Двигатель постоянного тока

 

Изобретение относится к области электромашиностроения, а именно к бесконтактным электрическим двигателям постоянного тока. Технический результат изобретения, заключающийся в создании бесконтактных устройств без электронных схем коммутации, достигается путем того, что в двигателе постоянного тока, содержащем якорь в виде пакета магнитомягкого железа и обмотки, закрепленных на валу, а также шарикоподшипниковые опоры, установленные в подшипниковых щитах, якорь размещен в поле закрепленного на корпусе статора в виде пакета магнитомягкого железа с обмоткой возбуждения радиального направления, якорь и статор помещены в герметичный корпус с вакуумплотными подшипниковыми щитами, заполненный инертными газами, в состав двигателя постоянного тока введены катоды, аноды и нити накала, причем на электроизоляционной втулке, укрепленной на подшипниковом щите, размещен неподвижный катод, и на ней укреплена нить накала данного катода, против него по радиусу к оси вращения на валу якоря с помощью электроизоляционного электродержателя закреплены пластинчатые аноды, образующие цилиндрическую поверхность, в количестве 2n штук, где n≥3, на этом же электроде держателе по концентрической цилиндрической поверхности меньшего радиуса укреплены 2n пластин подвижных катодов, расположенных против соответствующих пластин подвижных анодов, на электроизоляционной втулке, укрепленной на подшипниковом щите, размещены также нити накалов подвижных катодов, а также неподвижный анод, противолежащий по отношению к неподвижному катоду и обращенный рабочей поверхностью в сторону подвижных катодов от оси вращения вала, при этом к диаметрально противоположным пластинам подвижных анодов и катодов подсоединены начала и концы соответствующих секций обмотки якоря, при этом неподвижный катод соединен с отрицательным, а неподвижный анод с положительным гермовыводами, предназначенными для подключения источника питания якоря. 3 ил.

Изобретение относится к области бесконтактных двигателей постоянного тока и может быть использовано в приборостроении и других отраслях науки и техники.

Уровень техники в данной области характеризуется следующими техническими решениями.

Известна электрическая машина постоянного тока [Пат. РФ 2077106, Н 02 К 23/04, БИ 10, 1997], содержащая станину статора, ротор с медной обмоткой и валом и коллектор, которая снабжена корпусом и сверхпроводящими магнитами, закрепленными между корпусом и станиной, обмотка крепится на валу при помощи стеклонитей и эпоксидной смолы, а станина и вал выполнены из немагнитной стали.

Недостатком данной электрической машины постоянного тока является наличие коллекторного узла, снижающего ее надежность.

Известен бесконтактный двигатель постоянного тока [Пат. РФ 2075821, Н 02 Р 6/00, 6/14, БИ 8, 1997], содержащий двухфазную обмотку, секции которой соединены по мостовой схеме, а вершины мостовой схемы обмотки подсоединены к шинам питания через ключи электронной схемы коммутации, управляемой от четырех датчиков положения ротора двигателя, при этом электронная схема коммутации выполнена в виде двух р-n-р силовых транзисторов и двух n-р-n силовых транзисторов, соединенных через схему управления.

Недостатком бесконтактного двигателя постоянного тока является наличие электронной схемы коммутации обмоток, увеличивающей массу и габариты двигателя и снижающей его надежность.

Известен двигатель постоянного тока, состоящий из пакета железа и обмотки якоря, закрепленных на валу, содержащем шарикоподшипниковые опоры, установленные в подшипниковых щитах, при этом якорь размещен в поле закрепленного на корпусе статора в виде пакета железа с обмоткой возбуждения радиального направления, щеточно-коллекторного узла, предназначенного для коммутации тока якоря [1].

Недостатками данного устройства, принятого за наиболее близкий аналог предлагаемого изобретения, являются недостаточные надежность и долговечность, обусловленные быстрым износом щеточно-коллекторного узла.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и долговечности двигателя постоянного тока.

Техническим результатом реализации данного изобретения может явиться создание бесколлекторных (бесконтактных) устройств, например гироскопических приборов, в которых не требуется применение электронных схем коммутации. В силу этого в них снижаются масса, габариты, энергопотребление и повышается надежность.

