УНИПОЛЯРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ГЕНЕРАТОР) ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H02K31/02 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к униполярным двигателям высокого напряжения.

Известны униполярные двигатели (генераторы) [1]
Недостатком таких двигателей является то, что они работают при низких напряжениях (4 20 В)постоянного тока, вследствие чего для получения значительной мощности необходим большой ток. В связи с этим эти двигатели почти не используют.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является униполярный двигатель высокого напряжения [2] Особенностью этого двигателя является то, что ротор выполнен в виде диска, его обмотка в виде радиально расположенных, последовательно соединенных проводников, находящихся в секторовидных участках с сильным и слабым магнитным полем, направление тока в которых (от оси ротора или в ней) обеспечивается коллектором, расположенным вблизи оси ротора. Подвод постоянного тока к коллектору обеспечивается контактными щетками, число которых равно числу секторовидных участков с сильным магнитным полем.

Главным недостатком этого двигателя-прототипа является сложность обмотки ротора, которая должна быть выполнена подобно тому, как она изготавливается в традиционных многополюсных машинах постоянного тока. В мощных двигателях эта обмотка очень трудоемка и нередко изготавливается вручную вследствие своей сложности.

Предлагаемый в [2] вариант изготовления обмотки ротора в виде печатной схемы при сохранении конструктивной сложности упрощает изготовление обмотки, однако, делает двигатель маломощным, что является дополнительным недостатком.

Второй дополнительный недостаток двигателя-прототипа [2] сложная конструкция коллектора, обусловленная сложностью обмотки ротора, изготавливаемого подобно коллекторам в традиционных многополюсных машинах постоянного тока.

Третьим дополнительным недостатком двигателя-прототипа [2] является сложная конфигурация магнитного сердечника обмотки возбуждения, формирующего секторовидные участки с сильным и слабым магнитным полем.

Цель изобретения упрощение конструкции униполярного двигателя высокого напряжения (и устранение перечисленных недостатков) путем упрощения обмотки ротора, конструкции коллектора, конфигурации сердечника обмотки возбуждения и уменьшение числа контактных щеток до двух. Это обеспечивает создание униполярных двигателей высокого напряжения с упрощенной конструкцией, как большой так и малой мощности.

Это достигается тем, что униполярный двигатель (генератор) высокого напряжения, содержащий систему возбуждения статора с одинаковыми секторовидными участками сильного и слабого магнитных полей, установленный на валу двигателя дисковый ротор с обмоткой из радиальных проводников, соединенных последовательно, начало и конец обмотки соединены с коллектором и токоподводящими к нему щетками, отличается тем, что обмотка ротора выполнена таким образом, что проводники с противоположным направлением тока расположены соответственно в сильном и слабом магнитных полях системы возбуждения статора, а коллектор выполнен в виде двух групп пластин, расположенных по кругу, причем, число пластин в каждой группе равно удвоенному числу участков с сильным магнитным полем, пластины в каждой группу электрически соединены друг с другом и с одним из концов обмотки ротора, а расстояние между пластинами на 5 10% больше поперечного размера каждой из двух токоподводящих щеток, что необходимо, чтобы избежать короткого замыкания через щетки в момент переключения на коллекторе.

Униполярный двигатель (генератор) отличается тем, что система возбуждения статора выполнена в виде тороидальной обмотки и цилиндрических сердечников с секторовидными выступами, установленных с двух сторон ротора выступ к выступу.

Сущность изобретения состоит в том, что радиально расположенные и последовательно соединенные проводники, образующие обмотку дискового ротора, находятся в неоднородном магнитном поле в виде секторовидных участков с сильным и слабым магнитными полями. При этом обмотка может быть выполнена из одинаковых секторовидных катушек, токоподвод к коллектору осуществляется с помощью всего двух контактных щеток, а неоднородное магнитное поле создается двумя ферромагнитными сердечниками с секторовидными выступами.

Такой двигатель по конструкции проще двигателя-прототипа [2] и по рабочим характеристикам близок к традиционным многополюсным машинам постоянного тока, но значительно проще их по конструкции.

На фиг.1 изображена схема предлагаемого двигателя в продольном разрезе; на фиг. 2а принципиальная схема обмотки дискового ротора; на фиг. 2б схема конструкции коллектора; на фиг. 3 конструкция одного из двух ферромагнитных сердечников, создающих неоднородное магнитное поле в виде секторовидных областей с сильным и слабым полем.

