Многовитковая униполярная машина без скользящих контактов



Многовитковая униполярная машина без скользящих контактов

 


Владельцы патента RU 2566099:

МЕНЬШИХ Олег Фёдорович (RU)

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 = | ω M | = 314 * 2,217 = 696 В т . При этом полная длина проводника рабочей обмотки H=2n(L+Δ-ε)=640*0,045=28,8 м, и сопротивление рабочей обмотки, выполненной из медного проводника диаметром 1 мм, равно r=0,017*28,8/0,785=0,624 Ом. При токе I=8 А падение напряжения на рабочей обмотке составит Ir=8*0,624=4,99 В≈5 В, а мощность рассеяния составит PPAC=I2r=40 Вт. При этом кпд двигателя η=700/740=0,95. Напряжение U источника постоянного тока вычисляется как U=(Р+PPAC)/I=740/8=92,5 В.

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике и физике магнетизма, в частности к электромагнитным явлениям, обусловливающим возбуждение ЭДС индукции при взаимодействии катушки из проводника с магнитным полем. Заявлен генератор постоянного тока, содержащий ротор и статор с наложенной на него рабочей обмоткой, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде прямого магнита, один магнитный полюс которого расположен на оси вращения ротора, а другой - вблизи рабочей обмотки статора, а статор представляет собой ферромагнитный тороид, соосный оси вращения ротора, на котором намотана рабочая обмотка в один или несколько слоев виток к витку по всей поверхности ферромагнитного тороида, а также совмещен снаружи с ферромагнитным тороидальным корпусом, при этом витки рабочей обмотки находятся в пазах между двумя половинами статора, а части витков рабочей обмотки, находящиеся в промежутке между ротором и статором, удалены от статора на некотором расстоянии применением промежуточного тороида из немагнитного материала. Технический результат - упрощение конструкции и повышение ЭДС индукции в бесконтактном генераторе постоянного тока.

Изобретение относится к электрическим машинам постоянного тока и может быть использовано в качестве электрического генератора либо электрического двигателя постоянного тока.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в широком ассортименте промышленных и бытовых изделий и приборов, в частности в гибридных автомобилях.

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в электроприводах общепромышленных механизмов. Техническим результатом является увеличение момента силы тяги электродвигателя для облегчения его запуска и повышение КПД двигателя.

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к электрическим машинам. Предлагаемый униполярный генератор тока может быть использован в качестве генератора электрической энергии постоянного или переменного тока в промышленности и может найти другие применения.

Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения электрических машин, в частности униполярных машин (УМ) постоянного тока.

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения и касается создания новых генерирующих устройств постоянного тока с использованием неисчерпаемых природных запасов альтернативных потоков энергии водной среды.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромеханическому преобразованию электрической энергии, и может быть использовано в электротехнической и электромашиностроительной промышленности и на транспорте в качестве электрического привода с низковольтным питанием.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам с осевым расположением основного магнитного потока в немагнитном зазоре. .

Изобретение относится к области электротехники и электромеханики, а конкретнее - к электрическим машинам постоянного тока. .
Наверх