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.