Униполярная машина Советский патент 1983 года по МПК H02K31/00 

Изобретение относится к электри ческим машинам постоянного тока/ а именно к униполярным машинам (УМ Эти машины используются в электромеханических установках тока в качестве генераторов, а также в системах низкого напряжения в качеств двигателей. Для УМ характерны большие токи якоря, магнитное поле которых (поцеренная реакция якоря) проявляется в сильном насышении магнитопровода, отрицательно влияющем на массо-габаритные и энергетические показатели этих машин из-за необходимости увеличивать сазмеоы магн топровода и катушек возбуждения и из-за возрастания потребляемой мощности навозоуждение. Известна конструкция УМ,позволяюшая снизить продольно-размагничивающий эффект поперечной реакц якоря за счет применения ряда равно мерно распределенных по окружности немагнитных проводящих вставок в ро . Недостатки этой конструкции УМ тоят в том, чтоf вставки существенн не доходят до оси ротора, а это при водит к насыщению его центральной ч ти полем якоря; вставки установлены под углбм к радиусу, поэтому изгото ление ротора вызывает технологическ трудности; статор не имеет вставок или компенсационных шин и подвержен насыиению полем якоря. Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является УМ с немагнитной вставкой, проходящей чере ось вращения ротота, выполненного из ферромагнитных полуцилиндров 2 В известной УМ снижено насыщение ро тора (и его центральной части включительно) , так как вставка проходит через весь диаметр. Вставка имеет протяженность вдоль всей осевой длины цилиндра, поэтому ротор выполнен из двух отдельных частей, ст нутых кольцевыми бандажс1мй. Данный ротор имеет низкую прочность, что ограничивает его применение только типом тихоходных УМ; для быстроходных УМ с высокими окружными- скоростями такой ротор не пригоден. Статор известной УМ насыщеи поперечны / полем якоря, что осяаб.ляет рабочий магнитный поток возбуж дения и снижает ЭДС машины. Кроме того, при больших токах якоря одной немагнитной вставки, разделяющей полуцилиндры,может оказаться недостаточно для необходимого уменьшения насыщения ротора нолем якоря. Цель изобретения - улучшение массо-габаритных и энергетических показателей УМ путем снижения насыщения ротора и статора поперечным магнитным полем якоря. Указанная цель достигается тем, что в униполярной машине, содержащей ротор с кольцевыми электродами токооемных узлов и статор с централь ным и боковыми полюсами, ярмом,катушками возбуждения и токосъемными узлами, -в центральном полюсе статора и в роторе выполнены сквозные прорези, проходящие через центральную ось, и осевой размер прорезей ротора больше расстояния между токосъемными узлами, но меньше длины цилиндра ротора, а осевой размер прорезей в статоре не меньше расстояния между токосъемными узлами, при этом числа прорезей в роторе и статоре больше двух и не имеют общих делитётелей, кремле единицы. В роторе также могут быть допол-. нительно выполнены несквозные прорез.и, расположенные между сквозными прорезями. Для увеличения jripp4HocTH ротора кольцевые электроды токосъемных узлов служат бандажами.Возможно тгкже заплавление прорезей немагнит ным металлом или сплавом. На фиг. 1 схематично показана УМ, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, поперечное сечение. УМ содержит цилиндрический ротор 1 из ферромагнитного материала, токосъемы 2,3 и статор, включающий сдвоен ный средний полюс 4 с ярмами 5,6 и два боковых полюса 7, 8 из ферромагнитного материала, а также катушки 9 и 10 возбуждения. Детали 1, 4 - 8 образуют магнитопровод машины. Ротор имеет кольцевые электроды 11 и 12 токосъемкых узлов и вал 13, который может изготавливаться с ротором как одно целое. Вал установлен в подшипниках 14 и 15. В средней части ротора 1 выполнено несколько равномерно расположенных сквозных диайиетральных прорезей 16,осевая протяженность которых превышает расстояние между плоское- ями токосъемов, но меньше длины цилиндра ротора. Кольцевые электроды 11, 12 служат бандажами цилиндра ротора. Ротор может быть снабжен дополнитель г. ными несквозными прорезями 17, расположенными между прорезями 16 (фиг.2). Сквозные радиальные прорези 18 в статоре, проходящие в его среднем полюсе 4 и ярмах 5 и 6, имеют осевую протяженность не меньше расстояния между плоскостями токосъемов. Прорези 16. 17 и 18 могут быть заплавлены немагнитным металлом (сплавом) или заполнены укрепленными в них немагнитными вставками. При работа УМ ротор 1 пересекает продольный рабочий магнитный поток возбуждения Фо, создаваемый катушками 9,10 и наводящий в роторе ЭДС.