Безконтактна уніполярна машина та електромеханічний каскад машин

Реферат: Безконтактна уніполярна машина належить до галузі електричних машин, зокрема до уніполярних машин і може знайти застосування в електроенергетичній галузі, машинобудуванні, електромобілебудуванні, металургії, хімічній та інших галузях, виробничі процеси яких вимагають використання великих значень постійного струму. Безконтактна уніполярна машина містить у своєму складі подвійний якір і ротор, розділені повітряними проміжками, якір складається з двох електропровідних кілець і є нерухомий, а ротор, посаджений на обертовий вал, складається з двох порожнистих циліндричних постійних магнітів із оберненими до якоря парами полюсів протилежної полярності, розділеними по поперечній осі симетрії немагнітним кільцем, між циліндрами ротора з двох сторін від розділювального кільця встановлено нерухомі електропровідні кільця якоря. Електромеханічний каскад таких машин, з'єднаних механічно валами і електрично шляхом узгодженого за напрямками е.р.с. послівного сполучення їх кіл якорів дає змогу суттєво підвищувати вихідну напругу. Запропонована конструкція безконтактної уніполярної машини є потужнішою та такою, що можливо використати, зокрема в умовах роботи у вибухонебезпечних середовищах. UA 110636 C2 (12) UA 110636 C2 UA 110636 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі електричних машин, зокрема до уніполярних машин (УМ). Винахід може знайти застосування в електроенергетичній галузі, машинобудуванні, електромобілебудуванні, металургії, хімічній та інших галузях. Найбільше близьким аналогом запропонованої машини є безконтактна уніполярна машина (Заявка на винахід № а201310347 UA, дата публікації: 22.08.2013), що містить у своєму складі подвійний якір і ротор, розділені повітряними проміжками, яка відрізняється тим, що якір складається з двох електропровідних циліндрів і є нерухомий, а ротор, посаджений на обертовий вал, має форму тора з круговим перерізом, паралельним осі обертання, який ділить його на дві частини, в обох частинах або в одній з них розміщена обмотка збудження, з'єднана через ковзаючі щіткові контакти з джерелом постійного струму, між обома частинами ротора встановлено циліндри нерухомого якоря. Основним недоліком УМ є низька напруга якоря (до 50 В) при значних струмах (до 250-300 кА). На основі закону електромагнітної індукції ЕРС якоря визначається виразом E=Blv, де В магнітна індукція полюсів ротора, l - довжина циліндрів якоря, v - швидкість обертання ротора. При B=const (постійні магніти) і v=const (номінальний режим роботи) ЕРС якоря пропорційна довжині його циліндра, тобто Е=1. Звідси перший технічний результат (ТР) полягає у можливості підвищення напруги УМ шляхом збільшення довжини циліндрів без зміни товщини їх стінок, що призвело б до збільшення повітряного проміжку і погіршення електромеханічних характеристик машини, та послідовним узгодженим за напрямками ЕРС з'єднанням електричних кіл якорів. Потужність УМ визначається добутком напруги якоря на його струм P=UI, тому виготовлення більш потужних машин можна здійснити збільшенням U або І. Зростання струму пов'язано з необхідністю росту густини струму, а значить і поперечного перерізу стінок циліндрів, що знову ж таки призведе до збільшення повітряного проміжку. Тому другий ТР полягає в можливості збільшення потужності УМ зміною довжини циліндрів якоря без зміни товщини їх стінок і струму якоря, тобто збільшенням напруги. Для підвищення напруги на вихідних клемах якоря можна об'єднати ряд машин однакової або різної потужності в електромеханічний каскад, з'єднавши їх механічно валами і електрично узгодженим послідовним з'єднанням кіл якорів. Ця ознака складає третій ТР запропонованої машини. Магнітне поле УМ утворюється порожнистими циліндричними постійними магнітами або стрижневими магнітами. Внаслідок відсутності ізольованої обмотки збудження і щіткового ковзаючого контакту живлення обмотки, а також суттєвого збільшення номінальної напруги отримано четвертий ТР - розширення області використання машини в умовах роботи у вибухонебезпечних середовищах, космічних дослідженнях і ін. Наведена вище сукупність суттєвих ознак і способів є новою і являє собою суттєві відмінності, які відповідають такому критерію, як новизна. Нові суттєві ознаки і способи невідомі у патентній та технічній літературі. Суть винаходу та принцип дії пояснюється кресленнями. На Фіг. 1 і 2 показано, відповідно, повздовжній розріз та вид збоку запропонованої безконтактної уніполярної машини, на Фіг. 3 зображена схема електромеханічного каскаду двох таких машин, Фіг.4 зображує УМ із зовнішнім колом. На них прийнято наступні позначення: 1 - зовнішній циліндр ротора; 2 - внутрішній циліндр ротора; 3 - електропровідні циліндри якоря; 4 - немагнітне