МАШИНА ПОСТОЯННОГО ТОКА С НЕПОДВИЖНЫМ КОЛЛЕКТОРОМ Российский патент 2011 года по МПК H02K23/04 H02K23/26 H01R39/02 

Описание изобретения

Изобретение относится к электрическим машинам, в частности к машинам постоянного тока (МПТ). Наиболее близким по сути аналогом предложенной является МПТ с механическим коммутатором, коллектором со скользящими щеточными контактами.

Названная машина обладает некоторыми недостатками в конструктивном исполнении, заключающимися в том, что она включает в себя вращающиеся якорную обмотку и коллектор, по поверхности последнего из которых в ходе ее работы непрерывано скользят несколько пар щеточных контактов. Это приводит к интенсивному износу скользящихся друг об друга ее деталей от трения скольжения, к сужению области ее применения из-за возникающего при этом искрения между ними. Кроме того, вращающиеся обмотки якоря несколько ограничивают возможную максимальную угловую скорость вращения ее ротора.

Техническим результатом изобретения является существенное увеличение износостойкости машины, расширение области ее применения и увеличение надежности в работе.

Технический результат достигается тем, что в конструкции предложенной МПТ якорная обмотка неподвижна, а вращается индуктор, состоящий из постоянных магнитов и центрального магнитопровода, установленных на общий вал вращения, и тем, что вместо подвижного коллектора со скользящими по ним щеточными контактами в ней применяется неподвижный коллектор, состоящий из трех полых цилиндров, по внутренним поверхностям которых одновременно передвигаются две пары диаметрально противоположно размещенных электропроводящих гусениц, отодвинутых друг от друга не только вдоль вала вращения на требуемое расстояние, но и на 90 градусов по кругу.

Предложенная машина постоянного тока с неподвижным коллектором, содержащая неподвижный якорь, подвижный индуктор и неподвижный коллектор, отличающаяся тем, что если подвижный индуктор состоит из крестообразно насаженных на центральный цилиндрический магнитопровод постоянных магнитов соответствующими полюсами с чередующими друг за другом полярностями, то якорь состоит из внешнего полого цилиндрического неподвижного магнитопровода, в пазах вдоль внутренних образующих которого уложена пара его обмоток, прямые провода витков одной из которых соединены соответственно с верхней, другой - с нижней пластинами неподвижного коллектора, и обратные провода тех же витков тех же обмоток якоря соединены с боковыми его пластинами, а неподвижный коллектор состоит из трех полых несколько отодвинутых основаниями друг от друга цилиндров с общими диэлектрическим кожухом и осью, на верхних, нижних и боковых внутренних пазах центрального из которых закреплены изолированные друг от друга четыре металлические пластины, которые в ходе вращения индуктора попарно, верхняя с нижней, левая с правой, периодически соединяются с внутренними поверхностями левого и правого, подключенных соответственно к положительной и отрицательной клеммам внешнего источника постоянного напряжения цилиндров посредством отодвинутых друг от друга по кругу на 90 градусов двух пар диаметрально противоположно расположенных и передвигающихся установленными перпендикулярно на общем валу вращения стержнями электропроводящих гусениц, соответственно между внутренними поверхностями неподвижных левого и центрального, центрального и правого указанных цилиндров и внешними поверхностями ободов двух установленных подшипниками на тот же вал шкивов.

На фигурах 1 и 2 показаны соответственно продольный и поперечные разрезы предложенной МПТ с неподвижным коллектором. На фигурах приняты следующие обозначения: 1) общий вал вращения, 2) стержень, 3) шкив из диэлектрического материала, 4) обот шкива, 5) электропроводящая гусеница, 6) полый металлический цилиндр, 7) общий диэлектрический кожух коллектора, 8) металлическая пластина коллектора, 9) соединительный провод, 10) внешний магнитопровод, 11) постоянный магнит, 12) обмотка якоря, 13) центральный магнитопровод, 14) спица шкива.

Предложенная МПТ с гусеничным токосъемом работает следующим образом. На фигурах полярность постоянного напряжения =U и направление вращения индуктора (ротора) показаны при ее работе в режиме двигателя.

В этом режиме по прямым проводам витков ее якорных обмоток 12, подсоединенным к верхним и нижним пластинами коллектора 8 и по обратным проводам тех же витков и тех же обмоток 12, соединенным с боковыми его металлическими пластинами 8, через левые и правые пары (фиг.1) электропроводящих гусениц 5 и полые металлические цилиндры 6, соединенные соответственно с положительной и отрицательной клеммами внешнего источника постоянного напряжения =U, потекут токи I_я по направлениям, указанным на фигурах. Тогда от их взаимодействия с магнитным полем постоянных магнитов 11 индуктора ротор начинает вращаться против часовой стрелки. Через 1/8 оборота знаки поступающего напряжения на верхнюю, нижнюю и боковые пластины 8 коллектора поменяются на противоположные и по обмоткам якоря 12 токи потекут в обратном направлении по сравнению с первоначальным. Далее, уже через четверть оборота, направления их опять поменяются на противоположные. В дальнейшем процессы будут повторяться и в течение одного оборота ротора токи в обмотках якоря 12 предложенной МПТ изменяются по направлению на противоположные и обратно четырежды. В этом случае неподвижный коллектор с электропроводящими гусеницами 5 в любой момент времени вращения ротора обеспечивает такие направления токов по обмотке якоря 12, при котором в области полюсов постоянных магнитов 11 разных полярностей будут всегда находиться проводники с противоположным направлением тока. При таком распределении токов якоря I_я электоромагнитные силы от их взаимодействия с магнитным полем индуктора будут действовать согласованно, что позволяет машине развивать максимальный вращающий момент.

