ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ПОСТОЯННОГО ТОКА
DC ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к электромеханическому преобразованию электрической энергии и может быть использовано в электротехнической и электромашиностроительной промышленности и на транспорте в качестве электрического привода с низковольтным питанием.
Известна бесконтактная машина постоянного тока - вентильный двигатель, представляющий собой машину с многофазным неподвижным якорем, питающимся от инвертора, управляемого синхронно с вращением ротора, снабженного обмоткой возбуждения или постоянными магнитами [А.В.Иванов-Смоленский. Электрические машины. Т.2. М.: 2004. МЭИ. С.367-368].
Несмотря на надежность и большой срок службы, вентильные машины не лишены недостатков.
1. Вследствие питания переменным током многофазной якорной обмотки, как и у машин переменного тока, у вентильных машин часть энергии теряется на перемагничивание стали и на нагрев железа токами Фуко.
2. В целях снижения магнитных потерь магнитопровод якоря выполняют из высококачественной электротехнической стали, что удорожает машину.
3. На малых оборотах машина практически переходит в шаговый режим, что снижает ее экономичность.
Известна машина постоянного тока, представляющая собой электрическую машину, обмотка якоря которой соединяется с электрической сетью постоянного тока с помощью механического преобразователя частоты - коллектора с системой щеток [А.В.Иванов-Смоленский. Электрические машины. Т.2. М.: 2004. МЭИ. С.264-263].
Недостатки коллекторных машин постоянного тока.
1. Вследствие питания переменным током многофазной якорной обмотки, как и у машин переменного тока, у коллекторных машин постоянного тока часть энергии теряется на перемагничивание стали и на нагрев железа токами Фуко.
2. В целях снижения магнитных потерь магнитопровод якоря выполняют из высококачественной электротехнической стали, что удорожает машину.
3. Электромеханический преобразователь частоты - коллектор с системой щеток усложняет и удорожает электрическую машину, затрудняет коммутацию больших токов.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению относится униполярная машина постоянного тока, у которой наводимая в проводниках якоря ЭДС сохраняет неизменное направление по отношению к этим проводникам при одностороннем вращении якоря, так как проводники якоря пересекают однонаправленное в активной зоне машины магнитное поле индуктора, при этом машины выполняются с коаксиальными катушками возбуждения, расположенными на статоре; якори могут быть цилиндрическими полыми, массивными или дисковыми, изготовленными из немагнитного или магнитного материала; для отвода тока используют твердые щетки или жидкий металл, помещенный в зазор между кольцевыми электродами ротора и статора [А.И.Бертинов, Д.А.Бут, С.Р.Мизюрин, Б.Л.Алиевский, Н.В.Синева. Специальные электрические машины. - М.: Энергоиздат, 1982, c.310-311].
Недостатки униполярных машин:
1. Коррозионное воздействие жидкого металла на кольцевые электроды.
2. Токсичность ртути, высокая чувствительность калиево-натриевой эвтектике к влаге и повышенные гидродинамические потери сплавов галлия с индием и оловом.
3. Сложности сохранения жидкого металла в зазоре между кольцами при отсутствии вращения ротора и вызванные этим затруднения с пуском электрической машины.
4. Необходимость герметизации внутренней полости электрической машины и поддержания в ней повышенного давления инертного газа.
5. При зональном струйном или многощеточном токосъеме появляются продольные составляющие МДС якоря и пульсирующий магнитный поток в якоре, ухудшающие характеристики машины.
6. Кольцевой жидкометаллический токосъем усложняет и удорожает машину.
7. Многощеточный токосъем ведет к усложнению щеточного аппарата и к недопустимым потерям на трение и электрическим потерям в контакте.
Задачей изобретения является повышение КПД машины за счет снижения электрических и магнитных потерь, упрощение токосъема и снижение стоимости за счет предлагаемых конструктивных особенностей.
Поставленная задача достигается электрической машиной постоянного тока - униполярной с коаксиальной катушкой возбуждения, расположенной на статоре, с цилиндрическим полым или дисковым якорем, изготовленным из магнитомягкого материала, причем для отвода тока с якоря используются двухсторонние твердые кольцевые щетки из антифрикционного материала высокой проводимости, контактирующие с обеими боковыми поверхностями периферийной части якоря, а катушка возбуждения выполняется проводом из ферромагнитного материала.
