існуючі електродвигуни постійного струму, такі як електродвигуни, що живляться від постійного струму, працюють на основі комутації струму в провідниках, що розташовуються у магнітному полі, створеному за допомогою різнополярних магнітів. Комутація струму, в залежності від полярності магнітного потоку та напрямку руху провідника, здійснюється за допомогою комутатора – механічного приладу для переключення між котушками. Електричний струм подається до комутатора за допомогою вуглецевих щіточок. Швидкість електродвигуна залежить від напруги та струму, що проходить крізь обмотку електродвигуна, та знаходиться під впливом навантажень, таких як гальмівний момент. Швидкість електродвигуна постійного струму можна легко контролювати шляхом змінення подачі струму та/або живлення, коли магніти встановлюються на обмотках виступаючих полюсів. Обов’язкове застосування комутатора є значним недоліком конструкцій існуючих електродвигунів постійного струму. Завдяки такій конструкції та важкому механічному навантаженню, вони потребують регулярного обслуговування та частої заміни щіточок. Іскри між щіточками та поверхнею комутатора спричиняють втрату енергії та електромагнітні перешкоди. Прогрес та розвиток у сфері силової електроніки призвів до поступової заміни класичних машин, що працюють на постійному струмі, на машини з електронним збудженням обертального магнітного поля. Комутація струму механічним комутатором чи за допомогою електроніки потребує затрат людських ресурсів та відносно високі витрати на матеріал та працю. Магнітні поля, виготовлені з постійних магнітів, спрощують виробничий процес, але підходять не для всіх приладів, і тому потребують коробку передач. Це і є метою винаходу – створення простої машини з простим регулюванням напрямку та швидкості обертання, низькою інерцією та можливістю встановлення у відносно невеликому місці. Іншою метою винаходу є створення машини з високою довготривалою надійністю роботи, без вимог щодо обслуговування. Опис та мета винаходу Майбутні проблеми вирішуються за допомогою електродвигуна прямого струму, створеного у відповідності з дійсним винаходом; двигун з першим основним елементом, виготовленим з магнітного провідного матеріалу, що підтримує систему однополярно орієнтованих магнітів, а також забезпечений другим основним елементом, виготовленим з магнітного непровідного матеріалу з принаймні однією котушкою з виходами для під’єднання до джерела постійного струму. Котушка знаходиться на сердечнику, виготовленому з магнітного провідного матеріалу та розміщеному на відстані вздовж системи магнітів. Перший та другий основні елементи – взаємно рухомі відносно один одного, це означає що або перший основний елемент рухається відносно другого основного елементу, або навпаки чи обидва основні елементи можуть рухатися відносно інших елементів. У вибраному варіанті магніти виготовлені з постійних магнітів. У першому вибраному варіанті двигуна перший основний елемент виконує роль статора, а другий основний елемент, що розташований у шарнірному гнізді, тримає сердечник та підтримує принаймні одну котушку. У другому вибраному варіанті двигуна статор складається з першого основного елементу та сердечника, у той час як ротор складається з другого основного елементу, що розташований у шарнірному гнізді та підтримує принаймні одну котушку; котушка розташовується із зазором навколо сердечника. Електродвигун постійного струму відповідно до ознак винаходу є простою конструкцією, що виключає будь-який вид комутації струму і таким чином взаємне розташування ротора та статора протягом всього періоду ефективної роботи не потребує датчиків для визначення фізичного стану та працездатності двигуна. Оскільки магнітний ланцюг виготовлений з цільного матеріалу, не обов'язково використовувати ламіновану конструкцію, яка зазвичай використовується у стандартних машинах постійного струму. Дизайн двигуна пропонує дуже економічно вигідний варіант не тільки з точки зору витрат на виробництво, але й на роботу, оскільки технічне обслуговування під час його роботи зведене до мінімуму, а термін служби двигуна — дуже довгий завдяки низькому рівню зношення його частин. Двигун відповідно до винаходу являє собою дуже міцне обладнання, стійке до зовнішнього середовища, особливо до бруду та вологи. Відповідно до іншої особливості винаходу швидкість та обертальний момент двигуна можна передати на рухоме обладнання без необхідної коробки передач. Короткий опис креслень Винахід далі ілюструється у вигляді прикладів на прикріплених рисунках, а саме Фіг. 1 — схематично ілюструє розташування частин двигуна та їх функції, 1 UA 111192 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Фіг. 2 — показує осьовий поперечний вид варіанту втілення з першим основним елементом статором та другим