УНИПОЛЯРНАЯ МАШИНА Российский патент 1995 года по МПК H02K19/18 

Изобретение относится к электромашиностроению электрическим машинам, а именно к униполярным машинам, предназначенным для производства электрической энергии.

Существующие униполярные машины работают на принципе униполярной индукции. При конструировании униполярных машин большие затруднения возникают в связи с необходимостью снятия посредством скользящих контактов больших величин тока нагрузки.

Униполярная машина, выбранная в качестве прототипа, содержит корпус, индуктор с магнитопроводом и установленной в нем обмоткой возбуждения, размещенную в межполюсном пространстве индуктора рабочую обмотку и закрепленный на валу коллекторный узел, взаимодействующий с щетками электрической сети. Последовательное соединение медных стержней вращающейся обмотки выходного напряжения выполнено посредством щеток, установленных на каждой коллекторной пластине.

Недостаток устройства-прототипа подвижность размещенной на валу якоря рабочей обмотки выходного напряжения с наличием в ней множественных коллекторных узлов с коммутационными пластинами и щетками токосъема, что снижает надежность работы униполярной машины.

Цель изобретения повышение надежности работы униполярной машины.

Цель достигается тем, что в известной униполярной машине-прототипе, содержащей корпус, индуктор с магнитопроводом и установленной в нем обмоткой возбуждения, размещенную в межполюсном пространстве индуктора рабочую обмотку и закрепленный на валу коллекторный узел, взаимодействующий со щетками электрической сети, внесены следующие изменения. Вращающаяся стержневая рабочая обмотка преобразована в последовательно соединенные и изолированные друг от друга ряды пластинчатых симметричных секторных элементов и перенесена с вала якоря в межполюсное пространство индуктора с исключением из ее цепи коллекторных узлов со щетками и обеспечением ее неподвижности относительно корпуса. Неподвижные катушки обмотки возбуждения индуктора из кольцеобразных превращены в радиальные с размещением их на валу якоря с радиальными магнитопроводами и возмжностью вращения. Начала и концы обмоток возбуждения подключены к коммутационным пластинам коллекторного узла, закрепленного на валу якоря. Положительный и отрицательный зажимы с шин возбуждения постоянно связаны через щетки и коллекторные пластины попеременно с началами и концами всех пар катушек обмотки возбуждения, чем и обеспечивается циклическая смена полярности катушек возбуждения. Пластинчатые симметричные секторные элементы рабочей обмотки выходного напряжения выполнены из ферромагнитного материала, сами являются магнитопроводами, уложены рядами с образованием свободных от них нейтральных промежутков, в пределах которых происходит смена полярности катушек возбуждения. Рабочий магнитный поток возбуждения создается от независимого источника электрического тока. По прохождении нейтральных промежутков каждые противолежащие пары катушек обмотки возбуждения за счет смены под щетками коммутационных пластин коллекторного узла сохраняют свою одноименнополюсность, например, в верхней полусфере всегда сохраняется южный знак полярности, а в нижней полусфере всегда сохраняется северный знак полярности. Это свойство машины дает возможность соединить в последовательную цепочку коаксиально расположенными соединительными проводниками все элементы рабочей обмотки с исключением из нее всех коллекторных узлов с щетками, так как они утратили свои функции.

На фиг.1 представлена униполярная электрическая машина, продольный разрез; на фиг.2 и 3 электрическая схема последовательного соединения пластинчатых симметричных секторных элементов рабочей обмотки выходного напряжения; на фиг. 4 электрическая схема соединения обмоток возбуждения с коммутационными пластинами коллекторного узла, положительной и отрицательной щетками.

Предлагаемое устройство содержит вращающийся индуктор с расположенными радиально по кругу и смещенными друг относительно друга по осям на 90^о четырьмя парами катушек обмотки 1 возбуждения, их магнитопроводы 2, закрепленные на валу 3 и изолированные от него и между собой коммутационные пластины коллекторного узла с токосъемными щетками 4, контакты 5 от шин возбуждения, соединительные проводники 6 между катушками обмоток возбуждения и коммутационными пластинами коллекторного узла, вентилятор охлаждения 7, насаженную на вал и вращающуюся вместе с ним распорную втулку 8, на торцах которой крепятся с возможностью снятия при разборке машины магнитопроводы 9, неподвижные симметричные ферромагнитные пластинчатые секторные элементы рабочей обмотки 10 выходного напряжения, их соединительные проводники 11, узел 12 крепления элементов рабочей обмотки с соответствующей изоляцией от корпуса машины и между элементами обмотки, контакты 13 выходной цепи рабочей обмотки, корпус 14 машины, съемные, боковины 15 корпуса, вентиляционные прорези 16 в боковинах машины.

На фиг. 2 изображена электрическая схема последовательного соединения двух пятирядных симметричных секторов рабочей обмотки 10 (центральные секторные элементы представлены в разрезе). Каждый элемент обмотки имеет форму пластины части кругового кольца. Эта поверхность и является рабочей поверхностью, на которой будет действовать магнитный поток. Стрелками указано направление возбуждаемого тока, верхнего сектора в сторону вала машины, т.е. к центру, а нижнего сектора обмотки, наоборот от центра. Это достигается за счет того, что эти сектора обрабатываются полюсами разной полярности, так как коммутационные пластины коллекторного узла в схеме возбуждения постоянно и циклически меняют полярность работающих катушек возбуждения, причем таким образом, что в верхней полусфере всегда действует только южный полюс, а в нижней наоборот всегда действует только северный полюс. Два нейтральных промежутка 17 смещены по осям на 180^о. Последовательно соединительные проводники 11 круглого сечения размещены по линии дуги круга и в них не будет наводиться встречная ЭДС, так как они пересекаются неизменяемым магнитным потоком. В целом рабочая обмотка (в виде большого бублика) изготовляется в блочном исполнении с необходимой изоляцией, устанавливается и снимается целиком с выемкой одной из боковых сторон машины.

В схеме соединения обмоток катушек возбуждения (фиг. 4) четыре пары обмоток А₁, А₂, А₃, А₄ катушек возбуждения. Магнитная цепь замыкается в межполюсном пространстве индуктора через секторы рабочей обмотки 10 между северными и южными полюсами. Между обмотками 1 каждой пары соединительный проводник 6, соединяющий концы К₁ одной обмотки с началами Н₂ другой обмотки. Каждые две пары одновременно работающих катушек возбуждения смещены по осям на 180^о, например: А₁-А₃ и А₂-А₄.

Начала Н₁ каждой пары обмоток 1 катушек возбуждения выходят на коммутационные пластины коллекторного узла, смещенные по осям друг относительно друга на 90^о. Концы К₂ каждой пары обмоток 1 выходят на смещенные на 180^о коммутационные пластины коллекторного узла. Щетки 4 по длине дуги, равные длине дуги коммутационной пластины, при скольжении по коллекторному узлу попеременно и постоянно подают напряжение в обмотки катушек возбуждения. Каждые две пары обмоток катушек при прохождении нейтральных промежутков 17 меняют свою полярность. За время полного одного оборота вала смена полярности происходит четыре раза. В моменты одновременной смены полярности в двух парах катушек в работе остаются другие две пары. При этом магнитный поток весьма кратковременно колеблется по величине (уменьшается на 50%).

Униполярная электрическая машина может быть изготовлена малой мощности, напряжением до 250 В. В качестве первичного двигателя может быть использована энергия ветра и рек, двигатель внутреннего сгорания или электродвигатель.

При вращении вала машины и подаче постоянного тока от шин возбуждения через контакты 5, положительную и отрицательную щетки 4 происходит перемещение коммутационных пластин коллекторного узла, соединенных с началами Н₁ и концами К₂ всех катушек возбуждения. При этом циклически меняется направление тока в катушках возбуждения, обеспечивая их разную одноименно-полюсность в верхней и нижней полусферах, что и позволит выполнить последовательное соединение пластинчатых симметричных секторных элементов обмотки выходного напряжения коаксиально расположенными соединительными проводниками, на выходных контактах 13 возникнет однонаправленная ЭДС.

Дополнительным положительным эффектом предложенного устройства является улучшение эксплуатации, так как для замены щеток не требуется разборка машины (у прототипа щетки закрыты магнитопроводом статора и недоступны даже для визуального контроля). Улучшаются и экономические показатели. Предложенное устройство машины более дешевое при изготовлении, так как не требуется расхода цветного металла для изготовления рабочей обмотки выходного напряжения.

Изобретение относится к области электромашиностроения, а именно к униполярным электрическим машинам. Повышение надежности работы машины достигается за счет взаимной смены местами подвижной и неподвижной частей машины с обеспечением неподвижности рабочей обмотки выходного напряжения и устранения из ее цепи множественных скользящих контактов с щетками и коммутационными пластинами коллекторного узла, вводом коллекторного узла с коммутационными пластинами и щетками в схему возбуждения с функциями токосъема и как средство коммутации. Вместо вращающейся стержневой рабочей обмотки предусмотрена неподвижная обмотка в виде рядов пластинчатых симметричных ферромагнитных секторных элементов, установленных в межполюсном пространстве индуктора с образованием свободных от них промежутков, в пределах которых происходит смена полярности катушек возбуждения, таким образом, что в верхней полусфере всегда действует только южный полюс, а в нижней полусфере, наоборот, всегда действует только северный полюс. 4 ил.

УНИПОЛЯРНАЯ МАШИНА, содержащая корпус, индуктор с магнитопроводом и установленной в нем обмоткой возбуждения, размещенную в межполюсном пространстве индуктора рабочую обмотку и закрепленный на валу коллекторный узел, взаимодействующий с щетками электрической сети, отличающаяся тем, что индуктор выполнен в виде размещенных на валу якоря радиальных магнитопроводов с обмотками возбуждения, подключенными к коммутационным пластинам коллекторного узла, рабочая обмотка установлена неподвижно относительно корпуса и выполнена из последовательно соединенных изолированных друг от друга рядов пластинчатых симметричных секторных элементов.