Униполярная машина постоянного тока (варианты)

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УНИПОЛЯРНАЯ МАШИНА ПОСТОЯННОГО ТОКА (ВАРИАНТЫ)(71) Заявитель Якунин Александр Николаевич(72) Автор Якунин Александр Николаевич(73) Патентообладатель Якунин Александр Николаевич(57) 1. Униполярная машина постоянного тока, содержащая статор в виде полого цилиндрического магнитопровода, ротор, вал которого размещен в подшипниках, выполненный в виде дискового магнитопровода с радиальной обмоткой возбуждения, источник магнитного поля в виде, по меньшей мере, одного постоянного кольцевого магнита с аксиальной намагниченностью, установленного коаксиально ротору, отличающаяся тем, что радиальная обмотка возбуждения выполнена в виде секций с установленным внутри магнитным шунтом, причем секции радиальной обмотки возбуждения расположены равномерно между секторами дискового магнитопровода, выполненными в плане Г-образными, с отогнутыми цилиндрическими стенками, установленными с минимальным зазором относительно внутренней поверхности статора, при этом дисковый магнитопровод ротора сопряжен с несущим диском, выполненным из немагнитного непроводящего материала с контактными кольцами, установленными с возможностью электрического соединения с контактами щеточного узла статора. 12187 1 2009.08.30 2. Униполярная машина по п. 1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один постоянный кольцевой магнит размещен на внутренней поверхности статора. 3. Униполярная машина по п. 1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один постоянный кольцевой магнит размещен внутри секций радиальной обмотки возбуждения ротора. 4. Униполярная машина по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что дисковый магнитопровод ротора выполнен сдвоенным, две части которого расположены симметрично относительно магнитного шунта. 5. Униполярная машина по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что магнитный шунт выполнен из слоев магнитного и ферромагнитного материала. 6. Униполярная машина по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что на Г-образных секторах дискового магнитопровода выполнены отверстия. 7. Униполярная машина постоянного тока, содержащая статор в виде полого цилиндрического магнитопровода, ротор, вал которого размещен в подшипниках, выполненный в виде дискового магнитопровода с обмоткой возбуждения и контактными кольцами, источник магнитного поля в виде цилиндрического соленоида с контактными выводами, отличающаяся тем, что цилиндрический соленоид установлен с возможностью магнитного взаимодействия с магнитопроводом, выполненным в виде утолщенной части вала ротора,на которой перпендикулярно закреплен дисковый магнитопровод, выполненный в виде равномерно расположенных секторов, к которым перпендикулярно прикреплен цилиндр,причем обмотка возбуждения выполнена в виде секций, расположенных на цилиндре, аксиально оси вала ротора и равномерно между секторами, при этом цилиндр с обмоткой возбуждения установлен с минимальным зазором относительно внутренней поверхности статора. 8. Униполярная машина по п. 7, отличающаяся тем, что на секторах дискового магнитопровода выполнены отверстия. 9. Униполярная машина по п. 7 или 8, отличающаяся тем, что полый цилиндрический магнитопровод статора содержит дополнительный магнитопровод, установленный коаксиально. Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам постоянного тока, а именно к униполярным машинам (УМ), и может быть использовано как в режиме электродвигателя с высоким крутящим моментом, так и в режиме генератора для получения постоянного тока большой мощности. Известна УМ, в которой ротор выполнен в виде диска, его обмотка в виде радиально расположенных, последовательно соединенных проводников, находящихся в секторовидных участках с сильным и слабым магнитным полем. Подвод постоянного тока обеспечивается многополюсным коллектором с контактными щетками, число пар контактов коллектора равно числу секторовидных участков обмотки, а сам коллектор расположен соосно ротору (патент 3529191, МПК Н 02 К 31/00, 1970 г.). Главным недостатком известной УМ является то, что в создании момента вращения принимает только часть