магнитоэлектрический двигатель (варианты)

Формула изобретения

1. Магнитоэлектрический двигатель, содержащий корпус с установленными в нем ротором с постоянными магнитами с одноименными полюсами и статором, содержащем постоянные магниты с полюсами, одноименными полюсам постоянных магнитов ротора, электромагниты с сердечниками, обмотками управления и систему их коммутации, отличающийся тем, что ротор выполнен дисковым, количество которых, по меньшей мере, один, при этом каждый диск имеет два симметричных плеча с одноименными постоянными магнитами с равными радиусами вращения в плечах отдельно взятого диска, с возможностью смещения их по радиусу в пределах допусков по условиям балансировки вращающих моментов, при этом полюса электромагнита и постоянных магнитов статора первого диска установлены соосно и симметрично с полюсами ротора, с обеспечением равенства и одновременности перекрываемых площадей постоянных магнитов в каждом из плеч ротора при его вращении, полюса магнитов в плечах второго диска соосны и параллельны с полюсами постоянных магнитов в плечах первого диска, а оси полюсов постоянных магнитов и электромагнита в плечах статора второго диска установлены перпендикулярно осям постоянных магнитов и электромагнита в плечах статора первого диска с углом смещения относительно осей полюсов постоянных магнитов и электромагнита в плечах статора первого диска, равным половине полюсного деления, с обеспечением равенства и одновременности перекрываемых площадей постоянных магнитов ротора при его вращении в полюсах плеч статора.

2. Магнитоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что магниты ротора и статора имеют симметричную форму, преимущественно цилиндрическую, и изготовлены из высокоэнергетичных (редкоземельных) материалов.

3. Магнитоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что сердечники электромагнитов статора выполнены из магнитомягкого ферромагнитного материала.

4. Магнитоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждый электромагнит статора имеет не менее одной обмотки управления.

5. Магнитоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что система управления, преимущественно, коллекторного типа.

6. Магнитоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что на валу ротора установлен инерционный маховик.

7. Магнитоэлектрический двигатель по. п.1, отличающийся тем, что зазор между полюсами ротора и статора соответствует зазору между полюсами ротора и статора известных электродвигателей.

8. Магнитоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что диски выполнены из немагнитных материалов, толщина которых в рабочей зоне полюсов равна высоте постоянных магнитов.

9. Магнитоэлектрический двигатель, содержащий корпус с установленными в нем ротором с постоянными магнитами с одноименными полюсами и статором, содержащим постоянные магниты с полюсами одноименными полюсам постоянных магнитов ротора, электромагниты с сердечниками с обмотками управления, дополнительные электромагниты и систему их коммутации, отличающийся тем, что ротор выполнен дисковым, количество которых, по меньшей мере, равно одному, при этом каждый диск имеет два симметричных плеча с одноименными постоянными магнитами с равными радиусами вращения в плечах отдельно взятого диска, установленных с возможностью смещения их по радиусу в пределах допусков по условиям балансировки вращающих моментов, при этом электромагниты и постоянные магниты статора обоих дисков установлены соосно и симметрично с полюсами ротора с обеспечением равенства и одновременности перекрываемых площадей постоянных магнитов в каждом из уравновешенных плеч при вращении ротора, в статоре первого диска перпендикулярно осям плеч статора из постоянных магнитов и электромагнита установлен дополнительный электромагнит с сердечниками и обмотками управления под углом, равным половине полюсного деления; оси плеч постоянных магнитов ротора первого диска и оси постоянных магнитов ротора второго диска взаимоперпендикулярны, дополнительный электромагнит первого диска установлен с обеспечением соосности его полюсов с осью плеча из постоянных магнитов статора второго диска и осям постоянных магнитов ротора с фиксацией их соосности при отсутствии тока в обмотках управления электромагнитов, дополнительный электромагнит второго диска установлен с обеспечением соосности его полюсов с осями постоянных магнитов ротора второго диска и смещен в сторону вращения относительно оси плеч электромагнита и постоянного магнита статора первого диска на угол, равный четверти полюсного деления.

10. Магнитоэлектрический двигатель по п.9, отличающийся тем, что сумма углов смещений осей полюсов дополнительных электромагнитов относительно оси плеч постоянных магнитов и электромагнита статора первого диска составляет 135°.

11. Магнитоэлектрический двигатель по п.9, отличающийся тем, что магниты ротора имеют симметричную форму, преимущественно цилиндрическую, и изготовлены из высокоэнергетичных (редкоземельных) материалов.

12. Магнитоэлектрический двигатель по п.9, отличающийся тем, что сердечники электромагнитов статора выполнены из магнитомягкого ферромагнитного материала.

13. Магнитоэлектрический двигатель по п.9, отличающийся тем, что каждый электромагнит статора имеет не менее одной обмотки управления.

14. Магнитоэлектрический двигатель по п.9, отличающийся тем, что система управления коллекторного типа.

15. Магнитоэлектрический двигатель по п.9, отличающийся тем, что на валу ротора установлен инерционный маховик.

16. Магнитоэлектрический двигатель по п.9, отличающийся тем, что зазор между полюсами ротора и статора соответствует зазору между полюсами ротора и статора известных электродвигателей.

17. Магнитоэлектрический двигатель по п.9, отличающийся тем, что диски выполнены из немагнитных материалов, толщина которых в рабочей зоне полюсов равна высоте постоянных магнитов.

18. Магнитоэлектрический двигатель, содержащий корпус с установленными в нем ротором с постоянными магнитами с одноименными полюсами с углом полюсного деления между их осями, равным 120°, и статором с постоянными магнитами с полюсами, одноименными полюсам постоянных магнитов ротора, электромагниты с обмотками управления, дополнительные электромагниты с углом полюсного деления 60° и систему их коммутации, отличающийся тем, что ротор выполнен дисковым, количество дисков, по меньшей мере, равно одному, трехплечевым с уравновешиванием только двух плеч каждого диска, постоянные магниты ротора второго диска установлены со смещением 60° к осям плеч постоянных магнитов первого диска, при этом радиусы вращения постоянных магнитов в каждом из дисков равны, а полюса плеч статора в каждом из дисков установлены с условием обеспечения соосности полюсам ротора, равенства и одновременности перекрываемых площадей постоянных магнитов в каждой паре сбалансированных плеч ротора при его вращении, а полюса дополнительного электромагнита первого диска установлены соосно с плечом постоянных магнитов ротора второго диска и полюсами (плечом) дополнительного электромагнита второго диска с обеспечением и фиксацией осей постоянных магнитов ротора в середине межполюсного деления полюсов основных электромагнитов обоих дисков статора при отсутствии тока в их обмотках управления, при этом дополнительный электромагнит первого диска смещен по фазе на половину полюсного деления в сторону вращения от оси плеча постоянными магнитами статора первого диска с обеспечением и фиксацией осей постоянных магнитов ротора в соосном положении с осями полюсов всех основных электромагнитов статора, сбалансированных при бестоковом режиме.

19. Магнитоэлектрический двигатель по п.18, отличающийся тем, что магниты ротора имеют симметричную форму, преимущественно цилиндрическую, и изготовлены из высокоэнергетичных (редкоземельных) материалов.

20. Магнитоэлектрический двигатель по п.18, отличающийся тем, что сердечники электромагнитов статора выполнены из магнитомягкого ферромагнитного материала.

21. Магнитоэлектрический двигатель по п.18, отличающийся тем, что каждый электромагнит статора имеет не менее одной обмотки управления.

22. Магнитоэлектрический двигатель по п.18, отличающийся тем, что система управления коллекторного типа.

23. Магнитоэлектрический двигатель по п.18, отличающийся тем, что на валу ротора установлен инерционный маховик.

24. Магнитоэлектрический двигатель по п.18, отличающийся тем, что зазор между полюсами ротора и статора соответствует зазору между полюсами ротора и статора известных электродвигателей.

25. Магнитоэлектрический двигатель по п.18, отличающийся тем, что диски выполнены из немагнитных материалов, толщина которых в рабочей зоне полюсов равна высоте постоянных магнитов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, в частности к магнитоэлектрическим двигателям.

Известны электродвигатели и генераторы с постоянными магнитами в роторе и статоре торцевого исполнения как однодисковые (патент РФ №2236743), так и многодисковые (патент РФ №2256995).

Известен магнитогравитационный двигатель, содержащий корпус, в центральной части которого размещен неподвижный постоянный магнит цилиндрической формы с разноименными полюсами, по периметру которого с переменной величиной воздушного зазора размещен ротор с постоянными магнитами с одноименными полюсами с полюсным делением между ними равным 90°, при этом постоянные магниты ротора жестко соединены с помощью штока с шариками-грузами с возможностью их радиального перемещения в зависимости от значений зазоров (Дудышев В.Д. «Коммерциализация эффекта Серла в энергетике и в области новых двигательных установок», обзор, «Новая Энергетика», 2/2004).