Предлагаемое устройство (фиг. 1 3) содержит статор 1, тороидальную обмотку 2 возбуждения статора, два ферромагнитных сердечника 3 с секторовидными выступами фиг.3), ротор 4, обмотку 5 ротора, секторовидные области 6 слабого магнитного поля (фиг. 2), секторовидные области 7 7 7 сильного магнитного поля, коллектор 8, пластины 9 коллектора, контактные графитовые щетки 10, ось 11 ротора (вал двигателя).

Хорошо известно, что в соответствии с законом Ампера, сила, действующая на проводник с током в магнитном поле предлагаемого двигателя описывается уравнением (система СИ)
f IBl, (1) где I сила тока; l длина проводника, магнитная индукция.

Действие предлагаемого двигателя (генератора) основано на зависимости от .

Конструкция статора двигателя представлена на фиг. 1. Статор имеет общепринятый для униполярных двигателей [1 и 2] вид. Это соленоид 2 в виде тороидальной катушки, на оси которой расположена ось двигателя 11. Внутри соленоида расположены два ферромагнитных сердечника 3. Как указано выше, принципиальная особенность конструкции статора состоит в том, что обмотка возбуждения должна создавать неоднородное магнитное поле, состоящее из секторовидных участков, где магнитная индукция имеет большую величину, и подобных же участков, где она в несколько раз меньше. Форма и расположение этих областей показаны на фиг.2а. Области с малым значением заштрихованы.

Конструкция ротора приведена на фиг. 1 и 2а. Радиально расположенные проводники с током 5 соединены последовательно, так как показано на фиг. 2а. Две группы проводников, в которых ток течет в противоположных направлениях (к оси ротора или от нее), располагаются в участках с сильно отличающимися значениями индукции . Сила, действующая на проводники, расположенные в участках с большим , окажется значительно больше и возникает крутящий момент. При вращении проводники второй группы с противоположным направлением тока начнут входить в участки с большим значением . Чтобы вращение двигателя продолжалось, необходимо направление тока в обмотке ротора изменить на противоположное, что достигается с помощью простого коллектора 6, устройство которого показано на фиг. 2б. Коллектор состоит из двух групп пластин, расположенных по кругу и соединенных друг с другом. Каждая из групп соединена с концом обмотки 5 ротора. Число пластин коллектора невелико и равно удвоенному числу n участков с высоким значением . Минимальное значение n= 2. Для работы коллектора достаточно двух щеток 12 (фиг. 1). Расстояние между пластинами на 5 -10% больше поперечного размера каждой из двух токопроводящих щеток 10.

Расположение участков с большим и малым значением В (фиг. 2а) можно создать несколькими путями.

Самый простой вариант можно реализовать при использовании тороидальной обмотки 2 возбуждения (фиг. 1), когда для создания значительного магнитного поля применяют ферромагнитные сердечники. Конструкция таких сердечников показана на фиг.3: по окружности расположены секторовидные выступы 13, 15, 17 и 19 и впадины 14, 16, 18 и 20. Ротор 4 (фиг. 1) находится между двумя сердечниками 3, расположенными выступ к выступу. Благодаря малому зазору между выступами магнитное поле в этих областях имеет высокое значение . Между впадинами значение значительно меньше.

В качестве выступов на ферромагнитных сердечниках 3 можно также использовать постоянные магниты с секторовидными полюсами. При этом отпадает необходимость в тороидальной обмотке 2 возбуждения (фиг. 1).

Вместо постоянных магнитов можно использовать также секторовидные соленоиды.

Как видно из фиг. 2, при одновременном изменении направления тока в обмотке возбуждения (т.е. изменения направления магнитного поля на противоположное) и в роторе двигателя направление крутящего момента не изменится. Поэтому принципиально, предлагаемый двигатель может работать и на переменном токе.

Если рабочее напряжение традиционного униполярного двигателя [1] V_o, то при той же скорости вращения и индукции магнитного поля напряжение будет
V V_onN, (2)
где n число областей с высоким значением , т.е. число участков с токами одного направления, N число проводников в одном таком участке.

Число проводников в обмотке ротора (фиг. 2а) является минимально необходимым для работы двигателя элементарная обмотка. Это число может быть увеличено во много раз путем многократной укладки элементарных обмоток и их последовательного соединения. В частности, это можно осуществить путем последовательного соединения секторовидных катушек. При этом величина N окажется очень значительной.

