Электрический двигатель

 

Использование: для привода вентиляторов, кофемолок, миксеров, ручного электрического инструмента и пр. Сущность изобретения: в электрическом двигателе, содержащем установленные в корпусе статор с обмоткой и закрепленный на валу ротор с полостью, заполненной ферромагнитным дисперсным наполнителем, ротор выполнен из жесткого немагнитного материала, а его полость разделена на равномерно размещенные по окружности ротора герметичные камеры, заполненные диэлектрической жидкостью, элементы ферромагнитного дисперсного наполнителя выполнены из сильно магнитного анизотропного материала, причем наибольший габаритный размер этих элементов не превышает величины 0,01 от полюсного деления ротора. 7 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим двигателям, и может быть использовано для привода вентиляторов, кофемолок, миксеров, ручного электрического инструмента и т. п.

Известен электрический двигатель, содержащий статор, закрепленный на валу ротор и жестко связанные с ними элементы венечного зацепления. Ротор двигателя, вал которого размещен в опорах, выполнен в виде стакана с полой стенкой из эластичного материала. Полость ротора заполнена жидкостью с ферромагнитными элементами.

Недостатком двигателя является отсутствие возможности без каких-либо дополнительных средств в схеме управления обеспечить вращение ротора с периодически изменяющейся во времени скоростью, что снижает его эксплуатационные возможности. Наряду с этим недостатком пусковые характеристики известного двигателя не всегда могут отвечать предъявляемым к ним требованиям из-за достаточно резкого разгона ротора. Кроме того, наличие элементов венечного зацепления, а также выполнение ротора из эластичного материала усложняет конструкцию двигателя, уменьшает его надежность и приводит к снижению КПД.

Цель изобретения - расширение эксплуатационных возможностей, улучшение пусковых характеристик, упрощение конструкции, а также повышение надежности и КПД.

Указанная цель достигается тем, что в электрическом двигателе, содержащем установленные в корпусе статор с уложенной в пазах обмоткой и закрепленный на валу ротор с полостью, заполненной немагнитной диэлектрической жидкостью с находящимися в ней ферромагнитными элементами, ротор выполнен из жесткого немагнитного диэлектрического материала, его полость разделена на равномерно размещенные по периферии герметичные камеры, находящиеся в жидкости ферромагнитные элементы выполнены из сильномагнитного анизотропного материала, при этом наибольший габаритный размер этих элементов не превышает величину 0,01 от полюсного деления статора.

В электрическом двигателе количество камер ротора предпочтительно выбрать равным или больше числа полюсов статора.

Электрический двигатель в одном из вариантов может быть снабжен вторым ротором, выполненным из шихтованного сердечника с короткозамкнутой обмоткой, при этом оба ротора закреплены на индивидуальных валах консольно в пределах расточки статора.

Электрический двигатель в одном из вариантов может быть снабжен вторым, идентичным первому, ротором, при этом оба ротора закреплены на индивидуальных валах консольно в пределах расточки статора, причем в камерах второго ротора размещены находящиеся в немагнитной диэлектрической жидкости элементы из немагнитного электропроводящего материала с максимальными габаритными размерами, превышающими величину полюсного деления статора.

Электрический двигатель в одном из вариантов может быть снабжен вторым, идентичным первому, ротором, при этом оба ротора закреплены на индивидуальных валах консольно в пределах расточки статора, причем в камерах второго ротора размещены находящиеся в немагнитной диэлектрической жидкости ферромагнитные элементы с максимальными габаритными размерами, превышающими величину полюсного деления статора. В это варианте в камерах второго ротора размещены элементы из немагнитного электропроводящего материала с максимальными габаритными размерами, превышающими величину полюсного деления статора.

Электрический двигатель может иметь вал одного из роторов, выполненный полым, а в его полости установлен вал другого ротора. Между коаксиально расположенными валами роторов может быть установлена опора вращения.

Ферромагнитные частицы, размещенные в герметичных полостях ротора, должны быть выполнены из ферромагнитного анизотропного материала с высокой удельной намагниченностью (более 2 Гс. см³/г), например, из сильномагнитного окисла железа, магнетита Fe₃O₄ и т. п. Ограничение габаритных размеров ферромагнитных частиц вызвано тем, что в зависимости от габаритов частицы могут перемещаться в магнитном поле статора либо в направлении его вращения, либо встречно. Механизм мелких ферромагнитных частиц и крупных плоских ферромагнитных или электропроводящих элементов во вращающемся или бегущем магнитном поле заключается в том, что мелкие ферромагнитные частицы в отличие от крупных плоских ферромагнитных или электропроводящих элементов перемещаются не в направлении распространения магнитного поля, а в обратном. Этот феномен описывается в статьях профессора E. R. Laithwaite. "The evolution of a three-dimensional electric motor", Electrical Review, 26 October 1973, pp. 566-568 и авторов В. Г. Дейча и В. П. Терехова "Поведение малых ферромагнитных частиц в бегущем магнитном поле", журнал "Электромеханика" N 10, 1984, Известия ВУЗов, с. 23-26 и основан на эффекте Магнуса. Целесообразность выбора ферромагнитных частиц с наибольшим габаритным размером, не превышающим величину 0,01 от полюсного шага статора асинхронного электродвигателя, вытекает из материала упомянутой выше статьи В. Г. Дейча и В. П. Терехова, где указано условие (см. выражение (18)), согласно которому для обеспечения упомянутого выше эффекта габариты а ферромагнитной частицы должны быть много меньше длины волны λ магнитного поля, т. е. λ= 2π /К >> a или иными словами К. а << 1, где К - коэффициент, связанный с различием в нормировке бегущего или вращающегося магнитного поля. Таким образом, из полученного соотношения с учетом К имеем а < 0,01τ , где τ - полюсное деление статора электродвигателя.

