Электроколесо

60 7/00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(73) Патентообладатель Федотов Василий Дмитриевич(57) Электроколесо, содержащее магнитопроводы в обмотках, укрепленные на опорном элементе в якорь и на удерживающем устройстве - в индуктор, щеточно-коллекторный узел, снабженный приспособлением смещения нейтрали, отличающееся тем , что магнитопроводы в обмотках укреплены средней частью на опорном элементе и на удерживающем устройстве, щеточно-коллекторный узел расположен концентрично якорю и индуктору, а приспособление смещения нейтрали выполнено электромагнитным в виде постоянных магнитов,установленных на кольцевом щеткодержателе с возможностью взаимодействия с полюсными наконечниками индуктора. Изобретение относится к области многополюсных электрических машин, как постоянного тока с механической коммутацией, так и переменного тока, выполненных для работы в режиме генератора электрической энергии или электродвигателя. Первоначальная область использования изобретения предусматривается как тяговый электродвигатель для привода в движение уличного транспорта - в частности, и безрельсового транспорта - вообще, путем установки электродвигателя в обод ведущего колеса, так как электродвигатель с многополюсным индуктором обладает большим вращающим моментом и малой скоростью вращения якоря. 1743 1 Только электродвигатель, равный по форме и по весу колесу и по кпд - не ниже описанных 1-10 электрических машин, может дать толчок к массовому применению электротяги на безрельсовом транспорте. Известные конструкции электродвигателей 1-10, приведенные в конце описания, в основном предназначенные для привода в движение безрельсового транспорта. Так, электродвигатели 1-3, применялись раньше или работают сейчас с понижающими редукторами, как встроенными в обод колеса, так и вынесенными из обода. Дисковый безредукторный 4, его практическое применение неизвестно. С ферромагнитной жидкостью,в качестве силового тела 5, на практике может встретиться в будущем. Электродвигатель 6, безредукторный встроенный в обод колеса, и электродвигатель 7, представляющий совокупность полюсов когтеобразного с зубчатым и двухпетлевой многоугольной магнитной цепью, - возможно находят узкое применение в Америке. Электродвигатель 8, с соосно расположенным кольцевым коллектором и электродвигатель 9, помещаемый в ступицу /по-видимому, лунохода/, также до настоящего времени не получили массового применения на уличном транспорте. Хотя первый из них 8 имеет достоинство в том, что диаметр его коллектора, совпадающий по конструкции с заявленным, сравнялся с диаметром якоря, так как стремление его к равенству с диаметром якоря видно на всех тяговых электродвигателях. Что же касается электродвигателя 10, предназначавшегося также для привода в движение уличного транспорта, то он давно заброшен и позабыт, хотя имеет достоинство по части простых не разветвленных магнитных цепей, малой скоростью вращения индуктора и большим вращающим моментом, помещением магнитопроводов в обмотку, а не наоборот, как это имеет место в широко распространенных электрических машинах с барабанным якорем. Известная конструкция электроколеса, выбранная в качестве прототипа, является электрическая машина 10, описанная в Германском патенте, содержащая простые неразветвляющиеся магнитные цепи, выполненные из прямоугольных магнитопроводов в обмотках укрепленных за концы винтами между двух опорных колец в якоре, и между двух удерживающих шайб в индукторе соосно с ними расположенный щеточноколлекторный узел, коллектор которого снабжен ручкой смещения нейтрали. Недостатками известной конструкции 10 являются- непостоянная площадь поперечного сечения канала магнитопровода, не полностью магнитопроводы помещены в обмотку, повышенная длина магнитной цепи вследствие прямоугольности их формы, обусловленной креплением их винтами- малая контактная площадь коллектора, значительная длина проводников между коллектором и обмотками магнитопроводов якоря, из-за соосного расположения коллектора, и ручное смещение нейтрали- большой осевой размер электрической машины- наличие пульсирующего вращающего момента, вызванного повышенной плотностью магнитного потока, выражающегося значительными колебаниями магнитного сопротивления в рабочем воздушном зазоре,приводящее к искажению кривой формы магнитного потока из-за разделенности магнитной цепи на самостоятельные не связанные друг с другом простые магнитные цепи. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы в полном объеме использовать в электроколесе свойство магнитного поля и электрического тока путем- уменьшения длины магнитных цепей и неактивных проводников в якоре- округления формы каналов магнитных цепей и помещения магнитопроводов полностью в однослойную обмотку- увеличения контактной поверхности коллектора и сокращения осевых размеров электроколеса- создания устройства автоматического смещения нейтрали- уменьшение колебания магнитного сопротивления в воздушном зазоре. Поставленная задача в электроколесе решена методом- применения полукруглых магнитопроводов в обмотках, укрепленных средней частью на одном опорном кольце - в якоре и на удерживающих спицах - в индукторе- применения постоянных магнитов для автоматического смещения нейтрали- смещения полюсов магнитопроводов одной стороны якоря в ту или другую сторону, относительно противоположно находящихся полюсов индуктора. Бесследно устраняется пульсирующий момент нечетным отношением числа магнитопроводов якоря к числу магнитопроводов индуктора, например как 2,51, и применением двухрядного коллектора. КПД вращающейся электрической машины с магнитопроводами, уложенными в обмотку выше тех машин, в которых обмотка уложена в магнитопровод, так как в первой магнитопровод окружен обмоткой со всех четырех сторон и магнитному потоку нет условий замкнуться минуя воздушный зазор, в то время как во второй бесполезно замыкается теоретически до 25 магнитного потока, создаваемого проводником, лежащем в пазу магнитопровода. Так что для работы в электроколесе барабанный якорь хуже кольцевого. Новое крепление полукруглых магнитопроводов в якоре и индукторе позволяет поместить их в обмотку целиком от полюса до полюса, форму магнитной цепи сделать круглой без резких поворотов, толчков и завихрений делать обмотку однослойной, увеличивая этим количество ампервитков дает возможность ис 2 1743 1 пользовать опилки, стружки, обрывки стальных канатов и прочие стальные обрезки для изготовления магнитопроводов якоря. Полукруглые магнитопроводы технологичнее в изготовлении, чем прямоугольные. Многополюсность индуктора позволяет отказаться набирать магнитопроводы из стальных листов. Из элементарной электротехники известно свойство магнитного поля - иметь состояние расположения магнитных сил круглое по форме, а также свойство электрического тока - выталкиваться из магнитного поля и спирально навиваться на магнитный поток, или физическим языком 11, стр. 164 Траектории могут стремиться к предельному циклу или к незамкнутой намотке на торе, но могут вести себя совершенно по иному сложно и запутанно. Автор книги 12 подробно расписывает магнитные потери во вращающихся электрических машинах, а на стр. 7 показывает графически беспотерьную схему преобразования электрической энергии и на стр. 22 в первом абзаце отмечается ее хорошие эксплуатационные характеристики, но нигде не упоминается о возможности ее использования практически в электрической машине. Неслучайно близким к изобретению техническим решением оказался такой древний прототип 10, критикуемый современной литературой за кольцевой якорь, многополюсность индуктора, высокую частоту перемагничивания и другие недостатки на стр. 95 и 345 13, стр. 54 14, стр. 26 15. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид электроколеса сбоку, на фиг. 2 - электроколесо в разрезе по линии А-А, на фиг.3 - электроколесо в разрезе по линии Б-Б, на фиг.4 показан якорь, вид сбоку, обозначен вырыв опрессовочного материала для уяснения местоположения петушков ламелей, на фиг.5 - якорь в разрезе по линии В-В, на фиг.6 показан кольцевой щеткодержатель, состоящий из трех сегментов 17, вид сбоку, на фиг.7 - щеткодержатель в разрезе по линии Г-Г, на фиг.8 показана электрическая схема с трехсекционными обмотками магнитопроводов 8 якоря, обмотками магнитопроводов 6 индуктора, коллектором 9 и щетками 11. Электроколесо содержит остоящий из двух подшипниковых щитов вращающийся на оси 3 корпус 1 с отверстиями 2 для осмотра и вентиляции, пустотелую ось 3 с отверстиями 4 в полость, и спицами 5 удерживающими магнитопроводы 6 индуктора опорное кольцо 7 магнитопроводов 8 якоря, с коллектором 9 скользящий кольцевой щеткодержатель 10 со щетками 11, щетконажимной резиной 12 и постоянными магнитами 13. Якорь, фиг.4 и 5, состоит из опорного кольца 7, выполненного например из дерева, магнитопроводов 8, с трехсекционными обмотками присоединенными к петушкам 16 ламелей, и ламелей коллектора 9. Детали якоря в собранном виде, фиг.4 и 5, опрессованы в монолитный кольцевой якорь, например эпоксидной смолой с полимернотекстильным наполнителем. По всей наружной поверхности опрессовки магнитопроводов 8,якорь плотно обжимается корпусом 1, как это видно на фиг.2 и 3, чем и обеспечивается защита якоря от разрыва и проворачивания в корпусе. В сборе якорь с корпусом составляют наружный ротор электроколеса. Пустотелая ось 3, со спицами 5 и магнитопроводами 6 в обмотках, составляют индуктор и одновременно являются статором электроколеса. Скользящий щеткодержатель состоит из трех сегментов 17 совершенно одинаковых, показанный на фиг.6 и 7, каждый сегмент 17 имеет по четыре гнезда для щеток 11, канал 14 для щетконажимной резины 12, хорошо виден на фиг.3 и 7, и по два постоянных магнита 13. Сегменты 17 щеткодержателя со щетками 11 свободно укладываются на обмотки магнитопроводов индуктора одноименными полюсами постоянных магнитов 13 в одну и взаимодействуют с полюсными наконечниками 15 магнитопроводов 6 индуктора. Щетконажимная резина 12 в канале 14 на концах сегментов 17 надежно закрепляется. Многощеточность конструкции обеспечивает токопровод резиновым нажимом на щетки. Электроколесо работает на принципе использования сил магнитного потока по выравниванию формы магнитной цепи и сокращению ее длины, искривляемой при помощи механической коммутации. Поэтому в электроколесе все силы магнитного потока расходуются только в воздушном зазоре, на всех других участках магнитной цепи, как видно на фиг.2 и 3, потери магнитной энергии на резкие повороты, толчки и завихрения конструктивным решением - устранены. Электроэнергия на обмотки индуктора подается по проводам так же пропущеным в полость через пустотелую ось 3 и отверстия в ней 4, как это схематически показано на фиг.8. Автоматическое смещение нейтрали достигается путем смещения щеткодержателя 10 со щетками 11, см. фиг.1, 3, 6, 7, в ту или другую сторону до упора постоянных магнитов 13 в полюсные наконечники 15, как это видно на фиг.1. При изменении полярности полюсов магнитопроводов 6 индуктора, например для изменения направления вращения электроколеса, постоянные магниты, отталкиваясь от одноименных и притягиваясь к разноименным полюсам, перемещают щеткодержатель через геометрическую нейтраль, вместе со щетками 11, навстречу движения якоря. Источники информации 1. А.с. СССР 156852, МКИ В 62, 1963. 2. А.с. СССР 197413, МКИ В 62, 1967. 3. А.с. СССР 268193, МКИ В 60 К, 63 С, 1/01, 1970. 4. А.с. СССР 628008, МКИ В 60 К, 7/00, 1978. 3 оставитель Е. В. Федоров Редактор В.Н. Позняк Корректор Т.Н. Никитина Заказ 2041 Тираж 20 экз. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.