Изобретение относится к физике магнетизма и к униполярным машинам, которые могут быть использованы либо как генератор, либо как двигатель постоянного тока. Она содержит намагниченный ферромагнитный тороид, тороид из немагнитного материала, а корпус- статор выполнен с крышками из немагнитного материала и магнитопроводящего материала, при этом на оси вращения ротора, выполненной из магнитомягкого материала, закреплены осесимметрично намагниченный ферромагнитный тороид - с одной стороны и шайба магнитной связи - с другой, расположенная с минимальным зазором от магнитопроводящей крышки корпуса-статора, внутри которого напротив намагниченного ферромагнитного тороида установлен вплотную к цилиндру корпуса-статора тороид из немагнитного материала с намотанной виток к витку рабочей обмоткой, витки которой расположены на минимальном расстоянии от намагниченного ферромагнитного тороида и соприкасаются с цилиндрическим корпусом-статором, при этом на крышке корпуса-статора из немагнитного материала установлены изолированные от нее выводы рабочей обмотки статора, а подшипники оси вращения ротора закреплены в упомянутых крышках. Изобретение позволяет увеличить внутреннее сопротивление рабочей обмотки униполярной машины, выполнение ее без скользящих контактов при значительном упрощении конструкции и увеличении надежности и долговечности ее работы и рекомендовано к использованию в электромобилях и тяговых двигателях на железнодорожном транспорте при использовании сверхсильных неодимовых магнитов. 1 ил.
Изобретение относится к физике магнетизма и к униполярным машинам, которые могут быть использованы либо как генераторы, либо как двигатели постоянного тока.
Первая униполярная машина была создана М. Фарадеем в 1821 году, затем ее усовершенствовал П. Барлоу в 1824 году [1]. Современные униполярные машины в основном используются для генерировании постоянного тока низкого напряжения с большими токами применительно, например, к гальваническим процессам [2-6].
Недостатком униполярных машин является их низкое внутреннее сопротивление, что приводит к большим потерям на подводящих проводниках от источника постоянного тока, а также наличие одного или двух скользящих контактов, что снижает надежность работы таких машин. Автором предложен двигатель постоянного тока без скользящих контактов [7], который может рассматриваться как прототип для заявляемого технического решения.
Известное устройство - бесколлекторный двигатель постоянного тока, содержащий неподвижный статор и ротор с осью вращения, отличается тем, что статор выполнен в виде полого цилиндрического магнитопровода, внутри которого размещены по его концам первая и вторая секции из нескольких кольцевых ребер магнитопроводника каждая, в первой и второй секциях кольцевых ребер магнитопроводника ко всей их поверхности закреплен соответственно первый и второй ребристо-цилиндрический электропроводник, оба указанных ребристо-цилиндрических электропроводника статора выполнены из медной фольги склеиванием или путем напыления слоя меди на поверхности кольцевых ребер первого и второго магнитопроводников и не имеют с ними электрического контакта, внутренние концы первого и второго ребристо-цилиндрических электропроводников соединены с внутренними медными кольцевыми электродами, а их внешние концы - с внешними медными кольцевыми электродами через медные крышки-соединители, ротор выполнен в виде цилиндрического электромагнита с расположенными по его концам двумя одинаковыми первой и второй секциями из нескольких кольцевых ребер магнитопроводника, например, из стали, которые входят в пазы соответственно первой и второй секций кольцевых магнитопроводов статора с малыми зазорами между ними, в средней части ротора неподвижно и бесконтактно к нему соосно размещена катушка подмагничивания, один конец которой соединен с первым внутренним медным кольцевым электродом первого ребристо-цилиндрического электропроводника, а второй - ко второму внешнему медному кольцевому электроду второго ребристо-цилиндрического электропроводника, при этом выходные зажимы двигателя соединены соответственно с первым внешним медным кольцевым электродом первого ребристо-цилиндрического электропроводника и со вторым внутренним медным кольцевым электродом второго ребристо-цилиндрического электропроводника.
По существу такое устройство представляет собой униполярную машину без скользящих контактов с «двувитковой» рабочей обмоткой и обмоткой подмагничивания ротора с весьма низким внутренним сопротивлением, что относится к недостаткам устройства, поскольку это сопровождается значительными потерями электроэнергии на подводящих проводниках от источника постоянного тока при работе машины в режиме двигателя, и последнее снижает кпд такого электродвигателя. Другим недостатком устройства-прототипа является сложность его изготовления, в частности, при обеспечении необходимого зазора между проводящими элементами рабочих обмоток от ребристого тела статора для повышения вращательного момента, возникающего во вращающемся роторе, из-за недостаточного перераспределения сил Лоренца, действующих на ротор и статор - полюсы магнитной системы. Такая униполярная машина может работать в режиме генерирования постоянного тока при вращении ее намагниченного ротора.
Указанные недостатки устранены в заявляемом техническом решении.
Целями изобретения являются существенное увеличение внутреннего сопротивления рабочей обмотки униполярной машины, выполнение ее без скользящих контактов при значительном упрощении конструкции и увеличении надежности и долговечности ее работы.
Указанные цели достигаются в заявляемой многовитковой униполярной машине без скользящих контактов, содержащей ротор на основе постоянного магнита и статор с рабочей обмоткой, отличающейся тем, что на оси вращения ротора из магнитомягкого материала закреплены осесимметрично намагниченный ферромагнитный тороид - с одной стороны и шайба магнитной связи - с другой, расположенная с минимальным зазором от магнитопроводящей крышки статора, выполненного в форме полого цилиндра, внутри которого напротив намагниченного ферромагнитного тороида ротора установлен вплотную к полому цилиндру статора тороид из немагнитного материала с намотанной на него рабочей обмоткой статора, находящейся в рабочем магнитном зазоре между ротором и статором, наружные части витков которой расположены на минимальном расстоянии от намагниченного ферромагнитного тороида ротора, а противоположные внутренние соприкасаются с цилиндрическим телом статора, корпус машины включает также вторую крышку из немагнитного материала, на которой установлены изолированные от нее выводы рабочей обмотки статора, а в обеих крышках закреплены подшипники оси вращения ротора.
Достижение целей изобретения объясняется многовитковостью рабочей обмотки статора, которая подключается непосредственно к источнику постоянного тока без скользящих контактов, поскольку является неподвижной, устройство содержит минимум элементов, а износу подлежат лишь подшипники оси ротора, являющиеся долговечными в работе элементами.
Устройство представлено на прилагаемом рисунке и содержит:
1 - ротор из магнитомягкого материала (Fe) с осью вращения и шайбой магнитной связи,
2 - намагниченный по цилиндрическим поверхностям ферромагнитный тороид (например, из SmCo3, NdFeВ и др.),
3 - корпус-статор из магнитомягкого материала (Fe) в виде полого цилиндра,
4 - тороид за немагнитного материала (например, Д-16) высотой L,
5 - рабочую обмотка статору, намотанную виток к витку на тороиде 4 из немагнитного материала, изолированным проводником с диаметром d,
6 - крышка корпуса из магнитомягкого материала (Fe), магнитно связанная с шайбой магнитной связи ротора 1 с минимально допустимым зазором (например, 0,5 мм),
7 - крышка корпуса из немагнитного материала (например, из Д-16),
8 - подшипники оси вращения ротора, закрепленные в крышках 6 и 7 корпуса,
9 - изолированные от крышки 7 выводы рабочей обмотки статора 5.
Рабочий магнитный зазор Δ образован между цилиндрическими поверхностями намагниченного ферромагнитного тороида 2 и статора 3. Помещенная в него рабочая обмотка статора 5, намотанная на тороиде из немагнитного материала 4, находится в магнитном поле с индукцией В, витки рабочей обмотки статора с числом n имеют прямоугольную форму, их плоскости лежат в радиальных сечениях, симметричных оси вращения ротора. Противоположные стороны каждого витка длиной L взаимодействуют с магнитным полем в рабочем магнитном зазоре при протекании в рабочей обмотке 5 постоянного тока силой I по закону об электромагнитной индукции, поскольку ортогональны векторам магнитной индукции В, а соединяющие эти стороны витков части рабочей обмотки не взаимодействуют с магнитным полем, так как коллинеарны векторам магнитной индукции, имеющим радиально-симметричную структуру. Сторона каждого витка рабочей обмотки статора длиной L, ближайшая к ротору, имеет зазор от поверхности намагниченного ферромагнитного тороида, равный ε<<Δ, а противоположная сторона практически контактирует с телом статора через тонкую изоляционную пленку толщиной порядка d/2, приклеенную как к рабочей обмотке, так и к цилиндрической поверхности статора, например, эпоксидным компаундом. Угловая скорость вращения ротора 1 обозначена на рис.1 как ω (векторная величина) и показана кривой фигурной стрелкой. Прямыми фигурными стрелками показаны направления магнитного потока в роторе и статоре.
Рассмотрим действие заявляемого технического решения.