Справедливость указанного отношения подтверждается также статьей из журнала "Магнитная гидродинамика", 1978, N 4, с. 25-29.

Кроме того, оно подтверждается и результатами проведенных экспериментальных исследований.

Предложенное техническое решение позволяет создать принципиально новую конструкцию электрического двигателя.

На фиг. 1 изображен вид сбоку предлагаемого устройства, продольное сечение; на фиг. 2 - то же, поперечное сечение; на фиг. 3 - вид сбоку устройства, продольное сечение, вариант с двумя консольно установленными роторами; на фиг. 4 - то же, с выводом валов роторов в одну сторону.

Предлагаемый электрический двигатель содержит размещенный в корпусе 1 статор 2 с обмоткой 3 и закрепленный на валу 4 ротор 5.

Вал 4 установлен в опорах 6, которые закреплены в щитах 7. Ротор 5 выполнен из жесткого (неэластичного) немагнитного (парамагнитного или диамагнитного) диэлектрического материала (стекла, керамики, пластмассы и т. п. ) в виде полого цилиндра с герметичными камерами 8, заполненными немагнитной диэлектрической жидкостью, в которой во взвешенном состоянии находятся ферромагнитные элементы 9 из сильномагнитного анизотропного материала (для чего жидкость выбирается с плотностью, равной плотности ферромагнитных элементов 9), при этом наибольший габаритный размер этих элементов 9 не превышает величины 0,01 от полюсного деления τ статора 2. Плотность жидкости может быть и меньше плотности ферромагнитных элементов 9, однако в этом случае вал 4 двигателя должен располагаться перпендикулярно поверхности Земли.

Камеры 8 расположены в роторе 5 по периферии равномерно, причем желательно, чтобы количество камер 8 было не меньше числа полюсов 10 статора 2.

В другом варианте устройства (фиг. 3) электрический двигатель снабжен вторым ротором 5, механически не связанным с первым, причем оба ротора 5 закреплены на своих валах 4 в опорах 6 консольно в пределах расточки статора 2. Второй ротор 5, выполненный аналогично первому, в своих камерах 8, заполненных немагнитной диэлектрической жидкостью, содержит во взвешенном состоянии элементы 11 (плотность жидкости равна плотности элементов 11), выполненные также из ферромагнитного материала, а в других вариантах - из немагнитного электропроводящего материала, либо некоторые из элементов 11 выполнены из ферромагнитного материала, а остальные - из немагнитного электропроводящего.

Желательно, чтобы все элементы 11 имели форму плоских параллелепипедов. Элементы 11 должны быть выполнены с максимальным габаритным размером, превышающим величину полюсного деления τ статора 2. Если ко второму ротору 5 не предъявляются повышенные требования в части пуска, то он может быть выполнен в виде обычного ротора асинхронного двигателя, например (шихтованный сердечник с короткозамкнутой обмоткой).

В том случае, когда валы роторов 5 требуется вывести по одну сторону торца двигателя (см. фиг. 4) один из них, например, вал 12 выполняется полым, а другой вал 13 размещен в полости первого вала 12. Между коаксиально расположенными валами может быть установлена опора вращения 14 в пределах опор 6 полого вала 12.

Электрический двигатель работает следующим образом.

К статорным обмоткам 3 подключают источник питания переменного напряжения (на чертежах не показан). Возникающее при этом вращающееся магнитное поле взаимодействует с ферромагнитными элементами 9, которые в результате этого перемещаются в жидкости в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля статора 2. При этом элементы 9 воздействуют на радиальные перегородки между камерами 8 (см. фиг. 1 и 2) и, как следствие, ротор 5 вращается также в сторону, противоположную направлению вращения магнитного поля статора 2.

В варианте исполнения электрического двигателя по фиг. 3 второй ротор 5, полости 8 которого заполнены элементами 11, в результате взаимодействия последних с вращающимся магнитным полем статора 2 и радиальными перегородками между камерами 8 будет поворачиваться в сторону вращения магнитного поля статора 2. Таким образом, роторы 5 будут вращаться в противоположные стороны. Роторы 5 будут вращаться в аналогичных направлениях и в варианте предлагаемого устройства со вторым ротором 5, выполненным в виде обычного ротора асинхронного двигателя.

В свою очередь, обе модификации выполнения вторых роторов 5 могут использоваться и в варианте устройства по фиг. 4, работа которого не требует специального пояснения.

