РЕПУЛЬСИОННЫЙ БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

РЕПУЛЬСИОННЫЙ БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ


RU (11) 2304838 (13) C2

(51) МПК
H02K 17/22 (2006.01)
H02K 17/02 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2005128569/09 
(22) Дата подачи заявки: 2005.09.13 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2005.09.13 
(45) Опубликовано: 2007.08.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: КОСТЕНКО М.П., ПИОТРОВСКИЙ Л.М. Электрические машины, ч.2. - М.: Энергия, 1965, с.623-626. SU 1494157 A1, 15.07.1989. SU 70987 А, 29.02.1948. SU 206703 А, 13.11.1968. SU 1665471 A1, 23.07.1991. GB 406857 А,08.03.1934. US 3559014 A, 26.01.1971. КОСТЕНКО М.П., ПИОТРОВСКИЙ Л.М. Электрические машины, ч.2. - М.: Энергия, 1965, с.562-564. КОСТЕНКО М.П., ПИОТРОВСКИЙ Л.М. Электрические машины, ч.1. - М.: Энергия, 1972, с.318-319. 
(72) Автор(ы): Чистяков Евгений Алексеевич (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Чистяков Евгений Алексеевич (RU) 
Адрес для переписки: 347900, Ростовская обл., г. Таганрог, ул. Бабушкина, 54/В, кв.40, Е.А.Чистякову 

(54) РЕПУЛЬСИОННЫЙ БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам. Технический результат - повышение надежности работы электродвигателя и снижение затрат на его эксплуатацию за счет выполнения электродвигателя репульсионным и бесколлекторным. Сущность изобретения состоит в том, что в электродвигателе, содержащем статор (2) с однофазной обмоткой (4) и щетками (12) в роторе (8), перемычки беличьей клетки (9) выполнены в виде контактных колец (11), к которым примыкают подпружиненные щетки (12), являющиеся частями замкнутых проводящих контуров, имеющих крепление на статоре (2) между его полюсами, при этом пара щеток (12) одного замкнутого проводящего контура охватывает ротор (8) с противоположных сторон в месте нахождения одного из полюсов статора (2), а щетки (12) следующего за ним замкнутого проводящего контура охватывают ротор (8) с противоположных сторон в месте нахождения противоположного ему полюса статора. Предлагаемый электродвигатель имеет характеристики, близкие характеристикам известных репульсионных двигателей с одной обмоткой на статоре и с одним комплектом щеток при одновременном обеспечении его взрывобезопасности, повышении надежности и удешевлении. 2 з.п. ф-лы, 7 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к электрическим машинам, конкретно к электродвигателям, и может быть использовано на промышленных предприятиях. Известен тиристорный асинхронный электропривод (А.с. СССР №357656), который включает асинхронный электродвигатель, подключенный к электронному устройству.

Недостаток этого устройства в том, что тиристорная система управления полностью не решает вопрос увеличения начального момента асинхронного двигателя. Момент асинхронного двигателя прямопропорционален квадрату приложенного напряжения. Тиристорная система управления не устраняет этот недостаток, она допускает потери энергии, так как автоматически не реагирует на изменение нагрузки на валу двигателя.

Известна также униполярная электрическая машина (см. М.П.Костенко, Л.М.Пиотровский "Электрические машины", часть 1, Энергия, 1972, стр.318-319), имеющая ротор, электромагниты и скользящие контакты.

Недостатком этой машины является то, что она работает при большом токе, а передача больших токов на расстояние требует увеличения сечения провода в электрической сети и связана со значительными потерями энергии.

Известен однофазный асинхронный двигатель (см. М.П.Костенко, Л.М.Пиотровский "Электрические машины", часть 2, Энергия, 1965, стр.562-564), имеющий статор, ротор, однофазную обмотку на статоре и коротко замкнутую обмотку на роторе (беличью клетку).

Недостатком этого двигателя является то, что при снижении скорости вращения ротора до нуля крутящий момент также падает до нуля, а при вращении двигателя с синхронной скоростью его крутящий момент приобретает отрицательное значение.

Известен репульсионный двигатель с одной обмоткой на статоре и одним комплектом щеток (см. М.П.Костенко, Л.М.Пиотровский "Электрические машины", часть 2, Энергия, 1965, стр.623-626), который взят за прототип.

Репульсионный двигатель имеет статор с однофазной обмоткой на нем, якорь, коллектор и подвижную систему щеток.

Недостатком репульсионного двигателя является наличие коллектора, из-за чего по сравнению с бесколлекторными машинами данный репульсионный двигатель значительно дороже и обладает более тяжелыми коммутационными условиями работы. Частые поломки двигателя ведут к дополнительным затратам на ремонт и приводят к простоям оборудования. Коллекторную машину нельзя использовать во взрывоопасном помещении, а искрение на коллекторе является источником радиопомех. Кроме того, коллектор накладывает ограничение по мощности машины.

