Уніполярна електрична машина харченка

1 Уніполярна електрична машина, яка містить станину статора, нерухомий якір з обмоткою, ротор, яка відрізняється тим, що нерухомий якір виконано у вигляді двох однакових осердь, що мають форму порожнистих циліндрів, які виконані шихтованими із суцільних кругових кілець або набрані із окремих однакових за розмірами кругових сегментів і з'єднані між собою нерухомо в одну магнітопровідну конструкцію не менш ніж двома магнітопровідними перемичками які розташовані по колу осердь на їх ЗОВНІШНІЙ поверхні на однаковій відстані одна від одної, причому рухомий роторний індуктор нерухомо закріплено на валу, а осердя якоря розташовані коаксіально статора з повздовжньою щілиною між собою по осі машини, якірна обмотка виконана із окремих однакових між собою складових частин, складові частини обмотки розташовані на осердях якоря між магнітопровідними з'єднувальними перемичками на їх поверхні або в пазах, або частково в пазах, причому осі ЗОВНІШНІХ і внутрішніх пазів зсунуті або в просторі одна відносно одної, або відносно осі машини на деякий кут, складові частини обмотки з'єднані між собою електрично в одну загальну якірну обмотку або послідовно, або паралельно, або послідовнопаралельно, рухомий індуктор розташований на валу з джерелом радіального постійного магнітно го поля збудження, джерело має принаймні одну пару різнойменних полюсів збудження, кожний магнітний полюс збудження в просторі машини розташований напроти свого осердя якоря 2 Уніполярна електрична машина за п 1, яка відрізняється тим, що її споряджено не менш ніж одним додатковим якорем 3 Уніполярна електрична машина за п 1, яка відрізняється тим, що станина статора і ПІДШИПНИКОВІ щити виготовлені із магнітопровідногоматеріалу або з немагнітного матеріалу, або в різній комбінації з цих матеріалів 4 Уніполярна електрична машина за п 1, яка відрізняється тим, що обмотки, які розташовані на окремих осередях якоря, виконані на різну по величині напругу 5 Уніполярна електрична машина за п 1, яка відрізняється тим, що як джерело радіального постійного поля збудження індуктора використовується не менш ніж один постійний магніт або електромагнітна обмотка збудження 6 Уніполярна електрична машина за п 1, яка відрізняється тим, що магнітопровідна система індуктора виконана з неявновираженими магнітними полюсами 7 Уніполярна електрична машина за п 1, яка відрізняється тим, що магнітопровідна система індуктора виконана з явно вираженими магнітними полюсами 8 Уніполярна електрична машина за п 1, яка відрізняється тим, що принаймні на одному ТІЛІ однойменного полюса збудження розташована принаймні одна електромагнітна обмотка збудження Винахід відноситься до електротехніки та до теорії електричних машин і може бути використаний в електромашинобудуванні для виготовлення уніполярних електричних машин з нерухомою якірною обмоткою в якості генератора або двигуна Відома уніполярна електрична машина, яка містить якір, статор, встановлений з щілиною відносно якоря, створюючи з ним спільний магніто провід і який має засіб для створення зовнішнього магнітного потоку, діючого на якір у вигляді обмотки збудження та засіб комутації Засіб комутації виконано з можливістю магнітної комутації шляхом перерозподілу магнітного потоку в ТІЛІ якоря по мірі його переміщення (патент Роси №2158462, 7 Н 02 К 31/00, 1/06, 2000 рік) Основним недоліком цієї машини є складність ю ю о> ю 59559 конструкції, а також и мала надійність із-за наявності в якірній обмотці розв'язуючого полупровідникового діода між двома половинами якірних обмоток Відома уніполярна електрична машина, яка містить в собі ЗОВНІШНІЙ магнітопровід статора і осереддя якоря з обмоткою, а також магнітопровід ротора з обмоткою збудження у вигляді циліндричного вала, встановленого у внутрішньому просторі машини коаксіальну статору ЗОВНІШНІЙ магнітопровід статора виконано у формі циліндричної склянки з пустотою між двома циліндричними стінками, які розташовані на деякій віддалі одна від другої Осереддя 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 осереддя якоря так, що одна сторона кожного її витка розташована в отворі осереддя якоря, а три других сторони витка ВІДПОВІДНО обхвачують стінку склянки осереддя якоря Осереддя якоря і ЗОВНІШНІЙ магнітопровід якоря встановлені коаксіальне один в другий так, що утворюють внутрішній простір машини, причому циліндрична частина якоря з обмоткою розташовані у внутрішньому просторі між двома стінками зовнішнього магнітопровіда статора (патент України № 13809, 6 Н 02 К 31/00, 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 процес намотки якірної обмотки через