МАШИНА ПОСТОЯННОГО ТОКА С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ КОММУТАТОРОМ Российский патент 2012 года по МПК H02K23/04 H01R39/30 

Изобретение относится к электрическим машинам, в частности к машинам постоянного тока (МПТ). Наиболее близким по сущности аналогом предложенной МПТ 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 беспрерывно скользят несколько пар щеточных контактов. Это приводит и интенсивному износу скользящих друг о друга ее деталей из-за трения скольжения, соответственно, к сужению области ее применения в связи с возникающим при этом искрением между ними. Кроме того, вращающиеся обмотки якоря ограничивают в определенной степени угловую скорость ее ротора.

Техническим результатом изобретения является существенное увеличение долговечности 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, а вместо подвижного коллектора со скользящими по нему щеточными контактами в ней применяется жидкометаллический коммутатор.

Предложена машина постоянного тока с жидкометаллическим коммутатором, содержащая подвижный индуктор и неподвижный якорь, разделенные между собой воздушными зазорами, и жидкометаллический коммутатор, отличающаяся тем, что, если подвижный индуктор состоит из двух постоянных магнитов, насаженных соответственно южным и северным полюсами на диаметрально противоположные стороны центрального, установленного на вал вращения, цилиндрического магнитопровода, то якорь состоит из внешнего, полого, цилиндрического неподвижного магнитопровода, во внутренних пазах которого уложена его обмотка, а жидкометаллический коммутатор состоит из расположенных рядом диэлектрическими, с отверстиями для свободного прохождения вала вращения, основаниями четырех цилиндрических металлических емкостей, несколько наполненных электропроводящими жидкостями, в первых двух из которых, соединенных, соответственно, прямыми и обратными проводами обмотки якоря, на валу вращения установлены по одному электропроводящему, несколько погруженному в указанные жидкости острыми краями диску, каждый из которых электрически соединен соответствующими диаметрально устроенными парами металлических секторов двух смежных комбинированных дисков, установленных также в следующих двух таких же емкостях, соединенных, соответственно, положительной и отрицательной клеммами внешнего источника постоянного напряжения.

На фигурах 1 и 2 показаны соответственно продольные и поперечные разрезы предложенной МПТ. На фигурах 3 и 4 показаны разрезы металлических емкостей, соответственно, металлического и комбинированного с металлическими узкими секторами дисков с электропроводящими жидкостями.

На фигурах принято следующее обозначение: 1. Диэлектрический вал вращения, 2. Центральный цилиндрический магнитопровод, 3. Обмотка якоря, 4. Постоянный магнит индуктора, 5. Внешний цилиндрический магнитопровод с внутренними пазами, 6. Соединительный магнитопровод, 7. Металлический диск, 8. Диэлектрическое основание, 9. Цилиндрическая металлическая емкость, 10. Узкий металлический сектор комбинированного диска, 11. Широкий диэлектрический сектор комбинированного диска, 12. Электропроводящая жидкость.

МПТ с жидкометаллическим коммутатором работает следующим образом. При подаче постоянного напряжения на правые две металлические емкости, через их электропроводящие жидкости 12, металлические сектора 10, соединительные электропровода 6, металлические диски 7 и электропроводящие жидкости 12 двух левых емкостей постоянный ток i_я поступает на обмотку якоря 3 по направлению, указанному на фиг.1. Тогда эти токи якоря начнут взаимодействовать результирующим магнитным полем двух постоянных магнитов 4 индуктора по правилу «левой руки». В этом случае ротор, на валу вращения 1 которого установлены соответствующие четыре диска жидкометаллического коммутатора, начинает вращаться по направлению часовой стрелки, указанному на фигурах 1 и 2, с угловой скоростью ω. Через четверть оборота все металлические сектора 10 двух правых комбинированных дисков на мгновение окажутся вне электропроводящих жидкостей 12 коммутатора. Тогда ток i_я перестает течь через обмотки 3 якоря предложенной МПТ. Но ротор продолжает при этом вращаться по инерции, и через некоторое мгновение в электропроводящих жидкостях 12 окажутся очередные металлические сектора 10 комбинированных дисков. Это означает, что по обмотке якоря 3 опять потечет ток i_я, но уже с другим знаком, то есть по направлению, противоположному первоначальному. Так как к этому времени полюса постоянных магнитов 4 индуктора поменяются местами, то направления действия на них электромагнитных сил останутся такими же, как и вначале. Дальше процессы начнут повторяться, и ротор быстро наберет номинальную скорость вращения.

