ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА

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, отличающийся 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 к.п.д. 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 электрической машины, выполнение ее без скользящих контактов при значительном упрощении конструкции и увеличении надежности и долговечности ее работы.

Указанные цели достигаются в заявляемой электрической машине, содержащей намагниченный ротор с осью вращения и статор с рабочей обмоткой, причем ротор выполнен из магнитомягкого материала гантелеобразной формы с цилиндрическими полюсами, между которыми бесконтактно установлена относительно тела ротора катушка его подмагничивания, закрепленная неподвижно на статоре, отличающейся тем, что статор выполнен из закрепленных внутри полого цилиндра из магнитомягкого материала двух статорных вкладышей - полюсов статора, выполненных в форме полых цилиндров из магнитомягкого материала, внутренняя поверхность каждого из которых содержит продольные пазы, параллельные оси вращения ротора, для укладки в них проводников с глубиной и шириной пазов, равных или несколько больших диаметра используемого проводника в обмотках машины, а наружная поверхность имеет такое же количество аналогичных продольных пазов, но с двойной глубиной (под пару проводников), в каждом из магнитных зазоров расположены по две обмотки - рабочая и компенсирующая - с числом витков каждой, равным числу пар пазов на статорных вкладышах, компенсирующая обмотка намотана непосредственно на статорных вкладышах, внутри которых размещены тонкостенные цилиндры из немагнитного материала (диэлектрика), и рабочие обмотки намотаны на составленных парах - статорный вкладыш с обмоткой компенсации - тонкостенный цилиндр из немагнитного материала с минимально допустимым зазором рабочей обмотки от цилиндрической поверхности магнитных полюсов ротора, все пять обмоток машины выполнены из одного и того же проводника и включены между собой последовательно к внешнему источнику постоянного тока, при этом токи в частях витков рабочих обмоток, обращенных с малым зазором к цилиндрическим полюсам ротора, протекают в одном и том же направлении в каждой данной рабочей обмотке и противоположно токам в другой рабочей обмотке, кроме того, рабочие и компенсирующие обмотки для соответствующих полюсов ротора включены между собой встречно, что не вызывает намагничивания статорных вкладышей по их образующим для увеличения магнитной проницаемости замкнутой магнитной цепи «ротор-статор».

Достижение целей изобретения объясняется многовитковостью двух рабочих обмоток статора, которые подключаются непосредственно к источнику постоянного тока без скользящих контактов, поскольку являются неподвижными вместе с катушкой подмагничивания ротора, устройство содержит минимум надежно работающих элементов, а износу подлежат лишь подшипники оси вращения ротора, являющиеся долговечными в работе элементами. Кроме того, снижение магнитного сопротивления магнитной цепи «ротор-статор» достигается включением компенсирующих обмоток встречно к соответствующим рабочим обмоткам для каждого из полюсов ротора, так что магнитные моменты доменов в теле статорных вкладышей располагаются радиально, то есть вдоль магнитных силовых линий между полюсами ротора и статора, а не наклонно или поперек к ним, как это имеет место при отсутствии компенсирующих обмоток. Работы аналогичного назначения опубликованы автором в [8-10].

Изобретение поясняется представленными рисунками.

На рис. 1 представлен центральный разрез заявляемой электрической машины, включающей следующие элементы:

1 - ротор гантелеобразной формы с цилиндрическими полюсами радиуса R_P, их длиной h и c диаметром D_Ж средней части ротора с осью вращения, выполнен из магнитомягкого материала,

2 - статорный полый цилиндр из магнитомягкого материала, например Ст-3, с радиусом внутренней поверхности R_C,

3 - первый тонкостенный цилиндр из немагнитного материала, например Д-16,

4 - первый статорный вкладыш из магнитомягкого материала, например Ст-3,

5 - второй тонкостенный цилиндр из немагнитного материала (или диэлектрика),

6 - второй статорный вкладыш из магнитомягкого материала,

7 - первая рабочая обмотка,

8 - первая компенсирующая обмотка,

9 - вторая рабочая обмотка,

10 - вторая компенсирующая обмотка,

11 - обмотка подмагничивания ротора 1,

12 - первая крышка из немагнитного материала, например силумина или Д-16,

13 - вторая крышка из немагнитного материала,

14 - подшипники оси ротора 1 в крышках 12 и 13,

15 и 16 - изоляторы выводов обмоток.

Длина статорных вкладышей 4 и 6, а также тонкостенных цилиндров 3 и 5 имеют такую же длину h, как и длина полюсов ротора.

Машина подключается выключателем Вк к источнику постоянного тока, например к батарее аккумуляторов с напряжением U, а протекающий в обмотках ток I измеряется амперметром А.