По закону об электромагнитной индукции на прямой проводник длиной L с постоянным током I, находящийся в скрещенном к нему магнитном поле с индукцией В, действует лоренцева сила F, направленная по известному правилу «левой руки». Эта сила действует как на внешние проводники, расположенные на расстоянии ε от поверхности намагниченного ферромагнитного тороида 2, так и на внутренние, контактирующие со статором 3, то есть удаленные от ротора на расстояние порядка Δ-d>>ε, но эта сила - F действует в противоположном направлении, поскольку ток протекает в таких отрезках проводника в противоположном направлении. Действующие на эти проводники одинаковые по величине и противоположные по направлению силы приложены со стороны источника магнитного поля в магнитном зазоре, то есть от ротора и статора. Каждая из этих двух сил разлагается на составляющие по правилу параллелограмма, поэтому значение имеет расположение этих проводников - внешнего и внутреннего для каждого из витков рабочей обмотки статора - относительно поверхности ротора (намагниченного ферромагнитного тороида), то есть соответственно от расстояний ε и Δ-d. Можно показать, что составляющие сил противодействия, опирающиеся по касательной на ротор, определяются по формуле FP1=-Fcos2φ1=-BLIcos2 (πε/2Δ) - от действия силы Лоренца на внешний проводник и FP2=Fcos2φ2=BLIcos2[π(Δ-d)/2Δ] - от действия силы Лоренца на внутренний проводник витка. Следовательно, результирующая сила отдачи FP на ротор со стороны одного витка рабочей обмотки 5 равна FP=FP1+FP2=-BLI{cos2(πε//2Δ)-cos2[π(Δ-d)/2Δ]}. Поскольку Δ>>ε и Δ>>d, и cos2(πε/2Δ)→1, a cos2[π(Δ-d)//2Δ]→0, и тогда FP≈-BLI по правилу «правой руки». Составляющие сил реакции, действующие на статор, работы не производят в силу неподвижности системы «рабочая обмотка 5 - статор 3». Все n касательных сил, приложенных к ротору с радиусом R, образуют в последнем вращательный момент М=FP n R. Точное значение этого момента равно М=-ВnLIR*{cos2(πε/2Δ)-cos2[π(Δ-d)/2Δ]}.
Например, если ε=1 мм, Δ=6 мм и d=1 мм, то разность квадратов косинусов в данном выражении равна cos2(π/12)-cos2(5π/12)=0,933-0,067=0,866, то есть М=-0,866 ВnLIR. Если внутренний радиус тороида из немагнитного материала 4 равен 51,5 мм, то при диаметре проводника d=1 мм число витков, намотанных на этот тороид виток к витку, равен n=2π*(51,5-d/2)/d=320. При токе в рабочей обмотке I=8 А, магнитной индукции в магнитном зазоре В=0,5 Тл, длине проводников L=40 мм и R=50 мм получим М=-0,866*0,5*320*0,04*8*0,05=-2,217 н.м. Если при этом ротор разогнать до угловой скорости ω=314 рад/с=50 об/с, то полезная мощность двигателя составит P=|ωM|=314*2,217=696 Вт
Из известного уравнения U=Е+Ir, где Е - эдс самоиндукции, возникающая при вращении ротора в рабочей обмотке статора, для величины которой известно выражение вида: Е=ВnLωM(R+ε), где ωM=ω(Δ-ε)/Δ - угловая скорость вращения магнитного поля в тороидальном магнитном зазоре в сечении магнитного зазора на расстоянии ε от поверхности ротора, то есть в месте расположения внешнего проводника каждого из витков рабочей обмотки статора длиной L. Если подставить в это выражение ранее указанные величины, получим ωM=Е/ВnL(R+ε)=87,5/0,5*320*0,04*0,051=268 рад/с, что соответствует угловой скорости ротора ω=ωMΔ/(Δ-ε)=268*6/5=321,6 рад/с, что на самом деле соответствует скорости вращения ротора не 314 рад/с=50 об/с, а 321,6 рад/с=51,2 об/с. Это означает, что для получения угловой скорости вращения ротора 321,6 рад/с следует несколько увеличить напряжение U, приложенное к рабочей обмотке статора, в частности, до величины U=(87,5*51,2/50)+5=89,6+5=94,6 В (можно использовать восемь последовательно соединенных аккумуляторных батарей по 12 В каждая). При этом полезная мощность двигателя составит 717 Вт, кпд 0,95.
Выражение ωM=ω(Δ-ε)/Δ характерно для рассматриваемого типа униполярной машины, в которой тороидальный магнитный зазор создан между вращающимся ротором и неподвижным статором при НЕПОДВИЖНОЙ рабочей обмотке статора. Именно поэтому необходимо полагать, что угловая скорость вращения магнитного поля в разных сечениях магнитного зазора изменяется в пределах ω≥ωM≥0. Так, у поверхности статора эта скорость становится нулевой, что практически не возбуждает эдс самоиндукции во внутренних проводниках каждого из витков рабочей обмотки длиной L.
Указанное распределение угловых скоростей магнитного поля ωM в тороидальном магнитном зазоре возникает, когда один магнитный полюс движется (в данном случае вращается) относительно другого неподвижного, в предположении, что физически магнитное поле представляет квантованную среду, имеющую свойства виртуальной вязкой жидкости. Аналогично этому скорость течения жидкости в трубе максимальна в центре сечения трубы и линейно убывает к стенкам трубы, на которых течение жидкости вообще отсутствует.
Заявляемое техническое решение может быть рекомендовано к использованию в электромобилях и тяговых двигателях на железнодорожном транспорте при использовании сверхсильных неодимовых магнитов, например, со структурой NdFeВ (или SmCO3). Возможны различные модификации данного устройства.
Литература
1. M. Faradey. Experimental Researches in Electricity, London, 1841.
2. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Электродинамика сплошных сред, 2 изд., М., 1982.
3. Дж. Джексон. Классическая электродинамика, пер. с англ., М., 1965.
4. Д.В. Сивухин. Общий курс физики, 2 изд., т. 3, М.: Электричество, 1983.
5. Электрические униполярные машины, под ред. Л.А. Суханова. М.: ВНИИЭМ, 1964, с.14.
6. «Электричество», №8, 1991, с. 6-7, рис. 8.
7. О.Ф. Меньших. Бесколлекторный двигатель постоянного тока, Патент РФ №2391761, опубл. в бюл. №16 от 10.06.2010.
Многовитковая униполярная машина, содержащая ротор на основе постоянного магнита с осью вращения и подшипниками и выполненный в форме полого цилиндра корпус-статор с рабочей обмоткой, отличающаяся тем, что она содержит намагниченный ферромагнитный тороид, тороид из немагнитного материала, а корпус-статор выполнен с крышками из немагнитного материала и магнитопроводящего материала, при этом на оси вращения ротора, выполненной из магнитомягкого материала, закреплены осесимметрично намагниченный ферромагнитный тороид - с одной стороны и шайба магнитной связи - с другой, расположенная с минимальным зазором от магнитопроводящей крышки корпуса-статора, внутри которого напротив намагниченного ферромагнитного тороида установлен вплотную к цилиндру корпуса-статора тороид из немагнитного материала с намотанной виток к витку рабочей обмоткой, витки которой расположены на минимальном расстоянии от намагниченного ферромагнитного тороида и соприкасаются с цилиндрическим корпусом-статором, при этом на крышке корпуса-статора из немагнитного материала установлены изолированные от нее выводы рабочей обмотки статора, а подшипники оси вращения ротора закреплены в упомянутых крышках.
www.findpatent.ru
Изобретение относится к электротехнике, к электрическим машинам постоянного тока. Технический результат состоит в упрощении конструкции, повышении надежности, улучшении электромеханических характеристик. Многовитковый бесконтактный униполярный генератор постоянного тока содержит якорь и индуктор. Якорь выполнен неподвижным и состоит из тороидальной многовитковой обмотки с полым сердечником прямоугольного сечения, внутренняя с канавкой по периметру для бус стенка которого изготовлена из ферромагнитного материла. Две боковые стенки и незамкнутая с канавкой по периметру внешняя выполнена из немагнитных материалов. Размещенный в полости якоря индуктор выполнен подвижным и представляет собой несколько стержневых постоянных магнитов, южные полюса которых примкнуты к ферромагнитному внутреннему кольцу, а северные - к внешнему немагнитному кольцу с канавками. Стержневые постоянные магниты индуктора имеют возможность свободно двигаться на бусах внутренней и внешней стенок сердечника якоря посредством фрикционной связи внешнего кольца-обода индуктора с ведомой и ведущей шестернями редуктора, расположенного в области отверстия тела якоря, находящегося на внешней его стороне. 2 ил.
Изобретение относится к области электрических машин, в частности к электрическим машинам постоянного тока.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому генератору является машина постоянного тока с тороидальной граммовской обмоткой якоря, каждый виток которого присоединен к коллекторной пластине (см. л.7, стр.295, рис.5.1).
Наличие у названной машины скользящих контактов и коллекторных пластин не только усложняет ее конструкцию, но и снижает надежность в работе, ухудшает электромеханические характеристики и ведет к удорожанию ее себестоимости исполнения, а также не позволяет расширить область ее применения.
