УНИПОЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 1995 года по МПК H02K31/02 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к униполярным электрическим машинам, предназначенным для питания электрофизической аппаратуры, технологического оборудования и т.д.

Известны многодисковые униполярные машины [1] в которых однодисковые роторы, установленные в подшипниках, жестко соединены друг с другом электроизолированными муфтами.

Основными недостатками многодисковых униполярных машин являются, во-первых, большое число токосъемных скользящих контактов и, во-вторых, многозвенность ротора, усложняющая его конструкцию, а также трудность надежного крепления дисков на электроизолированный вал привода.

Наиболее близкой к изобретению является униполярная машина, содержащая установленные на приводном валу изолированные от вала монолитные двухдисковые роторы с токосъемными устройствами, расположенными на периферии каждого диска, причем каждый диск имеет свою систему возбуждения, токопровод и статор [2] Благодаря катушечной конфигурации двухдискового ротора удается вдвое уменьшить число токосъемных устройств, так как отпадает необходимость во внутреннем скользящем контакте.

Недостатком данной конструкции является то, что двухдисковые роторы в ней включены электрически таким образом, что направление тока в тех соседних дисках, которые принадлежат различным роторам, противоположно, и это вынуждает устанавливать для каждого диска свою систему возбуждения, причем любые две соседние системы включены встречно, чтобы обеспечить для соседних дисков противоположное направление магнитного потока.

Цель изобретения уменьшение массогабаритных показателей машины.

Это достигается тем, что униполярная электрическая машина содержит ротор, состоящий не менее чем из двух якорных контуров, соединенных последовательно, каждый якорный контур имеет два диска, соединенных цилиндрической частью на уровне внутренней окружности диска, причем один из дисков выполнен съемным, а якорные контуры изолированы друг от друга, система возбуждения выполнена в виде кольцевых катушек, размещенных в магнитопроводящих подшипниковых щитках, а выводные токопроводы статора выполнены П-образной формы и размещены в радиальных пазах магнитопровода статора.

На фиг. 1 изображен общий вид четырехдисковой униполярной машины, соответствующей топологическому типу катушка в катушке, разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 и 4 схема разъема корпуса униполярной машины; на фиг. 5 узел ротора; на фиг. 6 электрическая схема.

При используемой системе смешанной радиально-осевой сборки средняя часть корпуса состоит из двух половин (фиг. 3), разнимающихся по оси вала (разъем III). К торцам статора присоединяют правую (разъем II) и левую (разъем I) совершенно идентичные крышки, несущие подшипники.

Узел крышки состоит из крышки 1, обмотки 2 возбуждения и капролонового стакана 3. При монтаже узел ротора укладывают в нижний полукорпус 4, к которому крепят крышки, центрируя вал в подшипниках. Затем устанавливают верхний полукорпус 5 и затягивают болты крышек.

При разборках с целью осмотра крышки остаются постоянно привернутыми к нижнему полукорпусу. При такой конструкции сохраняется удобство сборки и разборки.

Полукорпусы представляют собой ступенчатые полуцилиндры с диаметрами D₁, D₂, D₃ (фиг. 3), в которых сквозь радиальные пазы проходят П-образные электроды 6, соединенные с вильчатыми оконечниками 7 выводов 8 электрощеток 9 (фиг. 2), которые благодаря болтовому соединению 10 обеспечивают требуемую разъемность конструкции.

Ступенчатые полуцилиндры в сборе с ротором прижимаются друг к другу с помощью болтового соединения 11 (фиг. 2). После этого в статор устанавливаются капролоновые щеткодержатели 12 (левый и правый) с равномерно расположенными по окружности радиальными прямоугольными пазами, соответствующими сечению электрощеток. Электрощетка прижимается к цилиндрической поверхности диска призматической пружиной 13. Узел электрощетки устанавливается в щеткодержатель через окно в полукорпусе. Вильчатые наконечники выводов двух других рядов электрощеток с помощью болтов соединены с кольцевыми электродами 14, установленными через капролоновые полукольца 15 с фланцами корпуса.

Узел ротора состоит из двух катушечных роторов, соосно вставленных друг в друга (фиг. 5).Каждый катушечный ротор состоит из средней части, называемой роторный цилиндр, на концах которой расположено по одному активному диску (правому и левому). Внутренний катушечный ротор состоит из ведущего вала 16, изготовленного заодно с левым диском, и правого съемного диска 20 (см. фиг. 1). Наружный катушечный ротор представляет собой монолитную конструкцию из роторного цилиндра и правого и левого диска 19.

Узел ротора собирается в следующем порядке.

На правый конец вала 16 надевается кольцевая изолирующая прокладка 18 и устанавливается в соприкосновение с левым диском внутреннего катушечного ротора. Затем надевается на вал с правого конца текстолитовая труба 17, (фиг. 1), на которую насаживается наружный катушечный ротор до упора его левого диска с кольцевой прокладкой 18. Далее на вал справа надевается кольцевая изолирующая прокладка 18 до соприкосновения с правым диском наружного катушечного ротора. Наконец, на правый конец вала надевается съемный диск 20 и гайка 21, которая плотно стягивает весь узел ротора.

Съемный диск желательно устанавливать на вал 16 через медную фольгу, которая при плотной посадке, благодаря своей пластичности, увеличивает площадь электрического контакта вала 16 с диском 20, благодаря чему снижается электрическое сопротивление в данной контактной зоне. Ротор опирается на два подшипника 22, изолированных от крышек стаканами 3.

Благодаря тому, что ток в смежных дисках имеет одинаковое направление, магнитного потока в этих дисках так же должно совпадать и поэтому этот поток можно обеспечить общей обмоткой возбуждения 2.

В отличии от левого комплекта дисков для правого комплекта дисков, имеющих противоположное направление тока, правая обмотка возбуждения должна быть включена встречно левой обмотке возбуждения.

В частности, для компенсации и уменьшения размагничивающего действия поля якоря используются П-образные электроды 6, играющие роль компенсационных "обмоток", которые включаются последовательно в цепь якоря униполярной машины, но имеют направление тока противоположное направлению его в якоре, причем эффективность П-образных электродов тем выше, чем ближе они расположены к поверхности наружного катушечного ротора.

Для уменьшения потерь мощности в токосъемных устройствах, расположенных в области сильных магнитных полей, можно каждую катушку возбуждения разделить на две части, включенные между собой согласно, а между указанными частями катушек разместить токосъемные устройства. Кроме того, униполярная машина может быть выполнена без ферромагнитопровода со сверхпроводящими катушками возбуждения.

Двухдисковые роторы желательно делать монолитными, так как монолитность уменьшает электрические потери и косвенно влияет на увеличение предельных значений тока в униполярной машине, а именно благодаря монолитности ротора увеличивается его несущая способность, что позволяет сделать ротор более высокооборотным, а следовательно, и всю машину более компактной при заданной электрической мощности.

Униполярная машина работает следующим образом в генераторном режиме. После раскрутки ротора до рабочих оборотов антипараллельно включаются обмотки возбуждения 2 (левая и правая), создающие магнитное поле В (силовые линии магнитного потока показаны на фиг. 1 и 5). Так как ферромагнитопровод имеет остаточную намагниченность, то возможно самовозбуждение генератора, согласно схеме, приведенной на фиг. 6, где ОВ обмотка возбуждения; Н нагрузке, В₁, В₂ коммутирующие элементы.

Процесс самовозбуждения генератора и его разряд в нагрузку разграничены во времени, т. е. сначала генератор возбуждается на холостом ходу, а затем подключается загрузка, т.е. используется двухступенчатый разряд генератора параллельного возбуждения. Процесс самовозбуждения генератора начинается в момент замыкания цепи обмотки возбуждения коммутирующим элементом В₁ при разомкнутом элементе В₂ (фиг. 6).

При достижении расчетной величины магнитного потока в момент установления необходимого тока возбуждения осуществляется разряд генератора в нагрузку замыканием коммутирующего элемента В₂, элемент В₁ остается при этом замкнутым.

Направление тока показано на фиг. 4: через щеточный токосъем ток поступает в левый диск внутреннего катушечного ротора и, пройдя по нему к роторному цилиндру, поворачивает направо и течет к правому диску внутреннего катушечного ротора; пройдя по этому диску, ток через щеточный токосъем поступает в П-образный электрод и через щеточный токосъем входит в левый диск наружного катушечного ротора. Пройдя по этому диску, ток поворачивает направо и течет по роторному цилиндру. Наконец, пройдя через правый диск наружного катушечного ротора, ток через щеточный токосъем выходит на нагрузку. При стационарном режиме работы привод не отключается, а при ударном разряде генератора привод отключается перед моментом коммутации и поэтому после разряда вращение ротора прекращается.

Предложенная конструкция униполярной машины обладает преимуществами с точки зрения диапазона выходного напряжения и тока, который неосуществим известными типами электрических машин, и поэтому является единственным источником питания соответствующих потребителей электроэнергии. Это одно из главных, наряду с простотой и компактностью конструкции, достоинств предложенной униполярной машины по сравнению с прототипом.

Использование: униполярные электрические машины на низкое напряжение и большую силу тока, применяемые для питания электрофизической аппаратуры и технологического оборудования, например в металлургии. Сущность изобретения: униполярная электрическая машина содержит многодисковый ротор, у которого на валу размещены двухдисковые элементы, токосъемные устройства расположены на периферии каждого диска, что позволяет уменьшить массогабаритные показатели. 6 ил.

УНИПОЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА, содержащая ротор, состоящий не менее чем из двух якорных контуров, соединенных последовательно, каждый якорный контур имеет два диска, соединенных цилиндрической частью на уровне внутренней окружности диска, токосъемные устройства, статор с системой возбуждения, подшипниковые щиты, выводные токопроводы статора, отличающаяся тем, что указанные якорные контуры скомпонованы концентрично, причем один из дисков выполнен съемным, а якорные контуры изолированы друг от друга, система возбуждения выполнена в виде кольцевых катушек, размещенных в магнитопроводящих подшипниковых щитах, выводные токопроводы статора выполнены П-образной формы и размещены в радиальных пазах магнитопровода статора.