обмотки ротора, находящаяся в зоне магнитного потока, также сложна конфигурация обмотки. Такая обмотка возможна только при изготовлении ее с помощью фотолитографии. Изготовление ее из стандартного изолированного обмоточного провода представляет большую проблему. В мощных двигателях эта обмотка очень трудоемка и нередко изготавливается вручную вследствие своей сложности, что не только усложняет конструкцию униполярной машины в целом, но и увеличивает ее габариты. Кроме того, как и в традиционных двигателях постоянного тока, ротор не обеспечивает сохранение постоянного крутящего момента в процессе одного оборота, так как секции 2 12187 1 2009.08.30 обмотки пересекают неодинаковые по величине зоны магнитного поля, а сам ток обмоток коммутируемый и характер тока активно-индуктивный. Существующие УМ постоянного тока в своем устройстве имеют коллекторные узлы со щетками как средство коммутации, для того чтобы активная часть многополюсной обмотки всегда находилась в зоне магнитного поля. Наличие большого числа скользящих контактов во вращающейся обмотке существенно снижает надежность УМ, усложняет эксплуатацию, вызывает появление кондуктивных помех, экстратоков, проявление эффекта реакция якоря. В существующих УМ ток, протекающий в обмотках возбуждения, как и магнитный поток, является однополярным по направлению. Однако по своей величине он является импульсным, что приводит к недостаткам, свойственным переключаемым индуктивным цепям, как появлению ЭДС самоиндукции, превышающей по величине напряжение возбуждения, реактивному характеру сопротивления обмотки. Известна УМ постоянного тока, содержащая якорь с обмоткой возбуждения, индуктор на валу с кольцевыми постоянными магнитами и статор-магнитопровод, выполненный в виде сплошного кольца. Якорь с обмоткой возбуждения известной УМ соединен со статором радиальными перемычками и сам является неподвижным, что позволяет отказаться от скользящих контактов для обмотки, чем достигается, по мнению заявителя, улучшение характеристик известной машины. Однако, поскольку активной частью в известной машине является неподвижный якорь с обмоткой, то есть активным является устройство, по которому протекает ток, то работать такая УМ сможет лишь в условиях неравномерной намагниченности индуктора-магнита и знакопеременного тока возбуждения, что практически подтверждает неработоспособность известного устройства в представленном виде(патент 59558, МПК Н 02 К 31/00, 2003 г.). Наиболее близкой к предложенной является УМ постоянного тока, содержащая статор в виде полого цилиндрического магнитопровода, коаксиально установленный постоянный кольцевой магнит с аксиальной намагниченностью, подшипники с размещенной в них осью ротора с контактными кольцами, выполненного в виде радиальной обмотки возбуждения, расположенной на дисковом магнитопроводе (патент 5977684, МПК Н 02 К 31/00, 1999 г. - прототипварианта). Основным недостатком известной УМ является то, что она имеет большое магнитное сопротивление в зоне прилегания магнитопровода ротора к магнитопроводу статора, что ухудшает энергетические характеристики УМ. Магнитный поток проходит с достаточно высокими потерями в воздушных зазорах. Магнитный поток в этом устройстве протекает по ротору в двух противоположных направлениях от оси ротора наружу на статор и к оси ротора, по его оси на статор. В такой конструкции почти весь магнитный поток будет идти по направлению наружу к статору, так как этот путь имеет минимальное магнитное сопротивление потоку. Конструктивное усложнение ротора, увеличение диаметра вала ротора и соответственно его массы для прохождения через него магнитного потока неоправдано. Известны коллекторные УМ постоянного тока, включающие статор с индуктором источником постоянного магнитного поля - и вращающийся на валу ротор с шихтованным магнитопроводом, выполненный в виде стального барабана с пазами, обмоткой и коллектором. Обмотка ротора выполнена в пазах шихтованного магнитопровода ротора. В подобной конструкции воздействие магнитного поля непосредственно на обмотку мало, так как основной магнитный поток проходит по зоне минимального магнитного сопротивления, через зазор между зубом шихты магнитопровода