УНИВЕРСАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА БЕЛАШОВА Российский патент 2001 года по МПК H02K23/54 H02K27/02 

Изобретение относится к конструкции универсальных электрических машин и предназначено для использования в любых отраслях народного хозяйства.

Известен электрический счетчик Белашова, который содержит индукционную систему, контактную систему, систему автоматического слежения, блок индикации, вторую контактную систему, электронный коммутатор, переключатель рода работ, где система автоматического слежения расположена на фазовом проводе и электрически связана через первую контактную систему с переключателем рода работ и блоком индикации, а вторая контактная система электрически связана с электронным коммутатором и индукционной системой. Патент России N 2047180, Кл. G 01 R 11/21 - аналог.

Известен генератор Белашова, который содержит индуктор с постоянными магнитами и немагнитный якорь с многовитковыми обмотками. Многовитковые обмотки генератора способны одновременно вырабатывать несколько независимых ЭДС. различного рода. Модульная конструкция генератора состоит из идентичных взаимозаменяемых частей и деталей. Патент России N 2025871, Кл. H 02 К 21/00 - аналог.

Известна универсальная электрическая машина Белашова, которая содержит корпус, статор с многовитковыми обмотками, ротор с магнитными системами возбуждения и магнитопроводами, составной коллектор с контактными пластинами, проводящие ток щетки, вал ротора, подшипники. Патент России N 2118036, Кл. H 02 К 23/54 - прототип.

Цель изобретения - повысить надежность, безопасность и КПД электрических машин. Расширить функциональные возможности и область применения модульных универсальных электрических машин. Применить систему автоматического слежения и контроля за работой машины от различных источников неизвестного напряжения. Упростить, усовершенствовать технологию изготовления и ремонта универсальных электрических машин. Определить формулы максимальных и эффективных значений потребляемого или вырабатываемого электрического тока, при известной форме геометрического сигнала, ЭДС, напряжения, работы, мощности, КПД для объективного расчета электрических, электронных, электромеханических устройств, применяемых в электротехнике, и измерения электрических величин.

Сущность технического решения состоит в том, что универсальная электрическая машина содержит ротор с магнитными системами возбуждения и магнитопроводами, статор с многовитковыми обмотками, составной коллектор, проводящие ток щетки, систему автоматического слежения и регулирования, элементы качения. Ротор с магнитными системами возбуждения и магнитопроводами опирается на элементы качения. Многовитковые обмотки статора электрически связаны с составным коллектором, с системой автоматического слежения и регулирования. Ротор содержит, как минимум, две магнитные системы возбуждения с магнитопроводами. Статор имеет, по меньшей мере, один виток индуктируемой обмотки, причем, статор машины может иметь форму диска или цилиндра, которые состоят из четного или нечетного количества разъемных секторов, изготовленных из парамагнитного или диамагнитного материала, что позволяет машине потреблять или вырабатывать непрерывный электрический сигнал ЭДС (напряжение или ток) максимальной формы, который не меняет свои характеристики во времени.

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 полюс магнитопровода.

На фиг. 5 изображена электрическая схема универсальной электрической машины.

На фиг. 6 изображен график сигнала, максимальной формы тока в виде прямоугольника, который не меняется во времени.

На фиг. 7 изображен график сигнала импульсного тока, имеющего форму квадрата.

На фиг. 8 изображен график сигнала импульсного тока, имеющего форму треугольника.

На фиг. 9 изображен график сигнала импульсного тока, имеющего форму трапеции.

На фиг. 10 изображен график сигнала импульсного тока, имеющего форму криволинейной трапеции.

На фиг. 11 изображен график сигнала переменного тока, имеющего форму синусоиды.

Универсальная электрическая машина, фиг. 1, содержит четное или нечетное количество идентичных модулей. Каждый модуль машины имеет статор 1, который выполнен в виде диска, цилиндра или четного, нечетного количества разъемных секторов. Каждый сектор статора содержит полюс 2 и магнитопровод 3. Внутри полюса статора 2 размещена обмотка 4, которая содержит по меньшей мере один виток индуктируемой обмотки. Обмотка статора электрически связана с элементами крепления 5 и 6. Элементы крепления размещены на колодке 7. Ротор каждого модуля машины содержит, как минимум, две магнитные системы возбуждения с магнитопроводами. На валу ротора 8 размещен полюс магнитопровода 9, полюс магнитопровода 10 верхней системы возбуждения ротора и полюс магнитопровода 11, магнитопровода 12 нижней системы возбуждения ротора. Верхняя система возбуждения ротора, фиг. 2, содержит каркас катушки с многовитковой обмоткой 13. Внутри каркаса катушки размещен сердечник катушки 14. С внешней стороны сердечника катушки размещен полюс магнитопровода 9. С внутренней стороны сердечника катушки размещен полюс магнитопровода 10. Нижняя система возбуждения ротора содержит каркас катушки с многовитковой обмоткой 15. Внутри каркаса катушки размещен сердечник катушки 16. С верхней стороны сердечника катушки размещен полюс магнитопровода 11. С нижней стороны сердечника катушки размещен полюс магнитопровода 12. На валу ротора 8 размещена опорная площадка 17, составной коллектор 18 верхней системы возбуждения ротора и составной коллектор 19 нижней магнитной системы возбуждения ротора. Корпус щеточного механизма 20 содержит проводящую ток щетку 21 и проводящую ток щетку 22, которые подпряжены пружинами. Статор машины 1 взаимодействует через элементы качения 23 с валом ротора. Полюса статора 24, 25 и магнитопровод 3, фиг. 3, могут быть выполнены из диамагнитных или парамагнитных материалов. Статор машины можно изготовить в виде единой конструкции или отдельных разъемных секторов. Универсальная электрическая машина может иметь четное или нечетное количество магнитных систем возбуждения. Полюса и магнитопроводы магнитной системы возбуждения ротора могут быть расположены вокруг статора в любой плоскости и под любым углом.

