электродвигателей тороидального класса с дисковым ферромагнитным ротором, и может быть использовано, например, для движителей плавсредств, в которых применяется электродвигатель с полым ротором, внутри которого расположен гребной винт. Известны технические решения для торцевого тороидального электродвигателя (см. А.В.Иванов-Смоленский "Электрические машины", "Энергия", М., 1980, 926 стр. ; Патент ПНР N 143759, МКИ H 20 K 1/06, H 20 K 3/00. Заявлен 01.12.1988 г. Опубликован 31.12.1988 г. "Politechnika Warszawska", N 244847). Конструкция таких асинхронных электродвигателей может быть как односторонней, когда диск ротора расположен с одной стороны статора, так и двухсторонней, когда диск ротора расположен посередине двух тороидальных статоров, отделенный от обеих поверхностей статора одинаковым воздушным зазором. В односторонней конструкции между статором и ротором существует аксиальная сила одностороннего магнитного тяжения, поэтому более предпочтительной является вторая конструкция. Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является двухсторонний торцевой тороидальный двигатель Ветохина ТЭМВ (В.И.Ветохин "Торцевая электрическая машина", патент РФ N 2041547, класс H 02 K 5/12, опубликован БИ N 22, 1995), принятый в качестве прототипа. Однако, вследствие того, что выбор толщины ферромагнитного диска ротора не оговаривается, конструкцию такого двигателя нельзя считать удовлетворительной, поскольку толщина диска ротора существенно влияет на мощность двигателя. Заявляемое изобретение направлено на устранение указанного недостатка. Для этого в известном тороидальном асинхронном двигателе, содержащим два и более тороидальных статора с обмоткой, между которыми с зазорами в области электромагнитного поля воздушного зазора расположены диски из ферромагнитного электропроводящего материала, эти диски выполняются с толщиной, равной значению d, определяемому по соотношению
- удельное электрическое сопротивление ферромагнитного материала ротора; s - скольжение;
- магнитная проницаемость ферромагнитного материала ротора. Так, очевидно, что при толщине дисков ротора, стремящейся к нулю, электромагнитный момент, передаваемый со статоров через зазор в ротор, будет также стремиться к нулю. При достаточно толстых дисках ротора
эквивалентная глубина проникновения электромагнитного поля в ротор] через его торцевые поверхности с обоих статоров, не связаны между собой и определяются как и в случае, когда толщина диска d _
электромагнитное поле в диске ротора становится практически равным нулю. Вполне правдоподобным представляется допущение, что существует такая толщина дисков роторов dопт, при которой электромагнитная мощность, передаваемая со статоров в ротор при том же скольжении s будет наибольшей при условии постоянства и равенства индукции B
в обоих воздушных зазорах и при том же скольжении s) и выражается следующей зависимостью:
где 
- индукция в зазоре. 
Так, например, при d _; 
d = 0, 
и приведенное выражение (2) переходит в выражение для электромагнитной мощности, передаваемой со статора на ротор, для обычного асинхронного двигателя со сплошным ферромагнитным ротором (Я.Туровский "Техническая электродинамика", Энергия, М., 1974, 486 стр.). Анализ выражения (2) в функции толщины дисков ротора показал, что существует такая толщина диска ротора dопт = 
2, т.к. в том случае получается:
При этом, соответственно, пропорционально повышается коэффициент мощности (cos/2, электромагнитная мощность Pэм, передаваемая в ротор, рассчитанная по формуле (2), будет в силу (3) и (4) в 1,31 раза больше, чем при бесконечно толстых дисках и является максимальной в функции толщины дисков ротора. Это явление происходит вследствие того, что при d = dопт распределение наведенного в теле ротора вихревого тока, обусловленного результирующим электромагнитным полем, таково, что сдвиг во времени между результирующим током и ЭДС в теле ротора становится минимальным, а их произведение - т.е. мощность - максимальным. В свою очередь, это может быть объяснено влиянием отражения составляющих электромагнитного поля от поверхностей дисков ферромагнитного ротора (при бесконечно толстых дисках ротора отражения не происходит). 
где - удельное электрическое сопротивление ферромагнитного материала ротора; S - скольжение;1 - круговая частота электромагнитного поля статора; - магнитная проницаемость ферромагнитного материала ротора. www.freepatent.ru
Cтраница 3
Как правило, в асинхронных машинах обмотки помещаются в пазах ( рис. 6 - 3), что дает возможность уменьшить воздушный зазор и перенести механические усилия на зубцы статора. В тороидальном двигателе зазор складывается из толщины провода и зазора между обмоткой и диском ротора. [32]
Известно, что около 40 % трудоемкости изготовления малогабаритных электродвигателей падает на намоточные и изоляционные работы. Рассмотренные конструкции тороидальных двигателей позволяют механизировать процесс намотки. Для этих целей используются упомянутые выше намоточные станки типа СНТ. Имеются также станки для укладки спиральной обмотки в пазах с равномерным натягом провода. Использование намоточных станков в значительной степени повышает производительность труда, упрощает и удешевляет изготовление двигателя. Это замечание особенно относится к изготовлению маломощных двигателей ( Рн. [33]
Это обстоятельство, а также малоэффективное закрытие пазов приводят к увеличению намагничивающего тока и снижению коэффициента мощности двигателя. Однако пока далеко еще не исчерпаны все возможные пути по улучшению технологии изготовления и улучшению характеристик тороидальных двигателей. [34]
Выбор числа пазов и размеры паза выбираются из тех же соображений, что и в случае асинхронного варианта тороидального двигателя. Расчет обмотки статора и магнитной цепи производится в том же порядке, что и в случае асинхронного тороидального двигателя, рассмотренного в гл. [35]
При асинхронном варианте диски ротора магнитномягкие, а при гистерезисном-маг-нитножесткие. Роторы-диски выполняются методом штамповки. На рис. 1 - 14 и 1 - 15 представлены макетные образцы различных вариантов тороидальных двигателей. [36]
Тороидальные двигатели имеют малые потоки. По этой причине они имеют большое число витков в фазе по сравнению с двигателями нормального исполнения. При мощностях, меньших 1 вт, и напряжениях питания 127, 220 в намоточный провод имеет диаметр меньше 0 1 мм. Мотать обмотку тонким проводом трудно. По этой причине выполнять тороидальные двигатели мощностью Pz0j вт на напряжение 127, 220 в целесообразно только для специальных целей. [37]
Страницы: 1 2 3
www.ngpedia.ru
Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам переменного тока. Технический результат - повышение коэффициента мощности двигателя и уменьшение его габаритов. Для достижения указанного технического результата в известном торцевом тороидальном асинхронном электродвигателе с ферромагнитным ротором толщина диска d определяется по формуле с определенными параметрами. 1 ил.
Изобретение относится к области электромашиностроения, касается вопросов повышения мощности и cos
электродвигателей тороидального класса с дисковым ферромагнитным ротором, и может быть использовано, например, для движителей плавсредств, в которых применяется электродвигатель с полым ротором, внутри которого расположен гребной винт.
(1) где 
- удельное электрическое сопротивление ферромагнитного материала ротора; s - скольжение; 
1 - круговая частота электромагнитного поля статора; 
- магнитная проницаемость ферромагнитного материала ротора. Так, очевидно, что при толщине дисков ротора, стремящейся к нулю, электромагнитный момент, передаваемый со статоров через зазор в ротор, будет также стремиться к нулю. При достаточно толстых дисках ротора 
эквивалентная глубина проникновения электромагнитного поля в ротор] через его торцевые поверхности с обоих статоров, не связаны между собой и определяются как и в случае, когда толщина диска d _
, поскольку при d > 3
электромагнитное поле в диске ротора становится практически равным нулю. Вполне правдоподобным представляется допущение, что существует такая толщина дисков роторов dопт, при которой электромагнитная мощность, передаваемая со статоров в ротор при том же скольжении s будет наибольшей при условии постоянства и равенства индукции B
в обоих воздушных зазорах между статорами и дисками ротора. Проведенные расчетно-теоретические исследования показали, что действительно, в случае двухстороннего двигателя с однонаправленным магнитным потоком, т.е. когда магнитный поток выходит из одного статора, проходит диски ротора и входит в другой статор, электромагнитная мощность Pэм, передаваемая со статора в ротор, зависит от толщины дисков ротора d (при указанном условии равенства индукции B в обоих воздушных зазорах и при том же скольжении s) и выражается следующей зависимостью: 
где 
- полюсное деление, B - индукция в зазоре.