Работоспособность данного двигателя обеспечивается только за счет разницы весов подвижных шариков-грузов в левой и правой частях его ротора и зависит от величины зазоров в зонах притяжения и отталкивания постоянных магнитов.

Недостатком данного двигателя является малая мощность, обусловленная большими зазорами между полюсами ротора и статора в зоне отталкивания полюсов, а его работа возможна только при разнице в зазорах между одноименными и разноименными полюсами порядка 20-50 мм, но при зазоре более 1 мм теряется более 50% энергии постоянных магнитов. При таких условиях полезная мощность на валу стремится к нулю, а инерционная масса ротора с рычагами, снабженными грузами и роликами, также ограничена мощностью постоянных магнитов. Кроме того, из-за развития инерционных сил, вызванных шаровыми грузами, частота вращения ротора также ограничена.

Известен электродвигатель, состоящий из статора с П-образными магнитопроводами с сердечниками из магнитомягких материалов, вала с однодисковым ротором из постоянных магнитов с разноименными или одноименными полюсами, закрепленного с корпусом через подшипники вращения (Патент РФ №2236743, МПК 7 Н02К 21/18; Н02К 16/00, публ. 2004.09.20), в котором из-за характерного ограниченного значения полюсного деления между полюсами постоянных магнитов, зависящего от величины требуемых моментов вращения и колеблющегося в пределах 5-10°, вращение ротора без потребления внешней энергии исключено и не учитывается из-за невозможности отключений обмотки управления электромагнитов при таких значениях полюсного деления между полюсами, а также по причине отсутствия постоянных магнитов в полюсах статора, одновременное наличие которых в роторных и статорных магнитных цепях является основным условием работоспособности всех известных магнитных двигателей, работающих без внешней энергии.

Наиболее близким техническим решением является электродвигатель постоянного тока, состоящий из корпуса со статором, не менее чем из двух П- или U-образных электромагнитов с сердечниками и обмотками управления, не менее одного из которых размещены в межполюсном промежутке ротора (дополнительные электромагниты), одного постоянного магнита П или U-образной формы, причем полюса основного электромагнита и постоянного магнита размещены радиально и соосно с полюсами ротора с соотношением ширины полюса к межполюсному промежутку статора не более 1:1; ротора с валом и трех одноименных с постоянными магнитами статора П-образных постоянных магнитов, радиально размещенных по периметру вала с углом межполюсного деления, равным 120° (заявка №4730154 от 09.08.1989, МПК Н02К 29/00).

Недостатком данного двигателя является его малая мощность и низкий кпд по причине применения постоянных магнитов П- и U-образной формы из низкоэнергетичных материалов, что является причиной их высокой материалоемкости и большого веса, значительные потери на преодоление сопротивления воздуха при вращении ротора, а применение двух постоянных магнитов в выравниваемом по моментам плече ротора на один электромагнит статора обусловливает необходимость применения повышенных зазоров в плечах с постоянными магнитами и соответственно повышенные потери индукции и энергии постоянных магнитов и, кроме того, вызывает появление тормозных моментов при включении обмоток управления дополнительных электромагнитов.

Экспериментально установлено, что основными условиями уравновешивания вращающих моментов в плечах ротора без потребления внешней энергии (I=0) является соблюдение соосности, одновременности и симметричности вводимых в зазоры полюсов каждого из плеч, равенство площадей одновременно перекрываемых полюсов (т.е. объемов постоянных магнитов) при вращении ротора и достигаемые таким образом равенство и взаимоуничтожение разнонаправленных моментов вращения.

Установлена также квадратичная зависимость усилий и статических напряжений в полюсах, т.е. давления магнитного поля, от магнитной индукции в зазорах полюсов и возможность влияния разной степени намагниченности отдельных магнитов в роторе (разброс по величине магнитной индукции на ±3-5%) на балансировку плеч при уравновешивании сил и моментов.

Техническая задача предлагаемого решения заключается в повышении коэффициента полезного действия и мощности двигателя, снижении его материалоемкости и стоимости.

Технический результат заключается в эффективном использовании энергии постоянных магнитов.

Для решения поставленной задачи в известном электрическом двигателе, содержащем корпус с установленными в нем ротором с постоянными магнитами с одноименными полюсами и статором, содержащим постоянные магниты с полюсами, одноименными полюсам постоянных магнитов ротора, электромагниты с сердечниками, обмотками управления и систему их коммутации, согласно изобретению, ротор выполнен дисковым, количество которых, по меньшей мере один, при этом каждый диск имеет два симметричных плеча с одноименными постоянными магнитами с углом полюсного деления между полюсами =180° с равными радиусами вращения в плечах отдельно взятого диска, с возможностью смещения их по радиусу в пределах допусков по условиям балансировки вращающих моментов, при этом полюса электромагнита и постоянных магнитов статора первого диска установлены соосно и симметрично с полюсами ротора с обеспечением равенства и одновременности перекрываемых площадей постоянных магнитов в каждом из плеч ротора при его вращении, полюса магнитов в плечах второго диска соосны и параллельны с полюсами постоянных магнитов в плечах первого диска, а оси полюсов постоянных магнитов и электромагнита в плечах статора второго диска установлены перпендикулярно осям полюсов постоянных магнитов и электромагнита в плечах статора первого диска с углом смещения относительно осей постоянных магнитов и электромагнита в плечах статора первого диска, равным половине полюсного деления, с обеспечением равенства и одновременности перекрываемых площадей постоянных магнитов ротора при его вращении в полюсах плеч статора.

Кроме того:

- магниты ротора имеют симметричную форму, преимущественно цилиндрическую, и изготовлены из высокоэнергетичных (редкоземельных) материалов;

- сердечники электромагнитов статора выполнены из магнитомягкого ферромагнитного материала;

- каждый электромагнит статора имеет не менее одной обмотки управления;

- система управления преимущественно коллекторного типа;

- на валу ротора установлен инерционный маховик;

- зазор между полюсами ротора и статора соответствует зазору между полюсами ротора и статора известных электродвигателей;

- диски выполнены из немагнитных материалов, толщина которых в рабочей зоне полюсов равна высоте постоянных магнитов.

Выполнение ротора дисковым с толщиной диска в рабочей зоне полюсов, равной толщине постоянных магнитов, позволяет снизить материалоемкость в несколько раз по сравнению с аналогом за счет уменьшения длины магнитных цепей и соответственно потерь магнитной энергии, снижения сопротивления воздуха при вращении, в результате чего повышается также коэффициент полезного действия двигателя.

Кроме того, при плоском диске появляется возможность увеличения количества дисков на валу двигателя и соответственно количества уравновешенных плеч, что обеспечивает значительное увеличение мощности, а в совокупности увеличение удельной мощности на единицу массы двигателя.

Снабжение каждого диска одной парой двуплечих постоянных магнитов с возможностью смещения их по радиусу ротора в пределах допусков по условиям балансировки вращающихся моментов позволяет улучшить качество балансировки плеч и снизить до минимума зависимость балансировки от влияния разной степени намагниченности магнитов, особенно высокоэнергетичных, увеличить величину угла поворота ротора без потребления внешней энергии до максимального значения - 90° в каждой паре таких плеч из постоянных магнитов.

Установка электромагнитов и постоянных магнитов статора соосно и симметрично полюсам постоянных магнитов двуплечего ротора с обеспечением равенства и одновременности перекрываемых площадей постоянных магнитов в плечах дисков ротора при его вращении позволяет обеспечить взаимоуничтожение вращающих моментов в плечах дисков с их преобразованием в статические моменты кручения его вала (его потенциальную энергию), устранить влияние магнитных сил на плечи каждого из дисков ротора при их входе (выходе) в межполюсные зазоры статора, что в дальнейшем обеспечивает суммирование и взаимоуничтожение разнонаправленных вращающих моментов в плечах каждого из дисков при бестоковом режиме работы обмоток (I=0), т.е. без потребления внешней энергии и без применения систем переключений полярности полюсов, применяемых в магнитных двигателях, и ее суммирование и удвоение при последовательной подаче тока в обмотку(и) управления каждого из плеч дисков.

Смещение угла установки оси плеча статора постоянных магнитов и электромагнита с обмотками управления у второго диска, равное половине полюсного деления, позволяет сократить межполюсное деление в целом по ротору в два раза, а за счет разделения плоскостей вращения постоянных магнитов по разным дискам избежать ненужных пересечений с другими постоянными магнитами разной степени намагниченности, чем достигается снижение пульсаций вращающих моментов и увеличение момента вращения (аналогичное однодисковым электродвигателям с удвоенным количеством полюсов ротора, т.е. =90° ( - угол полюсного деления).

Цилиндрическая форма магнитов ротора обеспечивает качественную балансировку за счет совпадения центров тяжести и центров симметрии во всех направлениях.

Выполнение сердечников электромагнита статора из магнитомягкого ферромагнитного материала обеспечивает уравновешивание и последовательную разбалансировку уравновешенных плеч и использование сил отталкивания постоянных магнитов статора без потребления внешней энергии (самотяга) в рабочем режиме электромагнитов.

