УНИПОЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
UNIPOLAR ELECTRIC MACHINE

Предложение относится к электрическим машинам постоянного тока и может быть использовано в качестве электрического генератора либо электрического двигателя постоянного тока.
Известна конструкция униполярной электрической машины постоянного тока [Колесо Барлоу, книга «Исследование магнитных притяжений», 1824 г., Питер Барлоу], содержащая два горизонтально расположенных П-образных постоянных магнита, под которыми на одной оси размещены два медных зубчатых колеса. Недостатком известной конструкции является сложная конструкция электрической машины. Также известна усовершенствованная конструкция униполярной электрической машины постоянного тока [Диск Фарадея, List of homopolar generator patents, 1831 г., Майкл Фарадей], содержащая проводящий диск, постоянное магнитное поле, параллельное оси вращения диска и два токосъемника, один из которых расположен на оси диска, а второй у края с торца диска. Недостатком известной конструкции является низкая эффективность и как следствие низкое генерируемое либо питающее напряжение диска (якоря) электрической машины.
Известно устройство униполярной машины [Униполярная машина, H02K 31/00, SU 1640799 A1, авторы: Ж.С. Такибаев, В.К. Коптев и Б.К. Жарикова], содержащее электростатическую систему возбуждения, токопроводящий диск и два токосъемника, один из которых расположен на оси диска, а второй у края окружности на торце диска. Диск машины вращается в однородном электростатическом поле.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство униполярного генератора Б. Угримова с дисковым ротором [стр. 17, Электрические униполярные машины, под ред. Л.А. Суханова, ВНИИЭМ, 1964 г.], содержащее электромагнитную систему возбуждения, токопроводящий диск и два токосъемника, один из которых расположен на оси диска, а второй у края на окружности диска. Диск машины вращается в однородном магнитном поле. При этом питающее или генерируемое напряжение подводятся к двум токосъемникам. Технический результат такой конструкции более совершенная система возбуждения, что обеспечивает более эффективную работу таких электромеханических преобразователей. Недостатками известных устройств является невозможность получения многоуровнего источника постоянного напряжения, а также отсутствие возможности изменять уровень снимаемого напряжения без изменения возбуждения и частоты вращения приводного двигателя при работе электрической машины в режиме генератора, и отсутствие возможности регулировать частоту вращения без изменения возбуждения при работе электрической машины в режиме двигателя.
Задачей предлагаемого технического решения является получение многоуровневого источника постоянного напряжения.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является осуществление регулирования генерируемого напряжения якоря, без изменения возбуждения и частоты вращения приводного двигателя, при работе электромеханического преобразователя в режиме генератора и осуществление регулирования частоты вращения выходного вала при работе электромеханического преобразователя в режиме двигателя.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в униполярную электрическую машину, содержащую неподвижный индуктор организующий систему возбуждения, токопроводящий диск и два токосъемных устройства, одно из которых расположено на валу диска, введены следующие отличия, проводящий диск содержит концентрические канавки, расположенные на плоскости диска, выполненные в виде окружностей разного диаметра с центром, расположенным в центре токопроводящего диска, а второе токосъемное устройство выполнено подвижным на плоскости диска и может перемещаться из канавки в канавку на плоскости диска.
А также, униполярная электрическая машина содержит дополнительные, неподвижные относительно индуктора, токосъемные устройства, при этом общее число токосъемных устройств равно числу канавок.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в униполярную электрическую машину, содержащую неподвижный индуктор организующий систему возбуждения, токопроводящий ротор и два токосъемных устройства, введены следующие отличия, ротор униполярной электрической машины имеет барабанное исполнение, причем цилиндрическая поверхностьротора содержит канавки, расположенные на активной части ротора в плоскости перпендикулярной оси вращения, при этом оба токосъемных устройства расположены в канавках на поверхности ротора.
А также, униполярная электрическая машина содержит дополнительные, неподвижные относительно индуктора, токосъемные устройства, при этом общее число токосъемных устройств равно числу канавок.
При этом токосъем в таких конструкциях униполярной электрической машины осуществляется с вала диска и одной из канавок либо между несколькими канавками, расположенными на активной части ротора униполярной электрической машины.
