УНИВЕРСАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА БЕЛАШОВА Российский патент 1997 года по МПК H02K23/54 

Изобретение относится к конструкции электрических машин постоянного тока, электромаховичных двигателей Белашова, генератора Белашова и предназначено для использования в качестве генератора постоянного тока, однофазного или многофазного генератора переменного тока, машины постоянного тока, однофазного или многофазного двигателя переменного тока, питающегося от генератора частот, для использования в любых отраслях народного хозяйства и может быть применено в военных целях.

Известна многополюсная механическая машина постоянного тока, содержащая установленный на основании станины вал с установленным дисковым ротором, выполненным из непроводящего материала и расположенным с зазором относительно статора, каждый из которых имеет равномерно расположенные по окружности Р полюсов, причем обмотки на диске выполнены в виде секций, при этом секции одной стороны диска смещены относительно секций другой стороны. Статор и ротор установлены с возможностью вращения относительно друг друга (авт.св. СССР N 924799, кл. H 02 K 23/26, 1982 года аналог).

Известен генератор Белашова, содержащий индуктор с постоянными магнитами, взаимодействующими с многовитковыми обмотками немагнитного якоря, способного одновременно вырабатывать ЭДС различного рода. Многомодульная конструкция генератора состоит из идентичных взаимозаменяемых частей и деталей ( патент России N 2025871, кл. H 02 K 21/00 аналог).

Известен электромаховичный двигатель Белашова, содержащий статор с корпусом, по окружности которого с внутренней стороны равномерно расположены постоянные подковообразные магниты чередующейся полярности, установленный на валу ротор из немагнитного материала, по окружности ротора равномерно расположены многовитковые обмотки, количество которых ротора соответствует числу постоянных магнитов статора и числу контактных пластин замкнутого коллектора, токопроводящие щетки, подшипники (патент России N 1831751, кл. H 02 K 23/54 прототип).

Цель изобретения повысить КПД, надежность и безопасность электрических машин. Расширить функциональные возможности и область применения многомодульных универсальных электрических машин. Упростить технологию изготовления и ремонта универсальных электрических машин, имеющих полную взаимозаменяемость всех частей и деталей.

Сущность технического решения состоит в том, что универсальная электрическая машина содержит статор, выполненный из разъемных частей корпуса, по окружности которого с внутренней стороны равномерно расположена магнитная система из постоянных магнитов чередующейся полярности. Магнитная система, содержащая П-образные магниты, магнитопроводы которых закреплены на внутренних сторонах корпуса, может иметь один или несколько рядов независимых систем возбуждения. Вал, имеющий в одном основании пазы для взаимодействия с другими модулями, и установленный на валу ротор, выполненный из диска, на котором закреплена немагнитная направляющая. Внутри ротора равномерно расположены многовитковые обмотки, электрически связанные с замкнутым коллектором, имеющим контактные пластины, токопроводящими щетками, вводными клеммами и генератором частот. Статор и ротор универсальной электрической машины установлены с возможностью вращения относительно друг друга.

На фиг. 1 изображен общий вид универсальной электрической машины; на фиг. 2 изображен разрез модуля А-А; на фиг. 3 изображен разрез модуля Б-Б; на фиг. 4 изображен разрез модуля В-В; на фиг. 5 изображен разрез коллектора Г-Г; на фиг. 6 изображено замкнутое кольцо коллектора с контактными пластинами; на фиг. 7 изображена электрическая схема универсальной электрической машины.

Универсальная электрическая машина, фиг.1, содержит любое количество модулей 1. Каждый модуль имеет клеммы, размещенные на колодке 2 для подвода или отвода постоянного напряжения, клеммы размещенные на колодке 3 для подвода или отвода переменного напряжения, крышку 4 и вал 5, имеющий шпоночный паз 6. Модуль универсальной электрической машины, фиг.2, содержит статор, выполненный в виде верхней стороны корпуса 7 с проточками 8, 9 и нижней стороны корпуса 10 с проточками 11, 12. На внутренних сторонах корпуса статора равномерно по окружности закреплена магнитная система первого и второго ряда. Магнитная система первого ряда выполнена из П-образных магнитов верхней стороны корпуса 13, взаимодействующих с П-образными магнитами нижней стороны корпуса 14. Магнитная система второго ряда выполнена из П-образных магнитов верхней стороны корпуса 15, взаимодействующих с П-образными магнитами нижней стороны корпуса 16. Постоянные магниты первой и второй магнитной системы установлены с чередующейся полярностью. Между магнитными системами возбуждения первого и второго ряда в воздушном зазоре расположена немагнитная направляющая 17. Внутри немагнитной направляющей размещены многовитковые обмотки первого ряда 18 и многовитковые обмотки второго ряда 19. Ротор машины выполнен в виде диска 20, на котором закреплена немагнитная направляющая 17 при помощи винтов 21. На диске ротора размещены диэлектрические кольца 22 и 23, между которыми расположен коллектор 24. Коллектор закреплен к валу 5 винтами 25. Токопроводящие кольца 26 и 27, размещенные на диэлектрической втулке, закреплены к диску ротора и валу машины скобой 28 при помощи винтов 29. Первое токопроводящее кольцо 26 взаимодействует с подпружиненной щеткой 30. Второе топопроводящее кольцо 27 взаимодействует с подпружиненной щеткой 31. Подпружиненные щетки расположены в диэлектрическом корпусе, который закреплен к съмной крышке 32 винтами 33. Съемная крышка 32 закреплена к нижней стороне корпуса 10 винтами 34 и связана с валом 5 через подшипник 35. Вал 5 имеет пазы 36 для взаимодействия с другими модулями 37. Опорный подшипник 38 взаимодействует с валом и разъемной крышкой 39. Разъемная крышка 39 крепится к верхней стороне корпуса 7 винтами 40. Коллектор 24 взаимодействует с подпружиненной щеткой 41 и 42. Подпружиненные щетки размещены в диэлектрическом корпусе 43, который связан с разъемной крышкой 39 винтами 44. Технологические отверстия 45, расположенные по окружности статора, служат для плавного сведения верхней стороны корпуса 7 с нижней стороной корпуса 10, для связи между собой любого количества модулей, а также могут быть использованы как крепежные отверстия. В проточке 46 разъемной крышки 39 и проточке 47 съемной крышки 32 размещены уплотнительные прокладки. Проточки 8, 9 верхней стороны корпуса 7, фиг.3, закрыты декоративными вставками 48. Проточки 11, 12 нижней стороны корпуса 10 закрыты декоративными вставками 49. Магнитная система возбуждения верхней стороны корпуса и нижней стороны корпуса идентична и состоит из четного или нечетного количества постоянных П-образных магнитов. Магнитопроводы второго ряда 50 магнитной системы 15 с постоянными магнитами, имеющими северный полюс 51 и южный полюс 52, закреплены винтами 53 к верхней стороне корпуса 7. Магнитопроводы второго ряда 54 магнитной системы 16 с постоянными магнитами, имеющими северный полюс 55 и южный полюс, 56 закреплены винтами 57 к нижней стороне корпуса 10. Постоянные магниты верхней стороны корпуса взаимодействуют с постоянными магнитами нижней стороны корпуса. Между постоянными магнитами верхней и нижней стороны корпуса в воздушном зазоре 58 размещена немагнитная направляющая ротора 17, состоящая из жесткости 59, внутри которой размещен каркас 60 с многовитковой обмоткой 19, которая закрыта с внешних сторон пластинами 61. Длина всей окружности универсальной электрической машины разделена на рабочие сектора 62, количество которых зависит от числа полюсов постоянных магнитов, и нерабочие сектора, число которых зависит от количества промежутков между полюсами постоянных магнитов. В рабочем секторе 62, фиг.4, многовитковые обмотки первого ряда 18 и многовитковые обмотки второго ряда 19 с чередующейся последовательностью через коллектор 24 подключаются к источнику напряжения и проходит одновременно между всеми полюсами постоянных магнитов. В нерабочем секторе многовитковые обмотки первого ряда 18 и многовитковые обмотки второго ряда 19 с чередующейся последовательностью через коллектор 24 отключаются от источника напряжения и проходят одновременно между всеми промежутками полюсов постоянных магнитов. Количество рабочих секторов зависит от ширины полюсов магнитов, а количество нерабочих секторов зависит от промежутков между полюсами магнитов. Ширина рабочей части подпружиненных щеток 41 и 42 должна быть равна ширине рабочего сектора 62. Число контактных пластин коллектора 63, 64, 65, 66 равно сумме всех секторов. Коллектор, фиг. 5, собран из четырех идентичных замкнутых колец 67, 68, 69, 70. Первое замкнутое кольцо 67 имеет расчетное количество контактных пластин 63. Второе замкнутое кольцо 68 имеет расчетное количество контактных пластин 64. Третье замкнутое кольцо 69 имеет расчетное количество контактных пластин 65. Четвертое замкнутое кольцо 70 имеет расчетное количество контактных пластин 66. Все замкнутые кольца коллектора разделены диэлектрическими кольцевыми прокладками 71. Первое замкнутое кольцо коллектора 67 через отверстие 72 электрически связано с первым токопроводящим кольцом 26. Второе замкнутое кольцо 68 через отверстие 72 электрически связано со вторым токопроводящим кольцом 27. Токопроводящие кольца 26, 27 размещены в диэлектрическом корпусе 73 и разделены между собой диэлектрической прокладкой 74. Замкнутые кольца коллектора 67, 68, 69, 70, фиг.6, имеют расчетное количество контактных пластин 63, 64, 65, 66 которые разделены между собой диэлектрическими прокладками 75. Количество контактных пластин зависит от числа секторов 62, в которые включены диэлектрические прокладки 75, изолирующие одни контактные пластины от других. Выпрямительный диод 76, фиг.7, необходим для работы многовитковых обмоток ряда 18 и многовитковых обмоток второго ряда 19 универсальной электрической машины от однофазного переменного тока. Генератор частот 77 через многополюсный выключатель 78 электрически связан с токопроводящими кольцами первого ряда 26, 27 замкнутыми кольцами коллектора 67, 68 и многовитковыми обмотками первого ряда 18. В конструкцию универсальной электрической машины можно дополнительно ввести токопроводящие кольца второго ряда 79, 80, которые электрически связаны с подпружиненными щетками 81, 82 замкнутыми кольцами коллектора 69, 70, многовитковыми обмотками второго ряда 19 и многополюсным выключателем 78 генератора частот 77. В зависимости от количества многовитковых обмоток и числа используемых рядов, расположенных на немагнитной направляющей ротора, коллектор универсальной электрической машины может состоять из любого количества замкнутых колец, снабженных контактными пластинами. Каждый ряд многовитковых обмоток ротора должен иметь не менее двух замкнутых кольца коллектора с контактными пластинами, причем для плавного пуска универсальной электрической машины из любого положения многовитковые обмотки первого ряда 18 должны иметь смещение к многовитковым обмоткам второго ряда 19 на один сектор магнитной системы. Число контактных подпружиненных щеток может быть любым, но их количество не должно превышать число контактных пластин. Коллектор универсальной электрической машины 24 может быть объединен для любого количества рядов многовитковых обмоток ротора. Для более эффективного использования магнитных систем статора необходимо использовать только два замкнутых кольца коллектора на каждый ряд многовитковых обмоток, тогда КПД универсальной электрической машины увеличивается и упрощается способ подводки напряжения на контактные пластины коллектора, делая многовитковые обмотки каждого ряда полностью независимыми. Токопроводящие кольца 79, 80 могут быть использованы в универсальной электрической машине для вывода сигнала на измерительное регистрирующее устройство, передающее показания в систему автоматического слежения за периодом вращения вала. Универсальная электрическая машина может быть изготовлена из четного или нечетного количества идентичных модулей любого диаметра. Корпус машины может быть изготовлен из любого прочного материала. Статор машины может содержать один или множество независимых рядов магнитных систем возбуждения. Машина позволяет одновременно вырабатывать ЭДС различного рода и любого количества фаз. Для улучшения температурных характеристик машины и лучшего теплообмена многовитковые обмотки ротора могут быть намотаны на немагнитный каркас, выполненный из теплопроводного материала. Для увеличения прочности немагнитный диск ротора может быть изготовлен из слоистого фольгированного материала, у которого зигзагообразная обмотка выполнена печатным способом. В конструкцию коллектора универсальной электрической машины можно дополнительно ввести электронный коммутатор. Для работы от постоянного тока или переменного в конструкции щеточного механизма универсальной электрической машины можно применить систему автоматического отключения или переключения токопроводящих щеток. При использовании корпуса или частей корпуса статора универсальной электрической машины из магнитного материала, где расположены ряды магнитных систем, там могут отсутствовать магнитопроводы. Немагнитная направляющая дискового ротора универсальной электрической машины может содержать множество независимых рядов многовитковых обмоток. При использовании магнитной системы, состоящей из одного ряда, независимые многовитковые обмотки ротора, размещенные в одном ряду, необходимо сдвинуть между собой на расчетный угол, зависящий от количества используемых фаз.

