Электродвигатель постоянного тока

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявители Асанов Геннадий Васильевич Сычик Василий Андреевич(72) Авторы Асанов Геннадий Васильевич Сычик Василий Андреевич(73) Патентообладатели Асанов Геннадий Васильевич Сычик Василий Андреевич(57) Электродвигатель постоянного тока, содержащий статор с обмотками возбуждения,установленный на валу в подшипниках ротор с размещенной в пазах магнитопровода обмоткой, установленный на валу коллектор со щетками, отличающийся тем, что магнитопровод ротора выполнен в форме цилиндра из ферромагнитного материала, неподвижно соединен с помощью спиц со ступицей на валу ротора, а пазы магнитопровода ротора выполнены с закругленными краями, при этом отношение толщины магнитопровода к длине спиц составляет величину от 12 до 110, а диаметр ротора изменяется от 1 до 10 метров. 58842009.12.30 Полезная модель относится к коллекторным электрическим машинам постоянного тока и может быть использована в электроприводах, тяговых двигателях постоянного тока. Известен электродвигатель постоянного тока 1, который состоит из статора с якорной обмоткой, неподвижного коллектора, вращающегося щеточного узла, вспомогательного и силового ротора, герметичной оболочки и контактных колец. Недостатками такого электродвигателя являются невысокий КПД и сложная конструкция. Также известен электродвигатель постоянного тока 2, включающий статор с главными и дополнительными полюсами, вал, коллектор, установленный с одной стороны вала, в котором закреплены одни концы обмотки якоря, с другой стороны вала установлен дополнительный коллектор, а обмотка якоря выполнена в виде прямых стержней, вторые концы которых закреплены в этом коллекторе. Его недостатком являются также сложная конструкция и низкий КПД. Прототипом предлагаемой полезной модели является электродвигатель постоянного тока 3, который содержит якорь (ротор) с магнитопроводом, обмоткой, коллектором, установленным на валу в подшипниках, и статор, который содержит магнитопровод в виде полюсных наконечников и ярмо в виде двух скоб, между стержнями которых установлены катушки обмотки возбуждения. Недостатками устройства-прототипа являются 1. Невысокий КПД электродвигателя, обусловленный потерями энергии на гистерезис в прямоугольных пазах ротора. 2. Низкая тяговая сила электродвигателя ввиду небольшой площади витков коллекторной обмотки, создающей невысокий магнитный момент контура с током, то есть низкий механический момент. Техническим результатом полезной модели является повышение механического момента на валу электродвигателя, то есть его тяговой силы и коэффициента полезного действия. Поставленная задача достигается тем, что в электродвигателе постоянного тока, содержащем статор с обмотками возбуждения, установленный на валу в подшипниках ротор с размещенной в пазах магнитопровода обмоткой, установленный на валу коллектор со щетками, магнитопровод ротора выполнен в форме цилиндра из ферромагнитного материала, неподвижно соединен с помощью спиц со ступицей на валу ротора, а пазы магнитопровода ротора выполнены с закругленными краями, при этом отношение толщины магнитопровода к длине спиц составляет величину от 12 до 110, а диаметр ротора изменяется от 1 до 10 метров. Сущность полезной модели поясняет чертеж, где на фиг. 1 изображена конструкция электродвигателя постоянного тока, а на фиг. 2 - разрез конструкции электродвигателя постоянного тока. Конструктивно электродвигатель постоянного тока (ЭДПТ) содержит статор, включающий корпус 1, магнитные сердечники 2 с обмоткой 3, переднюю крышку 4 с токовводом, заднюю крышку 5, установленный на подшипниках 6 вал 7, на котором размещены коллектор 8 со съемными щетками 9, ротор (якорь), содержащий магнитопровод 10 с пазами 11, в которых уложена обмотка 12 якоря. Магнитопровод 10 ротора неподвижно соединен со ступицей 13 вала 7 спицами 14. В статоре ЭДПТ размещено четыре магнитных сердечника 2 с