Электромагнитный двигатель

Авторы патента:

Коваленко Валерий Федорович (RU)

H02K16/02 - машины с одним статором и двумя роторами

H02K1/06 - Электрические машины (измерительные приборы G01; электродинамические реле H01H 53/00; преобразование входной энергии постоянного или переменного тока в выходную энергию требуемого вида H02M 9/00; громкоговорители, микрофоны, адаптеры и подобные электромеханические преобразователи звука H04R)

Владельцы патента RU 2572040:

Коваленко Валерий Федорович (RU)

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в качестве привода электрогенераторов, а также любых технических средств, применяемых в народном хозяйстве. Технический результат заключается в уменьшении потребляемой электроэнергии. Электромагнитный двигатель состоит как минимум из четырех электромагнитов, закрепленных на одинаковом расстоянии на статоре. Каждый электромагнит имеет минимум два сердечника, собранных из листовой электротехнической стали, с расположенными на каждом сердечнике по одной катушке как минимум с тремя обмотками провода одинаковой длины каждая. Выводы катушек электромагнита соединены между собой последовательно, а также параллельно через диоды с варистором и далее с резисторами. Электромагниты соединены группами параллельно и имеют на входе и выходе питания по одному фототиристору. Электродвигатель содержит также восемь пар якорей, закрепленных на дисках и образующих роторы. Электродвигатель содержит также излучатели света со световодами, установленные на статоре, фототиристоры, установленные в торцовых крышках статора. 5 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электромагнитным двигателям, и может использоваться в качестве привода электрогенераторов, а также любых технических средств, применяемых в народном хозяйстве.

Уровень техники

Изобретение характеризуется тем, что магнитный поток электромагнита образует замкнутую систему через два сердечника и два якоря, создавая при этом большее тяговое усилие, чем аналогичный электромагнитный двигатель RU 2470442 С2, опубл. 20.12.2012 г. В известном электромагнитном двигателе якорями служат постоянные магниты, закрепленные на роторах, а те расположены с противоположных полюсов соленоида без сердечника. Как известно, тяговое усилие соленоида без сердечника намного слабее, чем у электромагнита. При этом магнитный поток является незамкнутым, что не позволяет получать большие мощности на валу. Еще одним недостатком такого электромагнитного двигателя является непременная замена магнитов через каждые 2-3 года эксплуатации и невозможность их крепления с минимальными воздушными зазорами.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание электромагнитного двигателя, способного работать автономно от аккумуляторов, а также от сети в качестве привода электрогенераторов и любых технических средств, применяемых в народном хозяйстве, с минимальным энергопотреблением. К тому же данный электромагнитный двигатель имеет значительно меньший вес, по сравнению с электродвигателями постоянного тока такой же мощности. По сравнению с обычными электродвигателями постоянного тока, в которых магнитный поток проходит через статор, вал и якорь, значительно теряя свои магнитные свойства, данный электромагнитный двигатель имеет самые минимальные потери. Это объясняется тем, что электромагниты, как отдельные элементы электромагнитного двигателя, не связанные между собой магнитной цепью, равномерно разнесены и закреплены по окружности на статоре, и замыкают свой магнитный поток только через себя, т.е. через два сердечника и два якоря. Причем якоря закреплены параллельно против друг друга с зазорами у противоположных торцов сердечников. Такое расположение якорей позволяет удвоить крутящий момент на валу, потому что одновременно притягиваются два якоря электромагнита. Магнитный поток электромагнита проходит последовательно через каждый воздушный зазор между якорями и сердечниками, что делает тяговое усилие максимальным. При этом ток, потребляемый электромагнитным двигателем данной конструкции, в сотни раз меньше потребления тока обычными электродвигателями такой же мощности. Это связано с тем, что обычному электродвигателю требуется большой ток ввиду большой массы магнитопровода, которую необходимо намагнитить до определенного значения. В данном электромагнитном двигателе масса магнитопровода во много раз меньше, чем в обычном электродвигателе, и поэтому не требует большого энергопотребления. Для работы электромагнитного двигателя достаточно напряжения 12 вольт и тока 5 ампер, причем мощность на валу составит 500 кВт.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлен электромагнитный двигатель в продольном сечении, на фиг. 2 - электромагнитный двигатель в поперечном сечении А-А, на фиг. 3 - электромагнитный двигатель в поперечном сечении Б-Б, на фиг. 4 показан вид В, на фиг. 5 представлена электрическая схема группы электромагнитов.