Так, например, при d _; 
d = 0, d = 1, cos45o = 
и приведенное выражение (2) переходит в выражение для электромагнитной мощности, передаваемой со статора на ротор, для обычного асинхронного двигателя со сплошным ферромагнитным ротором (Я.Туровский "Техническая электродинамика", Энергия, М., 1974, 486 стр.). Анализ выражения (2) в функции толщины дисков ротора показал, что существует такая толщина диска ротора dопт = 
/2, при которой электромагнитная мощность, передаваемая со статора в ротор, является максимальной и будет в 1,31 раза больше, чем при односторонней передаче мощности для случая d > 32, т.к. в том случае получается:
При этом, соответственно, пропорционально повышается коэффициент мощности (cos) двигателя и, следовательно, мощность двигателя в том же габарите. Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен разрез торцевого тороидального асинхронного электродвигателя, содержащего три тороидальных статора и расположенных между ними два диска ротора. В корпусе двигателя 1 установлены статоры 2 с трехфазными обмотками 3. Между статорами 2 размещен с зазором ротор 4, выполненный в виде дисков из ферромагнитного электропроводящего материала, насаженных на общую ось (число дисков ротора n, число статоров k = n + 1). Двигатель работает следующим образом: при подаче на обмотки электродвигателя трехфазного переменного напряжения в воздушном зазоре между статором и ротором образуется вращающееся магнитное поле, увлекающее ротор за собой вследствие наведения в дисках последнего вихревых токов. При номинальном скольжении s = sн и выборе толщины дисков dопт = /2, электромагнитная мощность Pэм, передаваемая в ротор, рассчитанная по формуле (2), будет в силу (3) и (4) в 1,31 раза больше, чем при бесконечно толстых дисках и является максимальной в функции толщины дисков ротора. Это явление происходит вследствие того, что при d = dопт распределение наведенного в теле ротора вихревого тока, обусловленного результирующим электромагнитным полем, таково, что сдвиг во времени между результирующим током и ЭДС в теле ротора становится минимальным, а их произведение - т.е. мощность - максимальным. В свою очередь, это может быть объяснено влиянием отражения составляющих электромагнитного поля от поверхностей дисков ферромагнитного ротора (при бесконечно толстых дисках ротора отражения не происходит).Формула изобретения
Торцевой тороидальный асинхронный электродвигатель, содержащий два и более тороидальных статора с обмоткой, между которыми с зазорами в области электромагнитного поля воздушного зазора расположены диски из ферромагнитного электропроводящего материала, отличающийся тем, что диски выполнены толщиной, равной значению d, определяемому по соотношению
где - удельное электрическое сопротивление ферромагнитного материала ротора; S - скольжение;1 - круговая частота электромагнитного поля статора; - магнитная проницаемость ферромагнитного материала ротора.РИСУНКИ
Рисунок 1www.findpatent.ru
Всю интересующую Вас информацию по разработкам и технологиям можно получить, воспользовавшись поиском по сайту, либо в соответствующем разделе.
В России, где налоговых послаблений для компаний практически нет, инвестиции в новые технологические и управленческие решения считаются опасными. Не удивительно, что по мировым стандартам, отечественный бизнес характеризуется относительно низкой активностью.
По результатам исследования, недавно проведенного Ассоциацией менеджеров, доля инновационно активных предприятий не превышает 10-12%. Средства тратятся в основном на постепенное усовершенствование существующего продукта. В этом признались 43% респондентов. Лишь 16% компаний сообщили, что внедряют нововведения, серьезно изменяющие...
ПодробнееУважаемые посетители сайта «Инновации бизнесу»! С сегодняшнего дня мы предлагаем Вам изучить и оценить обновленный и усовершенствованный портал нашего проекта. Более того, Вы сами можете принять участие в его создании. Мы внимательно отнесёмся ко всем Вашим пожеланиям и предложениям относительно функциональности портала.
Для более удобной работы с нашим ресурсом мы внесли в его структуру...
ПодробнееВсе отечественные компании, независимо от того, малый бизнес они представляют или являются крупными корпорациями, работают приблизительно по одной схеме. Отличия заключаются лишь в объеме денежных средств, которые они направляют на новые разработки. Наверное, главная проблема инвестиций в know how – никогда не знаешь, сколько денег от тебя потребует создание готового продукта. Учесть все расходы на начальном этапе практически невозможно...
Подробнееwww.ideasandmoney.ru
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в промышленных и бытовых изделиях и приборах. Технический результат - увеличение энергетической эффективности, увеличение надежности и долговечности. Бесколлекторный двухроторный двигатель постоянного тока содержит вращающиеся намагниченные безобмоточные роторы с катушками подмагничивания и неподвижный тороидальный статор с наложенной на нем рабочей обмоткой. Катушки подмагничивания закреплены на статоре. Роторы расположены одноименными магнитными полюсами соответственно со стороны внутренней и наружной поверхностей тороидального статора с образованием двух цилиндрических магнитных зазоров, внутри которых установлены прилегающие к тороидальному статору немагнитные цилиндры, на которые намотана рабочая обмотка тороидального статора, витки которой пропускаются через отверстия в последнем. Соответствующие полувитки рабочей обмотки находятся в непосредственной близости от цилиндрических поверхностей вращающихся роторов. Катушки подмагничивания роторов и рабочая обмотка подключены последовательно или параллельно к источнику постоянного тока. Две независимые магнитные цепи, образованные роторами и тороидальным статором, замыкаются через магнитно связанные с роторами магнитопроводящие шайбы, закрепленные с минимально допустимыми зазорами с магнитопроводящими стенками статора. Толщина стенок немагнитных цилиндров выбрана в пять-десять раз большей зазора между проводниками рабочей обмотки и цилиндрическими поверхностями роторов. 3 ил.
Заявляемое изобретение относится к области магнетизма и электротехники и может быть рекомендовано к использованию в широком ассортименте промышленных и бытовых изделий и приборов.
Двигатели постоянного тока, как правило, содержат электромагнитные статоры и роторы с секционированными обмотками, связанными с коллектором на оси вращения, контакты к ламелям которого выполнены угольными или медно-угольными щетками, закрепленными в оппозитно расположенных щеткодержателях, а прижим щеток к коллектору осуществляется пружинящими пластинами.
Недостатком таких двигателей является относительно низкая надежность работы коллекторно-щеточной группы, связанная с фактором скольжения коллектора относительно щеток, то есть с износом щеток и коллектора, усиливающимся за счет искрения при переходах контактов с одной пары ламелей коллектора на другую по ходу вращения ротора. Кроме того, одновременно работает одна из секций обмоток ротора, что снижает вращательный момент на оси двигателя. Возникающие переходные процессы - экспоненциальное возрастание тока в секции обмотки во времени, следующие с высокой частотой - до нескольких килогерц, снижают возможности увеличения скорости вращения ротора, что снижает удельную мощность на единицу объема (веса) двигателей и их быстроходность. Такие двигатели являются источниками радиопомех.
В основе действия известных электрических генераторов и двигателей лежит закон Фарадея об электромагнитной индукции, определяющий возникновение движущей силы в проводнике с током, находящемся в поперечном магнитном поле, либо возникновение в таком проводнике ЭДС индукции в случае движения проводника в поперечном магнитном поле [1-3].
В электрических моторах и генераторах постоянного тока используются статоры на основе постоянных магнитов и электромагнитов постоянного тока, и роторы, обмотка которых секционирована и соединена с коллектором, к ламелям которого через скользящие контакты (как правило, угольные или медно-угольные щетки) подключены проводники, связанные либо с источником постоянного тока при работе устройства в качестве мотора, либо с электрической нагрузкой при работе этого устройства в качестве генератора постоянного тока (рекуперация в электромобилях при их торможении).
Известны бесколлекторные двигатели постоянного тока, ротор которых представляет собой проводящий диск, находящийся в поперечном магнитном поле постоянного магнита (электромагнита), в котором в его радиальных направлениях протекает постоянный ток от источника постоянного тока. Эта модель впервые была предложена М.Фарадеем в 1821 году. При этом используются скользящие контакты, связанные с осью проводящего диска и с его наружной кромкой [4]. Такие двигатели не нашли применения в энергетических устройствах из-за больших потерь в подводящих проводниках из-за малости сопротивления проводящего диска. Кроме того, наличие скользящих контактов снижает надежность действия таких бесколлекторных электродвигателей.