(Под самотягой подразумевается движение постоянных магнитов ротора к сердечникам неподвижных электромагнитов статора под действием сил притяжения без потребления внешней энергии, т.е. при I=0 в обмотках их управления, или от сил отталкивания полюсов постоянных магнитов статора при подаче тока в обмотку управления, сбалансированного с электромагнитом плеча статора с удвоением момента вращения при численном равенстве сил в каждом из плеч (разбалансировка плеч при I>0).

Условием снабжения электромагнитов статора не менее чем одной обмоткой управления предусматривается возможность выноса обмоток управления электромагнитов из зоны вращения постоянных магнитов ротора, чем достигается сокращение его диаметра и в целом габаритов магнитоэлектрического двигателя, вызываемое габаритами обмоток управления электромагнитов в зоне крепления дисков с валом ротора.

Выбор системы управления, преимущественно коллекторного типа, обусловлен простотой ее конструкции.

Установка на валу ротора инерционного маховика позволяет повысить момент инерции ротора, снизить пульсацию крутящего момента в период работы двигателя, т.е. повысить равномерность вращения.

Выбор зазора между полюсами ротора и статора соответствующим зазору между полюсами ротора и статора известных электродвигателей позволяет устранить необходимость переменных зазоров, обусловливающую работоспособность известных магнитных двигателей, и тем самым обеспечить более высокую степень использования энергии постоянных магнитов, что достигается общим сокращением длины магнитных цепей и потерь магнитной индукции, устранением излишних постоянных магнитов статора по расчету, применением магнитных цепей с одним постоянным магнитом и применением постоянных значений рабочих зазоров в полюсах статора, соизмеримых с зазорами электродвигателей.

Выполнение дисков из немагнитных (редкоземельных) материалов позволяет выполнить диски плоскими с минимальной их толщиной в рабочей зоне, равной высоте постоянных магнитов, что обеспечивает повышение удельной мощности на единицу массы двигателя, равенство долей объемов на перекрываемых участках полюсов и соответственно энергии магнитов, кроме того, за счет снижения сопротивления воздуха при вращении повышается кпд двигателя.

Предлагаемый магнитоэлектрический двигатель изображен на фиг.1-3,

где фиг.1 - схема расположения основных элементов двигателя с двухдисковым ротором из двух плеч постоянных магнитов в диске;

фиг.2 - поперечный разрез магнитоэлектрического двигателя (основные элементы);

фиг.3 - принципиальная схема магнитоэлектрического двигателя (показана возможность достижения максимального значения самотяги постоянных магнитов в режиме сил отталкивания с одновременным увеличением мощности).

Магнитоэлектрический двигатель содержит двуплечий ротор с валом и подшипниками, включающий диск 1 (количество которых 1 или более, причем первый диск расположен со стороны маховика, второй - со стороны коллектора), изготовленный из немагнитных материалов с постоянными магнитами 2, закрепленными на валу 3, статор, состоящий из опорного кольца 4, выполненного из немагнитных материалов, установленного соосно с валом 3 ротора, на котором с каждой стороны кольца для каждого из дисков ротора соответственно жестко закреплены магнитопроводы 5 с постоянными магнитами 6, количество которых, по меньшей мере один, закрепленными соосно с постоянными магнитами 2 ротора, магнитопроводы 7 электромагнитов с сердечниками 8 из магнитомягких ферромагнитных материалов, на которых закреплены обмотки управления 9. Опорное кольцо 4 сцентрировано с валом 3 ротора и корпусом 10, состоящим из двух половинок. Вал 3 ротора снабжен с торцевой части инерционным маховиком 11. Коммутационное устройство включает коллектор и щетки 12 и закреплено на валу 3 ротора.

Работает данный магнитоэлектрический двигатель следующим образом.

Главным принципом работы предлагаемого магнитоэлектрического двигателя является использование самотяги в режиме сил отталкивания (в режиме сжатого магнитного поля).

Работа магнитоэлектрического двигателя обеспечивается последовательной разбалансировкой уравновешенных статических моментов и их преобразованием в моменты вращения при подаче тока в обмотки управления электромагнита статора в каждом из плеч дисков и чередованием включения обмоток управления, для чего в момент соосности полюсов постоянного магнита ротора и сердечника электромагнита статора на коллектор и щетки 12 в обмотки управления 9 электромагнита у первого диска (размещенного со стороны маховика) подается электрический ток, обеспечивающий однополярность полюсов, в результате чего сердечники 8 электромагнита намагничиваются одноименно с полюсами ротора, появляются силы отталкивания и вращающие моменты за счет совмещения направлений векторов полей и сил, в результате чего происходит суммирование электромагнитной энергии в плече с электромагнитом и освобожденной магнитной энергией сжатого поля в зоне полюсов дисков ротора с постоянными магнитами, т.е появляется удвоение моментов вращения. С удвоенными моментами вращения, обусловленными равенством сил в плечах с постоянными магнитами и электромагнитами, ротор выталкивается из межполюсных промежутков статора с удвоенной мощностью обоих плеч ротора, причем в плече с постоянным магнитом статора появление сил отталкивания не связано с потреблением внешней энергии. Под действием сил отталкивания ротор, не встречая сопротивления сил торможения от постоянных магнитов статора из-за одновременности и равенства перекрываемых площадей полюсов плеч статора и уравновешивания моментов плеч постоянных магнитов ротора при I=0 во втором диске, в котором в этот период обмотки отключены, поворачивается на угол = /2=90°, равный половине полюсного деления. При этом постоянные магниты второго диска ротора войдут в межполюсные зазоры полюсов его статора и к моменту совмещения осей полюсов обмотки управления электромагнита первого диска отключаются и переключаются с помощью коллектора и щеток 12 на обмотки управления второго диска. Под действием силы инерции и сил отталкивания одноименных плеч полюсов статора этого диска постоянный магнит ротора повернется на угол = /2=90°, не встречая сопротивления магнитных сил, займет исходное положение (обмотка управления электромагнита первого диска в этот период отключена). Далее цикл повторяется.

С учетом равенства высоты постоянных магнитов и дисков ротора и постоянства рабочих зазоров между полюсами плеч постоянных магнитов ротора, равных радиусов их вращения и равной степени намагничивания, доли объемов постоянных магнитов на перекрываемых участках площадей полюсов в каждый момент времени всегда равны, а по направлению усилий плеч при отсутствии тока в обмотках всегда противоположны относительно оси вращения. Таким образом, совершаемые постоянными магнитами в плечах ротора работы при равенстве значений высоты постоянных магнитов и давлений в рабочих зазорах равны по величине, но противоположны по направлению, при I=0 в каждый равный по длительности совершаемой работы промежуток времени пересечения полюсов ( t=const) взаимно уничтожаются, а при подаче тока в обмотки электромагнита и одноименном намагничивании его полюсов суммируются, т.е. совершаемые работы удваиваются в каждом из плеч из-за совмещения направлений векторов электромагнитного и магнитного полей в плечах дисков.

Таким образом, за счет освобождения потенциальной энергии в плечах с постоянными магнитами и преобразования ее в кинетическую энергию вращения ротора, снижения сопротивления воздуха плоским дискам достигается повышение коэффициента полезного действия магнитоэлектрического двигателя с одновременным увеличением мощности без использования внешней энергии в плечах статора с постоянными магнитами.

Цикл повторяется.

При изготовлении данного магнитоэлектрического двигателя должны быть выполнены следующие условия:

1) соосность полюсов постоянных магнитов ротора и статора, соосность полюсов электромагнитов;

2) одновременность: при повороте должно обеспечиваться выравнивание моментов, которое достигается равенством перекрываемых площадей полюсов постоянных магнитов и электромагнитов в каждом из плеч диска;

3) опорное кольцо должно быть отцентрировано относительно оси вала ротора;

4) плечи ротора в каждом из дисков должны быть сбалансированы по условию равенства и одновременности перекрываемых площадей полюсов постоянных магнитов в каждом из плеч, равенства и взаимоуничтожения вращающих моментов с их преобразованием в статические моменты кручения вала в каждом из дисков, сумма которых относительно оси вращения должна быть равна нулю, а вал ротора из-за нейтрализации магнитных сил при отсутствии тока в обмотках управления электромагнитов мог бы свободно вращаться в обоих направлениях без тормозящего влияния сил отталкивания/притяжения полюсов.

5) оси постоянных магнитов ротора в плечах первого и второго дисков должны быть параллельны (угол смещения =0 (180°).

2-ой вариант. Наиболее близким техническим решением является электродвигатель постоянного тока, состоящий из корпуса со статором, не менее, чем из двух П-образных или U-образных электромагнитов с сердечниками и обмотками управления, не менее одного из которых (дополнительные электромагниты) размещены в межполюсном промежутке, одного постоянного магнита П- или U-образной формы, причем полюсы основного электромагнита и постоянного магнита размещены радиально и соосно с полюсами ротора с соотношением ширины полюса к межполюсному промежутку статора не более 1:1, ротора с валом и одноименных с постоянными магнитами статора П-образных постоянных магнитов, радиально размещенных по периметру вала (з. №4730154 от 09.08.1989, МПК Н02К 29/00).

