Уніполярна електрична машина харченка

1 Уніполярна електрична машина, яка містить статор, індуктор, кільцевий по формі постійний магніт збудження, ротор з валом, якір з обмоткою, магнітопровідне осердя, яка відрізняється тим, що магнітопровідне осердя якоря виконане у вигляді суцільного кругового кільця або зібране з окремих кільцевих сегментів, причому якір розташований коаксіально статору, а статор і осердя якоря нерухомо з'єднані не менш ніж двома радіальними містками, які рівномірно розташовані на ЗОВНІШНІЙ поверхні осердя, яке розташоване з по вітряною щілиною між двома кільцевими постійними магнітами збудження індуктора, обмотка якоря розташована або навколо осердя, або на його ЗОВНІШНІЙ поверхні, або частково в пазах, або повністю в пазах, індуктор зі своїми полюсами збудження розташований на валу і нерухомо на ньому закріплений 2 Уніполярна електрична машина за п 1, яка відрізняється тим, що як джерело магнітного поля збудження в ній застосована електромагнітна обмотка збудження 3 Уніполярна електрична машина за п 1 або 2, яка відрізняється тим, що вона споряджена принаймні одним додатковим якорем 4 Уніполярна електрична машина за п 1, яка відрізняєься тим, що магніти збудження індуктора у поперечному перерізі мають, наприклад, L-подібну форму Винахід відноситься до електротехніки та до теорії електричних машин і може бути використаний в електромашинобудуванні для виготовлення безконтактних уніполярних електричних машин постійного струму в якості генератора або двигуна Відома уніполярна електрична машина, яка містить в собі ЗОВНІШНІЙ магнітопровід статора і осердя якоря з обмоткою, а також магнітопровід ротора з обмоткою збудження у вигляді циліндричного вала, встановленого у внутрішньому просторі машини коаксільно статору ЗОВНІШНІЙ магнітопровід статора виконано у формі циліндричної склянки з пустотою між двома циліндричними стінками, які розташовані на деякій віддалі одна від другої Осердя якоря має теж форму циліндричної склянки з отворами, для пропускання неактивних сторін витків якірної обмотки, які розташовані по колу біля дна склянки Багатовиткова тороїдальна обмотка якоря нанесена на осердя якоря так, що одна сторона кожного її витка розташована в отворі осердя якоря, а три других сторони витка ВІДПОВІДНО обхвачують стінку склянки осердя якоря Осердя якоря і ЗОВНІШНІЙ магнітопровід якоря встановлені коаксільно один в другий так, що утворюють внутрішній простір машини, причому циліндрична частина якоря з обмоткою розташовані у внутрішньому просторі між двома стінками зовнішнього магнітопровода статора (патент України №13809, 6Н02К31/00, 1999 рік) Недоліки цієї машини полягають в тому, що магнітопроводи статора і якоря мають складну геометричну і конструктивну форму, що ускладнює процес їх виготовлення, складний і нетехнолопчний також процесе намотки якірної обмотки через вузькі отвори в стінках магнітопровода якоря, що не дозволяє автоматизувати процес намотки обмотки з допомогою відомих технологічних процесів, і як наслідок цього - невисока надійність виготовленого якоря в цілому Відома також уніполярна електрична машина, яка містить якір з обмоткою і гладенький ротор у вигляді двох порожнистих циліндрів, між якими розташоване джерело повздовжнього постійного магнітного поля збудження, закріплених нерухомо на загальному валу і встановлених в немагнітних, підшипникових щитах Нерухомий якір, закріплений в немагнітній станині статора і виконаний у вигляді порожнистого циліндра із магнітом'якої 00 ю ю о> ю 59558 сталі, з отворами по колу в його середній частині, має спіральну обмотку з парними перехрещеними витками, які проходять через зазначені отвори, укладеними на внутрішню і зовнішню поверхню якоря (патент Роси №2168835, 7Н02К23/28, 23/00, 57/00, 2001 рік) Основні недоліки цієї машини наступні наявність немагнітної станини статора, магнітопровід якоря має складну конструктивну форму для намотки якірної обмотки, нетехнолопчний сам процес намотки якірної обмотки, неефективне використання активних матеріалів обмотки (в першу чергу МІДІ) через те, що більша частина довжини