RU2362260C2

RU2362260C2 - Electromagnetic dc motor

Info

Publication number: RU2362260C2
Application number: RU2007133664/09A
Authority: RU
Inventors: Виктор Александрович Зуккель (RU); Виктор Александрович Зуккель
Original assignee: Виктор Александрович Зуккель
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2009-07-20
Also published as: RU2007133664A

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and electric machine building. According to the first version of the invention, the electromagnetic dc motor contains a stator with three coils, placed in it through 120 degrees, and a rotor, consisting of two ferromagnetic and two nonmagnetic parts, joined into a ring in a certain order, and with two slots on the nonmagnetic parts, as well as three pistons adjoining the said slots, interacting with the on-contacts of the stator coils. The rotor, through an inner serrated part, adjoins three stem gears. According to the second version, the electromagnetic dc motor has a stator with three coils, placed in it through 120 degrees, and a rotor, consisting of two ferromagnetic and two nonmagnetic parts, joined into a ring in a certain order. At the ends of each stator coil there are electromagnetic sensors which control positioning of ferromagnetic parts of the rotor in the said coils and interact with an electronic device for powering the coils of the motor. The motor torque depends on the diametre of the rotor, and from voltage across the coils. The motor does not have limited speed of rotation and has flat structure, which allows for its use in devices where other motors cannot carry out the required function.

EFFECT: provision for constant transmission of torque from the rotor to the motor shaft.

12 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к машиностроению, к электродвигателям, в частности к электродвигателям постоянного тока.The invention relates to mechanical engineering, to electric motors, in particular to DC motors.

Известны двигатели постоянного тока с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. Электродвигатели с параллельным возбуждением имеют постоянную скорость при различных нагрузках и возможность регулирования скорости в широких пределах. Скорость вращения электродвигателей с последовательным возбуждением можно регулировать или путем изменения напряжения на зажимах, включая последовательно с якорем регулируемое сопротивление, или изменением магнитного потока электродвигателя, что достигается шунтированием обмотки возбуждения реостатом. Свойства электродвигателей с последовательным возбуждением делают целесообразным их применение на транспорте, так как в этих случаях требуются большие вращающие моменты при малых скоростях вращения.Known DC motors with parallel, serial and mixed excitation. Electric motors with parallel excitation have a constant speed at various loads and the ability to control speed over a wide range. The speed of rotation of electric motors with sequential excitation can be controlled either by changing the voltage at the clamps, including adjustable resistance in series with the armature, or by changing the magnetic flux of the electric motor, which is achieved by shunting the field winding with a rheostat. The properties of electric motors with sequential excitation make it expedient to use them in transport, since in these cases large torques at low rotational speeds are required.

Недостатком этих электродвигателей этого типа является энергозатратный способ регулирования скорости вращения. Использование коллектора с щеточным механизмом уменьшает безремонтный срок работы электродвигателя и создает высокочастотные электромагнитные помехи. Электродвигатели имеют высокие массогабаритные показатели и высокую стоимость изготовления ввиду большой массы меди и магнитных материалов, используемых при их изготовлении.The disadvantage of these electric motors of this type is the energy-consuming method of controlling the speed of rotation. The use of a collector with a brush mechanism reduces the maintenance-free life of the electric motor and creates high-frequency electromagnetic interference. Electric motors have high overall dimensions and high manufacturing costs due to the large mass of copper and magnetic materials used in their manufacture.

Сущность изобретения заключается в иной конструкции электродвигателя, а именно в использовании в предлагаемом электродвигателе нового способа получения крутящего момента на валу путем применения соленоидных катушек и коммутирующего устройства, управляющего включением и выключением катушек. В конструкции электромагнитного двигателя применены три катушки, установленные в корпусе, внутри которых расположен ротор, выполненный в виде кольца, состоящего из четырех частей. Ротор состоит из двух ферромагнитных и двух немагнитных частей, соединенных между собой. Ротор внутренней зубчатой частью примыкает к трем шестерням с валами. На внешней поверхности ротора, на его немагнитных частях, имеются углубления для толкателей, управляющих контактами включателей, подающих напряжение на катушки.The essence of the invention lies in a different design of the electric motor, namely, in the use in the proposed electric motor of a new method of obtaining torque on the shaft by the use of solenoid coils and a switching device that controls the switching on and off of the coils. The design of the electromagnetic motor uses three coils installed in the housing, inside of which is located a rotor made in the form of a ring consisting of four parts. The rotor consists of two ferromagnetic and two non-magnetic parts interconnected. The inner gear rotor is adjacent to three gears with shafts. On the outer surface of the rotor, on its non-magnetic parts, there are recesses for pushers controlling the contacts of the switches supplying voltage to the coils.