Недостатком данного двигателя является его малая мощность по причине применения постоянных магнитов П- и U-образной формы из низкоэнергетичных материалов, что является причиной их материалоемкости и высокого веса, а применение двух постоянных магнитов в выравниваемом по моментам плече ротора на один электромагнит статора обусловливает необходимость повышенных зазоров в плечах с постоянными магнитами и соответственно повышенные потери индукции и энергии постоянных магнитов и, кроме того, вызывает появление тормозных моментов при включении обмотки управления дополнительных электромагнитов.

Кроме того, за счет большой площади полюсов в плоскости вращения появляется значительное сопротивление воздуха при вращении ротора.

Экспериментально установлено, что основными условиями уравновешивания вращающих моментов в плечах ротора без потребления внешней энергии (I=0) является соблюдение соосности, одновременности и симметричности вводимых в зазоры полюсов каждого из плеч, равенство площадей одновременно перекрываемых полюсов (т.е. объемов постоянных магнитов), равенство и взаимоуничтожение разнонаправленных моментов вращения.

Также установлена квадратичная зависимость усилий и статических напряжений в полюсах, т.е. давления магнитного поля от магнитной индукции в зазорах полюсов.

Техническая задача предлагаемого решения заключается в повышении коэффициента полезного действия и мощности двигателя, снижении его материалоемкости и стоимости.

Технический результат заключается в эффективном использовании энергии постоянных магнитов.

Для решения поставленной задачи в известном электрическом двигателе, содержащем корпус с установленными в нем ротором с постоянными магнитами с одноименными полюсами и статором, содержащим постоянные магниты с полюсами, одноименными полюсам постоянных магнитов ротора, электромагниты с сердечниками с обмотками управления, дополнительные электромагниты и систему их коммутации, согласно изобретению, ротор выполнен дисковым, количество которых, по меньшей мере один, при этом каждый диск имеет два симметричных плеча с одноименными постоянными магнитами с углом полюсного деления =180° с равными радиусами вращения в плечах отдельно взятого диска, установленных с возможностью смещения их по радиусу в пределах допусков по условиям балансировки вращающих моментов, при этом электромагниты и постоянные магниты статора обоих дисков установлены соосно и симметрично с полюсами ротора с обеспечением равенства и одновременности перекрываемых площадей постоянных магнитов в каждом из уравновешенных плеч при вращении ротора, в статоре первого диска перпендикулярно осям плеч статора из постоянных магнитов и электромагнита установлен дополнительный электромагнит с сердечниками и обмотками управления с углом смещения равным половине полюсного деления оси плеч постоянных магнитов ротора первого диска расположены с углом смещения =90° к осям плеч постоянных магнитов ротора второго диска, причем углы смещений постоянных магнитов ротора и дополнительного электромагнита первого диска дополнительный электромагнит первого диска установлен с обеспечением соосности его полюсов с осью плеча из постоянных магнитов статора второго диска и осям постоянных магнитов ротора с ее (соосностью) фиксацией при отсутствии тока в обмотках управления электромагнитов, дополнительный электромагнит второго диска установлен со смещением в сторону вращения относительно оси установки плеч электромагнита и постоянных магнитов статора второго диска на угол, равный четверти угла полюсного деления

Кроме того:

- сумма углов смещений осей полюсов дополнительных электромагнитов относительно осей плеч постоянных магнитов и электромагнита статора первого диска соответствует углу поворота ротора, равному 75% от значения полюсного деления (180°);

- магниты ротора имеют симметричную форму, преимущественно цилиндрическую, и изготовлены из высокоэнергетичных (редкоземельных) материалов;

- сердечники электромагнитов статора выполнены из магнитомягкого ферромагнитного материала;

- каждый электромагнит статора имеет не менее одной обмотки управления;

- система управления, преимущественно коллекторного типа;

- на валу ротора установлен инерционный маховик;

- зазор между полюсами ротора и статора соответствует зазору между полюсами ротора и статора известных электродвигателей;

- диски выполнены из немагнитных материалов, толщина которых в рабочей зоне полюсов равна высоте постоянных магнитов.

Выполнение ротора дисковым с толщиной диска в рабочей зоне полюсов, равной толщине постоянного магнита, позволяет снизить материалоемкость в несколько раз по сравнению с аналогом за счет уменьшения длины магнитных цепей и соответственно потерь магнитной энергии, снижения сопротивления воздуха при вращении, в результате чего повышается также коэффициент полезного действия двигателя.

Кроме того, при плоском диске появляется возможность увеличения количества дисков на валу двигателя и соответственно количества уравновешенных плеч, что обеспечивает значительное увеличение мощности и в совокупности увеличение удельной мощности на единицу массы двигателя.

Снабжение каждого диска одной парой двуплечих постоянных магнитов с возможностью смещения их по радиусу ротора в пределах допусков по условиям балансировки вращающихся моментов позволяет улучшить качество балансировки плеч и снизить до минимума зависимость балансировки от влияния разной степени намагниченности магнитов, особенно высокоэнергетичных, увеличить величину угла поворота ротора без потребления внешней энергии до максимального значения - 90° в каждой паре таких плеч из постоянных магнитов дисков или 50% на одну плоскость вращения (один диск), а за счет смещения фазы (угла самотяги) во второй плоскости вращения постоянных магнитов ротора довести суммарное ее значение на валу ротора до 75%.

Установка электромагнитов и постоянных магнитов статора соосно и симметрично полюсам постоянных магнитов двуплечего ротора с обеспечением равенства и одновременности перекрываемых площадей постоянных магнитов в плечах дисков ротора при его вращении позволяет обеспечить взаимоуничтожение вращающих моментов в плечах дисков с их преобразованием в статические моменты кручения его вала (его потенциальную энергию), устранить влияние магнитных сил на плечи каждого из дисков ротора при их входе (выходе) в межполюсные зазоры статора, что в дальнейшем обеспечивает суммирование и взаимоуничтожение разнонаправленных вращающих моментов в плечах каждого из дисков при бестоковом режиме работы обмоток (I=0), т.е. без потребления внешней энергии и без применения систем переключений полярности полюсов, применяемых в магнитных двигателях, и ее суммирование и удвоение при последовательной подаче тока в обмотку(и) управления каждого из плеч дисков.

Смещение угла установки оси плеч статора из постоянных магнитов и электромагнита с обмоткой управления у второго диска, равному половине полюсного деления, позволяет сократить межполюсное деление в целом по ротору в два раза, а за счет разделения плоскостей вращения постоянных магнитов по разным дискам избежать ненужных пересечений с другими постоянными магнитами разной степени намагниченности, чем достигается снижение пульсаций вращающих моментов и увеличение момента вращения (аналогичное однодисковым электродвигателям с удвоенным количеством полюсов ротора, т.е. ₁=90° ( ₁ - угол полюсного деления в данном двигателе), а также фиксация соосности всех полюсов ротора с осями полюсов в плечах с основными электромагнитами и постоянными магнитами статора.

Установка в статоре первого диска дополнительного электромагнита с ферромагнитными сердечниками с обмотками управления под углом, равным половине полюсного деления, равного 90°, обеспечивает увеличение вращающего момента, местную разбалансировку плеч ротора из-за развития самотяги и его поворот, без потребления внешней энергии, на угол, равный 90°, и фиксацию его полюсов в межполюсных зазорах статора. Соосной установкой оси плеча из постоянных магнитов статора и ротора второго диска с осью дополнительного электромагнита первого диска, с учетом перпендикулярности осей постоянных магнитов в дисках ротора и одноименности полюсов, обеспечиваются его фиксация и требуемое направление вращения ротора, т.к. его обратное направление тормозится установкой постоянного магнита.

Выбор угла установки дополнительного электромагнита второго диска ( = ₀=45°), равного 45°, с его смещением от дополнительного электромагнита первого диска в сторону вращения увеличивает долю самотяги до 75%, вращающий момент и мощность двигателя и в совокупности его кпд и, кроме того, создает вторую фиксированную точку ротора.

Выбором указанных двух фиксированных точек ротора с заданными значениями поворота от самотяги без потребления внешней энергии обеспечивается, с учетом уравновешенности всех его плеч в зоне полюсов основных электромагнитов, его независимая работа от обмоток дополнительных электромагнитов с возможностью использования обмоток управления основных электромагнитов для генерации тока (основные электромагниты-электромагниты статора, установленные в уравновешиваемых плечах статора). Повышение мощности и экономичности двигателя обеспечивается использованием энергии самотяги постоянных магнитов ротора от сил притяжения сердечников дополнительных электромагнитов статора без внешней энергии с общей ее долей в циклах до 75% и ее суммированием с освобождающейся энергией сжатого магнитного поля в уравновешенных его плечах в полюсах с постоянными магнитами статора при подаче постоянного тока в обмотки основных электромагнитов, обеспечивающего одноименность полюсов таких плеч в каждом из дисков и их последовательную разбалансировку с удвоением вращающих моментов.