На рис. 2 показан вид на статорный вкладыш 4 или 6 вдоль оси вращения ротора, а на рис. 3 дана линейная развертка статорного вкладыша с пазами для прокладки в них проводников с наружным диаметром d. Пазы наружной части вкладышей вдвое глубже пазов во внутренней их части.

Рисунки 4 и 5 поясняют силовое действие проводника с током I длиной h в поперечном магнитном поле с магнитной индукцией В в магнитном зазоре длиной L=R_C-R_P, возникающей вследствие намагничивания ротора 1 (рис. 1) постоянным током I в катушке подмагничивания 11. Рис. 4 дан для пояснения обобщенной магнитной цепи - электромагнита. Рис. 5 дан для реальной магнитной цепи рассматриваемой машины, в частности, при оценке сил, действующих на магнитные полюсы ротора и статора в зависимости от отношения Δ/L, то есть от расположения проводника рабочей обмотки, ближайшего к поверхности ротора, внутри магнитного зазора между ротором и статором.

Рассмотрим работу заявляемой электрической машины.

При протекании постоянного тока в катушке подмагничивания 11 ротор 1 намагничивается и на его цилиндрических полюсах N и S возникает квазиоднородное радиально направленное магнитное поле, замыкаемое через два магнитных зазора, пару статорных вкладышей 4 и 6, а также статорный полый цилиндр 2. Первая 7 и вторая 9 рабочие обмотки тороидальной конфигурации и с прямоугольным сечением витков намотаны на соответствующих парах элементов - тонкостенного цилиндра из немагнитного материала 3 (или 5) и статорного вкладыша 4 (или 6) из магнитомягкого материала, и при этом части их витков длиной h расположены вблизи соответствующего магнитного полюса N (или S) ротора 1, а противоположные части витков экранированы от магнитного поля в магнитном зазоре между полюсами ротора и статора, поскольку располагаются внутри магнитопроводящего тела статора. Расположенные вблизи магнитных полюсов ротора части витков ориентированы скрещенно к векторам магнитного поля, поэтому протекающий в них постоянный ток вызывает по закону Фарадея силу - F, действующую на проводник со стороны магнитного поля в соответствии с известным правилом «левой руки». Эта сила ортогональна как векторам магнитной индукции для соответствующих частей проводников, так и ориентации самих этих проводников длиной h, расположенных параллельно оси вращения ротора. Следовательно, эта сила расположена параллельно касательной к поверхности ротора в соответствующей точке расположения того или иного проводника.

Хорошо известно, что в случае незакрепления электродвигателя любого типа при его включении к электросети в соответствии с законом сохранения момента импульса ротор и статор такого двигателя стали бы вращаться во взаимно противоположных направлениях для стороннего наблюдателя. Именно поэтому статор двигателя надежно закрепляют в соответствующей конструкции, обеспечивая его неподвижность. Из этого простейшего наблюдения следует, что сила, действующая на проводник с током в поперечном магнитном поле, с одной стороны приложена к проводнику, а с другой стороны по третьему закону Ньютона приложена к физическим телам, образующим магнитное поле, каковыми являются магнитные полюсы ротора и статора. И при этом в силу принципа относительности движения не имеет значения, будет ли проводник двигаться под действием возникающей силы относительно неподвижных магнитных полюсов или, наоборот, будут ли двигаться в противоположном направлении магнитные полюсы относительно неподвижно закрепленного проводника с током, если обеспечить подвижность магнитным полюсам ротора и статора, то есть движение будет осуществляться по правилу «правой руки».

Сила реакции F, как известно, равна и противоположно направлена по отношению к силе Лоренца, то есть опирается на магнитные полюсы - подвижного ротора и неподвижного статора. Таким образом, имеет место разложение силы реакции на две составляющие, действующие под определенными углами и величинами к ротору и статору в магнитных зазорах. Эти углы и соотношение величин векторов сил зависят от положения рабочих частей проводников рабочих обмоток внутри магнитных зазоров. Известно, что для одиночного проводника с током в магнитном зазоре шириной L (рис. 5) при расстоянии от центра проводника диаметром d до поверхности ротора, равном Δ, при толщине немагнитных тороидов 3 и 5, равной L-Δ-d/2, где L - ширина магнитного зазора между ротором 1 и статорным вкладышем 4 (или 6), воздействующая на такой проводник сила Лоренца F с постоянным током I в нем находится по правилу «левой руки» из выражения: F=-BhI (знак определяется направлением тока в проводнике), где B - магнитная индукция в магнитном зазоре между ротором и статором. Можно легко показать, что составляющая силы противодействия, воздействующая по касательной на ротор 1 от одного такого проводника, равна F_P=Fcos²φ=Fcos²(πΔ/2L) по правилу «правой руки» (см. рис. 5). Отметим, что противоположная часть витка находится в магнитном экране, внутри магнитопровода статора, и магнитное поле с этой частью рабочей обмотки не взаимодействует. Также оно не взаимодействует с частями проводников каждого из витков, соединяющих вышеуказанные части проводников, поскольку они расположены коллинеарно векторам магнитного поля. Если каждая из двух рабочих обмоток 7 и 9 содержит по n витков, то общий вращательный момент M, приложенный к ротору, оказывается равным:

где R_P - радиус полюсов ротора.

