УНИПОЛЯРНАЯ МАШИНА Н.Г.ЕРМИЛОВА Российский патент 1995 года по МПК H02K19/18 

Изобретение относится к электромашиностроению.

Преимущественная область использования (как товар народного потребления) - для электроснабжения индивидуальных жилых и хозяйственных помещений в сельской местности с использованием экологически чистых видов энергии: ветра и рек с целью электрообогрева, приготовления пищи, электроосвещения, приготовления горячей воды, питания бытовых электроприборов и в других областях.

Существующие униполярные машины работают по принципу униполярной индукции, позволяют получать постоянный ток большой величины (до 10⁵ А), но при низком уровне напряжения (десятки вольт) без преобразователя частоты. При их конструировании большие затруднения возникают в связи с необходимостью снятия посредством скользящих контактов весьма больших токов при низких рабочих напряжениях. Униполярные или одноименнополюсные машины отличаются от всех прочих машин постоянного тока тем, что в их якорях сразу генерируется ЭДС постоянного направления.

Известно большое количество различных конструкций униполярных машин. Одно из возможных исполнений [1] состоит из якоря - массивного стального тела, вращающегося на валу ротора в поле возбуждения, создаваемого неподвижными катушками кольцевой обмотки, установленной в статоре машины. Магнитный поток дважды пересекает зазор по кольцевому магнитопроводу и ферромагнитному телу ротора. Поле получается симметричным, и в активной зоне (между щетками) образуется кольцевой полюс определенной полярности. Поэтому во всех осевых элементах ротора, размещающихся между неподвижными щетками токосъема, индуктируется одна и та же постоянная ЭДС.

К недостаткам аналога следует отнести низкий уровень выходного рабочего напряжения (1-100 В), наличие многочисленных скользящих контактов и щеток токосъема в выходной цепи при больших величинах рабочего тока (до 1,5˙10⁵ А).

Униполярная машина, выбранная в качестве прототипа [2], содержит магнитопроводящий ротор, контактные кольца, расположенную коаксиально ротору цилиндрическую обмотку возбуждения, создающую магнитный поток, аксиально входящий в кольцеобразную зону статора, аксиально противолежащий ротору статор с множеством радиально расположенных на нем в зоне входа магнитного потока элементов рабочей обмотки, которые посредством соединительных, радиально расположенных проводников в зоне малой плотности потока соединены последовательно.

К недостаткам прототипа следует отнести следующее. Он, не имея средства коммутации, не может решить задачу получения более высокого уровня выходного напряжения, так как невозможно создать бесконечно убывающий или бесконечно возрастающий магнитный поток без средства коммутации. Кроме того, последовательно соединяющие элементы рабочей обмотки проводники размещены радиально, но хотя и находятся они в зоне с малой плотностью потока, имеют встречную, компенсирующую основную ЭДС.

Целью изобретения является повышение уровня выходного напряжения.

Цель достигается тем, что в униполярной машине, содержащей магнитопроводящий ротор, контактные кольца, обмотку возбуждения, создающую магнитный поток, противолежащий ротору статор, имеющий множество расположенных на нем в зоне магнитного потока элементов рабочей обмотки, соединенных между собой проводниками последовательно, ротор образован радиально рассредоточенными явновыраженными полюсами с магнитопроводами и катушками возбуждения, начала и концы обмоток которых соединены с изолированными друг от друга и от корпуса машины секторами контактного кольца как средства токосъема и коммутации, статор выполнен расположенными в зоне магнитного потока множественными рядами симметричных ферромагнитных секторных элементов рабочей обмотки, соединенных между собой последовательно коаксиально расположенными соединительными проводниками.

Техническая сущность изобретения заключается в том, что предложенная униполярная машина имеет ротор, образованный радиально рассредоточенными вращающимися явновыраженными полюсами (взамен барабана с концентрической обмоткой возбуждения в известном устройстве), сохраняет известный признак униполярных машин за счет дробления полюсов и наличия секторного контактного кольца как средства токосъема и коммутации, которое циклически меняет направление постоянного тока в катушках возбуждения с тем, чтобы одна часть элементов рабочей обмотки всегда пересекалась магнитным потоком только одной полярности, а другая их часть - потоком только другой полярности. Этот признак обеспечивает получение во внешней сети однонаправленного тока. Получение в предлагаемой машине более высокого уровня рабочего напряжения обеспечивается размещением соединяющих секторные элементы рабочей обмотки проводников коаксиально ротору, то есть концентрически, что исключает наведение в них встречной ЭДС, компенсирующей основную. В то же время в известной машине соединительные проводники размещены радиально, что и обуславливает создание в них встречной ЭДС, так как они пересекаются по всей длине магнитным потоком.