Технический результат проявляется в повышении технических характеристик, а именно в увеличении диапазона частоты вращения вала двигателя от 0 до 10000 об/мин, достижении коэффициента полезного действия не ниже 0,98, получении высокого крутящего момента на валу электродвигателя, не зависящего от скорости вращения вала, что создает лучшую нагрузочную характеристику момента на валу электродвигателя.The technical result is manifested in an increase in technical characteristics, namely, an increase in the range of the engine shaft rotation frequency from 0 to 10,000 rpm, achievement of a coefficient of efficiency of not less than 0.98, and obtaining high torque on the motor shaft independent of the shaft rotation speed, which creates the best load characteristic of the moment on the motor shaft.

Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается за счет того, что в электромагнитном двигателе применены три катушки, установленные в статоре. Внутри катушек расположен ротор, выполненный в виде кольца, состоящего из четырех частей, из двух ферромагнитных и двух немагнитных частей, соединенных между собой в определенном порядке. Ротор внутренней зубчатой частью примыкает к трем шестерням с валами. На статоре установлены включатели, обеспечивающие поочередное включение катушек электромагнитов, что обеспечивает постоянную беспрерывную передачу крутящего момента без разрыва потока мощности от ротора на валы двигателя. Крутящий момент двигателя зависит от диаметра ротора и от напряжения на катушках Двигатель не имеет ограничений по скорости вращения.The specified technical result in the implementation of the utility model is achieved due to the fact that three coils installed in the stator are used in the electromagnetic motor. Inside the coils is a rotor made in the form of a ring consisting of four parts, of two ferromagnetic and two non-magnetic parts, interconnected in a certain order. The inner gear rotor is adjacent to three gears with shafts. Switches are installed on the stator, providing alternating switching on of the coils of electromagnets, which ensures constant uninterrupted transmission of torque without breaking the power flow from the rotor to the motor shafts. The engine torque depends on the diameter of the rotor and on the voltage on the coils. The engine has no speed limits.

На фиг.1 изображен вид электродвигателя со снятой крышкой.Figure 1 shows a view of the electric motor with the cover removed.

На фиг.2 - вид ротора.Figure 2 - view of the rotor.

На фиг.3 - таблица включения катушек электромагнитов в зависимости от угла поворота ротора.Figure 3 - table of the inclusion of coils of electromagnets depending on the angle of rotation of the rotor.

