Электродвигатель постоянного тока

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструированию электродвигателей постоянного тока. Согласно изобретению электродвигатель постоянного тока содержит раму, на которой закреплен газовый двигатель, клеммовую коробку. На раме закреплен задний дополнительный газовый двигатель, установленный соосно позади первого, а валы обоих газовых двигателей соединены между собой муфтой. На раме также закреплен электролизер, представляющий собой сосуд, разделенный газонепроницаемой перегородкой на кислородную и водородную полости. Кислородная полость трубопроводом соединена с входным каналом первого газового двигателя, а водородная полость трубопроводом соединена с входным каналом второго газового двигателя. Внутри кислородной и водородной полостей размещены соответственно основные и дополнительные кислородные и водородные электроды. Основные кислородные и водородные электроды подключены к выводам основной клеммовой коробки. На раме также закреплен Н₂-О₂ элемент, представляющий собой сосуд, разделенный на верхнюю и нижнюю полости перегородкой с клапаном, открывающимся в нижнюю полость. Верхняя полость посредством трубопровода с клапаном, имеющим поплавковый привод, соединена с кислородной и водородной полостями электролизера. Нижняя полость посредством кислородного и водородного электродов, выполненных в форме пластин, разделена на кислородное, водородное и регенеративное отделения. Кислородное отделение трубопроводом соединено с выходным каналом первого газового двигателя, водородное отделение посредством трубопровода соединено с выпускным каналом заднего газового двигателя, а регенеративное отделение посредством трубопровода с насосом, приводимым в движение от вала заднего газового двигателя, соединено с кислородной и водородной полостями электролизера. Кислородный и водородный электроды Н₂-О₂ элемента электрически соединены с дополнительными кислородным и водородным электродами электролизера. Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных качеств электродвигателя. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение в качестве электродвигателя.

Известен электродвигатель трехфазного переменного тока АОМ-32-4, содержащий корпус, закрытый передним и задним подшипниковыми щитами, статор с полюсами, набранными из отдельных пластин с трехфазной однослойной обмоткой, короткозамкнутый ротор, клеммовую коробку /М.М. Авдеев и др. Электропоезда переменного тока. М.: Транспорт, 1973, с.139-142, рис.96/.

Недостатками известного электродвигателя трехфазного переменного тока АОМ-52-4 являются: большой расход электроэнергии, большие тепловые, индукционные и электрические потери.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией электродвигателя трехфазного переменного тока АОМ-32-4.

Известен также электродвигатель постоянного тока, содержащий корпус, в котором размещен газовый двигатель, генератор водорода, пневматически соединенный с впускным и выпускным каналами газового двигателя, клеммовую коробку, выводы которой соединены с выводами генератора водорода. Внутренние полости газового двигателя заполнены, а генератор водорода насыщен водородом, который является рабочим телом /Патент РФ 2158465, кл. Н 02 К 57/00, F 01 B 29/00, опубл. 27.10.2000. Бюл. 30/.

Известный электродвигатель постоянного тока по патенту 2158465, как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому полезному результату, принят за прототип.

Недостатками известного электродвигателя постоянного тока по патенту 2158465, принятого за прототип, являются: потери электроэнергии на нагрев и охлаждение генератора водорода, использование дорогостоящего палладия.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией электродвигателя постоянного тока.

Целью настоящего изобретения является повышение эксплуатационных качеств электродвигателя постоянного тока.