кожного витка не приймає участі в індуковані електрорушійної сили ( Е Р С ) , і крім того, витки якірної обмотки лежать і на ЗОВНІШНІЙ поверхні якоря і цим конструктивним рішенням ускладнюється експлуатація машини Прототипом винаходу є уніполярна електрична машина з концентричним магнітним полем, яка містить статор, два магніти збудження, які розташовані коаксільно статору і нерухомо на ньому закріплені, ротор з ведучим валом, осердя якоря з обмоткою, причому магніти ідентичні і кожен має форму кільця П-образного перерізу з паралельними сторонами перерізу, направленими аксіальне і які одноразово є полюсами магнітів, осердя якоря зібране із кільцевих сегментів так, що утворює два зв'язаних між собою радіальними містками концентричних кільця з діаметрами, які відповідають діаметрам полюсів магнітів, а провідники якоря утворюють багатовиткову обмотку у вигляді двох концентричних тородмв Обмотка якоря приєднана до зовнішньої електричної мережі через струмоВИВІДНІ кільця і щітки (патент Великобританії №2229866А, кл 6Н02К31/00, 1990 рік) Вадами прототипу є те, що осердя рухомого якоря має складну конструктивну форму у вигляді двох кілець різного діаметру, якірна обмотка розташована одночасно на двох концентричних кільцях, якірна обмотка рухома, струмовивідні два кільця і щітки ускладнюють конструкцію машини, збільшують її габарити, вагу і одночасно зменшують її надійність В основу винаходу поставлена задача спростити загальну конструкцію уніполярної електричної машини і технологію и виготовлення, а також підвищити и надійність шляхом взаємодії кожного витка нерухомої якірної обмотки тільки з полюсами однієї магнітної полярності Характер удосконалення полягає в неперервній взаємодії активних сторін кожного витка багатовиткової якірної обмотки тільки з полюсами однієї магнітної полярності рухомих індукторів та в одночасному використані для індукування електрорушійної сили конструктивних елементів машини, а саме станини статора та радіальних МІСТОЧКІВ в якості активних частин для проходження магнітного потоку збудження Технічним результатом винаходу є - спрощення конструкції машини, - спрощення технології и виготовлення, - зниження габарита і ваги, - зниження вартості машини, - можливість отримати з допомогою машини як високої напруги, так і значних по величині струмів без наявності вузла ковзаю чого струмовивода Дякуючи цьому технічному результату досягнута повна безконтактність уніполярної машини при використанні для її збудження постійних магнітів або других відомих способів, машину можна виготовляти на будь яку по величині напругу, струм і потужність, якірну обмотку можна виготовляти із кількох однакових частин на шаблонах і цим значно спрощується технологія її виготовлення, відпала необхідність мати для якірної обмотки вузол ковзаючого струмовивода і це дозволяє значно зменшити габарити і вагу машини, а також одночасно підвищити її надійність Поставлена задача вирішується тим, що уніполярна електрична машина, яка містить статор, коаксільно статору ротор, коаксільно статору нерухомий індуктор, рухомий якір на валу, який являє собою коаксіальне статору магнітопровідне осердя у вигляді двох концентричних кілець, на яких розташована тороїдальна багатовиткова обмотка, а також вузол ковзаючого струмовиводу на валу, згідно винаходу, містить статор, коаксільно статору нерухоме осердя якоря з повітряною щілиною між ними і два дискових індуктора на валу, конструктивна частина індукторів може бути виконана із немагнітопровідного матеріалу, осердя якоря має форму суцільного кругового кільця або зібране із окремих кільцевих сегментів, станина статора і осердя якоря конструктивно і магнітнопровідно з'єднані між собою нерухомо по крайній мірі двома або більше радіальними магнітопровідними містками, частини багато витко во і обмотки якоря розташовані на осередді якоря між радіальними містками і з'єднані між собою в одну обмотку електричне послідовно, або паралельно, або послідовно-паралельно, осердя якоря розташоване між двома рухомими індукторами, причому магніти збудження ідентичні і кожний окремо