В режиме генератора в проводниках обмотки якоря 12 предложенной МПТ в начальный момент вращения ротора индуцируются ЭДС таких направлений, которые определяются направлением вращения полюсов постоянных магнитов 11 индуктора относительно их и по правилу правой руки. В дальнейшем направления их меняются на противоположные в каждую четверть оборота ротора. Это означает, что в ее обмотках 12 будут переменные токи, которые поступают по соединительным проводам 9 к неподвижному коллектору с подвижными электропроводящими гусеницами, откуда потекут во внешнюю цепь определенной нагрузкой, но уже в выпрямленном виде.

Источники информации

1. Бертинов А.И. и др. Униполярные электрические машины с жидкометаллическими токосъемами. - М., Л.,: Энергия, 1966.

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

3. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. - М.: Высшая школа, 1990.

4. Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Электороатомиздат, 1986.

5. Костенко М.П. и др. Электрические машины. Ч1. - Л.: Энергия, 1873.

6. Токарев Б.Ф. Электрические машины. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, в частности к машинам постоянного тока (МПТ). Наиболее близким по сути аналогом предложенной является МПТ с механическим коммутатором, коллектором со скользящими щеточными контактами. Названная машина обладает некоторыми недостатками в конструктивном исполнении, заключающимися в том, что она включает в себя вращающиеся якорную обмотку и коллектор, по поверхности последнего из которых в ходе ее работы непрерывно скользят несколько пар щеточных контактов. Это приводит к интенсивному износу скользящихся друг о друга ее деталей от трения скольжения, к сужению области ее применения из-за возникающего при этом искрения между ними. Кроме того, вращающиеся обмотки якоря несколько ограничивают возможную максимальную угловую скорость вращения ее ротора. Техническим результатом изобретения является существенное увеличение износостойкости машины, расширение области ее применения и увеличение надежности в работе. Технический результат достигается тем, что в конструкции предложенной МПТ якорная обмотка неподвижна, а вращается индуктор, состоящий из постоянных магнитов и центрального магнитопровода, установленных на общий вал вращения и тем, что вместо подвижного коллектора со скользящими по ним щеточными контактами в ней применяется неподвижный коллектор, состоящий из трех полых цилиндров, по внутренним поверхностям которых одновременно передвигаются две пары диаметрально противоположно размещенных электропроводящих гусениц, отодвинутых друг от друга не только вдоль вала вращения на требуемое расстояние, но и на 90 градусов по кругу. В этом случае неподвижный коллектор с электропроводящими гусеницами в любой момент времени вращения ротора обеспечивает такие направления токов по обмотке якоря, при котором в области полюсов постоянных магнитов разные полярности будут всегда находиться проводники с противоположными направлениями токов. При таком распределении токов якоря I_я электромагнитные силы от их взаимодействия с магнитным полем индуктора будут действовать согласованно, что позволяет машине развивать максимальный вращающий момент. В режиме генератора в проводниках обмотки якоря предложенной МПТ наводятся переменные токи, которые поступают по соединительным проводам к неподвижному коллектору с подвижными электропроводящими гусеницами, посредством которого они потекут во внешнюю цепь определенной нагрузкой, но уже в выпрямленном виде. 2 ил.

Машина постоянного тока с неподвижным коллектором, содержащая неподвижный якорь, подвижный индуктор и неподвижный коллектор, отличающаяся тем, что если подвижный индуктор состоит из крестообразно насаженных на центральный цилиндрический магнитопровод постоянных магнитов соответствующими полюсами с чередующими друг за другом полярностями, то якорь состоит из внешнего полого цилиндрического неподвижного магнитопровода, в пазах вдоль внутренних образующих которого уложена пара его обмоток, прямые провода витков одной из которых соединены соответственно с верхней, другой - нижней пластинами неподвижного коллектора и обратные провода тех же витков тех же обмоток якоря соединены с боковыми его пластинами, а неподвижный коллектор состоит из трех полых несколько отодвинутых основаниями друг от друга цилиндров с общими диэлектрическим кожухом и осью, на верхних, нижних и боковых внутренних пазах центрального из которых закреплены изолированные друг от друга четыре металлические пластины, которые в ходе вращения индуктора попарно, верхняя с нижней, левая с правой, периодически соединяются с внутренними поверхностями левого и правого, подключенных соответственно к положительной и отрицательной клеммам внешнего источника постоянного напряжения цилиндров посредством отодвинутых друг от друга по кругу на 90 градусов двух пар диаметрально противоположно расположенных и передвигающихся установленными перпендикулярно на общий вал вращения стержнями электропроводящих гусениц, соответственно между внутренними поверхностями неподвижных левого и центрального, центрального и правого указанных цилиндров и внешними поверхностями ободов двух установленных подшипниками на тот же вал шкивов.