Указанная цель согласно изобретению обеспечивается тем, что генератор водорода заменен дополнительным задним газовым двигателем, закрепленным на раме и установленным соосно позади переднего газового двигателя, валы которых соединены между собой муфтой, одинаковыми по конструкции, каждый из которых имеет впускной и выпускной каналы, электролизером, представляющим собой сосуд, закрытый крышкой с заливными пробками, разделенный газонепроницаемой перегородкой на кислородную и водородную полости, внутри которых размещены соответственно основные и дополнительные кислородные и водородные электроды, причем основные кислородные и водородные электроды подключены к выводам основной клеммовой коробки, кроме того, кислородная полость соединена трубопроводом с впускным каналом переднего газового двигателя, а водородная полость соединена трубопроводом с впускным каналом заднего газового двигателя, Н₂-O₂ элементом, представляющим собой сосуд, имеющий заливную пробку, разделенный перегородкой на верхнюю и нижнюю полости, сообщающиеся между собой через клапан, открывающийся в нижнюю полость, причем верхняя полость через впускной управляемый клапан соединена посредством трубопровода с кислородной и водородной полостями электролизера, кроме того, нижняя полость посредством водородного и кислородного электродов, выполненных в форме пластин, разделена на кислородное, водородное и регенеративное отделения, причем кислородное отделение посредством трубопровода соединено с выпускным каналом переднего газового двигателя, водородное отделение посредством трубопровода соединено с выпускным каналом заднего газового двигателя, а регенеративное отделение соединено с кислородной и водородной полостями электролизера посредством трубопровода с насосом, приводимым в движение от вала одного из газовых двигателей, дополнительной клеммовой коробкой, через выводы которой, а также выводы основной клеммовой коробки водородный электрод ₂-O₂ элемента электрически соединен с дополнительным водородным электродом электролизера, а кислородный электрод Н₂-О₂ элемента электрически соединен с дополнительным кислородным электродом электролизера, причем кислородная и водородная полости электролизера, верхняя полость и регенеративное отделение Н₂-О₂ элемента заполнены водным раствором щелочи, который является рабочим телом электродвигателя постоянного тока.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 изображен общий вид электродвигателя постоянного тока, на фигуре 2 - вид спереди на электродвигатель постоянного тока, на фигуре 3 - вид сверху на электродвигатель постоянного тока, на фигуре 4 - общий вид газового двигателя, на фигуре 5 - поперечный разрез газового двигателя, на фигуре 6 - устройство электролизера в разрезе, на фигуре 7 - устройство Н₂-О₂ элемента в разрезе, на фигуре 8 - вид на шестеренчатый насос и его привод в разрезе, на фигуре 9 - схема электродвигателя постоянного тока.

Электродвигатель постоянного тока содержит раму 1, на которой закреплены передний 2 и задний 3 газовые двигатели, установленные cооcно друг за другом, валы которых соединены между собой муфтой 4. На paмe также закреплены электролизер 5 и Н₂-О₂ элемент 6, имеющие основную 7 и дополнительную 8 клеммовые коробки. Передний и задний газовые двигатели, одинаковые по конструкции, и каждый из них содержит корпус 9, имеющий в нижней части опорную плиту 10 с отверстиями для крепления и закрытый передней 11 и задней 12 крышками. Внутри корпуса на подшипниках установлен вал 13, имеющий сердечник 14, на котором выполнены радиальные пазы 15. В каждый паз вставлена лопасть 16, имеющая палец 17, входящий в профилированный паз 18, выполненный на внутренней поверхности задней крышки /О насосе, использованном в качестве двигателя, см. И. И. Артоболевский. Механизмы в современной технике. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1981, т. 6-7, с.419, 3926/.

Электролизер содержит корпус 19, закрытый крышкой 20, имеющей заливные пробки 21. Корпус разделен на кислородную 22 и водородную 25 полости посредством газонепроницаемой перегородки, выполненной из двух пластмассовых решеток 24, между которыми установлена асбестовая прокладка 25, пропитанная водным раствором щелочи. Внутри кислородной полости установлены основной 26 и дополнительный 27 кислородные электроды, каждый из которых выполнен из пористого гидрофобизированного угля на никелевой основе. Внутри водородной полости установлены основной 28 и дополнительный 29 водородные электроды, также выполненные из пористого гидрофобизированиого угля на никелевой основе. Кислородная полость посредством штуцера 30 и трубопровода 51 соединена с впускным каналом переднего газового двигателя. Водородная полость посредством штуцера 32 и трубопровода 33 соединена с впускным каналом заднего газового двигателя. Основные кислородный и водородный электроды электролизера электрически соединены с выводами основной клеммовой коробки.

