Изобретение относится к области получения механической энергии за счет преобразования энергии магнитного и электростатического полей и может быть применено при создании сверхвысокооборотных двигателей.

Ближайшим аналогом реализации способа преобразования энергии магнитного и электростатического полей в механическую энергию (далее способ, принцип) являются вентильные и асинхронные двигатели. Основное отличие заключается в принципе преобразования энергии поля. В вышеназванных двигателях для получения механического усилия используется градиент магнитного поля, создаваемый динамичными обмотками относительно стационарного поля магнитов или обмоток возбуждения (беличьей клетки) при различном числовом соотношении количества полюсов магнитов (обмоток возбуждения) и полюсов взаимодействующих обмоток.

Техническая проблема, для решения которой предложено настоящее изобретение, заключается в том, что используемый градиент не позволяет эффективно использовать силу магнитного либо электростатического полей.

Технический результат заключается в использовании прямых, коротких взаимодействий статического и динамично изменяемого полей.

В нижеописанном способе используется ближнее, прямое взаимодействие динамичных и стационарных полей, одномоментно на всей площади их взаимодействия. Взаимодействующие поля могут быть магнитными, электростатическими либо любой другой известной, либо неизвестной пока науке природы. Количество стационарных полюсов всегда равно количеству управляемых взаимодействующих полюсов.

Суть изобретения поясняется чертежами: фиг.1 - фиг.10.

Способ преобразования энергии магнитного и электростатического полей в механическую энергию осуществляют следующим образом. Разберём осуществление способа на примере высокооборотного двигателя (фиг.1) с использованием стационарных магнитов 3, статора 1 и обмоток А и В без магнитопровода, выполненных медной шиной уложенной в немагнитный каркас ротора 2 «змейкой», волновым способом (фиг.2).

Постоянные магниты 3 или обмотки возбуждения электрических секторов укладывают в статор 1 - фиг.1, с последовательным чередованием обращённых к ротору 2 полюсов - коммутацией обмоток, секторов. Ротор выполняют в виде каркаса из немагнитного материала с заложенными в него одной или более дополнительными обмотками А и В, смещёнными относительно друг друга на половину ширины магнита 3 и размещенными в пределах одного магнитного, электростатического полюса для создания момента движения в поле магнитов. В исходном состоянии ротор не взаимодействует со статором и имеет свободный холостой ход и накат. Магнитные полюса, создаваемые магнитами и обмотками, условно обозначены диагональной (S) и перекрёстной (N) штриховкой. Далее взаимодействия будут рассмотрены пошагово.

При подаче постоянного тока в обмотки А и В ротор под действием сил Ампера занимает неподвижное положение относительно статора, обусловленное уравновешенным положением взаимодействующих полей постоянных магнитов и полей обмоток А и В - фиг.З.

Далее, изменяют полярность питания обмотки В. При этом происходит смещение результирующего поля ротора относительно поля статора на дистанцию, равную половине ширины магнитов статора - фиг.4 и, как следствие, ротор устремляется занять уравновешенное положение относительно магнитов статора, сдвигаясь при этом вправо - фиг.5.

Далее, изменяют полярность питания обмотки А. При этом происходит следующее смещение результирующего поля ротора относительно поля статора на половину ширины магнитов - фиг.6 и ротор опять устремляется занять уравновешенное положение относительно магнитов статора, сдвигаясь при этом опять вправо - фиг.7.

Далее, снова изменяют полярность питания обмотки В. При этом происходит следующее смещение результирующего поля ротора относительно поля статора на половину ширины магнитов - фиг.8 и ротор опять устремляется занять уравновешенное положение относительно магнитов статора, сдвигаясь при этом опять вправо - фиг.9.

Таким образом, происходит направленное, дискретное движение ротора относительно статора. Активная часть двигателя (статор с ротором), использующая описанный способ, может быть выполнена как в линейном виде, так и в форме кольца с валом, расположенным в его центре.

Магнитное поле статора может быть создано как постоянными магнитами, так и обмотками возбуждения. Для низкооборотных двигателей токопроводящая шина может быть заменена на обычные катушки, выполненные обмоточным проводом. Катушки обмоток могут быть включены последовательно, параллельно, разбиты на группы в зависимости от требуемой скорости перемещения ротора. Обмотки могут быть выполнены как с магнитопроводом, так и без него. Также двигатель может быть выполнен полностью из обмоток, без применения моторного железа и магнитов, используя для движения только поле, создаваемое своими обмотками.