вузькі отвори в стінках магнітопровіда якоря, що не дозволяє автоматизувати процес намотки обмотки з допомогою відомих технологічних процесів, і як наслідок цього — невисока надійність виготовленого якоря в цілому Прототипом винаходу є відома уніполярна електрична машина, яка містить осереддя якоря з обмоткою і гладенький ротор у вигляді двох порожнистих циліндрів між якими розташоване джерело поздовжнього постійного магнітного поля збудження, закріплених нерухомо на загальному валу, який встановлений в немагнітні ПІДШИПНИКОВІ щити Нерухомий якір, закріплений в немагнітній станині статора і виконаний у вигляді порожнистого циліндра із магнітом'якої сталі з отворами по колу в його середній частині, має спіральну обмотку з парними перехресними витками, які проходять через зазначені отвори і укладені на внутрішню і зовнішню поверхню якоря (патент Роси № 2168835, 7 Н 02 К 23/38,23/00, 57/00, 2001 рік) Суттєвими недоліками цієї машини є те, що осереддя якоря має складну конструктивну форму для процесу намотки на нього якірної обмотки через вузькі отвори в його середній частині, навіть для машин малої потужності і, як наслідок цього невелика експлуатаційна надійність машини в цілому і крім того, низька ефективність індукування Е Р С на лінійну одиницю довжини кожного витка якірної обмотки за рахунок нерівномірної величини магнітної індукції В по всій ЛІНІЙНІЙ ДОВЖИНІ КОЖНО ГО її витка Сама конструктивна форма побудови індуктора і осереддя якоря цьому сприяє При такій конструктивній формі робочий магнітний потік Ф буде замикатися практично весь по найкоротшому своєму шляху в районі джерела його створення, а на двох кінцях порожнистих циліндрів ротора він буде практично відсутній Внаслідок цього в провідниках якірної обмотки, розташованих в районі двох КІНЦІВ осереддя якоря, Е Р С індукуватися практично не буде В основу винаходу поставлена задача створити нову уніполярну електричну машину з технологічною конструктивною формою якоря і цим одночасно спростити и загальну конструкцією, підвищити ефективність в ній індукування Е Р С , технологію її виготовлення, а також підвищити її надійність шляхом поділу одного суцільного осереддя якоря машини на дві рівнозначні частини Характер удосконалення полягає в тому, що якір машини виконаний із двох однакових по формі порожнистих кільцевих циліндрів на кожному з яких ВІДПОВІДНО розташована своя частина загальної кільцевої багатовиткової обмотки якоря Технічним результатом удосконалення є спрощення загальної конструкції машини за рахунок спрощення конструкції її якоря, технології виготовлення якірної обмотки і її ремонту, а також підвищення надійності і ефективності індукування Е Р С в кожному витку якірної обмотки Дякуючи цьому технічному результату створені кращі умови для процесу уніполярної взаємодії обертового магнітного поля збудження з кожним провідником багатовиткової нерухомої обмотки якоря, підвищилась також ефективність індукування Е Р С в кожному витку якірної обмотки за рахунок однакової величини магнітної індукції В на всій площині полюсів збудження, підвищилась також ремонтне здатність машини і її експлуатаційна надійність за рахунок того, що при виході з ладу якоїсь однієї половини якірної обмотки машини може продовжувати працювати в аварійному режимі на другій працездатній половині якірної обмотки Поставлена задача вирішується тим, що уніполярна електрична машина, яка містить якір з обмоткою і гладенький ротор, розділені повітряною щілиною, її якір виконаний нерухомим, закріплений в немагнітній станині, включає порожнистий циліндр із магнітом'якої сталі з отворами по колу в його середній частині і спіральну обмотку з парними перехресними витками, які проходять через ці отвори, укладеними на гладенький циліндр, або в пази, виконані на його внутрішній та ЗОВНІШНІЙ поверхні, а ротор виконаний у вигляді двох порожнистих циліндрів із магнітом'якої сталі з розташованим між ними джерелом поздовжнього постійного магнітного поля збудження, закріплених на загальному валу, і встановлений в немагнітних підшипникових щитах, згідно винаходу, нерухомий якір виконано із двох однакових по формі і розмірам порожнистих циліндрів, осереддя якоря розташовані коаксіальне статору з поздовжньою щілиною між собою по ВІСІ машини, осереддя якоря виконані із магнітного матеріалу, осереддя якоря виконані із суцільних кругових кілець або набрані із окремих однакових по розмірам кругових сегментів, осереддя якоря з'єднані між собою нерухомо в 59559 одну магніто провідну конструкцію принаймні двома магнітопровідними з'єднувальними перемичками, які розташовані по колу осередь на рівній віддалі одна від