УНИПОЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2000 года по МПК H02K31/00 H02K1/06 

Настоящее изобретение относится к электрическим машинам, а более точно касается униполярных электрических машин, и может быть использовано как в процессе производства электрической энергии, так и в процессе ее потребления.

Известна униполярная электрическая машина, содержащая якорь, статор, установленный с зазором относительно якоря, образующий с ним единый магнитопровод и имеющий обмотку возбуждения, создающую внешний магнитный поток, воздействующий на якорь, и средство токовой коммутации, состоящей из щеток и проводников якоря, между которыми образуется непрерывный скользящий контакт (под ред. Б.Л. Алиевского "Специальные электрические машины", Москва" Энергоатомиздат, том 2, 1993 г. стр. 67).

В результате такого конструктивного выполнения указанной униполярной электрической машины недостатком этой машины является наличие непрерывного скользящего контакта и то, что она может применяться только в системах постоянного тока низкого напряжения, что существенно сужает область ее применения.

Для повышения напряжения униполярной машины применяют коллектор, т.е. располагают на активной поверхности якоря ряд стержней, соединенных между собой последовательно так, что суммарная ЭДС униполярной машины получается равной ЭДС одного стержня, умноженной на число последовательно включенных стержней (под ред. Б. Л. Алиевского "Специальные электрические машины", Москва, Энергоатомиздат, том 2, 1993 г., стр. 202).

Существенным недостатком коллекторных униполярных машин является большое количество последовательно включенных щеток, обеспечивающих по два скользящих контакта для каждого стержня, и то, что униполярную электрическую машину с токовой коммутацией принципиально нельзя сделать бесконтактной (там же, стр. 67, 70, 203).

В основу настоящего изобретения была положена задача создания униполярной электрической машины, сравнительно простой по конструктивному выполнению, работающей в системах постоянного тока высокого напряжения без непрерывных скользящих контактов.

Это достигается тем, что в униполярной электрической машине, содержащей якорь, статор, установленный с зазором относительно якоря и образующий с ним единый магнитопровод и имеющий средство для создания внешнего магнитного потока, воздействующего на якорь, и средство коммутации, согласно изобретению средство коммутации выполнено с возможностью магнитной коммутации путем перераспределения магнитного потока в теле якоря по мере его перемещения, а статор дополнительно имеет по меньшей мере одну рабочую обмотку, состоящую из активной и пассивной частей, и выполнен по форме таким образом, что активная часть рабочей обмотки расположена в зазоре между якорем и статором и взаимодействует с магнитным потоком якоря, а пассивная часть рабочей обмотки расположена вне зазора между якорем и статором.

Целесообразно, чтобы средством коммутации служил якорь, выполненный в виде по меньшей мере одного диска или по меньшей мере одной пластины из магнитного материала и на периферии которого выполнены вырезы.

Вырезы могут быть выполнены сквозными.

Желательно, чтобы статор был выполнен по меньшей мере из одного выступа, образующего зазор с вырезами якоря.

Выступ статора может быть расположен под вырезами якоря.

Выступ статора или якорь может охватывать соответственно поверхность якоря или статора со стороны вырезов.

Вполне разумно, чтобы активная часть рабочей обмотки была расположена на выступе статора вдоль длины вырезов диска якоря.

Активная часть рабочей обмотки может быть расположена на выступе статора вдоль высоты вырезов якоря, а выступ статора охватывает внешнюю поверхность диска якоря.

Целесообразно, чтобы в теле выступа статора со стороны зазора между якорем и статором была выполнена выемка, вытянутая вдоль длины вырезов якоря, а активная часть рабочей обмотки была расположена в этой выемке.

Выступ статора может иметь ┌└

-образную форму, в пазе которого частично расположен якорь.

Статор может быть выполнен в виде множества выступов.

Выступы статора желательно расположить симметрично относительно продольной оси машины при выполнении якоря в виде диска.

При ┌└

-образной форме выступов последние могут быть обращены пазами друг к другу и установлены симметрично относительно якоря.

Якорь целесообразно выполнить в виде двух симметрично расположенных дисков или пластин, разнесенных вдоль оси машины, а выступы статора расположены между этими дисками или пластинами якоря.

Разумно, чтобы при выполнении якоря в виде пластины выступы статора были расположены один за другим по вытянутой линии.

В случае, когда соседние выступы статора имеют противоположную магнитную полярность, один участок активной части рабочей обмотки может быть расположен на одном из этих выступов, а другой участок активной части рабочей обмотки -на другом из этих выступов.