При монтаже, демонтаже верхней или нижней части корпуса статора 7, 10 с установленными магнитными системами возбуждения необходимо соблюдать особую осторожность и пользоваться только специальным приспособлением.

Работает универсальная электрическая машина следующим образом.

После подачи постоянного напряжения на первую клемму колодки 2 постоянный ток положительной полярности через подпружиненную щетку 41 поступает на контактные пластины 63 первого замкнутого кольца 67, многовитковые обмотки первого ряда 18 (фаза 1), имеющие последовательное или параллельное электрическое соединение, и далее через второе замкнутое кольцо 68, контактные пластины 64, подпружиненную щетку 42 возвращается на вторую клемму колодки 2. В результате взаимодействия тока, протекающего по проводникам первого ряда многовитковых обмоток 18, с магнитным полем множества полюсов постоянных магнитов первого ряда системы возбуждения создается вращающий момент на валу ротора. Потом постоянный ток положительной полярности через подпружиненную щетку 41 поступает на контактные пластины 65 третьего замкнутого кольца 69, многовитковые обмотки второго ряда 19 (фаза 2), имеющие последовательное или параллельное электрическое соединение, и далее через четвертое замкнутое кольцо 70, контактные пластины 66, подпружиненную щетку 42 возвращается на вторую клемму колодки 2. В результате взаимодействия тока, протекающего по проводникам многовитковых обмоток первого и второго ряда, с магнитным полем множества полюсов постоянных магнитов первого и второго ряда системы возбуждения и непрерывным чередующимся переключением многовитковых обмоток при помощи коллектора 24 создается постоянный вращающийся момент на валу 5. После достижения заданного количества оборотов и для предотвращения износа подпружиненных щеток 41, 42, контактных пластин 63, 64, 65, 66 дальнейшую работу универсальной электрической машины можно осуществлять от генератора частот 77. Переменное напряжение, создаваемое генератором частот, через выключатель 78 подается на токопроводящее кольцо 26, электрически связанное с замкнутым кольцом 67, и токопроводящее кольцо 27, электрически связанное с замкнутым кольцом 68. Дальнейшая работа универсальной электрической машины может осуществляться от переменного напряжения генератора, частота которого зависит от количества полюсов магнитной системы первого ряда и количества оборотов машины. В универсальную электрическую машину можно дополнительно установить токопроводящие кольца 79, 80, электрически связанные с подпружиненными щетками 81, 82, замкнутыми кольцами коллектора 69, 70 и многовитковыми обмотками второго ряда 19, которые позволяет осуществить работу второго ряда многовитковых обмоток от переменного напряжения генератора частот. Для вращения электрической машины от однофазного переменного тока необходимо перед клеммой колодки 2 ввести диод 76. Порог чувствительности электрических машин данного класса, работающих от источника постоянного или однофазного переменного напряжения, при котором происходит устойчивое непрерывное вращение ротора, не превышает одного вольта, поэтому целесообразно использовать данные типы машин от источника солнечных батарей. Для использования электрической машины в качестве генератора постоянного тока необходимо привести во вращение вал 5. В результате взаимодействия многовитковых обмоток ротора с магнитной системой возбуждения первого и второго ряда вырабатывается ЭДС, которая поступает через замкнутые кольца 67, 68, 69, 70, контактные пластины 63, 64, 65, 66, подпружиненные щетки 41, 42 на клеммы колодки 2 для отвода постоянного напряжения. При использовании универсальной электрической машины в качестве однофазного генератора переменного напряжения потребителю достаточно подключится к клеммам колодки 3, которые электрически связаны с токопроводящими щетками 30, 31, и отводить ЭДС переменного напряжения, частота которого будет зависеть от периода вращения навала 5 и количества постоянных магнитов в магнитной системе статора. При необходимости вторую фазу переменного напряжения можно получить через подпружиненные щетки 81, 82, которые электрически связаны с токопроводящими кольцами 79, 80, замкнутыми кольцами 69, 70 и многовитковыми обмотками второго ряда 19. Универсальные электрические машины данного класса можно выпускать с любым количеством фаз. Многомодульная конструкция универсальных электрических машин позволяет упростить технологию их изготовления и ремонта, позволяет добиться полной взаимозаменяемости всех частей и деталей, а также избавить потребителя от проблем, связанных с использованием различных источников напряжения при работе машин разного класса. Универсальные электрические машины для своей работы могут использовать источники напряжения любого рода, а также их сочетание. При работе универсальных электрических машин можно в широких пределах варьировать применение любого тока и любого напряжения за счет параллельного или последовательного соединения модулей.