На фиг.4 - график зависимости величины крутящего момента вала электродвигателя от угла поворота ротора.Figure 4 is a graph of the magnitude of the torque of the motor shaft from the angle of rotation of the rotor.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем. На фиг.1 и 2 показан электромагнитный двигатель, состоящий из трех катушек (1-3), размещенных в статоре (4), изготовленного из немагнитного металла, например из алюминиевого сплава. Каркасы катушек жестко крепятся болтами через 120 градусов относительно друг друга, на статоре. Ротор (5), имеющий вид кольца, установлен, с возможностью скольжения, внутри каркасов катушек. Ротор (фиг.2) состоит из четырех равных частей - двух магнитных частей (6), изготовленных из ферромагнитной стали с узкой петлей гистерезиса, и разделенный двумя частями (7), изготовленными из немагнитной стали. Части ротора жестко соединяются между собой точечной сваркой и подвергаются механической обработке. На внешней стороне немагнитных частей ротора выполнены два углубления (8), имеющие по краям скосы (9), а также радиусы, обеспечивающие плавную работу плунжеров. Углубления (фиг.2), выполненные на роторе, занимают сектор 80 градусов (от 15 до 105 градусов) от нулевой отметки. Три плунжера (10-12) расположены в отверстиях статора через 120 градусов относительно друг друга и относительно нулевой отметки через 90, 210, 330 градусов. При работе двигателя плунжеры совершают возвратно-поступательные движения и управляют тремя включателями (13-15), производящими последовательное включение и выключение катушек электромагнитов двигателя. Включатели расположены на статоре через 120 градусов относительно друг друга и относительно нулевой отметки через 90, 210, 330 градусов и представляют собой контактные группы, примыкающие к управляющим плунжерам. Плунжеры изготовлены из бронзы, причем концы плунжеров, примыкающие к внешней поверхности ротора, имеют сферическую поверхность. Для усиления контакта с ротором плунжеры снабжены пружинами (16). Внутренняя зубчатая часть (17) ротора входит в зацепление с тремя шестернями (18-20), установленными через 120 градусов относительно друг друга. Шестерни имеют стальные накладки (21), примыкающие с двух сторон, с возможностью скольжения, к ротору, что позволяет отцентрировать ротор и исключить его механический контакт с каркасами катушек. Оси (22) шестерен установлены на шарикоподшипниках в гнездах статора и съемной крышке. Съемная крышка крепится к статору через прокладку болтами. Для изменения направления вращения двигателя устанавливаются на статоре три дополнительных плунжера и три включателя, расположенные через 120 градусов относительно друг друга и относительно нулевой отметки в точках 105, 225, 345 градусов (не показано). При высоких оборотах ротора двигателя вместо механического управления включением катушек электромагнитов применяется электронная система включения, обеспечивающая высокую надежность. Контакты включателя крепятся к корпусу через электроизолирующую прокладку и закрываются пластмассовыми накладками. Герметически закрытый корпус двигателя заполняется маслом, предназначенным для смазки трущихся взаимодействующих деталей и для охлаждения обмоток двигателя.Information confirming the possibility of carrying out the invention with obtaining the above technical result are as follows. Figures 1 and 2 show an electromagnetic motor consisting of three coils (1-3) placed in a stator (4) made of non-magnetic metal, for example, aluminum alloy. The coil frames are rigidly bolted through 120 degrees relative to each other, on the stator. The rotor (5), having the form of a ring, is mounted, with the possibility of sliding, inside the frames of the coils. The rotor (figure 2) consists of four equal parts - two magnetic parts (6) made of ferromagnetic steel with a narrow hysteresis loop, and separated by two parts (7) made of non-magnetic steel. Parts of the rotor are rigidly interconnected by spot welding and are machined. On the outside of the non-magnetic parts of the rotor, two recesses (8) are made, having bevels (9) along the edges, as well as radii, which ensure smooth operation of the plungers. The recesses (figure 2), made on the rotor, occupy a sector of 80 degrees (from 15 to 105 degrees) from zero. Three plungers (10-12) are located in the stator holes through 120 degrees relative to each other and relative to the zero mark through 90, 210, 330 degrees. When the engine is running, the plungers make reciprocating movements and control three switches (13-15), which sequentially turn on and off the motor electromagnet coils. The switches are located on the stator through 120 degrees relative to each other and relative to the zero mark through 90, 210, 330 degrees and are contact groups adjacent to the control plungers. The plungers are made of bronze, and the ends of the plungers adjacent to the outer surface of the rotor have a spherical surface. To enhance contact with the rotor, the plungers are equipped with springs (16). The inner gear part (17) of the rotor engages with three gears (18-20) installed 120 degrees from each other. The gears have steel plates (21), adjacent on both sides, with the possibility of sliding, to the rotor, which allows you to center the rotor and exclude its mechanical contact with the frames of the coils. The axis (22) of the gears are mounted on ball bearings in the stator sockets and a removable cover. The removable cover is bolted to the stator through the gasket. To change the direction of rotation of the engine, three additional plungers and three switches are installed on the stator, located after 120 degrees relative to each other and relative to the zero mark at points 105, 225, 345 degrees (not shown). At high engine rotor speeds, instead of mechanically controlling the switching on of the electromagnet coils, an electronic switching system is used, which ensures high reliability. The contacts of the switch are attached to the housing through an electrically insulating gasket and are closed with plastic overlays. The hermetically sealed motor housing is filled with oil designed to lubricate the friction interacting parts and to cool the motor windings.