на статор. Вследствие этого магнитный поток, пересекающий обмотку, будет невелик, а момент, создаваемый УМ, будет малым (патент 2280941, МПК Н 02 К 31/00, 2006 г.). Коллекторные УМ постоянного тока в генераторном режиме позволяют получить ЭДС и токи значительной величины в пределах их расчетной мощности. Недостатками обычных коллекторных машин постоянного тока являются наличие многоконтактного 3 12187 1 2009.08.30 щеточно-коллекторного узла, наличие в обмотке якоря пульсирующей ЭДС и связанных с ними помехами, необходимость применения шихтованного магнитопровода, сложность изготовления, высокие весогабаритные показатели и, как следствие, стоимость известной УМ. (А.В. Иванов - Смоленский. Электрические машины. - М. Энергия, 1980. -928 с., ил.,с. 704-706). Наиболее близкой к предложенной является УМ постоянного тока, содержащая статор в виде полого цилиндрического магнитопровода, подшипники с размещенной в них осью УМ и контактными кольцами, кольцевой соленоид с контактными выводами, дисковый магнитопровод с радиальной обмоткой возбуждения. При вращении ротора на магнитной подушке, автоматически создаваемой магнитными полями, в роторной камере создается вакуум (заявка , 2000123022, МПК Н 02 К 31/00, 2000 г.- прототипварианта). Недостатками известной УМ являются невысокие энергетические характеристики машины, сложность конструкции, большие габариты. Задачей изобретения является улучшение энергетических характеристик УМ постоянного тока, сохранение постоянного крутящего момента в процессе одного оборота во всем диапазоне скоростей вращения, использование для возбуждения повышенного напряжения, устранение кондуктивных и магнитных помех, упрощение конструкции, уменьшение габаритов. Вариант 1 Поставленная задача достигается тем, что в известной униполярной машине постоянного тока, содержащей статор в виде полого цилиндрического магнитопровода, ротор, вал которого размещен в подшипниках, выполненный в виде дискового магнитопровода с радиальной обмоткой возбуждения, источник магнитного поля в виде, по меньшей мере, одного постоянного кольцевого магнита с аксиальной намагниченностью, установленного коаксиально ротору, причем радиальная обмотка возбуждения выполнена в виде секций с установленным внутри магнитным шунтом, причем секции радиальной обмотки возбуждения расположены равномерно между секторами дискового магнитопровода, выполненными в плане Г-образными, с отогнутыми цилиндрическими стенками, установленными с минимальным зазором относительно внутренней поверхности статора, при этом дисковый магнитопровод ротора сопряжен с несущим диском, выполненным из немагнитного непроводящего материала с контактными кольцами, установленными с возможностью электрического соединения с контактами щеточного узла статора. Постоянный кольцевой магнит соосно размещен на внутренней поверхности статора. Постоянный кольцевой магнит соосно размещен внутри секций радиальной обмотки возбуждения ротора. Магнитопровод ротора выполнен сдвоенным, из двух частей, расположенных симметрично относительно магнитного шунта. Магнитный шунт выполнен из слоев магнитного и ферромагнитного материала. На Г-образных секторах дискового магнитопровода ротора выполнены отверстия. Вариант 2 В известной униполярной машине постоянного тока, содержащей статор в виде полого цилиндрического магнитопровода, ротор, вал которого размещен в подшипниках, выполненный в виде дискового магнитопровода с обмоткой возбуждения и контактными кольцами,источник магнитного поля в виде цилиндрического соленоида с контактными выводами,причем цилиндрический соленоид установлен с возможностью магнитного взаимодействия с магнитопроводом, выполненным в виде утолщенной части вала ротора, на которой перпендикулярно закреплен дисковый магнитопровод, выполненный в виде равномерно расположенных секторов, к которым перпендикулярно прикреплен цилиндр, причем обмотка возбуждения выполнена в виде секций, расположенных на цилиндре, аксиально оси вала ротора и равномерно между секторами, при этом цилиндр с обмоткой возбуждения установлен с минимальным зазором относительно внутренней поверхности статора. На магнитопроводе между секциями обмоток выполнены отверстия. 