Универсальные электрические машины, или ее отдельные сектора, можно использовать в качестве измерительного прибора для измерения различных электрических величин: ЭДС, напряжения, сопротивления, силы тока, потребляемой электрической энергии, мощности, работы, а также многих неэлектрических величин, в том числе температуры, давления, влажности, скорости, уровня жидкости, толщины материала и др. При использовании универсальной электрической машины в качестве счетчика для учета потребления электрической энергии или мощности, фиг. 5, необходимо на фазовый шинопровод установить систему автоматического слежения и регулирования 26. Система автоматического слежения и регулирования позволит универсальной электрической машине работать в ждущем режиме сбережения электрической энергии, без подключения катушек верхней и нижней системы возбуждения 13, 15. Полюса магнитопровода ротора 9-12 могут иметь размер больше или меньше расчетного сектора. Если в универсальной электрической машине установлены магнитопроводы ротора, которые имеют размеры полюсов больше расчетного сектора, тогда при работе машины в режиме генератора вырабатываемая ЭДС выходного сигнала постоянного напряжения и тока будет иметь максимальную форму непрерывного сигнала, фиг. 6. График ЭДС такой формы тока имеет 100% эффективность, так как не меняет свои характеристики во времени. До настоящего времени в мире не существовало электрических машин с такими техническими характеристиками.

Существующие электрические машины постоянного или переменного тока обладают несовершенством конструкции и большими недостатками. Несовершенство конструкции электрических машин выражается в том, что внутренняя индуктирующая и индуктируемая цепь машины использует электрический сигнал в виде синусоиды. Весь принцип работы таких машин построен на вращении рамки с током в магнитном поле системы возбуждения. В электрических машинах Белашова одна или множество рамок с током не вращаются в магнитном поле системы возбуждения, а проходят сквозь магнитное поле системы возбуждения в импульсном режиме. В реальных условиях эксплуатации электрических машин существует определенный технический зазор между полюсами системы возбуждения магнитопровода ротора или статора, который вызывает изменение графика тока 27. Изменение графика тока 27 можно вызвать свойствами применяемых, парамагнитных или диамагнитных, материалов статора, способом намотки обмоток статора, коэффициентом заполнения каждого окна сектора, изменением формы магнитов системы возбуждения, количеством полюсов ротора и статора машины, частотой вращения, потерями магнитной индукции системы возбуждения и т.д. Разные формы полюсов системы возбуждения могут создавать разные формы сигнала, при неизменном амплитудном значении тока. Разные формы сигнала ЭДС, тока можно получить на электрической машине Белашова. В процессе эволюции научно-технического процесса и изобретении новых технических устройств возникает необходимость детально разобраться в существующих закономерностях и свойствах материального мира, для уточнения объективных расчетов и измерений всех величин, использующих электрический ток. Электрический ток определяет количество электричества, протекающего через поперечное сечение проводника в единицу времени. Если в проводнике протекает ток силой 1 А, то через поперечное сечение этого проводника в течение 1 с протекает 1 Кл электричества. При силе тока в проводнике I за время t через поперечное сечение проводника протекает количество электричества, равное
Q = I • t,
откуда

I - сила тока в проводнике, А,
Q - количества электричества, Кл,
t - время, с.

Эта зависимость справедлива для случая, когда в течение времени t сила тока I остается неизменной. Если I_амп остается неизменной, но изменяется форма сигнала в течение времени t, тогда количество электричества Q будет зависеть от геометрической формы сигнала тока. Эту зависимость легко проследить по законам и формулам Белашова.

На фиг. 6 изображен график сигнала максимальной формы тока в виде прямоугольника, который не меняется во времени. Данный график тока имеет:
I_амп - максимальное амплитудное значение силы тока = 0,6 А,
t - время = 1 с.

Эффективное значение силы постоянного тока - I_эфф зависит от формы сигнала постоянного тока, которое можно определить по законам и формулам Белашова.

Закон Ома не работает в режиме импульсного сигнала постоянного или переменного тока, где за время t происходят разнообразные изменения геометрической формы сигнала тока - I.

Закон Белашова для максимальной формы сигнала постоянного тока может быть сформулирован так;
(1) (Закон 1) I_мах = S_мах = I_амп • t.

Максимальная форма сигнала постоянного тока, в замкнутой цепи, прямо пропорциональна максимальной геометрической форме сигнала тока, у которого амплитуда сигнала не меняет свои характеристики во времени.

Тогда
(2) S_сиг = S_мах - Δs.

