МНОГОВАЛЬНАЯ УНИПОЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
MULTIPLE 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 [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 диска.
Недостатком известной конструкции является низкое генерируемое либо питающее напряжение диска (якоря) электрической машины, наличие сложного токосъемного устройства и, как следствие, ограничение ее установленной мощности.
Также известна усовершенствованная конструкция униполярной электрической машины постоянного тока [патент US 406968, Dynamo electric machine, 16.07.1889, Никола Тесла], конструктивно содержащая две униполярные машины, объединенные в одно целое устройство. Диски машины вращаются в одну сторону, будучи связанные гибким электропроводным поясом, направление магнитных полей, между которыми вращаются диски машин, противоположное. При этом питающее или генерируемое напряжение подводится к валам дисков электрической машины.
Технический результат такой конструкции обеспечивает работу машины в системах постоянного тока с удвоенным генерируемым или питающим напряжением, а также упрощение токосъемных контактов.
Недостатком известного устройства является сложная конструкция индуктора, которая должна обеспечивать противоположное направление магнитных полей, между которыми вращаются диски, а так же наличие гибкого электропроводного пояса.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство двухвальной униполярной электрической машины [патент RU 2542341 С2, заявка 2013119875, Двухвальная униполярная электрическая машина, Η02К 31/00, 29.04.2013, Гельвер Ф.А., Гельвер А.А., Хомяк В.Α.], содержащее неподвижный индуктор, состоящий из магнитопровода и обмотки возбуждения, два проводящих диска (якоря) и два токосъемника, расположенных на валах дисков, при этом диски имеют общую точку соприкосновения и вращаются в разные стороны. Индуктор выполнен в виде Π-образного магнитопровода с рабочими частями, параллельными плоскостям вращения дисков. Известная конструкция электрической машины постоянного тока позволяет упростить систему возбуждения и исключить из конструкции гибкий электропроводный пояс, а так же удвоить рабочее напряжение по сравнению с классической дисковой униполярной машиной.
Недостатком известного устройства является использование всего лишь двух дисков (якорей) и, следовательно, всего лишь удвоенное рабочее напряжение по сравнению с классической дисковой униполярной машиной.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение рабочего напряжения якорной цепи и получение многоуровневого источника постоянного напряжения на основе многовальной униполярной электрической машины.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является уменьшение числа подвижных контактов, значительное повышение рабочего напряжения. Такое техническое решение позволяет упростить конструкцию, обеспечить простую коммутацию, повысить эффективность и надежность работы, осуществлять суммирование рабочих напряжений дисков, и как следствие, возможность работы такой электрической машины: постоянного тока в системах постоянного тока высокого напряжения. Такая электрическая машина, работая в режиме генератора, позволяет организовать многоуровневый источник постоянного напряжения.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в многовальную униполярную электрическую машину, содержащую систему возбуждения, два токопроводящих диска, имеющих общую точку соприкосновения, и два токосъемника, введены следующие отличия, электрическая машина содержит два и более проводящих дисков, расположенных в ряд таким образом, что оси дисков расположены параллельны друг другу, а соседние диски имеют точку соприкосновения и вращаются в разные стороны, система возбуждения выполнена наборной из ряда индукторов, выполненных в виде П-образного магнитопровода и содержащих обмотки возбуждения, рабочие части индукторов расположены параллельно плоскостям вращения дисков, а число индукторов равно количеству дисков плюс один, причем каждый из индукторов охватывает обе половинки двух рядом расположенных дисков, а два крайних индуктора охватывают половинки двух крайних дисков, токосъем осуществляется двумя токосъемниками с крайних точек окружностей крайних дисков.
А также, проводящие диски могут иметь зубья таким образом, что между двумя соседними дисками имеется механическая зубчатая передача.
А также электрическая машина может содержать дополнительные токосъемные устройства, расположенные на валах дисков.
А также проводящие диски (якоря) могут иметь разный диаметр.
Число подвижных контактов в предлагаемом электромеханическом преобразователе составляет n+1 (где n - число дисков) в то время как в классической дисковой униполярной машине при последовательном соединении дисков число подвижных контактов составляет 2⋅n. К достоинствам заявляемого технического решения также можно отнести то, что в электромеханическом преобразовании участвует вся плоскость диска и индуктора, что увеличивает уровень напряжения, а следовательно, и эффективность работы.
