БЕСШУМНЫЙ, ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЙ, ИЗНОСОУСТОЙЧИВЫЙ, ЛЕГКО УПРАВЛЯЕМЫЙ, РАБОТАЮЩИЙ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ СКОРОСТЕЙ ДВИГАТЕЛЬ - ЭТО НЕ СОН !

В России изобретены и запатентованы способ и устройство для преобразования электромеханических сил, на основе которых могут быть созданы приводные устройства, выполняющие функции бесколлекторного электрического двигателя-генератора на номинальную мощность от единиц ватт до сотен киловатт.

Новое приводное устройство, работающее в режиме двигателя, принципиально отличается от существующих электрических двигателей, несмотря на то, что совершает механическую работу, используя электрическую энергию. Точно так же, как паровая машина принципиально отличается от двигателя внутреннего сгорания, несмотря на то, что оба совершают механическую работу, используя химическую энергию разложения органических материалов (уголь, бензин). Об этом свидетельствуют их совершенно непохожие друг на друга механические характеристики.

Принцип преобразования электромеханических сил основан на применении в подвижной части механической системы электромагнитного реактора, выполняющего функцию "энергетического зеркала", и взаимодействующей с неподвижной частью с помощью определенным образом сформированных магнитных полей, создаваемых электромагнитной системой специальной конструкции.

Новое приводное устройство обладает тремя качественными характеристиками, отличающего его от существующих в настоящее время силовых приводов.

Первое, это то, что оно обладает исключительно высокой устойчивостью к катастрофическим отказам. Отказ до половины от общего количества обеспечивающих его работу функциональных элементов вызывает лишь пропорциональное уменьшение максимальной рабочей мощности, но не приводит к катастрофическому отказу. Внезапный катастрофический отказ возможен лишь в случае механического разрушения устройства в целом.

Второе - оно обладает способностью плавного регулирования и реверсирования момента силы тяги на валу устройства.

Третье - оно имеет две раздельные шины: силовую - для питания и информационную - для управления.

Изобретение может быть использовано в силовых установках летательных аппаратов, т. к. удельная мощность на единицу веса у предлагаемого устройства на порядок выше, чем у классических аналогов, (частота работы электромагнитного реактора десятки килогерц); в приводных устройствах машин, станков, инструментального оборудования, бытовой техники и др., особенно там, где необходим большой диапазон изменения скоростей при сохранении управляемых силовых взаимодействий, а также, в маховичных накопителях электрической энергии, т.к. конструктивно может быть выполнено с внешним ротором.

Основные силовые характеристики нового приводного устройства, при использовании современных материалов и технологий изготовления следующие.

Удельная номинальная мощность на единицу
веса (кВт/кГ)                                                      -     1,0 - 1,5

Коэффициент полезного действия
электромеханического преобразования 
в широком диапазоне скоростей                   -     0.85 - 0.95

Ниже представлены диаграммы, позволяющие на качественном уровне сравнить механические и электромеханические характеристики асинхронного электрического двигателя и нового приводного устройства.

                   Рис. 1                                                 Рис. 2

Все данные, в отношении асинхронного двигателя, взяты из “Общей электротехники для вузов" под ред. д-ра техн. наук А. Т. Блажкина.

На рис. 1 представлен график механической характеристики асинхронного двигателя. Он связывает между собой две механические величины - вращающий момент (M), развиваемый асинхронным двигателем, и скорость вращения (n).

При этом, no - скорость вращения магнитного поля, nхол - скорость вращения ротора без нагрузки, а Mпуск - вращающий момент при нулевой скорости ротора.

Механическая характеристика, т.е. зависимость вида n(M), является основной характеристикой любого типа двигателя, определяющей его эксплуатационные возможности.

Для асинхронных электродвигателей основополагающим является то, что явления, лежащие в основе создания механических сил на валу, напрямую зависят от скорости вращения ротора двигателя. Это означает, что скорость вращения ротора двигателя должна находится в пределах 0.9-0.97 от скорости вращения магнитного поля, определяемого частотой сети питания (фактор скольжения). Точка Mмакс механической характеристики соответствует положению неустойчивого равновесия, так как при малом снижении скорости, обусловленном незначительным увеличением момента нагрузки, момент двигателя не растет, а падает. При превышении механической нагрузки выше Mмакс двигатель резко останавливается. То есть, асинхронный двигатель в принципе не может работать со скоростью вращения меньше nмин.