Закон Белашова для эффективных значений разнообразных форм сигналов постоянного тока может быть сформулирован так:
(3) (Закон 2)
Эффективное значение разнообразных форм сигнала постоянного тока, в замкнутой цепи, прямо пропорционально геометрической форме сигнала постоянного тока и обратно пропорционально времени его прохождения.

Тогда
(4) t = t_имп + Δ t,
тогда
(5)
I_мах - максимальное значение сигнала тока, А,
I_эфф - эффективное значение сигнала тока, А,
I_амп - максимальное амплитудное значение сигнала тока, А,
S_сиг - геометрическая форма используемого сигнала тока, А•с,
S_мах - максимальная геометрическая форма сигнала тока, А•с,
t_имп - длительность времени одного импульса сигнала тока, с,
t - время, с,
Δ t - потери во времени, с,
Δ s - потери геометрической формы сигнала, А • с,
η c - КПД используемого сигнала тока, %,
откуда
площадь импульсного сигнала прямоугольной формы тока вычисляется
по формуле:
S_сиг = a • b,
a = 0,6 А,
b = 1,0 с.

При такой форме сигнала t = t_имп + Δ t = 1 с, где Δ t = 0.

S_сиг = 0,6А•1с = 0,6А•с,

откуда
Q = I_эфф • t,

При изменении геометрической формы сигнала тока I за единицу времени t изменяется и количество электричества, протекающее через поперечное сечение этого проводника. Данную зависимость можно легко определить из графиков фиг. 6, 7, 8, 9, 10, 11.

На фиг. 7 изображен график одного импульса сигнала тока в виде квадрата, который имеет:
I_амп - максимальное амплитудное значение силы тока = 0,6 А,
t - время = 1 с,
t_имп - длительность времени одного импульса сигнала тока = 0,6 с,
Δ t - потери во времени = 0,4 с.

По закону Белашова определяем:

Площадь импульсного сигнала тока в виде квадрата вычисляется по формуле:
S = а²,
a - 0,6 А,
а - 0,6 с,
S_сиг = 0,6 А • 0,6 с = 0,36 А•с,

На фиг. 8 изображен график одного импульса сигнала тока в виде треугольника, который имеет:
I_амп - максимальное амплитудное значение тока = 0,6 А,
t - время = 1 с,
t_имп - длительность времени одного импульса сигнала тока = 1 с,
Δ t - потери во времени = 0 с.

По закону Белашова определяем:

Площадь одного импульса сигнала тока в виде треугольника вычисляется по формуле Герона:

a - 0,78,
b - 0,78,
c - 1,0,



На фиг. 9 изображен график одного импульса сигнала тока в виде трапеции, который имеет:
I_амп - максимальное амплитудное значение силы тока = 0,6 А,
t - время = 1 с,
t_имп - длительность времени одного импульса сигнала тока = 1 с,
Δ t - потери во времени = 0 с.

По закону Белашова определяем:

Площадь импульсного сигнала тока в виде трапеции вычисляется по формуле:

a - 0,4,
b - 1,0,
h - 0,6,


Сигналы одного или множества импульсов тока правильной формы являются большой редкостью. Во многих случаях синусоидальная, пилообразная, прямоугольная или другие геометрические формы сигнала ЭДС (напряжение или ток) имеет непропорциональности, изломы, паузы, пульсации и т.д.

На фиг. 10 изображен график одного импульса сигнала тока в виде криволинейной трапеции, который имеет:
I_амп - максимальное амплитудное значение силы тока = 0,6 А,
t - время = 1 с,
t_имп - длительность времени одного импульса сигнала тока = 0,6 с,
Δ t - потери во времени = 0,4 с.

По закону Белашова определяем:

Площадь одного импульса сигнала тока в виде криволинейной трапеции вычисляется с помощью определенного интеграла. Площадь криволинейной трапеции, ограниченной графиком непрерывной и неотрицательной функции y = f(x), осью Ох и прямыми x=a и x=b, вычисляется по формуле:

S_сиг = (0,3+0,35+0,37+0,4+0,58+0,6+0,6+0,3)•0,1 = 0,35 А • c,

Если за один период времени, в течение которого переменная ЭДС (напряжение или ток) совершает одно полное изменение по величине и направлению, график фиг. 11, тогда эффективное значение переменного тока - I_эфф можно определить по законам и формулам Белашова.

Закон Белашова для максимальной формы сигнала переменного тока может быть сформулирован так:
(6) (Закон 3)
Максимальная форма сигнала переменного тока, в замкнутой цепи, прямо пропорциональна половине сумм максимальной геометрической формы сигнала положительной и отрицательной части периода.

Тогда
(7)

тогда
(8) S_сиг(п) = S_сиг(п) - Δs(п),
S_сиг(о) = S_сиг(о) - Δs(о).

Закон Белашова для эффективных значений разнообразных форм сигнала переменного тока может быть сформулирован так:
(9) (Закон 4)
Эффективное значение разнообразных форм сигнала переменного тока, в замкнутой цепи, прямо пропорционально сумме геометрических форм сигналов положительной и отрицательной частей периода и обратно пропорционально периоду одного цикла.