основним елементом, що виконує роль ротора та Фіг. 3 — зображує варіант втілення відповідно до Фіг. 2, на якому другий основний елемент влаштований для зворотного обертання протягом циклу. Детальний опис вибраного варіанту втілення Посилаючись на Фіг. 2 та 3, згаданий електродвигун в принципі складається з двох частин 1 та 2. Перший основний елемент 1, виготовлений з магнітного провідного матеріалу, підтримує систему однополярно орієнтованих магнітів 3. Другий основний елемент 2, виготовлений з магнітного непровідного матеріалу з принаймні однією котушкою 4 з виходами для під’єднання до джерела постійного струму. Котушка 4 розміщена на сердечнику 5, виготовленому з магнітного провідного матеріалу. Сердечник радіально віддалена від постійних магнітів 3. Проміжок між серцевиною 5 та постійними магнітами 3 передбачений для повітряного зазору 6 згаданого магнітного поля двигуна. Теоретично другий основний елемент 2, виконуючи роль ротора, може рухатися відносно першого основного елементу 1, що представляє собою статор, або обидва основні елементи 1, 2 можуть виконувати протилежні функції, тобто перший основний елемент 1 — бути ротором, а другий основний елемент 2 — бути статором. Також можливо, щоб обидва основні елементи 1, 2 рухалися відносно один одного. Фіг. 1 для спрощення показує тільки перший основний елемент 1. Наступне пояснення функціонування згаданого двигуна робиться з урахуванням того, що перший основний елемент — не рухається, виконує роль статора, а другий основний елемент виконує функцію ротора. Двигун в конструкції відповідно до Фіг. 1 працює таким чином, що сила 7, яка є результуючою векторного добутку вектору щільності магнітного потоку всередині повітряного зазору та вектору струму в провідниках котушки 4, значно більша, ніж зворотна сила 8, яка є результуючою векторного добутку векторів щільності магнітного потоку вздовж периферії сердечника 5 та вектора струму в провідниках котушки 4, причому зворотна сила 8 діє у протилежному напрямку від сили 7. Різниця між силою 7 та зворотною силою 8 утворюється у результаті нелінійного просторового розподілу магнітного опору постійного магніту 3 закритого магнітного ланцюга і таким чином щільність магнітного потоку, що виділяється провідним матеріалом сердечника 5 у зоні дії вектора струму 9 котушки 4, значно менша ніж щільність магнітного потоку у повітряному зазорі 6. Різниця між двома силами 7, 8 утворює тягову силу електродвигуна. Протягом усього періоду роботи згаданий електродвигун використовує однополярне магнітне поле. Перше практичне застосування вищезгаданого пристрою — варіант втілення, який у простій формі зображений на Фіг. 2. За цим варіантом втілення ротор машини обертається уздовж кругової траєкторії. Як показано на Фіг. 2 електродвигун оснащений фланцем для приєднання до конструкції обладнання з вбудованим двигуном, наприклад за допомогою болтів 11. Вал 12 з одного боку приєднується до фланця 10, вал 10 несе перший основний елемент 1. Як вже було згадано вище, перший основний елемент виготовлений з цільного магнітного провідного матеріалу. Перший основний елемент 1 дискової форми з периферійної сторони оснащений системою однополярно скерованих постійних магнітів 3. З протилежного боку від фланця 10 вала 12 на підшипнику 13 знаходиться другий основний елемент 2, виготовлений з непровідного магнітного матеріалу. Другий основний елемент 2, що має форму плаского диску, містить консольно приєднаний сердечник 5. Сердечник 5 виготовлений з магнітного провідного матеріалу та має форму кільця з чотирикутним поперечним перерізом, він розміщений на відстані від постійних магнітів 3. На сердечнику 5 розміщуються котушки 4, приєднані до контактних кілець, які призначені для подачі постійного струму. Для спрощення креслень контактні кільця не зображені на рисунках. Котушки 4, зазвичай три або чотири, розміщуються вздовж периферії кільцеподібного сердечника 5 радіально відносно постійних магнітів. Відповідно до електричного живлення та необхідного струму котушки можуть з'єднуватися послідовно або паралельно. Важливо зберігати один напрямок векторів струму 9 у всіх котушках 4. Як альтернативний варіант втілення вищезгаданої конструкції, сердечник 5 може підтримуватися парою других основних елементів 2, що розміщуються на валу 12, а перший основний елемент 1 розміщений посередині. Така конструкція пропонує механічно краще розміщення сердечника 5, ніж консольне, але вона потребує більше простору у пристрої, в який цей електродвигун буде вбудований. Теж саме також стосується розміщення валу 12. Вал 12 може підтримуватися з обох боків. 