Другой модификацией электродвигателя М.Фарадея является бесколлекторный двигатель, ротор которого выполнен в виде проводящего цилиндра, по цилиндрическим стенкам которого протекает постоянный ток, например, сверху-вниз, а цилиндрические стенки этого проводящего цилиндра размещены в постоянном поперечном магнитном поле магнита, магнитные полюсы которого выполняют в виде концентрических цилиндрических поверхностей, аналогичных магниту известных акустических динамиков [5-6]. При этом также используются скользящие контакты, связанные с осью вращения проводящего цилиндра, скрепленной с проводящей верхней крышкой-основанием проводящего цилиндра, а также с его нижней кромкой. Такие бесколлекторные двигатели также не могут найти применение в энергетических системах по тем же причинам, как и в модели двигателя М.Фарадея. Первый униполярный двигатель, колесо Барлоу, создал Питер Барлоу, описав его в книге «Исследование магнитных притяжений», опубликованной в 1824 году. Колесо Барлоу представляло собой два медных зубчатых колеса, находящихся на одной оси. В результате взаимодействия тока, проходящего через колеса с магнитным полем постоянных магнитов, колеса вращаются во взаимно противоположных направлениях. Токосъем осуществлен от электрически не связанных осей дисков, зубцы которых шестеренчато связаны с выходным валом и замыкают электрическую цепь этих колес.
Ближайшим аналогом заявляемого технического решения является бесконтактный и бесколлекторный двигатель постоянного тока, известный из патента РФ №2391761, опубликованного в бюллетене №16 от 10.06.2010 [7]. В указанном бесколлекторном двигателе постоянного тока содержится неподвижный статор и ротор с осью вращения, и он отличается тем, что статор выполнен в виде полого цилиндрического магнитопровода, внутри которого размещены по его концам первая и вторая секции из нескольких кольцевых ребер магнитопроводника каждая, в первой и второй секциях кольцевых ребер магнитопроводника по всей их поверхности закреплен соответственно первый и второй ребристо-цилиндрический электропроводник, оба указанных ребристо-цилиндрических электропроводника статора выполнены из медной фольги склеиванием или путем напыления слоя меди на поверхности кольцевых ребер первого и второго магнитопроводников и не имеют с ними электрического контакта, внутренние концы первого и второго ребристо-цилиндрических электропроводников соединены с внутренними медными кольцевыми электродами, а их внешние концы - с внешними медными кольцевыми электродами через медные крышки-соединители, ротор выполнен в виде цилиндрического электромагнита с расположенными по его концам двумя одинаковыми первой и второй секциями из нескольких кольцевых ребер магнитопроводника, например из стали, которые входят в пазы соответственно первой и второй секций кольцевых магнитопроводов статора с малыми зазорами между ними, в средней части ротора неподвижно и бесконтактно к нему соосно размещена обмотка подмагничивания, один конец которой соединен с первым внутренним медным кольцевым электродом первого ребристо-цилиндрического электропроводника, а второй - ко второму внешнему медному кольцевому электроду второго ребристо-цилиндрического электропроводника, при этом выходные зажимы двигателя соединены соответственно с первым внешним медным кольцевым электродом первого ребристо-цилиндрического электропроводника и со вторым внутренним медным кольцевым электродом второго ребристо-цилиндрического электропроводника.
Недостатком известного ближайшего аналога (прототипа) по отношению к заявляемому устройству является низкое сопротивление синтезированной рабочей обмотки, закрепленной на неподвижном статоре, что увеличивает потери на подводящих проводах между двигателем и низковольтным источником постоянного тока, снижая кпд преобразования электрической энергии в механическую.
Указанные недостатки известного аналога устранены в заявляемом техническом решении.
Целями изобретения являются увеличение энергетической эффективности бесколлекторного двигателя постоянного тока с отсутствующими скользящими контактами, а также упрощение конструкции и увеличение надежности и долговечности его действия.
Указанные цели достигаются в бесколлекторном двухроторном двигателе постоянного тока, содержащем вращающийся намагниченный безобмоточный ротор и неподвижный тороидальный статор с наложенной на нем рабочей обмоткой, а также закрепленную на статоре катушку подмагничивания ротора, отличающемся тем, что в него введен жестко связанный с осью вращения ротора дополнительный безобмоточный ротор в форме магнитопроводящего цилиндра с дополнительной катушкой его подмагничивания, закрепленной к телу статора, оба вращающихся ротора с общей их осью вращения расположены их одноименными магнитными полюсами соответственно с внутренней и наружной поверхностями тороидального статора с образованием двух цилиндрических магнитных зазоров, внутри которых установлены прилегающие к тороидальному статору немагнитные цилиндры, на которые намотана рабочая обмотка тороидального статора, витки которой пропускаются через отверстия в последнем, а соответствующие полувитки рабочей обмотки находятся в непосредственной близости (с минимально допустимым зазором) от цилиндрических поверхностей обоих вращающихся роторов, обе катушки подмагничивания роторов и рабочая обмотка тороидального статора подключены последовательно или параллельно к источнику постоянного тока, причем образованные две независимые магнитные цепи «ротор - тороидальный статор» и «дополнительный ротор - тороидальный статор» замыкаются через магнитно связанные с их роторами магнитопроводящие шайбы, закрепленные с телами их роторов, с минимально допустимыми зазорами с неподвижными магнитопроводящими стенками тороидального статора; при этом толщина стенок немагнитных цилиндров выбрана в пять-десять раз большей зазора между проводниками рабочей обмотки тороидального статора и цилиндрическими поверхностями вращающихся роторов.
Достижение поставленных целей изобретения в заявляемом техническом решении объясняется, во-первых, многовитковостью рабочей обмотки тороидального статора, что существенно повышает кпд двигателя из-за значительного снижения потерь на подводящих проводниках от источника тока, во-вторых, удвоением возникающих однонаправленных вращательных моментов, действующих на оба вращающихся ротора, поскольку полувитки рабочей обмотки размещены соответственно в двух рабочих магнитных зазорах, и, в-третьих, расположением рабочих полувитков этой обмотки в непосредственной близости от вращающихся роторов и дальше от внутренней и внешней цилиндрических поверхностей тороидального статора, что приводит к перераспределению сил, действующих при взаимодействии магнитных полей на тороидальный статор и соответствующие два ротора в пользу последних.
Изобретение понятно из представленных рисунков.
На рис.1 представлен центральный разрез вида сбоку на заявляемый двигатель, содержащий следующие элементы:
1 - неподвижный, связанный с корпусом двигателя тороидальный статор с его магнитопроводящей крышкой (на рисунке справа),
2 - полувитки рабочей обмотки тороидального статора 1, расположенные вблизи поверхности вращающегося безобмоточного ротора,
3 - полувитки рабочей обмотки тороидального статора 1, расположенные вблизи поверхности дополнительного безобмоточного ротора, выполненного в форме полого магнитопроводящего цилиндра,
4 - немагнитный (диэлектрический) цилиндр, вплотную прилегающий к внутренней поверхности магнитного полюса тороидального статора,
5 - дополнительный немагнитный (диэлектрический) цилиндр, вплотную прилегающий к внешней поверхности магнитного полюса тороидального статора с цилиндрическим выносом (вправо на рис.1) для крепления к нему дополнительной катушки подмагничивания дополнительного ротора,
6 - магнитопроводящая крышка тороидального статора (на рис.1 слева),
7 - вращающийся безобмоточный ротор с цилиндром подмагничивания с центральным отверстием в нем (слева) и отрезком оси вращения (справа),
8 - магнитопроводящая шайба ротора 7, закрепленная на тугой посадке с цилиндром подмагничивания ротора 7, с выносной осью вращения (справа) и отрезком оси вращения (слева),
9 - катушка подмагничивания ротора 7,
10 - дополнительный безобмоточный ротор, жестко закрепленный на оси вращения путем тугой посадки его с отрезком оси вращения ротора 7,
11 - магнитопроводящая шайба, закрепленная с цилиндром подмагничивания дополнительного ротора 10,
12 - дополнительная катушка подмагничивания дополнительного ротора 10, жестко закрепленная с телом неподвижного тороидального статора 1 через вынос немагнитного (диэлектрического) цилиндра 5,
13 - крышка корпуса двигателя (слева на рис.1),
14 - полый немагнитный цилиндрический корпус двигателя с посадочными канавками для связи с крышкой 13 и магнитопроводящей стенкой 6 тороидального статора 1,
15 - наружные подшипники двигателя,
16 - внутренний подшипник двигателя,
17 - выводы рабочей обмотки (ее полувитков 2 и 3) тороидального статора 1,
18 - выводы последовательно соединенных катушек подмагничивания 9 и 12 безобмоточных роторов 7 и 10 соответственно (подводящие проводники не указаны).
На рис.2 дан вид спереди на разборку двигателя с указанием взаимного расположения части его элементов в двух рабочих магнитных зазорах, магнитных полюсов, образующихся на цилиндрических поверхностях роторов 7 и 10 (N) и тороидального статора 1 (S), и направлений магнитного поля в двух рабочих магнитных зазорах с векторами напряженностей этих магнитных полей h2 и Н2. Роторы 7 и 10 связаны с единой осью вращения, испытывая действие однонаправленных вращательных моментов от взаимодействия магнитных полей, образованных в соответствующих магнитных зазорах и током в полувитках рабочей обмотки тороидального статора 1. Направление этих токов в полувитках 2 и 3 рабочей обмотки показано стрелками на рис.1. Фигурными стрелками показаны направления вращения роторов 7 и 10.
На рис.3 дана линейная развертка части двух цилиндрических магнитных зазоров с указанием возникающих парциальных сил со стороны оппозитной пары полувитков 2 и 3 рабочей обмотки тороидального статора 1 в соответствии с законом об электромагнитной индукции и третьим законом Ньютона. Эти однонаправленные парциальные силы складываются по числу витков n рабочей обмотки, создавая результирующие вращательные моменты M1 и М2 для соответствующих двух роторов 7 и 10. По правилу «левой руки» на полувитки 2 и 3 действуют парциальные силы (для каждого из полувитков 2 и 3) соответственно F1 и F2 при протекании в рабочей обмотке статора 1 постоянного тока I в поперечных магнитных полях с напряженностями h2 и Н2. Толщина немагнитных (диэлектрических) цилиндров 4 и 5 равна h-d, где d - диаметр проводника рабочей обмотки статора. Величина зазора между полувитками 2 и 3 и соответствующими цилиндрическими поверхностями роторов 7 и 10 равна ε << h и соизмерима с диаметром проводника d, намотанного виток к витку со стороны ротора 7 (со стороны ротора 10 полувитки имеют ненулевой зазор между собой, так как R1+ε<R2 - ε, а именно 2ε<<R2-R1). Толщина стенок немагнитных (диэлектрических) цилиндров 4 и 5 при этом равна h-d. Для пропуска витков рабочей обмотки тороидального статора 1 при ее намотке в теле магнитопроводящего статора вне магнитных зазоров делаются сверления в «шахматном порядке» в двух строках. Последнее обеспечивает нормальное функционирование магнитопровода статора, без увеличения его магнитного сопротивления. Эти сверления не показаны на рис.3. На рисунке для простоты смежные витки рабочей обмотки показаны с заметным зазором.
Рассмотрим действие заявляемого бесколлекторного двухроторного двигателя постоянного тока (БДДПТ).
По правилу «левой руки» в поперечном магнитном поле с напряженностью магнитного поля Н (в амперах на метр) на проводник длиной L (в метрах) с током I (в амперах) действует парциальная сила Лоренца F, равная F=µO L I Н (в ньютонах), где µO=1,256·10-6 Гн/м - магнитная постоянная. Следовательно, в обозначениях на рис.3 имеем F1=µо L I h2 и F2=µo L I h3.
В соответствии с третьим законом Ньютона (сила действия равна и противоположна силе противодействия) силы действия F1 и F2 на полувитки 2 и 3 рабочей обмотки статора 1 (см. рис.3) определяют такие же по величине, но противоположно направленные силы противодействия, приложенные к источникам поперечных магнитных полей h2 и Н2 - соответственно к статору 1 и обоим роторам 7 и 10. Эти силы противодействия как равнодействующие разлагаются на существенно не равные по величине составляющие FРОТ - роторную и FСТ - статорную, где FРОТ<<FСТ, так как h>>ε.
Нетрудно понять, что FРОТ 2+FСТ 2+2 FРОТ FСТ cos β=F2, где β - угол между векторами FРОТ и FСТ, поэтому получаем разложение противодействующей силы F на составляющие в виде FРОТ ≈ F {1+cos [π(ε+d/2)/(h+ε)]}/2 и
FCT ≈ F {1 - cos [π(ε+d/2)/(h+ε))]/2 с учетом близости β→π/2,
где 0≤ε+d/2≤h+ε, где h+ε - расстояние между полюсами магнитных зазоров для независимых систем «ротор-статор».
Тогда суммарная сила FРОТ Σ1, действующая по касательной на ротор 7 (внутренний), равна FРОТ Σ1=n FРОТ1=n µo L I h2 {1+cos [π(ε+d/2)/(h+ε)]}/2, а суммарная сила, действующая по касательной на дополнительный ротор 10 (внешний), равна FРОТ Σ2=n µo L I h3 {1+cos [π(ε+d/2)/(h+ε)]}/2.
Легко понять, что вращательный момент M1, приложенный к ротору 7, определяется как M1=R1 FРОТ Σ1, а момент вращения М2, приложенный к дополнительному ротору 10, равен М2=R2 FРОТ Σ2. Поскольку оба этих вращательных момента совпадают по направлению, то общий вращательный момент МΣ на оси вращения двигателя равен сумме моментов M1 и М2, то есть имеем МΣ=n µо L I (R1h2+R2h3){1+cos [π (ε+d/2)/(h+ε)]}/2. Если в первом приближении считать, что cos [π(ε+d/2)/(h+ε)]≈1, то для МΣ получаем МΣ≈n µо L I (R1h2+R2h3).
При выполнении однослойной намотки рабочей обмотки тороидального статора 1 виток к витку с диаметром проводника d на внутреннем диаметре немагнитного цилиндра 4 умещается число витков, равное n=2π(R1+ε)/d≈2π-R1/d, так как R1 >d. Тогда MΣ ≈ 2 π R1 µо L I (R1h2+R2h3) / d. Если ампер-витки в дополнительной катушке подмагничивания 12 по отношению к ампер-виткам катушки подмагничивания 9 выбрать так, что будет выполняться равенство R1h2=R2h3, что, безусловно, всегда выполнимо, то получим упрощенное выражение для полного вращательного момента на оси двигателя, равного MΣ≈4 π R1 2 µо L I h2/d. Если катушка подмагничивания 9 создает магнитный поток Ф1, то индукция В1=µо Н1 магнитного поля, в первом приближении, в рабочем магнитном зазоре определяется как B1=Ф1/SРОТ1, где SРОТ1=2 π R1 L - площадь магнитного полюса ротора 7 (полагая, что длина ротора-полюса равна длине полувитков 2 (рис.1), откуда для напряженности магнитного поля h2 получим соотношение h2=B1/µo=Ф1 / µо SРОТ1=Ф1/2 π µо R1 L. Подставляя полученное значение h2 в формулу для МΣ, получим MΣ≈4πR1 2µo L I Ф1/2π µoR1 L d=2 R1 I Ф1 / d=2 R1 n I Ф1/2 π R1=n IФ1/π.
Анализируя полученное выражение для MΣ≈n I Ф1/π, отмечаем, что вращательный момент непосредственно не зависит от геометрии ротора 7 - его длины L и радиуса R1, а определяется лишь ампер-витками рабочей обмотки тороидального статора 1 и магнитным потоком Ф1, создаваемым катушкой подмагничивания 9, который, в свою очередь, определяется ампер-витками этой катушки подмагничивания.
Однако произведение n I определяется допустимой плотностью тока j в рабочей обмотке (для медного проводника можно принимать, что j=10 А/мм2) и радиусом R1, поскольку n=2 π R1/d. Для тока I имеем выражение I=π j d2/4. Тогда для произведения n I получим n I=(2 π R1/d) (π j d2/4)=π2 j R1 d/2 (значения R1 и d берутся в миллиметрах). Следовательно, МΣ≈n I Ф1/π=π j R1 d Ф1/2, то есть полный вращательный момент на оси двигателя пропорционально возрастает с увеличением радиуса R1 при заданной величине диаметра d применяемого медного проводника и заданном значении магнитного потока Ф1, создаваемого катушкой подмагничивания 9. Те же рассуждения относятся и ко второму магнитному контуру из тороидального статора 1 и дополнительного ротора 10 в предположении равенства R1h2=R2h3, а также при Ф1=Ф2.