Технический результат заявленного изобретения - улучшение электромеханических характеристик, увеличение его надежности в работе, уменьшение себестоимости его исполнения и расширение области его применения.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом генераторе постоянного тока отсутствуют скользящие щетки и коллекторные пластины. В то же время он обходится и без полупроводниковых выпрямителей и инвертора. Кроме того, предлагаемый генератор имеет преимущество и перед существующими униполярными электрическими машинами постоянного тока. Все существующие машины такого типа бывают низковольтные. Это связано с тем, что в ней на каждый виток якоря необходимо устанавливать пару скользящих контактов, что затрудняет увеличение их числа.
Предложенный многовитковый бесконтактный униполярный генератор постоянного тока, содержащий якорь и индуктор, отличается тем, что якорь выполнен неподвижным, который состоит из тороидальной обмотки с полым сердечником прямоугольного сечения, внутренняя с канавкой по периметру для бус стенка которого изготовлена из ферромагнитного материала, две боковые стенки и незамкнутая с круглой канавкой по периметру, внешняя - из немагнитных материалов, а размещенный в его полости индуктор - подвижным и представляет из себя несколько стержневых постоянных магнитов, южные полюса которых примкнуты к ферромагнитному внутреннему кольцу, а северные - к внешнему немагнитному кольцу с канавками, имеющие возможность свободно двигаться на бусах внутренней и внешней стенок сердечника якоря посредством фрикционной связи внешнего кольца (обода) индуктора с ведомой и ведущей шестернями редуктора, расположенного в области отверстия тела якоря, находящегося на внешней его стороне.
На фиг.1 и 2 показаны соответственно поперечный и продольный разрезы предложенного многовиткового бесконтактного униполярного генератора постоянного тока. На чертежах приняты следующие обозначения: 1 - внешние части витков тороидальной обмотки якоря.
2 - незамкнутая немагнитная внешняя сторона полого сердечника якорной обмотки.
3 - немагнитное внешнее кольцо индуктора (возбудителя).
4 - внешняя секция бус.
5 - стержневые постоянные магниты.
6 - внутреннее ферромагнитное кольцо индуктора.
7 - внутренняя секция бус.
8 - немагнитные боковые стенки полого сердечника якоря.
9 - внутренняя ферромагнитная стенка сердечника якоря.
10 - внутренние части обмотки якоря.
11 - ведомая шестерня фрикционного редуктора.
12 - ведущая шестерня редуктора.
Многовитковый бесконтактный униполярный генератор постоянного тока работает следующим образом. Когда ведущая шестерня 12 фрикционного индуктора начинает вращаться от стороннего двигателя со скоростью ω, то ведомая шестерня 11 начинает вращать весь индуктор через внешнее немагнитное его кольцо 3, размещено на внешней секции бус 4. Тогда силовые линии индукции, направленные от северных полюсов стержневых постоянных магнитов 5, начинают перемещаться относительно внешних частей витков тороидальной обмотки якоря 1 в одном направлении. В этом случае в частях витков, находящихся близко к северным полюсам постоянных магнитов, возникают электродвижущие силы (ЭДС) одной полярности. По мере движения (вращения) индуктора в частях витков, удаляющихся от магнитных полюсов, величина ЭДС падает от максимальной ее величины до нуля. В частях же витков, к которым приближаются северные полюса постоянных магнитов, ЭДС начинает возрастать от нуля до максимальной величины.
Поскольку все витки обмотки якоря соединены последовательно, и они постоянно пронизываются силовыми линиями магнитной индукции одной полярности и величины, то результирующая ЭДС будет все время постоянной величины и знака, и на электрических выводах генератора будет постоянное напряжение как по величине, так и по знаку, пока вращается индуктор.
Изменяя скорость вращения индуктора, можно регулировать величину выходного напряжения от нуля до максимального ее значения. Для изменения знака напряжения достаточно менять направление вращения индуктора на противоположное. При этом внутренняя ферромагнитная стенка 9 полого сердечника якоря, как магнитный экран, не допускает возникновения на внутренних частях витков обмотки якоря 10 ЭДС противоположного знака.
На внутреннем ферромагнитном кольце индуктора 6, непосредственно примыкающем к южным полюсам постоянных магнитов, замыкаются все силовые линии магнитной индукции, имеющие противоположное направление первым, и не могут пронизывать (пересекать) внутренние части витков обмотки якоря, что дополнительно позволяет избежать возникновения противоЭДС+ на внутренних частях витков обмотки якоря генератора.
Многовитковый бесконтактный униполярный генератор постоянного тока может работать и в режиме двигателя. Для этого достаточно на обмотку якоря подать постоянный ток. Тогда токи, протекающие по внешним частям витков обмотки якоря 1, начинают взаимодействовать с магнитным полем, созданным северными полюсами постоянных стержневых магнитов 5 индуктора, вследствие чего последний начинает вращаться на бусах внешней и внутренней стенок полого сердечника якоря.
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. Бут Д.А., Бесконтактные электрические машины. - М.: Высшая школа, 1990.
4. Боков В.А. Физика магнетиков. - С.П.Невский диалект, 2002.
5. Иродов И.А. Электромагнетизм. - М.: Бином, 2003.
6. Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука, 1985.
7. Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Энергоатомиздат, 1986.
Многовитковый бесконтактный униполярный генератор постоянного тока, содержащий якорь и индуктор, отличающийся тем, что якорь выполнен неподвижным и состоит из тороидальной многовитковой обмотки с полым сердечником прямоугольного сечения, внутренняя с канавкой по периметру для бус, стенка которого изготовлена из ферромагнитного материла, две боковые стенки и незамкнутая с канавкой по периметру внешняя - из немагнитных материалов, а размещенный в его полости индуктор - подвижным и представляет из себя несколько стержневых постоянных магнитов, южные полюса которых примкнуты к ферромагнитному внутреннему кольцу, а северные - к внешнему немагнитному кольцу с канавками, имеющие возможность свободно двигаться на бусах внутренней и внешней стенок сердечника якоря посредством фрикционной связи внешнего кольца (обода) индуктора с ведомой и ведущей шестернями редуктора, расположенного в области отверстия тела якоря, находящегося на внешней его стороне.
www.findpatent.ru
Изобретение относился к электромашиностроению и может быть использовано при производстве нового устройства униполярных многовитковых бесколлекторных торцовых электрических ганераторов постоянного тока с самовозбуждением. Обладает существенными признаками новизны и технико-экономическими преимуществами, а именно:
1. ПЕРЕД УНИПОЛЯРНЫМИ МАШИНАМИ:
- неподвижностью обмотки якоря и отсутствием в нем щеточно-контактных узлов,
- наличием последовательно-параллельной многовитковой электрической схемы обмотки якоря с использованием в ней ферромагнитного тела магнитопровода якоря.
- возможностью самовозбуждения генератора на постоянных магнитах и электромагнитах,
- расширением области использования.
2. ПЕРЕД КОЛЛЕКТОРНЫМИ МАШИНАМИ:
- отсутствием коллектора,
- неподвижностью обмотки якоря и отсутствием в ней щеточно-контактных узлов,
- технико-экономическими преимуществами, т.к. не требуется выполнение магнитопроводов из дорогой наборной листовой электротехнической стали,
- качеством получаемого электричества. т.к. вместо двухполу-периодной кривой ЭДС получается линия, приближенная к прямой.
3. ПЕРЕД ВЕНТИЛЬНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ МАШИНАМИ:
- отсутствием электронной системы преобразования переменного тока в постоянной,
- технико-экономическими преимуществами, т.к. не требуется выполнения магнитопроводов из дорогой наборной электротехнической стали,
- качеством получаемого электричества, как и перед коллекторными машинами.
ОСНОВНЫЕ ПРИЗНАКИ МИРОВОЙ НОВИЗНЫ И СУЩЕСТВЕННЫЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ПРЕДЛАГАЕМОГО УСТРОЙСТВА ГЕНЕРАТОРА:
1. Отсутствие коллектора, как средство токосъема и коммутации.
2. Неподвижность обмотки якоря и отсутствие в ней щеточно-контактных узлов.
3. Улучшение качества получаемого электричества, что весьма важно при использовании генератора для электроснабжении компьютерной техники и ЭВМ.
4. Самовозбуждение генератора с использованием постоянных магнитов и электромагнитов.
5. Использование тела ферромагнитных токопроводящих магнитопроводов якоря в электрической схеме обмотки якоря. Как и все униполярные машины предлагаемое устройство является
одноименнополюсным, работает на принципе униполярной индукции, т.е. в наведении ЭДС в намагниченном теле. В конструктивном исполнении устройства видно, что оно представлено, как два генератора, работающих на одну обмотку якоря. Обмотка якоря вместе с магнитопроводами образует тороидальную катушку с раздвоенным на две, удаленные друг от друга воздушным промежутком, половины для разделения магнитных цепей. Изобретенный генератор может быть построен, даже на уровне совершенной техники, мощностью до 100 квт. при выходном напряжении до 800 вольт, в случае изготовления магнитов из редкоземельных металлов. Расширяется область использования машины в промышленности в качестве генератора, а именно: в эдектрофицированном транспорте, в ветроустановках, для электросварки, электролиза, электроснабжения компьютерной техники, ЭВМ, зарядки аккумуляторных батарей, аварийного электроснабжения систем автоматики, освещения, автономного электроснабжения садовых участков, дач.
