Превращаем стандартный мотор постоянного тока в мотор без противоЭДС.

Стандартный двигатель постоянного тока имеет простое строение (рис.1).

Рис.1. Схема двигателя постоянного тока.

Рисунок взят из Интернета. Но часть 2) на этом рисунке пришлось немного исправить — изменить расположение щеток и оставить «признак» протекания тока только в 4-х проводниках, ибо ток идет только через те проводники на роторе, которые в данный момент контактируют через пластину коллектора с щетками. В остальных «рамках» ротора тока нет.

Согласно давно отработанной практике ротор постоянного магнита состоит из массивного цилиндра из мягкого железа, в пазах которого располагаются рамки из меди, как показано на части 1) рис.1. При вращении ротора каждая рамка из меди периодически проходит между полюсами электромагнита статора 2, и тогда по рамке протекает электрический ток, но только в том случае, если секторы на коллекторе, к которым подключаются концы рамки, контактируют с щетками 6.

Чтобы у двигателя постоянного тока при деле было больше рамок из меди, следует щетки сделать шире, что не всегда возможно чисто технически, так как у маленького двигателя для установки более широких щеток нет необходимого пространства. Кроме того возрастет трение между щетками и пластинами коллектора. Но если это возможно, то следует над этим подумать. Хотя тут уже могут мешать принятые в электротехнике стандарты на размеры щеток. А изменить стандарты могут не позволить соответствующие органы управления, для которых важнее всего стабильность и спокойствие во вверенном им деле. А если стандарты имеют признание во свеем мире, то об изменении стандартов даже нет смысла думать.

Поэтому и вращаются роторы двигателей постоянного тока усилиями всего одной, максимум двух рамок. Кроме того, подача тока на рамку и отключение рамки от тока происходит автоматически в той зоне под башмаком статора, когда еще противоЭДС особо не проявляется. Так что показанный на рис.1 двигатель постоянного тока неэффективен чисто конструктивно. Если ширину щетки увеличить до таких размеров, что они смогут охватить сразу почти половину контактов на коллекторе с снизу и сверху, то вот тут уже могут проявиться в полной мере явления, связанные с противоЭДС.

Суть противоЭДС состоит в том, что при прохождении замкнутой рамки через неоднородное магнитное поле возникает ЭДС, которое стремится компенсировать эту неоднородность. Обращаю внимание, что противоЭДС возникает только при наличии замкнутой рамки проводника, по которому идет электрический ток, а сама рамка перемещается внутри неоднородного магнитного поля как во времени, так и в пространстве.

Фактически, противоЭДС есть результат взаимодействия двух магнитных полей. Внешнего неоднородного в пространстве и времени. И магнитного поля, которое создается замкнутым витком тока (внутреннее поле). И чем выше напряженность последнего магнитного поля и чем выше скорость изменения внешнего магнитного поля, тем больше величина противоЭДС.

Поэтому, увеличив площадь контура при одном и том же токе в проводнике, который этот контур создает, мы можем получить значительное уменьшение напряженности внутреннего поля, создаваемого контуром. А это приведет к заметному снижению противоЭДС. Значит, увеличив диаметр ротора мотора постоянного тока, можно практически полностью избавиться от противоЭДС. Видимо, поэтому Тесла строил свои генераторы и моторы с максимально возможным диаметром.

Одним из вариантов мотора постоянного тока, практически полностью лишенного противоЭДС является мотор Шкондина. Это достигается тем, что при вращении ротора полярность подключения электромагнитов, которые в зависимости от конструкции расположены на роторе или статоре, меняется на противоположную по мере вращения ротора по несколько раз за один оборот ротора. А разное число магнитов на статоре и электромагнитов на роторе (или наоборот) обеспечивает отсутствие мертвых точек. Поэтому мотор Шкондина легко запускается и выдает бОльшую мощность, чем моторы постоянного тока, у которых отношение числа магнитов и электромагнитов равно целому числу. Это отражено на рис.2, где двигатель у предложенного Шкондиным варианта двигателя 4 пары магнитных полюсов на роторе и 5 пар магнитных полюсов на статоре. Отношение не равно целому числу.

Рис.2. Двигатель Шкондина с ротором внутри статора.

На рис.2 важным элементом конструкции является коллектор, у которого пластины разной полярности чередуются друг с другом, а сами пластины отделены друг от друга «пластиной» из диэлектрика. Поэтому при вращении ротора на электромагниты ротора треть времени подается ток положительной полярности, треть времени электромагнит ротора оказывается обесточен, а еще треть времени на электромагнит ротора подается ток отрицательной полярности. Электромагниты часть траектории вначале притягиваются к магнитам статора, затем двигаются по инерции, а третью часть траектории отталкиваются от магнитов статора. И когда электромагнит (а это два магнитных полюса) притягивается к очередной паре магнитов статора, он в тоже время отталкивается от предыдущей пары магнитов, а когда отталкивается от очередной пары магнитов статора, он одновременно притягивается к следующей по кругу паре магнитов статора. Это позволяет посредством такого простого конструктивного решения практически удвоить мощность мотора при одном и том же постоянного тока.