При небольших значениях постоянной частоты переменного напряжения, подаваемого на обмотку 3 статора 2, ротор 5 с ферромагнитными элементами 9 будет вращаться практически с постоянной скоростью. При достаточно высоких значениях постоянной частоты в результате центробежных сил элементы 9 будут перемещаться в периферийные области полостей 8 и, примыкая к внутренним цилиндрическим поверхностям ротора 5, агрегатироваться, образовывая конгломераты ферромагнитных масс с габаритными размерами, превышающими величину полюсного деления τ.

В этом случае ротор 5 с частицами 9 будет уже увлекаться в сторону вращения магнитного поля статора 2, возникнет тормозящий момент. Скорость вращения ротора 5 с частицами 9 упадет и конгломераты ферромагнитных масс, прижатые к внутренним цилиндрическим поверхностям ротора 5 начнут разрушаться вплоть до элементарных ферромагнитных частиц 9. При этом ротор 5 снова начнет плавно набирать первоначальную скорость вращения. При высоких значениях постоянной частоты питающего напряжения описанные циклы работы будут все время повторяться. Иными словами, ротор 5 с ферромагнитными частицами 9 при больших значениях постоянной частоты будут вращаться в режиме с периодически изменяющейся во времени скоростью вращения. Вторые роторы 5 во всех вариантах исполнения будут вращаться с постоянной скоростью при любой постоянной частоте питающего напряжения.

Выполнение ротора в предлагаемом двигателе из немагнитного диэлектрического материала с полостью, разделенной на расположенные равномерно по периферии герметичные камеры, заполненные немагнитной диэлектрической жидкостью с ферромагнитными элементами, выполненными из сильномагнитного анизотропного материала с наибольшим габаритным размером, не превышающим величины 0,01 от полюсного деления статора, расширяет эксплуатационные возможности устройства путем обеспечения вращения ротора с периодически изменяющейся во времени скоростью из-за непрерывного периодического разрушения и агрегатирования конгломератов частиц. Вращение ферромагнитных частиц из сильномагнитного анизотропного материала вокруг своих коротких осей в движущемся магнитном поле статора (эффект Магнуса) создает очень плавное перемещение этих частиц во время пуска двигателя в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля статора, и обеспечивает тем самым улучшение пусковых характеристик электродвигателя.

Кроме того, за счет исключения элементов венечного зацепления, а также выполнения ротора из жесткого немагнитного диэлектрического материала у предлагаемого электродвигателя по сравнению с прототипом упрощается конструкция и повышаются надежность и КПД. При выборе количества камер ротора равным или больше числу полюсов (пазов) статора КПД двигателя повышается в еще большей степени. Снабжение предложенного электродвигателя вторым ротором, вращающимся в сторону, противоположную направлению вращения первого ротора, в еще большей степени повышает еще эксплуатационные возможности, особенно в вариантах с выводом валов в одну сторону корпуса. В последних вариантах двигателя установка опоры вращения между коаксиально расположенными валами повышает надежность двухроторной конструкции с выводом валов в одну сторону корпуса. (56) Авторское свидетельство СССР N 221819, кл. H 02 K 41/06, 1966.

Формула изобретения

1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий установленные в корпусе статор с обмоткой и закрепленный на валу ротор с полостью, заполненной ферромагнитным дисперсным наполнителем, отличающийся тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей путем обеспечения вращения ротора с периодически изменяющейся во времени скоростью, улучшения пусковых характеристик, упрощения конструкции и повышения надежности и КПД, ротор выполнен из жесткого немагнитного диэлектрического материала, его полость разделена на равномерно размещенные по периферии герметичные камеры, заполненные немагнитной диэлектрической жидкостью, элементы ферромагнитного дисперсного наполнителя выполнены из сильно магнитного анизотропного материала, причем наибольший габаритный размер этих элементов не превышает величины 0,01 полюсного деления ротора.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что количество камер ротора равно или больше числа полюсов статора.

3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен вторым ротором, выполненным из шихтованного сердечника с короткозамкнутой обмоткой, при этом оба ротора закреплены на индивидуальных валах консольно в пределах расточки статора.

4. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен вторым, идентичным первому, ротором, при этом оба ротора закреплены на индивидуальных валах консольно в пределах расточки статора, причем в камерах второго ротора размещены находящиеся в немагнитной диэлектрической жидкости элементы из немагнитного электропроводящего материала с максимальными габаритами, превышающими величину полюсного деления статора.

5. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен вторым ротором, идентичным первому, при этом оба ротора закреплены на индивидуальных валах консольно в пределах расточки статора, причем в камерах второго ротора размещены находящиеся в немагнитной диэлектрической жидкости ферромагнитные элементы с максимальными габаритными размерами, превышающими величину полюсного деления статора.

6. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что в камерах второго ротора также размещены элементы из немагнитного электропроводящего материала с максимальными габаритами, превышающими величину полюсного деления статора.

7. Двигатель по пп. 3 - 6, отличающийся тем, что вал одного из роторов выполнен полым, а в его полости установлен вал другого ротора.

8. Двигатель по п. 7, отличающийся тем, что между коаксиально расположенными валами роторов установлена опора вращения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4