Известное устройство торцового двигателя (1) по авторскому свидетельству СССР №129715, 1960 г. имеет только постоянные магниты для самовозбуждения и соответственно малую мощность, обмотку якоря, выполненную по технологии печатных схем в последовательном исполнении без параллельных ветвей и ферромагнитный магнитопровод якоря не участвующий в электрической схеме обмотки якоря.
Указанные недостатки устройства аналога ограничивают область его использования в промышленности.
Лучшим вариантом аналога, избранным в качестве прототипа (2) является самовозбуждающийся бесколлекторный генератор постоянного тока по патенту №2124799, прототипом которому также служит униполярный генератор. Избранное устройство прототипа имеет только постоянные магниты для самовозбуждения, но в отличии от аналога может выдавать несколько большую мощность, не более 10 кВт. Недостатками прототипа являются: самовозбуждение генератора только на постоянных магнитах ограничивает предел выдаваемой мощности, обмотка якоря выполнена в последовательной схеме без параллельных ветвей, что исключает ее многовитковость, а цельнометаллическое ферромагнитное тело раздвоенного магнитопровода якоря служит только для создания магнитной цепи и не участвует в электрической схеме обмотки якоря.
С целью устранения указанных недостатков в устройстве прототипа содержащего для самовозбуждения только постоянные магниты, имеющего малую мощность, обмотку якоря в последовательной схеме ее исполнения без параллельных ветвей, цельнометаллический ферромагнитный раздвоенный магнитопровод якоря, служащий только для создания магнитной цепи и не участвующий в электрической схеме обмотки якоря, отличающийся тем, что для расширения функции самовозбуждения генератора и с целью повышения выдаваемой мощности. дополнительно к постоянным магнитам на подвижных торцовых магнитопроводах двусторонних индукторов установлены радиальные электромагниты и круговые электромагниты на валу генератора с соответствующей ориентировкой их полярности для создания замкнутой магнитной цепи с обеспечением их постоянной встречной одноименнополюсности в стороны аксиальных участков обмотки якоря, что обеспечивает постоянное наличие в ферромагнитных магнитопроводах якоря и индукторов остаточной магнитной индукции с расширением функции возбуждения, а генератор становится с магнитным и электромагнитным самовозбуждением, а для электроснабжения электромагнитов с отпайкой от обмотки якоря введены щеточно-контактные узлы в схему возбуждения с подвижными неразрезными контактными кольцами на валу генератора и неподвижными щетками токосъема, установленными на боковом подшипниковом щите.
Неподвижный раздвоенный кольцеобразный магнитопровод якоря, установленный между одноименнополюсными двусторонними индукторами, вместе с якорной обмоткой, уложенной в его аксиальных и коаксиальных пазах образует тороидальную катушку с двумя, разделенными друг от друга воздушным промежутком кольцевыми магнитопроводами прямоугольного сечения, выполненными в цельном исполнении с перемычкой по малому диаметру, аксиальные пазы на магнитопроводах якоря расположены радиально, а коаксиальные по малому и большому диаметрам, - параллельно оси вала генератора и выполнены в двойном исполнении, т.е. с переходом до следующего аксиального паза, магнитопровод якоря изолирован от корпуса генератора изоляционной прокладкой, а сама масса раздвоенного магнитопровода как последний, но ферромагнитный кольцеобразный, цельнометаллический виток с множеством образуемых радиальных параллельных ветвей в его теле, введен в электрическую схему обмотки якоря, которая становится многовитковой в последовательно-параллельном исполнении.
На фиг.1 представлен в продольном разрезе общий вид предлагаемого устройства униполярного многовиткового генератора постоянного тока с магнитным и электромагнитным самовозбуждением, содержащего неподвижный раздвоенный кольцеобразный магнитопровод якоря 6, который вместе с якорной обмоткой 1, уложенной в его аксиальных 14 и коаксиальных 15, 16 и 18 пазах (см. чертеж фиг.2), образует тороидальную катушку с двумя, разделенными друг от друга воздушным промежутком, кольцевыми магнитопроводами якоря 6 прямоугольного сечения, выполненными в цельном исполнении с перемычкой 7 по малому диаметру, также как и сам магнитопровод якоря, из того же ферромагнитного токопроводящего материала. Коаксиальные пазы магнитопровода якоря на внешнем большем диаметре для обеспечения намотки обмотки якоря выполнены в двойном исполнении, т.е. одни пазы - 16 расположены коаксиально оси вала генератора, а другие - 15 дополнительные, также коаксиально, но выполняются с переходом до следующего аксиального паза 14. Раздвоенный неподвижный магнитопровод якоря 6 вместе с обмоткой 1 обеспечен изоляцией от корпуса генератора изоляционной прокладкой 8, а от магнитопроводов индукторов - 12 воздушным промежутком в межполюсном пространстве. Торцовые, вращающиеся на валу генератора магнитопроводы 12 обоих индукторов вместе с радиальными одноименнополюсными постоянными магнитами 11, радиальными электромагнитами 9 и круговыми электромагнитами 10, но с другой полярностью, обращены встречно с образованием отдельной замкнутой магнитной цепи для каждого индуктора.
Цифрой 5 обозначены соединительные электрические контакты проволочной обмотки 1 якоря с ферромагнитным телом магнитопровода 6 якоря. Вал генератора 17 выполнен из ферромагнитного материала, т.к. одновременно является магнитопроводом для обеспечения пропуска магнитного потока от магнитопроводов индукторов 12 до магнитопроводов якоря 6.
Обмотка якоря 1 размещается в пространстве так, что активная ее часть 2 устанавливается аксиально, т.е. по радиусу, на чертеже фиг.1 она изображена вертикально, а неактивная, т.е. соединительная ее часть 3 и 4 устанавливается в пазах 15, 16 и 18 (см. фиг.2) коаксиально, т.е. параллельно оси вала генератора.
Цифрой 13 на фиг.1 обозначены подвижные неразрезные контактные кольца со щетками на валу генератора.
На фиг.2 представлен в условно разделенном виде раздвоенный магнитопровод якоря 6 и многовитковая последовательно-параллельная электрическая схема обмотки якоря 1, т.к. на чертеже фиг.1 ее изобразить невозможно. Последовательные коаксиальные части обмотки 3, 4 и аксиальные 2 изображены линиями, а параллельная ее часть, которой и является ферромагнитный раздвоенный магнитопровод якоря 6, изображена в виде двух условно разобщенных кольцевых магнитопроводов с пазами для размещения проводников обмотки якоря 1.
Рабочие поверхности магнитопроводов якоря 6, которые с пазами и размещенными в них проводниками 2 активной части обмотки якоря пересекаются магнитным потоком от подвижных радиальных «веерно» рассредоточенных на валу генератора постоянных магнитов и электромагнитов, каждый из которых создает свой магнитный поток. По этой причине в «теле» магнитопроводов будет возникать множество параллельных ветвей в электрической цепи обмотки якоря. На чертеже фиг.2 также указана цифрой 7 разделительная перемычка по малому диаметру раздвоенного кольцевого магнитопровода якоря, а цифрой 5 соединительные электрические контакты в обмотке якоря.
На чертеже фиг.3 изображена мнемоническая схема устройства униполярного многовиткового генератора постоянного тока с магнитным и электромагнитным самовозбуждением. Цифрами 2, 3, 4, 5 и 6 обозначена электрическая схема обмотки неподвижного раздвоенного магнитопровода якоря.
На обоих подвижных индукторах радиально устанавливаются постоянные магниты 11 и электромагниты 9, а кольцевые электромагниты 10 размещаются на валу 17 генератора. Неразрезные контактные кольца с щетками токосъема обозначены цифрой 13. Проводники обмотки якоря 2, обозначенные пунктиром, обращены в сторону другого одноименнополюсного индуктора и расположены на другой стороне раздвоенного магнитопровода якоря, что обеспечивает однонаправленность электрического тока.
При работе генератора ЭДС в активной части 2 обмотки 1 якоря будет возникать по закону электромагнитной индукции в трактовке М.Фарадея E=BLV. т.е. общеизвестно, что «Принцип действия всех вращающихся электрических машин основан на законе электромагнитной индукции E=BLV и законе электромагнитных механических сил (Закон Ампера) F=BLI.» (см. А.А.Глебович, Л.П.Шичков, «Электрические машины и основы электропривода», Москва, ВО «Агропромиздат». 1989 г. стр.4). Возникновение ЭДС в активных, радиально уложенных участках 2 обмотки 1 якоря и в теле раздвоенного магнитопровода будет обусловлено разной окружной линейной скоростью пересечения поверхностей проводников, хоть и не изменяемым магнитным потоком, но с разной скоростью, т.к. точки поверхности проводников, находящихся ближе к оси вала генератора будут пересекаться магнитным потоком с меньшей скоростью, чем в точках поверхностей этих же проводников, находящихся в удалении от оси вала генератора, тогда E=BL(V 2-V1), т.к. V2 всегда будет больше V1, то и ЭДС не будет равна нулю. Такого положения в соединительных участках проводников 4 обмотки якоря 1, уложенных коаксиально, т.е.