Электродвигатель работает следующим образом. При подключении источника постоянного тока двигатель начинает сразу работать, т.к. независимо от положения ротора включена одна или две из трех катушек. Предположим, что до включения ротор занимал положение, показанное на фиг.1, что соответствует подключению катушек (1, 2) электромагнитов включателями (13, 14) к источнику питания. При подаче питающего напряжения в катушках (1, 2) возникают электромагнитные силы, под действием которых ферромагнитные части ротора втягиваются в катушки и стремятся занять положение в середине катушек, поворачивая ротор (5) вокруг его оси. В момент занятия каждой из ферромагнитных частей ротора центрального положения в каждой из катушек из углубления (8) поднимается плунжер (9), размыкающий контакты (10) включателей (13, 14), отключающих питающее напряжение с катушек (1, 2), что обеспечивает легкий выход ферромагнитной части ротора из катушек. При работе двигателя толкатели, управляемые ротором, поочередно включают и выключают катушки в определенной последовательности, показанной в таблице (фиг.3). При вращении ротора его внутренняя зубчатая часть передает крутящий момент на три шестерни и их валы. Ввиду того, что при работе двигателя происходит одновременное включение двух катушек или одной, происходит изменение крутящего момента на валу двигателя по величине. Величина изменения крутящего момента на валу двигателя за один поворот ротора отображена на графике (фиг.4).The electric motor operates as follows. When you connect a DC source, the motor starts to work immediately, because regardless of the position of the rotor, one or two of the three coils are turned on. Suppose that before turning on the rotor occupied the position shown in Fig. 1, which corresponds to connecting the coils (1, 2) of electromagnets with switches (13, 14) to a power source. When a supply voltage is applied to the coils (1, 2), electromagnetic forces arise, under the action of which the ferromagnetic parts of the rotor are pulled into the coils and tend to occupy a position in the middle of the coils, turning the rotor (5) around its axis. At the moment each of the ferromagnetic parts of the rotor is in a central position, a plunger (9) rises from the recess (8) in each of the coils, opening the contacts (10) of the switches (13, 14), which disconnect the supply voltage from the coils (1, 2), which ensures easy exit of the ferromagnetic part of the rotor from the coils. When the engine is running, the pushers controlled by the rotor turn the coils on and off in a certain sequence shown in the table (Fig. 3). When the rotor rotates, its internal gear part transmits torque to the three gears and their shafts. Due to the fact that when the engine is running, two coils or one are turned on simultaneously, the magnitude of the torque on the motor shaft changes. The magnitude of the change in torque on the motor shaft for one rotation of the rotor is displayed on the graph (figure 4).