4 12187 1 2009.08.30 Магнитопровод статора содержит дополнительный магнитопровод, установленный коаксиально. Выполнение радиальной обмотки возбуждения в первом варианте УМ в виде дискового магнитопровода с радиальной секционной обмоткой возбуждения позволяет магнитному потоку источника магнитного поля пересекать одну половину обмотки возбуждения в одной плоскости, вызывая при этом силу Ампера, обеспечивающую момент вращения ротора. Магнитный поток входит в магнитопровод ротора, изменяет направление, разделяется на две части и выходит из ротора в плоскости, перпендикулярной плоскости обмотки без пересечения со второй половиной обмотки, входит в магнитопровод статора и возвращается в источник магнитного поля. Постоянство создаваемого крутящего момента достигается перемещением обмотки в постоянном по величине и направлению магнитном поле при постоянном непереключаемом активном (нереактивном) токе обмотки. Технический результат состоит в возможности применения повышенного напряжения при работе УМ в качестве двигателя и получении повышенного напряжения при работе УМ в качестве генератора постоянного тока, упрощении конструкции и технологии изготовления УМ, в повышении и надежности, снижении массы и, как следствие, ее стоимости. Все коллекторные двигатели с переключаемыми обмотками имеют ярко выраженный большой пусковой ток, в несколько раз превышающий номинальный. Это обусловлено тем, что в начальный момент пуска двигателя ток определяется лишь малым активным сопротивлением обмотки и только после набора оборотов ток становится меньше, и определяется в основном реактивным сопротивлением обмотки. В УМ обмотка имеет гораздо большее число витков и соответственно сопротивление, ток через нее имеет только активную составляющую и не изменяется с набором оборотов. Поэтому в УМ отсутствует пусковой ток и, а также и магнитная составляющая помех, поскольку в УМ нет многоконтактного щеточно-коллекторного узла, поэтому и не возникает импульсных токов при коммутации коллектора и кондуктивных помех по питающему напряжению, соответственно нет и излучаемых электромагнитных помех. Г-образное в плане выполнение магнитопровода обеспечивает минимальное магнитное сопротивление при передаче магнитного потока на магнитопровод статора. То, что магнитный шунт составлен из слоев диамагнитного и ферромагнитного материала, обеспечивает защиту второй части обмотки от силовых линий магнитного поля,которые не полностью были отведены магнитопроводом ротора, что также несколько увеличивает крутящий момент УМ. Отверстия, предусмотренные в магнитопроводе ротора, повышают эффективность конструкции по распределению магнитного потока и уменьшают его массу. Дальнейшая модификация УМ предполагает выполнение магнитопровода ротора сдвоенным, состоящим из двух частей, расположенных симметрично относительно магнитного шунта, также при наличии двух магнитов, все это приводит к симметричному возбуждению силы Ампера как в первой, так и во второй части обмотки, что позволяет получить удвоенный момент на валу УМ. Достоинством предложенных конструкций является простота возбуждения обмотки,облегченный цельный магнитопровод ротора без наборных пластин. Применение соленоида взамен постоянного магнита воварианте предложенной УМ позволяет работать как на переменном, так и на постоянном токе, поскольку магнитное поле в обмотках меняется синхронно. Поскольку выводы соленоида и обмотки ротора разделены, в этом варианте УМ можно применять как параллельное, так и последовательное возбуждение ротора. Предложенные конструкции УМ могут найти широкое применение в устройствах и установках с повышенными требованиями к кондуктивным помехам и требованиям к механическому вращающему моменту. Предложенные изобретения поясняются чертежами. 