При этом выравнивание моментов без затрат внешней энергии и удвоение значений вращающих моментов в каждой паре сбалансированных плеч при подаче внешней электрической энергии в обмотки электромагнита статора, предусмотренного в каждой паре таких плеч, обеспечивается условием равенства и одновременности перекрываемых площадей в полюсах ротора и статора в каждом из плеч ротора при его вращении.

Такая установка дополнительных электромагнитов в обоих дисках с учетом фиксации ротора в указанных точках и уравновешенности основных плеч обеспечивает в целом независимую от основных плеч и магнитов работоспособность двигателя только от обмоток управления дополнительных электромагнитов и соответственно возможность выполнения им новой функции - генератора тока с использованием для этих целей обмоток управления основных электромагнитов. С учетом доли самотяги постоянных магнитов до 75% и соответственно доли внешней энергии 25-50% по сравнению с известными электродвигателями обеспечивается возможность работы двигателя в двух режимах, а именно в режиме мощного двигателя с использованием энергии разбалансировки основных плеч электромагнитов и в режиме генерации тока, например, для подзарядки источников питания. Перевод режимов осуществляется известными переключателями тока (на чертежах не показан).

Цилиндрическая форма магнитов ротора обеспечивает качественную балансировку за счет совпадения центров тяжести и центров симметрии во всех направлениях.

Выполнение сердечников электромагнита статора из магнитомягкого ферромагнитного материала обеспечивает уравновешивание и последовательную разбалансировку уравновешенных плеч и использование сил отталкивания постоянных магнитов статора без потребления внешней энергии (самотяга) в рабочем режиме электромагнитов.

Условием снабжения электромагнитов статора не менее чем одной обмоткой управления предусматривается возможность выноса обмоток управления электромагнитов из зоны вращения постоянных магнитов ротора, чем достигается сокращение его диаметра и в целом габаритов магнитоэлектрического двигателя, вызываемое габаритами обмоток управления электромагнитов в зоне крепления дисков с валом ротора.

Выбор системы управления, преимущественно коллекторного типа, обусловлен простотой ее конструкции.

Установка на валу ротора инерционного маховика позволяет повысить момент инерции ротора, снизить пульсацию крутящего момента в период работы двигателя, т.е. повысить равномерность вращения.

Выбор зазора между полюсами ротора и статора соответствующим зазору между полюсами ротора и статора известных электродвигателей позволяет устранить необходимость переменных зазоров, обусловливающую работоспособность известных магнитных двигателей, и тем самым обеспечить более высокую степень использования энергии постоянных магнитов, что достигается общим сокращением длины магнитных цепей и потерь магнитной индукции, устранением излишних постоянных магнитов статора по расчету, применением магнитных цепей с одним постоянным магнитом и применением постоянных значений рабочих зазоров в полюсах статора, соизмеримых с зазорами электродвигателей.

Выполнение роторов дисковыми, выполненными из немагнитных материалов с толщиной диска в рабочей зоне, равной высоте постоянных магнитов, позволяет снизить материалоемкость в несколько раз по сравнению с аналогом, за счет уменьшения длины магнитных цепей и снижения потерь энергии постоянных магнитов обеспечивает повышение удельной мощности на единицу массы двигателя, равенство долей объемов постоянных магнитов в уравновешиваемых плечах на пересекаемых участках их полюсов и соответственно равенство энергий плеч и возможность их балансировки при I=0 (без потребления внешней энергии), снижение сопротивления воздуха при вращении (плоский диск), за счет чего повышается кпд двигателя, кроме того, из-за малой толщины дисков появляется возможность увеличения количества дисков, выполненных, например, по рассмотренной схеме, на валу двигателя и соответственно увеличения его мощности и равномерности вращения.

Предлагаемый магнитоэлектрический двигатель по второму варианту устройства изображен на фиг.4, где представлена принципиальная схема двухдискового магнитоэлектрического двигателя.

Магнитоэлектрический двигатель содержит двуплечий ротор с валом и подшипниками, включающий диск 1 из немагнитных материалов (количество которых, по меньшей один, причем первый диск расположен со стороны маховика, второй - со стороны коллектора) с постоянными магнитами 2, закрепленными на валу 3; статор, состоящий из опорного кольца 4 (на фиг.4 не показано), выполненного из немагнитных материалов и установленного соосно с валом 3 ротора, на котором с каждой стороны опорного кольца для каждого из дисков ротора соответственно жестко закреплены магнитопроводы 5 с постоянными магнитами 6 (условно не показано), количество которых один или два на каждый магнитопровод, закрепленными соосно с постоянными магнитами 2 ротора, магнитопроводы 7 электромагнитов с сердечниками 8 (условно не показаны) из магнитомягких ферромагнитных материалов, на которых закреплены обмотки управления 9. Опорное кольцо 4 (не показано) сцентрировано с валом 3 ротора и корпусом 10, состоящим из двух половинок. Вал 3 ротора снабжен с торцевой части инерционным маховиком 11. Коммутационное устройство включает коллектор и щетки 12 и закреплено на валу 3 ротора. Дополнительные электромагниты 13 с обмотками управления, магнитопроводом и сердечниками из магнитомягких материалов размещены с каждой из сторон кольца 4, соответственно для первого - со стороны маховика 11 и со стороны коллектора для второго диска, с углами полюсного деления 90° для первого диска и смещением угла установки полюсов второго дополнительного электромагнита в сторону вращения на четверть полюсного деления (45°) с общей суммой углов смещений полюсов дополнительных электромагнитов обоих дисков относительно оси плеч полюсов статора первого диска с общей суммой углов, равной 135°, и по отношению к общей величине полюсного деления (180°), составляющей 75%, что обеспечивает возможность использования самотяги постоянных магнитов ротора с тем же соотношением.

Работает предлагаемый магнитоэлектрический двигатель в двух режимах, устанавливаемых переключателем тока (на фиг.4 не показан) - основной и экономичный (режим генерации тока) следующим образом.

Основной режим магнитоэлектрического двигателя.

Для запуска магнитоэлектрического двигателя в обмотку управления дополнительного электромагнита 13 второго диска 1, полюса которого фиксируют постоянные магниты ротора в момент соосности полюсов, подается постоянный ток, обеспечивающий одноименность его полюсов с полярностью постоянных магнитов 6 ротора с момента соосности до угла поворота ротора, равного четверти полюсного деления, т.е. 45°. Из-за возникшей магнитной индукции в зазорах, П-образной цепи магнитопроводов 7 и сердечниках 8 последние намагничиваются одноименно с полюсами ротора, выталкивают ротор 3 из зазоров статора по направлению вращения, заданному расположением постоянного магнита 6 статора. Т.к. постоянные магниты 2 первого диска 1 ротора 3 к этому моменту по условиям перпендикулярности осей постоянных магнитов в дисках находятся в зоне самотяги, отключенного в этот период сердечника дополнительного электромагнита 13 первого диска, то к указанной силе отталкивания полюсов дополнительного электромагнита 13 второго диска без потребления внешней энергии прибавится сила притяжения (самотяги) его сердечников 8, с момента включения обмоток управления до угла поворота ротора, равного 45° (угол самотяги для 1-го диска равен углу смещения дополнительного электромагнита и равен 90°), увеличивая момент вращения двигателя и его мощность примерно в полтора-два раза, за счет чего повышается значение его коэффициента полезного действия. При этом ротор повернется на угол 45°, а полюса дополнительного электромагнита 13 первого диска станут соосны полюсам постоянных магнитов ротора. В момент достижения соосности осей полюсов ротора и дополнительного электромагнита 13 первого диска обмотка управления дополнительного электромагнита 13 второго диска отключается, после чего ток через коллектор и щетки 12 подается на обмотку управления дополнительного электромагнита 13 первого диска. С набранным ускорением и энергией, запасенной маховиком 11, под действием возникших в сердечнике 8 дополнительного электромагнита 13 первого диска сил отталкивания ротор продолжит движение и вновь повернется на четверть полюсного деления - 45°. Так как в этот период обмотки дополнительного электромагнита 13 первого диска отключаются, а ротор с минимальными затратами на преодоление сопротивления воздуха (диски плоские) продолжает движение по инерции, не встречая сопротивления сил торможения со стороны полюсов постоянных магнитов статора из-за отключения обмоток, равенства и взаимоуничтожения тормозных моментов до достижения соосности полюсов, когда все полюса постоянных магнитов ротора обоих дисков займут положение, при котором его мощность максимальная. В момент, когда полюса всех уравновешенных плеч обоих дисков соосны по вышеуказанным условиям фиксации плеч электромагнита с постоянными магнитами ротора в обмотки основных электромагнитов обоих дисков подается постоянный ток, обеспечивающий одноименность полюсов статора с постоянными магнитами 2 ротора до угла его поворота, равного четверти полюсного деления - 45°.