Осуществление изобретения

Электромагнитный двигатель состоит из 12 электромагнитов, в каждом из которых по два сердечника (1), изготовленных из листовой электротехнической стали с отверстиями под шпильки. Сердечники стянуты при помощи шпилек (2) и гаек из немагнитной стали с конструкциями (3) крепления сердечников, сделанных также из немагнитной стали. Каждая конструкция (3) крепления сердечника закреплена на одинаковом расстоянии на статоре (4) четырьмя болтами (5): по два болта с противоположных сторон. На каждом сердечнике находится по одной катушке (6), имеющих по три обмотки медного провода одинаковой длины с наружными выводами от каждой обмотки. Выводы катушек электромагнита соединены последовательно между собой, а также параллельно через диоды (7) с варистором (8) и резисторами (9). Вал (10), с напрессованной на него втулкой (11) со шпонкой (12), из конструкционной углеродистой качественной стали, опирается на подшипники качения (13), установленные в подшипниковых узлах (14). Подшипниковые узлы закреплены на торцовых крышках (15) болтами (16). Торцовые крышки, выполненные из конструкционной углеродистой стали обыкновенного качества, имеют лапы (17) и притянуты к статору болтами (18), а также к фундаментной плите болтами (19). Восемь пар якорей (20) изготовлены из листовой электротехнической стали с отверстиями под шпильки. Якоря стянуты шпильками (21) и гайками из немагнитной стали с конструкциями (22) крепления якорей, образуя роторы. Конструкции (22) крепления якорей выполнены из немагнитной стали и приварены каждые к своему диску (23) из этой же стали. Диски (23) насажены на вал с противоположных его сторон, каждый закреплен на втулке (11) при помощи болтов (24). Якоря расположены параллельно против друг друга с воздушными зазорами у противоположных торцов сердечников. Наружные диски (25) из немагнитной стали насажены на вал с разных его концов и примыкают к наружным сторонам якорей. Наружные диски (25) сварены с конструкциями (22) крепления якорей и имеют в своей верхней части дугообразные вырезы (26), служащие для подачи через них по световодам (27) светового луча от излучателей (28) света на фототиристоры (29). Статор выполнен из конструкционной углеродистой стали обыкновенного качества и имеет ребро жесткости (30) с лапами (31). Статор установлен на фундаментной металлической плите (32) и притянут к ней болтами (33).

Электромагнитный двигатель работает следующим образом.

На катушки (6) электромагнита подается постоянный ток, который создает магнитный поток, проходящий последовательно через воздушные зазоры электромагнита. При этом создается тяговое усилие электромагнитов, которое притягивает якоря, расположенные у противоположных торцов сердечников. Якоря стремятся занять положение, симметричное площади сердечников, создавая максимальное тяговое усилие электромагнитов. При этом происходит вращение вала с закрепленными на нем конструкциями крепления якорей вместе с якорями. Питание на катушки поступает через фототиристоры (29), расположенные перед катушками определенных групп электромагнитов, и после них. Включение и выключение определенных пар фототиристоров производится одновременно. Каждая пара фототиристоров включает и выключает по четыре электромагнита, расположенных на статоре под углом 90 градусов по отношению друг к другу. В работе электромагнитного двигателя участвуют три пары фототиристоров, которые работают только со своей группой электромагнитов. Фототиристоры, при попадании на них светового луча, открываются и пропускают через себя ток на катушки электромагнитов. Во время вращения вала вместе с наружными дисками происходит поочередное прохождение дугообразных вырезов (26) вдоль установленных в торцовой крышке фототиристоров, на которые попадает световой луч от излучателей (28) света. После прохождения дугообразного выреза дальше за фототиристор, он закроется, т.к. световой луч перекроется сегментом без выреза, и подача питания на электромагниты прекратится. Дугообразные вырезы на диске выполнены таким образом, чтобы обеспечить очередность включения в работу определенных групп электромагнитов для поддержания равномерного вращения вала. Катушки (6) электромагнитов своими выводами соединены последовательно, а также через диоды (7), варистор (8) и резисторы (9) параллельно. Это сделано для того, чтобы при подаче питания на катушки ток в них был одинаковым, а при отключении питания, ток от возникающей ЭДС самоиндукции уходил только со своей обмотки через диоды на варистор и резисторы. Данная электрическая схема позволяет в шесть раз быстрее отводить ток с обмоток катушек от возникшей ЭДС самоиндукции. Это значительно сокращает силу и время притяжения якорей электромагнитами от остаточного магнитного потока при отключении катушек. Варистор (8), выполняющий функцию шунтирующего прибора, при рабочем напряжении на катушках электромагнитов пропускает через себя незначительный ток 0,1-0,3 миллиампер. При выключении катушек, возникающая ЭДС самоиндукции создает скачок повышенного напряжения, при котором варистор открывается, а образовавшийся ток уходит через него на резисторы, где уменьшается до необходимого уровня. При совмещении плоскостей якорей и сердечников определенной группы электромагнитов, происходит их выключение, и в этот же момент включается другая группа электромагнитов, что позволяет сохранить скорость вращения на нужном уровне. Запуск электромагнитного двигателя производится через реостат на минимальных оборотах, с дальнейшим выводом оборотов на нужный режим. Питание данного электромагнитного двигателя может производиться как от сети, через выпрямитель тока, так и от аккумуляторов. Для работы данного электромагнитного двигателя достаточно напряжения 12 вольт и тока 5 ампер, причем мощность на валу составит 500 кВт. Для подтверждения данного вывода проводится расчет мощности электромагнитного двигателя, основанного на расчете электромагнита постоянного тока. За основу была взята формула Максвелла:

