УНИПОЛЯРНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 1998 года по МПК H02K31/00 

Предложенный униполярный агрегат /УА/ относится к электротехнике, а именно к химико-электромеханическим преобразователям.

Известен УА [1] прототип, содержащий цилиндрический магнитопроводный статор, на двух ребристых внутренних поверхностях которого укреплены с межвитковой изоляцией спиральные электроды топливного элемента (ТЭ) одной полярности, являющиеся обмотками возбуждения. Между ними, в прокачиваемом электролите, расположен цилиндрический полый ротор, состоящий из электрода ТЭ другой полярности. Выводы этих электродов ТЭ статора и ротора замкнуты через подвижный токосъемник. Консольное устройство ротора не позволяет развивать высокую скорость вращения, т.к. возникают вибрации этого ротора. К тому же, УА подобной конструкции имеют большое магнитное сопротивление из-за значительного зазора между полюсами магнитопровода. При использовании односпиральных электродов ТЭ с продольным токосъемом /из-за неравномерности плотности тока по длине спирали/ приходится увеличивать сечение проводника к токосъемному концу, что усложняет технологию изготовления электрода.

Известны цилиндрические УА [2] с магнитопроводным ротором, содержащие обмотки возбуждения между полюсами статора, с подвижными токосъемными устройствами и с проводниками эл.тока на средних магнитных полюсах ротора и статора. Машины этой конструкции высокооборотны, т.к. ротор в них укреплен подшипниками по торцам и обладают малым магнитным сопротивлением из-за возможности максимально сблизить полюса ротора и статора. Эл.магнитная сила, вращающая ротор в таких машинах возникает только от взаимодействия магнитного поля обмоток статора с эл.током якоря. Эл.ток в компенсационных проводниках не используется для создания эл.магнитной силы. Одной из проблем в конструировании УА является равномерность распределения плотность эл. тока по окружности якоря. Скользящие электро-токосъемные устройства являются самыми ненадежными элементами в эл.машинах, отрицательно влияющими на их моторесурс, к тому-же, они сложны, материалоемки и снижают КПД.

В предложенном УА для преобразования с максимальным КПД энергии химически активных веществ в энергию вращения вала машины, за счет разнополярно-многоспиральных четырех обмоток возбуждения из электродов ТЭ, размещенных между полюсами на магнитопроводах статора и ротора, осуществляется равномерное распределение эл.тока по секциям якорных проводников на средних полюсах этого статора и этого ротора с взаимодействием с пресекающими их магнитными полями, созданными этими обмотками и образованием однонаправленных эл.магнитных сил, вращающих ротор. Такое замыкание через якорные проводники двух эл. химических источников исключает необходимость применения подвижных эл.токосъемников, роль которых выполняют подвижные контакты поверхностей разнополярных спиральных электродов ТЭ через электролит, что значительно ускоряет эл. химическую реакцию, а значит повышает удельные энергетические показатели УА. Повышению этого параметра способствует также использование компенсационных проводников статора, при взаимодействии их токов с магнитными полями роторных обмоток, еще и в качестве якоря для дополнительного создания эл.магнитной силы, вращающей ротор. Использование возвышения над поверхностью обмоток ротора межвитковой изоляции /спиральные бортики/ для прокачки электролита сквозь обдуваемый радиатор, исключает необходимость в отдельном прокачивающем устройстве.

На фиг. 1 показан продольный разрез УА; на фиг. 2 - его поперечный разрез А-А; на фиг. 3 - соединение правой части секции якорных проводников полюса ротора с его многоспиральной обмоткой и там же, на продольном разрезе части статора, соединение секций его якорных проводников со своей левой обмоткой возбуждения.