має, наприклад, L-подібну форму або іншу, магніти полюсами однієї полярності направлені зустрічне аксіальне до витків якірної обмотки, а полюсами протилежної полярності направлені радіальне до внутрішньої циліндричної поверхні статора, станина статора виконана із магнітопровід ного матеріалу і слугує для проходження магнітного потоку збудження Тороїдальна обмотка якоря може бути виконана із багатьох паралельно розташованих провідників, з'єднаних між собою послідовно, або послідовно-паралельно, або паралельно В першому і другому випадку машина, наприклад, в генераторному режимі забезпечує значні величини напруги і струму, подібно звичайній колекторній машині, а в третьому випадку - значні величини струму при невеликій ВИХІДНІЙ напрузі, подібно уніполярній машині Якірна обмотка може бути укладена прямо на поверхню осердя якоря або в його пази Уніполярний характер взаємодії між витками нерухомої якірної обмотки та полюсами збудження індукторів в запропонованій машині полягає в тому, що за один повний оберт ротора, кожний виток обмотки взаємодіє тільки з полюсами однієї магнітної полярності Внаслідок цього в кожному витку якірної обмотки індукується обертова електрорушійна сила ( Е Р С ) однойменної полярності Такий ефект виникає і через те, що запропонована ма 59558 шина має деякі загальні з прототипом ознаки (наприклад, багатовиткову обмотку якоря), а також і по тій причині, що вона має крім того і свої суттєві розпізнавальні ознаки від прототипу Таким чином, ІСТОТНІ розпізнавальні ознаки запропонованої машини від прототипу полягають в тому, що для проходження магнітного потоку збудження використана станина статора, яка є крім того основним конструктивним елементом машини і одночасно забезпечує їй необхідну МІЦНІСТЬ та просторову форму, якір має тільки одне осердя у вигляді кругового кільця, кожний виток багатовиткової якірної обмотки постійно взаємодіє тільки з полюсами однієї магнітної полярності, якір з обмоткою виконані нерухомими і внаслідок цього відпала необхідність у вузлі ковзаючого струмовивода через який у прототипі передавалась вся 100% потужність машини Позитивний ефект в запропонованій машині полягає в тому, що винаходом створена можливість виготовляти надійні уніполярні машини з нерухомою багатовитковою якірною обмоткою, без наявності на її виводах вузла ковзаючого струмовивода, на будь-яку потужність, на вихідну напругу в 6, 10, 16кВ та більше, на великий струм та низьку напругу, на більшу частоту обертання і при цьому з меншими габаритами, вагою та вартістю Таким чином установлено, що запропонована машина володіє новизною і забезпечує отримання позитивного ефекту при одночасному використанні в ній всіх істотних розпізнавальних ознак На фіг 1 і фіг 2 показані ВІДПОВІДНО ПОВЗДОВЖ НІЙ І поперечний переріз запропонованої машини у виконанні з нерухомим якорем і рухомими індукторами Основними частинами запропонованого пристрою є статор з нерухомим якорем і ротор у вигляді двох рухомих дискових індукторів Уніполярна машина включає в себе станину статора 1 з якорем 2 та обмоткою 3, магнітопровідні радіальні містки 4 та L-образні по формі магніти збудження 5, двох рухомих індукторів 6, які закріплені нерухомо на валу 7 Нерухоме осердя якоря 2, яке виконане у вигляді суцільного кругового кільця або зібране із окремих кільцевих сегментів, розташоване з повітряною щілиною коаксільно статору 1 і які з'єднані між собою нерухомо за допомогою радіальних МІСТКІВ 4 Магніти збудження 5, які мають L-подібну форму, розташовані на конструктивних елементах двох рухомих індукторів 6, які нерухомо з'єднані з валом 7, який встановлений в ПІДШИПНИКОВІ щити машини і які на фіг 1 і фіг 2 не показані Осердя якоря 2 розташоване між двома індукторами 6 Магніти збудження 5, своїми однойменними полюсами, направлені зустрічне аксіальне до витків якірної обмотки 3, а полюси протилежної полярності направлені радіальне до внутрішньої циліндричної поверхні статора 1, причому станина статора 1 виконана із магнітопровідного матеріалу і слугує для проходження магнітного потоку збудження Якірна обмотка 3 може бути