Изобретение позволяет создать новое направление универсальных, экономичных машин, позволяющих работать от любого рода источника напряжения в качестве машины постоянного тока, однофазного или многофазного двигателя переменного тока, генератора постоянного тока и генератора переменного тока, состоящего из любого количества фаз.

Использование: изобретение относится к конструкции универсальных модульных электрических машин, предназначенных для использования в качестве генератора постоянного тока, генератора переменного тока, реверсивной машины постоянного тока или реверсивного однофазного, многофазного двигателя переменного тока, питающегося от генератора высокой частоты. Сущность изобретения: устройство содержит разъемный корпус, по окружности которого с внутренней стороны равномерно в чередующейся последовательности расположен один или несколько рядов магнитных систем, состоящих из постоянных П-образных магнитов, вал, одно основание которого содержит выступы для взаимодействия с другими модулями, установленный на валу диэлектрический ротор, по окружности которого расположен один или несколько рядов многовитковых обмоток, электрически связанных с коллектором, имеющим несколько замкнутых колец, в основании которых расположены контактные пластины для связи с подпружиненными токопроводящими щетками, вводными клеммами и токосъемными кольцами для связи с подпружиненными токопроводящими щетками, клеммами и генератором высокой частоты и позволяет создать новое направление универсальных, экономичных, энергосберегающих, повышенной чувствительности электрических машин. 13 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. Универсальная электрическая машина содержащая модули, каждый из которых содержит статор с корпусом, по окружности которого с внутренней стороны расположена магнитная система из постоянных магнитов чередующейся полярности, установленный на валу ротор, выполненный из диска, на котором закреплена немагнитная направляющая, внутри которой равномерно расположены многовитковые обмотки, замкнутый коллектор, выполненный в виде колец с контактными пластинами, токопроводящие щетки и подшипники, отличающаяся тем, что постоянные магниты выполнены П-образной формы, магнитопроводы которых закреплены на внутренних сторонах корпуса статора, верхняя сторона корпуса содержит разъемную крышку, на которой размещены токопроводящие щетки, элементы качения связанные с валом, имеющим пазы, предназначенные для взаимодействия модулей друг с другом, нижняя сторона корпуса статора содержит съемную крышку, на которой размещены токопроводящие щетки, взаимодействующие с дополнительно введенными токопроводящими кольцами, закрепленными через диэлектрические прокладки на диске ротора и электрически связанными с кольцами коллектора. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что магнитная система разделена на секторы и обмотки каждого ряда выполнены со смещением на один сектор магнитной системы. 3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что магнитная система содержит независимые ряды магнитов. 4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что дисковый ротор содержит независимые ряды многовитковых обмоток. 5. Машина по п.1, отличающаяся тем, что многовитковые обмотки намотаны на немагнитный материал, имеющий высокую теплопроводность. 6. Машина по п.1, отличающаяся тем, что каждая обмотка выполнена зигзагообразной печатным способом из фольгированной полимерной пленки. 7. Машина по п.1, отличающаяся тем, что она содержит систему слежения и индикации за периодом вращения вала. 8. Машина по п.1, отличающаяся тем, что коллектор выполнен так, что на каждую фазу переменного тока приходится по два кольца с контактными пластинами. 9. Машина по п.1, отличающаяся тем, что она содержит систему отключения и переключения токопроводящих щеток. 10. Машина по п.1, отличающаяся тем, что в местах крепления магнитных систем с внешней стороны корпуса выполнены проточки для уплотнителей и декоративных крышек. 11. Машина по п.1, отличающаяся тем, что щетки выполнены подпружиненными. 12. Машина по п.1, отличающаяся тем, что в цепи коллектора установлен электронный коммутатор. 13. Машина по п.1, отличающаяся тем, что обмотки, расположенные в одном ряду, смещены друг относительно друга. 14. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что корпус статора выполнен из магнитного материала.