Достоинством мотора Шкондина является то, что он всегда при запуске будет вращаться в одном и том же направлении. Либо по часовой, либо против часовой стрелке. Для изменения направления вращения мотора достаточно переключать полярность тока в одном месте одним тумблером.

Попытаемся разобраться, как нам переделать мотор постоянного тока, у которого конструкция похожа на двигатель Шкондина, но у которых отношение числа магнитных полюсов на роторе к числу магнитных полюсов на статоре равно целому числу. Например, на роторе 6 электромагнитов, а на статоре 3 магнитных полюса одной полярности. Или, если на роторе и статоре будет четное число магнитных полюсов.

Ясно, что такой электромотор будет работать только в том случае, если магнитное вращающееся поле будет формироваться переключением полярности обмоток электромагнитов на статоре, или, соответственно, роторе. Причем переключать обмотки можно как с помощью коллектора. Так и с помощью электронного переключателя. Например, так как показано на рис.3.

Рис. 3. Анимация работы бесколлекторного двигателя.

Предположим, что у нас мотор постоянного тока, у которого, например, 4 мощных постоянного магнита на статоре и 4 электромагнита на роторе. Примерно так, как на рис.4.

Рис.4 Мотор постоянного тока с равным числом полюсов на роторе и статоре.

Если у такого мотора на электромагниты ротора подавать попеременно меняющееся напряжение, то при правильной синхронизации каждый электромагнит ротора при приближении к магниту статора будет притягиваться, а при удалении от него — отталкиваться. Промежутки между электромагнитами на роторе будут обеспечивать вращение ротора только в одном направлении. В реальности, конструкция мотора может быть более совершенной, мне важно пока только изложить идею о возможной для этого мотора конструкции коллектора и узла со щетками.

Понятно, что коллектор должен «включить» южный полюс при приближении электромагнита ротора к магниту статора, а при удалении электромагнита ротора от магнита статора полярность электромагнита должна поменяться на противоположную — северную. Можно, естественно, собрать электронный коллектор. Возможно, это будет лучшим решением. Но покажем, как можно решить задачу с использованием обычного, слегка модернизированного коллектора и щеточного механизма.

У меня нет возможности показать решение в объёме, поэтому построю решение на плоскости в виде развертки (рис.5).

Рис.5 Схема подачи тока на электромагниты с помощью двух пар щеток.

При вращении ротора одна пара щеток, красная (вторая щетка подразумевается на диаметрально противоположной стороне коллектора) обеспечивает контакт ближе к обмоткам. А другая пара щеток (синяя) контактирует с удалёнными участками коллекторных пластин. Размеры коллекторных пластин, их конфигурация, а также размеры и расположение щеток должны быть выбраны таким образом, чтобы «красные» и «синие» щетки одновременно не контактировали с одной и той же пластиной коллектора. Это обеспечит непрерывное вращение ротора. При этом «красная» пара щеток подает напряжение на электромагнит тогда, когда он приближается к магниту статора, а «синяя» пара щёток меняет полярность подаваемого напряжения. И электромагнит ротора будет отталкиваться от магнита статора.

Говоря о магнитах статора, я имею в виду, что либо это действительно постоянные магниты, либо это электромагниты, полярность которых во время работы мотора не меняется.

Можно постоянные магниты разместить на роторе, а электромагниты, меняющие свою полярность во время работы ротора, можно разместить на статоре.

Понятно, что без особых затрат современное производство моторов постоянного тока можно легко перенастроить по предлагаемой мной схеме. Всего-то делов, слегка придется изменить конструкцию коллектора и вместо пары щеток использовать две. Копеечное дело. А в результате получаем двигатель постоянного тока без противоЭДС.

Остается продумать конструкцию, которая позволит с пары щеток подавать напряжение сразу на группы контактов коллекторов, одна пара щеток будет подавать напряжение на условно четные контакты, а другая — на нечетные.

Даже уже собранные и работающие двигатели постоянного тока можно превратить в практически лишенные противоЭДС, если щетки устанавливать не строго по вертикали, а слегка «повернуть» их по часовой или против часовой стрелке. При этом в зависимости от поворота щеток придется подбирать полярность подключения щеток, чтобы ротор мотора вращался в нужном направлении.

После такой простой переделки электромагниты ротора будут либо только притягиваться к магнитам статора, либо отталкиваться от них. При этом мы потеряем половину мощности от максимально возможной. Но это не такая уж большая потеря по сравнению с тем, что мы получим взамен — двигатель постоянного тока практически без противоЭДС.

Схема двигателя с противо эдс

Ни для кого не является секретом что в современных электродвигателях львиная доля энергии расходуется на преодоление так называемой противоЭДС, то есть просто выбрасывается в никуда.