F_э=В²S/2µ₀,

где F_э - тяговое усилие электромагнита в ньютонах (Н);

B - магнитная индукция в веберах (Вб);

S - площадь поверхности сердечника электромагнита в м²;

µ₀ - магнитная проницаемость воздуха, равная 4π·10^-7 генри/метр (Гн/м).

Источник информации: Учебник «Электромагниты со встроенными выпрямителями». автор Сливинская А.Г., Гордон А.В., год издания 1970.

Тяговое усилие электромагнита с двумя воздушными зазорами примет вид:

F_δ=B_δ ²·S_δ/µ₀,

где F_δ - тяговое усилие электромагнита в воздушном зазоре в Н;

В_δ - магнитная индукция в воздушном зазоре в Вб;

S_δ - площадь поверхности воздушного зазора сердечника в м²;

µ₀ - магнитная проницаемость воздуха в Гн/м.

Источник информации: Учебное пособие «Электротехника и электроника. Электрические и магнитные цепи». Авторы Ахмадеев Р.В., Вавилова И.В. toe.ugatu.ac.ru>content/umk_stat/FullTexts/OE/Pos… (стр. 96) Яндекс Электротехника и электроника.

Расчетная магнитная индукция в воздушном зазоре равна 0,85 Вб/м², тогда

F_δ=0,85²·0,0028/4π·10^-7=1611 Н.

Площадь сечения сердечника равна 0,0028 м².

Имея в виду, что притяжение двух якорей электромагнита происходит одновременно, умножим полученное значение на два: 1611·2=3222 Н.

Учитывая, что в электромагнитном двигателе одновременно включаются четыре электромагнита, находим общее тяговое усилие электромагнитного двигателя: 3222·4=12888 Н.

Тяговое усилие электромагнита рассчитывается по максимальному значению в момент симметричного совмещения плоскостей якорей и сердечников. Определим крутящий момент электромагнитного двигателя, умножив общее тяговое усилие электромагнитов на радиус до средней части якорей, равный 0,247 м. Получим: 12888·0,247=3183 ньютонометров (Н·м).

Найдем мощность электромагнитного двигателя на валу по формуле:

M=9554·P/n, откуда P=M·n/9554,

где P - мощность электромагнитного двигателя в киловаттах (кВт);

M - крутящий момент в ньютонометрах (Н·м);

n - частота вращения об/мин (предлагаемая частота вращения);

P=3183·1500/9554=500 кВт.

Источник информации: ElectricaSchool.info> Зная его каталожные данные Яндекс (Что можно узнать о электродвигателе, зная его каталожные данные) Ток в катушках электромагнита составляет 1,27 А, и учитывая, что в работу одновременно включаются четыре электромагнита, общий потребляемый ток равен 1,27·4=5,08 А. Напряжение от источника питания подается на электромагниты параллельно, поэтому оно на всех электромагнитах будет одинаковое и составит 12 вольт. Отсюда найдем мощность, потребляемую электромагнитным двигателем, по формуле:

Р=U·I,

где U - напряжение источника питания;

I - общий ток в электромагнитах;

P=12·5,08=61 ватт.

