УНИПОЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА
UNIPOLAR DIRECT-CURRENT GENERATOR

Изобретение относится к области электротехники и может быть применено для производства униполярных генераторов постоянного тока торцевого типа.
Известны торцевые униполярные электрогенераторы с дисковым проводящим ротором, в которых для увеличения генерируемого напряжения применяют систему изолированных дисков, соединенных последовательно коммутационными элементами, состоящими из щеток, контактирующих с токосъемными кольцами с возможностью относительного вращения (Электрические униполярные машины. Под ред. Л.А. Суханова. ВНИИЭМ, Москва 1964. УДК 621.313.291).
К недостаткам таких электрогенераторов следует отнести значительный рост их габаритов и массы при увеличении количества установленных дисков, а также увеличение момента трения в токосъемных элементах.
Известна униполярная электрическая машина, содержащая ротор и статор, установленные с зазором относительно ротора, образующий с ним единый магнитопровод и имеющий средство для создания внешнего магнитного потока, воздействующего на ротор, и средство коммутации, в котором средство коммутации отсутствует, а средство для создания внешнего магнитного потока расположено на роторе, при этом статор имеет, по меньшей мере, одну рабочую обмотку, по меньшей мере, с одним витком, состоящую из активной и пассивной частей, и выполнен по форме таким образом, что активная и пассивная части обмотки находятся в теле статора и взаимодействуют с магнитным потоком ротора, причем пассивная часть обмотки изолирована материалом с малой магнитной проницаемостью либо магнитно непроницаемым (пат. RU 2367079, опубл. 10.09.2009 г.).
Недостатком известной электрической машины является большая сложность ее изготовления. Размещение обмотки внутри ферромагнитного тела при наличии элементов экранирования является особенно трудновыполнимой задачей.
Кроме того, на сегодняшний день отсутствуют материалы, способные эффективно изолировать магнитный поток таким образом, как описано в патенте №2367079. Пример подобной неэффективности приведен в работе «Электрические униполярные машины. Под ред. Л.А. Суханова. ВНИИЭМ, Москва 1964. УДК 621.313.291», на стр.12, рис.9.
Известен также униполярный бесколлекторный торцевой генератор постоянного тока, содержащий неподвижный раздвоенный кольцевой магнитопровод якоря с пазами для укладки обмотки якоря, вращающиеся торцевые магнитопроводы индукторов для возбуждения и вентилятор, отличающийся тем, что в схеме возбуждения генератора установлены радиальные электромагниты и круговые электромагниты, при этом вращающиеся на валу ротора генератора торцевые магнитопроводы обоих индукторов вместе с радиальными и круговыми электромагнитами обращены встречно через воздушный промежуток одноименными полюсами к магнитопроводам с обмоткой якоря, что обеспечивает в торцевых магнитопроводах обоих индукторов постоянное наличие остаточного магнетизма, способствующего возбуждению генератора, при этом схема возбуждения снабжена двумя щеточно-контактными узлами, включающими щетки токосъема и неразрезные контактные кольца (пат. RU 2284629, опубл. 27.09.2006 г.).
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является известный униполярный бесколлекторный торцевой генератор по патенту №2284629, однако ему присущи следующие недостатки:
- сложность конструкции;
- магнитный поток создается радиальными электромагнитами, а их применение ведет к увеличению массы генератора;
- для возбуждения аксиального магнитного поля требуется сторонний источник тока;
- неэффективное исполнение якорной обмотки, потому что большая часть магнитного потока обходит ее проводники, утопленные в радиальных пазах якоря.
Задачей предлагаемого изобретения является создание униполярного генератора постоянного тока торцевого типа, обеспечивающего увеличение генерируемого напряжения в униполярном генераторе постоянного тока, а также снижение его массы и упрощение конструкции.
Технический результат достигается тем, что униполярный генератор постоянного тока торцевого типа, содержащий ротор с возможностью вращения на оси, включающий магнитную систему с замкнутым магнитопроводом, обмотку для генерации напряжения, коммутационные элементы, расположенные осесимметрично с возможностью относительного вращения, имеет ротор, снабженный сердечником кольцевой формы, торцевые стороны которого выполнены с магнитной полярностью одного знака, на который намотана по крайней мере одна тороидальная обмотка для генерации напряжения, при этом к торцевым сторонам тороидальной обмотки снаружи примыкают два магнитопроводящих кольца, выполненных из магнитомягкого материала, а кольцевой сердечник включает два кольцевых магнита, намагниченных аксиально, и магнитопроводящую сердцевину в форме преимущественно плоского кольца, выполненную из магнитомягкого материала, к которой с двух сторон примыкают указанные магниты полюсными поверхностями с одним знаком магнитной полярности, а их полюсные поверхности с другим знаком магнитной полярности являются торцевыми поверхностями сердечника кольцевой формы с одноименной магнитной полярностью, причем наружные магнитопроводящие кольца, магнитопроводящая сердцевина и магниты образуют магнитную систему с замкнутым магнитопроводом, а выводы обмотки подключены к электрически изолированным коммутационным элементам, установленным на общей оси вращения, с которыми контактируют с возможностью скольжения неподвижные коммутационные элементы, предназначенные для подключения электрических нагрузок.
При этом тороидальная обмотка может быть выполнена электропроводящей лентой. Такое решение позволяет уменьшить объем намотки и улучшить ее охлаждение.
При этом тороидальная обмотка может иметь промежуточные выводы, подключенные к отдельным коммутационным элементам.
Подобное решение позволяет подключать к генератору нагрузки, рассчитанные на различные напряжения.
При этом тороидальная обмотка может быть выполнена в виде секций, соединенных последовательно или параллельно, или комбинированно.
Такое решение позволяет подключать нагрузки с различной мощностью.
При этом магнитопроводящая сердцевина может иметь на радиальных краях цилиндрические отбортовки, контактирующие с наружными магнитопроводящими кольцами, в которых (в отбортовках) выполнены прорези для размещения витков обмотки.
Подобное решение уменьшает рассеивание магнитного потока на краях колец и, соответственно, повышает эффективность использования магнитного потока.
При этом постоянные магниты могут быть выполнены в виде намагниченных пленок соответственной толщины, нанесенных на сердцевину.
Такое решение позволяет уменьшить осевой размер генератора.
2
17
3
Выпуск магнитов из композиций порошка (Sm, Се), (Со, Fe, Mn) с полимерными связками в нашей стране был начат в 1974 году, а затем начался выпуск магнитов, спеченных из порошка соединения состава - Sm(Co, Fe), обладающих удельной энергией 112-124 кДж/м. В связи с чем возникла потребность в применении соединений редкоземельных элементов и их использования для изготовления материала намагниченных пленок. См.: Материалы в приборостроении и автоматике. Справочник. Под ред. Ю.М. Пятина. - 2-е изд. М.: Машиностроение, 1982. Стр. 79.
Сердечник кольцевой формы может быть выполнен из двух частей с возможностью сборки по секущей плоскости, перпендикулярной оси кольца, что позволяет упростить сборку кольцевого сердечника в серийном производстве генератора.
При этом кольцевые магниты могут быть выполнены в виде плоского набора магнитов меньшего размера (в сравнении с прототипом), закрепленных одноименными полюсами с магнитопроводящей сердцевиной. Такое решение позволяет изготавливать ротор большого диаметра, вплоть до десятков метров.
При этом свободные полости в роторе могут быть заполнены диэлектрическим немагнитным компаундом с возможностью затвердевания.
Это повышает электрическую и механическую прочность генератора, а также влагостойкость, что значительно увеличивает надежность генератора в неблагоприятных условиях эксплуатации.
При этом сердечник кольцевой формы и тороидальная обмотка на нем имеют преимущественно прямоугольную форму.
Такое конструктивное решение позволяет выполнить осевые зазоры между магнитопроводящими кольцами и торцевыми сторонами кольцевого сердечника одинаковой величины вдоль радиуса.
При этом коммутационные элементы могут быть выполнены в виде контактных колец и токосъемных щеток с возможностью относительного скольжения, причем кольца закреплены на оси вращения, электрически изолированными от нее, а щетки установлены на неподвижной траверсе.
Изобретение поясняется фигурами. На фиг.1 изображен общий вид генератора. На фиг.2 изображен осевой разрез генератора, при этом кольцевой сердечник условно показан без деталировки. На фиг.3 изображен осевой разрез генератора, на котором показана деталировка кольцевого сердечника. На фиг.4 изображен осевой разрез генератора с кольцевым сердечником из двух частей. На фиг.5 изображен вид по стрелке А фиг.3. На фиг.6 изображен вид на фиг.5 по стрелке Б, а именно - боковая развертка генератора с показом внутренних элементов. На фиг.7 изображена электрическая схема генератора. На фиг.8 изображен вид по стрелке А фиг.3 на составной магнит (возможный вариант).
Введены следующие цифровые обозначения: 1 - ротор; 2 - сердечник; 3 и 4 - части разъемного сердечника (как один из вариантов); 5 - тороидальная обмотка; 6 и 7 - магнитопроводящие кольца; 8 и 9 - постоянные магниты; 10 - магнитопроводящая сердцевина; 11 - ось; 12 - диэлектрическая втулка; 13, 14 и 15 - контактные кольца; 16, 17 и 18 - токосъемные щетки; 19 и 20 - цилиндрические отбортовки на краях магнитопроводящей сердцевины 10; 21 - прорези в отбортовке 19; 22 - диэлектрический немагнитный компаунд; 23 - сегменты составного магнита 8; 24 - прорези в отбортовке 20; 25 - траверса; 26 - двигатель; 27 - фундамент.
N и S обозначают полярность полюсов магнитов, Ω - угловая скорость.
Дополнительно показано: прямыми стрелками - направление тока в витках обмотки 5; фигурными стрелками - направление вращения ротора 1; замкнутыми пунктирными стрелками - направление магнитных потоков (фиг.6).
Генератор выполнен в виде монолитного ротора 1, закрепленного на оси 11, соединенной с двигателем привода вращения 26. На оси 11 укреплена диэлектрическая втулка 12 с контактными кольцами 13, 14 и 15, к которым подключены выводы обмотки 5. С кольцами 13, 14 и 15 контактируют щетки 16, 17 и 18, к которым подключена нагрузка. Щетки 16-18 установлены на общей траверсе 25, которая неподвижно закреплена на корпусе двигателя 26 и электрически изолирована от него. Ротор 1 включает магнитную систему с замкнутым магнитопроводом, состоящим из магнитопроводящей сердцевины 10 в форме плоского кольца, у которого по краям выполнены отбортовки 19, 20 цилиндрической формы, магнитопроводящие кольца 6, 7 и кольцевые постоянные магниты 8 и 9, закрепленные на сердцевине 10 одноименными магнитными полюсами навстречу друг другу. Таким образом, сердцевина 10 с магнитами 8 и 9 образуют кольцевой сердечник 2, у которого торцевые стороны имеют одноименную магнитную полярность. На сердечнике 2 выполнена тороидальная обмотка, при этом к ее торцевым сторонам примыкают магнитопроводящие кольца 6 и 7, контактирующие с цилиндрическими отбортовками 19 и 20, в которых выполнены прорези 21 и 24 для витков. В предлагаемом униполярном генераторе магнитные силовые линии выходят из торцевых поверхностей сердечника 2 с магнитной полярностью N, пересекают перпендикулярно витки на торцевых сторонах обмотки 5, далее по магнитопроводящим кольцам 6, 7 отбортовкам 19, 20 переходят на сердцевину 10 и замыкаются на полюсах с магнитной полярностью S магнитов 8 и 9.
Известно, что при одновременном вращении радиального проводника с магнитом, который намагничен аксиально, в проводнике генерируется постоянное напряжение (Электрические униполярные машины. Под ред. Л.А. Суханова. ВНИИЭМ, Москва 1964. УДК 621.313.291, стр.9, рис.8).
Когда двигатель 26 привода начинает вращать ротор 1, то в радиальных участках витков на торцевых сторонах обмотки 5 возбуждаются токи противоположного направления. Так как все радиальные участки витков обмотки соединены последовательно, то на выходе тороидальной обмотки появится суммарное напряжение всех витков.
Технологическое соединение частей сердечника 2 (фиг.4) возможно любым известным способом: пайкой; склеиванием; соединением немагнитными крепежными элементами и т.д.
Соединение магнитов с сердцевиной 10 также возможно известными способами: склеиванием; припайкой низкотемпературным припоем; соединением немагнитными крепежными элементами; вакуумным напылением и т.д.
Следует отметить, что на работу предлагаемого генератора его ориентация в пространстве не влияет. Однако для генератора большой мощности с диаметром ротора несколько метров и более все-таки предпочтительнее ориентация оси вращения - вертикальная. В этом случае опорные подшипники нагружены равномернее и ресурс их службы, а значит и всего генератора, увеличивается.
Таким образом, в отличие от известного прототипа, технический результат заключается в том, что в предлагаемом изобретении генерация напряжения осуществляется в многовитковой тороидальной обмотке, в которой напряжения в отдельных витках последовательно суммируются, при этом магнитный поток возбуждения создается постоянными магнитами.