В режиме нагрузки по цепи якоря через подвижные токосъемы 2 и 3 протекает ток Зд , обслуживающий поперечный магнитный поток реакции якоря. Линии этого потока .замйкаются по концентрическим окружностям в статоре () и роторе { (pj) } в плоскостях, ортогонёшьных к ПЛОСКОСТЯМ линий потока катушек возбужедения (фиг.2). Магнитный поток реа.кции якоря может также замыкаться в роторе в пределах каждого секгора (Ф1,р). При наличии. дополнительный прорезей 17 появится ток ). Прорези (или немагнитные вставки) существенно увеличивают магнитное сопротивление потокам , тем . самым уменьшая их и предотвращая насыщение ими соответствутощих участков ротора и статора. Поток также сни жается с увеличением числа диаметрал ных прорезей в роторе. При наличии д полнительных прорезей суммарный пото ,в каждом секторе роторафдр+ф р. будет еюе меньше. Осевая протяженность про ,резей в статоре равна расстоянию меж ду плоскостями токосъемов, т.е. определяется длиной среднего полюса и участков двух ярм, подверженных насыщаему магнитному воздействию поля якоря, или больше этого расстояния. Осевая протяженность прорезей в роторе теоретически должна быть переменной, уменьшаясь к периферии в сютветствии с картиной распределения (растекания) тока J в массиве цилиндра ротора. Изготовление прорезей переменной протяженности по радиусу на практике технологически затруднительно, поэтому длина прорезей в периферийной части ротора увеличена (по сравнению с теорет чески необходимой их длиной), и в пределах всего диаметра имеют постоянную осевую протяженность, которая больше расстояния между плоскостями токосъемников,но меньше длины цилиндра ротора. Такая конструкция ротора позволяет выполнить его как одно целое. Эти роторы допустимо применять в быстроходнь УМ. Определенный выбор числа nlpopeзей в роторе и статоре, заключающий в , чтобы эти числа не имели, общи делителей, кретие единицы, значительно снижает пульсации потока возбуждения, связанные с периодическим H3N.3HeHHeM магнитной проводимости воздушного зазора под средним полюсом УМ из-за влияния прорезей. При произвольных числах прорезей в роторе и статоре, например, равных или кратных, могут возникать большие пульсации, которые обусловили бы потери мощности в стали магнитопровода, а также наличие переменных составляющих в ЭДС якоря. На практике, в некомпенсированной УМ при обычных плотностях тока в якоре (больше 0,5 А/мм ) напряженность поперечного магнитного поля якоря существенно превышает напряженнпсттг аР1Очего поля катУшек возбуждения. Поэтому уменьшение поля якоря, за счет оационально конфигуоации прорезей в статоре и роторе обеспечивает приблизительно пропорциональное уменьшение сечения катушек и мощности возбуждения , а также соответственное уменьшение размеров магнитопровода. Это приводит к снижению габаритов и массял маизины и повышение ее КПД. Согласно приближенной оценке при наличии п полных радиальных прорезей в роторе напряженность поля якоря уменьшается в (1 п/д;) раз. Сравнение предложенной .машины с базовым объектом-машиной с ГУ 160-24 У4 (изготовитель - завод УЭТМ) показывает, что для уменьшения поля якоря до величины рабочего поля требуется 9 радиальных прорезей в статоре и 4 диаметральных прорезц, в роторе.Это позволит увеличить магнитную ИНДУКЦИЮ рабочего; поля с 1 т до 1,25 Т и соответственно уменьшить сечения магнитопровода и 1 1тушек возбуждения. При этом потери мсяцности на возбуждение сократятся приблизительно в 2,5 раза. В результате наружнЕлй диаметр машины уменьшится на 10,5%, массана 20%, а КПД увеличится- на 0,2%. Ожидаемый экономический эффект обусловлен улучшением массо-габаритных показателей и составит более 20% от стоимости основных материалов и затрат на изготовление машины.

1. УНИПОЛЯРНАЯ МАШИНА, содержащая ротор.с кольцевыми электродами токосъемиых узлов и статор с центральным и боковыми полюсами, ярмом, катушками возбуждения и токосъемными узлами, отличающаяся тем,что, с целью улучшения массо-габаритных и энергетиа ческих показателей машины путем предотвращения насыщения магнитопровода полем якоря, в центральном полюсе статора и в роторе выполнены сквозные прорези, проходящие через ось, и осевой размер прорезей ротора больше расстояния мехду токосъемными узлами, но меньшей длины цилиндра ротора, а осевой размер прорезей статора не меньше расстояния между токосьемными узлами, при этом числа прорезей в роторе и статоре больше двух и не имеют обших делителей, кроме единицы. 2. Мгииина по п. 1, отличающаяся тем, что в роторе выполнены дополнительные несквозные (О прорези, расположенные между сквозными прорезями. i.СО ел iU СП