Полезная мощность на оси вращения двигателя равна Роси=ω |MΣ|, где ω - круговая частота вращения роторов 7 и 10.
Как уже указывалось выше, рабочая обмотка тороидального статора 1 может подключаться к источнику постоянного тока независимо от питания катушек подмагничивания (обычно включенных между собой последовательно) или последовательно с этими катушками. В последнем случае проводники всех обмоток выполняются из одного и того же медного проводника (по его сечению), что минимизирует потери на подводящих проводниках от единого источника постоянного тока.
Рассмотренный тип бесколлекторного двухроторного двигателя постоянного тока выгодно отличается от всех известных коллекторных двигателей отсутствием ненадежного их элемента - коллектора со щетками и вообще отсутствием каких-либо скользящих контактов, снижающих надежность и долговечность функционирования известных двигателей. В коллекторных двигателях одномоментно работает только одна из множества секций обмотки ротора. В рассматриваемом типе двигателя работает постоянно вся рабочая обмотка тороидального статора, что увеличивает энергетику двигателя. При его работе отсутствуют переходные процессы, характерные для коллекторных двигателей постоянного тока из-за высокочастотного переключения секций обмотки его ротора. Это способствует увеличению скорости вращения роторов заявляемого двигателя и отсутствию излучений в широком спектре радиопомех. Кроме того, это приводит к увеличению удельной полезной мощности на валу двигателя на единицу его объема (веса).
Сборка заявляемого двигателя не представляет затруднений, поскольку он состоит из нескольких разъемных частей, как это видно на рис.1 (эти части отделены пунктиром).
Промышленное изготовление заявляемого типа двигателей представляет большой интерес для технических средств, требующих при работе повышенной надежности их работы и длительного срока службы. Например, такие двигатели могут применяться в гибридных автомобилях.
Литература
1. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Электродинамика сплошных сред, 2 изд. М., 1982.
2. Дж.Джексон. Классическая электродинамика, пер. с англ. М., 1965.
3. Д.В.Сивухин. Общий курс физики, 2 изд., т.3. Электричество. М., 1983.
4. Электрические униполярные машины, под ред. Л.А.Суханова. М., ВНИИЭМ, 1964, с.14.
5. «Электричество», №8, 1991, с.6-7, рис.8.
6. Патент Великобритании №2223628 А.
7. О.Ф.Меньших. Бесколлекторный двигатель постоянного тока. Патент РФ №2391761, опубл. в №16 от 10.06.2010.
Бесколлекторный двухроторный двигатель постоянного тока, содержащий вращающийся намагниченный безобмоточный ротор и неподвижный тороидальный статор с наложенной на нем рабочей обмоткой, а также закрепленную на статоре катушку подмагничивания ротора, отличающийся тем, что в него введен жестко связанный с осью вращения ротора дополнительный безобмоточный ротор в форме магнитопроводящего цилиндра с дополнительной катушкой его подмагничивания, закрепленной к телу статора, оба вращающихся ротора с общей их осью вращения расположены их одноименными магнитными полюсами соответственно с внутренней и наружной поверхностями тороидального статора с образованием двух цилиндрических магнитных зазоров, внутри которых установлены прилегающие к тороидальному статору немагнитные цилиндры, на которые намотана рабочая обмотка тороидального статора, витки которой пропускаются через отверстия в последнем, а соответствующие полувитки рабочей обмотки находятся в непосредственной близости (с минимально допустимым зазором) от цилиндрических поверхностей обоих вращающихся роторов, обе катушки подмагничивания роторов и рабочая обмотка тороидального статора подключены последовательно или параллельно к источнику постоянного тока, причем образованные две независимые магнитные цепи «ротор - тороидальный статор» и «дополнительный ротор - тороидальный статор» замыкаются через магнитно связанные с их роторами магнитопроводящие шайбы, закрепленные с телами их роторов, с минимально допустимыми зазорами с неподвижными магнитопроводящими стенками тороидального статора; при этом толщина стенок немагнитных цилиндров выбрана в пять-десять раз большей зазора между проводниками рабочей обмотки тороидального статора и цилиндрическими поверхностями вращающихся роторов.
www.findpatent.ru
Изобретение относится к двигателестроению. Роторный двигатель тороидального типа содержит неподвижный корпус с впускными и выпускными клапанами, поршни и свечи зажигания. Рабочий цилиндр имеет тороидальную конструкцию, в которой расположены два дугообразных поршня, имеющих компрессионные кольца. Первый поршень жестко закреплен в корпусе двигателя. Второй поршень жестко крепится на роторе. Вал ротора установлен в подшипниках корпуса. Слева и справа на валу установлены обгонные муфты с противоположным моментом срабатывания. На обоймах обгонных муфт закреплены шестерни, контактирующие с зубьями левого и правого редукторов. Редукторы соединены с выходным валом. Левый редуктор имеет дополнительную шестерню для преобразования прямого вращения в обратное в отличие от правого редуктора. Внутри корпуса вставлены уплотнительные кольца, прилегающие к боковым поверхностям ротора и компрессионным кольцам поршней. Техническим результатом является повышение долговечности, мощности и кпд двигателя. 2 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания.
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания, включающий корпус с профилированной рабочей поверхностью и торцевыми крышками, ротор, установленный на валу и снабженный качающимися поршнями, контактирующими с профилированной рабочей поверхностью корпуса (см. а.с. СССР 1017803, МПК3 F02B 53/00, опубл. 15.05.1983 г.).
Недостатком такого двигателя является отсутствие надежного и постоянного контакта уплотнений между гранями поршней и профилированной поверхностью корпуса, что снижает мощность двигателя.
Из известных наиболее близким к заявляемому техническому решению является роторный двигатель внутреннего сгорания, включающий неподвижный тороидальный корпус, в котором расположен впускной канал введения топлива и воздуха в полость и напорный канал для отвода продуктов сгорания от двигателя, включая силовую тороидальную полость, в которой размещены два вращающихся диска с парными жесткозакрепленными поршнями. Каждый диск имеет выходной вал, на котором закреплена силовая шестерня, причем вал первого диска вставлен в полость вала второго диска. Поочередное вращение дисков контролируется подпружиненными стержнями (патент US 6341590 A (BARRERA RENE MANUEL), F02B 53/00, опубл. 29.01.2002 г.).
Недостатками прототипа являются сложность в изготовлении, большие нагрузки со стороны поршней на внутреннюю криволинейную поверхность корпуса в результате действия центробежных сил, возникающих при вращении ротора, наличие значительных сил трения поршней с каркасом ротора, которые ведут к снижению ресурса и к.п.д. двигателя,
Предлагаемое изобретение направлено на повышение долговечности работы двигателя за счет устранений действия центробежных сил поршней на внутреннюю криволинейную поверхность корпуса, улучшение качества уплотнений камер переменного объема, повышение мощности и кпд двигателя.
Решение технической задачи достигается тем, что в роторном двигателе, состоящем из неподвижного корпуса с внутренней тороидальной криволинейной замкнутой поверхностью с впускными и выпускными клапанами, установлен дискообразный ротор и два дугообразных поршня с компрессионными кольцами, один из которых крепится к корпусу двигателя, а второй к дискообразному ротору, вал которого установлен в обгонные муфты, с противоположным моментом срабатывания на обоймах валах.
Введение двух симметричных обгонных муфт позволяет последовательно поочередно передавать крутящий момент с вала дискообразного ротора на выходной вал двигателя. Схема устройства двигателя поясняется чертежами, где на фиг.1 показан разрез двигателя; на фиг.2 - правый и левый редукторы.
Роторный двигатель тороидального типа состоит из корпуса 1 с впускными 6 и выпускными 8 клапанами, поршни 2, 4 и свечи зажигания 7, рабочий цилиндр имеет тороидальную конструкцию, в которой расположены два дугообразных поршня 2, 4, имеющие компрессионные кольца 3, 5, причем первый поршень жестко закреплен в корпусе двигателя, а второй жестко крепится на роторе 11, вал которого установлен в подшипниках корпуса 14, причем слева и справа на валу установлены обгонные муфты 12, 16, на обоймах которых закреплены шестерни 13, 15, контактирующие с зубьями левого 20 и правого 18 редукторов, соединенных с выходным валом 17, причем левый редуктор 20 имеет дополнительную шестерню 19 для преобразования прямого вращения в обратное в отличие от правого редуктора, кроме того, внутри корпуса вставлены уплотнительные кольца 9, прилегающие к боковым поверхностям ротора и компрессионным кольцам поршней.