параллельно оси вала генератора не проявляется, т.к. они пересекаются неизменяемым магнитным потоком и при равной окружной линейной скорости во всех точках поверхности проводника, а сама поверхность этих проводников становится эквипотенциальной, т.е. поверхностью равного потенциала. U(XYZ)=Const. Вдоль любой линии на этой поверхности имеем: 
. Следовательно: E=BL(V2-V 1)=0, т.к. V2=V1 (см. Л.Р.Нейман и П.А.Калантаров, ТОЭ, ч.1, ГЭИ, Москва - Ленинград, 1959 г., стр.40 и 90).
Теперь мы видим, что возникновение ЭДС в этих соединительных участках проводников 4 якорной обмотки 1 исключено, т.к. не возникает разность потенциалов.
Совершенно другая картина обнаруживается, если мы рассмотрим положение с соединительными проводниками 3 обмотки, расположенными в коаксиальных пазах по внешнему, т.е. большему диаметру магнитопроводов якоря 6, т.к. они расположены в продольной линии магнитного потока индукторов, т.е. силовые линии проходят вдоль оси соединительных проводников и не будут пересекать их в поперечном направлении, тогда выражение
Е=ВL(V
-V1)=0, т.к. V 2=0 и V1=0.
Известно, что при движении проводника вдоль линий магнитного поля ЭДС не образуется. (см. «Электротехника», П.Г.Федосеев, Госиздат, «Искусство», Москва, 1953 г., стр.168).
Предлагаемое устройство генератора является торцовым, одноименнополюсным, т.е. униполярным и работает на принципе униполярной индукции - «Возникновение ЭДС индукции в намагниченном геле, движущимся под некоторым углом к оси намагничивания», т.е. E=BLVSin
, но в предлагаемом устройстве генератора пересечении магнитным потоком поверхности проводников обмотки якоря происходит под прямым углом, тогда Sin будет равен единице или E=BLVSin90°=BLV (см. «Электротехника», П.Г.Федосеев, Издание «Искусство», Москва, 1953 г., стр.208) (см. БЭС, Москва, Издательство «Большая Российская Энциклопедия», 1998 г., стр.1251).
Характерной особенностью нового устройства униполярного генератора постоянного тока (см. патенты №№2031517, 2044386, 2095924 и 2124799) является то, что благодаря его постоянной одноименнополюсности в процессе его работы, будет обеспечиваться постоянное наличие остаточного магнетизма во всех ферромагнитных магнитопроводах якоря и индукторов, что будет способствовать самовозбуждению, т.е. если выключить электрический ток в обмотке электромагнитов, которые имеют ферромагнитные сердечники, то их намагничивание останавливается, но сердечники не теряют полностью магнитные свойства - это явление называется остаточным магнитизмом, которое при очередном включении тока увеличивает магнитную насыщаемость, что при одноименнополюсности генератора способствует его самовозбуждению (см. «Электротехника», П.Г.Федосеев, Издание «Искусство», Москва. 1953 г., стр.162). «Магнитная индукция, сохраняющаяся в ферромагнетике после снятия поля (когда Н=0) называется остаточной магнитной индукцией» (см. «Справочник по элементарной физике», Н.И.Кошкин, М.Г.Ширкевич, Москва, «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1988 г., стр.142).
Фактически устройство генератора с самовозбуждением представлено двумя генераторами, работающими на одну обмотку якоря. Это видно по тому, что имеются два индуктора, щеточно-контактный узел со щетками токосъема и неразрезными контактными кольцами в схеме возбуждения. Выходная обмотка, т.е. обмотка якоря неподвижна. Постоянный электрический ток образуется без средств коммутации и при отсутствии скользящих контактов в обмотке якоря.
Встречное направление магнитных потоков от индукторов не имеет отрицательных последствий, т.к. магнитные цепи индукторов разделены воздушным промежутком. Кроме того, прямое противостояние в пространстве одноименных полюсов электромагнитов от обоих индукторов исключено, т.к. они располагаются со смещением их осей в пространстве друг относительно друга.
Генератор может быть изготовлен при современном уровне электромашиностроения мощностью до 100 кВт и напряжением до 800 вольт, в случае изготовления магнитов из редкоземельных металлов. Расширяется область использования машины в качестве генератора, в промышленности, а именно: в электрифицированном транспорте, электроснабжении компьютерной и электронной аппаратуры, для электросварки, электролиза, зарядки аккумуляторных батарей, производства электроэнергии в ветроустановках, и т.п. Устройство униполярного бесколлекторного торцового генератора работает следующим образом: при вращении вала генератора постоянные магниты, радиальные электромагниты и кольцевые электромагниты, запитанные отпайкой от обмотки якоря, возбуждают напряжение в обмотке якоря и с набором оборотов генератор переходит из пускового режима в рабочий режим. В качестве первичного двигателя может быть использована энергия воды, ветра, двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель.
СПИСОК
прсмотренной литературы при подготовке заявки на изобретение "Униполярный многовитковый генератор постоянного тока с магнитным и электромагнитным самовобуждением".
(Авторы Филиппов А.Н. и Ермилов Н.Г.)
1. Униполярные электрические машины с жидкометаллическим токосъемом, - Бертинов А.И., Алиевский Б.Л. Троицкий С.Р., издательство "Энергия", Москва - Ленинград, 1966 г.
2. Электрические машины - Пиотровский Л.М., Госэнергоиздат, Москва - Ленинград, 1960 г.
3. Электрические машины и основы электропривода, Москва, ВО "Агропромиздат" 1989 г., А.А.Глебович и Л.П.Шичков.
4. Теоретические основы электротехники, ч.1, ГЭИ, МОСКВА - Ленинград, 1959 г., Л.Р.Неймани, П.А.Калантаров.
5. Электротехника, П.Г.Федосеев, "Искусство", Москва, 1953 г.
6. Авторское свидетельство СССР, №129715, Торцовый двигатель постоянного тока.
7. Патенты №№2031517, 2044386, 2095924.
8. Описание заявки на изобретение "Самовозбуждающийся бесколлекторный генератор постоянного тока" по патенту №2124799.
1. Униполярный многовитковый генератор постоянного тока с магнитным и электромагнитным самовозбуждением, содержащий постоянные магниты на подвижных одноименнополюсных торцовых магнитопроводах двусторонних индукторов, неподвижный ферромагнитный раздвоенный с перемычкой по малому диаметру кольцеобразный магнитопровод якоря, установленный между подвижными одноименнополюсными торцевыми магнитопроводами двухсторонних индукторов с обмоткой якоря, уложенной в его аксиальных и коаксиальных пазах в последовательной схеме исполнения, отличающийся тем, что на подвижных одноименнополюсных торцевых магнитопроводах двухсторонних индукторов дополнительно установлены радиальные электромагниты и круговые электромагниты на валу генератора с соответствующей ориентировкой их полярности.
2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что в схему возбуждения введены щеточно-контактные узлы с подвижными неразрезными контактными кольцами на валу генератора и неподвижными щетками токосъема, установленными на боковом подшипниковом щите.
3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что неподвижный ферромагнитный раздвоенный с перемычкой по малому диаметру кольцеобразный магнитопровод якоря, установленный между подвижными одноименнополюсными торцевыми магнитопроводами двусторонних индукторов с обмоткой якоря, уложенной в его аксиальных и коаксиальных пазах, изолирован от корпуса генератора и введен в электрическую схему обмотки якоря.
poleznayamodel.ru
Изобретение относится к электротехнике, к электрическим машинам постоянного тока. Технический результат состоит в упрощении конструкции, повышении надежности, улучшении электромеханических характеристик. Многовитковый бесконтактный униполярный генератор постоянного тока содержит якорь и индуктор. Якорь выполнен неподвижным и состоит из тороидальной многовитковой обмотки с полым сердечником прямоугольного сечения, внутренняя с канавкой по периметру для бус стенка которого изготовлена из ферромагнитного материла. Две боковые стенки и незамкнутая с канавкой по периметру внешняя выполнена из немагнитных материалов. Размещенный в полости якоря индуктор выполнен подвижным и представляет собой несколько стержневых постоянных магнитов, южные полюса которых примкнуты к ферромагнитному внутреннему кольцу, а северные - к внешнему немагнитному кольцу с канавками. Стержневые постоянные магниты индуктора имеют возможность свободно двигаться на бусах внутренней и внешней стенок сердечника якоря посредством фрикционной связи внешнего кольца-обода индуктора с ведомой и ведущей шестернями редуктора, расположенного в области отверстия тела якоря, находящегося на внешней его стороне. 2 ил. 
(56) (продолжение):
8701835 A, 01.11.1988. JP 60216758 A, 30.10.1985. GB 892459 A, 28.03.1962. US 3859789 A, 14.01.1975.
Изобретение относится к области электрических машин, в частности к электрическим машинам постоянного тока.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому генератору является машина постоянного тока с тороидальной граммовской обмоткой якоря, каждый виток которого присоединен к коллекторной пластине (см. л.7, стр.295, рис.5.1).