Новые существенные признаки.
1. Применение твердых кольцевых щеток упрощает щеточный аппарат по сравнению с многощеточными твердыми токосъемами и удешевляет электрическую машину по сравнению с жидкометаллическим токосъемом.
2. Твердый кольцевой токосъем позволяет получать по всему сечению якоря неизменный поток тока и исключает появление «жгутов тока».
3. Отсутствие в якоре машины «жгутов тока» исключает продольные составляющие МДС якоря и пульсацию магнитного потока в якоре, снижающие КПД машины.
4. Применение ферромагнитного материала для обмотки возбуждения удешевляет электрическую машину и позволяет снизить магнитный поток рассеяния.
5. Съем электрического тока с обеих сторон ротора исключает осевое усилие, деформирующее ротор, уменьшает нагрузку на подшипники и позволяет повысить ток машины с дисковым ротором.
6. Отсутствие деформаций диска ротора позволяет уменьшить диамагнитный зазор между ротором и статором, снизить магнитное сопротивление цепи и расход электрической энергии на создание магнитного потока машины.
7. Щетки из антифрикционного материала высокой проводимости снижают потери на трение и электрические потери в контакте.
Перечисленная совокупность признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Технический результат обеспечивается наличием в устройстве твердых кольцевых щеток (1) (Фиг.1 и 2), что упрощает щеточный аппарат по сравнению с многощеточными твердыми токосъемами и удешевляет электрическую машину по сравнению с жидкометаллическим токосъемом. Твердые кольцевые щетки (1) из антифрикционного материала высокой проводимости снижают потери на трение и электрические потери в контакте.
Применение ферромагнитного материала - стали для обмотки возбуждения (2), расположенной коаксиально на статоре (3) с цилиндрическим полым (4) или дисковым (5) якорем, изготовленными из магнитомягкого материала, удешевляет электрическую машину, повышает тяговые характеристики, позволяет снизить магнитный поток рассеяния обмотки возбуждения (2) и снизить магнитное сопротивление в зазоре между полюсами статора (3) машины, в котором расположен якорь машины (4) или (5); двухсторонние твердые кольцевые щетки позволяют увеличить ток в машинах с дисковым якорем (5) и исключают осевые нагрузки на вал машины, в том числе и машины с цилиндрическим полым якорем (4).
Кольцевые щетки (1) исключают перемагничивание ферромагнитного материала ротора (4) или (5), так как «шнуры» постоянного тока, текущие от периферийной части дискового ротора из каждой точки кольцевых щеток (1), не меняют своего пространственного положения, сливаясь в токовую диафрагму, вращающуюся вместе с ротором, что снижает потери электрической машины и повышает ее коэффициент полезного действия. Контактирование кольцевых щеток (1) из антифрикционного материала высокой проводимости с обеими боковыми поверхностями периферийной части якоря, выполненного из магнитомягкого материала, снижает потери на трение и электрические потери в контакте. Отсутствие деформаций ротора позволяет уменьшить диамагнитные зазоры между ротором и статором (3), снизить магнитное сопротивление цепи и расход электрической энергии на создание магнитного потока машины.
Выполнение обмотки (2) статора (3) коаксиально на его наружной поверхности снимает ограничения с сечения обмоточного провода статора, позволяя довести сопротивление обмотки (2) статора (3) до сколь угодно малой величины и снизить потери в ней.
Перечень позиций на Фиг.1
1 - Кольцевые твердые щетки из антифрикционного материала высокой проводимости.
2 - Коаксиальная катушка возбуждения из ферромагнитного материала.
3 - Статор.
4 - Цилиндрический полый якорь из магнитомягкого материала.
Перечень позиций на Фиг.2
1 - Кольцевые твердые щетки из антифрикционного материала высокой проводимости.
2 - Коаксиальная катушка возбуждения из ферромагнитного материала.
3 - Статор.
5 - Дисковый якорь из магнитомягкого материала.