5 12187 1 2009.08.30 На фиг. 1 представлен общий видварианта предлагаемой УМ с постоянным магнитом, размещенным на внутренней поверхности статора, в аксонометрии в разрезе при отсутствии части статора и магнита на фиг. 2 - то же, что и на фиг. 1, вид сбоку в разрезе на фиг. 3 - общий видварианта УМ с постоянным магнитом, размещенным в роторе,вид сбоку в разрезе на фиг. 4 - общий видварианта УМ со сдвоенным магнитопроводом, вид сбоку в разрезе на фиг. 5 - общий видварианта УМ, вид сбоку в разрезе на фиг. 6 - общий видварианта УМ в аксонометрии в разрезе. Общий вид устройства предложенной УМ ( вариант) с постоянным кольцевым магнитом,размещенным на внутренней поверхности статора, представлен на фиг. 1, 2. Данный вариант предпочтительно использовать в УМ для относительно малых напряжений постоянного тока с высоким крутящим моментом, например, в бытовой технике, инструментах. УМ (двигатель) постоянного тока содержит статор 1, выполненный в виде полого цилиндрического магнитопровода из магнитомягкого материала. На внутренней поверхности статора 1 коаксиально установлен постоянный кольцевой магнит 2 с аксиальной намагниченностью. Ротор 3 выполнен в виде магнитопровода дисковой секторной формы,имеющий секции радиальной обмотки возбуждения 4 и изогнутые сектора магнитопровода 5. При этом секции радиальной обмотки возбуждения 4 расположены равномерно между изогнутыми секторами 5 дискового магнитопровода. Сектора дискового магниитопровода 5 выполнены в плане Г-образными, с изогнутыми цилиндрическими стенками,установленными с минимальным зазором е относительно внутренней поверхности статора 1. Такое исполнение обеспечивает минимальное магнитное сопротивление при передаче магнитного потока на магнитопровод статора 1. Ротор 3 имеет на своей плоскости отверстия 6 между секциями обмотки. Это позволяет уменьшить массу ротора и увеличить магнитный поток , пронизывающий обмотку возбуждения. Сектора обмотки намотаны поверх магнитопровода ротора 3 и имеют установленный внутри магнитный шунт 7, состоящий из слоя диамагнитного материала 8 и слоя ферромагнитного материала 9. Несущей конструкцией для ротора 3 является контактный диск 10, выполненный из немагнитного непроводящего материала с контактными кольцами 11. Ось 12 ротора 3, являющаяся валом двигателя, установлена в подшипниках 13. На корпусе статора 1 размещен щеточный узел 14 с контактами 15, через которые подается электрический ток. Применение контактного диска позволяет реализовать УМ первого варианта минимальной высоты, однако создает повышенный износ контактов. В предложенном варианте предусмотрено возможное исполнение с размещением постоянного кольцевого магнита 2 внутри ротора 3 одновременно с обмоткой (см. фиг. 3). В этом случае достигается наибольшая равномерность вращающего момента, так как сектора обмотки не перемещаются относительно неоднородностей поля, а вращаются вместе с ним. Однако в этом варианте ротор обладает большей массой. А также возможно исполнение магнитопровода ротора 3 сдвоенным, состоящим из двух расположенных симметрично относительно магнитного шунта 7 частей (фиг. 4). В этом случае обмотка возбуждения 4 наматывается поверх двойного магнитопровода 3 с магнитным шунтом 7. Магнитные поля от двух магнитов, каждое в отдельности, взаимодействуют со своей половиной обмотки. При таком исполненииварианта двигатель имеет наибольший момент на валу, наименьшую массу ротора, наименьший момент инерции. Ток подается через щеточный узел 14 с токоподающими контактами 15 на контактную втулку 16, выполненную из изолирующего материала с концентрическими токосъемными электродами 17, которые соединены с обмоткой возбуждения 4. 6 12187 1 2009.08.30 Прохождение магнитного потока для одной секции обмотки проходит следующим образом. Непрерывные магнитные линииисточника магнитного поля от постоянного кольцевого магнита 2 пересекают одну половину обмотки возбуждения 4 перпендикулярно плоскости контура витка обмотки, вызывают силу Ампера , входят в дисковый магнитопровод 3 ротора, изменяют направление, разделяются на две части 1, В 2 и выходят из ротора по обе стороны секции обмотки в другой плоскости, перпендикулярной плоскости обмотки, без пересечения со второй половиной обмотки, входят в магнитопровод статора 1 и возвращаются в источник магнитного поля 2. Цилиндрическая поверхность Г-образных секторов 5 дискового магнитопровода ротора 3 прилегает к внутренней цилиндрической поверхности статора с минимальным зазором, обеспечивая малое магнитное сопротивление магнитному потоку. Защиту второй части обмотки возбуждения 4 от силовых линий магнитного