(10) Т = t_имп(п) + Δt(п) + t_имп(о) + Δt(о),


тогда
(11) ,
I_мах - максимальное значение сигнала переменного тока, А,
I_эфф - эффективное значение сигнала переменного тока, А,
I_амп(п) - максимальное амплитудное значение тока положительной части периода, А,
I_амп(о) - максимальное амплитудное значение тока отрицательной части периода, А,
I_сиг(п) - геометрическая форма сигнала тока положительной части периода, А • с,
I_сиг(о) - геометрическая форма сигнала тока отрицательной части периода, А • с,
S_мах(п) - максимальная геометрическая форма сигнала тока положительной части периода, А • с,
S_мах(о) - максимальная геометрическая форма сигнала тока отрицательной части периода, А • с,
T - период одного цикла, с,
t_имп(п) - длительность времени одного импульса положительного сигнала тока, с,
t_имп(о) - длительность времени одного импульса отрицательного сигнала тока, с,
Δt(п) - потери времени в положительной части периода, с,
Δt(о) - потери времени в отрицательной части периода, с,
Δs(п) - потери геометрической формы сигнала положительной части периода, А • с,
Δs(о) - потери геометрической формы сигнала отрицательной части периода, А • с,
ηпс - КПД сигнала переменного тока, %.

На фиг. 11 изображен график импульсного сигнала переменного тока в виде синусоиды, который имеет:
I_амп(п) - максимальное амплитудное значение положительной части периода тока = 0,6 А,
I_амп(о) - максимальное амплитудное значение отрицательной части периода тока = 0,6 А,
t_имп(п) - длительность времени положительного импульса = 0,4 с,
t_имп(о) - длительность времени отрицательного импульса = 0,4 с,
Δt(п) - потери времени в положительной части периода = 0,6 с,
Δt(о) - потери времени в отрицательной части периода = 0,6 с,
Т - период одного цикла = 1 с.

По закону Белашова определяем:

Площадь одного положительного и отрицательного импульса можно вычислить с помощью определенного интеграла по формуле:

S_сиг(п) = (0,2+0,35+0,55+0,6+0,6+0,55+0,35+0,2) • 0,05 = 0,14 А•c,
S_сиг(о) = (0,2+0,35+0,55+0,6+0,6+0,55+0,35+0,2) • 0,05 = 0,14 А•c,

Для переноса зарядов в замкнутой цепи источник электрической энергии затрачивает известную энергию, равную произведению ЭДС источника на количество электричества, перенесенного через эту цепь, т.е. EQ.

Однако не вся энергия является полезной, т.е. не вся работа, произведенная источником энергии, сообщается приемнику энергии, так как часть ее расходуется на преодоление внутреннего сопротивления источника проводов. Таким образом, источник энергии производит полезную работу, равную:
A = U • Q,
где U - напряжение на зажимах приемника, В,
A - работа источника энергии, Вт•с,
Q - количество электричества, Кл,
t - время, с.

Так как количество электричества равно произведению силы тока в цепи на время его прохождения:
Q = I • t.

Определяем количество электричества, с учетом поправки на закон Белашова, где I_эфф равно произведению геометрической формы используемого сигнала за единицу времени:
Q = I_эфф • t,
формулу работы можно представить в следующем виде:
A = U • I • t,
с учетом поправки на закон Белашова:
A = U • I_эфф • t.

Если выразить напряжение на зажимах участка цепи как произведение силы тока на сопротивление этого участка, т.е.

U = I • r,
с учетом поправки на закон Белашова:
U = I_эфф • r,
то формулу работы можно записать и таким образом:
A = I² • r • t,
с учетом поправки на закон Белашова:
A = I_эфф ² • r • t.

Мощностью называется работа, производимая (или потребляемая) в одну секунду, и выражается следующими формулами:

Представим, что мы имеем источник постоянного или переменного тока, у которого:
U - напряжение источника энергии = 220 В,
r - внешнее сопротивление нагрузки = 183,3 Ом,
r_o - внутреннее сопротивление источника энергии = 183,3 Ом,
I_эфф - эффективное значение силы тока = 0,6 А.

При помощи традиционных формул, использующихся в настоящее время в электротехнике, и уточненных формул и законов Белашова определим разницу показаний электрической мощности потребителя.

Для сравнения указанные потребители мощности будут иметь:
- одинаковое напряжение,
- одинаковое внутреннее сопротивление,
- одинаковое внешнее сопротивление,
- одинаковое максимальное амплитудное значение тока, но разные геометрические формы сигнала тока.

Определим мощность источника потребления, для максимальной формы сигнала тока в виде прямоугольника, фиг. 6, по традиционной формуле, которая не учитывает форму сигнала тока:
P = U • I = 220 В • 0,6 А = 132 Вт.

Определим мощность источника потребления, для максимальной формы сигнала тока в виде прямоугольника, фиг. 6, по закону Белашова, которая учитывает форму сигнала тока;
P = U • I_эфф = 220 В • 0,6 А = 132 Вт.

Определим мощность источника потребления, для импульсного сигнала тока в виде квадрата, фиг. 7, по традиционной формуле, которая не учитывает форму сигнала тока:
P = U • I = 220 В • 0,6 А = 132 Вт.

Определим мощность источника потребления, для импульсного сигнала тока в виде квадрата, фиг. 7, по закону Белашова, которая учитывает форму сигнала:
P = U • I_эфф = 220 В• 0,36 А = 79,2 Вт.

Определим мощность источника потребления, для импульсного сигнала тока в виде треугольника, фиг. 8, по традиционной формуле, которая не учитывает форму сигнала:
P = U • I = 220 В • 0,6 А = 132 Вт.

Определим мощность источника потребления, для импульсного сигнала тока в виде треугольника, фиг. 8, по закону Белашова, которая учитывает форму сигнала:
P = U • I_эфф = 220 В • 0,299 А = 65,78 Вт.

Определим мощность источника потребления, для импульсного сигнала тока в виде трапеции, фиг. 9, по традиционной формуле, которая не учитывает форму сигнала:
P = U • I = 220 В • 0,6 А = 132 Вт.

Определим мощность источника потребления, для импульсного сигнала тока в виде трапеции, фиг. 9, по закону Белашова, которая учитывает форму сигнала:
P = U • I_эфф = 220 В • 0,42 А = 92,4 Вт.

Определим мощность источника потребления, для импульсного сигнала тока в виде криволинейной трапеции, фиг. 10, по традиционной формуле, которая не учитывает форму сигнала:
P = U • I = 220 В • 0,6 А = 132 Вт.

Определим мощность источника потребления, для импульсного сигнала тока в виде криволинейной трапеции, фиг. 10, по закону Белашова, которая учитывает форму сигнала:
P = U • I_эфф = 220 В • 0,35 А = 77 Вт.

Определим мощность источника потребления, для импульсного сигнала тока в виде синусоиды, фиг. 11, по традиционной формуле, которая не учитывает форму сигнала:
P = U • I = 220 В • 0,6 А = 132 Вт.

Определим мощность источника потребления, для импульсного сигнала тока в виде синусоиды, фиг. 11, по закону Белашова, которая учитывает форму сигнала:
P = U • I_эфф = 220 В • 0,28 А = 61,6 Вт.

Чтобы точно определить мощность любого электротехнического аппарата, которая была бы сопоставима с произведенной работой, затраченной на вращение генератора в единицу времени, необходимо во всех формулах уточнить правильность вычисления ЭДС, напряжения, работы, мощности, КПД.

Ни одна из указанных формул не определяла размеров генератора электрической энергии, от которого получена эта работа. Это несоответствие в указанных формулах является глубоким заблуждением, так как за одинаковый промежуток времени малый и большой генератор создает ЭДС разной величины, если эти генераторы вращаются с одинаковой скоростью, имеют одинаковую длину проводника, одинаковое магнитное поле, но вращаются по разным окружностям, что легко доказать по законам и формулам Белашова.

В замкнутой цепи электрический ток протекает под действием электродвижущей силы (ЭДС) источника энергии. Электродвижущая сила возникает в источнике тока и при отсутствии тока в цепи, т.е. когда цепь разомкнута. При холостом ходе, т.е. при отсутствии тока в цепи ЭДС равна разности потенциалов на зажимах источника энергии, так же как и разность потенциалов ЭДС, измеряемой в вольтах.

так как: A = F • S, A = E • Q, Q =I • t, U = E • I • r_o, F = В • I • L • Sin a, S = П • D • n,
где A - работа, H • м, Вт • с,
E - электродвижущая сила источника, В/м,
Q - количество электричества, Кл,
В - магнитная индукция системы возбуждения, Тл,
U - напряжение, В,
F - сила, H,
I - сила тока, А,
S - путь, м,
L - рабочая длина проводника, м,
D - средний диаметр системы возбуждения, м,
П - 3,141592653.... (отношение длины окружности к диаметру),
n - число оборотов генератора, об/мин,
t - время, с,
r_o - внутреннее сопротивление источника энергии, Ом.

Средний диаметр системы возбуждения - D можно определить по формуле:
(12)
где D_б - внешний диаметр системы возбуждения машины, м,
D_м - внутренний диаметр системы возбуждения машины, м.

Рабочую длину проводника - L можно определить по формуле:
(13)
В электрических машинах Белашова проводник с током всегда расположен перпендикулярно магнитным линиям равномерного магнитного поля, поэтому sin а = 1.

В электрической машине может быть применено четное или нечетное количество параллельных ветвей - a, N - количества рабочих витков - W, которые расположены в магнитном поле системы возбуждения - В. Таким образом максимальная ЭДС источника энергии выразится формулой:
(14)
где N - множество натуральных чисел, {1; 2; 3; ...; ...},
W - количество витков, N,
a - количество параллельных ветвей рабочих витков, N,
E_мах - максимальная ЭДС источника энергии, В/м,
E_эфф - эффективная ЭДС источника энергии, В/м,
Δb - потери магнитной индукции в воздушных зазорах системы возбуждения, на гистерезис, на вихревые токи, Тл,
Δр_м - потери энергии на трение в подшипниках, трение вращающихся частей о воздух и щеток о коллектор, Вт,
Δp_о - потери энергии на нагревание проводов обмоток системы возбуждения и якоря, Вт.

Магнитное поле системы возбуждения в зависимости от условий эксплуатации и конструктивных особенностей машины имеет потери магнитной индукции в воздушных зазорах системы возбуждения, на гистерезис, на вихревые токи, тогда эффективная ЭДС источника энергии выразится формулой:
(15)
Максимальное напряжение на зажимах источника энергии (генератора) равно разности между ЭДС и падением напряжения на внутреннем сопротивлении этого источника, т.е.