С другой стороны, для асинхронных двигателей увеличение механической нагрузки, увеличивающее момент силы на валу двигателя при малом изменении скорости вращения ротора, приводит к увеличении совершаемой двигателем работы в единицу времени и, соответственно, к увеличению тока потребления от источников электропитания. Что видно на графике зависимости тока потребления от скорости вращения на рис. 2. При остановке асинхронного двигателя из-за механической перегрузки ток потребления возрастает в несколько раз выше номинального, что приводит к выходу его из строя.

Другими словами, скорость вращения ротора асинхронного двигателя жестко связана с частотой электрического тока сети, питающей двигатель, что сильно ограничивает его применение в тех областях, где требуется регулируемость механических взаимодействий со средой, в частности, на транспортных средствах.

На рис 3 представлено семейство механических характеристик, а на рис 4 показана электромеханическая характеристика принципиально нового электродвигателя (реакторного).

                 Рис. 3                                               Рис. 4

Семейство механических характеристик показывает тот факт, что реакторный двигатель позволяет плавно изменять механический момент силы ротора двигателя.

Причем, пространство, ограниченное осями координат и самой верхней характеристикой, определяет допустимый рабочий режим реакторного двигателя, который, в свою очередь, зависит от его максимальной мощности.

При этом, имея механический момент нагрузки, определяемый абциссой прямоугольника A, можно регулировать скорость вращения двигателя в пределах ординаты этого прямоугольника. То есть, если момент нагрузки изменяется в пределах от 0 до М1, то независимо от его значения можно установить любую скорость вращения ротора в пределах от 0 до n1. То же самое, для любых других механических моментов нагрузки в пределах 0 - Мmax, можно в пределах ординат соответствующих прямоугольников (например B или C) регулировать скорость вращения двигателя.

С другой стороны, если установлена необходимая скорость вращения двигателя, например n3, то независимо от изменения механической нагрузки в пределах от 0 до М3, скорость n3 можно поддерживать постоянной, плавно подстраивая момент силы вала моменту силы нагрузки. То же самое достигается и для любых других скоростей вращения в пределах от 0 до nхол.

В режиме холостого хода или с очень малой механической нагрузкой реакторный двигатель может развивать очень высокие скорости вращения, до нескольких сотен тысяч оборотов в минуту.

Семейство механических характеристик реакторного электродвигателя очень похоже на семейство механических характеристик парового двигателя, где Mmax определяется давлением пара, а скорость вращения n регулируется скоростью поступающего в цилиндры пара в пределах ординат прямоугольников, соответствующих механическому моменту нагрузки.

Электромеханическая характеристика (рис. 4) показывает зависимость тока потребления двигателя от скорости вращения (показана только для верхней характеристики рис. 3). Так как, механические характеристики реакторного электродвигателя являются мягкими, то увеличение механической нагрузки приводит к соответствующему механическим характеристикам уменьшению скорости вращения. Поскольку работа, совершаемая двигателем за единицу времени, пропорциональна моменту силы тяги и скорости вращения, а момент силы тяги реакторного двигателя при изменении механической нагрузки, в отличии от асинхронного, не меняется, то увеличение механической нагрузки приводит к уменьшению совершаемой двигателем работы, что приводит к уменьшению потребляемого им тока от источника питания.

При нулевой скорости двигатель потребляет минимальный ток, связанный с незначительными, но неизбежными электрическими и магнитными потерями.

При реверсировании силы тяги, вращение ротора относительно момента силы тяги становится отрицательным и двигатель переходит в режим генератора.

При этом, отрицательное значение тока на характеристике показывает, что ток течет в обратном направлении - от двигателя к источнику питания. Это явление аналогично работе паровой машины в режиме торможения, при котором она выполняет роль поршневого компрессора, закачивая воздух в котел.

ПРИМЕНЕНИЕ НА ТРАНСПОРТЕ

Одна из областей применения - это использование изобретения в приводных устройствах на транспортных средствах. Приводные устройства электрически подключается к накопителю электрической энергии, а механически связаны с колесами или могут быть непосредственно встроены в колеса транспортного средства для создания силы тяги.