2 UA 111192 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Постійні магніти 3 та котушки 4 можуть розміщуватися на віддаленні також і в аксіальному напрямку. Другим прикладом практичного застосування основного пристрою — варіант втілення, який у простій формі зображений на Фіг. 3. За цим варіантом втілення ротор машини обертається у реверсному напрямку, наприклад рух уздовж обмеженої траєкторії, зокрема рух вперед до заданого положення та зворотній рух до початкового положення. Основне розміщення дійсного варіанту втілення винаходу — таке ж як і на Фіг. 2. Електродвигун оснащений фланцем 10 для приєднання до обладнання. Фланець 10 підтримує один кінець валу 12, на якому знаходиться перший основний елемент 1. Перший основний елемент 1 виготовлений з цільного матеріалу та має форму диска, на передній стороні якого розміщується система однополярно скерованих постійних магнітів 3. Центральний кут сектора залежить від необхідного діапазону обертання ротора, але він завжди менший ніж 180º. Також за цим варіантом втілення винаходу перший основний елемент 1 виконує функцію статора. На протилежному від фланця 10 кінці валу 12 на підшипнику 13 знаходиться другий основний елемент 2, виготовлений з непровідного магнітного матеріалу. Другий основний елемент 2, що має форму плаского диску, містить консольно приєднану котушку 4, як варіант котушок 4 може бути декілька. Центральний кут сектора відповідає габаритам котушки 4 або набору котушок 4, відповідно. Котушка 4, або котушки 4, вільно розміщена навколо сердечника таким чином, що вона може вільно рухатися вздовж сердечника 5. Сердечник 5 має форму кільця, яке постійно простягається на певній відстані вздовж поверхні постійних магнітів 3, таким чином дозволяючи котушці 4 рухатися вздовж зовнішньої поверхні постійних магнітів 3. На обох дальніх кінцях сердечник 5 механічно закріплений до першого основного елементу 1, внаслідок цього, зовсім протилежно до першого варіанту втілення відповідно до Фіг. 1, сердечник 5 є частиною статору 2. Другий основний елемент 2 виконує функцію ротора та передає потужність електродвигуна на рухоме обладнання. Також варіант втілення відповідно до Фіг. 3 може бути виготовленим у вигляді лінійного електродвигуна. Перший основний елемент та сердечник будуть виконувати функцію статора, а другий основний елемент 2 та котушка 4 — ротора. Лінійний двигун відповідно до винаходу може також бути спроектований з ротором, що рухається по траєкторії, яка має форму попередньо вибраної кривої, наприклад, яка є не просто прямою. Для експерта в цій галузі зрозуміло, що у всіх обговорених варіантах втілення функції обох основних елементів 1, 2 можуть взаємно помінятися. Хоча тільки постійні магніти згадувалися у всіх попередніх варіантах втілення, очевидно, що замість постійних магнітів 3 з тим самим успіхом можна використовувати магніти з обмоткою, що живляться постійним струмом. Однак, використання постійних магнітів 3 має більше переваг, оскільки вони займають значно менше місця. Використання магнітів одного або двох видів залежить від заданих робочих параметрів відповідно до необхідної вихідної потужності та доступного простору для вбудування електродвигуна. Маючи однакові умови регулювання швидкості зі стандартними електродвигунами прямого струму, двигун відповідно до винаходу має дуже просту конструкціюбез необхідності обслуговування під час роботи. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Електродвигун постійного струму, який відрізняється тим, що оснащений першим основним елементом (1), виготовленим з магнітопровідного матеріалу, і включає в себе систему постійних магнітів (3) однополюсної та, відносно осі обертання електродвигуна, радіальної орієнтації, а також забезпечений другим основним елементом (2), виготовленим з магнітонепровідного матеріалу з принаймні однією котушкою (4) з виходами для під'єднання до джерела постійного струму, причому перший та другий основні елементи (1, 2) взаємно рухомі відносно один одного, а котушка (4) знаходиться на сердечнику (5), виготовленому з магнітопровідного матеріалу та розміщеному на відстані вздовж системи постійних магнітів. 2. Електродвигун постійного струму за п. 1, який відрізняється тим, що магніти виготовлені з постійних магнітів (3). 3. Електродвигун постійного струму за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що перший основний елемент (1) виконує роль статора, а другий основний елемент (2), розташований у шарнірному гнізді, тримає серцевину (5) та підтримує принаймні одну котушку (4). 3 UA 111192 C2 4. Електродвигун постійного струму за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що статор містить перший основний елемент (1) та сердечник (5), а ротор містить другий основний елемент (2), що розміщений у шарнірному гнізді та підтримує принаймні одну котушку (4), причому котушка (4) розташована із зазором навколо сердечника (5). 5 4 UA 111192 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5