Под действием этого момента ротор раскручивается от протекающего в рабочих обмотках 7 и 9 тока I с угловой скоростью ω в том или ином направлении в зависимости от полярности приложенного напряжения U к последовательно соединенным пяти обмоткам. Если пренебречь потерями, связанными с моментом трения в паре подшипников 14, и при отсутствии присоединенной к оси вращения ротора 1 механической нагрузки, установившееся значение угловой скорости вращения ротора ω_УСТ ограничивается возникающей в двух рабочих обмотках э.д.с. индукции E, полярность которой противоположна приложенному к рабочим обмоткам напряжению, равной E=U-I(r_М+2r_P+2r_K) где r_М - активное сопротивление проводника обмотки в катушке подмагничивания 11, r_P - сопротивление рабочей обмотки 7 (9), r_K - сопротивление компенсирующей обмотки 8 (10) постоянному току. Причем имеет место равенство:

и из выражения (2) находится значение ω_УСТ с учетом того, что угловая скорость вращения магнитного поля ω_Н вдвое меньше угловой скорости ω вращения ротора 1, то есть ω_Н=ω/2. Последнее связано с доменной структурой ферромагнетиков, при которой домены одного магнитного полюса связаны магнитными силовыми линиями поля с близлежащими доменами другого полюса, и перемещение одного полюса относительно другого вызывает сначала вытягивание магнитных силовых линий между связанными доменами полюсов, а затем срыв магнитных силовых линий с одного домена на другой, более близкий, а вероятности срыва с домена того или другого полюса (движущегося и неподвижного) являются приблизительно одинаковыми. Срыв магнитных силовых линий с движущихся доменов (ротора) не влияет на вращение магнитного поля, а срыв с неподвижных доменов (статора) определяет вращение магнитного поля.

Для выражения (2) можно записать, что nBh=[U-I(r_M+2r_P+2r_K)]/ω_УСТ(R_P+Δ), и после подстановки в выражение (1) получим мощность P_УСТ вращательного движения в установившемся («холостом») режиме:

и с учетом того, что R_P>>Δ, получим с большой точностью выражение:

Потребляемая от источника постоянного тока мощность P_O=IU, и тогда к.п.д. η машины в «холостом» режиме определяется как

Поскольку R_O>>r_M+2r_P+2r_K, можно приблизительно оценивать к.п.д. машины в «холостом» режиме как:

Так, для значения η≈0,95 для отношения Δ/L получаем выражение cos(πΔ/2L)=0,689, откуда имеем для отношения Δ/L=2·0,81/3,14=0,516, то есть центр проводника, создающего силовую реакцию на ротор, располагается приблизительно в середине магнитного зазора. Для данного примера можно найти толщину стенки ξ немагнитных цилиндров 3 и 5, задавшись диаметром проводника d и зазором между наружной частью проводника и поверхностью ротора σ=Δ-d/2, тогда получаем, что толщина стенки ξ=L-(d+σ). Задаваясь значением диаметра d проводника обмоток машины и зазором σ, можно найти толщину магнитного зазора между ротором и статором L=Δ/0,516=(d/2+σ)/0,516 и толщину немагнитных цилиндров 3 и 5 в виде: ξ=[(d/2+σ)/0,516]-d-σ. При этом имеем два независимых уравнения с двумя неизвестными L и σ при заданном значении диаметра проводника d. Так, имеем уравнения: L=0,969d+1,938σ, ξ=0,938σ-0,003d. Если d=3 мм и σ=1 мм, то получим: L=4,84 мм и ξ=0,84 мм, при этом центр проводника находится приблизительно в середине магнитного зазора, так что Δ/L=0,516.