Электромагнитный двигатель, состоящий как минимум из четырех электромагнитов, закрепленных на одинаковом расстоянии на статоре при помощи выполненных из немагнитной стали конструкций крепления сердечников, причем каждый электромагнит имеет минимум два сердечника, собранных из листовой электротехнической стали с отверстиями для шпилек, а сами сердечники стянуты с конструкциями крепления сердечников при помощи шпилек с гайками из немагнитной стали, с расположенными на каждом сердечнике по одной катушке как минимум с тремя обмотками провода одинаковой длины каждая, причем выводы катушек электромагнита соединены между собой последовательно, а также параллельно через диоды с варистором и далее с резисторами, причем сами электромагниты соединены группами параллельно и имеют на входе и выходе питания по одному фототиристору, восьми пар якорей, собранных из листовой электротехнической стали с отверстиями для шпилек, причем якоря закреплены при помощи выполненных из немагнитной стали конструкций крепления якорей, образуя роторы равномерно и параллельно друг против друга с зазорами у противоположных торцов сердечников, причем якоря стянуты шпильками с гайками из немагнитной стали с конструкциями крепления якорей, а сами конструкции крепления якорей приварены каждые к своему диску, причем сами диски закреплены болтами на разных концах втулки, которая напрессована со шпонкой на вал, опирающийся своими концами на подшипники качения, расположенные в корпусах подшипниковых узлов, причем подшипниковые узлы закреплены болтами на торцовых крышках статора, а сами торцовые крышки скреплены со статором болтами, фундаментной металлической плиты с закрепленным на ней болтами статором, который имеет ребро жесткости с лапами, излучателей света со световодами, установленных на статоре, фототиристоров, установленных в торцовых крышках статора, двух наружных дисков, насаженных на вал с разных его концов, причем диски сварены с элементами крепления якорей и имеют вырезы дугообразной формы в своей верхней части.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к низкооборотным электрическим генераторам. Технический результат - возможность выработки трехфазного электрического тока.

Магнитоэлектрический генератор // 2560529

Изобретение относится к области электротехники, а именно к низкооборотным электрическим генераторам, и может быть использовано, в частности, в ветроэнергетических установках.

Тихоходный электрический генератор на постоянных магнитах // 2559028

Изобретение относится к области электротехники, в частности к низкооборотным высокомоментным синхронным двигателям и генераторам с неподвижным якорем и вращающимися магнитами, и может быть использовано в качестве ветрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов и в автономных энергоустановках. Тихоходный электрический генератор на постоянных магнитах содержит ротор в виде двух плоских дисков, статор размещен между дисками ротора и выполнен в виде кольца, соединенного с неподвижным валом спицами, якорную обмотку, намотанную на кольцо - тороид, магниты с чередующимися полюсами, установленными на боковых частях ротора в пазах в количестве от 80 до 250 на каждом диске.

Генератор переменного электрического тока с распределенными обмотками // 2558709

Изобретение относится к области электроэнергетики. Технический результат - уменьшение потерь от высокочастотных составляющих спектра полезной мощности, увеличение кпд преобразования механической энергии в электрическую, повышение удельных характеристик системы преобразования, улучшение технологичности устройства и повышение его надежности.

Машина на постоянных магнитах со скольжением // 2553655

Изобретение относится к системе преобразования механической энергии в электрическую, которая, в частности, подходит для использования в системах преобразования ветровой энергии.

Статор // 2537791

Изобретение относится к электротехнике, ветроэнергетике, а именно к ветроэлектрогенераторам с вертикальной осью вращения. Технический результат состоит в повышении эффективности, которая обусловлена тем, что используются не только радиальные, но и торцевые зазоры.

Электромагнитный редуктор // 2529422

Изобретение относится к области электротехники и общего машиностроения, касается выполнения электромагнитных механизмов, в частности бесконтактных электромагнитных редукторов, и может быть использовано в качестве передаточного устройства с регулируемым передаточным отношением в механических системах с большим ресурсом работы в условиях отсутствия смазки.

Электромагнитный редуктор // 2526540

Изобретение относится к общему машиностроению, к электротехнике, к электромагнитным механизмам, а конкретно к бесконтактным электромагнитным редукторам, и может быть использовано в качестве передаточного устройства с регулируемым передаточным отношением в механических системах с большим ресурсом работы в условиях отсутствия смазки.

Двухроторный электродвигатель с переменными оборотами и крутящим моментом // 2518072

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и других механизмов, в которых необходимо изменение крутящего момента и оборотов ведомого вала электродвигателя.

Магнитоэлектрический генератор // 2506688

Изобретение относится к области электротехники, а именно к низкооборотным электрическим генераторам, и может быть использовано в ветроэнергетических установках.

Вентильно-индукторная электрическая машина // 2571955

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в приводных и генераторных установках. Техническим результатом является повышение эффективности электромеханического преобразования энергии в вентильно-индукторной электрической машине за счет снижения магнитных потерь в магнитопроводе.

