КОНСТРУКЦИЯ УНИПОЛЯРНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С КАТЯЩИМИСЯ КОНТАКТАМИ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам.
Известна униполярная электрическая машина, содержащая ротор, статор, установленный с зазором относительно ротора, образующий с ним единый магнитопровод и имеющий обмотку возбуждения, создающую внешний магнитный поток, воздействующий на ротор, и средство токовой коммутации, состоящее из щеток и проводников ротора, между которыми образуется непрерывный скользящий контакт (Специальные электрические машины. Под ред. Б.Л. Алиевского. М.: Энергоатомиздат, том 2, 1993 г. стр. 67).
Недостатком аналога является малая надежность щеточно-контактного узла. Вследствие особенностей магнитной системы УЭМ последовательное соединение проводников якорной обмотки с целью повышения напряжения за счет роста числа «витков» якоря возможно лишь посредством подвижных контактов. Отдельные стержни или группы стержней обмотки выводятся на самостоятельную пару контактных колец. Каждый токосъемный аппарат должен рассчитываться на полный рабочий ток. Поэтому при щеточном токосъеме из-за больших потерь в контакте УЭМ не имеют преимуществ по сравнению с соответствующими коллекторными машинами.
Известен также токосъем на основе жидкого металла. При таком типе токосъема пространство между твердыми электродами заполнено жидким металлом, покрывающим всю кажущуюся поверхность контакта. Жидкометаллический токосъем возможен двух видов: сплошной кольцевой и зональный - струйный или ножевой. В качестве материалов контакта используется ртуть, ее сплавы, а также легкие щелочные металлы. Стоит отметить, что в униполярных электрических двигателях (УЭД) в отличие от униполярных электрических генераторов (УЭГ) нежелательно применение тех систем жидкометаллических контактов, которые допускают подачу металла в токосъем только при вращении ротора. Применение таких контактов осложнило бы пуск двигателя из-за разрыва цепи якоря. [Бертинов А.И., Алиевский Б.Л., Троицкий С.Р. Униполярные электрические машины с жидкометаллическим токосъемом. М. - Л.: Издательство «Энергия», 1966, стр. 105-113].
Недостатком аналога является то, что жидкометаллический токосъем накладывает ограничения на обратимость УЭМ.
Известен также УЭГ расчетной мощностью 10 кВт, представляющий собой некомпенсированную машину четырехполюсного исполнения с половинным использованием по напряжению при двух подвижных контактах ртутного токосъемного аппарата. Возбуждение УЭГ независимое. Магнитопровод выполнен из магнитомягкой стали (ротор - из Ст. 10, статор - из стали армко). В качестве жидкостного токосъема выбран плавучий кольцевой контакт, поскольку он обеспечивает симметрию токораспределения и не требует специального насоса. [Бертинов А.И., Алиевский Б.Л., Троицкий С.Р. Униполярные электрические машины с жидкометаллическим токосъемом. М. - Л.: Издательство «Энергия», 1966, стр. 245].
Недостатком аналога является сложность и дороговизна жидкометаллического токосъемного аппарата с одной стороны и ограничение областей применения с другой.
Наиболее близким аналогом настоящей полезной модели является униполярная машина постоянного тока с катящимися контактами (патент РФ на изобретение №2396677, МПК H02K 31/02), содержащая по два статора и якоря, разделенные воздушными зазорами, выполненная в виде двух униполярных машин постоянного тока с цилиндрическим ротором, отличающаяся тем, что ее статоры с отверстиями для электрических проводников состоят из многослойных полых цилиндрических постоянных магнитов с несколькими обращенными к якорям парами полюсов противоположной полярности, а якоря состоят из целых цилиндрических магнитопроводов с диэлектрическими поверхностями, на которые надеты по несколько изолированные друг от друга электропроводящие полые цилиндры, являющиеся активными частями их обмоток, соединенные электрически последовательно через электропроводящие катящиеся по ним роликовые контакты, неподвижные цилиндрические обоймы и припаянные к ним, проходящие через отверстия статоров электрические проводники к источнику постоянного напряжения.
Недостатком наиболее близкого аналога является сложность конструкции, а также высокая стоимость машины.
Задачей настоящей полезной модели является разработка конструкции униполярной электрической машины, сочетающей в себе простоту, надежность и относительно невысокую стоимость.
Техническим результатом настоящей полезной модели является улучшение электромеханических характеристик, повышение надежности, увеличение износостойкости, упрощение конструкции, повышение рабочего тока и расширение области применения за счет использования в качестве катящихся контактов зубчатых колес.
Принцип работы УЭМ поясняется фигурами чертежей 1, 2 и 3:
фиг. 1 - продольное сечение узла токосъема УЭМ,
фиг. 2 - продольное сечение УЭМ,
фиг. 3 - поперечное сечение узла токосъема УЭМ.
На обмотку 1 возбуждения, которая является источником аксиального магнитного потока, подается постоянное напряжение, в результате по ней протекает постоянный ток, в результате чего создается постоянное магнитное поле, проходящее через магнитопровод 2 статора, воздушный зазор и магнитопровод 5 ротора. На роторе располагается якорная обмотка 3, которая обычно выполняется в виде проводящего цилиндра. Подача электроэнергии на обмотку 3 якоря (или прием электроэнергии с обмотки 3 якоря) производится посредством катящихся контактов 6, выполненных в виде зубчатых колес. Для сложных условий эксплуатации и при воздействии температуры свыше 2000°C катящиеся контакты 6 необходимо изготавливать из жаропрочного сплава на основе меди, например, CuAg или CbCd.
В двигательном режиме УЭМ при помощи припаянных к неподвижных цилиндрических обойм 4 и катящихся контактов 6 к обмотке 3 якоря подводится постоянный ток. В результате взаимодействия поля возбуждения с током якоря на якорь действует вращающий момент, который приводит якорь в движение.
В генераторном режиме якорь вращается вспомогательным приводом, а напряжение снимается с катящихся контактов 6. При замыкании цепи контактов, припаянных к неподвижным цилиндрическим обоймам 4, на нагрузку в ней протекает ток.
Для уменьшения люфтов в зубчатом зацеплении катящихся контактов 6, выполненных в виде зубчатых колес, они выполняются люфтовыбирающими разрезными [Авторское свидетельство на изобретение СССР SU 1714260 «Зубчатое люфтовыбирающее колесо», МПК F16H 55/18].