Рабочие обмотки статора целесообразно электрически соединить навстречу одна другой через диод.

Такое выполнение униполярной электрической машины позволит значительно упростить ее конструкцию и использовать ее в системах постоянного тока высокого напряжения без непрерывных скользящих контактов.

Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает предлагаемую униполярную электрическую машину с якорем в виде диска (общий вид, частичный продольный разрез);
фиг. 2 - другой вариант выполнения машины по фиг. 1 (общий вид, частичный продольный разрез);
фиг. 3 - еще один вариант выполнения машины по фиг. 1 (общий вид, частичный продольный разрез);
фиг. 4 - один из вариантов выполнения предлагаемой машины (общий вид, частичный продольный разрез);
фиг. 5 - другой вариант выполнения предлагаемой униполярной электрической машины по фиг. 1 (общий вид, частичный продольный разрез);
фиг. 6 - один из вариантов выполнения машины по фиг. 4 (продольный разрез);
фиг. 7 - вариант выполнения машины по фиг. 4 (продольный разрез);
фиг. 8 - еще один вариант выполнения машины по фиг. 7 (продольный разрез);
фиг. 9 - предлагаемую униполярную электрическую машину с якорем в виде пластины (общий вид, частичный продольный разрез);
фиг. 10 - электрическую схему соединения активных частей рабочих обмоток предлагаемой машины по фиг. 1 - 9;
фиг. 11 - распределение магнитного потока в теле якоря и статора по фиг. 9;
фиг. 12 - распределение магнитного потока в теле якоря в виде диска по фиг. 1;
Униполярная электрическая машина содержит якорь 1 (фиг. 1), статор 2, установленный с зазором 3 относительно якоря 1, образующий с ним единый магнитопровод и имеющий средство для создания внешнего магнитного потока, воздействующего на якорь, в виде обмотки 4 возбуждения, и средство 5 коммутации.

Средство 5 коммутации выполнено с возможностью магнитной коммутации путем перераспределения магнитного потока в теле якоря 1 по мере его перемещения.

Статор 2 имеет по меньшей мере одну рабочую обмотку 6 по меньшей мере с одним витком, состоящую из активной 7, выполненной из магнитного материала, и пассивной 8 частей, и выполнен по форме таким образом, что активная часть 7 рабочей обмотки 6 расположена в зазоре 3 между якорем 1 и статором 2 и взаимодействует с магнитным потоком якоря 1, а пассивная часть 8 рабочей обмотки 6 расположена вне зазора 3 между якорем 1 и статором 2.

Средством 5 коммутации служит якорь 1, выполненный в виде по меньшей мере одного диска из магнитного материала и на периферии которого выполнены сквозные вырезы 9.

Статор 2 имеет два выступа 10, образующие зазор 3 с вырезами 9 якоря 1, расположенных симметрично относительно продольной оси машины и на которых расположены активные части 7 индивидуальных рабочих обмоток 6.

Выступы 10 статора 2 расположены под вырезами 9 якоря 1, а активные части 7 рабочих обмоток 6 расположены вдоль длины l вырезов 9 якоря 1.

В другом варианте выполнения униполярной электрической машины в теле выступа 10 (фиг. 2) статора 2 со стороны зазора 3 между якорем 1 и статором 2 выполнена выемка 11, вытянутая вдоль длины l вырезов 9 якоря 1, а активная часть 7 рабочей обмотки 6 расположена в этой выемке 11.

В варианте выполнения машины по фиг. 3 средством для создания внешнего магнитного потока служат выступы 12 статора 2, выполненные из постоянных магнитов. Выступы 12 охватывают внешнюю поверхность якоря 1 со стороны вырезов 9, а активная часть 7 рабочей обмотки 6 расположена вдоль высоты h вырезов 9 якоря 1.

В варианте выполнения машины по фиг. 4 соседние выступы 13 статора 2 имеют противоположную магнитную полярность.

В еще одном варианте выполнения машины по фиг. 5 статор 2 выполнен в виде множества выступов 13 из постоянных магнитов, имеющих ┌└

-форму, расположенных симметрично относительно продольной оси машины, охватывающих всю поверхность якоря 1 и в пазах 14 которых расположен диск якоря 1.

В случае, когда соседние выступы 13 статора 2 имеют противоположную магнитную полярность N, S, что видно из чертежа, то один участок a активной части 7 рабочей обмотки 6 расположен на одном из этих выступов 13, а другой участок b активной части 7 рабочей обмотки 6 - на другом из этих выступов 13.

