МНОГОДИСКОВАЯ УМ ПОСТОЯННОГО ТОКА БЕЗ СКОЛЬЗЯЩИХ КОНТАКТОВ Российский патент 2011 года по МПК H02K31/04 H02K21/24 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам постоянного тока.

Наиболее близким аналогом предложенной машины является униполярная машина (в дальнейшем УМ) постоянного тока с дисковым ротором со скользящими щеточными контактами или жидкометаллическим токосъемом.

Однако наличие у УМ не менее двух скользящих контактов или периферийного жидкометаллического токосъема на один диск ротора не только усложняет конструкцию, ухудшает ее электромеханические характеристики, но и заметно снижает надежность в работе и сужает область ее применения. Последнее связано и сравнительно низким рабочим напряжением машины.

Трение скольжения между неподвижными щетками и вращающимися кольцами довольно высокое и ведет к их износу, а из-за возрастания в связи с этим переходного сопротивления - к повышенному ее нагреву.

Преодоление названных недостатков возможно с помощью жидкометаллического токосъема. К сожалению, создание надежно герметизированных конструкций периферийного жидкостного кольцевого токосъема, не позволяющих утечки паров электропроводящей жидкости, достаточно проблематично.

Техническим результатом заявленного изобретения является существенное улучшение электромеханических характеристик, повышение надежности износостойкости, повышение рабочего напряжения (в несколько раз) и соответственно расширение областей применения УМ постоянного тока.

Технический результат достигается тем, что в конструкции предложенной УМ отсутствуют как скользящие механоэлектрические, так и жидкометаллические электрические контакты. В качестве них служат электропроводящие катящиеся ролики, у которых небольшое трение качения по сравнению с трением скольжения и которые легко позволяют включать электрически последовательно несколько роторных дисков, вращающихся вокруг общего вала в магнитных полях постоянных магнитов статора.

Предложенная многодисковая УМ постоянного тока без скользящих контактов, состоящая из статора и ротора, разделенных между собой воздушными зазорами, выполненная в виде последовательно установленных УМ постоянного тока с дисковыми роторами на общий вал вращения, отличается тем, что в качестве статора служит неподвижная магнитная система, состоящая из нескольких полых цилиндрических насаженных подшипниками друг за другом на общий изолированный вал вращения постоянных магнитов, продолжениями полюсов которых служат дискообразные с круглыми выемками большего и отверстиями меньшего диаметров по их серединам магнитопроводы, торцевые поверхности которых симметрично расположены по обе стороны вращающихся роторных дисков, и в качестве ротора служат несколько электрически последовательно соединенных вращающихся дисков, насаженных на внешние поверхности полых цилиндрических магнитов статора посредством электропроводящих роликовых подшипников, внутренние ближайшие и неподвижные обоймы которых попарно соединены между собой электрическими проводниками, проходящими через отверстие соответствующих смежных магнитопроводов, причем периферии средних дисков ротора попарно соединены электропроводящими полыми цилиндрами, установленными на вал вращения жестко диэлектрическими кругами, а периферия крайних дисков через такие же цилиндры, электропроводящие круги, насаженные на электропроводящие втулки концов общего вала вращения, и роликовые подшипники соответственно присоединены к положительной и отрицательной клеммам внешнего источника постоянного напряжения.

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

1 - электропроводящая втулка, 2 - крайний электропроводящий роликовый подшипник, 3 - общий вал вращения с изоляцией, 4 - электропроводящий круг, 5 - дискообразный магнитопровод, 6 - электропроводящий полый цилиндр, 7 - диск ротора, 8 - электрический проводник, 9 - средний электропроводящий роликовый подшипник, 10 - диэлектрический круг, 11 - ступица роторного диска, 12 - шариковый подшипник.

Как видно из фиг.1, полые цилиндрические постоянные магниты 5 статора насажены на общий вал вращения 3 посредством шариковых подшипников 12 с полюсами соответствующих одинаковых полярностей друг к другу поочередно. На фигурах направления токов в дисках i_я и вращения ротора показаны при работе УМ в режиме двигателя.

Предложенная многодисковая УМ постоянного тока без скользящих контактов может работать в обоих основных режимах.

