УНИПОЛЯРНАЯ МАШИНА ПОСТОЯННОГО ТОКА С КАТЯЩИМИСЯ КОНТАКТАМИ
UNIPOLAR DIRECT CURRENT MACHINE WITH ROLLING CONTACTS

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам постоянного тока. Наиболее близким аналогом предложенной машины является униполярная машина постоянного тока с цилиндрическим 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 надежности 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 допускающие 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 жидкостной слой в кольцевом канале действуют центробежные и гравитационные, магнитные и электромагнитные силы, а также силы трения, которые отрицательно влияют на ее работу. 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 применения.
Технический результат достигается тем, что в предложенной конструкции УМ отсутствуют как скользящие механоэлектрические, так и жидкостные электрические контакты. В качестве таких контактов в предложенной УМ используются электропроводящие катящиеся ролики по активным частям обмоток якоря, вращающиеся в одном направлении относительно постоянных магнитных полей, созданных соответствующими полюсами постоянных магнитов статоров, силовые линии которых направлены в радиальном направлении. Такая конструкция УМ постоянного тока с электропроводящими роликами и качения и неподвижными цилиндрическими обоймами без особой сложности позволяет включать последовательно в цепь обмотки якоря необходимое число активных частей для получения рабочего напряжения необходимой величины.
Предложенная униполярная машина постоянного тока с катящимся контактами, содержащая по два статора и якоря, разделенные воздушными зазорами, выполненная в виде двух униполярных машин постоянного тока с цилиндрическим ротором, отличается тем, что ее статор 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 изолированных друг от друга электропроводящих полых цилиндров, являющихся активными частями их обмоток, соединенных электрически последовательно через электропроводящие катящиеся по ним роликовые контакты, неподвижные цилиндрические обоймы и припаянные к ним электрические проводники, проходящие через отверстия статоров, электрические проводники к источнику постоянного напряжения.
На фиг.1 и 2 показаны соответственно продольные и поперечные разрезы предложенной УМ. На них приняты следующие обозначения: 1 - электрические проводники, 2 - цилиндрический ротор, 3 - цилиндрический постоянный магнит, 4 -активная часть обмотки якоря, 5 - электропроводящий ролик, 6 - диэлектрическая поверхность ротора, 7 - цилиндрическая обойма.
Как видно из чертежей, активные части обмоток якорей к источнику постоянного напряжения подключены электрически последовательно через электропроводящие цилиндрические обоймы и катящиеся электропроводящие роликовые контакты, у которых трение качения на несколько порядков меньше трения скольжения.
Предложенная УМ постоянного тока с электропроводящими ремнями может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах.
В генераторном режиме предложенная УМ работает следующим образом. При вращении по часовой стрелке с угловой скоростью ω цилиндрические роторы 2 в активных частях 4 обмоток якорей, находящиеся в магнитных полях под соответствующими магнитными полюсами статора, в силу явления электромагнитной индукции наводят электродвижущие силы (ЭДС), соответственными направлениями которые, суммируясь на выводах УМ, создадут результирующее постоянное напряжение =U. Если при этом к этим выводам подключить некоторую нагрузку, то по обмоткам якорей потечет от одной клеммы электрического вывода УМ к другой постоянный ток i через активные части 4 обмотки якоря, электропроводящие ролики 5 и цилиндрические обоймы 7 по направлению, указанному на фиг.1 и 2.
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 постоянного напряжения к одной цилиндрической обойме 7 и через электропроводящие катящиеся ролики 5 потечет вдоль одной активной части 4 первой обмотки первого якоря. Далее ток якоря последовательно потечет вдоль всех активных частей 4 обоих обмоток якоря через электропроводящие ролики 5 и цилиндрические обоймы 7, припаянные к ним проводники 1 в соответствии со схемой, показанной на фиг.1, и стекает к отрицательной клемме электрического вывода машины.
Таким образом, ток якоря при этом проходит последовательно все активные части 4 обмоток якоря, находящихся в магнитных полях между неподвижными статорами 3 и подвижными якорями 2. Вследствие взаимодействия токов якоря, протекающих через активные части обмотки якоря с магнитными полями, созданными магнитными полюсами, возникают пондеромоторные силы, направленные согласованно и соответственно приводящие во вращение оба ротора 2 против часовой стрелки в соответствии с правилом левой руки с угловой скоростью ω, как это показано на чертежах.
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.: Высшая школа, 1986.