(16)
Эффективное напряжение на зажимах источника энергии (генератора) зависит от потерь магнитной индукции системы возбуждения, внутреннего сопротивления источника энергии, конструктивных особенностей машины и определяется по формуле:
(17)
где U_мах - максимальное напряжение источника энергии, В,
U_эфф - эффективное напряжение источника энергии, В.

Максимальная (затраченная) механическая работа, произведенная источником энергии и преобразованная приемником энергии (генератором) в электрическую энергию, определяется по формуле:
(18)
Эффективная (полезная) механическая работа, произведенная источником энергии и преобразованная приемником энергии (генератором) в электрическую энергию, определяется по формуле:
(19)
Максимальная (затраченная) мощность источника энергии (генератора) определяется по формуле:
(20)
Эффективная (полезная) мощность источника энергии (генератора) определяется по формуле:
(21)
Коэффициент полезного действия ЭДС источника энергии определяется по формуле:
(22)
Коэффициент полезного действия напряжения источника энергии определяется по формуле:
(23)
Коэффициент полезного действия работы источника энергии определяется по формуле:
(24)
Коэффициент полезного действия мощности источника энергии определяется по формуле:
(25)
В электрических машинах Белашова с диамагнитным статором отсутствуют потери на гистерезис и вихревые токи, но во всех машинах существуют потери на воздушный зазор между магнитными системами возбуждения, которые возрастают с увеличением воздушного промежутка между полюсами магнитов.

Пример 1 Для определения сравнительных характеристик ЭДС напряжения, работы, мощности, КПД между малым и большим генераторами, которые имеют одинаковые значения заданных технических величин, но имеют разные диаметры системы возбуждения, возьмем:
I_мах - максимальная сила тока = 0,6 А,
I_эфф - эффективная сила тока, фиг. 9, = 0,42 А,
В - магнитная индукция системы возбуждения = 1,1 Тл,
L - рабочая длина проводника = 0,02 м,
W - количество витков = 500,
n - количество оборотов = 250 об/мин,
t - время = 1 с,
D_б - внешний диаметр системы возбуждения малого генератора = 0,12 м,
D_м - внутренний диаметр системы возбуждения малого генератора = 0,08 м,
D_б - внешний диаметр системы возбуждения большого генератора = 0,22 м,
D_м - внутренний диаметр системы возбуждения большого генератора = 0,18 м,
Δb - потери магнитной индукции в воздушных зазорах системы возбуждения = 0,05 Тл,
a - число параллельных ветвей рабочей длины проводника = 1,
r_o - внутреннее сопротивление источника энергии малого генератора = 5 Ом,
r_o - внутреннее сопротивление источника энергии большого генератора = 5 Ом.

Определим максимальную ЭДС малого генератора:

Определим эффективную ЭДС малого генератора:

Определим максимальное напряжение малого генератора:

Определим эффективное напряжение малого генератора:

Определим максимальную (затраченную) работу малого генератора, вычисленную по традиционной формуле:
A_мах = E_мах • Q = E_мах • I_мах • t = 14,398 В/м • 0,6 А • 1 с = 8,6388 H•м.

Определим максимальную (затраченную) работу малого генератора, вычисленную по формуле Белашова:

Определим эффективную (полезную) работу малого генератора, вычисленную по традиционной формуле:
А_эфф = E_эфф • Q = E_эфф • I_эфф • t = 13,744 В/м • 0,42 A = 5,7726 Н•м.

Определим эффективную (полезную) работу малого генератора, вычисленную по формуле Белашова:

Определим максимальную (затраченную) мощность малого генератора, вычисленную по традиционной формуле:
P_мах = U_мах • I_мах = 12,298 В • 0,6 А = 7,3793 Вт,
- данная формула не может точно определить мощность источника энергии (генератора), так как мощностью называется работа, произведенная (или потребляемая) в одну секунду.

Определим максимальную (затраченную) мощность малого генератора, вычисленную по формуле Белашова:

- данная формула точно определяет мощность источника энергии (генератора), которая сопоставима с затраченной работой.

Определим эффективную (полезную) мощность малого генератора, вычисленную по традиционной формуле:
P_эфф = U_эфф • I_эфф = 11,644 В • 0,42 А = 4,8906 Вт.

Определим эффективную (полезную) мощность малого генератора, вычисленную по формуле Белашова:

Определим КПД мощности малого генератора, вычисленный традиционным методом:

Определим КПД мощности малого генератора, вычисленный по формуле Белашова:

Определим максимальную ЭДС большого генератора:

Определим эффективную ЭДС большого генератора:

Определим максимальное напряжение большого генератора:

Определим эффективное напряжение большого генератора:

Определим максимальную (затраченную) работу большого генератора, вычисленную по традиционной формуле:
A_мах = Е_мах • Q = Е_мах • I_мах • t = 28,7979 В/м • 0,6 А • 1 с = 17,2787 Н•м.

Определим максимальную (затраченную) работу большого генератора, вычисленную по формуле Белашова:

Определим эффективную (полезную) работу большого генератора, вычисленную по традиционной формуле:
A_эфф = E_эфф • Q = Е_эфф • I_эфф • t = 27,4889 В/м • 0,42 А = 11,5453 Н•м.

Определим эффективную (полезную) работу большого генератора, вычисленную по формуле Белашова:

Определим максимальную (затраченную) мощность большого генератора, вычисленную по традиционной формуле:
P_мах = U_мах • I_мах = 26,6979 В • 0,6 А = 16,0187 Вт.