Из-за одноименности намагничивания сердечников 8 электромагнитов, развития в них сил отталкивания, совмещения направлений сил отталкивания в полюсах электромагнитов и постоянных магнитов 2 ротора 3 из-за совмещения направлений векторов электромагнитного и магнитного полей в дисках и плечах ротора и, как следствие, освобождения энергии сжатого магнитного поля в зоне разбалансированных плеч с постоянными магнитами статора в каждом из дисков, ротор с удвоенными в каждом из дисков моментами вращения и мощностью будет выталкиваться из межполюсных зазоров статора (разбалансировка с применением сил отталкивания) и вновь повернется по направлению вращения на 45°. Постоянный магнит первого диска ротора с увеличивающимся моментом самотяги при I=0 приблизится к полюсам сердечника 8 дополнительного электромагнита 13, обмотки которого в этот период отключены.

С этого момента обмотки управления 9 основных электромагнитов с сердечниками 8 отключаются, а ротор с энергией маховика вращается по инерции и с увеличивающейся силой притяжения сердечников дополнительного электромагнита 13 первого диска, т.е. без потребления внешней энергии, но с повышенным ее запасом (мощностью) и увеличивающейся силой притяжения сердечника дополнительного электромагнита 13 первого диска, войдет в соосное положение с полюсами сердечника 8 дополнительного электромагнита 13 второго диска, т.е достигнет исходного состояния.

Далее цикл повторяется.

Для увеличения его мощности и равномерности вращающих моментов количество спаренных дисков с разными вариантами их установки может повторяться в различных подвариантах.

При этом суммарная продолжительность поочередного включения основных обмоток дополнительных электромагнитов 13 на один оборот вала ротора не превышает половины утла полюсного деления, т.е 90° и соответственно четверти оборота вала (25%) времени, чем достигаются повышенный кпд и экономичность двигателя.

С учетом равенства высоты постоянных магнитов и дисков ротора и постоянства рабочих зазоров между полюсами плеч постоянных магнитов ротора, равных радиусов их вращения и равной степени намагничивания, доли объемов постоянных магнитов на перекрываемых участках площадей полюсов из постоянных магнитов в уравновешенных плечах статора в каждый момент времени всегда равны, а по направлению усилий плеч при отсутствии тока в обмотках всегда противоположны относительно оси вращения. Таким образом, совершаемые постоянными магнитами в уравновешенных плечах ротора работы при равенстве значений высоты постоянных магнитов и давлений в рабочих зазорах равны по величине, но противоположны по направлению, при I=0 в каждый, равный по длительности совершаемой работы ( t=const) промежуток времени пересечения полюсов взаимно уничтожаются, а при подаче тока в обмотки электромагнита и одноименном намагничивании его полюсов суммируются, т.е. совершаемые работы удваиваются из-за совмещения направлений векторов магнитного и электромагнитного полей в плечах дисков и освобождения энергии сжатого магнитного поля постоянных магнитов статора в каждом плече дисков, нейтрализованной путем их балансировки при I=0.

Таким образом, за счет освобождения потенциальной энергии в плечах с постоянными магнитами и ее преобразования в кинетическую энергию вращения ротора, снижения сопротивления воздуха плоским дискам достигается повышение коэффициента полезного действия магнитоэлектрического двигателя с одновременным увеличением мощности без использования внешней энергии в плечах статора с постоянными магнитами.

Режим экономичного двигателя (генерации тока в обмотках управления основных электромагнитов плеч статора).

Для обеспечения данного режима работы включенный по основному режиму двигатель переключается с помощью переключателя тока (на фиг.4 не показан) на указанный режим и при достижении соосности полюсов ротора второго диска с полюсами дополнительного электромагнита 13 второго диска цикл повторяется по первому варианту до суммарного угла поворота ротора, равного 135° от исходного состояния, при котором все обмотки электромагнитов отключены, а ротор продолжает движение по инерции и достигает положения, указанного на фиг.4, когда все полюса его дисков ротора соосны с полюсами уравновешенных плеч постоянных магнитов и электромагнитов статора. Т.к при отключенных обмотках 9 основных электромагнитов обоих дисков плечи ротора с постоянными магнитами уравновешены с периода соосности полюсов до угла поворота первого диска, равного половине его полюсного деления (90°), начинается влияние разбалансировки от сил притяжения его дополнительного электромагнита 13. Вследствие этого ротор продолжает движение без включения обмоток управления 9 основных электромагнитов обоих дисков и достигнет положения, при котором его полюсы сердечников 8 встанут соосно с постоянными магнитами 2 ротора первого диска. С момента соосности в его обмотки 9 через коллектор и щетки 12 переключается ток, обеспечивающий одноименность полюсов сердечника дополнительного электромагнита 13 с полюсами ротора. Из-за возникших в его зазорах с постоянными магнитами давления электромагнитного поля и сил отталкивания полюсов ротор продолжит движение и, повернувшись на 45°, достигнет исходного состояния. Цикл повторяется.

Продолжительностью поочередного включения в каждой из обмоток на одну четверть времени в каждом из циклов в сумме, равной одной четверти времени на один оборот, обеспечены экономичный режим и работоспособность двигателя с использованием до 75% времени вращения ротора от сил самотяги и сил инерции. При этом в обмотках управления основных электромагнитов в моменты пересечения полюсов возникает ЭДС переменного тока, позволяющая его использование (после выпрямления) для подзарядки источников питания.

Возможны и другие варианты использования независимости работы обмоток двигателя, подчеркивающие его универсальность.

3 вариант. Наиболее близким техническим решением является электродвигатель постоянного тока, состоящий из корпуса со статором не менее чем из двух П- или U-образных электромагнитов с сердечниками и обмотками управления, не менее одного из которых размещены в межполюсном промежутке ротора (дополнительные электромагниты), одного постоянного магнита П или U-образной формы, причем полюсы основного электромагнита и постоянного магнита размещены радиально и соосно с полюсами ротора с соотношением ширины полюса к межполюсному промежутку статора не более 1:1, ротора с валом и трех одноименных с постоянными магнитами статора П-образных постоянных магнитов, радиально размещенных по периметру вала с углом межполюсного деления, равным 120° (з. №4730154 от 09.08.1989, МПК Н02К 29/00).

Недостатком данного двигателя является его малая мощность по причине применения постоянных магнитов П- или U-образной формы из низкоэнергетичных материалов, что является причиной их материалоемкости и высокого веса, повышенного сопротивления воздуха при вращении ротора из-за значительных габаритов ротора в плоскости вращения, а применение двух постоянных магнитов в выравниваемом по моментам плече ротора на один электромагнит статора обусловливает необходимость повышенных зазоров в плечах с постоянными магнитами и соответственно повышенные потери индукции и энергии постоянных магнитов и, кроме того, вызывает появление тормозных моментов при включении обмотки управления дополнительных электромагнитов.

Техническая задача предлагаемого решения заключается в повышении коэффициента полезного действия и мощности двигателя, снижении его материалоемкости и стоимости.

Технический результат заключается в эффективном использовании энергии постоянных магнитов.

В известном электрическом двигателе, содержащем корпус с установленными в нем ротором с постоянными магнитами с одноименными полюсами с углом полюсного деления между их осями равным 120° и статором с постоянными магнитами с полюсами, одноименными полюсам постоянных магнитов ротора, электромагниты с обмотками управления, дополнительные электромагниты с углом полюсного деления 60° и систему их коммутации, согласно изобретению, ротор выполнен дисковым, количество дисков, по меньшей мере один, трехплечим с уравновешиванием только двух плеч каждого диска, постоянные магниты ротора второго диска установлены со смещением на угол ( ), равный половине угла полюсного деления ( ) = /2=60°, относительно осей плеч постоянных магнитов первого диска, при этом радиусы вращения постоянных магнитов в каждом из дисков равны, а полюсы плеч статора в каждом из дисков установлены с условием обеспечения соосности полюсам ротора, равенства и одновременности перекрываемых площадей постоянных магнитов в каждой паре сбалансированных плеч ротора при его вращении, а полюсы дополнительного электромагнита первого диска установлены соосно с плечом постоянных магнитов ротора второго диска и полюсами (плечом) дополнительного электромагнита второго диска, при этом дополнительный электромагнит первого диска смещен в сторону вращения от постоянных магнитов статора первого диска на угол , равный половине полюсного деления, т.е. = =60°.

Кроме того:

- магниты ротора имеют симметричную форму, преимущественно цилиндрическую, и выполнены из высокоэнергетичных (редкоземельных) материалов;

- сердечники электромагнитов статора выполнены из магнитомягкого ферромагнитного материала;

- каждый электромагнит статора имеет не менее одной обмотки управления;

- система управления, преимущественно коллекторного типа с возможностью использования двух видов коммутации;

- на валу ротора установлен инерционный маховик;

- зазор между полюсами ротора и статора соответствует зазору между полюсами ротора и статора известных электродвигателей;

- диски выполнены из немагнитных материалов, толщина которых в рабочей зоне полюсов равна высоте постоянных магнитов.