Так как N может быть значительным, рабочие напряжения двигателя (генератора) будут большими и, в частности, более высокими, чем в двигателе-прототипе [2] В результате удельная мощность двигателя существенно повысится.

При вращении ротора внешним двигателем предлагаемое устройство, как и другие двигатели постоянного тока, будет работать как генератор постоянного тока.

Для повышения мощности несколько описанных двигателей можно соединить общим валом с таким расчетом, чтобы переключения на коллекторах двигателей происходили в разные моменты времени, что обеспечит более равномерное вращение.

Предлагаемый двигатель имеет два основных преимущества по сравнению с ранее известными двигателями постоянного тока.

По сравнению со всеми ранее известными униполярными двигателями [1 и 2] предлагаемый двигатель может работать при значительно более высоких напряжениях, и при этом двигатель будет иметь больший коэффициент полезного действия вследствие меньших потерь мощности на щетках, вследствие их меньшего количества. Двиатель будет иметь также очень широкий диапазон скоростей вращения. Изменение скорости вращения осуществляется так же, как в традиционных двигателях постоянного тока, а именно изменением величины в области с сильным магнитным полем посредством вариации тока в обмотке 2 возбуждения (фиг. 1). За счет большого значения N двигатель может быть низкооборотным, что дает возможность использовать двигатель без механического редуктора.

По сравнению с ранее известными коллекторными двигателями постоянного тока большим достоинством предлагаемого двигателя является простота обмоток возбуждения и ротора. Обмотка возбуждения состоит всего из одной тороидальной катушки. Обмотка ротора может состоять из 4 8 одинаковых секторовидных катушек. Проволока на эти катушки может наматываться на очень простых устройствах (например, на токарном станке), поэтому изготовление наиболее трудоемкой части двигателя постоянного тока ( обмотки, которую часто делают вручную) значительно упрощается.

Очень важным дополнительным достоинством предлагаемого двигателя является очень простая конструкция коллектора.

Предлагаемый двигатель большой мощности может быть использован для привода на электрическом транспорте (трамваях, троллейбусах, электровозах, электромобилях, дизель-электроходах). Двигатель может быть применен для привода разнообразных маломощных устройств: магнитофонов, холодильников, стиральных машин и т. п.

Экономический эффект от использования предлагаемого двигателя будет значительным, но количественного его в настоящее время оценить трудно.

Использование: в качестве привода на электрическом транспорте, а также других маломощных устройств, стиральных машин, холодильников и т. д. Сущность изобретения: статор выполнен в виде тороидального соленоида 2, внутри которого расположены два ферромагнитных сердечника 3. По их окружности выполнены чередующиеся секторовидные области с сильно отличающимися значениями индукции. Радиальные проводники 5 ротора соединены последовательно. Две группы проводников, в которых ток течет в противоположных направлениях располагаются в области с сильно отличающимися значениями индукции. Сила, действующая на проводники 5, в областях с большей индукцией значительно больше и при этом возникает крутящий момент. При вращении проводники 5 с противоположным направлением тока в обмотке ротора входят в область статора с большим значением индукции. Чтобы вращение продолжалось, направление тока в обмотке ротора изменяется на противоположное с помощью коллектора. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Униполярный двигатель (генератор) высокого напряжения, содержащий систему возбуждения статора с одинаковыми секторовидными участками сильного и слабого магнитных полей, установленный на валу дисковый ротор с обмоткой из радиальных проводников, соединенных последовательно, начало и конец обмотки соединены с коллектором и токоподводящими к нему щетками, отличающийся тем, что обмотка выполнена таким образом, что проводники с противоположным направлением тока расположены соответственно в сильном и слабом магнитных полях системы возбуждения статора, а коллектор выполнен в виде двух групп пластин, расположенных по кругу, причем число пластин в каждой группе равно удвоенному числу участков с сильным магнитным полем, пластины в каждой группе электрически соединены друг с другом и с одним из концов обмотки ротора, а расстояние между пластинами на 5 10% больше поперечного размера каждой из двух токоподводящих щеток. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что система возбуждения статора выполнена в виде тороидальной обмотки и цилиндрических ферромагнитных сердечников с секторовидными выступами, установленных с двух сторон ротора выступ к выступу.