другої, якірна обмотка виконана із окремих однакових між собою складових частин, складові частини обмотки розташовані на осереддях якорів між магніто провідними з'єднувальними перемичками на їх поверхні, або в пазах або частково в пазах, ВІСІ ЗОВНІШНІХ І внутрішніх пазів можуть бути зсунуті в просторі одна відносно другої або відносно ВІСІ машини на деякий кут, складові частини обмотки можуть бути з'єднані між собою електричне в одну загальну якірну обмотку або послідовно, або паралельно, або послідовнопаралельно, рухомий індуктор розташований на валу з джерелом радіального постійного магнітного поля збудження, джерело має принаймні одну пару різнойменних полюсів збудження, кожний магнітний полюс збудження розташований напроти свого осереддя якоря Таким чином, ІСТОТНІ розпізнавальні ознаки запропонованої машини від прототипу полягають поперше в тому, що якір машини виконано із двох однакових осередь, два осереддя якоря з'єднані між собою нерухомо в одну магнітопровідну конструкцію магнітопровідними з'єднувальними перемичками Це рішення дозволяє магнітному потоку збудження вільно переходити із одного осереддя якоря в друге, а також дозволяє виготовляти станину статора і ПІДШИПНИКОВІ ЩИТИ машини як із магнітного так і немагнітного матеріалу Ця розширена технічна можливість дозволяє також спростити і здешевіти загальну конструкцію машини і технологію и виготовлення за рахунок того, що в запропонованій машині можна без обмежень використовувати уже готові корпуса від других типів електричних машин, наприклад, алюмінієві корпуса від асинхронних машин серій 4А, 5А та 6А і стальні корпуса від машин постійного струму із стандартними висотами ВІСІ обертання Відомо, що надійність всієї машини в першу чергу залежить від того, як надійно виконана її якірна обмотка Відсутність в запропонованій машині вузьких отворів в осередді якоря дозволяє автоматизувати процес намотування якірної обмотки на суцільні осереддя якоря і цим підвищити надійність виготовлення та зменшити и вартість В машинах середньої і великої потужності, в яких осереддя якоря набираються із окремих однакових по розмірам кругових сегментів, складові частини якірної обмотки можна виготовляти на шаблонах або другим прогресивним способом і це спрощує технологію їх виготовлення і одноразово підвищує надійність всієї якірної обмотки в цілому Це рішення і попередні значно підвищили ремонтне здатність машини і и надійність в період експлуатації Наприклад, навіть при виході з ладу однієї половини обмотки, яка розташована на одному, з двох осередь якоря, машина може продовжувати працювати в аварійному режимі на другій половині обмотки, але з меншою потужністю Значно виросла і ефективність процесу індукування Е Р С в машині за рахунок того, що різнойменні полюси збудження індуктора мають однакову магнітну індукцію В по всій своїй площині і це дозволяє індукувати однакову по величині Е Р С на одну одиницю лінійної довжини кожного витка якірної обмотки Використання провідникових матеріалів в запропонованій машині не менше того показника, що є в звичайних колекторних машинах постійного струму з барабанним якорем не зважаючи на те, що Е Р С індукується тільки в одній половині кожного витка, оскільки обмотка якоря практично не має лобових частин із-за невеликої товщини осередь якоря Позитивний ефект в запропонованій машині полягає в тому, що винаходом створена можливість виготовляти прості по конструкції та технологічні і надійні в роботі уніполярні електричні машини з нерухомою і багато витко вою якірною обмоткою 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 меншою 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 ПО ВЗДОВЖНІЙ І поперечний переріз запропонованої машини у виконанні якоря з двох осередь Основними частинами машини є статор з якорем і роторний індуктор з джерелом постійного магнітного поля збудження у вигляді різнойменних ПОЛЮСІВ Уніполярна електрична машина містить в собі станину статора 1 і якір, який складається із двох окремих однакових осередь 2 та обмотки 3, магнітопровідні з'єднувальні перемички 4, різнойменні полюси збудження 5 рухомого індуктора 6, який нерухомо закріплений на валу 7 Магніти збудження 5 направлені своїми полюсами радіальне до витків якірної обмотки 3 Рухомий індуктор 6 з валом 7 вставлений в ПІДШИПНИКОВІ ЩИТИ машини, які на фіг 1 і фіг 2 не показані Осереддя якоря 2 мають форму порожнистих циліндрів на ЗОВНІШНІЙ І внутрішній поверхні яких можуть бути виконані пази Складові частини якірної обмотки 3 розташовані на осереддях якорів 2 між магнітопровідними з'єднувальними перемичками 4 на їх поверхні, або частково в пазах, або в пазах ВІСІ ЗОВНІШНІХ І внутрішніх пазів, як правило, виконують зсунутими в просторі одна відносно другої і крім того, вони всі можуть бути одночасно зсунуті на деякий однаковий кут відносно повздовжньої ВІСІ машини При розміщені якірної обмотки 3 в пазах це захищає и від механічних пошкоджень, підвищує и МІЦНІСТЬ і конструктивну надійність Для отримання різних по величині значень напруги та струмів складові частини якірної обмотки 3 можуть бути з'єднані між собою послідовно, або паралельно, або послідовно - паралельно В якості джерела збудження машини використовується круговий постійний магніт (фіг 1 і фіг 2) В першому випадку машина є безконтактною Машини середньої та великої потужності виконують завжди безконтактними, використовуючи при цьому ВІДОМІ безконтактні способи передачі струму збудження на рухомий індуктор 6 В другому випадку, коли використовується електро 59559 магнітна обмотка збудження, на валу 7 встановлюють ізольовані контактні кільця для підведення до неї напруги збудження Розглянемо принцип дії машини в режимі генератора Шлях магнітного потоку збудження машини на фіг 1 показаний стрілками 3 фізики відомо, що магнітні силові лінії магніту в просторі безперервні, а саме вони виходять з його ПІВНІЧНОГО полюсу і, пройшовши шлях через його оточувальне середовище, входять в його південний полюс Активними сторонами кожного витка двох частин якірної обмотки 3 в машині є ті сторони и витків, які лежать на внутрішній поверхні кожного осереддя якоря 2 Розглянемо тепер конкретно шлях магнітних силових ЛІНІЙ потоку збудження Ф полюсів 5 індуктора 6 через активні частини машини Магнітні силові лінії потоку збудження Ф (фіг 1) виходять з лівого полюсу 5, який має північну магнітну полярність N, і через повітряну щілину входять в ліве осереддя якоря 2 через його внутрішню поверхню Рухаючись далі в середині лівого осереддя якоря 2 магнітні силові лінії виходять з його середини осереддя через його зовнішню поверхню втому МІСЦІ, де розташована з'єднувальна магнітопровідна перемичка 4 між двома осереддями Через магнітну перемичку 4 магнітні силові лінії потоку збудження попадають в середину правого осереддя якоря 2 і рухаючись в ньому виходять з нього через його внутрішню поверхню напроти полюсу збудження протилежної полярності S Таким чином, магнітний потік збудження Ф полюсів збудження 5, який створений постійним магнітом, проходить спочатку через одне осереддя якоря 2, потім через з'єднувальні магніто провідні перемички 4 попадає в друге осереддя якоря 2 і виходячи з нього замикається на полюсі південної полярності S, одночасно при цьому на своєму шляху ДВІЧІ перетинає повітряні щілини машини При обертанні індуктора 6 магнітний потік Ф полюсів збудження 5 перетинає одноразово активні сторони кожного витка двох частин якірної обмотки 3 і од 8 ночасно індукує при цьому в них однакові по величині Е Р С При послідовному з'єднані між собою всіх витків двох частин якірної обмотки 3 результуюча Е Р С генератора Е буде дорівнювати E = 2-W-ew, де W - число витків однієї частини обмотки, e w - Е Р С одного витка Е Р С , яка індукована в кожному витку нерухомої якірної обмотки якоря, незмінна по знаку Спрощення конструкції досягається в першу чергу тим, що якір машини виконаний нерухомим у вигляді двох однакових порожнистих циліндрів Спрощення конструкції, а також підвищення надійності машини досягається тим, що якірна обмотка складається із двох основних частин, а ті в свою чергу складаються із однакових складових частин обмотки Складові частини обмотки можна відомими способами технологічно намотувати на суцільні порожнисті осереддя якоря або на однакові кругові сегменти розбірних осередь Підвищена надійність досягається тим, що якірна обмотка машини виконана із двох однакових частин Спрощення технології виготовлення і зменшення вартості виготовлення даної машини досягається тим, що для її виготовлення можна використовувати без обмежень вже готові корпуси станин як машин змінного струму так і машин постійного струму Так чином, запропонована машина, яка дуже є простою по конструкції і надійною в роботі, об'єднує в собі одночасно переваги звичайних колекторних машин постійного струму і уніполярних машин Використання запропонованої машини в якості генератора дає можливість отримати просте, легке, надійне і довговічне джерело постійного струму Використання и в електропроводах дозволяє замінити габаритну високої вартості колекторну машину на простий, надійний і легко підкоряється регулюванню частоти обертання електродвигун У / Л / Х / / / / / Фіг. 1 / 59559 Я-/Г 10 г. 2 Комп'ютерна верстка В Рябиця 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