Вариант выполнения машины по фиг. 6 выполнен аналогично варианту выполнения машины по фиг. 4.

Отличие заключается в том, что якорь 1 (фиг. 6) выполнен в виде двух симметрично расположенных дисков 15, разнесенных вдоль продольной оси машины, а выступы 16 статора 2 расположены между этими дисками 15.

Вариант выполнения машины по фиг. 7 выполнен аналогично варианту выполнения машины по фиг. 4.

Отличие заключается в том, что выступы 17 (фиг. 7) статора 2 выполнены в виде части тора, в теле которых выполнены выемки 18. В выемках 18 соседних выступов 17 расположены участки a и b активной части 7 рабочей обмотки 6.

Вариант выполнения машины по фиг. 8 выполнен аналогично варианту выполнения машины по фиг. 7.

Отличие заключается в том, что якорь 1 (фиг. 8) охватывает поверхность статора 2 со стороны вырезов 9.

Вариант выполнения машины по фиг. 9 выполнен аналогично машинам по фиг. 1 - 8.

Отличие заключается в том, что средством 5 коммутации служит якорь 19, выполненный в виде по меньшей одной пластины 20 из магнитного материала и на периферии которой выполнены вырезы 21. Выступы 22 статора 23 расположены один за другим по вытянутой линии со стороны вырезов 21.

В вышеописанных вариантах машины по фиг. 1 - 9 рабочие обмотки 6 (фиг. 10) статора 2 (23) электрически соединены навстречу одна другой через диод 25.

Принцип работы предлагаемой униполярной электрической машины заключается в следующем.

Магнитное поле в магнитопроводе предлагаемой машины складывается из магнитного поля В_ст (фиг. 1) статора 2 и магнитного поля В_як якоря 1, которое взаимодействует с активной частью 7 рабочей обмотки 6 статора 2. Магнитное поле в теле якоря 1 сосредоточено таким образом, что оно замыкает полюса статора 2, поэтому магнитное поле В_як якоря 1 в зазоре 3 между вырезами 9 якоря 1 и выступами 10 статора 2, где находятся активные части 7 рабочих обмоток 6, имеет максимальное значение, а вне этого зазора 3, где располагаются пассивные части 8 рабочих обмоток 6, значительно меньше. По мере вращения диска якоря 1 с вырезами 9 сегменты диска якоря 1, выходящие из зазора 3 между якорем 1 и статором 2, размагничиваются, а сегменты диска якоря 1, входящие в этот зазор 3, намагничиваются. Таким образом происходит магнитная коммутация в теле якоря 1.

В униполярной электрической машине по фиг. 2, 3 магнитная коммутация в теле якоря 1 происходит таким же образом. В униполярной электрической машине по фиг. 4-9 в теле якоря 1 происходит перемагничивание, то есть сегменты якоря 1(19) по мере его перемещения или вращения приобретают противоположную магнитную полярность.

На фиг. 12 показано распределение магнитного потока B, состоящего из суммы магнитного потока якоря В_як и магнитного потока статора В_ст, в теле якоря 1 в виде диска по фиг. 1.

На фиг. 11 показано распределение магнитного потока В в магнитопроводе машины по фиг. 9 при его взаимодействии с рабочим током I_р в активной части 7 рабочей обмотки 6.

В случае соединения рабочих обмоток 6 статора 2 по фиг. 1-9 ЭДС, наводимые в активных частях 7 рабочих обмоток 6, направлены навстречу друг другу. В этом случае электрический ток I_р в рабочей обмотке 6 статора 2 (23) оказывается независимым от скорости вращения или перемещения якоря 1 (19).

I_р = U_р/R_р,
где U_р - приложенное напряжение к рабочей обмотке 6 статора 2(23)
R_р - электрическое сопротивление рабочей обмотки 6 статора 2(23)
Таким образом, отсутствие непрерывных скользящих контактов делает предлагаемую машину простой по конструктивному выполнению и надежной, а большое количество витков, неограниченное трудностями токовой коммутации и передачей тока вращаемуся якорю, в рабочих обмотках статора позволяет экономично без значительных потерь тепловой мощности и пульсаций ЭДС в активных частях рабочих обмоток использовать предлагаемую машину в системах постоянного тока высокого напряжения.

Линейная зависимость скорости вращения или перемещения якоря от рабочего тока I_р в рабочих обмотках значительно расширяет область применения предлагаемой машины в процессе производства и потребления электрической энергии. Указанные достоинства предлагаемой машины значительно упростят электропривод машинных устройств.

Изготовлен работоспособный макет предлагаемой машины по фиг. 1, который позволяет подтвердить все вышеуказанные достоинства и преимущества предлагаемой машины.

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к униполярным электрическим машинам. Техническим результатом, достигаемым данным изобретением, является создание униполярной электрической машины, сравнительно простой по конструктивному выполнению, работающей в системах постоянного тока высокого напряжения без непрерывных скользящих контактов. Предлагаемая униполярная электрическая машина с магнитной коммутацией конструктивно проста, не имеет скользящих контактов, что устраняет трудности с передачей тока вращаемуся якорю и благодаря многовитковой рабочей обмотке может использоваться в системах высокого напряжения постоянного тока. Средство коммутации выполнено с возможностью магнитной коммутации путем перераспределения магнитного потока в теле якоря по мере его перемещения, а статор дополнительно имеет по меньшей мере одну рабочую обмотку по меньшей мере с одним витком, состоящую из активной и пассивной частей, и выполнен так, что активная часть рабочей обмотки расположена в зазоре между якорем и статором и взаимодействует с магнитным потоком якоря, а пассивная часть рабочей обмотки расположена вне зазора между якорем и статором. 15. з.п.ф-лы, 12 ил.

1. Униполярная электрическая машина, содержащая якорь, статор, установленный с зазором относительно якоря, образующий с ним единый магнитопровод и имеющий средство для создания внешнего магнитного потока, воздействующего на якорь, и средство коммутации, отличающаяся тем, что средство коммутации выполнено с возможностью магнитной коммутации путем перераспределения магнитного потока в теле якоря по мере его перемещения, а статор имеет по меньшей мере одну рабочую обмотку по меньшей мере с одним витком, состоящую из активной и пассивной частей, и выполнен по форме таким образом, что активная часть рабочей обмотки расположена в зазоре между якорем и статором и взаимодействует с магнитным потоком якоря, а пассивная часть рабочей обмотки расположена вне зазора между якорем и статором. 2. Униполярная электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что средством коммутации служит якорь, выполненный в виде по меньшей мере одного диска или по меньшей мере одной пластины из магнитного материала и на периферии которого выполнены вырезы. 3. Униполярная электрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что вырезы выполнены сквозными. 4. Униполярная электрическая машина по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что статор выполнен по меньшей мере из одного выступа, образующего зазор с вырезами якоря. 5. Униполярная электрическая машина по п.4, отличающаяся тем, что выступ статора расположен под вырезами якоря. 6. Униполярная электрическая машина по п.4, отличающаяся тем, что выступ статора или якорь охватывает соответственно поверхность якоря или статора со стороны вырезов. 7. Униполярная электрическая машина по п.5, отличающаяся тем, что активная часть рабочей обмотки расположена на выступе статора вдоль длины вырезов диска якоря. 8. Униполярная электрическая машина по п.6, отличающаяся тем, что активная часть рабочей обмотки расположена на выступе статора вдоль высоты вырезов якоря, а выступ статора охватывает внешнюю поверхность диска якоря. 9. Униполярная электрическая машина по п.7, отличающаяся тем, что в теле выступа статора со стороны зазора между якорем и статором выполнена выемка, вытянутая вдоль длины вырезов якоря, а активная часть рабочей обмотки расположена в этой выемке. 10. Униполярная электрическая машина по п.6, отличающаяся тем, что выступ статора имеет ┌└

-образную форму, в пазе которого частично расположен якорь. 11. Униполярная электрическая машина по п.4, отличающаяся тем, что статор выполнен в виде множества выступов. 12. Униполярная электрическая машина по п.11, отличающаяся тем, что выступы статора расположены симметрично относительно продольной оси машины при выполнении якоря в виде диска. 13. Униполярная электрическая машина по п.11, отличающаяся тем, что выступы статора расположены один за другим по одной линии при выполнении якоря в виде одной пластины. 14. Униполярная электрическая машина по п.11, отличающаяся тем, что якорь выполнен в виде двух симметрично расположенных дисков или пластин, разнесенных вдоль оси машины, а выступы статора расположены между этими дисками или пластинами якоря. 15. Униполярная электрическая машина по п.11, отличающаяся тем, что в случае, когда соседние выступы статора имеют противоположную магнитную полярность, один участок активной части рабочей обмотки расположен на одном из этих выступов, а другой участок активной рабочей обмотки на другом из этих выступов. 16. Униполярная электрическая машина по любому из пп.1 - 15, отличающаяся тем, что рабочие обмотки статора электрически соединены навстречу одна другой через диод.