Техническая сущность и принцип действия предложенного технического решения поясняются чертежами, где:
на фиг. 1 представлена конструкция многовальной униполярной электрической машины;
на фиг. 2 представлена конструкция многовальной униполярной электрической машины с механической зубчатой передачей;
на фиг. 3 представлена конструкция многовальной униполярной электрической машины, содержащая токопроводящие диски разного диаметра;
на фиг. 4 представлен разрез конструкции многовальной униполярной электрической машины, поясняющей ее работу в режиме электрического двигателя;
на фиг. 5 представлен разрез конструкции многовальной униполярной электрической машины, поясняющей ее работу в режиме электрического генератора;
на фиг. 6 представлено трехмерное изображение многовальной униполярной электрической машины.
В состав многовальной униполярной электрической машины входят два и более проводящих дисков, расположенных в ряд и попарно имеющих общие точки соприкосновения, система возбуждения выполнена наборной, которая состоит из ряда индукторов, а токосъем в такой конструкции осуществляется с крайних точек окружностей крайних дисков.
Многовальная униполярная электрическая машина постоянного тока, конструкция которой представлена на фиг. 1, состоит из системы: возбуждения, двух токопроводящих дисков 1, 2, имеющих общую точку соприкосновения, и двух токосъемников 3, 4. Многовальная униполярная электрическая машина может содержать два 1, 2 и более токопроводящих дисков 5, 6, 7, расположенные в ряд таким образом, что оси дисков расположены параллельны друг другу, а соседние диски 1 и 2, 2 и 5, 5 и 6, 6 и 7 имеют точку соприкосновения и вращаются в разные стороны.
Система возбуждения выполнена наборной из ряда индукторов 8÷13, выполненных в виде Π-образного магнитопровода и содержащих обмотки возбуждения 14÷49. Рабочие части индукторов 8÷13 расположены параллельно плоскостям вращения дисков 1, 2, 5, 6, 7, а число индукторов 8÷13 равно количеству дисков 1, 2, 5÷7 плюс один. Каждый из индукторов 9 (10, 11, 12) охватывает обе половинки двух рядом расположенных дисков 1 и 2 (2 и 5, 5 и 6, 6 и 7), а два крайних индуктора 8 и 13 охватывают половинки двух крайних дисков 1 и 7. Токосъем осуществляется двумя токосъемниками 3 и 4 с крайних точек окружностей крайних дисков 1 и 7.
Многовальная униполярная электрическая машина постоянного тока, конструкция которой представлена на фиг. 2, может содержать токопроводящие диски 20÷22, которые имеют зубья таким образом, что между двумя соседними дисками 20, 21 и 21, 22 имеется зубчатая передача.
Многовальная униполярная электрическая машина постоянного тока, конструкция которой представлена на фиг. 1, может содержать дополнительные токосъемные устройства 23÷27, расположенные на валах дисков 1, 2, 5÷7.
Многовальная униполярная электрическая машина постоянного тока, конструкция которой представлена на фиг. 3, может содержать проводящие диски 29÷31, которые имеют разный диаметр.
Следует отметить, что конструктивно величина зазора между пластинами индукторов 8÷13, между которыми вращаются диски, должна быть как можно меньше, а диски 1, 2 и 5÷7 должны быть электрически изолированы от пластин индукторов 8÷13 изолирующими втулками (подшипниками). Обмотки возбуждения 14÷19 должны быть последовательно (как на фиг. 4 и фиг. 5) либо параллельно соединены между собой так, чтобы направление магнитных полей соседних индукторов были противоположно направлены (чередовались).
Поперечное сечение машины (поперек осей вращения), поясняющее принципы ее работы в двигательном (фиг. 4) и генераторном режимах (фиг. 5), а так же взаимодействие полей индукторов 8÷13 с током, протекающим по токопроводящим дискам 1, 2 и 5÷7, представлено на фиг. 4 и фиг. 5.
Рассмотрим работу предлагаемой машины постоянного тока в режиме двигателя фиг. 4. Пусть направление тока в обмотках возбуждения 14÷19 такое, что линии однородных магнитных полей, создаваемые индукторами 8÷13, направлены в соответствии с фиг. 4 (согласно правилу правой руки), а к валам токопроводящих дисков 1, 2, 5÷7 подведено напряжение и по дискам протекает ток, как изображено на фиг. 4. Тогда согласно закону Ампера на диски 1, 2, 5÷7 будет действовать сила Лоренца, определяемая по правилу левой руки. В результате действия сил на диски 1, 2, 5÷7 они будут вращаться в разные стороны. Причем скорости вращения одинаковых по размеру дисков будут одинаковыми за счет того, что диски соединены не только электрически, но и механически. Данное утверждение справедливо для дисков с одинаковыми диаметрами.