обмотками 3, которые представляют 4 пары полюсов, причем обмотки 3 статора соединены последовательно. Они создают оптимальный по величине магнитный поток Ф и обеспечивают заданную частоту магнитного поля индуктируемой в обмотке 12 якоря ЭДС. Магнитные сердечники 2 статора и магнитопровод 10 ротора выполнены из ферромагнитного материала, например электротехнической стали. Для снижения потерь на гистерезис в магнитопроводах статора и ротора пазы 11 магнитопроводов выполнены с закруглениями, радиус которых зависит от ширины и глубины пазов и, как показали ре 2 58842009.12.30 зультаты эксперимента, составляет 0,20,6 ширины пазов. Обмотки 3 магнитных сердечников 2 и обмотка 12 якоря выполнены из толстого медного провода, что обеспечивает низкое активное сопротивление обмоток и малые электрические потери в меди. Обе составляющие позволяют более чем на 10увеличить КПД электродвигателя. Обмотка 12 якоря посредством коллектора 8 со щетками 9 соединена параллельно с обмоткой статора, а обмотки 3 магнитных сердечников 2 статора соединены последовательно и они подключены к источнику постоянного тока. Механический момент, возникающий на валу ЭДПТ, определяется из зависимости МРмВм,где Рмя - магнитный момент контура с током в обмотке ротора я - ток в обмотке 12 якоря- вектор, равный площадиконтура витка в обмотке 12 и направленный по нормали к плоскости контура- угол между векторами Рм и В. При этом 2, гдерадиус ротора. Ротор развивает на валу 7 ЭДПТ механический момент, то есть тяговое усилие, равный М,где- крутящая вал 7 сила- радиус ротора- момент инерции ротора- угловое ускорение, причем 2,- масса ротора. С учетом выражений (1) и (2) для получения максимального механического момента на валу 7 ЭДПТ необходимо значительно увеличить радиусротора, естественно и габариты статора. Как показали результаты расчета и эксперимента, диаметр ротора изменяется в пределах от 1 до 10 м, а для снижения материала для изготовления ротора и повышения жесткости ротора в процессе его вращения он выполнен с цилиндрическим магнитопроводом 10, соединенным посредством спиц 14 со ступицей 13 вала, причем отношение толщины магнитопровода к длине спиц в зависимости от радиуса ротора составляет величину от 12 до 110. Вал 7, ступица 13, корпус статора могут быть изготовлены из легковесных, прочных, термостойких сплавов алюминия. Электродвигатель постоянного тока работает следующим образом. При подаче питающего напряжения постоянного тока на параллельно соединенные обмотки 3 статора и обмотку 12 якоря через них протекает ток. Протекающий ток в обмотках 3 статора с создает магнитодвижущую силу, где- суммарное число витков в обмотке статора, которая создает магнитный поток статора Ф, воздействующий на ротор. Протекающий в обмотке 12 якоря ток я создает магнитный момент ротора Рмяяя 2, где я - число витков обмотки якоря,- радиус ротора. Электромагнитный момент, приложенный к якорю МэКмФя, где Км - постоянный коэффициент,зависящий от конструктивных параметров ЭДПТ Ф - магнитный поток возбуждения. В результате на валу ЭДПТ возникает механический момент МФРм, обеспечивающий большое тяговое усилие на валу двигателя М. Разработан лабораторный образец электродвигателя постоянного тока по представленной на фиг. 1 и фиг. 2 конструкции. Диаметр ротора составил 1 м, число витков обмотки якоря, намотанных на магнитопровод из электротехнической стали из 102 медным проводом диаметром 6 м, составило я 300. В статоре использованы четыре магнитосердечника, на которых намотаны обмотки статора медным проводом 4 мм с числом витков 200 витков в каждой обмотке. Тяговый механический момент на валу двигателя составляет 1,2 тоннаметр, то есть более чем в 3 раза выше, чем у аналогов и прототипа,а КПД ЭДПТ достигает 92 . Промышленное освоение предлагаемого электродвигателя постоянного тока возможно на предприятиях электротехнической промышленности. 3 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4