Работает устройство следующим образом.
Прямой ход. Сгорание. При сгорании топливовоздушной смеси в правой части корпуса 1 давление газа действует на дугообразный поршень 5 ротора 11, создавая крутящий момент на валу ротора 11, при этом застопаривается правая обгонная муфта 12 и крутящий момент через правый редуктор 18 передается на выходной вал 17. Двигаясь внутри корпуса 1, поршень 5 ротора обратной поверхностью сжимает топливовоздушную смесь в левой части корпуса, которая поджигается свечой накаливания 7.
Обратный ход. При сгорании поршень 5 двигается в обратном направлении. В этом случае вращающий момент застопаривает левую обгонную муфту 16 и растопаривает правую 12. При этом открывается выпускной клапан правой части корпуса 1 и происходит выпуск отработавших газов. Вращающий момент передается с вала 10 через обгонную муфту 16, шестерню 15 на левый редуктор 20, имеющий дополнительную шестерню 19, поэтому выходной вал 17 вращается в ту же сторону как в первом случае.
Прямой ход. Всасывание. При движении поршня 5 с правой части корпуса в левую происходит разрежение в запоршневом пространстве при открытом впускном клапане 6. Происходит наполнение правой части рабочего цилиндра. В то же время в левой части открыт выпускной клапан 8. При этом происходит выпуск отработавших газов.
Обратный ход. Поршень 5 двигается в правую часть корпуса. При этом в правой части сжимается топливовоздушная смесь при закрытых клапанах 6, 8, а в левой части происходит наполнение рабочего цилиндра и впускной клапан открыт.
Такие циклы, включающие в работу то левый, то правый редукторы, повторяются в процессе эксплуатации двигателя, обеспечивая постоянное вращение выходного вала.
Обтюрация поршней обеспечивается уплотнительными кольцами 9, надетыми на них, уплотнительными компрессионными кольцами 3, 5.
Подобная конструкция позволяет повысить силовую нагрузку на поршень на протяжении всего хода поршня, повысить мощность и кпд двигателя.
Роторный двигатель тороидального типа, содержащий неподвижный корпус с впускными и выпускными клапанами, поршни и свечи зажигания, отличающийся тем, что рабочий цилиндр имеет тороидальную конструкцию, в которой расположены два дугообразных поршня, имеющих компрессионные кольца, причем первый поршень жестко закреплен в корпусе двигателя, а второй жестко крепится на роторе, вал которого установлен в подшипниках корпуса, причем слева и справа на валу установлены обгонные муфты с противоположным моментом срабатывания, на обоймах которых закреплены шестерни, контактирующие с зубьями левого и правого редукторов, соединенных с выходным валом, причем левый редуктор имеет дополнительную шестерню для преобразования прямого вращения в обратное в отличие от правого редуктора, кроме того, внутри корпуса вставлены уплотнительные кольца, прилегающие к боковым поверхностям ротора и компрессионным кольцам поршней.
bankpatentov.ru
Использование: в машиностроении. Сущность изобретения: поворотная стенка с приводом установлена с возможностью периодического перекрытия цилиндра и выполнена в форме цилиндрической заслонки с профилированной выемкой, снабженной двухступенчатыми цапфами. Цапфы установлены в боковых стенках тороидального цилиндра с возможностью поворота посредством кривошипа, установленного на одной из цапф, и под действием кулачка, закрепленного на валу отбора мощности двигателя, в положение, обеспечивающее свободный проход поршня, под действием пружины - поворот в положение, обеспечивающее разделение цилиндра на камеру расширения и полость выпуска. Днище поршня выполнено в форме клина и снабжено тепловыми аккумуляторами, напротив которых в цилиндре установлены распылители воды. Впускное окно цилиндра дисковым золотником сообщено с парогенератором. Между золотником и парогенератором установлено уплотнительное устройство. Устройство содержит подпружиненный барабан, закрепленный на трубе парогенератора раструб. Выпускное окно цилиндра сообщено с конденсатором пара, расположенным напротив вентилятора. 6 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению.
Известна поршневая машина, содержащая корпус с тороидальной камерой и патрубками подвода и отвода агента, поршни, установленные на соосных валах, имеющих пальцы эксцентрично и параллельно оси вращения выходного вала, жестко закрепленные на этих валах, при этом поршни размещены в камере с образованием рабочих камер, выходной вал с механизмом неравномерного вращения поршней, включающий жестко связанное с выходным валом водило и закрепленное на последнем с возможностью взаимодействия между собой зубчатые элементы, выполненные в виде секторов с направляющими пазами, кинематически связанные с соосными валами, и устройство принудительного поворота зубчатого элемента. Недостатком поршневой машины является то, что при неравномерном перемещении поршней возникают силы инерции, создающие колебательные движения, вызывающие нарушение плотности соединения отдельных частей машины, а значит малую эксплуатационную надежность. Наиболее близким к изобретению является известный двигатель с тороидальным цилиндром, составленный из расширительной машины и компрессора, которые по конструкции идентичны и каждый агрегат содержит корпус, общий вал отбора мощности, ротор, закрепленный на валу отбора мощности, поршень, взаимосвязанный с ротором, тороидальный цилиндр, в кольцевом пространстве которого перемещается поршень, поворотную стенку, периодически перегораживающую тороидальный цилиндр, при этом поворотная стенка по форме диска, выходящего за пределы тороидального цилиндра, и диск имеют фигурный вырез для прохода поршнем места установки диска и привод поворотной стенки, причем в тороидальном цилиндре расширительной машины установлена свеча зажигания горючей смеси, а в обоих агрегатах выполнены впускное и выпускное окна и выпускное окно компрессора соединено с впускным окном расширительной машины посредством канала, в котором установлены золотники. Горючая смесь поступает в компрессор, сжимается при перегороженном цилиндре, потом по каналу поступает в расширительную машину тогда, когда ее тороидальный цилиндр перегорожен. Свеча зажигает горючую смесь и расширяющиеся продукты сгорания перемещают поршень до выпускного окна, через которое отработавшие продукты выходят в атмосферу. Недостатком этого двигателя является то, что выступающие за габариты тороидального цилиндра поворотные стенки в виде дисков увеличивают общий габарит двигателя, а во время работы вследствие непрерывного движения поршня только в одном направлении постоянно увеличивается объем камеры сгорания при заполнении ее горючей смесью, так и при сгорании этой смеси и за счет этого создаются плохие условия для термодинамического процесса, сопровождающиеся повышением токсичности отработавших продуктов и высоким уровнем аэродинамического шума. Целью изобретения является уменьшение габаритов двигателя, снижение количества выброса вредных токсических веществ с отработавшими продуктами и снижение их уровня аэродинамического шума. Это достигается тем, что поворотная стенка, установленная внутри рабочей полости тороидального цилиндра, выполнена в форме цилиндрической заслонки с профилированной выемкой, снабженной двухступенчатыми цапфами, установленными в боковых стенках тороидального цилиндра с возможностью поворота посредством кривошипа, установленного на одной из цапф и под действием кулачка, закрепленного на валу отбора мощности двигателя, в положение, обеспечивающее свободный проход поршня, а под действием пружины - поворот в положение, обеспечивающее разделение тороидального цилиндра на камеру расширения и полость выпуска. На цилиндрической части поворотной стенки выполнены проточки, в которых на днище установлены уплотнительные кольца. Днище поршня выполнено по форме клина и снабжено тепловыми аккумуляторами, напротив которых в тороидальном цилиндре установлены распылители воды, соединенные через запорный кран и подпружиненный клапан с бачком избыточного давления. Впускное окно тороидального цилиндра посредством дискового золотника сообщено с парогенератором, а между золотником и парогенератором установлено уплотнительное устройство, включающее подпружиненный барабан, взаимодействующий дном с дисковым золотником и имеющий на цилиндрической части проточки для установки уплотнительных колец, а также закрепленный на трубе парогенератора раструб, охватывающий цилиндрическойт поверхностью уплотнительные кольца