В режиме генератора, при вращении индуктора от постороннего двигателя, в неподвижной обмотке якоря 3 начнет индуцироваться переменный ток i_я, частота которого будет определяться угловой скоростью вращения индуктора. Этот переменный ток поступит на металлические диски 7 двух первых металлических емкостей 9, которые в течение одного оборота по одному разу будут соединяться клеммами обоих полярностей электрического вывода МПТ через металлические сектора 10 комбинированных дисков следующих двух металлических емкостей 9 жидкометаллического коммутатора. Это означает, что индуцированный переменный ток якоря, проходя через жидкометаллический коммутатор, потечет во внешнюю цепь в выпрямленном виде, то есть как постоянный ток.

При этом необходимо отметить, что проблемы, имеющиеся у униполярных машин в связи периферийными жидкостными контактами, у предложенной МПТ практически отсутствуют. Это следует из того, что угловая скорость ее ротора существенно ниже по сравнению с угловой скоростью ротора УМ. Кроме того, в жидкометаллическом коммутаторе предложенной МПТ применяются несмачиваемые электропроводящие поверхности (жидкости и материалы дисков).

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.: Электроатомиздат, 1986.

5. Костенко М.П. и др. Электрические машины. Ч.1. - Л.: Энергия, 1973.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам постоянного тока (МПТ). Наиболее близким по сущности аналогом предложенной МПТ 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 которого в ходе работы данной машины непрерывно скользят несколько пар щеточных контактов. Это приводит и интенсивному износу скользящих и контактирующих друг с другом деталей из-за трения скольжения и, соответственно, к сужению области применения такой машины в связи с возникающим при этом искрением. Кроме того, вращающиеся обмотки якоря ограничивают в определенной степени угловую скорость ее ротора. Техническим результатом настоящего изобретения является существенное увеличение долговечности машины, расширение области ее применения и увеличение надежности в работе. Указанный 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, при этом применяется жидкометаллический коммутатор, который состоит из расположенных рядом диэлектрическими, с отверстиями для свободного прохождения вала вращения, основаниями четырех цилиндрических металлических емкостей, несколько наполненных электропроводящими жидкостями, в первых двух из которых, соединенных, соответственно, с прямыми и обратными проводами обмотки якоря, на валу вращения установлены по одному электропроводящему, несколько погруженному в указанные жидкости острыми краями диску, каждый из которых электрически соединен с соответствующими диаметрально устроенными парами металлических секторов двух смежных комбинированных дисков, установленных также в следующих двух таких же емкостях, соединенных, соответственно, с положительной и отрицательной клеммами внешнего источника постоянного напряжения. При подаче постоянного напряжения на жидкометаллический коммутатор токи, протекающие по виткам обмотки якоря, начнут взаимодействовать с магнитным полем индуктора. Тогда ротор начнет вращаться и, через пол-оборота, в электропроводящих жидкостях окажутся вместо первых следующие металлические сектора комбинированных дисков, каждый из которых электрически соединен уже с другими металлическими дисками коммутатора. Вследствие этого в обмотке якоря будет течь ток другого направления, противоположный первоначальному. Но так как к этому времени постоянные магниты индуктора поменяются местами, направления действий электромагнитных сил на ротор остаются прежними. В генераторном режиме при вращении от постороннего двигателя всех дисков металлического коммутатора синхронно индуктору, положительные и отрицательные полуволны индуцируемого переменного тока якоря всегда будут поступать на одни и те же соответствующие клеммы электрического вывода МПТ и по внешней цепи будет течь при этом постоянный ток. 4 ил.

Машина постоянного тока с жидкометаллическим коммутатором, содержащая подвижный индуктор и неподвижный якорь, разделенные между собой воздушными зазорами, и жидкометаллический коммутатор, отличающаяся тем, что, если подвижный индуктор состоит из двух постоянных магнитов, насаженных соответственно южным и северным полюсами на диаметрально противоположные стороны центрального, установленного на вал вращения, цилиндрического магнитопровода, то якорь состоит из внешнего полого цилиндрического неподвижного магнитопровода, во внутренних пазах которого уложена его обмотка, а жидкометаллический коммутатор состоит из расположенных рядом диэлектрическими, с отверстиями для свободного прохождения вала вращения, основаниями четырех цилиндрических металлических емкостей, несколько наполненных электропроводящими жидкостями, в первых двух из которых, соединенных, соответственно, прямыми и обратными проводами обмотки якоря, на валу вращения установлены по одному электропроводящему, несколько погруженному в указанные жидкости острыми краями диску, каждый из которых электрически соединен соответствующими диаметрально устроенными парами металлических секторов двух смежных комбинированных дисков, установленных также в следующих двух таких же емкостях, соединенных, соответственно, положительной и отрицательной клеммами внешнего источника постоянного напряжения.