Отличительные признаки от прототипа: ротор образован радиально рассредоточенными явновыраженными полюсами с магнитопроводами и катушками возбуждения, начала и концы обмоток которых соединены с изолированными друг от друга и от корпуса машин секторами контактного кольца как средства токосъема и коммутации;
статор выполнен расположенными на нем в зоне магнитного потока множественными рядами симметричных ферромагнитных секторных элементов рабочей обмотки, соединенных между собой последовательно коаксиально расположенными соединительными проводниками; вместо двух контактных колец как средство токосъема применено одно секторное контактное кольцо с дополнительной функцией коммутации.

На фиг.1 представлена униполярная машина, продольный разрез; на фиг.2 - электрическая схема обмотки возбуждения; на фиг.3 - электрическая схема ферромагнитной рабочей секторной обмотки.

Униполярная машина содержит корпус 1, вал 2, вентилятор 3 для охлаждения, вентиляционные прорези 4 в боковых щитках, набор прокладок 5 из немагнитного материала, неподвижные магнитопроводы 6 в виде ферромагнитных круговых колец, расположенные радиально и смещенные относительно друг друга по осям на 60^о и насаженные на магнитопроводы ротора, катушки 7 возбуждения, путь магнитного потока 8 возбуждения, радиально рассредоточенные явновыраженные магнитопроводы 9 ротора, башмаки 10 электромагнитов, секторное контактное кольцо 11_1-6, соединительные проводники 12, 13 схемы возбуждения, щетки 14 в схеме возбуждения, щеткодержатели 15, изоляцию 16 секторного контактного кольца, клеммы 17 постоянного тока цепи возбуждения, симметричные ферромагнитные секторные элементы 18 рабочей обмотки в виде пластинчатых частей кругового кольца, радиально укрепленные на ферромагнитных кольцевых магнитопроводах 6 и изолированные от него, соединительные проводники 19 рабочей обмотки, положительный и отрицательный контакты 20 выходной цепи.

На фиг.2 буквами А₁-А₆ обозначены шесть пар электромагнитов, смещенных относительно друг друга по осям на 60^о, 11₁-11₆ - секторы контактного кольца, катушки возбуждения попарно соединены концами К₁ и началами Н₂ последовательно проводниками 13. Начала Н₁ выходят на ближний, противолежащий сектор контактного кольца, концы К₂ - на дальний противолежащий сектор контактного кольца. Соединительные проводники 12, 13 катушек возбуждения, токосъемные щетки 14, занимающие по длине два соседних сектора контактного кольца, смещены по осям на 180^о, а каждая от нейтральной оси - на 90^о.

На фиг.3 показано последовательное соединение одного ряда симметричных секторных элементов 18 рабочей обмотки (элементы представлены в разрезе). Каждый элемент обмотки имеет форму части кругового кольца и по своей боковой поверхности занимает по 30^о от круга. Все вместе они занимают 240^о. Эта поверхность и является рабочей поверхностью, на которой действует рабочий магнитный поток. Все элементы рабочей обмотки являются магнитопроводящими. Стрелками показано направление возбуждаемого тока верхних секторов в сторону вала машины, т. е. к центру, а нижних секторов обмотки от центра. Это достигается за счет того, что секторы постоянно обрабатываются полюсами разной полярности, так как секторное кольцо в схеме возбуждения постоянно и циклически меняет полярность работающих катушек возбуждения. Два нейтральных промежутка 21 с сохранением величины рабочего зазора занимают каждый по 60^о, смещены по осям на 180^о. Эти нейтральные промежутки заполнены магнитным материалом. Положительный и отрицательный контакты 20 образуют выходную электрическую цепь. Последовательно соединяющие проводники 19 размещены коаксиально по линии дуги круга, и в них не наводится встречная ЭДС.

Униполярная машина может быть изготовлена малой мощности, напряжением до 250 В с четным количеством пар катушек возбуждения. Рабочее напряжение тем больше, чем больше последовательно соединенных элементов секторной обмотки. Полученный электрический ток не синусоидный, но однонаправленный с пульсацией.