Определим максимальную (затраченную) мощность большого генератора, вычисленную по формуле Белашова:

Определим эффективную (полезную) мощность большого генератора, вычисленную по традиционной формуле:
P_эфф = U_эфф • I_эфф = 25,3889 В • 0,42 А = 10,6633 Вт.

Определим эффективную (полезную) мощность большого генератора, вычисленную по формуле Белашова:

Определим КПД мощности большого генератора, вычисленный традиционным методом:

Определим КПД мощности большого генератора, вычисленный по формуле Белашова:

По формулам Белашова можно определить количество витков, средний диаметр системы возбуждения, рабочую длину проводника, количество параллельных ветвей, силу тока и т.д....

Пример 2. Определим средний диаметр системы возбуждения, если известно:
В - магнитная индукция системы возбуждения = 1,1 Тл,
L - рабочая длина проводника = 0,02 м,
W - количество витков = 600,
n - количество оборотов = 500 об/мин,
а - количество параллельных ветвей = 1,
Е_мах - максимальная ЭДС генератора = 120 В/м.

Из вышесказанного следует, что ЭДС, напряжение, работа, мощность, КПД источника энергии полностью зависят от размеров генератора, что было доказано по формулам Белашова,
После изобретения универсальной электрической машины Белашова возникла необходимость в пересмотре некоторых фундаментальных законов физики, для объективного измерения и расчета электрических величин, содержащих величину электрического тока, ЭДС, напряжения, работы, мощности, КПД, источника электрической энергии.

Из вышесказанного следует, что все традиционные формулы, применяемые в электротехнике, подлежат корректировке с учетом открытия новых законов и формул Белашова.

Данное утверждение свидетельствует о том, что установлены ранее неизвестные объективно существующие закономерности и свойства материального мира, вносящие коренные изменения в уровень познания электротехнических явлений в области электротехники, которые можно охарактеризовать как открытие.

В описании изобретения и открытия были приведены теоретические доказательства достоверности выявленных закономерностей, свойств и явлений материального мира, а также выведены формулы, которые сжато, четко и исчерпывающе выражают сущность заявленного открытия.

Причем, магнитопроводы системы возбуждения выполнены из парамагнитного материала. Вал ротора, сердечники катушек системы возбуждения, статор машины могут быть выполнены из диамагнитного или парамагнитного материала. Магнитная система возбуждения ротора содержит четное или нечетное количество магнитных систем возбуждения, магнитных полюсов и магнитопроводов. Полюса системы возбуждения мотора имеют размер больше или меньше расчетного сектора. Система автоматического слежения и регулирования может быть выполнена отдельным блоком, может иметь устройство задержки и блокировки поступающего сигнала, может содержать устройство автоматического определения ЭДС поступающего напряжения и тока. Электронный коммутатор и контактная группа системы автоматического слежения регулирования могут иметь устройство защиты от перегрузок по току и дополнительно содержать устройство передачи информации в информационно-вычислительную машину. Для улучшения температурных характеристик, статор машины выполнен из рабочих секций, которые изолированы друг от друга и имеют систему теплообмена. Коллектор универсальной электрической машины может дополнительно содержать электронный коммутатор и систему передачи информации о частоте и периоде вращения вала. Рабочий сектор универсальной электрической машины может быть использован в качестве чувствительного и точного измерительного прибора. Рабочий сектор одного или множества независимых модулей универсальной электрической машины может быть использован в качестве развернутого линейного двигателя, для работы на приливных станциях, когда часть окружности машины вырабатывает ЭДС от возвратно-поступательного движения якоря. Универсальная электрическая машина может быть использована в качестве преобразователя напряжения.

Работает универсальная электрическая машина следующим образом:
После подачи ЭДС постоянного напряжения на клеммы 5, 6 колодки 7, положительный сигнал постоянного тока проходит по клемме 5 на обмотку 4, проводящую ток щетку 21, составной коллектор 18, катушку верхней системы возбуждения 13 и далее на составной коллектор 19, проводящую ток щетку 22, обмотку 4 и отрицательный провод 6. Катушка верхней системы возбуждения 13 намагничивает южный полюс магнитопровода 9 и северный полюс магнитопровода 10, создавая магнитное поле ротора. В обмотке 4 по правилу левой руки в магнитном поле появится сила, действующая на магнитное поле ротора, которая будет выталкивать верхнюю систему возбуждения ротора из рабочей зоны обмотки 4. Когда верхняя магнитная система возбуждения катушки 13 и магнитных полюсов с магнитопроводами 9, 10 выйдет из зоны действия обмотки 4, положительный сигнал ЭДС постоянного тока при помощи составного коллектора 18, 19 перейдет на катушку нижней системы возбуждения 15. Катушка нижней магнитной системы возбуждения намагнитит южный полюс магнитопровода 11 и северный полюс магнитопровода 12, создавая магнитное поле ротора аналогично верхней системе возбуждения 13. Далее с чередующейся последовательностью верхняя и нижняя магнитные системы возбуждения 13, 15 заставят ротор машины вращаться в одном направлении. При смене полярности ЭДС постоянного тока на клеммах 5 и 6, ротор машины с нижней и верхней магнитной системой возбуждения будут вращаться в обратном направлении. Если обмотку 4 отключить от ЭДС постоянного напряжения и продолжать принудительно вращать ротор машины, то между верхней и нижней системой возбуждения будет возникать магнитное поле, которое взаимодействуя с обмоткой 4 по правилу правой руки, будет вырабатывать ЭДС индукции выходного сигнала постоянного напряжения и тока, который не будет менять свои характеристики по амплитуде и времени, если между полюсами ротора не будет технологического зазора. Если изменять геометрическую форму полюсов систем возбуждения, то и сигнал индуктированной ЭДС примет другие геометрические формы, как указывалось выше. Универсальная электрическая машина работает от сети переменного тока. Развиваемый машиной вращающийся момент зависит от силы тока в обмотке статора и магнитного потока полюсов системы возбуждения ротора, который не меняет своего направления при одновременном изменении направлений тока, в обмотке статора и катушках магнитного потока полюсов системы возбуждения ротора. Электрические машины могут иметь как последовательное, так и параллельное возбуждение магнитных систем ротора.

Данная конструкция универсальной электрической машины с одной обмоткой может быть использована в качестве счетчика для учета потребления электрической энергии и мощности:
- напряжение 180 - 250 В,
- количество оборотов при токе 0,01 А - 0, 05 об/мин,
- количество оборотов при токе 40 А - 200 об/мин.

При использовании универсальной электрической машины в качестве счетчика, для учета потребления электрической энергии и мощности, необходимо на фазовый провод установить систему автоматического слежения и регулирования, которая позволит работать универсальной электрической машине в ждущем режиме сбережения электрической энергии.

Модульная конструкция электрических машин позволяет добиться полной взаимозаменяемости всех частей и деталей. Позволяет упростить и усовершенствовать технологию изготовления и ремонта электрических машин, избавить потребителя от проблем, связанных с использованием различных источников питания, и применять машины разной мощности. Машина данного класса в очень широких пределах может использовать любой источник напряжения и тока. При работе машины можно широко варьировать применение ЭДС любого напряжения и тока за счет параллельного или последовательного соединения модулей универсальной электрической машины.

Изобретение позволяет создать новое направление универсальных, экономичных, энергосберегающих электрических машин, способных самостоятельно определять ЭДС поступающего напряжения и тока. Работать от любого не известного потребителю источника ЭДС в качестве машины постоянного тока, однофазного или многофазного двигателя переменного тока, а также в качестве генератора постоянного напряжения, однофазного или многофазного генератора переменного тока.

Изобретение относится к области электротехники и касается конструкции универсальных электрических машин модульного типа, предназначенных для использования в любых отраслях народного хозяйства в качестве генератора постоянного тока, однофазного или многофазного генератора переменного тока, машины постоянного тока или однофазного, многофазного двигателя переменного тока. Сущность изобретения: машина содержит вал ротора, на котором установлена магнитная система возбуждения, составной коллектор, элементы качения. На статоре машины установлен щеткодержатель с щетками, магнитопровод с полюсами и, по меньшей мере, с одним сектором, в котором размещен, по меньшей мере, один виток индуктируемой обмотки, причем магнитная система возбуждения с многовитковой обмоткой электрически связана с составным коллектором. Кроме того, предлагаемая электрическая машина содержит систему автоматического слежения и регулирования. Технический результат состоит в том, что изобретение позволяет создать новое направление универсальных экономичных, энергосберегающих электрических машин, упростить технологию их изготовления, повысить надежность и безопасность. 10 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Универсальная электрическая машина, содержащая статор с обмоткой, ротор с магнитной системой возбуждения, включающей магнитопроводы с полюсами и многовитковые обмотки, составной коллектор с контактными пластинами, щеткодержатель с щетками, систему автоматического слежения и регулирования, а также элементы качения, через которые статор взаимодействует с валом ротора, отличающаяся тем, что ротор содержит, как минимум, две магнитные системы возбуждения, каждая из которых имеет многовитковую обмотку и электрически связана с составным коллектором, статор содержит, по меньшей мере, один сектор, в котором размещен, по меньшей мере, один виток индуктируемой обмотки, при этом статор выполнен из парамагнитного или диамагнитного материала. 2. Универсальная электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что полюса и магнитопроводы магнитной системы возбуждения ротора расположены вокруг статора в любой плоскости и под любым углом. 3. Универсальная электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что магнитная система возбуждения ротора содержит четное или нечетное количество магнитопроводов и полюсов. 4. Универсальная электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что сектора статора изолированы друг от друга и имеют систему теплообмена. 5. Универсальная электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что в цепи составного коллектора используется электронный коммутатор. 6. Универсальная электрическая машина по п,1, отличающаяся тем, что система автоматического слежения и регулирования выполнена в виде устройства измерения тока. 7. Универсальная электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что система автоматического слежения и регулирования оборудована устройством защиты от перегрузок по току. 8. Универсальная электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что система автоматического слежения и регулирования дополнительно содержит устройство передачи информации в информационно-вычислительную машину. 9. Универсальная электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что система автоматического слежения и регулирования выполнена отдельным блоком. 10. Универсальная электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что содержит четное или нечетное количество идентичных модулей. 11. Универсальная электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что статор выполнен в виде диска или цилиндра.