Поставленная задача решается за счет того, что двигатель постоянного тока, содержащий якорь в виде пакета магнитомягкого железа и обмотки, закрепленных на валу, а также шарикоподшипниковые опоры, установленные в подшипниковых щитах, при этом якорь размещен в поле закрепленного на корпусе статора в виде пакета магнитомягкого железа с обмоткой возбуждения радиального направления, якорь и статор помещены в герметичный корпус с вакуум-плотными подшипниковыми щитами, заполненный инертными газами, в состав двигателя постоянного тока введены катоды, аноды и нити накала, причем на электроизоляционной втулке, укрепленной на подшипниковом щите, размещен неподвижный катод, на этой же втулке укреплена нить накала этого катода, против него по радиусу к оси вращения на валу якоря с помощью электроизоляционного электрододержателя закреплены пластинчатые аноды, образующие цилиндрическую поверхность, в количестве 2n, где ≥3, на этом же электрододержателе по концентрической цилиндрической поверхности меньшего радиуса укреплены 2n пластин подвижных катодов, расположенных против соответствующих пластин подвижных анодов, на электроизоляционной втулке, укрепленной на подшипниковом щите, размещены также нити накала подвижных катодов, а также неподвижный анод, противолежащий по отношению к неподвижному катоду и обращенный рабочей поверхностью в сторону подвижных катодов от оси вращения вала, при этом к диаметрально противоположным пластинам подвижных анодов и катодов подсоединены начала и концы соответствующих секций обмотки якоря, неподвижный катод соединен с отрицательным, а неподвижный анод - с положительным гермовыводами, предназначенными для подключения источника питания якоря.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема двигателя постоянного тока, на фиг.2 - электрокинематическая схема двигателя постоянного тока, на фиг.3 - функциональная электрическая схема соединения одной секции обмотки якоря двигателя постоянного тока.

Двигатель постоянного тока содержит вал 1 якоря, который с помощью шарикоподшипников 2 и 3 установлен в подшипниковых щитах 4 и 5 двигателя. Подшипниковые щиты 4 и 5 прикреплены к корпусу 6 (крепежные винты не показаны), прокладки 7 и 8, служащие для герметизации внутренней полости двигателя, могут быть изготовлены либо из индия, либо из резины, например, марки НО-68-1. Заглушки 9 и 10 прикреплены к подшипниковым щитам 4 и 5 винтами (не показаны) через герметичные прокладки 11 и 12, изготовленные из того же материала, что и прокладки 7 и 8. На валу 1 закреплен пакет железа якоря 13, выполненный из магнитомягкой стали, например, марки 50Н, в пазах которого уложена обмотка 14 якоря. На валу 1 в электроизоляционном электрододержателе 15, изготовленном, например, из стеклонаполненного полиамида марки ПА-6-210/310, закреплены пластины анодов 16 в количестве 2n, где n≥3, и пластины катодов 17. Их количество совпадает с количеством пластин анодов 16, они расположены по концентрическим окружностям друг против друга на расстоянии по радиусу порядка 0.4,...,1 мм и обозначены буквами 16а, 16b,..., 16f; 17а, 17b,..., 17f. Показанная на фиг.2 секция обмотки якоря соединена с пластиной 16а подвижного анода 16 и пластиной 17d подвижного катода 17. Следующая секция обмотки якоря соединена с пластинами 16b и 17е и т.д. Соединения следующих секций для обеспечения упрощения схемы не показаны. На электроизоляционной пластмассовой втулке 18, также выполненной, например, из полиамида, закрепленной на крышке 4, установлены неподвижные катод 19 и анод 20. Аноды могут быть изготовлены из никеля, катоды - оксидные, например, из карбоната стронция или на основе редкоземельного металла, обеспечивающие плотность тока до 10 А/см². На этой же втулке размещены нить 21 накала из вольфрама или другого материала, служащая для подогрева катода 19, и нити накала 22 катода 17. На корпусе 6 размещен пакет железа статора 23, выполненный, например, из магнитомягкого железа 50Н, обмотка статора 24 и ярмо статора 25. Втулка 26 предназначена для предотвращения осевого смещения электрододержателя 15 и выполнена из электроизоляционного материала, например, ПА-6-210/310; 27 - гермовывод, их число определяется электрической схемой двигателя постоянного тока. Номером 28 обозначен фланец с двумя отверстиями для крепления двигателя постоянного тока. Все внутренние части двигателя, кроме шарикоподшипников, а также рабочих поверхностей анодов и катодов, не обращенных друг к другу, покрыты электроизоляционным материалом, например лаком МЛ-92. Это необходимо для предотвращения возникновения токов утечки между токопроводящими элементами конструкции.

Номером 29 обозначена заправочная трубка, предназначенная для вакуумирования внутренней части двигателя и последующего заполнения смесью инертных газов, например, на основе аргона, гелий-неоновой смеси или других, имеющих давление 1-20 мм рт.ст., обеспечивающее существование тлеющего разряда в рабочем режиме, 30 - витки секции обмотки якоря.