Для дисков с разными диаметрами скорости вращения дисков распределяться согласно равенству
где ν - линейная скорость на точке окружности диска;
ω - угловая частота вращения диска;
D - диаметр диска.
при условии, что в точке соприкосновения дисков линейная скорость ν одинакова.
Изменение направления вращения дисков 1, 2, 5÷7 электрической машины возможно, но только сразу для всех дисков 1, 2, 5÷7, которые всегда вращаются в разные стороны. Для изменения направления вращения дисков 1, 2, 5÷7 машины необходимо изменить направления потоков электромагнитных полей индукторов 8÷13, изменив направление тока в обмотках возбуждения 14÷19 либо изменив направление тока в дисках машины 1, 2, 5÷7.
Для исключения проскальзывания дисков 1, 2, 5÷7 в точках соприкосновения друг относительно друга многовальная электрическая машина постоянного тока может содержать проводящие диски 20÷22 (фиг. 2), которые имеют зубья. При такой конструкции дисков 20÷22 между соседними дисками 20, 21 и 21, 22 образуется зубчатая передача и в такой конструкции диски 20÷22 связаны и электрически и механически, при этом получается своего рода параллельный электромеханический редуктор. Такая конструкция позволяет работать электрической машине в качестве механической передачи и, например, передавать энергию от одного рабочего механизма работающего в режиме генератора на другой рабочий механизм, работающий в режиме потребителя без использования электрического преобразования.
Предлагаемая электрическая машина согласно принципу обратимости может работать и в генераторном режиме согласно фиг. 5, если: будет обеспечено однородное магнитное поле в каждом из индукторов 8÷13 и хотя бы одному из дисков 1, 2, 5÷7 либо всем дискам 1, 2, 5÷7 будет предано согласованное вращение внешними силами (внешними источниками механической энергии). При вращении одного из дисков 1, 2, 5÷7 соседний диск будет вращаться в противоположную сторону за счет общей точки соприкосновения. При этом ЭДС, вырабатываемая каждым из дисков 1, 2, 5÷7, будет складываться и увеличиваться по сравнению с ЭДС, вырабатываемой классической дисковой униполярной машиной в 2⋅n раз (где n - число дисков многовальной машины постоянного тока). Такое увеличение вырабатываемой ЭДС связано с тем, что конструктивно и схемотехнически удалось снимать ЭДС не с радиуса диска, а с диаметра. Таким образом, удалось увеличить вырабатываемое ЭДС, снимаемое с одного диска, а соответственно, и улучшить эффективность работы предлагаемой машины.
Предлагаемая многовальная униполярная электрическая машина постоянного тока может содержать дополнительные токосъемные устройства 23÷27, расположенные на валах дисков 1, 2, 5÷7 (фиг. 1, фиг. 6). В такой конструкции появляется возможность реализации многоуровнего источника постоянного напряжения на базе многовальной униполярной электрической машины. При этом напряжение, снимаемое между токосъемным устройством 3 и токосъемным устройством 23, равно ,
оя
где U – напряжение, снимаемое с обмотки якоря между токосъемными устройствами 3 и 4,
между токосъемными устройствами 3 и 24 равно  и так далее.
Если предлагаемая униполярная электрическая машина постоянного тока будет иметь диски 29÷31 разного диаметра то ЭДС, вырабатываемая каждым из дисков 29÷31, будет пропорциональна размеру диска фиг. 3. При этом должно быть обеспечено условие, что один из дисков 29÷31 или все диски 29÷31 должны приводиться внешними силами во вращение согласованно с соотношениями частот вращения согласно равенству
,
ω - угловая частота вращения диска;
R - радиус диска.
При этом общая линейная скорость точки соприкосновения дисков 29 и 30 определяется согласно выражению
1-2
1
1
2
2
ν=ω⋅R=ω⋅R,
а линейная скорость точки соприкосновения дисков 30 и 31 определяется согласно
2-3
2
2
3
3
ν=ω⋅R=ω⋅R.
Такая конструкция электрической машины позволяет обеспечить выработку различных значений ЭДС при работе электрической машины в режиме генератора либо обеспечить разную частоту вращения выходных валов дисков при работе электрической машины в режиме двигателя.
Таким образом, предлагаемая многовальная электрическая машина с электромеханической связью дисков позволяет уменьшить число подвижных контактов, значительно повысить рабочее напряжение, а также получить возможность реализовать электромеханический многоуровневый источник постоянного напряжения. Данная конструкция позволяет использовать всю поверхность диска и индуктора, а также осуществлять суммирование рабочих напряжений дисков, и как следствие, возможность работы такой электрической машины постоянного тока в системах постоянного тока повышенного напряжения.