Наличие у названной машины скользящих контактов и коллекторных пластин не только усложняет ее конструкцию, но и снижает надежность в работе, ухудшает электромеханические характеристики и ведет к удорожанию ее себестоимости исполнения, а также не позволяет расширить область ее применения.
Технический результат заявленного изобретения - улучшение электромеханических характеристик, увеличение его надежности в работе, уменьшение себестоимости его исполнения и расширение области его применения.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом генераторе постоянного тока отсутствуют скользящие щетки и коллекторные пластины. В то же время он обходится и без полупроводниковых выпрямителей и инвертора. Кроме того, предлагаемый генератор имеет преимущество и перед существующими униполярными электрическими машинами постоянного тока. Все существующие машины такого типа бывают низковольтные. Это связано с тем, что в ней на каждый виток якоря необходимо устанавливать пару скользящих контактов, что затрудняет увеличение их числа.
Предложенный многовитковый бесконтактный униполярный генератор постоянного тока, содержащий якорь и индуктор, отличается тем, что якорь выполнен неподвижным, который состоит из тороидальной обмотки с полым сердечником прямоугольного сечения, внутренняя с канавкой по периметру для бус стенка которого изготовлена из ферромагнитного материала, две боковые стенки и незамкнутая с круглой канавкой по периметру, внешняя - из немагнитных материалов, а размещенный в его полости индуктор - подвижным и представляет из себя несколько стержневых постоянных магнитов, южные полюса которых примкнуты к ферромагнитному внутреннему кольцу, а северные - к внешнему немагнитному кольцу с канавками, имеющие возможность свободно двигаться на бусах внутренней и внешней стенок сердечника якоря посредством фрикционной связи внешнего кольца (обода) индуктора с ведомой и ведущей шестернями редуктора, расположенного в области отверстия тела якоря, находящегося на внешней его стороне.
На фиг.1 и 2 показаны соответственно поперечный и продольный разрезы предложенного многовиткового бесконтактного униполярного генератора постоянного тока. На чертежах приняты следующие обозначения: 1 - внешние части витков тороидальной обмотки якоря.
2 - незамкнутая немагнитная внешняя сторона полого сердечника якорной обмотки.
3 - немагнитное внешнее кольцо индуктора (возбудителя).
4 - внешняя секция бус.
5 - стержневые постоянные магниты.
6 - внутреннее ферромагнитное кольцо индуктора.
7 - внутренняя секция бус.
8 - немагнитные боковые стенки полого сердечника якоря.
9 - внутренняя ферромагнитная стенка сердечника якоря.
10 - внутренние части обмотки якоря.
11 - ведомая шестерня фрикционного редуктора.
12 - ведущая шестерня редуктора.
Многовитковый бесконтактный униполярный генератор постоянного тока работает следующим образом. Когда ведущая шестерня 12 фрикционного индуктора начинает вращаться от стороннего двигателя со скоростью 
, то ведомая шестерня 11 начинает вращать весь индуктор через внешнее немагнитное его кольцо 3, размещено на внешней секции бус 4. Тогда силовые линии индукции, направленные от северных полюсов стержневых постоянных магнитов 5, начинают перемещаться относительно внешних частей витков тороидальной обмотки якоря 1 в одном направлении. В этом случае в частях витков, находящихся близко к северным полюсам постоянных магнитов, возникают электродвижущие силы (ЭДС) одной полярности. По мере движения (вращения) индуктора в частях витков, удаляющихся от магнитных полюсов, величина ЭДС падает от максимальной ее величины до нуля. В частях же витков, к которым приближаются северные полюса постоянных магнитов, ЭДС начинает возрастать от нуля до максимальной величины.
Поскольку все витки обмотки якоря соединены последовательно, и они постоянно пронизываются силовыми линиями магнитной индукции одной полярности и величины, то результирующая ЭДС будет все время постоянной величины и знака, и на электрических выводах генератора будет постоянное напряжение как по величине, так и по знаку, пока вращается индуктор.
Изменяя скорость вращения индуктора, можно регулировать величину выходного напряжения от нуля до максимального ее значения. Для изменения знака напряжения достаточно менять направление вращения индуктора на противоположное. При этом внутренняя ферромагнитная стенка 9 полого сердечника якоря, как магнитный экран, не допускает возникновения на внутренних частях витков обмотки якоря 10 ЭДС противоположного знака.
На внутреннем ферромагнитном кольце индуктора 6, непосредственно примыкающем к южным полюсам постоянных магнитов, замыкаются все силовые линии магнитной индукции, имеющие противоположное направление первым, и не могут пронизывать (пересекать) внутренние части витков обмотки якоря, что дополнительно позволяет избежать возникновения противоЭДС+ на внутренних частях витков обмотки якоря генератора.
Многовитковый бесконтактный униполярный генератор постоянного тока может работать и в режиме двигателя. Для этого достаточно на обмотку якоря подать постоянный ток. Тогда токи, протекающие по внешним частям витков обмотки якоря 1, начинают взаимодействовать с магнитным полем, созданным северными полюсами постоянных стержневых магнитов 5 индуктора, вследствие чего последний начинает вращаться на бусах внешней и внутренней стенок полого сердечника якоря.
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. Бут Д.А., Бесконтактные электрические машины. - М.: Высшая школа, 1990.
4. Боков В.А. Физика магнетиков. - С.П.Невский диалект, 2002.
5. Иродов И.А. Электромагнетизм. - М.: Бином, 2003.
6. Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука, 1985.
7. Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Энергоатомиздат, 1986.
Многовитковый бесконтактный униполярный генератор постоянного тока, содержащий якорь и индуктор, отличающийся тем, что якорь выполнен неподвижным и состоит из тороидальной многовитковой обмотки с полым сердечником прямоугольного сечения, внутренняя с канавкой по периметру для бус, стенка которого изготовлена из ферромагнитного материла, две боковые стенки и незамкнутая с канавкой по периметру внешняя - из немагнитных материалов, а размещенный в его полости индуктор - подвижным и представляет из себя несколько стержневых постоянных магнитов, южные полюса которых примкнуты к ферромагнитному внутреннему кольцу, а северные - к внешнему немагнитному кольцу с канавками, имеющие возможность свободно двигаться на бусах внутренней и внешней стенок сердечника якоря посредством фрикционной связи внешнего кольца (обода) индуктора с ведомой и ведущей шестернями редуктора, расположенного в области отверстия тела якоря, находящегося на внешней его стороне.
www.freepatent.ru
Использование: полезная модель относится к области электрических машин, в частности к униполярным электрическим машинам и может быть использована в качестве генератора или двигателя постоянного тока. Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение выходного напряжения униполярной машины за счет изменения конструкции магнитной системы и применения многовитковой обмотки ротора, что значительно расширяет области ее применения и повышает КПД. Сущность полезной модели: ротор цилиндрического типа представляет собой немагнитную втулку, на которой расположены в шахматном порядке П-образные пакеты, состоящие из центральных полюсов и крайних правых полюсов и крайних левых полюсов, причем в пазах центральных полюсов, находящихся по центру ротора цилиндрического типа, помещена многовитковая волновая обмотка якоря, концы которой подсоединены к медным контактным кольцам, расположенным на валу, обмотки возбуждения соединены таким образом, что магнитные потоки, создаваемые ими, направлены в одну сторону
Полезная модель относится к области электрических машин, в частности к униполярным электрическим машинам и может быть использована в качестве генератора или двигателя постоянного тока.
Известна униполярная электрическая машина, содержащая ротор, статор установленный с зазором относительно ротора, имеющий обмотку возбуждения на статоре, создающую внешний магнитный поток, воздействующий на ротор, токосъемного устройства состоящего из щеток и ротора, между которыми образуется непрерывный скользящий контакт (Униполярные машины, под ред. А.И.Бертинов, Б.Л.Алиевского, С.Р.Троицкого. М.: Энергия, 1966 г. стр.33, рис.1.15, 
).
Также известна униполярная электрическая машина, в которой для увеличения напряжения ротор разделяется на секции электроизоляционными прокладками, которые с помощью токосъемных устройств соединяются последовательно, причем величина напряжения будет пропорциональна числу секций. (Униполярные машины, под ред. А.И.Бертинов, Б.Л.Алиевского, С.Р.Троицкого. М.: Энергия, 1966 г. стр.32, рис.1.15, з).
Недостатками известных униполярных электрических машин является то, что для получения высокого напряжения требуется слишком большое число секций и щеток, что значительно усложняет конструкцию и увеличивает потери.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели, является униполярная электрическая машина Форбса (Электрические униполярные машины под ред. Л.А.Суханова, стр.17-19, рис.16), состоящая из статора с двумя обмотками возбуждения, ротора цилиндрического типа жестко связанного с валом, токосъем по окружности ротора, состоящего из контактных угольных щеток, медных колец углового сечения и торцевых стальных колец, причем угольные щетки вмонтированы в медные кольца углового сечения, расположены на статоре и соединены с обмотками возбуждения и торцевыми стальными кольцами, изолированными от статора.