Работа двигателя осуществляется следующим образом. Вначале к нитям накала 21 и 22 катодов 17 и 19 подключают напряжение накала U_н, в силу чего нитями накалов производится подогрев катодов 17 и 19, которые приобретают рабочую температуру. После этого включают постоянное напряжение питания цепи якоря U и постоянное напряжение обмоток возбуждения U_в. За счет наличия разности потенциалов U во внутренней полости двигателя постоянного тока между подвижными и неподвижными электродами возникает тлеющий несамостоятельный разряд и за счет движения ионов и электронов в газовой среде начинает протекать ток I по цепи [2], [3]: неподвижный анод 20 - подвижный катод 17. С пластиной 17d подвижного катода 17 соединена секция 30 обмотки якоря, а последняя - с пластиной 16а подвижного анода 16. В силу этого ток I протекает через витки секции обмотки 30 якоря (для примера показано два витка), через промежуток пластина 16а - неподвижный катод 19 к минусу источника анодного напряжения U. Взаимодействие тока I с магнитным полем, создаваемым обмотками возбуждения статора 24 и полюсами 23 (фиг.1, 2, 3), приводит к появлению сил Ампера [1] , создающих на плече радиуса "r" момент сил двигателя. Якорь с секцией обмотки 30 начнет вращаться против часовой стрелки. За счет поворота якоря против неподвижного анода 20 расположится следующая пластина 17е подвижного катода 17, а против неподвижного катода 19 расположится пластина 16b подвижного анода 16. К пластинам 16b и 17е подсоединены начало и конец другой секции обмотки якоря (не показана), по цепи этой секции потечет ток I такого же направления, взаимодействие которого с магнитным полем, создаваемым полюсами 23 и обмотками 24, приведет к созданию таких же сил Ампера и момента сил двигателя, что и для предыдущего случая. Тот же процесс будет происходить для следующих пластин 17f подвижного катода 17 и 16с подвижного анода 16. Тем самым будет поддерживаться вращение вала двигателя 1 с угловой скоростью ω. Исполнительный (рабочий) орган может находиться во внутренней части двигателя. В частности, таким рабочим органом может быть ротор гироскопа или генератор переменного тока. В других случаях передача вращающего момента может производиться от вала 1 к исполнительному органу через посредство бесконтактной, например магнитной, муфты. Двигатель в силу свойства обратимости электрических машин [1] может работать в режиме генератора.

Достоинствами электрической машины с бесконтактным токоподводом являются повышенные надежность и долговечность его работы. При плотности тока 5-10 А/см² и при силе тока 1,5-3 А обеспечивается длительный режим работы электродов с долговечностью порядка 5 тыс. часов [4] и более. Напряжение накала может составлять 6,3 В, анодное напряжение U порядка 10 В [2, с.305] - в силу действия закона Пашена, когда расстояния между анодами и катодами невелики (≤1мм). Этим обеспечивается умеренность требований к электрическим источникам питания. В принципе, он может быть единым для обеспечения обмоток якоря, обмоток возбуждения и нитей накала.

Источники информации 1. Бертинов А.И. и др. Специальные электрические машины. - М.: Энергоиздат, 1982. - 552 с.

2. Бекк А. Электронные лампы. Теория и конструирование. - М.: Сов. радио, 1958. - 628 с.

3. Шампе Р. Физика и техника электровакуумных приборов, т.2. - М.: Энергия, 1964. - 448 с.

4. Терещук P. M. и др. Справочник радиолюбителя. - Киев: ГИТТЛ УССР, 1960. - 840 с.

Формула изобретения

Двигатель постоянного тока, содержащий якорь в виде пакета магнитомягкого железа и обмотки, закрепленных на валу, а также шарикоподшипниковые опоры, установленные в подшипниковых щитах, при этом якорь размещен в поле закрепленного на корпусе статора в виде пакета магнитомягкого железа с обмоткой возбуждения радиального направления, отличающийся тем, что якорь и статор помещены в герметичный корпус с вакуумплотными подшипниковыми щитами, заполненный инертными газами, в состав двигателя постоянного тока введены катоды, аноды и нити накала, причем на электроизоляционной втулке, укрепленной на подшипниковом щите, размещен неподвижный катод и на ней укреплена нить накала данного катода, против него по радиусу к оси вращения на валу якоря с помощью электроизоляционного электродержателя закреплены пластинчатые аноды, образующие цилиндрическую поверхность, в количестве 2n штук, где n≥3, на этом же электрододержателе по концентрической цилиндрической поверхности меньшего радиуса укреплены 2n пластин подвижных катодов, расположенных против соответствующих пластин подвижных анодов, на электроизоляционной втулке, укрепленной на подшипниковом щите, размещены также нити накалов подвижных катодов, а также неподвижный анод, противолежащий по отношению к неподвижному катоду и обращенный рабочей поверхностью в сторону подвижных катодов от оси вращения вала, при этом к диаметрально противоположным пластинам подвижных анодов и катодов подсоединены начала и концы соответствующих секций обмотки якоря, при этом неподвижный катод соединен с отрицательным, а неподвижный анод с положительным гермовыводами, предназначенными для подключения источника питания якоря.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3