УНИВЕРСАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ТОРОИДАЛЬНАЯ МАШИНА

Предлагаемая к патентованию полезная модель относится к электротехнике, конкретно, к универсальным электрическим машинам, которые могут быть использованы для получения электрической энергии или для создания крутящего момента.
Известна магнитоэлектрическая машина, содержащая якорь с пазами, обмотку, витки которой уложены в пазы, и ротор с постоянными магнитами (см. патент РФ на ИЗ №2518489). Наиболее близкой, на наш взгляд, к предлагаемой полезной модели является электрическая машина (далее - машина) по патенту РФ на ИЗ №2390087, - прототип. Якорный магнитопровод указанной машины содержит кольцевой сердечник, выполненный из обечайки, внутри которой размещен ряд выступов. На выступы внутри намотаны катушки якорной обмотки. Начала и концы катушек соединены между собой в определенном порядке. Машина также содержит ротор с индуктором, который включает сердечник с явно выраженными полюсами и катушечную обмотку. К недостаткам прототипа следует отнести неэффективное использование сердечника якорного магнитопровода, так как для концентрации магнитного потока, воздействующего на генерирующую обмотку якоря, используется только внутренняя часть магнитоповода, на которой расположены выступы для секций обмотки. Наружная часть сердечника не используется, что приводит к снижению эффективности машины.
Технической задачей является повышение эффективности электрической машины.
Технический результат достигается тем, что в универсальной электрической тороидальной машине, содержащей якорь с магнитопроводом, включающим сердечник в виде обечайки, на внутренней поверхности которой расположены в ряд выступы, между которыми образованы внутренние пазы для секций якорной обмотки, ротор с индуктором, включающим явно полюсный сердечник с обмоткой, указанный сердечник магнитопровода имеет расположенные на обечайке снаружи дополнительные выступы, между которыми образованы отвечающие указанным внутренним пазам наружные пазы, якорная обмотка намотана вокруг стенки указанной обечайки, причем витки каждой указанной секции якорной обмотки уложены одинаковым образом в соответствующие друг другу наружный и внутренний пазы между выступами обечайки, при этом конец предыдущей секции якорной обмотки соединен с началом последующей секции якорной обмотки.
Предлагаемая машина оборудована щеточно-контактным узлом для соединения обмотки ротора с источником питания. В предлагаемой машине выступы на обечайке могут быть установлены под углом от 10° до 15° относительно образующей боковой поверхности обечайки. В предлагаемой машине индуктор ротора может быть двухполюсным. В предлагаемой машине вал ротора может быть выполнен с возможностью вращения с частотой, равной трем тысячам оборотов в минуту, при этом щеточно-контактный узел выполнен с возможностью подключения к источнику переменного напряжения промышленной частоты пятьдесят герц.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг. 1 схематично показано поперечное сечение якоря с якорной обмоткой, на фиг. 2 схематично показано поперечное сечение ротора с двухполюсным индуктором.
В примере конкретного исполнения машина содержит якорь с магнитопроводом, включающим сердечник 1. Сердечник состоит из обечайки 2, внутри которой расположен ряд выступов 3. Между выступами 3 образованы внутренние пазы 4. На обечайке снаружи расположен ряд дополнительных выступов 5. Между выступами 5 образованы наружные пазы 6, отвечающие внутренним пазам 4. Таким образом, пазы 4, 6 расположены на обечайке 2 в два яруса. Якорь содержит якорную обмотку, которая намотана непосредственно на стенку обечайки 2 аналогично обмотке тороидального трансформатора (отсюда признак - «тороидальная»). Якорная обмотка состоит из секций 7. Витки каждой секции 7 намотаны одинаковым образом на стенку обечайки 2, располагаясь в соответствующих пазах 6 и 4. Концы секций 7 могут быть соединены последовательно или параллельно, в зависимости от технических требований к конкретной машине.
Машина также содержит ротор с валом 8. На валу 8 закреплен индуктор 9. Индуктор включает сердечник 10, на который намотана обмотка 11. Для простоты индуктор 9 показан двухполюсным. В зависимости от требований к конкретной машине, индуктор 9 может иметь четыре, шесть и большее четное число полюсов. Вал 8 оборудован щеточно - контактным узлом для соединения обмотки 11 с источником питания (не показано). Выступы 3 и 5 могут быть выполнены под углом от 10° до 15° к образующей обечайки 2 (не показано). Узлы и детали машины могут быть изготовлены по известной технологии из известных электротехнических материалов (см., например, описание изобретения к патенту РФ №2385525, где подробно описаны материалы для электрических машин).
Известно, что электрические машины постоянного тока обладают свойством обратимости, т.е. одна и та же машина может работать и как двигатель и как генератор. Для простоты рассмотрим работу предлагаемой машины в качестве генератора постоянного тока с независимым возбуждением индуктора.
Для генерации тока подают от независимого источника постоянное напряжение питание на обмотку 11 индуктора 9. Постоянный ток, протекающий в обмотке 11, создает внутри машины стационарное магнитное поле. Согласно теории электромагнетизма, силовые линии магнитного поля выходят из «северного» (N) полюса индуктора, пронизывают витки секций 7 и сходятся в «южном» (S) полюсе индуктора.
При вращении вала 8 линии магнитного поля индуктора 9 пересекают витки секций 7 якорной обмотки. При этом в каждой секции 7 возникает изменяющийся по величине, но постоянный по направлению ток. Если в машине секции 7 соединены последовательно, напряжения в них суммируются. При достаточном количестве секций 7 на концах обмотки якоря создается э.д.с. постоянной величины. Управляют величиной э.д.с путем регулирования подаваемого на обмотку 11 напряжения.
Достигаемый результат заключается в том, что при одинаковых с прототипом габаритах якоря в двух ярусах пазов магнитопровода машины укладывается по меньшей мере вдвое больше провода якорной обмотки, так как витки наматывают вокруг обечайки на удвоенную высоту выступов, не считая толщины обечайки. При этом сечение сердечника магнитопровода используется полностью. За счет данного решения эффективность машины увеличивается как минимум вдвое. При этом упрощается сборка машины, так как якорную обмотку можно наматывать на обечайку на станке автоматически, а затем сердечник с обмоткой вставлять при сборке целиком в корпус машины.
Существует другое применение описанной выше машины, а именно - в качестве силового выпрямителя переменного тока. Конкретно, для выпрямления сетевого напряжения, подключают щеточно-контактный узел машины к источнику напряжения промышленной частоты 50 Гц, а вал ротора машины вращают с частотой, равной 3000 об/мин (что соответствуют 50 герцам). При совпадении частоты вращения обмотки 11 машины с промышленной частотой тока в обмотке, в машине возникает электрический аналог стробоскопического эффекта: в обмотке якоря наводится постоянное напряжение, которое можно использовать передавать по проводам для промышленных целей. Так как на провода обмотки машины нет ограничений по напряжению или силе тока, свойственных ламповым или полупроводниковым выпрямителям, при помощи такой машины можно получить выпрямленный ток высокого напряжения и большой силы.
Описанное выше устройство, отвечающее критериям новизны и промышленной применимости, предлагается к правовой защите патентом на полезную модель.