Для изготовления двигателей сервопривода, в целях повышения точности перемещения, количество смещённых в пределах полюса статора обмоток может быть увеличено, при условии сохранения алгоритма их последовательной коммутации.

В электростатическом варианте двигателя роль магнитных полюсов выполняют металлизированные участки-секторы поверхности статора и ротора, выполненных из диэлектрического материала. Металлизация имеет фактурную поверхность в виде коротких иголочек, концентрирующих на себе электрические заряды. Для увеличения силы взаимодействия следует применить ферритовое напыление лицевой поверхности секторов в пространстве между иголками. В таком варианте однополярные секторы начала и концов «обмоток» ротора должны быть соединены в отдельные группы и коммутироваться инверсно по отношению друг к другу - фиг.10. Статорные секторы включены с чередованием полярности «+» и «-». Для повышения точности позиционирования ротора количество его коммутируемых секторов в пределах одного полюса статора может быть увеличено при условии сохранения алгоритма их последовательной коммутации. Высокая электрическая ёмкость таких «обмоток» позволит создать достаточно низковольтный электростатический двигатель с напряжением питания до 1000 В.

Коммутация обмоток (секторов) двигателя может быть реализована как с помощью механического коммутатора-коллектора, размещённого на валу двигателя или на поверхности перемещения в случае линейного исполнения двигателя, так и с помощью электронного коммутатора с применением датчиков Холла либо с заданной, регулируемой частотой коммутации. Схема коммутатора может быть мостовой для режимов точного позиционирования ротора либо полумостовой для обычного, двигательного режима. При использовании в качестве сервопривода в станках с ЧПУ или в робототехнике обмотки (секторы) двигателя могут коммутироваться одиночными импульсами, посредством программно-управляемого контроллера.

Описанный способ даёт возможность программного управления двигателем, задавать направление, угол, значение, количество дискретных перемещений за единицу времени, а также использовать двигатель в качестве стояночного тормоза.

Индуктивность обмоток в описанном исполнении стремится к минимальному значению, поэтому диапазон рабочих оборотов двигателя может быть увеличен до предела, ограниченного механической прочностью конструкции ротора.

В зависимости от назначения и области применения двигателя, ротор и статор функционально могут меняться местами, где постоянные магниты (сектора) могут быть исполнены в подвижном виде, а коммутируемые обмотки (сектора) могут быть выполнены стационарными.

Описанные способности двигателя, использующего данный способ преобразования, могут найти применение в лётной технике, автомобиле- и кораблестроении, робототехнике, в качестве сервопривода станков с ЧПУ. Простота конструкции позволяет выполнить двигатель для работы с полным погружением в морскую воду для использования в качестве маршевого двигателя подводных лодок.

Преимущества двигателя, построенного на описанном принципе:

1. Двигатель не имеет пусковых токов.

2. Повышенный момент силы на валу, засчёт использования прямых коротких взаимодействий поля ротора с полем статора одномоментно и по всей площади поверхности взаимодействия полей.

3. Усилие на валу максимально во всём рабочем диапазоне оборотов, от стояночного режима, до максимальных.

4. Возможность работы на сверхнизких и сверхвысоких оборотах без редуктора.

5. Конструктивно может быть исполнен как с механическим коллектором, так и с электронным коммутатором обмоток (секторов).

6. Простота конструкции позволяет снизить стоимость производства.

7. Возможность полной рекуперации механической энергии в электрическую . 8. Возможность использования двигателя в качестве высокоэффективного генератора.

Пример. Мощность электрического двигателя, выполненного по описанному способу, ограничена коммутирующей способностью механического коммутатора, либо использованных электронных компонентов. Современные, запираемые, оптически управляемые тиристоры коммутируют токи величиной до 5000 А при напряжении до 6000 В, т.о. электрическая мощность двигателя-преобразователя, созданного на основе данного способа составила до 30 MBA.

При использовании двигателя в качестве генератора все обмотки соединяли параллельно посредством диодных мостов. На выходе такого генератора получен выпрямленный, постоянный ток. Для изготовления генератора переменного тока достаточно будет выполнения всего одной обмотки. Генерация такого генератора будет такая же эффективная, как и сам описанный способ преобразования.

При использовании описанного двигателя в автомобиле или плавательном средстве в режиме торможения двигателем будет происходить полная рекуперация приложенной механической энергии в электрическую.