При этом, проявляются следующие уникальные особенности.

1. Сила тяги не зависит от скорости вращения колеса во всем практическом диапазоне скоростей перемещения транспортного средства (без вариатора), может изменять направление и плавно регулироваться устройством управления от нуля до максимума, зависящего от конструкции приводного устройства, при этом, общая сила тяги равна сумме сил, создаваемых всеми приводными устройствами транспортного средства. Это результат "мягкой" механической характеристики реакторного электродвигателя, которые при работе на общую нагрузку, обладают свойством выравнивания передаваемой каждому колесу энергии. Заставить работать таким же образом асинхронные двигатели практически невозможно.

2. При разгоне, приводные устройства преобразуют энергию накопителя электрической энергии в кинетическую энергию движения транспортного средства, а при торможении (изменением направления силы тяги) приводные устройства преобразуют кинетическую энергию движения в электрическую, возвращая ее в накопитель электрической энергии, при этом, подвижная часть приводных устройств не имеет электрических контактов с неподвижной частью.

3. Отсутствует пробуксовка колес при разгоне и блокировка колес при торможении транспортного средства.

4. Не нужны коробка передач, и сцепление. Для изменения коэффициента передачи системы "двигатель - колесо" идеально подходит автоматический клино-ременной вариатор. Эту уникальную особенность следует рассмотреть подробнее.

У двигателя внутреннего сгорания (ДВС) механическая характеристика (зависимость скорости вращения вала двигателя от механической нагрузки, рис 1), как и у асинхронного электродвигателя (АЭД), является "жесткой". Внешне это проявляется следующим образом. При изменении механической нагрузки на валу двигателя от нуля до некоторого критического значения скорость вращения вала двигателя изменяется незначительно. При превышении нагрузки выше критического значения АЭД лавинообразно останавливается, а ДВС глохнет.

У реакторного электродвигателя (РЭД) механическая характеристика является "мягкой" (рис 3). Внешне это проявляется следующим образом. При изменении механической нагрузки на валу РЭД от нуля до значения равного моменту силы тяги на валу РЭД, создаваемого магнитными силами, скорость вращения вала РЭД пропорционально уменьшается от некоторого максимального значения до нуля, при этом, момент силы тяги на валу РЭД не изменяется.

Рассмотрим эффекты применения двигателей с "жесткими" и "мягкими" механическими характеристиками на транспорных средствах (ТС) с автоматическими вариаторами (АВ).

Когда ТС с ДВС и АВ, двигаясь с некоторой скоростью по горизонтальной трассе, выезжает на подъём, происходит увеличение механической нагрузки на вал двигателя. Если значение механической нагрузки превысит критическое, то двигатель глохнет. Автоматический вариатор, управляемый скоростью вращения вала двигателя, никак не реагирует на изменение нагрузки, так как "жесткость" характеристики ДВС не позволяет изменить частоту вращения при изменении механической нагрузки. Причём, попытка изменить коэффициент передачи АВ, уменьшив частоту вращения вала двигателя перед подъёмом, ни к чему не приведёт, так как момент силы на валу ДВС так же уменьшается пропорционально частоте вращения вала ДВС. Тот же эффект проявляется при использовании вместо ДВС АЭД.

Если в ТС с АВ применяется РЭД, то увеличение механической нагрузки на валу двигателя приводит к уменьшению скорости вращения вала двигателя, при этом, сохраняется неизменным момент силы тяги. АВ, реагируя на это, понижает кэффициент передачи системы "двигатель-колесо" до тех пор, пока значение механической нагрузки не станет меньше значения момента силы тяги двигателя. При этом скорость вращения вала двигателя стабилизируется и ТС благополучно преодолевает подъём.

Таким образом, электрический реакторный двигатель и автоматический клино-ременной вариатор - это идеальная пара, на базе которой могут быть созданы экологически чистые, экономичные, эффективные силовые приводы для транспортных средств.

Разработаны методики расчета, оптимизации и коррекции, а также необходимое программное обеспечение, для проведения опытно-конструкторских работ по созданию широкого спектра новых устройств различного назначения.

Механико-энергетические характеристики для транспортных средств

Конструкция электромагнитной системы

Способ электромеханического преобразования

Контакт: Валерий Викторович Вежов, valeryv@mail.ru