В режиме генератора она работает в следующем порядке. При вращении ротора УМ посторонним двигателем против часовой стрелки напротив указанным на фигурах угловой скоростью - ω, в электропроводящих дисках ротора 7 в радиальном направлении, напротив токов i_я, указанных на фиг.1, в соответствии электромагнитной индукции, наводятся ЭДС, т.к. они при этом вращаются в постоянных магнитных полях статора, которые, суммируясь, создают на электрическом выводе УМ результирующее постоянное напряжение = U. Если при этом к указанным выводам присоединить некоторую нагрузку, то по секторам дисков 7 ротора в радиальном направлении, электропроводящим полым цилиндрам 6, электропроводникам 8, роликовым подшипникам 2 и 7 и нагрузку потечет ток - i_я, напротив токам, указанным на фиг.1.

В двигательном режиме предложенный УМ работает следующим образом. При подключении электрических выводов УМ к внешним источнику постоянного напряжения = U ток i_я потечет от положительной клеммы, через крайний электоропроводящий роликовый подшипник 2, втулку 1, круг 4, и полый цилиндр 6 по первому диску ротора 7 в радиальном направлении от его периферии к центру. Далее ток потечет через средний электропроводящий роликовый подшипник 9, электропроводники 8, следующий такой же подшипник 9 к следующему диску 7 и через его секторы, очередной полый цилиндр 6 - к периферии очередного диска 7. В дальнейшем, в таком же порядке, ток i_я дотечет до отрицательной клеммы источника внешнего напряжения. При этом токи, протекающие по секторам дисков 7 от их краев к центрам, от центров к краям, будут взаимодействовать с постоянными магнитными полями, существующими между соответствующими торцевыми поверхностями магнитопроводов статора 5, и общий вал начнет вращаться по часовой стрелке с номинальной скоростью ω, как это показано на фигурах.

Источники информации

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

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

3. Иродов И.А. Электромагнетизм. - М.: Бином, 2003.

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

5. Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Электроатомиздат, 1986.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к униполярным электрическим машинам (УМ) постоянного тока. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в улучшении электромеханических характеристик, повышении надежности работы, увеличении износостойкости, упрощении конструкции, повышении в несколько раз рабочего напряжения униполярной электрической машины, а также в расширении области ее использования. Указанный технический результат достигается тем, что в предложенной конструкции УМ в качестве электрических контактов служат электропроводящие роликовые контакты качения и неподвижные цилиндрические обоймы, к которым припаяны электрические проводники. Такая конструкция электрических контактов без особой сложности позволяет электрически последовательно включать в цепь якоря все их диски ротора, что позволяет существенно повысить рабочее напряжение. При этом трение качения между электропроводящими роликами и неподвижными цилиндрическими обоймами, а также активными частями дисков ротора (ступицами) на несколько порядков меньше трения скольжения между традиционными скользящими щеточными контактами и контактными кольцами. 2 ил.

Многодисковая униполярная машина (УМ) постоянного тока без скользящих контактов, состоящая из статора и ротора, разделенных между собой воздушными зазорами, выполненная в виде последовательно установленных УМ постоянного тока с дисковыми роторами на общий вал вращения, отличающаяся тем, что в качестве статора служит неподвижная магнитная система, состоящая из нескольких полых цилиндрических насаженных подшипниками друг за другом на общий изолированный вал вращения постоянных магнитов, продолжениями полюсов которых служат дискообразные, с круглыми выемками большего и отверстиями меньшего диаметров по их серединам, магнитопроводы, торцевые поверхности которых симметрично расположены по обе стороны вращающихся роторных дисков, и в качестве ротора служат, несколько, электрически последовательно соединенные вращающиеся диски, насаженные на внешние поверхности полых цилиндрических магнитов статора посредством электропроводящих роликовых подшипников, внутренние ближайшие и неподвижные обоймы которых попарно соединены между собой электрическими проводниками, проходящими через отверстие соответствующих смежных магнитопроводов, причем периферии средних дисков ротора попарно соединены электропроводящими полыми цилиндрами, установленными на вал вращения жестко диэлектрическими кругами, а периферии крайних дисков через такие же цилиндры, электропроводящие круги, насаженные на электропроводящие втулки концов общего вала вращения, и роликовые подшипники соответственно присоединены к положительной и отрицательной клеммам внешнего источника постоянного напряжения.