Благодаря использованию в электромагнитном двигателе трех катушек, установленных на статоре, внутри которых расположен ротор, выполненный в виде кольца, состоящего из четырех частей, из двух ферромагнитных и двух немагнитных частей, соединенных между собой в определенном порядке, обеспечивается передача крутящего момента на вал двигателя без разрыва потока мощности. Благодаря тому, что ротор примыкает внутренней зубчатой частью к трем шестерням с валами, - это позволяет производить подключение к ним дополнительных механизмов. Предложенная конструкция электродвигателя не имеет ограничения скорости вращения снизу и может начинаться с нуля и повышаться до максимальных значений, ограничиваемых только механической прочностью используемых материалов и технологией подшипников. Например, диапазон частоты вращения от 0 до 10000 об/мин для одного и того же электродвигателя полностью достижим. Электродвигатель имеет повышенный коэффициент полезного действия не ниже 0,98, независящий от скорости вращения вала. Мощность электродвигателя не зависит от скорости вращения вала, что создает почти идеальную нагрузочную характеристику момента на валу электродвигателя. Массогабаритные показатели не зависят от скорости вращения вала, то есть можно сделать массу и габариты двигателя небольшими даже для скорости вращения вала 0-10 об/мин. Уменьшается стоимость изготовления электродвигателя, так как масса электродвигателя значительно уменьшается и, следовательно, уменьшается масса меди и масса магнитных материалов для изготовления. Предварительная оценка показывает, что стоимость снижается в 3-4 раза. Возможность модульного исполнения повышает надежность, так что выход из строя одного модуля только уменьшает мощность, но оставляет работоспособным сам электродвигатель. Ввиду устройства и технологического исполнения двигатель имеет плоскую форму, что обеспечивает применение его в устройствах, где другие двигатели не смогут выполнять нужную функцию. Таким образом, предлагаемый электромагнитный двигатель обладает существенными отличиями и полезными свойствами по сравнению со стандартными электрическими машинами.Thanks to the use of three coils mounted on a stator in an electromagnetic motor, inside of which there is a rotor made in the form of a ring consisting of four parts, two ferromagnetic and two non-magnetic parts interconnected in a certain order, torque is transmitted to the motor shaft without power flow breaking. Due to the fact that the rotor adjoins the three gears with shafts with the internal gear part, this allows additional mechanisms to be connected to them. The proposed motor design does not have a lower rotation speed and can start from zero and increase to maximum values, limited only by the mechanical strength of the materials used and bearing technology. For example, a speed range from 0 to 10,000 rpm for the same motor is fully achievable. The electric motor has an increased efficiency of not less than 0.98, independent of the shaft rotation speed. The power of the electric motor does not depend on the speed of rotation of the shaft, which creates an almost ideal load characteristic of the moment on the shaft of the electric motor. The overall dimensions do not depend on the shaft rotation speed, that is, it is possible to make the mass and dimensions of the engine small even for a shaft rotation speed of 0-10 rpm. The manufacturing cost of the electric motor is reduced, since the mass of the electric motor is significantly reduced and, consequently, the mass of copper and the mass of magnetic materials for manufacturing are reduced. A preliminary assessment shows that the cost is reduced by 3-4 times. The possibility of modular design increases reliability, so that the failure of one module only reduces power, but leaves the electric motor efficient. Due to the device and technological design, the engine has a flat shape, which ensures its use in devices where other engines will not be able to perform the desired function. Thus, the proposed electromagnetic motor has significant differences and useful properties compared to standard electric machines.

Claims

1. An electromagnetic DC motor containing a stator with three coils located in it through 120 °, and a rotor consisting of two ferromagnetic and two non-magnetic parts connected in a ring in a certain order and having two grooves on two non-magnetic parts, and three plungers adjacent to the mentioned grooves of the non-magnetic parts of the rotor interacting with the contacts of the stator coils, while the rotor with the inner gear part adjoins the three gears with shafts.

2. The electromagnetic motor according to claim 1, characterized in that it contains more than two ferromagnetic and more than two non-magnetic parts of the rotor connected in an alternating sequence, as well as more than three stator coils and the corresponding number of plungers and switching contacts of the coils.

3. The electromagnetic motor according to claim 1, characterized in that it has three gears with a minimum size connected to a gear of a shaft mounted on ball bearings in the stator sockets and the rotor cover.

4. The electromagnetic motor according to claim 1, characterized in that it has more than three gears with shafts.

5. The electromagnetic motor according to claim 1, characterized in that it is made in a modular design.

6. The electromagnetic motor according to claim 1, characterized in that it uses a power unit to change the speed of rotation of the shaft from 0 to 10000 rpm

7. An electromagnetic DC motor containing a stator with three coils located in it through 120 °, and a rotor consisting of two ferromagnetic and two non-magnetic parts connected in a ring in a certain order, while electromagnetic sensors are installed at the ends of each of the stator coils controlling the location of the ferromagnetic parts of the rotor in said coils and interacting with an electronic device for powering the motor coils.

8. The electromagnetic motor according to claim 7, characterized in that it contains more than two ferromagnetic and more than two non-magnetic parts of the rotor connected in an alternating sequence, as well as more than three stator coils and the corresponding number of electromagnetic sensors at the ends of the coils.

9. The electromagnetic motor according to claim 7, characterized in that it has three gears with a minimum size connected to a gear of a shaft mounted on ball bearings in the stator sockets and the rotor cover.

10. The electromagnetic motor according to claim 7, characterized in that it has more than three gears with shafts.

11. The electromagnetic motor according to claim 7, characterized in that it is made in a modular design.

12. The electromagnetic motor according to claim 7, characterized in that it uses a power unit to change the speed of rotation of the shaft from 0 to 10,000 rpm.