розташована прямо на поверхні осердя якоря 2 або в його пазах Джерелом постійного магнітного поля збудження можуть бути ПОСТІЙНІ магніти, або ВІДОМІ пристрої, або електромагнітна обмотка збудження В першому і другому випадку машина буде безконтактною В третьому випадку на валу встановлюють ізольовані контактні кільця для підведення напруги збудження Принцип дії машини базується на законі електромагнітної індукції і це явно видно із фіг 1 Розглянемо дію машини в режимі генератора Магнітний потік збудження полюсів 5, який створений постійними магнітами або обмоткою збудження, проходить через осердя якоря 2 і одночасно взаємодіє з витками якірної обмотки 3, магнітопровідні радіальні місточки 4, по станині статора 1 і замикається на протилежних по полярності магнітах збудження 5 і при цьому ДВІЧІ перетинає на своєму шляху повітряні щілини машини Шлях магнітного потоку збудження по активним частинам машини на фіг 1 показаний стрілками При обертанні ротора магнітний потік двох індукторів 6 перетинає одноразово дві активні сторони кожного витка багатовиткової якірної обмотки 3 і одночасно індукує в них дві одинакові по величині Е Р С , які між собою додаються ew=ei+e2=2e, (1) де e w - сумарна Е Р С одного витка, Єї - Е Р С однієї сторони витка, Є2 - Е Р С другої сторони витка При послідовному з'єднані між собою всіх витків якірної обмотки результуюча Е Р С генератора Е буде дорівнювати Е = Wxew, (2) де W - число витків обмотки, e w - Е Р С одного витка Е Р С , індукована в кожному витку нерухомої обмотки якоря, незмінна по знаку 3 другої сторони, наявність ізольованих витків обмотки, розташованих на осередді якоря між радіальними містками, дозволяє Е Р С витків додавати одна до другої любим способом, отримуючи при цьому любі необхідні номінальні значення напруги і струмів в межах розрахункової номінальної потужності машини Слідує ВІДМІТИТИ, що при любому способі з'єднання між собою витків якірної обмотки в запропонованій машині принципово відсутні урівнюючі струми, притаманні обмоткам звичайних колекторних машин постійного струму і ВІДПОВІДНО відпадає необхідність в цих урівнюючих з'єднаннях Можливість отримання як значної по величині напруги, так і значних струмів в запропонованій машині досягається тим, що обмотка якоря може бути виконана із багатовиткових секцій, з'єднаних між собою послідовно, або послідовнопаралельно, або паралельно Спрощення конструкції досягається тим, що якір запропонованої машини виконаний нерухомим у вигляді одного кругового кільця Спрощення конструкції, зменшення габарита і ваги досягається тим, що в запропонованій машині в якості активних частин одночасно використовуються і конструктивні частини машини, а саме станина статора і радіальні місточки Спрощення конструкції, зменшення габариту, ваги, вартості, а також підвищення надійності досягається тим, що в запропонованій машині якірна обмотка виконана нерухомо і внаслідок чого від пала необхідність у вузлі ковзаючого струмовивода, через який в прототипі проходила вся 100% потужність машини Спрощення технології виготовлення запропонованої машини досягається тим, що вона не потребує використання шихтованого магнітопровода, можуть бути використані стандартні конструкції корпусів серійних електричних машин постійного струму Зменшення вартості запропонованої машини досягається тим, що спрощується технологія її виготовлення і зменшується матеріалоємність Таким чином, запропонована машина, яка є Комп'ютерна верстка Л Ціхановська 59558 8 дуже простою по конструкції і, надійною, об'єднує в собі одночасно переваги звичайних колекторних машин постійного струму і уніполярних машин, а в одному із варіантів конструкції є безконтактною Використання запропонованої машини в якості генератора дає можливість отримати просте, легке, надійне і довговічне джерело постійного струму Використання її в електроприводах дозволяє замінити габаритну, високовартістну колекторну машину на простий, надійний і легко підкоряющийся регулюванню частоти обертання електродвигун Підписано до друку 06 10 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна