УНИПОЛЯРНАЯ МАШИНА ПОСТОЯННОГО ТОКА С ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИМИ РЕМНЯМИ
UNIPOLAR DC MACHINE WITH ELECTROCONDUCTING BELTS

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам постоянного тока. Наиболее близким аналогом предложенной машины является униполярная машина постоянного тока с дисковым ротором со скользящими щеточными электрическими контактами или жидкометаллическими токосъемами. Но наличие у названной униполярной машины (УМ), как минимум, двух скользящих контактов на один виток якорной обмотки не только усложняет ее конструкцию, ухудшает электромеханические характеристики, но и снижает надежность в работе и существенно сужает область ее применения. Трение скольжения между неподвижными щетками и подвижными кольцами ведет к их ускоренному износу, к повышенному искрению в точках их соприкосновения и соответственно к существенному повышению переходного электрического сопротивления. Это происходит из-за высокого коэффициента трения скольжения по сравнению с коэффициентом трения качения (примерно в 100 раз).
Преодоление недостатков щеточно-скользящих контактов возможно с помощью токосъема на основе электропроводящей жидкости. Однако создавать надежно герметизированные конструкции аппаратов жидкостного периферийного кольцевого токосъема, не допускающих утечки инертного газа и паров электропроводящей жидкости, достаточно трудоемко и дорого. Кроме того, в режимах пуска и торможения УМ, а также при относительно высоких скоростях на жидкостный слой в кольцевом канале действуют центробежные и гравитационные, магнитные и электромагнитные силы, а также силы трения, которые отрицательно влияют на ее работу. В то же время перечисленные выше недостатки и отрицательные явления, относящиеся к периферийным жидкостным контактам, практически  не относятся к осевым жидкостным контактам.
Техническим результатом заявленного изобретения являются улучшение электромеханических характеристик, повышение надежности в работе, увеличение износостойкости, упрощение конструкции, повышение в несколько раз рабочего напряжения и расширение области ее применения.
Технический результат достигается тем, что в предложенной конструкции УМ отсутствуют как скользящие механоэлектрические, так и периферийные жидкостные электрические контакты. В качестве таких контактов в предложенной УМ служат электропроводящие ремни, которыми опоясаны, как правило, два электропроводящих диска якоря, вращающихся в одном направлении относительно постоянных магнитных полей между магнитными полюсами противоположной полярности, силовые линии которых направлены в противоположные стороны. Такая конструкция УМ постоянного тока с электропроводящими ремнями и общими для нескольких дисков осями без особой трудности позволяет включить последовательно в цепь обмотки якоря необходимое число названных дисков для повышения рабочего напряжения до необходимой величины.
Предложенная униполярная машина постоянного тока с электропроводящими ремнями, состоящая из нескольких комбинированных осей вращения, выполненная в виде нескольких униполярных электрических машин постоянного тока с дисковым ротором, отличающаяся тем, что неподвижный статор состоит из нескольких постоянных магнитов с цилиндрическими полюсами, между которыми размещены несколько подвижных электропроводящих дисков якоря, электрически последовательно соединенных через несколько электропроводящих замкнутых ремней, центральной электропроводящей части одной оси вращения и двух крайних электропроводящих частей другой оси, концы которой через соответствующие манжеты погружены в небольшие емкости с электропроводящими жидкостями, присоединенные соответственно к положительному и отрицательному клеммам источника постоянного напряжения.
На фигурах 1 и 2 показаны соответственно продольные и поперечные разрезы предложенной УМ. На них приняты следующие обозначения: 1 - электропроводящий ремень, 2 - электропроводящие части осей вращения, 3 - электропроводящие диски, 4 и 4' - цилиндрические южные и северные полюса постоянных магнитов, 5 - диэлектрические подшипники, 6 - электропроводящая жидкость, 7 - диэлектрическая часть оси вращения, 8 - герметичная емкость для жидкости.
Как видно из чертежей, для подключения обмотки якоря к источнику постоянного напряжения независимо от количества электропроводящих дисков достаточно двух осевых жидкостных контактов. При необходимости, последних можно заменить катящими электропроводящими роликовыми контактами, у которых трение качения на несколько порядков меньше трения скольжения. С фиг.2 также видно, что электропроводящие ремни плотно прилегают к краям дисков ротора УМ наполовину, что способствует постоянному образованию хорошего электрического контакта между ними, так как в это время точки их соприкосновения не двигаются относительно друг друга.
Предложенная УМ постоянного тока с электропроводящими ремнями может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах.
я
я
В генераторном режиме предложенная УМ работает следующим образом. При вращении против часовой стрелки с угловой скоростью ω электропроводящих дисков 1, находящихся между магнитными полюсами противоположной полярности 4 и 4' магнитов статора, в их секторах в силу явления электромагнитной индукции наводятся электродвижущие силы (ЭДС), которые, суммируясь на выводах УМ, создадут результирующее постоянное напряжение =U. Если при этом к этим выводам подключить некоторую нагрузку, то по обмотке якоря потечет с одного полюса к другому постоянный ток i через электропроводящие части осей 2, электропроводящие ремни 1 и диски 3 по направлению, указанному на фиг.1 и 2. При этом необходимо иметь в виду, что хотя противоположные свободные части электропроводящих ремней 1 двигаются по противоположным направлениям, токи якорные i в них текут в одном направлении. Это связано с тем, что их скорости несоизмеримы.
я
В двигательном режиме предложенная УМ работает следующим образом. При подключении электрических выводов УМ к источнику постоянного напряжения =U, ток якоря i потечет от положительной клеммы источника к одной герметичной емкости 8 и через электропроводящую жидкость 6 потечет вдоль одной электропроводящей части 2 одной оси. Далее ток потечет вдоль секторов первого диска 3 от его центра к его краям, где попадет на первый электропроводящий ремень 1, связанный с краем второго диска 3. Оттуда он потечет к центру последнего и через электропроводящую часть 2 другой оси попадет в центр третьего диска 3 якоря. Далее ток по секторам третьего диска потечет к его краям и попадет на второй электропроводящий ремень 1, через который потечет с краев четвертого диска 3 вдоль секторов последнего к его центру, откуда вдоль второй электропроводящей части 2 первой оси вращения попадет в электропроводящую жидкость, находящуюся во второй герметичной емкости 8, связанной с отрицательной клеммой электрического вывода машины.
Таким образом, ток якоря при этом проходит последовательно через все секторы всех четырех электропроводящих дисков 3 якоря, находящихся в магнитных полях между противоположными цилиндрическими полюсами 4 и 4' постоянных магнитов неподвижного статора. Вследствие взаимодействия токов якоря, протекающих через секторы названных дисков 3 с магнитными полями, созданными магнитными полюсами, возникают пондеромоторные силы, направленные согласованно и соответственно приводящие во вращение обе оси с названными дисками 3 по направлению часовой стрелки по правилу левой руки с угловой скоростью ω.
Источники информации
1. Бертинов А.И. и др. Униполярные эл. машины с жидкометаллическими токосъемами. - М. - Л.: Энергия, 1966.
2. Бертинов А.И. Специальные электрические машины. - М.: Энергия, 1982.
3. Иродов И.А. Электромагнетизм. - М.: Бином, 2003.
4. Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука, 1985.
5. Копылов И.П. Электрические машины - М.: Энергоатомиздат - 1986.
6. Ландсберг Г.С. Эл. учебник физики; Т. 1, Механика. - М.: Наука - 1968.
7. Матвеев А.Н. Механика и теория относительности - М.: ВШ - 1986.