Выполнение ротора дисковым с толщиной диска в рабочей зоне полюсов, равной высоте постоянных магнитов, при количестве дисков, по меньшей мере одном, позволяет снизить материалоемкость в несколько раз по сравнению с аналогом за счет уменьшения длины магнитных цепей и соответственно потерь магнитной энергии, уменьшить действие сопротивления воздуха при вращении ротора, сократить поперечные габариты его полюсов, в результате чего повышается мощность двигателя, которая возрастает с увеличением количества дисков и соответственно коэффициент полезного действия двигателя. Кроме того, разделение уравновешенных плеч по дискам сокращает количество пересечений полюсов, повышая тем самым качество балансировки плеч, снижает пульсации вращающих моментов и обеспечивает последовательную смену фаз самотяги постоянных магнитов без потребления внешней энергии в каждом из дисков и ее постоянное наличие в одном из них при подаче тока в обмотку управления другого дополнительного электромагнита.

Выполнение ротора трехплечим с уравновешиванием только двух плеч каждого диска исключает тормозящее влияние постоянных магнитов в третьем плече, а при установке в зоне его расположения дополнительного электромагнита создает дополнительный вращающий момент без потребления внешней энергии, повышая тем самым мощность двигателя и его кпд.

Установка постоянных магнитов ротора второго диска со смещением на угол , равный половине полюсного деления ( = /2=60°), с учетом разделения плоскостей их вращения дискам, обеспечивает увеличение вращающего момента на валу ротора, аналогичное однодисковому ротору с удвоенным количеством полюсов постоянных магнитов, снижая тем самым пульсации от неточной балансировки плеч в два раза, из-за устранения количества пересечений полюсов в одной плоскости, а также обеспечивает постоянное наличие самотяги постоянных магнитов от сил притяжения в каждом цикле работы двигателя при I=0 в одной из обмоток управления дополнительных электромагнитов в рабочем их режиме.

Расположение осей полюсов дополнительных электромагнитов первого диска соосно с осями плеч постоянных магнитов второго диска и плеча дополнительного электромагнита второго диска в разных плоскостях вращения дисков обеспечивает фиксацию и соосность полюсов уравновешенных плеч дисков независимо от качества постоянных магнитов, а также создает дополнительную самотягу постоянных магнитов от сил притяжения к сердечникам электромагнитов при I=0 в первом дополнительном электромагните, когда дополнительный электромагнит второго диска включен, а первого отключен, и наоборот, т.е. увеличивает вращающий момент, мощность и кпд двигателя и обеспечивает заданное вращение вала.

Предлагаемый магнитоэлектрический двигатель по 3-му варианту устройства изображен на фиг.5, 6 и 7,

где Фиг.5 - принципиальная схема магнитоэлектрического двигателя;

фиг.6 - схема расположения основных элементов двигателя;

фиг.7 - поперечный разрез двигателя.

Магнитоэлектродвигатель содержит двуплечий ротор с валом и подшипниками, включающий диск 1 (количество которых 2 или более, причем первый диск расположен со стороны маховика, второй - со стороны коллектора), с постоянными магнитами 2, закрепленными на валу 3, статор, состоящий из опорного кольца 4, выполненного из немагнитных материалов, установленного соосно с валом 3 ротора, на котором с каждой из сторон для каждого из дисков жестко закреплены магнитопроводы 5 с постоянными магнитами 6, количество которых, по меньшей мере, один, закрепленными соосно с постоянными магнитами 2 ротора, магнитопроводы 7 электромагнитов с сердечниками 8 из магнитомягких ферромагнитных материалов, на которых закреплены обмотки управления 9 и дополнительных электромагнитов 13 (с магнитопроводами 7, сердечниками 8, обмотками управления 9). Опорное кольцо 4 сцентрировано с валом 3 ротора и корпусом 10, состоящим из двух половинок. Вал 3 ротора снабжен с торцевой части инерционным маховиком 11. Коммутационное устройство включает коллектор и щетки 12 и закреплено на валу 3 ротора. Полюсы основных и дополнительных электромагнитов 13 установлены из условий обеспечения:

- суммарного значения углов самотяги при I=0 от сил притяжения постоянных магнитов к сердечникам дополнительных электромагнитов 13 в обоих дисках 120°, т.е равного углу полюсного деления постоянных магнитов ротора в рабочих циклах двигателя путем установки оси полюсов плеча дополнительного электромагнита 13 первого диска в середине полюсного деления плеч полюсов его статора (угол 60°) соосно с осями постоянных магнитов этого диска;

- смещение утла установки оси плеча полюсов дополнительного электромагнита 13 второго диска в сторону вращения ротора на половину полюсного деления - 60° таким образом, чтобы из-за равенства углов в осях плеч ротора в обоих дисках, достигнутого фазой смещения полюсов постоянных магнитов в них на 60°, и разделением плоскостей вращения плеч по дискам, оси плеч постоянных магнитов ротора в обоих дисках поочередно совпадали при вращении ротора с последовательной сменой фаз таких совмещений осей через угол поворота, равный половине угла полюсного деления постоянных магнитов ротора, т.е. через 60° с образованием двух соосных с полюсами дополнительных электромагнитов фиксированных положений ротора при его остановках;

- угла установки плеча постоянного магнита статора первого диска со смещением в обратную от направления вращения ротора сторону, считая от оси плеч его дополнительного электромагнита 13, на угол поворота ротора, равный половине полюсного деления - 60°;

- для обеспечения эффективности работы сбалансированных плеч ротора из постоянных магнитов и соответственно повышения эффективности использования энергии постоянных магнитов и основных электромагнитов статора в таких плечах должны быть выполнены следующие требования при изготовлении двигателя:

1) соосность полюсов постоянных магнитов ротора и статора, аналогичная соосность полюсов электромагнитов и дополнительных электромагнитов 13 с полюсами постоянных магнитов ротора в каждом из дисков;

2) одновременность: при повороте должно обеспечиваться выравнивание моментов в уравновешенных плечах ротора (одна пара плеч на каждый диск), которое достигается равенством перекрываемых площадей полюсов постоянных магнитов и основных электромагнитов;

3) опорное кольцо должно быть отцентрировано относительно оси вала ротора;

4) плечи ротора в каждом из дисков до установки дополнительных электромагнитов 13 должны быть сбалансированы по условию равенства и одновременности перекрываемых площадей полюсов постоянных магнитов в каждом из плеч, равенства и взаимоуничтожения вращающих моментов с их преобразованием в статические моменты кручения вала в каждом из дисков, сумма которых относительно оси вращения должна быть равна нулю, а вал ротора из-за нейтрализации магнитных сил при отсутствии тока в обмотках управления электромагнитов мог бы свободно вращаться в обоих направлениях без тормозящего влияния сил отталкивания/притяжения полюсов;

5) оси постоянных магнитов ротора в плечах первого и второго дисков смещены по фазе относительно друг друга на половину полюсного деления (120°) со смещением их осей на угол =60°.

Работает предлагаемый магнитоэлектрический двигатель с учетом наличия уравновешенных при I=0 плеч в дисках и самотяги постоянных магнитов в зоне, зафиксированной углом установки осей полюсов дополнительных электромагнитов 13 дисков в двух режимах: - основной, когда имеются все обмотки управления электромагнитов, и экономичный режим (режим генерации тока в обмотках управления основных электромагнитов). Установка режимов выполняется переключениями тока.

Основной режим

Через коллектор и щетки 12 в обмотки управления, например, основных электромагнитов обоих дисков и дополнительного электромагнита второго диска, которые в режиме двигателя включаются одновременно с обеспечением одноименности их полюсов полюсам постоянных магнитов ротора, подается постоянный ток с момента соосности их полюсов до угла поворота, равного половине полюсного деления, т.е. до = /2=60°. Под действием тока и возникшей индукции в магнитных цепях и зазорах полюсов статора совмещаются направления возникающих сил отталкивания в одноименных полюсах электромагнитов и дополнительного электромагнита 13 статора второго диска с силами отталкивания постоянных магнитов ротора. Из-за разбалансировки плеч постоянных магнитов обоих дисков и возникновения сил отталкивания у всех трех пар полюсов статора второго диска и двух полюсов основного электромагнита и постоянных магнитов статора первого диска, к которым добавляются без применения внешней энергии сила притяжения полюсов постоянных магнитов первого диска к сердечникам 8 его дополнительного электромагнита 13, где обмотки управления в этот период отключены, ротор повернется на 60°. Обмотки управления обоих электромагнитов (основного и дополнительного) второго диска к этому моменту отключаются и через коллектор и щетки 12 в момент соосности полюсов переключаются на обмотки управления дополнительного электромагнита 13 первого диска, в полюса которого в этот период войдут постоянные магниты ротора первого диска. С набранным ускорением, дополненным возникающими в силами отталкивания в полюсах дополнительного электромагнита первого диска, включенного также на период его поворота, равного половине угла полюсного деления постоянных магнитов ротора, а также силой притяжения, отключенного дополнительного электромагнита второго диска, он вновь повернется на 60° и займет исходное положение. Далее цикл повторяется с последовательным чередованием полуциклов включений обмоток управления дополнительных электромагнитов 13 обоих дисков по рассмотренной схеме, а суммированием полуциклов самотяги в каждом из полуциклов обеспечивается ее постоянное наличие при I=0 в одной из обмоток управления дополнительного электромагнита 13 и выполнение условий ее наличия 100% в каждом из циклов работы двигателя при I=0 последовательно в каждой из обмоток управления.