поля, которые не полностью отведены магнитопроводом ротора, обеспечивает магнитный шунт 7. Это увеличивает эффективность использования магнитного потока, что дополнительно увеличивает крутящий момент двигателя. Общий видварианта исполнения УМ представлен на фиг. 5, 6. Этот вариант УМ предназначен для работы на постоянном и переменном токах. Униполярная машина содержит статор 1, выполненный в виде полого цилиндрического магнитопровода. Источником магнитного поля служит цилиндрический соленоид 18 с контактными выводами 19, размещенный на статоре 1. Магнитопроводом соленоида 18 служит утолщенная ось 20 униполярной машины. На оси 20, выполненной заодно с подшипниками 13, размещен дисковый магнитопровод ротора 21 и закрепленный на нем цилиндрический магнитопровод ротора 22 с обмоткой 4. На корпусе статора 1 размещен щеточный узел 14 с контактами 15, через которые подается электрический ток. Перпендикулярно оси 20 установлен дисковый магнитопровод 21 ротора 3, выполненный в виде диска с равномерно расположенными секторами, на которых жестко закреплен цилиндрический магнитопровод ротора 22 с секциями аксиальной обмотки возбуждения 4. При этом обмотка намотана на цилиндрическом магнитопроводе 22 таким образом, что сектора намотки размещены между узлами соединения секторов дискового магнитопровода 21 с цилиндром 22. Цилиндрический магнитопровод 22 выполнен с отверстиями 6 между секциями обмотки. Цилиндр магнитопровода 22 с обмоткой возбуждения 4 установлен с минимальным зазором е относительно внутренней поверхности статора 1. Остальные узлы аналогичны 1 варианту УМ. Статор УМ имеет дополнительный коаксиальный магнитопровод 23, он позволяет еще более уменьшить магнитное сопротивление между статором и ротором, увеличить крутящий момент на валу УМ в режиме двигателя. Поскольку контактные выводы 19 соленоида 18 и контакты обмотки возбуждения 15 разделены, в предложенном варианте УМ можно применять как параллельное, так и последовательное возбуждение обмоток УМ. От полярности соединения обмоток возбуждения и соленоида зависит направление вращения оси 20 УМ. УМ может работать как на переменном, так и на постоянном токе, поскольку магнитное поле в обмотках возбуждения меняется синхронно, а поскольку в предложенном варианте нет переключаемых обмоток, то и при работе в сетях переменного и постоянного тока УМ не вырабатывает кондуктивных помех. При питании обмоток возбуждения и соленоида одновременно переменным током вращающий момент УМ постоянен по направлению, однако будет пульсировать с частотой питающего тока. В случае же питания их одновременно постоянным током постоянный равномерный характер вращающего момента будет аналогичен моменту первого варианта УМ. 7 12187 1 2009.08.30 Автором разработаны опытные образцы предложенных вариантов УМ. Техническим результатом являются испытания опытных образцов. Подтверждено, что в процессе работы УМ не имеет пускового тока и не инжектирует помех в цепи питающего напряжения, и не производит излучения электромагнитных помех. Использование предложенных изобретений позволит получить обратимые УМ при небольших габаритах, эффективные в работе и простые в обслуживании. Первый вариант УМ предпочтительно использовать для относительно малых напряжений возбуждения обмотки. Необходимость повышения питающего напряжения для первого варианта приводит в первую очередь к увеличению диаметра УМ при сохранении его высоты. Он более всего подходит для портативных применений. Второй вариант УМ предпочтительно использовать для больших напряжений возбуждения обмотки, в этом случае увеличивается длина УМ. Соответственно необходимо принимать меры по дополнительному закреплению обмотки на поверхности цилиндрического магнитопровода. Ввиду того, что ток всех вариантов УМ определен активной составляющей сопротивления обмотки, необходимо предпринять конструктивные решения по ее охлаждению, например реализовать продувку воздухом при вращении ротора. Для предотвращения искрения в контактах щеточного узла целесообразно соединить параллельно обмотке фильтрующий конденсатор с напряжением пробоя, в несколько раз превышающим питающее напряжение. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8