Цель предлагаемого изобретения - повышение надежности работы и обеспечение экономичной эксплуатации электродвигателя за счет изготовления его репульсионным и бесколлекторным.

Этот технический результат достигается за счет того, что ротор имеет торцевые перемычки беличьей клетки, выполненные в виде контактных колец, к которым примыкают подпружиненные щетки, являющиеся частями проводящих контуров, состоящих из гибких проводящих элементов с противоположных торцов, неразъемно соединенных с проводниками, каждый из которых прикреплен к изоляционной прокладке, соединенной с зубьями, выполненными в крайних шихтованных пластинах магнитопровода статора. Каждый из проводников расположен между двух ближайших полюсов статора, а пара щеток проводящего контура охватывает ротор с противоположных сторон, причем щетки проводящего контура размещены в месте нахождения одного из полюсов статора, щетки следующего за ним проводящего контура размещены в месте нахождения противоположного ему полюса.

Щетки установлены в щеткодержателях, находящихся в пазах крышек электродвигателя и прикрепленных к его корпусу.

На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого электродвигателя.

На фиг.2 - разрез А-А фиг.1.

На фиг.3 - проекция ротора.

На фиг.4 - общий вид крышки электродвигателя.

На фиг.5 - две проекции держателя скользящего контакта.

На фиг.6 - вид Б фиг.5.

На фиг.7 - схема замещения беличьей клетки ротора предлагаемого электродвигателя и проводящих контуров.

Репульсионный бесколлекторный электродвигатель содержит корпус 1, в который заведен статор 2. Статор 2 имеет полюса 3 с размещенной на них однофазной обмоткой возбуждения 4, представляющей собой катушку, навитую по спирали. С торцов корпуса 1 крепятся крышки 5, в которых установлены подшипники 6. В подшипники 6 заведен вал 7, на котором размещен ротор 8 с расположенной на нем беличьей клеткой 9, состоящей из проводящих стержней 10 и контактных колец 11, в которые упирается щетки 12, неразъемно соединенные с гибкими элементами 13, выполненными из проводящего материала. Гибкие элементы 13 попарно с противоположных сторон неразъемно крепятся к проводникам 14. Проводник 14 вместе с прикрепленными к нему гибкими элементами 13 и с щетками 12, а также беличья клетка 9 образуют замкнутый проводящий контур 15 и замкнутый проводящий контур 16. Замкнутый проводящий контур 15 расположен под полюсом 3, а замкнутый проводящий контур 16 расположен над противоположным полюсом 3. Проводники 14 замкнутого проводящего контура 15 и 16 расположены диаметрально противоположно и размещены между полюсов 3. Проводники 14 прикреплены к прокладкам 17, выполненным из изоляционного материала. Прокладки 17 прикреплены к зубьям 18, которые выполнены в крайних шихтованных пластинах 19 статора 2. Щетки 12 заведены в отверстия 20 щеткодержателей 21. Отверстия 20 покрыты изоляционным лаком, в них заведены также пружина 22 и винт 23. Щеткодержатели 21 размещены в пазах 24 крышек 5 и крепятся с торцов к корпусу 1. Гибкие элементы 13 заведены в пазы 25 щеткодержателей 21.

Репульсионный бесколлекторный двигатель работает следующим образом.

Обмотка возбуждения 4 подключается к сети, в результате чего возникает переменный магнитный поток, который пронизывает беличью клетку 9, замкнутые проводящие контуры 15 и 16. Чем дальше проводящие стержни 10 беличьей клетки 9 отстоят от вертикальной оси симметрии ротора 8, тем больший по величине переменный магнитный поток проходит между ними и тем большая э.д.с. наводится в беличьей клетке 9 на участках расположения этих проводящих стержней 10. Трансформаторные э.д.с. вызывают циркуляцию индукционных токов в беличьей клетке 9 и замкнутых проводящих контурах 15 и 16. Если направления индукционных токов, текущих в проводящих стержнях 10 за номерами 2, 3, 4 и 5 будет обозначено (+), то направление индукционных токов в проводящих стержнях 10 под номерами 6, 7, 8 и 1 будет иметь знак (.). Величины индукционных токов, текущих в проводящих стержнях 10 под номерами 1-8 будут: l1=0,2285 E/Z, l 2=0,0557 E/Z, l3=0,8511 E/Z, l 4=0,3699 E/Z, l5=0,2285 E/Z, l 6=0,0557 E/Z, l7=0,8511 E/Z и l 8=0,3699 E/Z, где Е - э.д.с,, наведенное в беличьей клетке 9 на участке расположения стержней 10 под номерами 1 и 8, Z - общее электрическое сопротивление проводящего стержня 10, представляющее собой сумму активного и индуктивного сопротивлений.