Между крайними магнитными полюсами 1, воздушные зазоры которых перекрыты сальниками 2 и средними магнитными полюсами 3 с секциями якорных проводников 4 статора 5 и ротора 6, на ребристых поверхностях их магнитопроводов укреплены многоспиральные, разнополярные обмотки возбуждения 7, изготовленные из электродов ТЭ. Систему функционального обеспечения УА /снабжение ТЭ электролитом, реактантами P₁ и P₂, выход продуктов реакции ПР, а, так же, термостатитрование/ составляют элементы : горловина 8 на радиаторе 9 и трубки 10, посредствам которых цилиндрические зазоры между противостоящими, разнополярными обмотками возбуждения 7 заполняются электролитом, а противоположные стороны этих электродов - обмоток 7, через штуцеры 11, осевые с сальниками штуцеры 12, каналы в валу 13 вентиляционных лопастях 14 и в магнитопроводах 5, 6, через кольцевые проточки у полюсов, объединяющие межреберные пространства этих магнитопроводов /являющихся камерами для реактантов/, обеспечиваются реактантами P₁ и P₂ и выходом продуктов реакции ПР. Покрытые тонкой изоляцией, секции якорных проводников 4 подключены к разнополярным, многоспиральным обмоткам 7, последовательно замыкая друг на друга два ТЭ. Межвитковая изоляция роторных обмоток 7 несколько выступает над поверхностью их электродов, образуя, расходящиеся от якорных проводников 4, бортики 15. Кожух с вентиляционными окнами 16 укреплен на подшипниковых щитах 17 также с вентиляционными окнами и 18 - с вентиляционными каналами. Отбор мощности производится посредствам шестерни 19. Электрический ток, созданный разнополярно противостоящими электродами-обмотками 7, за счет их многоспиральности, равномерно распределяется по секциям якорных проводников 4 /якорные токопроводящие поверхности средних полюсов 3 статора 5 и ротора 6, во избежании круговых токов, разбиты на N, изолированных друг от друга, секций/ и, проходя по ним взаимодействует с пересекающим магнитным полем, созданным этими обмотками возбуждения 7. /Центронаправленность магнитных полей определяется направлением намотки спиралей обмотки 7/. Сила, вращающая ротор, складывается из электромагнитных сил, образованных от взаимодействия эл.тока якорных проводников 4 ротора 6 с магнитным полем обмоток 7 статора 5 и взаимодействия эл.тока якорных проводников 4 статора 5 с магнитным полем обмоток 7 ротора 6. Противоток в якорных проводниках 4 ротора и статора взаимокомпенсирует их концентрические магнитные поля /не происходит магнитного перенасыщения полюсов 3/.

Термостатирование эл.химического преобразования происходит за счет системы прокачки электролита, включающей спиральные бортики 15 на вращающемся роторе 6, и обдувания вентиляционными лопостями 14 радиатора 9, в котором циркулирует электролит.

Высокие удельные энергетические показатели, экологичность и бесшумность работы позволяют применить УА данной конструкции в транспортной энергетике.

Использование: униполярный агрегат относится к электротехнике, а именно к химико-электромеханическим преобразователям для преобразования с максимальным КПД энергии химически активных веществ в энергию вращения вала машины. Сущность изобретения: разнополярно-многоспиральные четыре обмотки возбуждения из электродов ТЭ размещены между полюсами на магнитопроводах статора и ротора, осуществляется равномерное распределение эл. тока по секциям якорных проводников на средних полюсах этого статора и этого ротора с взаимодействием с пересекающими их магнитными полями, созданными этими обмотками и образованием однонаправленных эл. магнитных сил, вращающих ротор. Такое замыкание через якорные проводники двух ТЭ исключает необходимость применения подвижных эл. токосъемников, роль которых выполняют подвижные контакты поверхностей разно полярных спиральных электродов ТЭ через электролит, что значительно ускоряет эл. химическую реакцию, а значит повышает удельные энергетические показатели УА. Повышению этого параметра способствует также использование компенсационных проводников статора, при взаимодействии их токов с магнитными полями роторных обмоток, еще и в качестве якоря для дополнительного создания эл. магнитной силы, вращающей ротор. Использование возвышения над поверхностью обмоток ротора межвитковой изоляции (спиральные бортики) для прокачки электролита исключает необходимость в отдельном прокачивающем устройстве (упрощается термостатирование эл. химического преобразования). Высокие удельные энергетические показатели, экологичность и бесшумность работы позволяют применить УА данной конструкции в транспортной энергетике. 3 ил.

Униполярный агрегат, содержащий цилиндрический магнитопроводный статор, обмотки возбуждения из спиральных электродов топливного элемента с межвитковой изоляцией, ротор с якорными проводниками и систему прокачки электролита, отличающийся тем, что обмотки возбуждения выполнены многоспиральными, разной полярности и размещены на магнитопроводах статора и ротора с последовательным подключением к секциям их якорных проводников, причем межвитковая изоляция разнополярных электродов ротора образует бортики.