Техническая сущность и принцип действия предложенного технического решения поясняются чертежами, где:
на фиг. 1 представлена конструкция униполярной электрической машины дискового исполнения;
на фиг. 2 представлена конструкция униполярной электрической машины дискового исполнения, содержащая дополнительные токосъемные устройства;
на фиг. 3 представлена конструкция униполярной электрической машины барабанного исполнения;
на фиг. 4 представлена конструкция униполярной электрической машины барабанного исполнения, содержащая дополнительные токосъемные устройства;
на фиг. 5 представлен разрез дисковой конструкции униполярной электрической машины поясняющей ее работу в режиме электрического двигателя;
на фиг. 6 представлен разрез дисковой конструкции униполярной электрической машины поясняющей ее работу в режиме электрического генератора.
В состав униполярной электрической машины, конструкция которой представлена на фиг. 1, входит неподвижный индуктор 1 организующий систему возбуждения, токопроводящий диск 2 и два токосъемных устройства 3 и 4. Причем одно из токосъемных устройств 3 расположено на валу диска 2. Проводящий диск 2 содержит концентрические канавки 5, 6, 7, расположенные на плоскости диска 2, выполненные в виде окружностей разного диаметра с центром, расположенным в центре токопроводящего диска 2. Второе токосъемноеустройство 4 выполнено подвижным на плоскости диска 2 и может перемещаться из канавки 5 (6, 7) в канавку 6 или 7 (5 или 7, 5 или 6) на плоскости диска 2.
Униполярная электрическая машина, конструкция которой представлена на фиг. 2, может содержать дополнительные, неподвижные относительно индуктора 1, токосъемные устройства 8, 9, при этом общее число токосъемных устройств 4, 8, 9 равно числу канавок 5, 6, 7.
Униполярная электрическая машина может быть выполнена в барабанном исполнении, конструкция которой представлена на фиг. 3 (для наглядности показан только ротор без индуктора), содержащая неподвижный индуктор 1 организующий систему возбуждения, токопроводящий ротор 10 и два токосъемных устройства 3 и 4. Ротор 10 униполярной электрической машины имеет барабанное исполнение. Причем цилиндрическая поверхность ротора 10 содержит канавки 5, 6, 7, расположенные на активной части ротора 10 в плоскости перпендикулярной оси вращения, при этом оба токосъемных устройства 3 и 4 расположены в канавках 5, 6 или 5, 7 на поверхности ротора 10.
Униполярная электрическая машина, конструкция которой представлена на фиг. 4 (для наглядности показан только ротор без индуктора), может содержать дополнительные, неподвижные относительно индуктора 1, токосъемные устройства 8, 9, при этом общее число токосъемных устройств 4, 8, 9 равно числу канавок 5, 6, 7.
Поперечное сечение машины (поперек оси вращения), поясняющее принципы ее работы в двигательном и генераторном режимах, а также взаимодействие поля индуктора 1 с током, протекающим по диску 2, представлено на фиг. 5 и фиг. 6 соответственно. Следует отметить, что конструктивно зазор между рабочими частями пластин индуктора 1 должен быть минимален на фиг. 1, на фиг. 2 он показан увеличенным для наглядности конструкции униполярной электрической машины.
Предлагаемое техническое решение работает следующим образом.
Рассмотрим работу дискового варианта предлагаемой униполярной электрической машины в режиме генератора (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 6). Пусть в зазоре между пластинами индуктора 1 обеспечено однородное магнитное поле организующее возбуждение в электрической машине, а токопроводящему диску 2 предано вращение внешними силами (внешним источником механической энергии) с установившейся частотой вращения. При этом ЭДС, снимаемая с диска 2, будет зависеть от того, на какой из канавок 5, 6, 7 будет установлено второе токосъемное устройство 4. При этом ЭДС определяется согласно ,
где Ф - магнитный поток,
В - индукция магнитного поля,
R - расстояние между первым токосъемным устройством 3 и вторым токосъемным устройством 4,
ω - угловая частота вращения внешнего источника механической энергии.
