ТОКОСЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1997 года по МПК H02K31/00 

Изобретение относится к токосъемным устройствам (ТУ) и касается в частности ТУ униполярных электрических машин (УЭМ)
Уровень техники.

УЭМ имеют преимущества, по сравнению с другими типами электрических машин (ЭМ), такие как ([1] с. 20-21): больший коэффициент полезного действия; простота конструкции (в следствии малого количества деталей); высокая термостойкость и долговечность; экономия цветного металла (меди); уменьшая стоимость машины и простота обслуживания; допускает высокую плотность тока; двойное использование материалов (одновременно как токопровод и как магнитопровод).

С другой стороны УЭМ в варианте двигателя имеют преимущество перед асинхронными ЭМ то, что могут иметь более высокую скорость вращения ротора (т. к. скорость вращения ротора асинхронной машины ограничена частотой питающего тока ([1] с. 178)).

Таким образом УЭМ, потенциально, имеют в качестве фактора, ограничивающего скорость вращения ротора только физико- механические характеристики материала конструкции ротора, что, потенциально, позволит иметь УЭМ, по сравнению с другими типами ЭМ, более выгодные массогабаритные характеристики (т. е. меньший вес и габариты).

Однако несмотря на эти преимущества, сдерживающим фактором для применения УЭМ является отсутствие надежных ТУ, работающих в широком диапазоне линейных скоростей в скользящем контакте ([2] с. 3).

Существующие УЭМ не отличаются большим принципиальным разнообразием конструкций ТУ.

В качестве скользящего электрического контакта в УЭМ используются: ([3]) щеточный контакт; ([4]) жидкометаллический контакт; ([5]) токосъем при помощи дугового разряда в вакууме.

Недостаток всех этих конструкций ограничение линейной скорости в скользящем контакте вполне конкретным значением, равным для щеточного контакта 10-90 метрам в секунду (м/с)([2] с. 4), а для жидкометаллического контакта - 100-120 м/с ([2] с. 3).

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению является УЭМ, указанная в ([6]). Она представляет из себя УЭМ с дисковым ротором. На периферии ротор соединен (электрически) при помощи щетки со щеткодержателем. Щеткодержатель в свою очередь соединен (электрически) при помощи жидкометаллического контакта с неподвижной частью УЭМ. Щеткодержатель может вращаться в направлении вращения ротора. Подшипниковые опоры щеткодержателя расположены на таком же расстоянии от оси вращения ротора, что и щетки.

Недостаток данного решения невысокая скорость вращения щеткодержателя (т. к. его подшипниковые опоры расположены далеко от оси вращения ротора и оси вращения самого щеткодержателя, а скорость скольжения (или качения) подшипниковых опор имеет вполне определенное, конечное значение), и невозможность регулирования скорости вращения щеткодержателя. Все это позволит незначительно увеличить угловую скорость ротора УЭМ, по сравнению с УЭМ, имеющими традиционные ТУ, указанные в ([3] [4] [5]).

Задачей изобретения является создание такого ТУ, которое бы позволило иметь скорость вращения ротора УЭМ, ограничиваемую только физико-механическими характеристикамиматериала конструкции ротора, а следовательно, уменьшить вес и габариты УЭМ (при прочих равных условиях).

Очевидно, если такая задача может быть решена, то это "неочевидное" решение для следующего в ЭВМ специалиста, поскольку в рассмотренных аналогах и прототипе она не решена.

Задача изобретения решается тем, что у заявляемой УЭМ имеются, по меньшей мере два, например, дисковых ротора, совершающих вращение в одном направлении с разной угловой скоростью, При этом, например, в варианте двигателя один ротор механически связан с потребителем мощности и по нему течет ток, необходимый для создания тpебуемой мощности. Второй ротор вращается в том же направлении, но с меньшей угловой скоростью, причем он механически не связан с потребителем мощности. На периферии второго ротора установлен обод, изолированный от него электрически, и жестко прикреплен к нему. Внутренняя поверхность обода соединена электрическим скользящим контактом, например, при помощи щетки, с периферией первого ротора, а внешняя сторона обода соединена электрическим скользящим контактом, например, щеткой с неподвижной частью УЭМ. Второй ротор также на периферии соединен электрически, например, при помощи щетки с неподвижной частью УЭМ. Оба ротора имеют также скользящие электрические контакты у оси вращения соответствующих роторов. По второму ротору течет ток, необходимый только для компенсации силы сопротивления, создаваемой щеточными контактами обоих роторов и трением в опорах второго ротора (т. е. меньший ток, чем по первому ротору). Ток в обоих роторах течет в одном направлении.

Таким образом, имея по меньшей мере два ротора, вращающихся в одном направлении с разной угловой скоростью, можно увеличить угловую скорость первого ротора (силового ротора) относительно неподвижной части УЭМ в два раза. Это возможно потому, что скорость в скользящем контакте (внешняя поверхность обода неподвижная часть УЭМ) будет равна предельно допустимой, равной для щеток согласно ([2] с. 4) 90 м/с. Скорость в скользящем контакте (внутренняя поверхность обода периферия первого ротора) также будет равна 90 м/с. Но так как оба ротора вращаются в одном направлении с разными угловыми скоростями (угловая скорость первого ротора в два раза выше, чем угловая скорость второго ротора), в результате окружная скорость первого ротора относительно неподвижной части УЭМ будет равна сумме этих скоростей, т. е. 180 м/с, что в два раза выше, чем у существующих УЭМ.

Все это позволит уменьшить габариты и вес УЭМ (при прочих равных условиях), по сравнению с существующими УЭМ.

Применяя несколько роторов (два и более) по аналогичной схеме (т. е. один ротор является силовым (связан с потребителем или источником мощности), а все остальные служат только для сохранения линейной скорости в скользящем контакте в заданных пределах (они не связаны механически с потребителем или источником мощности), можно получить угловую скорость силового ротора, ограничиваемую только физико-механическими характеристиками материала конструкции силового ротора. В этом варианте исполнения заявляемого решения все роторы имеют разные угловые скорости, однако они вращаются в одном направлении.

Заявляемое решение может быть использовано в УЭМ, работающей как в двигательном, так и в генераторном режиме.

На чертеже показана УЭМ, где цифрами обозначено: 1,4 валы роторов 2 и 3, соответственно; 2 и 3 роторы; 5 обод; 6 изоляционная прокладка; 7 - статор; 8, 9, 10, 11 и 12 щетки; а а и б б электрические цепи роторов 3 и 2, соответственно. На чертеже опоры роторов 2 и 3 не показаны. Цифрой 13 на чертеже обозначена обмотка возбуждения статора 7.

Устройство при использовании его в УЭМ представляет из себя следующее. На валу 1 жестко установлендисковый ротор 2, электрически соединенный с валом 1. Имеется второй дисковый ротор 3, механически не связанный с ротором 2, и выполненный заодно с валом 4. На периферии ротора 3 установлен обод 5, жестко связанный с ним, но изолированный от него электрически изоляционной прокладкой 3. Оба ротора установлены между полюсами статора 7 (опоры роторов на чертеже не показаны). Оси вращения роторов 2 и 3 совпадают. Ротор 2 имеет один щеточный скользящий контакт 8 у оси вала 1 другой щеточный контакт 9 на периферии, соединяющий ротор 2 с внутренней поверхностью обода 5 (обод 5 является проводником электрического тока). Внешняя сторона обода 5 и неподвижная часть УЭМ соединены при помощи щеточного скользящего контакта 10. Ротор 3 соединен с неподвижной частью УЭМ у оси вала 4 при помощи щеточного скользящего контакта 11, а на периферии при помощи щеточного скользящего контакта 12. Роторы 2 и 3 расположены между полюсами статора 7, магнитное поле между которыми создается обмоткой возбуждения 13.

Устройство в варианте двигателя работает следующим образом. В цепи d d от щетки 11 через вал 4 и ротор 3 к щетке 12 течет постоянный ток i₁ (фиг. 1). В обмотках возбуждения 13 статора 7 также течет ток, следовательно, между полюсами статора 7, обращенными к ротору 3, возникает магнитный поток, который в соответствии с законом электромагнитной индукции воздействует на проводник с током (ротор 3) с силой F_эм, определяемой согласно ([7] с. 7) по формуле:
F_эм=B•l•i₁, (1)
где, B индукция магнитного поля между полюсами статора 7,
l длина проводника с током (т. е. радиус ротора 3),
i₁ ток к цепи а а.

Эта сила создает крутящий момент и заставляет ротор 3 вращаться в строго определенную сторону, определяемую согласно правилу правой руки.

Величина i₁ выберается такой, чтобы полностью компенсировать потери на трение в опорах вала 4 в щеточных контактах 10, 11 и 12. При этом линейная скорость в щеточных контактах 10 и 12 не должна быть больше допустимой для щеток и равна согласно ([2] с. 4) 90 м/с,
В цепи б б от щетки 8 через вал 1 ротор 2 к щетке 9, через обод 5 к щетке 10 течет ток i₂. Т. е. токи i₁ и i₂ в обоих роторах текут в одном направлении. Величина i₂ выбирается такой (причем i₂ > i₁), чтобы, отдавая потребителю заданную мощность (потребитель механически соединен с валом 1), относительная скорость в щеточном контакте 9 не превышала предельно допустимую для щеток, равную 90 м/с. Т. к. ток i₂ в роторе 2 течет в том же направлении, что и ток i₁ в роторе 3, то оба ротора 2 и 3 будут вращаться в одном направлении,
Таким образом, периферия ротора 2 будет иметь (относительно обода 5) линейную скорость, равную 90 м/с. В свою очередь, обод 5 будет иметь линейную скорость относительно неподвижной части УЭМ равную 90 м/с (т. к. обод 5 жестко прикреплен к ротору 3), Но т. к. роторы 2 и 3 вращаются в одном направлении, то следовательно, относительная скорость периферии ротора 2 (относительно неподвижной части УЭМ) будет равна сумме этих скоростей, т. е. 180 м/с. Это в два раза больше, чем у существующих УЭМ.

Но т. к. мощность двигателя прямо пропорциональна угловой скорости ротора, то заявляемая УЭМ в варианте двигателя (и в варианте генератора) будет иметь в два раза большую мощность (при прочих равных условиях), по сравнению с соответствующими УЭМ, или при заданной мощности меньшие вес и габариты.

В рассмотренном случае по роторам 2 и 3 текут токи i₂ и i₁, имеющие разные значения. Но как видно из формулы (1) заданную электромагнитную силу F_эм можно получить как выбором значения силы тока (при фиксированной длине проводника, находящегося между полюсами магнита), так и выбором длины проводника (при фиксированной силе тока). Следовательно, возможен вариант исполнения заявляемого решения, когда токи, текущие в роторах 2 и 3 равны между собой.

Для регулирования скорости вращения ротора 3 скользящий щеточный контакт 11 (или 12, или оба вместе взятые) можно выполнить с возможностью перемещения вдоль радиуса ротора 3 (в этом случае будет изменятся длина проводника, а следовательно, и угловая скорость ротора 3 (при фиксированной силе тока)).

В устройстве может быть использован как постоянный, так и переменный ток (т. е. ток, который течет по роторам 2 и 3).

В качестве скользящего контакта может быть использованы любые их виды (щетки, жидкие металлы и др.).

Устройство может быть использовано в УЭМ, работающих как в двигательном, так и генераторном режимах, и имеющие как дисковые так и цилиндрические роторы.

Скользящий электрический контакт на периферии роторов может быть выполнен как на цилиндрической стороне роторов (как показано на чертеже), так и на торцевой стороне роторов.

Скользящий электрический контакт, соединяющий периферию первого ротора и поверхность обода, может совершать вращение вместе с периферией первого ротора, или вместе с ободом.

Использование: изобретение относится к токосъемным устройствам униполярных электрических машин. Устройство содержит ротор, помещенный в магнитное поле статора. Скользящий электрический контакт между периферией ротора и неподвижной частью УЭМ осуществляется через проводник, выполненный в виде ротора, вращающегося в том же направлении, что и первый ротор, из имеющего меньшую угловую скорость, чем первый ротор. 1 ил.

Токосъемное устройство униполярной электрической машины, имеющей по крайней мере один ротор, помещенный в магнитное поле статора, содержащее электрическую связь ротора с неподвижным электродом при помощи по крайней мере одного проводника, связанного как с ротором, так и с неподвижным электродом посредством скользящих электрических контактов, при этом проводник выполнен с возможностью вращения в направлении вращения ротора, отличающееся тем, что проводник выполнен в виде ротора, помещенного в магнитное поле статора совместно с первым ротором, оба ротора выполнены вращающимися в одном направлении и с разными угловыми скоростями.