МАШИНА ПОСТОЯННОГО ТОКА С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ КОММУТАТОРОМ
DC MACHINE WITH LIQUID METAL SWITCH

Изобретение относится к электрическим машинам, в частности к машинам постоянного тока (МПТ). Наиболее близким по сущности аналогом предложенной МПТ является МПТ с механическим коммутатором, коллектором со скользящими щеточными контактами.
Названная машина обладает некоторыми недостатками в конструктивном исполнении, заключающимися в том, что она включает в себя вращающиеся якорную обмотку и коллектор, по поверхности последнего из которых в ходе ее работы беспрерывно скользят несколько пар щеточных контактов. Это приводит и интенсивному износу скользящих друг о друга ее деталей из-за трения скольжения, соответственно, к сужению области ее применения в связи с возникающим при этом искрением между ними. Кроме того, вращающиеся обмотки якоря ограничивают в определенной степени угловую скорость ее ротора.
Техническим результатом изобретения является существенное увеличение долговечности машины, расширение области ее применения и увеличение надежности в работе.
Технический результат достигается тем, что в конструкции предложенной МПТ якорная обмотка неподвижна, а вращается индуктор, состоящий из постоянных магнитов и центрального магнитопровода, установленных на общий вал вращения, а вместо подвижного коллектора со скользящими по нему щеточными контактами в ней применяется жидкометаллический коммутатор.
Предложена машина постоянного тока с жидкометаллическим коммутатором, содержащая подвижный индуктор и неподвижный якорь, разделенные между собой воздушными зазорами, и жидкометаллический коммутатор, отличающаяся тем, что, если подвижный индуктор состоит из двух постоянных магнитов, насаженных соответственно южным и северным полюсами на диаметрально противоположные стороны центрального, установленного на вал вращения, цилиндрического магнитопровода, то якорь состоит из внешнего, полого, цилиндрического неподвижного магнитопровода, во внутренних пазах которого уложена его обмотка, а жидкометаллический коммутатор состоит из расположенных рядом диэлектрическими, с отверстиями для свободного прохождения вала вращения, основаниями четырех цилиндрических металлических емкостей, несколько наполненных электропроводящими жидкостями, в первых двух из которых, соединенных, соответственно, прямыми и обратными проводами обмотки якоря, на валу вращения установлены по одному электропроводящему, несколько погруженному в указанные жидкости острыми краями диску, каждый из которых электрически соединен соответствующими диаметрально устроенными парами металлических секторов двух смежных комбинированных дисков, установленных также в следующих двух таких же емкостях, соединенных, соответственно, положительной и отрицательной клеммами внешнего источника постоянного напряжения.
На фигурах 1 и 2 показаны соответственно продольные и поперечные разрезы предложенной МПТ. На фигурах 3 и 4 показаны разрезы металлических емкостей, соответственно, металлического и комбинированного с металлическими узкими секторами дисков с электропроводящими жидкостями.
На фигурах принято следующее обозначение: 1. Диэлектрический вал вращения, 2. Центральный цилиндрический магнитопровод, 3. Обмотка якоря, 4. Постоянный магнит индуктора, 5. Внешний цилиндрический магнитопровод с внутренними пазами, 6. Соединительный магнитопровод, 7. Металлический диск, 8. Диэлектрическое основание, 9. Цилиндрическая металлическая емкость, 10. Узкий металлический сектор комбинированного диска, 11. Широкий диэлектрический сектор комбинированного диска, 12. Электропроводящая жидкость.
я
я
я
МПТ с жидкометаллическим коммутатором работает следующим образом. При подаче постоянного напряжения на правые две металлические емкости, через их электропроводящие жидкости 12, металлические сектора 10, соединительные электропровода 6, металлические диски 7 и электропроводящие жидкости 12 двух левых емкостей постоянный ток i поступает на обмотку якоря 3 по направлению, указанному на фиг.1. Тогда эти токи якоря начнут взаимодействовать результирующим магнитным полем двух постоянных магнитов 4 индуктора по правилу «левой руки». В этом случае ротор, на валу вращения 1 которого установлены соответствующие четыре диска жидкометаллического коммутатора, начинает вращаться по направлению часовой стрелки, указанному на фигурах 1 и 2, с угловой скоростью ω. Через четверть оборота все металлические сектора 10 двух правых комбинированных дисков на мгновение окажутся вне электропроводящих жидкостей 12 коммутатора. Тогда ток i перестает течь через обмотки 3 якоря предложенной МПТ. Но ротор продолжает при этом вращаться по инерции, и через некоторое мгновение в электропроводящих жидкостях 12 окажутся очередные металлические сектора 10 комбинированных дисков. Это означает, что по обмотке якоря 3 опять потечет ток i, но уже с другим знаком, то есть по направлению, противоположному первоначальному. Так как к этому времени полюса постоянных магнитов 4 индуктора поменяются местами, то направления действия на них электромагнитных сил останутся такими же, как и вначале. Дальше процессы начнут повторяться, и ротор быстро наберет номинальную скорость вращения.
я
В режиме генератора, при вращении индуктора от постороннего двигателя, в неподвижной обмотке якоря 3 начнет индуцироваться переменный ток i, частота которого будет определяться угловой скоростью вращения индуктора. Этот переменный ток поступит на металлические диски 7 двух первых металлических емкостей 9, которые в течение одного оборота по одному разу будут соединяться клеммами обоих полярностей электрического вывода МПТ через металлические сектора 10 комбинированных дисков следующих двух металлических емкостей 9 жидкометаллического коммутатора. Это означает, что индуцированный переменный ток якоря, проходя через жидкометаллический коммутатор, потечет во внешнюю цепь в выпрямленном виде, то есть как постоянный ток.
При этом необходимо отметить, что проблемы, имеющиеся у униполярных машин в связи периферийными жидкостными контактами, у предложенной МПТ практически отсутствуют. Это следует из того, что угловая скорость ее ротора существенно ниже по сравнению с угловой скоростью ротора УМ. Кроме того, в жидкометаллическом коммутаторе предложенной МПТ применяются несмачиваемые электропроводящие поверхности (жидкости и материалы дисков).
Источники информации
1. Бертинов А.И. и др. Униполярные электрические машины с жидкометаллическими токосъемами. - М., Л.: Энергия, 1966.
2. Бертинов А.И. Специальные электрические машины. - М.: Энергия, 1982.
3. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. - М.: Высшая школа, 1990.
4. Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Электроатомиздат, 1986.
5. Костенко М.П. и др. Электрические машины. Ч.1. - Л.: Энергия, 1973.