При перемещении второго токосъемного устройства 4 на плоскости диска 2 из канавки 5 в канавку 6 (из канавки 6 в канавку 7) будет происходить увеличение генерируемой униполярной электрической машиной ЭДС. При перемещении второго токосъемного устройства 4 на плоскости диска 2 из канавки 6 в канавку 5 (из канавки 7 в канавку 6) будет происходить уменьшение генерируемой униполярной электрической машиной ЭДС. Таким образом, появляется возможность изменять уровень ЭДС генерируемое униполярной электрической машиной простым перемещением второго токосъемного устройства 4 по плоскости диска 2 из одной из канавок 5, 6, 7 в другую канавку 6, 7, 5.
В случае если конструкция электрической машины (фиг. 2) будет иметь дополнительные токосъемные устройства 8, 9, то генерируемое напряжение диска 2 может быть разделено пропорционально расстояниям между токосъемными устройствами 3, 4, 8, 9. Таким образом, в конструкции, изображенной на фиг. 2, может быть организован многоуровневый источник постоянного напряжения. На фиг. 6 изображены различные комбинации питания обмотки возбуждения индуктора 1 и направления вращения токопроводящего диска 2, поясняющие принцип работы униполярной электрической машины в генераторном режиме.
Униполярная электрическая машина может быть выполнена в барабанном исполнении, конструкция ротора 10 которой представлена на фиг. 3, фиг. 4.
Генерируемая ротором 10 ЭДС определяется согласно ,
где Ф - магнитный поток,
В - индукция магнитного поля,
υ - линейная скорость точки под токосъемными устройствами, 4, 9, 10,
L - расстояние между токосъемными устройствами между которыми снимается ЭДС,
ω - угловая частота вращения ротора 10 внешним источником механической энергии, - радиус барабана ротора 10.
В случае если конструкция электрической машины (фиг. 4) будет иметь дополнительные токосъемные устройства 8, 9, то генерируемое напряжение ротора 10 может быть разделено пропорционально расстояниям между токосъемными устройствами 4, 8, 9.
Предлагаемая униполярная электрическая машина согласно принципу обратимости может работать и в режиме электрического двигателя, поперечное сечение машины (поперек оси вращения), поясняющее принципы ее работы в двигательном режиме, а также взаимодействие поля индуктора 1 с током, протекающим по диску 2, представлено на фиг. 5.
Принцип действия дисковой электрической машины при работе в двигательном режиме основан на законе Ампера, согласно которому, если к токосъемным устройствам 3 и 4 на диске 2, находящимся в однородном магнитном поле, будет подведено напряжение, то по диску 2 будет протекать ток, в результате взаимодействия этого тока с магнитным полем индуктора 1 на диск 2 будет действовать сила Лоренца, определяемая по правилу левой руки. В результате действия силы на диск 2 он будет приведен во вращение. Для осуществления реверса диска 2 необходимо изменить направление потока электромагнитного поля индуктора 1 (фиг. 5 а, и фиг. 5 г или фиг. 5 б, и фиг. 5 в), либо изменив направление тока в токопроводящем диске 2 (фиг. 5 а, и фиг. 5 в или фиг. 5 б, и фиг. 5 г). При перемещении токосъемного устройства 4 из канавки 5 в канавку 6 (или из канавки 6 в канавку 7) будет происходить уменьшение частоты вращения диска 2 и наоборот при перемещении токосъемного устройства 4 из канавки 6 в канавку 5 (или из канавки 7 в канавку 6) будет происходить увеличение частоты вращения диска 2 при условии, что между токосъемными устройствами 3 и 4 будет одинаковое напряжение. Принцип действия электрической машины барабанного исполнения (фиг. 3) аналогичен принципу действия дисковой машины (фиг. 1).
Таким образом, предлагаемая униполярная электрическая машина позволяет осуществлять регулирование генерируемого напряжения якоря, без изменения возбуждения и частоты вращения приводного двигателя, при работе электромеханического преобразователя в режиме генератора и осуществлять регулирование частоты вращения выходного вала при работе электромеханического преобразователя в режиме двигателя, а также реализовать возможность получения многоуровнего источника постоянного напряжения.