барабана. Выпускное окно тороидального цилиндра посредством трубопровода сообщено с конденсатором пара, расположенным напротив вентилятора, при этом конденсатор снабжен водосборником и насосом, подключенными через фильтр к основному водяному баку, сообщенному посредством нагнетательного насоса с бачком избыточного давления. Количество пара, поступающего в двигатель, изменяется краном подачи воды к распылителям двигателя и парогенератора, а также реостатом, регулирующим ток к тепловым аккумуляторам. На фиг.1 показан вид снизу парового двигателя с тороидальным цилиндром со всеми приборами, обеспечивающими его работу; на фиг.2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг.3 - узел I на фиг.1; на фиг.4 - узел II на фиг.1; на фиг.5 - узел III на фиг.2; на фиг.6 - прямоугольная изометрическая проекция поворотной стенки в форме цилиндрической заслонки с профилированной выемкой. Паровой двигатель с тороидальным цилиндром устроен следующим образом. Корпус двигателя составлен из главного диска с внутренним приливом 1 для подшипников вала 2 отбора мощности и с наружным приливом 3, к которому крепится кольцо 4, а к последнему прикреплен съемный диск 5, имеющий внутренний прилив для подшипников вала 2. В наружном приливе 3 главного диска и в кольце 4 выполнена рабочая полость тороидального цилиндра 6. Такая конструкция корпуса двигателя необходима для того, чтобы удобно было производить обработку рабочей поверхности внутри тороидального цилиндра 6, а также можно было бы установить внутрь цилиндра ряд деталей, например поворотную стенку 7, выполненную по форме цилиндрической заслонки с профилированной выемкой, снабженной двухступенчатыми цапфами 8. При этом ось вращения цапф 8 перекрещивается с продольной осью тороидального цилиндра, а профилированная выемка удалена от оси вращения цапф 8 на величину, равную половине диаметра сечения тора. Цапфы 8 опираются на втулки, запрессованные в боковые отверстия тороидального цилиндра 6. Оси цапф немного не совпадают с осевой линией тороидального цилиндра. Это выполнено для того, чтобы после перегораживания цилиндра поворотная стенка 7 под давлением пара оставалась в необходимом положении. Кроме того, достигается плотное прилегание поворотной стенки к тороидальному цилиндру. На цилиндрической части каждой поворотной стенки 7, т.е. на той части, которая прилегает к рабочей поверхности тороидального цилиндра, выполнены проточки для уплотнительных колец 9, а на днище этой части закреплены кольцевой гайкой с внутренним выступом тепловые аккумуляторы 10 и каждый из них содержит керамические электроизоляторы 11, в которых выполнены проходы для электронагревательного элемента 12 и кожух 13, охватывающий керамические электроизоляторы так, чтобы он не допускал попадание воды на электроизоляторы. Кожух 13 изготовлен из высокотеплопроводного неподвергающегося окислению от контакта с водой материала. Наиболее приемлемым является серебро. Одна из цапф поворотной стенки имеет кривошип 14, взаимосвязанный со штангой 15, которую в исходном положении удерживает возвратная пружина 16. Штанга 15 взаимодействует с толкателем 17, на который периодически воздействует кулачок 18, закрепленный на валу 2. Посредством кулачка 18 и толкателя 17 с его штангой 15 поворотная стенка 7 может занимать одно из двух положений: горизонтальное, при котором профилированная поверхность поворотной стенки сливается с поверхностью цилиндра, образуя непрерывную цилиндрическую поверхность, и вертикальное, при котором тороидальный цилиндр разделяется на две полости - камеру расширения 19 и полость выпуска 20. В тороидальном цилиндре 6 перемещаются два поршня 21, взаимосвязанные с ротором 22, имеющим на его цилиндрической части кольцевой выступ, входящий в пространство между приливом 3 главного диска и кольца 4. Поршни 21 крепятся к кольцевому выступу ротора посредством соединительного элемента 23 по форме топора и пальца 24, ввернутого в поршень 21, после чего палец 24 стопорится пружинным кольцом. Соединительный элемент 23 запрессован в кольцевой выступ ротора 22 и прикреплен к нему. Днище 25 каждого поршня 21 выполнено по форме клина с целью получить наименьший первоначальный объем камеры расширения 19, образующейся между днищем поршня и поворотной стенкой 7. На днище 25 установлены тепловые аккумуляторы 10 такие же как на поворотной стенке 7. На цилиндрической части поршня 21 выполнен кольцевой выступ и ниже его обработанная цилиндрическая поверхность, на которой установлен пакет уплотнительных колец 26. Грузик 27, поворачивающийся на оси от центробежных сил, хвостовиком через упорную пластину прижимает пакет колец 26 к кольцевому выступу поршня, не допуская перемещение колец от действия центробежных сил, предотвращая ускоренный их износ. Цилиндрическая часть вращающегося ротора 22 и неподвижная внутренняя цилиндрическая поверхность, выполненная под тороидальным цилиндром 6, уплотнены следующим образом. На боковые поверхности кольцевого выступа ротора 22 наложен или установлен материал, подобный эластомеру. По обе стороны от кольцевого выступа на цилиндрической части ротора 22 выполнены кольцевые проточки для колец 28, которые, взаимодействуя с цилиндрической поверхностью под тороидальным цилиндром, не допускают выход пара из рабочей полости тороидального цилиндра в атмосферу. Эту роль выполняет также уплотнительный материал, подобный эластомеру, наложенный на боковые части кольцевого выступа ротора 22, и соприкасающиеся с ним стенки прилива 3 главного диска и кольца 4. В камере расширения 19, вблизи поворотной стенки 7, установлены распылители 29, дробящие воду на мелкие капли, выбрасываемые на тепловые аккумуляторы 10 поворотной стенки 7 и днища 25 поршней 21. Вода к распылителям подводится из закрытого со всех сторон бачка 30 с избыточным давлением. Бачок 30 сообщен с распылителями 29 через водяной запорный кран 31 и подпружиненный клапан 32, взаимосвязанный с коромыслом 33, второй конец которого соединен со стойкой 34. Средняя часть коромысла шарнирно взаимосвязана с подпружиненной штангой 35, взаимодействующей с толкателем 36, который получает движение от кулачка, закрепленного на валу 2 отбора мощности. В бачке 30 создается постоянно избыточное давление нагнетательным насосом 37, забирающим воду из основного бака 38, закрытого пробкой. Рядом с тороидальным цилиндром 6 установлены парогенераторы 39, из которых через окна 40 по трубам 41 поступает пар в тороидальный цилиндр 6. Для предотвращения утечки пара между тороидальным цилиндром 6 и каждым парогенератором 39 установлено уплотнительное устройство, содержащее подпружиненный барабан 42, взаимодействующий дном с дисковым золотником 43, закрепленным на валу 2 отбора мощности, и раструб 44 с обработанной внутренней поверхностью, которой он взаимодействует с уплотнительными кольцами 45, установленными в проточках барабана 42. Раструб 44 навинчен на трубу 41, прикрепленную к парогенератору 39, и законтрагаен. В подпружиненном барабане 42 выполнен круглый канал, а в золотнике 43 - канал по форме эллипса. В парогенераторах 39 использован эффект мгновенного испарения воды, выбрасываемой на высоко разогретые тепловые аккумуляторы, выполненные в виде колец, закрепленных внутри парогенератора. При этом вода выбрасывается мелкими каплями из форсунок, закрепленных на заглушенной с одного конца трубки, установленной на оси паровой камеры парогенератора с возможностью вращения с постоянной скоростью, а второй конец этой трубки сообщен через водяной кран 31 с бачком 30 избыточного давления. Тепловые аккумуляторы 10 поворотных стенок 7 и днищ 25 поршней 21, а также парогенераторов 39 питаются током от электрогенератора 46. Электрический ток от электрогенератора 46 через токосъемное кольцо на валу 2 (не показано) поступает к тепловым аккумуляторам днищ 25 поршней 21 по проводам, проложенным в сверлениях 47 ротора 22 и сверлениях в поршне 21. К тепловым аккумуляторам поворотных стенок 7 ток поступает по проводам, проложенным в сверлениях 48 и 49 в поворотных стенках. К парогенераторам 39 ток подводится по отдельным проводам. Отработавший пар из тороидального цилиндра через выпускное окно 50 (их два в тороидальном цилиндре) и по трубам 51 отводится в конденсатор 52 в виде радиатора, охлаждаемого вентилятором 53. Водяной конденсат накапливается в водосборнике 54, откуда по трубе 55 и очиститель 56, очищающий воду от масла и механических примесей, откачивается насосом 57 в основной