Ротор с постоянными магнитами // 2571951

Изобретение относится к электротехнике, в частности к роторам электрических машин, содержащим постоянные магниты. Технический результат - повышение КПД электрической машины.

Торпедный дисковый вентильный электродвигатель // 2571139

Изобретение относится к области боеприпасов. Торпедный дисковый вентильный электродвигатель содержит последовательно сочлененные дисковые вентильные электрические двигательные модули, выполненные в виде неподвижного статора с закрепленными по окружности П-образными сердечниками и роторов с магнитными вставками.

Магнитопровод статора электромеханических преобразователей энергии с интенсивным охлаждением (варианты) и способ его изготовления // 2570834

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электромеханических преобразователях энергии автономных объектов. Технический результат состоит в повышении надежности, энергоэффективности и минимизация тепловыделений, повышении кпд Диэлектрический остов статора выполнен в виде рубашки охлаждения с аксиальными трубками.

Генератор индукторный // 2569502

Изобретение относится к индукторным сегментным генераторам, а более конкретно к генераторам, содержащим радиальные спицеобразные роторные элементы, т.е. таким, в качестве роторных элементов которого выступает спицованное колесо, например генератором велосипедов, мотоциклов, автомобилей и т.д.

Ротор ветроэлектрогенератора с вертикальной осью // 2569501

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к ветроэлектрогенераторам сегментного типа. Технический результат заключается в повышении технологичности изготовления ротора.

Ротор генератора индукторного // 2569380

Высокопроизводительная мельница // 2568432

Изобретение относится к приводному устройству для высокопроизводительной мельницы. Технический результат заключается в создании электродвигателя для привода мельницы, который может быть легко адаптирован к требованиям по различной выходной мощности.

Ротор для электрической машины с модуляцией полюсов // 2568300

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам с модуляцией полюсов и внутренним ротором. Ротор содержит множество постоянных магнитов, расположенных по окружности вокруг продольной оси; множество аксиальных элементов, направляющих поток, каждый из которых выполнен с возможностью обеспечения, по меньшей мере, двумерного пути для магнитного потока; опорную конструкцию, содержащую внутренний трубчатый опорный элемент, расположенный внутри в радиальном направлении относительно множества постоянных магнитов; и, по меньшей мере, один наружный элемент, направляющий поток, выполненный с возможностью обеспечения пути, по меньшей мере, в радиальном направлении для магнитного потока, сгенерированного одним или более из множества постоянных магнитов.

Однофазный низкооборотный генератор тока // 2566659

Изобретение относится к области электротехники, а именно к генераторам с постоянными магнитами. Однофазный низкооборотный генератор тока содержит ротор с многополюсной системой постоянных магнитов, статор с обмотками, выводы которых подключены к соответствующим им выпрямительным блокам, статор выполнен односекционным, количество полюсов ротора отличается на один от количества обмоток статора, магнитопровод статора выполнен зубцовым, обмотки статора размещены на зубцах магнитопровода и разделены на две половины, причем обмотки статора в каждой половине соединены последовательно с изменением полярности на противоположную каждой последующей относительно полярности предыдущей, а полярность включения последней обмотки статора первой половины с первой обмоткой статора второй половины при их соединении выбирают из условия изменения полярности всех катушек второй половины, включенных с чередованием направления поля, на противоположную, при этом свободный конец соответствующей первой обмотки первой половины и свободный конец соответствующей последней обмотки второй половины являются выводами однофазной цепи генератора.

Ротор электромашины // 2574606

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат - повышение надёжности ротора. Ротор электромашины содержит полый вал из немагнитного материала и надетый на него магнитный индуктор цилиндрической формы, содержащий постоянные магниты, полюса из материала с высокой магнитной проницаемостью и немагнитные металлические клинья. Индуктор содержит также планки, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполненные из постоянных магнитов, с образованием составной магнитной втулки. Планки намагничены так, что между радиально намагниченными магнитами размещены тангенциально намагниченные, с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха. Полюса и клинья выполнены в виде желобообразных планок, контактирующих друг с другом продольными кромками. Радиально намагниченные магниты уперты в обращенные к ним внутренние поверхности полюсов, а тангенциально намагниченные магниты уперты в обращенные к ним внутренние поверхности клиньев. Торцевые поверхности вала и индуктора скреплены с днищами цилиндрических торцевых стаканов из немагнитного материала. Днище одного из стаканов жестко скреплено с приводным валом, соосным с продольной осью полого вала. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.