Недостатком данного устройства, выбранного в качестве прототипа, также как и всех перечисленных устройств, является узкая область применения, возможность получения высокого напряжения только за счет увеличения числа контактных угольных или графитовых щеток, что снижает надежность и КПД устройства.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение выходного напряжения униполярной машины за счет изменения конструкции магнитной системы и применения многовитковой обмотки ротора, что значительно расширяет области ее применения и повышает КПД.
Технический результат достигается тем, что униполярная электрическая машина постоянного тока содержит статор с двумя кольцевыми обмотками возбуждения, расположенными в пазах статора, ротор цилиндрического типа, жестко связанный с валом, и токосъем, состоящий из графитовых щеток, медных контактных колец, согласно полезной модели, ротор цилиндрического типа представляет собой немагнитную втулку, на которой расположены в шахматном порядке П-образные пакеты, состоящие из центральных полюсов, крайних правых полюсов и крайних левых полюсов, причем в пазах центральных полюсов, находящихся по центру ротора цилиндрического типа, помещена многовитковая волновая обмотка якоря, концы которой подсоединены к медным контактным кольцам, расположенным на валу, обмотки возбуждения соединены таким образом, что магнитные потоки, создаваемые ими, направлены в одну сторону.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 показан поперечный разрезы униполярной электрической машины. На фиг.2 линейная развертка ротора цилиндрического типа и многовитковой волновой обмотки якоря.
Униполярная электрическая машина содержит статор 1 с двумя кольцевыми обмотками возбуждения 2, 3, расположенными в пазах статора 4, ротор цилиндрического типа 5, жестко связанный с валом 6, и токосъем, состоящий из графитовых щеток 7, медных контактных колец 8, отличающаяся тем, что ротор цилиндрического типа представляет собой немагнитную втулку 9, на которой расположены в шахматном порядке П-образные пакеты, состоящие из центральных полюсов 10 и крайних правых полюсов 11 и крайних левых полюсов 12, причем в пазах центральных полюсов 9, находящихся по центру ротора цилиндрического типа, помещена многовитковая волновая обмотка якоря 13, концы которой подсоединены к медным контактным кольцам 8, расположенным на валу 6, обмотки возбуждения 2 и 3 соединены таким образом, что магнитные потоки, создаваемые ими, направлены в одну сторону.
Униполярный электрический генератор работает следующим образом. Обмотки возбуждения 2, 3, питаемые постоянным током, создают магнитные потоки Ф1 и Ф2 (показано на фиг 1 пунктиром), которые замыкаются через разные полюса ротора цилиндрического типа. Магнитный поток обмотки возбуждения 3 Ф.1.. замыкается через крайние правые полюса ротора 11, центральный полюс 10 и центральную часть статора; а поток обмотки возбуждения 2 Ф2 замыкается через левые крайние полюса ротора 12, центральный полюс 10 и центральную часть статора.
При вращении ротора цилиндрического типа во всех активных частях многовитковой волновой обмотки якоря 13 наводится однонаправленная ЭДС. Величина ЭДС многовитковой волновой обмотки якоря зависит от величины магнитных потоков возбуждения Ф1 и Ф2, частоты вращения ротора цилиндрического типа и числа витков многовитковой волновой обмотки якоря, т.е. напряжение униполярной электрической машины будет значительно выше по сравнению с прототипом, где выходная обмотка представляет собой поверхность ротора, т.е. один виток.
Кроме того, повышение КПД униполярной электрической машины по сравнению с прототипом достигается за счет уменьшения трения в скользящем контакте между графитовыми щетками и медным контактным кольцам, это связано с уменьшением диаметра скользящего контакта при расположении контактных колец на валу, а не на самом роторе как в прототипе.
Униполярная электрическая машина постоянного тока, содержащая статор с двумя кольцевыми обмотками возбуждения, расположенными в пазах статора, ротор цилиндрического типа, жестко связанный с валом, и токосъем, состоящий из графитовых щеток, медных контактных колец, отличающаяся тем, что ротор цилиндрического типа представляет собой немагнитную втулку, на которой расположены в шахматном порядке П-образные пакеты, состоящие из центральных полюсов, крайних правых полюсов и крайних левых полюсов, причем в пазах центральных полюсов, находящихся по центру ротора цилиндрического типа, помещена многовитковая волновая обмотка якоря, концы которой подсоединены к медным контактным кольцам, расположенным на валу, при этом кольцевые обмотки возбуждения соединены таким образом, что магнитные потоки, создаваемые ими, направлены в одну сторону.
poleznayamodel.ru
магнитная индукция. Действие предлагаемого двигателя (генератора) основано на зависимости 
от 
. Конструкция статора двигателя представлена на фиг. 1. Статор имеет общепринятый для униполярных двигателей [1 и 2] вид. Это соленоид 2 в виде тороидальной катушки, на оси которой расположена ось двигателя 11. Внутри соленоида расположены два ферромагнитных сердечника 3. Как указано выше, принципиальная особенность конструкции статора состоит в том, что обмотка возбуждения должна создавать неоднородное магнитное поле, состоящее из секторовидных участков, где магнитная индукция 
имеет большую величину, и подобных же участков, где она в несколько раз меньше. Форма и расположение этих областей показаны на фиг.2а. Области с малым значением 
заштрихованы. Конструкция ротора приведена на фиг. 1 и 2а. Радиально расположенные проводники с током 5 соединены последовательно, так как показано на фиг. 2а. Две группы проводников, в которых ток течет в противоположных направлениях (к оси ротора или от нее), располагаются в участках с сильно отличающимися значениями индукции 
. Сила, действующая на проводники, расположенные в участках с большим 
, окажется значительно больше и возникает крутящий момент. При вращении проводники второй группы с противоположным направлением тока начнут входить в участки с большим значением 
. Чтобы вращение двигателя продолжалось, необходимо направление тока в обмотке ротора изменить на противоположное, что достигается с помощью простого коллектора 6, устройство которого показано на фиг. 2б. Коллектор состоит из двух групп пластин, расположенных по кругу и соединенных друг с другом. Каждая из групп соединена с концом обмотки 5 ротора. Число пластин коллектора невелико и равно удвоенному числу n участков с высоким значением 
. Минимальное значение n= 2. Для работы коллектора достаточно двух щеток 12 (фиг. 1). Расстояние между пластинами на 5 -10% больше поперечного размера каждой из двух токопроводящих щеток 10. Расположение участков с большим и малым значением В (фиг. 2а) можно создать несколькими путями. Самый простой вариант можно реализовать при использовании тороидальной обмотки 2 возбуждения (фиг. 1), когда для создания значительного магнитного поля применяют ферромагнитные сердечники. Конструкция таких сердечников показана на фиг.3: по окружности расположены секторовидные выступы 13, 15, 17 и 19 и впадины 14, 16, 18 и 20. Ротор 4 (фиг. 1) находится между двумя сердечниками 3, расположенными выступ к выступу. Благодаря малому зазору между выступами магнитное поле в этих областях имеет высокое значение 
. Между впадинами значение 
значительно меньше. В качестве выступов на ферромагнитных сердечниках 3 можно также использовать постоянные магниты с секторовидными полюсами. При этом отпадает необходимость в тороидальной обмотке 2 возбуждения (фиг. 1). Вместо постоянных магнитов можно использовать также секторовидные соленоиды. Как видно из фиг. 2, при одновременном изменении направления тока в обмотке возбуждения (т.е. изменения направления магнитного поля на противоположное) и в роторе двигателя направление крутящего момента не изменится. Поэтому принципиально, предлагаемый двигатель может работать и на переменном токе. Если рабочее напряжение традиционного униполярного двигателя [1] Vo, то при той же скорости вращения и индукции магнитного поля напряжение будет V VonN, (2) где n число областей с высоким значением 
, т.е. число участков с токами одного направления, N число проводников в одном таком участке. Число проводников в обмотке ротора (фиг. 2а) является минимально необходимым для работы двигателя элементарная обмотка. Это число может быть увеличено во много раз путем многократной укладки элементарных обмоток и их последовательного соединения. В частности, это можно осуществить путем последовательного соединения секторовидных катушек. При этом величина N окажется очень значительной. Так как N может быть значительным, рабочие напряжения двигателя (генератора) будут большими и, в частности, более высокими, чем в двигателе-прототипе [2] В результате удельная мощность двигателя существенно повысится. При вращении ротора внешним двигателем предлагаемое устройство, как и другие двигатели постоянного тока, будет работать как генератор постоянного тока. Для повышения мощности несколько описанных двигателей можно соединить общим валом с таким расчетом, чтобы переключения на коллекторах двигателей происходили в разные моменты времени, что обеспечит более равномерное вращение. Предлагаемый двигатель имеет два основных преимущества по сравнению с ранее известными двигателями постоянного тока. По сравнению со всеми ранее известными униполярными двигателями [1 и 2] предлагаемый двигатель может работать при значительно более высоких напряжениях, и при этом двигатель будет иметь больший коэффициент полезного действия вследствие меньших потерь мощности на щетках, вследствие их меньшего количества. Двиатель будет иметь также очень широкий диапазон скоростей вращения. Изменение скорости вращения осуществляется так же, как в традиционных двигателях постоянного тока, а именно изменением величины 
в области с сильным магнитным полем посредством вариации тока в обмотке 2 возбуждения (фиг. 1). За счет большого значения N двигатель может быть низкооборотным, что дает возможность использовать двигатель без механического редуктора. По сравнению с ранее известными коллекторными двигателями постоянного тока большим достоинством предлагаемого двигателя является простота обмоток возбуждения и ротора. Обмотка возбуждения состоит всего из одной тороидальной катушки. Обмотка ротора может состоять из 4 8 одинаковых секторовидных катушек. Проволока на эти катушки может наматываться на очень простых устройствах (например, на токарном станке), поэтому изготовление наиболее трудоемкой части двигателя постоянного тока ( обмотки, которую часто делают вручную) значительно упрощается. Очень важным дополнительным достоинством предлагаемого двигателя является очень простая конструкция коллектора. Предлагаемый двигатель большой мощности может быть использован для привода на электрическом транспорте (трамваях, троллейбусах, электровозах, электромобилях, дизель-электроходах). Двигатель может быть применен для привода разнообразных маломощных устройств: магнитофонов, холодильников, стиральных машин и т. п. Экономический эффект от использования предлагаемого двигателя будет значительным, но количественного его в настоящее время оценить трудно. www.freepatent.ru
Изобретение относится к электротехнике, к электрическим машинам постоянного тока. Технический результат состоит в упрощении конструкции, повышении надежности, улучшении электромеханических характеристик. Многовитковый бесконтактный униполярный генератор постоянного тока содержит якорь и индуктор. Якорь выполнен неподвижным и состоит из тороидальной многовитковой обмотки с полым сердечником прямоугольного сечения, внутренняя с канавкой по периметру для бус стенка которого изготовлена из ферромагнитного материла. Две боковые стенки и незамкнутая с канавкой по периметру внешняя выполнена из немагнитных материалов. Размещенный в полости якоря индуктор выполнен подвижным и представляет собой несколько стержневых постоянных магнитов, южные полюса которых примкнуты к ферромагнитному внутреннему кольцу, а северные - к внешнему немагнитному кольцу с канавками. Стержневые постоянные магниты индуктора имеют возможность свободно двигаться на бусах внутренней и внешней стенок сердечника якоря посредством фрикционной связи внешнего кольца-обода индуктора с ведомой и ведущей шестернями редуктора, расположенного в области отверстия тела якоря, находящегося на внешней его стороне. 2 ил.