водяной бак 38. Составной корпус тороидального цилиндра, электрогенератор 46 и конденсатор 52 крепятся на раме транспортного средства через упругие элементы болтами, ввинченными в бобышки 58, которые имеют указанные агрегаты, а парогенераторы 39 крепятся к корпусу двигателя к его кольцу 3 главного диска скобой 59. Двигатель закрыт кожухом 60. Для выпуска конденсата из парогенераторов 39 предусмотрен краник 61, соединенный трубкой 62 с водосборником 54. Работает паровой двигатель с тороидальным цилиндром следующим образом. В двигателях внутреннего сгорания для перемещения поршня в цилиндре двигателя используют эффект взрыва, возникающего от мгновенного сгорания топливовоздушной смеси. В предлагаемом паровом двигателе также для перемещения поршня в тороидальном цилиндре используется эффект взрыва, возникающий от мгновенного испарения мелких капель воды, попадающей на высокоразогретую поверхность тепловых аккумуляторов. Для нормальной работы парового двигателя с тороидальным цилиндром необходимо применять дождевую воду, хорошо очищенную от минеральных и механических примесей, а еще лучше - дистиллированную воду. После выпуска конденсата из парогенераторов краником 61, током от батарей аккумуляторов, заряжаемых электрогенератором 46, разогревают тепловые аккумуляторы парогенераторов 39 и несколько позже поворотных стенок 7 и днищ 25 поршней 21. Затем включают механизм вращения в парогенераторе 39 центральной трубки с распылителями, открывают запорный кран 31, соединяющий бачок 30 избыточного давления с распылителями парогенераторов 39 и подпружиненным клапаном 32. Когда по показаниям манометров в парогенераторах давление пара достигнет нормальной величины, тогда поворачивают ротор 22 в направлении, соответствующем вращению его при работе двигателя, и если поршни прошли место установки поворотных стенок 7, последние под действием штанг 15, опускаемых пружинами 16, займут положение, при котором перегородят тороидальный цилиндр 6, образуя между каждой поворотной стенкой 7 и каждым днищем 25 поршней 21 начальную камеру расширения малого объема, а по другую сторону поршня 21 - полость выпуска 20. В этот момент или немного раньше на очень малый промежуток времени для каждой половины двигателя кулачок на валу 2 отбора мощности набегает на толкатель 36, с помощью штанги 35 и коромысла 33 открывается клапан 32 на короткое время. Вода из бачка 30 избыточного давления через запорный кран 31 и клапан 32 через распылители 29 выбрасывается мелкими каплями на тепловые аккумуляторы 10 поворотных стенок 7 и днищ 25 поршней 21. Образовавшийся пар толкает поршни. Подача воды к клапану 32 прекращается, но в это время золотник 43 сообщает на небольшой промежуток времени впускное окно 40 тороидального цилиндра с парогенератором 39, из которого пар поступает в камеру расширения 19. Дополнительный пар воздействует на поршни 21 и перемещает их. Поршни 21, взаимосвязанные с ротором 22, заставляют его вращаться, а ротор 22 заставляет вращаться вал 2 отбора мощности, т.е. на выходном конце вала 2 отбора мощности можно получить полезную работу. Длительность открытого положения золотника 43 надо определить опытным путем. Расширяющийся пар толкает поршни 21 до выпускных окон 50 и его давление снижается до давления, близкого к атмосферному. Это возможно лишь потому, что сила давления пара на поршни 21 действует на большом плече, равном среднему диаметру кольца тороидального цилиндра, поэтому даже при малом удельном давлении пара можно получить довольно большой крутящий момент, что говорит о том, что при малых габаритах двигатель имеет большую мощность. Отработавший пар из полости выпуска 20 выходит под собственным давлением, а потом под действием тыльной стороны поршня 21 и по трубе 51 поступает в конденсаторы 52, где по трубкам конденсатора растекается на отдельные струи, охлаждаемые вентилятором 53, и преобразуются в воду, накапливающуюся в водосборнике 54. Из водосборника 54 вода насосом 57 откачивается в основной водяной бак 38, а из него нагнетательным насосом 37 нагнетается в бачок 30, из которого поступает вновь к распылителям 29, откуда мелкими каплями падает на разогретые тепловые аккумуляторы 10 поворотных стенок 7, днищ 25 поршней 21 и парогенераторов 39. Поворотные стенки 7 поворачиваются в одно из положений за время поворота ротора на 30о или 1/12 его поворота. Это время зависит от частоты вращения вала 2 двигателя. Так, например, при частоте вращения вала, равном 1000 об/мин время поворота стенки 7 равно 0,005 с; при 1500 об/мин - 0,003 с; при 2000 об/мин - 0,0025 с. Если сравнить время одного хода поршня в двигателе с кривошипно-шатунным механизмом, это будет выглядеть так: при частоте вращения вала двигателя 6000 об/мин время перемещения поршня за один ход равно 0,005 с, а при частоте вращения 13000 об/мин - 0,0025 с, т.е. возможность применения поворотной стенки внутри тороидального цилиндра доказана. В Японии на гоночном автомобиле установлен двигатель с кривошипно-шатунным механизмом, вал которого имеет частоту вращения 13000 об/мин (см. журнал "Автомобильная промышленность США", 1989, N 6, с.32). В Японии был построен опытный двигатель с дисковым золотником. Частота вращения вала этого опытного двигателя 20000 об/мин. Для смазки цапф поворотных стенок к ним можно подводить масло по трубкам, а для смазки поршневых колец к ним масло можно подводить через осевое сверление в вале 2, а потом по трубкам или сверлениям в роторе и поршнях. Большое и постоянное по величине плечо действия силы давления пара на поршень позволяет получить большой по величине крутящий момент, а, значит, при малых габаритах двигателя от него можно получить большую мощность. Незначительные потери тепла на образование пара позволит значительно повысить КПД парового двигателя. Это возможно также за счет того, что поршень движется только в одном направлении, а при этом возможно расширять пар до давления, приближающегося к атмосферному. Выпуск отработавшего пара при низком давлении по трубопроводу в конденсатор пара позволяет резко снизить токсичность и аэродинамический шум двигателя. Замкнутый цикл от начала получения пара с помощью электрической энергии до превращения отработавшего пара в воду, которая вновь поступает в двигатель для образования пара, значительно улучшает окружающую нас экологическую среду.Формула изобретения
ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ТОРОИДАЛЬНЫМ ЦИЛИНДРОМ, содержащий корпус, вал отбора мощности, ротор, закрепленный на валу, поршень, взаимосвязанный с ротором, тороидальный цилиндр с впускным и выпускным окнами, поворотную стенку, установленную с возможностью периодического перекрытия цилиндра, и привод поворотной стенки, отличающийся тем, что поворотная стенка выполнена в форме цилиндрической заслонки с профилированной выемкой, снабженной двухступенчатыми цапфами, установленными в боковых стенках тороидального цилиндра с возможностью поворота посредством кривошипа, установленного на одной из цапф, и под действием кулачка, закрепленного на валу отбора мощности двигателя, в положение, обеспечивающее свободный проход поршня, а под действием пружины - поворот в положение, обеспечивающее разделение тороидального цилиндра на камеру расширения и полость выпуска, на цилиндрической части поворотной стенки выполнены проточки, в которых на днище установлены уплотнительные кольца, а днище поршня выполнено в форме клина и снабжено тепловыми аккумуляторами, напротив которых в тороидальном цилиндре установлены распылители воды, соединенные через запорный кран с бачком избыточного давления, причем впускное окно тороидального цилиндра посредством дискового золотника сообщено с парогенератором, а между золотником и парогенератором установлено уплотнительное устройство, включающее подпружиненный барабан, взаимодействующий дном с дисковым золотником и имеющий на цилиндрической части проточки для установки уплотнительных колец, а также закрепленный на трубе парогенератора раструб, охватывающий цилиндрической поверхностью уплотнительные кольца барабана, выпускное окно тороидального цилиндра посредством трубопровода сообщено с конденсатором пара, расположенным напротив вентилятора, при этом конденсатор снабжен водосборником и насосом, подключенным через фильтр к основному водяному баку, сообщенному посредством нагнетательного насоса с бачком избыточного давления.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6www.findpatent.ru