Тормозящее влияние полюсов постоянных магнитов при вращении ротора без потребления внешней энергии (I=0) устраняется соответствующими балансировкой уравновешенных плеч и указанной периодичностью отключений обмоток управления дополнительных электромагнитов 13 в уравновешенных плечах каждого из дисков за счет обусловленного выше равенства и одновременности перекрываемых площадей полюсов постоянных магнитов и электромагнитов каждого из плеч, взаимоуничтожения вращающих моментов на валу при I=0 с преобразованием моментов вращения в статические моменты кручения вала ротора. Так как высота магнитов равна толщине дисков и везде одинакова, при равных радиусах вращения это означает, что в любой момент времени объемы долей постоянных магнитов на пересекаемых участках полюсов и сбалансированных плеч ротора при I=0 всегда равны друг другу, т.е. V_пм= V_эм при постоянных значениях зазоров и соответственно равных давлениях поля в магнитных зазорах (т.к. ₃=const) в обоих плечах каждого из дисков ротора.

Равенство долей объемов постоянных магнитов при равных давлениях в зазорах при I=0 в обмотках управления основных электромагнитов означает равенство долей работ и их взаимоуничтожение из-за равного направления сил в каждый равный для плеч промежуток времени путем преобразования моментов вращения в статическую работу кручения вала ротора. Из-за разных направлений сил сумма долей работ в уравновешенных плечах при таких условиях всегда равна нулю в любой промежуток времени пересечений полюсов при вращении ротора. Из-за преобразования моментов вращения в статические моменты (потенциальную энергию кручения вала ротора) в каждой сбалансированной паре плеч дисков нейтрализуется влияние магнитных сил на ротор без применения внешней энергии (I=0) в отличие от магнитных двигателей, в которых более 50% энергии постоянных магнитов затрачивается на изменение значений рабочих зазоров или на перемещение и изменение полярности полюсов постоянных магнитов.

При подаче тока в обмотку управления электромагнита статора, обеспечивающего одноименность его полюсов с обмоткой управления ротора, совмещаются направления сил в сбалансированных плечах ротора. При расчетном равенстве значений сил в каждом из плеч дисков за счет освобождения энергии сжатого у постоянных магнитов статора магнитного поля и последующей разбалансировки плеч суммарное значение сил и вращающих моментов в каждой паре разбалансированных при I>0 удваивается за счет включения в работу сил отталкивания (энергии) постоянных магнитов.

При рассмотренных условиях соосности полюсов, установки углов установки осей дополнительных электромагнитов ( ) и уравновешивания (балансировки) основных плеч дисков ротора с постоянными магнитами и электромагнитами статора при I=0, с учетом равенства углов смещений по фазе по фазе постоянных магнитов ротора в дисках ( ) с углом ( ) установки осей электромагнитов и дополнительных электромагнитов 13, равным половине угла полюсного деления = = /2=60° и разделения плоскостей вращения, зоны самотяги постоянных магнитов в отключенных обмотках управления при вращении ротора периодически меняют друг друга, т.е. присутствуют во всех последовательных фазах - полуциклах включения их обмоток и по суммарной продолжительности действия занимают 100% времени рабочего цикла. Указанной самотягой постоянных магнитов в режимах притяжения при I=0 достигаются дополнительные 50% мощности магнитоэлектрического двигателя в этом режиме с одновременным увеличением вращающих моментов в обоих дисках ротора, повышение удельной мощности на единицу массы ротора и соответственно кпд.

Режим экономичного двигателя (режим генерации тока)

Отличительными особенностями данного двигателя являются, во-первых, использование нечетного третьего плеча для поочередной самотяги постоянных магнитов ротора к ферромагнитным сердечникам дополнительных электромагнитов при периодическом отсутствии в одной из обмоток тока и соответственно разбалансировки уравновешенных плеч без потребления внешней энергии с выработкой при этом электрической энергии в моменты пересечения полюсов плеча ротора из постоянных магнитов с полюсами электромагнита статора.

Во-вторых, использование последовательного чередования переключений каждой из обмоток управления дополнительных электромагнитов 13 в двух дисках ротора, плечи постоянных магнитов 2 которых сдвинуты по фазе на угол , равный половине полюсного деления их полюсного деления и равны углу поворота ротора без потребления внешней энергии (углу самотяги) для создания суммы углов самотяги при I=0 от сердечников, периодически отключенных в этот период дополнительных электромагнитов, равно углу полюсного деления постоянных магнитов ротора ( =120°). Этим обеспечивается наличие самотяги на валу ротора от сил притяжения постоянных магнитов 100% времени цикла за счет суммирования его рабочих половин при одновременном наличии также 100% времени цикла сил отталкивания за счет включения в работу только одной обмотки каждого из дополнительных электромагнитов в каждом полуцикле их работы в режиме, обеспечивающем однополярность полюсов, и, таким образом, аналогичного суммирования полуциклов от сил отталкивания в рабочем режиме двигателя. Таким образом, обеспечивается работа двух пар полюсов в каждом из дополнительных электромагнитов при работе одной обмотки управления в каждом, аналогичная работе одного электромагнита в одной плоскости вращения.

Указанное преимущество обеспечивается установкой сердечников дополнительных электромагнитов 13 первого диска в середине полюсного деления полюсов статора соосно с постоянными магнитами его ротора и полюсам дополнительных электромагнитов первого диска и смещением фаз плеч постоянных магнитов диска на угол , равный половине полюсного деления, т.е. = = /2=60°, чем достигается фиксация двух соосных положений ротора и исключение влияния степени намагничивания постоянных магнитов на работу двигателя, чередование переключений обмоток управления и соответственно независимая от основных уравновешенных плеч с электромагнитом, работа двигателя.

Перечисленным условием достигается дополнительные 50% мощности магнитоэлектрического двигателя в этом режиме, плюс вырабатываемая в обмотках управления основных электромагнитов статора электроэнергия, что в совокупности обеспечивает повышение его кпд.

Для работы двигателя в экономичном режиме через переключатель тока (не показан) в обмотки управления дополнительных электромагнитов 13 второго диска, где в этот период (фиг.6) располагается постоянный магнит 2 ротора второго диска, через щетки и коллектор 12 подается постоянный ток, обеспечивающий одноименность полюсов с постоянными магнитами ротора. Из-за совмещения направлений сил отталкивания одноименных полюсов постоянных магнитов и электромагнитов ротор выталкивается из зазоров в полюсах дополнительного электромагнита второго диска и повернется на угол, равный половине полюсного деления (60°), в котором обмотки управления этого электромагнита отключаются. При этом постоянные магниты первого диска, поворачиваясь с валом, попадут в зону самотяги сердечников дополнительного электромагнита этого диска и под действием сил притяжения при I=0 (его обмотки в период отключения второго дополнительного электромагнита всегда отключены), увеличивая значение вращающего момента и мощности на валу магнитоэлектрического двигателя без внешней энергии, войдут в зазоры полюсов первого дополнительного электромагнита. С момента сооности полюсов обмотки управления второго дополнительного электромагнита отключаются и через коллектор и щетки 12 ток той же полярности переключается на дополнительный электромагнит первого диска, где указанный полуцикл повторяется и ротор, повернувшись снова от сил одновременного отталкивания и притяжения полюсов на 60°, займет исходное положение. Далее циклы повторяются с получением дополнительной мощности на валу, равной 50% от полезной мощности в сердечниках дополнительных электромагнитов за счет чередования циклов притяжения несбалансированного плеча с постоянными магнитами ротора при I=0 в каждом из циклов за каждый цикл в режиме притяжения полюсов. Потребляемая мощность P_П=U×I=0.

С учетом указанного повышения мощности при отсутствии сил торможения, например, в период холостого хода вырабатываемый в обмотках управления основных электромагнитов ток может быть использован, например, для подзарядки аккумуляторов.

Таким образом, за счет поочередного преобразования электромагнитной, магнитной и потенциальной энергии в плечах с постоянными магнитами, снижения сопротивления воздуха плоским дискам достигается повышение коэффициента полезного действия магнитоэлектрического двигателя с одновременным увеличением мощности за счет повышения эффективности использования энергии постоянных магнитов в плечах ротора и статора с постоянными магнитами и сердечниками электромагнитов при отсутствии тока в их обмотках (т.е. без потребления внешней энергии).