кільце, що розділяє циліндри; 5 - вал; 6 - сполучна муфта; 7 - зовнішнє коло якоря; 8 - зовнішній контакт циліндра і зовнішнього кола; 9 - внутрішній контакт циліндра і зовнішнього кола; 10 - кріплення електропровідного циліндра; 11 - підшипниковий щит; 12 - навантаження. Безконтактна уніполярна машина містить у своєму складі подвійний якір (3) і ротор (1,2), розділені повітряними проміжками. Ротор, посаджений на обертовий вал (5), складається з двох жорстко закріплених зовнішнього (1) та внутрішнього (2) циліндрів, розділених по поперечній осі симетрії немагнітним кільцем (4) для створення повітряного проміжку. Циліндри (1, 2) виготовлені або порожнистими постійними магнітами з оберненими до якоря парами полюсів протилежної полярності, або з немагнітного матеріалу з встановленою на їх поверхнях у зоні повітряного проміжку парною кількістю постійних стрижневих магнітів протилежної полярності. 1 UA 110636 C2 5 10 15 20 25 30 35 Нерухомо закріплений якір складається з двох електропровідних циліндрів (3), розміщених у повітряному проміжку з двох сторін немагнітного кільця (4), до зовнішніх і внутрішніх торців циліндрів якоря під’єднані електричні виводи (8, 9) для підключення зовнішнього кола. Електромеханічний каскад уніполярних машин складається зі з'єднаних уніполярних машин механічно валами і електрично шляхом узгодженого за напрямками е.р.с. послідовного сполучення їх кіл якорів. Запропонована УМ автономно або каскадом може працювати у режимах генератора і двигуна. Так як магнітне поле Ф ротора 1, 2 у цій машині є завжди (його утворюють постійні магніти), то для роботи в генераторному режимі (Фіг. 4) необхідно до вала 5 прикласти обертовий момент. При обертанні ротора за годинниковою стрілкою з кутовою швидкістю со в нерухомих електропровідних циліндрах 3, що знаходяться в обертовому магнітному полі, утвореному постійними магнітами 1,2, відповідно до явища електромагнітної індукції, наводяться е.р.с. Е, напрямки яких визначаються правилом правої руки. Е.р.с. обох циліндрів автономно працюючого генератора або парної суми циліндрів у випадку електромеханічного каскаду сумуються на електричних виводах, утворюючи результуючу постійну напругу =U. Якщо до виводів а, b і а'b' під'єднати деяке навантаження 12, то по двох електропровідних циліндрах 3 автономно працюючого генератора або по парній кількості циліндрів каскаду від клеми з полярністю "плюс" до клеми з полярністю "мінус" потече постійний електричний струм І. У режимі двигуна запропонована УМ автономно або каскад цих машин працює наступним чином (Фіг. 4). На електричні виводи а, b і а'b' УМ або каскаду машин подається постійна напруга =U, під дією якої в колі якоря або послідовно з'єднаних якорів потече електричний струм І від додатної клеми джерела напруги через електропровідні циліндри 3 або через парну суму таких циліндрів каскаду до від'ємної клеми. Внаслідок взаємодії струму якоря І (або якорів) з магнітним полем ротора Ф у відповідності з правилом лівої руки виникає обертальний момент, який діє на ротор 1, 2 (або ротори) і приводить його або їх для каскаду в обертання з кутовою швидкістю . Джерела інформації: 1. Бертинов А.И. и др. Униполярные электрические машины с жидкометаллическими токосъемами. -М.Л.: Энергия, 1966. 2. Д.А. Бут. Бесконтактные электрические машины. -М.: ВШ - 1990. 3. Специальные электрические машины. Под ред. Б.Л. Алиевского. -М.: Энергоатомиздат, том. 2, 1993. 4. Калашников С.Г. Электричество. -М.: Наука. 1985. 5. Электричество и магнетизм. Э. Парселл. Гл. ред. физ.-мат. литературы. -М.: Наука. 1971. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 1. Безконтактна уніполярна машина містить у своєму складі подвійний якір і ротор, розділені повітряними проміжками, яка відрізняється тим, що ротор, посаджений на обертовий вал, складається з двох жорстко закріплених зовнішнього та внутрішнього циліндрів, розділених по поперечній осі симетрії немагнітним кільцем для створення повітряного проміжку, причому циліндри виготовлені або порожнистими постійними магнітами з оберненими до якоря парами полюсів протилежної полярності, або з немагнітного матеріалу з встановленою на їх поверхнях у зоні повітряного проміжку парною кількістю постійних стрижневих магнітів протилежної полярності, при цьому нерухомо закріплений якір складається з двох електропровідних циліндрів, розміщених у повітряному проміжку з двох сторін немагнітного кільця, до зовнішніх і внутрішніх торців циліндрів якоря під'єднані електричні виводи для підключення зовнішнього кола. 2. Електромеханічний каскад уніполярних машин за п. 1, які з'єднані механічно валами і електрично шляхом узгодженого за напрямками е. р. с. послідовного сполучення їх кіл якорів. 2 UA 110636 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3