Материал: Двигатель постоянного тока со скользящими контактами

Двигатель постоянного тока со скользящими контактами

ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА СО СКОЛЬЗЯЩИМИ КОНТАКТАМИ

О.Ф. Меньших

Работа относится к области магнетизма и может быть использована при построении бесколлекторного двигателя постоянного тока.

Широко известны униполярные машины, основанные на известном опыте М.Фарадея (1841г.) с так называемым «диском Фарадея» [1] - проводящим диском с радиальными токами в нём - от оси вращения диска к его краям, находящимся в поперечном к плоскости диска постоянном и однородном магнитном поле и подключённым к источнику постоянного тока через скользящие контакты. При этом никакой коммутации постоянного тока, характерной для коллекторных двигателей постоянного тока [2], в опытах с диском Фарадея и во всех существующих униполярных машинах, не происходит, и в рабочих дисках ротора протекает чисто постоянный ток. Известно построение бесколлекторного двигателя постоянного тока [5]. Недостатком этого устройства является малое сопротивление рабочей обмотки в форме металлического покрытия ребристо-цилиндрического магнитопровода статора, что приводит к большим потерям энергии в подводящих проводниках.

Указанный недостаток устранён в заявляемом техническом решении, с целью упрощения конструкции и увеличения энергетической эффективности устройства.

Эти цели достигаются в заявляемом двигателе постоянного тока со скользящими контактами, содержащем рабочую обмотку, связанную с источником постоянного тока, отличающимся тем, что рабочая обмотка выполнена на постоянном магните в форме параллелепипеда с осью вращения, на которой установлены изолированные от этой оси кольцевые контакты, подключённые к концам рабочей обмотки, с примыкающими к кольцам щётками, соединёнными с источником постоянного тока, части витков рабочей обмотки располагаются на магнитных полюсах постоянного магнита, и эти части витков коллинеарны оси вращения, а для замыкания магнитного потока постоянного магнита использован железный магнитопровод, образующий с магнитом два рабочих магнитных зазора с сильным магнитным полем и расположенными в этих зазорах указанных частей витков рабочей обмотки, а в качестве постоянного магнита предпочтительно использовать неодимовый магнит NdFeB.

Достижение указанной цели объясняется аналогично тому, как вращается диск Фарадея, жёстко скреплённый с постоянным магнитом, в магнитном зазоре которого находится проводящий диск с постоянным током, радиальные направления которого ортогональны векторам магнитного поля. В отличие от низкоомного диска в заявляемом устройстве применена многовитковая обмотка из проводника, выполненная на постоянном магните в форме параллелепипеда. В тех частях витков этой обмотки, которые находятся внутри двух магнитных зазоров между магнитом и замыкающим его магнитное поле железным магнитопроводом, возникают Лоренцевы силы по известному «правилу левой руки», и эта пара сил образует вращательный момент, что и вызывает вращение ротора-магнита с рабочей обмоткой и железным магнитопроводом, как единого целого. Это позволяет существенно снизить потери в подводящих проводниках за счёт снижения величины постоянного тока в рабочей обмотке.

На рис.1 представлена конструкция заявляемого двигателя со снятым с него железным магнитопровода (для наглядности внутренней конструкции), а на рис.2 дано упрощенное представление устройства с установленным в нём железным магнитопроводом.

Устройство состоит из следующих элементов (рис.1):

1 - неодимовый постоянный магнит в форме параллелепипеда со сторонами a, b и L при этом магнитные полюсы N и S имеют размеры b х L; направление магнитного поля указано фигурной стрелкой - от северного полюса к южному снаружи магнита;

- рабочая обмотка, содержащая n витков изолированного проводника диаметром d, намотанных, например, в один слой виток к витку по всей длине b;

- ось вращения ротора с подшипниковой парой по концам (корпус двигателя не показан);

- кольцевые контакты со щётками, изолированными от оси вращения 3; к которым подключены концы рабочей обмотки 2;

- источник постоянного тока (например, аккумулятор) с напряжением U;

- выключатель двигателя.