Величина и направление индукционных токов l1-l 8 установлены в результате решения системы уравнений, составленных по первому и второму правилам Кирхгофа. Схема замещения беличьей клетки 9 ротора 8 электродвигателя, а также замкнутых проводящих контуров 15 и 16 представляет собой разветвленную цепь. На схеме фигуры 7 стрелками изображены направления индукционных токов на различных участках беличьей клетки 9, замкнутого проводящего контура 15 и 16. Общие сопротивления на участках беличьей клетки 9, соединяющие проводящие стержни 10, приняты равными Z. Общее сопротивление проводника 14 вместе с прикрепленными к нему гибкими элементами 13 и щетками 12 равно 0,1 Z. При неподвижном роторе 8 проводящие стержни 10 под номерами 3 и 7 размещены в вертикальной плоскости, параллельной линиям магнитного потока Ф, поэтому трансформаторная э.д.с. на этом участке беличьей клетки 9 будет равна 0. Проводящие стержни 10 под номерами 2 и 6, а также 8 и 4 размещены в плоскостях, наклонных под углом 45 градусов к вертикальной плоскости. Поэтому магнитный поток, пронизывающий замкнутые проводящие контуры, ограниченные проводящими стержнями 10 под номерами 2, 6 и 8, 4, будет равен 0,7 Ф. Переменный магнитный поток 0,7 Ф наведет на участках беличьей клетки 9, включающих в себя проводящие стержни 10 под номерами 2, 6 и 8, 4 э.д.с. 0,7 Е. Наибольшее трансформаторное э.д.с. величиной Е наведется на участке беличьей клетки 9, включающем в себя проводящие стержни под номерами 1, 5, поскольку этот участок пронизывается всем переменным магнитным потоком. Общее трансформаторное э.д.с., наведенное в замкнутом проводящем контуре, образованном проводящими стержнями 10 под номерами 1, 5 и контактными кольцами 11, будет 2Е. Замкнутый проводящий контур 15 и замкнутый проводящий контур 16 пронизываются переменным магнитным потоком, величина которого равна 0,5 Ф. Величина общего трансформаторного э.д.с., наведенного в замкнутом проводящем контуре 16, будет равна Е. Если в замкнутом проводящем контуре 15 и в части беличьей клетки 9, находящейся по одну сторону от вертикальной оси симметрии ротора 8, трансформаторное э.д.с. будет иметь знак (.), то по другую сторону от вертикальной оси симметрии ротора 8 в замкнутом проводящем контуре 16 и другой половине беличьей клетки 9 трансформаторное э.д.с. будет иметь знак (+).

Уравнения, составленные по первому и второму законам Кирхгофа, имеют вид:

l 1=l11+l18

l2=l11+l 12

l13=l4 +l14

l5=l 14+l15

l6 =l15+l16

l 10=l7+l16+l 17

l17=l8 +l18

l1=l 19+l26

l20 =l8+l19

l 10=l7+l20+l 21

l6=l21 +l22

l5=l 22+l23

l24 =l4+l23

l 9=l3+l24+l 25

l2=l25 +l26

Zl3+0,121 9=Е

Zl2+Zl11 +Zl1+Zl26=0,3 E

Zl2+Zl25-Zl 3+Zl12=-0,7 E

Zl 24-Zl3+Zl4+Zl 13=0,7 E

Zl23-Zl 4+Zl5+Zl14=0,3 E

Zl6+Zl15+Zl 5+Zl22=0,3 E

Zl 7-Zl16-Zl6-Zl 21=0,7 E

Zl8+Zl 17-Zl7+Zl20 =0,7 E

Zl1+Zl18 -Zl8+Zl19=0,3 E

0,1Zl10+Z17=E

Zl11-Zl12+Zl 13+Zl14-Zl15 +Zl16-Zl17-Zl 18=0

Решением данной системы уравнений будет:



Если пренебречь потерями в стали и меди, то трансформаторная э.д.с. отстает по фазе от магнитного потока обмотки возбуждения на 90 градусов. Магнитный поток, порожденный индукционными токами в роторе 8, а также в замкнутом проводящем контуре 15 и замкнутом проводящем контуре 16, отстает по фазе от трансформаторной э.д.с. на 90 градусов. Индукционный ток совпадает по фазе с суммарным магнитным потоком ротора 8 и замкнутых проводящих контуров 15, 16 и отстает по фазе от магнитного потока обмотки возбуждения 4 на 180 градусов. Поскольку потери в электродвигателе не велики, то фаза индукционного тока будет такой же, как и в идеальных условиях.

Циркуляция индукционного тока в беличьей клетке 9 будет осуществляться таким образом, что направление индукционного тока, текущего в проводящих стержнях 10, находящихся по одну сторону от оси симметрии ротора 8, наклоненной под углом к его горизонтальной оси симметрии, будет обозначаться (.), а в стержнях 10, находящихся по другую сторону от этой оси, обозначится (+). Взаимодействие электромагнитного поля обмотки возбуждения 4 и индукционного тока обуславливает возникновение силы Лоренца. Согласно правилу левой руки, сила, действующая на индукционный ток, циркулирующий в проводящих стержнях 10, находящихся по одну сторону от горизонтальной оси симметрии ротора 8, будет иметь одно и то же направление. А сила, действующая на индукционный ток, циркулирующий в проводящих стержнях 10, находящихся по другую сторону от этой оси, будет иметь противоположное направление. Сила Лоренца обуславливает появление крутящего момента, имеющего одно и то же направление.

Поскольку электромагнитное поле обмотки возбуждения 4 и индукционный ток одновременно меняют свое направление, то направление крутящего момента остается неизменным и ротор 8 придет во вращение. Трансформаторная э.д.с., наведенная в беличьей клетке 9, не возникает и не изменяется мгновенно. При вращении ротора 8 участки беличьей клетки 9 с наведенными э.д.с. переносятся к зоне размещения щеток 12, что увеличивает силу индукционного тока, циркулирующего в беличьей клетке 9 на участках, примыкающих к щеткам 12.

При вращении ротора 8 в магнитном потоке обмотки возбуждения 4 в беличьей клетке 9 возникает э.д.с. вращения, направленная против трансформаторных э.д.с., наведенная в замкнутом проводящем контуре 15 и замкнутом проводящем контуре 16. В результате чего индукционный ток, циркулирующий в беличьей клетке 9 и проходящий через проводящие стержни 10, находящиеся в зоне размещения щеток 12, будет тем меньше, чем больше скорость вращения ротора 8.

Так как сила Лоренца прямо пропорциональна величине магнитного потока и тока, на который действует магнитный поток, то крутящий момент электродвигателя также будет пропорционален величине магнитного потока обмотки возбуждения 4 и силе индукционного тока, проходящего через проводящие стержни 10, находящиеся в зоне, примыкающей к вертикальной оси симметрии ротора 8. Так как индукционный ток, проходящий в этих стержнях 10, будет тем меньше, чем больше скорость вращения ротора 8, то и крутящий момент будет уменьшаться пропорционально увеличению скорости вращения ротора 8. Реверс электродвигателя осуществляется путем замены местами щеток 12 замкнутого проводящего контура 15 и 16. Пружинами 22 щетки 12 прижимаются к контактным кольцам 11. Винтами 23 регулируется сила давления пружин 22. Прокладки 17 электрически отделяют проводники 14 от статора 2, а поскольку прокладки 17 крепятся к зубьям 18, выполненным в крайних шихтованных пластинах 19, то монолитность статора 2 сохраняется. Пазы 24, выполненные в крышках 5, позволяют снять крышки 5 таким образом, что щеткодержатели 21 остаются закрепленными на корпусе 1. Гибкие элементы 13 обеспечивают возможность своего отвода в сторону при сборочно-разборочных работах. Отверстие 20 и паз 25 позволяют осуществить непрерывный контакт щетки 12 к контактным кольцам 11.

Таким образом, электродвигатель имеет характеристики, близкие к характеристикам известного репульсионного двигателя с одной обмоткой на статоре и одним комплектом щеток. Но в предлагаемом электродвигателе отсутствует коллектор, за счет этого конструкция удешевляется. Кроме того, это ставит двигатель в более легкие коммутационные условия. Отсутствие коллектора снимает ограничение по мощности двигателя, снижает взрывоопасность, снижает затраты на ремонт двигателя, повышает надежность работы электродвигателя.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Репульсионный бесколлекторный электродвигатель, содержащий статор с однофазной обмоткой и щетки, отличающийся тем, что ротор электродвигателя имеет торцевые перемычки беличьей клетки, выполненные в виде контактных колец, к которым примыкают подпружиненные щетки, являющиеся частями замкнутых проводящих контуров, имеющих крепление на статоре между его полюсами, пара щеток замкнутого проводящего контура охватывает ротор с противоположных сторон в месте нахождения одного из полюсов статора, щетки следующего за ним замкнутого проводящего контура охватывают ротор с противоположных сторон в месте нахождения противоположного ему полюса.

2. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что щетки замкнутого проводящего контура неразъемно соединены с гибкими проводящими элементами, каждый из которых, с противоположных сторон, неразъемно соединен с проводником, который прикреплен к изоляционной прокладке, соединенной с зубьями, выполненными в крайних шихтованных пластинах статора.

3. Электродвигатель по п.2, отличающийся тем, что щетки установлены в щеткодержателях, находящихся в пазах крышек электродвигателя и прикрепленных к его корпусу.








ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru