УНИПОЛЯРНАЯ МАШИНА С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМ РОТОРОМ БЕЗ СКОЛЬЗЯЩИХ КОНТАКТОВ Российский патент 2010 года по МПК H02K31/04 H02K21/36 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам постоянного тока. Наиболее близким аналогом предложенной машины является униполярная машина постоянного тока с цилиндрическим ротором со скользящими щеточными электрическими контактами или жидкометаллическими токосъемами. Но наличие у названной униполярной машины (УМ), как минимум, двух скользящих контактов на один виток якорной обмотки не только усложняет ее конструкцию, ухудшает электромеханические характеристики, но и снижает надежность в работе и существенно сужает область ее применения. Трение скольжения между неподвижными щетками и подвижными кольцами ведет к их ускоренному износу, к повышенному искрению в точках их соприкосновения и соответственно - к существенному повышению переходного электрического сопротивления. Это происходит из-за высокого коэффициента трения скольжения по сравнению с коэффициентом трения качения (примерно в 100 раз).

Преодоление недостатков щеточно-скользящих контактов возможно с помощью токосъема на основе электропроводящей жидкости. Однако создание надежно герметизированных конструкций аппаратов жидкостного периферийного кольцевого токосъема, не допускающих утечки инертного газа и паров электропроводящей жидкости, достаточно трудоемко и дорого. Кроме того, в режимах пуска и торможения УМ, а также при относительно высоких скоростях на жидкостной слой в кольцевом канале действуют центробежные и гравитационные, магнитные и электромагнитные силы, а также силы трения, которые отрицательно влияют на ее работу.

Техническим результатом заявленного изобретения являются улучшение электромеханических характеристик, повышение надежности в работе, увеличение износостойкости, упрощение конструкции, повышение в несколько раз рабочего напряжения и расширение области ее применения.

Технический результат достигается тем, что в предложенной конструкции УМ отсутствуют скользящие щеточные контакты. Отсутствуют также периферийные кольцевые жидкостные токосъемы. В качестве таких аппаратов токовых контактов служит электропроводящие ременные передачи, у которых отсутствуют скольжения в местах соприкосновения их с активными частями обмоток якоря. Кроме того, они позволяют достаточно просто включать в цепь якорной обмотки как параллельно, так и последовательно столько ее активных частей, сколько это необходимо, или какая величина рабочего напряжения требуется для внешней цепи якоря.

Предложенная униполярная машина с цилиндрическим ротором без скользящих контактов, содержащая два неподвижных статора и подвижные два якоря, разделенные воздушными зазорами, выполнена в виде двух униполярных машин постоянного тока с цилиндрическими роторами и скользящими щеточными контактами, отличающаяся тем, что ее статоры состоят из полых цилиндрически постоянных магнитов с обращенными к якорям парами полюсов противоположной полярности, а якоря состоят из целых цилиндрических магнитопроводов с электропроводящими поверхностями, являющимися активными частями их обмоток, смежные концы которых соединены электропроводящими ременными передачами, а середины каждой в таком же порядке соединены с отдельными электропроводящими шкивами, оси которых погружены в металлические емкости с электропроводящей жидкостью, одна из которых соединена с положительной клеммой внешней цепи, а другая - с отрицательной.

На фиг.1 и 2 показаны соответственно продольные и поперечные разрезы предложенной УМ. На них приняты следующие обозначения:

1 - электропроводящий ремень

2 - цилиндрический ротор

3 - полый цилиндрический постоянный магнит (статор)

4 - электропроводящая емкость

5 - электропроводящая жидкость

6 - электропроводящий шкив

7 - электропроводящая ось

8 - активная часть обмотки якоря.

Как видно из фигур, для подключения обмотки якоря к источнику постоянного напряжения независимо от количества электропроводящих цилиндров достаточно двух осевых жидкостных токосъемов, у которых отсутствуют недостатки, имеющиеся у периферийных кольцевых жидкостных токосъемов. При необходимости последние можно заменить катящимися электропроводящими роликовыми контактами, у которых трение качения на несколько порядков меньше трения скольжения. На фиг.2 также видно, что электропроводящие ремни плотно прилегают к электропроводящим поверхностям роторов УМ наполовину, что способствует постоянному образованию хорошего электрического контакта между ними, так как в это время точки их соприкосновения не двигаются относительно друг друга.

Предложенная УМ с цилиндрическим ротором без скользящих контактов и с электропроводящими ремнями может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах.