Изобретение относится к области электрических машин, в частности к электрическим машинам постоянного тока.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому генератору является машина постоянного тока с тороидальной граммовской обмоткой якоря, каждый виток которого присоединен к коллекторной пластине (см. л.7, стр.295, рис.5.1).
Наличие у названной машины скользящих контактов и коллекторных пластин не только усложняет ее конструкцию, но и снижает надежность в работе, ухудшает электромеханические характеристики и ведет к удорожанию ее себестоимости исполнения, а также не позволяет расширить область ее применения.
Технический результат заявленного изобретения - улучшение электромеханических характеристик, увеличение его надежности в работе, уменьшение себестоимости его исполнения и расширение области его применения.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом генераторе постоянного тока отсутствуют скользящие щетки и коллекторные пластины. В то же время он обходится и без полупроводниковых выпрямителей и инвертора. Кроме того, предлагаемый генератор имеет преимущество и перед существующими униполярными электрическими машинами постоянного тока. Все существующие машины такого типа бывают низковольтные. Это связано с тем, что в ней на каждый виток якоря необходимо устанавливать пару скользящих контактов, что затрудняет увеличение их числа.
Предложенный многовитковый бесконтактный униполярный генератор постоянного тока, содержащий якорь и индуктор, отличается тем, что якорь выполнен неподвижным, который состоит из тороидальной обмотки с полым сердечником прямоугольного сечения, внутренняя с канавкой по периметру для бус стенка которого изготовлена из ферромагнитного материала, две боковые стенки и незамкнутая с круглой канавкой по периметру, внешняя - из немагнитных материалов, а размещенный в его полости индуктор - подвижным и представляет из себя несколько стержневых постоянных магнитов, южные полюса которых примкнуты к ферромагнитному внутреннему кольцу, а северные - к внешнему немагнитному кольцу с канавками, имеющие возможность свободно двигаться на бусах внутренней и внешней стенок сердечника якоря посредством фрикционной связи внешнего кольца (обода) индуктора с ведомой и ведущей шестернями редуктора, расположенного в области отверстия тела якоря, находящегося на внешней его стороне.
На фиг.1 и 2 показаны соответственно поперечный и продольный разрезы предложенного многовиткового бесконтактного униполярного генератора постоянного тока. На чертежах приняты следующие обозначения: 1 - внешние части витков тороидальной обмотки якоря.
2 - незамкнутая немагнитная внешняя сторона полого сердечника якорной обмотки.
3 - немагнитное внешнее кольцо индуктора (возбудителя).
4 - внешняя секция бус.
5 - стержневые постоянные магниты.
6 - внутреннее ферромагнитное кольцо индуктора.
7 - внутренняя секция бус.
8 - немагнитные боковые стенки полого сердечника якоря.
9 - внутренняя ферромагнитная стенка сердечника якоря.
10 - внутренние части обмотки якоря.
11 - ведомая шестерня фрикционного редуктора.
12 - ведущая шестерня редуктора.
Многовитковый бесконтактный униполярный генератор постоянного тока работает следующим образом. Когда ведущая шестерня 12 фрикционного индуктора начинает вращаться от стороннего двигателя со скоростью ω, то ведомая шестерня 11 начинает вращать весь индуктор через внешнее немагнитное его кольцо 3, размещено на внешней секции бус 4. Тогда силовые линии индукции, направленные от северных полюсов стержневых постоянных магнитов 5, начинают перемещаться относительно внешних частей витков тороидальной обмотки якоря 1 в одном направлении. В этом случае в частях витков, находящихся близко к северным полюсам постоянных магнитов, возникают электродвижущие силы (ЭДС) одной полярности. По мере движения (вращения) индуктора в частях витков, удаляющихся от магнитных полюсов, величина ЭДС падает от максимальной ее величины до нуля. В частях же витков, к которым приближаются северные полюса постоянных магнитов, ЭДС начинает возрастать от нуля до максимальной величины.
Поскольку все витки обмотки якоря соединены последовательно, и они постоянно пронизываются силовыми линиями магнитной индукции одной полярности и величины, то результирующая ЭДС будет все время постоянной величины и знака, и на электрических выводах генератора будет постоянное напряжение как по величине, так и по знаку, пока вращается индуктор.
Изменяя скорость вращения индуктора, можно регулировать величину выходного напряжения от нуля до максимального ее значения. Для изменения знака напряжения достаточно менять направление вращения индуктора на противоположное. При этом внутренняя ферромагнитная стенка 9 полого сердечника якоря, как магнитный экран, не допускает возникновения на внутренних частях витков обмотки якоря 10 ЭДС противоположного знака.
На внутреннем ферромагнитном кольце индуктора 6, непосредственно примыкающем к южным полюсам постоянных магнитов, замыкаются все силовые линии магнитной индукции, имеющие противоположное направление первым, и не могут пронизывать (пересекать) внутренние части витков обмотки якоря, что дополнительно позволяет избежать возникновения противоЭДС+ на внутренних частях витков обмотки якоря генератора.
Многовитковый бесконтактный униполярный генератор постоянного тока может работать и в режиме двигателя. Для этого достаточно на обмотку якоря подать постоянный ток. Тогда токи, протекающие по внешним частям витков обмотки якоря 1, начинают взаимодействовать с магнитным полем, созданным северными полюсами постоянных стержневых магнитов 5 индуктора, вследствие чего последний начинает вращаться на бусах внешней и внутренней стенок полого сердечника якоря.
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. Бут Д.А., Бесконтактные электрические машины. - М.: Высшая школа, 1990.
4. Боков В.А. Физика магнетиков. - С.П.Невский диалект, 2002.
5. Иродов И.А. Электромагнетизм. - М.: Бином, 2003.
6. Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука, 1985.
7. Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Энергоатомиздат, 1986.
Многовитковый бесконтактный униполярный генератор постоянного тока, содержащий якорь и индуктор, отличающийся тем, что якорь выполнен неподвижным и состоит из тороидальной многовитковой обмотки с полым сердечником прямоугольного сечения, внутренняя с канавкой по периметру для бус, стенка которого изготовлена из ферромагнитного материла, две боковые стенки и незамкнутая с канавкой по периметру внешняя - из немагнитных материалов, а размещенный в его полости индуктор - подвижным и представляет из себя несколько стержневых постоянных магнитов, южные полюса которых примкнуты к ферромагнитному внутреннему кольцу, а северные - к внешнему немагнитному кольцу с канавками, имеющие возможность свободно двигаться на бусах внутренней и внешней стенок сердечника якоря посредством фрикционной связи внешнего кольца (обода) индуктора с ведомой и ведущей шестернями редуктора, расположенного в области отверстия тела якоря, находящегося на внешней его стороне.
bankpatentov.ru