Таким образом мы видим что:

где Uп — напряжение подведенное к двигателю

Uг — напряжение выработанное двигателем при вращении ротора

Uд — напряжение которое необходимо подать чтоб двигатель вращался на номинальных оборотах

Чтобы увидеть наличие этой противоЭДС вспомним, как в двигателях постоянного тока осуществляется регулировка частоты вращения. Необходимо помнить что, двигатели постоянного тока разделяются по принципу возбуждения, — на двигатели с последовательным возбуждение, двигатели с параллельным возбуждением (независимым) и двигатели со смешанным возбуждением. Для начала рассмотрим двигатель с параллельным или независимым возбуждением. При номинальном напряжении на зажимах электродвигателя мы имеем номинальную частоту вращения якоря, теперь чтобы уменьшить частоту вращения двигателя нам необходимо снизить напряжение питания якоря, таким образом, уменьшая Uп ротора мы уменьшаем разницу между подводимым напряжением и наведенным в роторе Uг, в итоге напряжение Uд снижается и двигатель уменьшает обороты до номинальных на данном напряжении. Теперь чтобы увеличить частоту вращения ротора выше номинальных нам необходимо уменьшать ток возбуждения, т.е. снизить напряжение подаваемое на возбуждение электродвигателя. Таким образом мы уменьшаем Uг напряжение генерируемое в двигателе, в итоге двигательное напряжение Uд увеличивается и ротор набирает обороты до номинальных при данном двигательном напряжении. В двигателях постоянного тока с последовательным возбуждением протекают аналогичные процессы, поэтому их нельзя включать на холостом ходу, в виду того что при малых токах двигателя, наводится незначительный магнитный поток возбуждения, что приводит к вырабатыванию малой величины генераторного напряжения и соответственно увеличению двигательного напряжения и росту оборотов до величины ограниченной только сопротивлением трения в подшипниках.

Если же рассматривать двигатели переменного тока синхронного (асинхронного), то здесь все видно еще нагляднее.

Есть такое понятие как пусковой ток, это ток который протекает через обмотки двигателя в момент пуска, пока двигатель не наберет номинальные обороты, то есть это ток который протекает через двигатель в тот момент, когда ротор не вращается и соответственно генераторная ЭДС U г у него равна «НУЛЮ», двигательное напряжение равно напряжению питания, ток ограничен только активным сопротивлением обмоток статора. Отсюда можно сделать вывод что для того чтоб по обмоткам двигателя протекал номинальный ток, необходимо приложить гораздо меньшее напряжение, при условии отсутствия противоЭДС.

Помня о том что было сказано выше начнем конструирование электродвигателя без так называемой генераторной ЭДС, которая наводиться в двигателе при его вращении.

Для начала, конечно же, вспомним самый простейший случай вращения рамки в магнитном поле.

Итак если вращать рамку в магнитном поле то по правилу правой руки в ней наводиться ЭДС, величина которой определяется по формуле:

Е_я = vBlsinα = vBl

Где l – длина проводника

v – скорость движения проводника

B – величина магнитной индукции

при замыкании рамки на нагрузку по ней протекает ток.

Зайдем с другой стороны, если рамку с током поместить в магнитное поле, то по правилу

левой руки она начнет вращаться под действием силы:

F _эм = IBlsinα = IBl

Где l – длина проводника

B – величина магнитной индукции

Тогда получается замкнутый круг, если по рамке течет ток, она вращается, в тоже время, если рамка вращается в ней наводиться ЭДС, и вся проблема в том, что оба эти процесса протекают одновременно и встречно друг другу.

Есть ли способ как то обойти этот закон физики? Надо попробовать. Начнем с того что попробуем избавиться от наведения ЭДС в рамке, чтоб такое проделать с вращающейся рамкой необходимо что бы оба плеча рамки проходили мимо одинакового полюса.

Но тогда скажете вы и обе силы F _эм , будут направлены в одну сторону и соответственно общий момент на валу будет равен 0. Верно. Как быть?

Будем думать дальше. Вспомним все существующие на сегодняшний момент электродвигатели и сравним их принцип работы. Выясняется что обычный синхронный двигатель работает немного на другом принципе, а именно там вращающееся поле статора тянет за собой постоянное магнитное поле ротора, т.е. вращает обычный магнит. Тогда почему бы не попробовать просто намагничивать ротор, и тогда во внешнем магнитном поле ротор провернется на некоторый угол, с определенным моментом.

Теперь остается вопрос в том как все это совместить. Оказывается и эта проблема легко решаема. Если статор выполнить из шести полюсов а обмотку ротора распределить таким образом что бы каждая простейшая рамка обоими полуплечами одновременно находилась под одноименным полюсом мы получим как раз то что доктор прописал.

Таким образом получаем распределенную обмотку ротора и пропуская ток по обмоткам как показано на рисунке мы имеем необходимое нам намагничивание ротора.

Осталось только немного привести все в надлежащий вид и мы имеем конструкцию двигателя без противоЭДС.

Автор сего опуса Чибирев Алексей Вячеславович.