Машина имеет необычные габариты. По вертикали имеет значительно больший габарит, чем длина по горизонтали. В качестве первичного двигателя может быть использована энергия ветра и рек, двигатель внутреннего сгорания или электродвигатель.

При вращении ротора циклически меняется полярность полюсов электромагнитов за счет секторного контактного кольца, чем обеспечивается постоянство направления тока во внешней сети. Устройство коммутации выполняет также функции по управлению рабочим магнитным потоком. Здесь имеем дело с переменным магнитным потоком, что и исключает переменность электрического тока во внешней сети.

Машина проста в изготовлении, легкодоступна для разборки, сборки и осмотра.

Примером изготовления машины как товара народного потребления может служить ветроагрегат на одном валу с ветродвигателем и униполярной машиной на постоянных магнитах в качестве возбудителя. Такая машина малой мощностью (до 5 кВт) найдет широкое практическое применение для электроснабжения частных домов, садовых участков и дач, где нет государственной сети. Машины большей мощности найдут применение и на промышленных объектах для сварки, питания электродвигателей.

Устройство работает следующим образом.

На положительную и отрицательную токосъемные щетки 14 от шин возбуждения через контактное кольцо 11_1-6 подается ток возбуждения на жестко укрепленные на роторе катушки 7 возбуждения.

Ток возбуждения регулируется пропорционально току нагрузки машины. Ротор, вращаясь от первичного двигателя, создает в своих катушках вращающийся магнитный поток 8 возбуждения, который пересекает ферромагнитные секторные элементы 18 неподвижной рабочей обмотки и замыкается по круговому ферромагнитному кольцу магнитопроводов 6. В секторах рабочей обмотки наводится однонаправленная ЭДС. Рабочее напряжение снимается с контактов 20. В работе одновременно участвуют все шесть пар катушек возбуждения. Однако каждые две противолежащие пары, смещенные относительно друг друга на 180^о, поочередно и через каждые 60^о после прохождения нейтрального промежутка 21 меняют свою полярность на обратную. За один оборот ротора будет шесть переключений полярности полюсов.

Положительный эффект достигается за счет ввода в схему возбуждения контактного сектора кольца 11_1-6 как средства токосъема и коммутации, замены кольцевой цилиндрической обмотки на ряд радиально рассредоточенных электромагнитов, а также выноса последовательно соединяющих элементы секторной обмотки соединительных проводников из зоны действия изменяемого магнитного потока в зону неизменяемого магнитного потока с размещением их коаксиально ротору, что обуславливает реальность изобретения с получением положительного эффекта согласно цели изобретения, т. е. получение более повышенного, чем у прототипа, уровня напряжения в выходной цепи.

Изобретение относится к электромашиностроению. Целью изобретения является повышение уровня выходного напряжения. Активная рабочая часть статора состоит из двух идентичных ферромагнитных кольцевых магнитопроводов 6, расположенных на боковых щитках по обе стороны от ротора, изолированных друг от друга ферромагнитных симметричных рядов секторных элементов 18 рабочей обмотки в виде пластинчатых частей кругового кольца, соединенных последовательно и разделенных между верхней и нижней частями обмотки нейтральными секторными промежутками с соответствующей изоляцией. Ротор машины образован радиально рассредоточенными явновыраженными магнитопроводами 9 с катушками 7 возбуждения, секторным контактным кольцом 11 на валу 2 с щетками 14, введенными в схему возбуждения как средство токосъема и коммутации. Положительная и отрицательная щетки 14 от шин возбуждения через секторы контактного кольца 11 имеют постоянную электрическую связь попеременно с началами и концами всех пар катушек возбуждения. 3 ил.

УНИПОЛЯРНАЯ МАШИНА Н Г ЕРМИЛОВА.

Униполярная машина, содержащая магнитопроводящий ротор, контактные кольца, обмотку возбуждения, создающую магнитный поток, противолежащий ротору статор, имеющий множество расположенных на нем в зоне магнитного потока элементов рабочей обмотки, соединенных между собой проводниками последовательно, отличающаяся тем, что ротор образован радиально рассредоточенными явновыраженными полюсами с магнитопроводами и катушками возбуждения, начала и концы обмоток которых соединены с изолированными друг от друга и от корпуса машины секторами контактного кольца, как средства токосъема и коммутации, статор выполнен расположенными в зоне магнитного потока множественными рядами симметричных ферромагнитных секторных элементов рабочей обмотки, соединенных между собой последовательно коаксиально расположенными соединительными проводами.