При плотности тока для медного проводника j=10 А/мм² полный ток машины может составить для рассматриваемого примера I_МАХ=πd²j/4=70,65 А. При напряжении источника постоянного тока на зажимах машины U=756 В (при 60-и последовательно соединенных аккумуляторных батареях напряжением по 12,6 В) потребляемая мощность такой машины составляет P_O=756·70,65=53411 Вт=53,4 кВт. При этом сопротивление R_O=10,7 Ом, и оно должно быть много больше величины сопротивлений обмоток r_М+2r_P+2r_K≤0,5 Ом, чтобы к.п.д. η≈0,95. При встраивании таких двигателей в каждое из четырех колес электромобиля его рабочая максимальная мощность составит более 200 кВт (более 270 л.с.).

Следует отметить, что применение компенсирующих обмоток 8 и 10 позволяет снизить потери в цепи магнитопровода «ротор-статор». Действительно, при отсутствии этих обмоток за счет протекающего тока в рабочих обмотках в тороидальном магнитопроводе статорных вкладышей 4 и 6 возникает круговое магнитное поле, которым домены этой части статора ориентируются поперек (или под наклоном) радиального магнитного поля в магнитных зазорах, что заметно снижает магнитную проницаемость ферроматериала статорных вкладышей в радиальном направлении, то есть как бы увеличивает воздушный зазор в магнитной цепи «ротор-статор» против величины 2L. Это обстоятельство и вызывает необходимость компенсации такого кругового намагничивания статорных вкладышей 4 и 6 путем наложения на них компенсирующих обмоток 8 и 10, ток в которых создает равное и встречно направленное круговое магнитное поле, и при этом круговая намагниченность статорных вкладышей отсутствует. Компенсирующие обмотки располагаются в продольных пазах, поэтому не влияют на работу машины, не создавая силовой реакции на ротор в противоположном направлении.

Сплошными стрелками на рис. 1 показан ток в рабочих обмотках, а пунктирными - ток в компенсирующих обмотках, имеющих такое же количество витков n, как и в рабочих обмотках. Магнитный поток показан фигурными стрелками.

Магнитная индукция B в магнитных зазорах для каждого из полюсов ротора шириной L определяется магнитным потоком Ф, создаваемым катушкой подмагничивания 11 и площадью S магнитного полюса S=2πR_Ph, так что В=Ф/2πR_Ph. При этом важно заметить, что магнитная индукция В=В_Ж(D_Ж ²/8R_Ph), где Dж - диаметр железного сердечника средней части ротора, охваченного бесконтактно катушкой подмагничивания 11, а В_Ж - магнитная индукция, создаваемая ампер-витками IN катушки подмагничивания 11, где N - число витков этой катушки. Можно получить значение В_Ж=1,5 Тл при использовании железного ротора. Число витков N при этом определяется при заданном токе I из формулы IN=В_Ж[(l_Ж/µ)+2L]/µ_O, где l_Ж - полная длина магнитопровода системы «ротор-статор», как это видно на рис. 4, µ - относительная магнитная проницаемость железа (при подмагничивании без насыщения можно принять µ≥1000), µ_O=1,256.10^-6 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость (магнитная постоянная). При этом имеем неравенство l_Ж>>2L (размеры в метрах).

Заявляемое устройство может работать как в режиме бесколлекторного двигателя постоянного тока, так и в режиме генератора постоянного тока, как известные двигатели-генераторы постоянного тока.

В режиме двигателя заявляемое устройство отличается повышенным быстродействием, поскольку отсутствуют переходные процессы, характерные коллекторным двигателям. Кроме того, рабочие обмотки машины работают полностью, по всем их виткам, а не частично, как это имеет место в коллекторных двигателях постоянного тока, что способствует повышению мощности двигателя. При увеличении напряжения питания можно получать скорости вращения ротора, характерные скоростям гироскопов (то есть возможно построение гироскопов постоянного тока при соответствующей динамической балансировке ротора). Важным отличием заявляемой электрической машины является ее простота конструкции. Так, ротор машины - это простая токарно обработанная железная болванка без каких-либо обмоток на ней.

Заявляемое устройство может найти широкое распространение в технике, например в электромобилях и тяговых двигателях железнодорожных локомотивов при повышенном напряжении контактной сети электропоездов (до 3000 В), в бытовых приборах и в промышленном производстве, например в станкостроении.

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, Электричество, М., 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 бюлл. №16 от 10.06.2010.

8. О.Ф. Меньших, Способ возбуждения униполярной индукции, Материалы XIII Международной телеконференции "Актуальные проблемы современной науки", секция 5, Физика, математика и кибернетика, опубл. 19.02.2014.

9. О.Ф. Меньших, Бесколлекторный генератор постоянного тока, Allbest.ru, «База знаний», «Электрические машины», опубл. 25.10.2013.

10. О.Ф. Меньших, Бесколлекторный двигатель постоянного тока, Allbest.ru, «База знаний», «Электрические машины», опубл. 08.12.2013.