H₂-O₂ элeмeнт содержит корпус 34, закрытый нижней крышкой 35 и верхней крышкой 36, имеющей заливную пробку 37. Корпус имеет верхнюю 38 и нижнюю полости, разделенные в средней части перегородкой 39 с выпускным клапаном 40, открывающимся в нижнюю полость. Верхняя полость имеет штуцер 41, выполненный вместе с впускным клапаном 42, который соединен с укрепленным шарнирно в средней части рычагом 43, связанным с поплавком 44. Штуцер верхней полости посредством трубопровода 45 соединен через штуцер 46 с кислородной и водородной полостями электролизера. Нижняя полость H₂-O₂ элемента посредством кислородного 47 и водородного 48 электродов, выполненных в форме пластин, состоящих из пористого гидрофобизированного угля на никелевой основе с добавками в первом случае платины (Pt), а во втором со шпинелями Ag, Pt, разделена на кислородное 49, водородное 50 и регенеративное 51 отделения. Причем электроды не доходят до нижней крышки. Кислородное отделение имеет штуцер 52, который посредством трубопровода 53 соединен с выпускным каналом переднего газового двигателя. Водородное отделение имеет штуцер 54, который посредством трубопровода 55 соединен с выпускным каналом заднего газового двигателя. Регенеративное отделение имеет в нижней части штуцер 56, который посредством трубопровода 57 с вмонтированным в него насосом 58 и штуцером 59 соединен с кислородной и водородной полостями электролизера. Насос содержит корпус 60, привернутый к передней крышке заднего газового двигателя, внутри которого размещены ведомая шестерня 61 и ведущая шестерня 62, закрепленная на валу 63, который пропущен в отверстие корпуса привода 64, являющегося крышкой корпуса насоса. На дpyгoм конце вала закреплена ведомая шестерня 65 привода, входящая в зацепление с ведущей шестерней 66, закрепленной на валу заднего газового двигателя. Корпус привода закрыт крышкой 67. Кислородный электрод Н₂-O₂ элемента через выводы дополнительной и основной клеммовых коробок электрически соединен с дополнительным кислородным электродом электролизера. Водородный электрод Н₂-O₂ элемента через выводы дополнительной и основной клеммовых коробок электрически соединен с дополнительным водородным электродом электролизера. Кислородная, водородная полости электролизера и верхняя полость, кислородное, водородное отделения в нижней части, регенеративное отделение Н₂-O₂ элемента заполнены водным раствором щелочи (КОН), который является рабочим телом электродвигателя постоянного тока, все детали которого должны быть выполнены из материалов, устойчивых к действию щелочей /Об электролизере и H₂-О₂ элементе см. В. Фильштих. Топливные элементы, пер. с нем. , под ред. проф. B.C. Багоцкого. М.: Мир, 1968, с.10, фиг.1.1, с. 20-21, фиг.1.10, с. 398-401, с. 406-411, фиг.10.3/.

Работа электродвигателя постоянного тока.

При подаче электрического тока на выводы основной клеммовой коробки 7 он поступает на основные кислородный 26 и водородный 28 электроды электролизера 5. Вода станет разлагаться на кислород и водород, а на электродах будет происходить реакция: на водородном электроде 2H⁺+2е^-=H₂, а на кислородном электроде О^-2-2е^-=О₂. В кислородной полости 22 будет скапливаться кислород, а в водородной полости 23 будет скапливаться водород. В этих полостях будет создаваться избыточное давление, причем в водородной полости давление будет больше, так как водорода выделяется в 16 раз больше. Как только давление в полостях 22 и 23 достигает некоторой величины, кислород по трубопроводу 31 станет поступать во впускной канал переднего газового двигателя 2, а водород станет поступать по трубопроводу 33 во впускной канал заднего газового двигателя 3. Поступившие в передний 2 и задний 3 газовые двигатели кислород и водород производят давление на лопасти 16 и приводят валы 13 во вращение. При этом перегородка, разделяющая электролизер, препятствует переходу газов из одной полости в другую, но не препятствует движению ионов электролита. Во время разложения воды происходит повышение концентрации электролита. Совершив работу по созданию вращательного момента на валу 13 переднего газового двигателя 2, кислород выходит из выпускного канала и по трубопроводу 53 направляется в кислородное отделение 49 Н₂-О₂ элемента 6. Совершив работу по созданию вращательного момента на валу 13 заднего газового двигателя 3, водород выходит из выпускного канала и по трубопроводу 55 направляется в водородное отделение 50 H₂-О₂ элемента 6, которое должно быть больше по размеру, чтобы давление кислорода и водорода было одинаковым. При этом кислород и водород омывают пористые электроды 47,48, к которым в качестве нагрузки подключены дополнительные электроды 27,29 электролизера 5. Электрохимическое взаимодействие происходит в электролите (КОН) с ионной проводимостью на двух отдаленных друг oт друга местах реакции. В Н₂-O₂ элементе 6 под действием каталитических свойств на водородном электроде 48 (-) молекула Н₂ на поверхности электрода распадается на два aтомa. Атомы переходят в раствор в виде протонов, оставляя два электрона, которые текут на дополнительный водородный электрод 29 электролизера 5. Реакция, происходящая на водородном электроде 48, будет (-) 2Надс-->2H⁺+2е^-, а на кислородном электроде 47 кислород реагирует с протонами электролита и с двумя электронами с образованием воды. Реакция, происходящая на кислородном электроде 47, будет (+) 1/2О₂+2H⁺+2e^--->H₂O. Без учета промежуточных реакций суммарная реакция, протекающая в H₂-O₂ элементе 6, будет H₂+1/2O₂-->H₂O. Образующаяся вода попадает в регенерационное отделение 51, в котором происходит уменьшение концентрации электролита. Из регенерационного отделения вода насосом 58 откачивается по трубопроводу 57 в кислородную 22 и водородную 23 полости электролизера 5. Как только в регенерационном отделении уровень электролита понизится, открывается клапан 40, и электролит поступает из верхней полости 38. При уменьшении уровня электролита в верхней полости 38 поплавок 44 опускается вниз и через рычаг 45 поднимает вверх золотник клапана 42, и электролит под давлением поступает по трубопроводу 45 из кислородной 22 и водородной 23 полостей электролизера 5, обеспечивая перемешивание электролита и выравнивание его концентрации. При работе переднего 2 и заднего 3 газовых двигателей вместе с кислородом и водородом могут поступать частицы или брызги электролита, которые при попадании в кислородное 49 и водородное 50 отделения H₂-O₂ элемента 6 оседают на дно и удаляются насосом 58. Причем давление в кислородном и водородном отделениях не позволяет электролиту подняться выше уровня, показанного на фигуре 9. Полученный ток в H₂-O₂ элементе поступает на дополнительные кислородный 27 и водородный 29 электроды электролизера 5, в результате чего разложение воды увеличивается, повышается давление и возрастает мощность переднего 2 и заднего 3 газовых двигателей. При этом количество электроэнергии, поступающее из сети на основные кислородный 26 и водородный 28 электроды электролизера 5, может быть уменьшено. Так как взаимодействие 1 моля водорода с 0,5 молем кислорода дает 53,6 А•ч электроэнергии (там же, с.12), частота вращения вала 13 может изменяться путем увеличения или уменьшения электроэнергии, поступающей oт сeти и от Н₂-О₂ элемента 6, посредством реостатов, не показанных на чертеже. При вращении вала 13 вместе с ним вращается ведущая шестерня 66, которая передает вращение ведомой шестерне 65, а она через вал 63 приводит во вращение шестерни 62,61 насоса 58. Для остановки электродвигателя постоянного тока необходимо отключить питание oт сети, а также выключателем, не показанным на чертеже, отключить Н₂-О₂ элемент 6 от электролизера 5. Электродвигатель постоянного тока не обратим и не имеет обратного хода. Предлагаемый электродвигатель постоянного тока может быть использован на подводных аппаратах, электромобилях, а также в местах, где ограничены энергоресурсы.

Положительный эффект: более высокий крутящий момент на валу электродвигателя, экономия электроэнергии, большой диапазон регулирования частоты вращения вала.

Формула изобретения

1. Электродвигатель постоянного тока, содержащий газовый двигатель, клеммовую коробку, отличающийся тем, что позади переднего газового двигателя соосно с ним закреплен на раме задний газовый двигатель такой же конструкции, а валы их соединены между собой муфтой и каждый из них имеет впускной и выпускной каналы, кроме того, электролизер, закрепленный на раме, пневматически соединен с впускными каналами переднего и заднего газовых двигателей, а электрически подключен к выводам основной клеммовой коробки, причем корпус Н₂-О₂ элемента, также закрепленного на раме, пневматически соединен с выпускными каналами переднего и заднего газовых двигателей, а посредством двух трубопроводов связан с электролизером, в один из которых вмонтирован жидкостный насос и Н₂-О₂ элемент электрически соединен через выводы дополнительной и основной клеммовых коробок с электролизером.

2. Электродвигатель постоянного тока по п.1, отличающийся тем, что электролизер представляет собой сосуд, закрытый крышкой с заливными пробками, разделенный газонепроницаемой перегородкой на кислородную и водородную полости, внутри которых размещены основные и дополнительные кислородные и водородные электроды, причем основные кислородные и водородные электроды подключены к выводам основной клеммовой коробки, кроме того, кислородная полость соединена трубопроводом с впускным каналом переднего газового двигателя, а водородная полость соединена трубопроводом с впускным каналом заднего газового двигателя.

3. Электродвигатель постоянного тока по п.1 или 2, отличающийся тем, что Н₂-О₂ элемент представляет собой сосуд, имеющий нижнюю и верхнюю крышки, разделенный на верхнюю и нижнюю полости перегородкой с клапаном, открывающимся в нижнюю полость, причем верхняя полость через впускной управляемый клапан посредством трубопровода соединена с кислородной и водородной полостями электролизера, кроме того, нижняя полость посредством кислородного и водородного электродов, выполненных в форме пластин, разделена на кислородное, водородное и регенеративное отделения, причем кислородное отделение посредством трубопровода соединено с выпускным каналом переднего газового двигателя, водородное отделение посредством трубопровода соединено с выпускным каналом заднего газового двигателя, а регенеративное отделение соединено с кислородной и водородной полостями электролизера посредством трубопровода с насосом, приводимым в движение от вала одного из газовых двигателей, причем кислородный и водородный электроды Н₂-О₂ элемента электрически соединены с дополнительными кислородным и водородным электродами электролизера.

4. Электродвигатель постоянного тока по п.2 или 3, отличающийся тем, что кислородная и водородная полости электролизера, верхняя полость и регенеративное отделение Н₂-О₂ элемента заполнены водным раствором щелочи, который является рабочим телом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9