В генераторном режиме предложенная УМ работает следующим образом. При вращении по часовой стрелке с угловой скоростью ω цилиндрические роторы 2, в активных частях 8 обмоток якорей, находящиеся в магнитных полях под соответствующими магнитными полюсами статора 3, в силу явления электромагнитной индукции наводятся электродвижущие силы (ЭДС), соответствующими правилу правой руки направлениями, которые, суммируясь на электрических выводах УМ, создадут результирующее постоянное напряжение =U. Если при этом к этим выводам подключить некоторую нагрузку, то по обмоткам якорей потечет от одной клеммы электрического вывода УМ к другой постоянный ток i через активные части 8 обмотки якоря, электропроводящие ремни 1, шкивы 6 и их оси 7 по направлению, указанному на фиг.1 и 2.

В двигательном режиме предложенная УМ работает следующим образом. При подключении электрических выводов УМ к источнику постоянного напряжения =U, ток якоря i потечет от положительной клеммы источника постоянного напряжения к электропроводящей емкости 4 с такой же жидкостью 5 и через электропроводящие ось 7, шкив 6 и ремень 1 потечет начиная с середины цилиндрического ротора по активным частям обмотки якоря 8 к обоим концам цилиндрического ротора 2, как это показано на фиг.1. Далее токи якоря потекут через электропроводящие ремни 1 к обоим концам другого цилиндрического ротора 2 и по активным частям обмотки якоря 8 устремятся к его середине, где суммарный ток через следующий электропроводящие ремень 1, шкив 6, его ось 7 и емкость 4 с жидкостью 5 потечет к отрицательной клемме источника постоянного напряжения. Вследствие взаимодействия токов якоря протекающие через активные части обмотки якоря 8 с магнитными полями цилиндрических постоянных магнитов статоров 3 в соответствии правилу левой руки возникают механические моменты, действующие на цилиндрические роторы 2 и приводящие их во вращение с угловыми скоростями - ω.

Источники информации

1. Бертинов А.И. и др. Униполярные Эл. Машины с жидкометаллическим токосъемами. - М. Л.: Энергия, 1966.

2. Д.А.Бут. Бесконтактные электрические машины. - М.: ВШ - 1990.

3. Бертинов А.И. Специальные электрические машины. - М.: Энергия, 1982.

4. Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука. 1985.

5. Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Энергоиздат - 1986.

6. Костенко М.П. Электрические машины. - М.: Энергия - 1964.

7. Ландсберг Г.С. Эл. Учебник физики, т.1. Механика - М.: Наука - 1968.

8. Матвеев А.Н. Механика и теория относительности - М.: ВШ - 1986.

9. Токарев Б.Ф. Электрические машины. - М.: Энергоиздат - 1990.

Изобретение относится к области электрических машин, в частности к униполярным машинам (УМ). Наиболее близко по конструкции предложенная машина подходит к униполярным машинам постоянного тока с цилиндрическим ротором. Названная УМ постоянного тока имеет ряд недостатков, в том числе ненадежный щеточно-контактный узел и низкое рабочее напряжение, что соответственно сужает область ее применения. Технический результат предложенного изобретения - это повышенная надежность, износостойкость, более высокое напряжение и расширение области применения, которые, прежде всего, связаны с отсутствием в узле токосъема искрения. Технический результат предложенной УМ постоянного тока достигается тем, что в ее конструкции отсутствуют скользящие щеточные контакты и кольцевые периферийные жидкостные токосъемы, которые характеризуются тем, что ведут к ухудшению износостойкости и надежности УМ, связанные с большим коэффициентом трения и сложностью ее конструкции. В качестве периферийного и кольцевого узла токосъема в данном случае служат электропроводящие ременные передачи, которые относительно легко позволяют соединить последовательно активные части нескольких якорных обмоток цилиндрических роторов для существенного повышения рабочего напряжения. Это связано с тем, что между соприкасающимися движущимися электропроводящими частями, то есть поверхностями контактных колец и ремней, отсутствует скольжение. Независимо от числа активных частей обмоток якорей и к внешнему источнику постоянного напряжения их можно включить через два осевые жидкостные токосъемы, которые не имеют тех недостатков, которые бывают у кольцевых жидкостных узлов токосъема. 2 ил.

Униполярная машина с цилиндрическим ротором без скользящих контактов, содержащая два неподвижных статора и подвижные два якоря, разделенные воздушными зазорами, выполненная в виде двух униполярных машин постоянного тока с цилиндрическими роторами и скользящими щеточными контактами, отличающаяся тем, что ее статоры состоят из полых цилиндрически постоянных магнитов с обращенными к якорям парами полюсов противоположной полярности, а якоря состоят из целых цилиндрических магнитопроводов с электропроводящими поверхностями, являющимися активными частями их обмоток, смежные концы которых соединены электропроводящими ременными передачами, а середины каждой в таком же порядке соединены с отдельными электропроводящими шкивами, оси которых погружены в металлические емкости с электропроводящей жидкостью, одна из которых соединена с положительной клеммой внешней цепи, а другая - с отрицательной.