Ток I в рабочей обмотке показан сплошной стрелкой, а пара сил F, приложенных вдоль граней b х L магнита 1, показаны пунктирными стрелками. Эти силы образуют пару сил с вращательным моментом M = а F. Направление вращения ротора показано фигурной стрелкой согласно «правилу левой руки».

На рис.2 показана сборка частей двигателя с железным магнитопроводом 7.

Рассмотрим действие заявляемого двигателя.

Длина частей витков рабочей обмотки, находящихся в каждом из двух магнитных зазоров шириной h между гранями магнита 1 и гранями железного магнитопровода 7 при числе витков n = b / d, равна

LΣ = n L = b L / d

F = B LΣ I = B b L I / d

и вращательный момент

M = а F = B а b L I / d

а мощность вращения ротора равна

P = ω M

где ω - угловая скорость вращения оси 3 ротора двигателя. Произведение а b L - - суть объём магнита 1.

Сопротивление проводника рабочей обмотки

r = 2 n (а + L) ρ / q

где ρ - удельное сопротивлении проводника (для меди ρ = 0,017 Ом * м /мм2 ), q - сечение провода в мм2

Падение напряжения на активном сопротивлении рабочей обмотки равно Δ U = I r. При напряжении источника постоянного тока 5 U угловая скорость вращения ротора ω вычис-ляется из известного соотношения

Е = U - Δ U = 2 B LΣ v

где Е - э.д.с. индукции, возникающей в рабочей обмотке 2 при её движении с линейной скоростью v = ω а / 2. Таким образом, угловая скорость вращения ротора вычисляется по следующей формуле:

ω = (U - Δ U) / B а LΣ

При этом механическая мощность двигателя P = (U - Δ U) I линейно возрастает с увеличением напряжения источника постоянного тока. С увеличением напряжения U также возрастает линейно угловая скорость вращения ротора двигателя, что используется для регулирования скорости вращения оси двигателя. Пусковой момент такого двигателя определяется начальным током Iпуск = U / r.

Важной особенностью заявляемого двигателя является отсутствие в рабочей обмотке коммутации тока, характерной для коллекторных двигателей постоянного тока, и ток в рабочей обмотке неизменен во времени. Наличие переходных процессов в коллекторных двигателях ограничивает их быстродействие. Этот существенный недостаток коллекторных двигателей отсутствует в заявляемом типе двигателя.

Другой важной особенностью предлагаемого устройства является его действие при кажущемся нарушении третьего закона Ньютона, что позволяет считать вращение ротора-магнита вместе с рабочей обмоткой в качестве «безопорного», так как силы Лоренца с одной стороны приложены к рабочей обмотке, а с другой - неизвестно к чему, но не на полюсы N и S ротора-магнита, так как эти полюсы вращаются вместе с рабочей обмоткой. Может создаться впечатление, что опорой сил Лоренца является некое физически нематериальное поле, от которого отталкиваются части витков рабочей обмотки, расположенные в двух магнитных зазорах между магнитом 1 и железным магнитопроводом 7. Этот феномен, доказанный экспериментально, должен стать объектом научного обоснования.

Одной из возможных гипотез, высказываемых автором, может стать реактивная тяга, вращающая ротор-магнит, при которой касательные к окружности радиуса a / 2 силы Лоренца являются объектами такой реактивной тяги. Другим возможным объяснением такого вращательного движения является создаваемое движущимися в поперечном магнитном поле свободными электронами однонаправленное давление на кристаллическую решётку провод-ника. Но в этом случае следует признать возможность перемещения центра инерции тела проводника рабочей обмотки под действием внутренних сил в замкнутой механической системе, что на современном этапе отвергается традиционной наукой.

двигатель магнитопровод ротор обмотка

Литература

2. Д.В.Сивухин, Общий курс физики, 2 изд., т.3, Электричество, М., 1983;

. Электрические униполярные машины, под ред. Л.А.Суханова, М., ВНИИЭМ, 1964, с.14;

. «Электричество», № 8, 1991, с.6-7, рис.8;

. О.Ф.Меньших, Бесколлекторный двигатель постоянного тока, Патент РФ № 2391761,опубл. в бюлл. № 16 от 10.06.2010.