БЕСКОНТАКТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
CONTACT-FREE ELECTRICAL MACHINE

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано при производстве бесконтактных машин постоянного тока, как двигателей, так и генераторов, работающих на принципе униполярной индукции, при которой проводники якоря пересекаются в активной зоне машины однонаправленным магнитным полем индуктора.
Известен "Магнитоэлектрический генератор» (патент РФ №2053591, Н02К 21/12, приоритет 15.11.1991) с неподвижным якорем и вращающимся магнитом. Генератор содержит установленный с возможностью поворота индуктор, а также рабочую обмотку статора, расположенную на П-образных магнитопроводах, причем в качестве индуктора применен аксиально намагниченный магнит с явнополюсными наконечниками.
Таким образом, наблюдается некоторое конструктивное сходство отдельных элементов, использованных в заявляемой машине и данном устройстве, например, ротор выполнен в виде аксиально намагниченного индуктора.
Недостатком устройства являются ограниченные функциональные возможности и ограниченная область применения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой машине является "Униполярное бесконтактное колесо-двигатель постоянного тока" (патент РФ №2207694, Н02К 31/00, В60К 7/00, приоритет 03.11.2000 г.), содержащее неподвижную полуось с фланцем; кольцевую катушку индуктивности, жестко связанную с фланцем неподвижной полуоси, причем обмотки катушки подключены к сети постоянного тока; подвижную полуось с радиально закрепленными на ней постоянными магнитами, образующими вместе с подвижной осью внутренний ротор; обод колеса, жестко связанный с подвижной полуосью, с радиально закрепленными постоянными магнитами, представляющий наружный ротор. Причем постоянные магниты подвижной полуоси и обода, жестко связанного с подвижной полуосью, обращены одноименными полюсами к внутренней и наружной частям обмоток кольцевой катушки индуктивности с минимальным зазором, а магнитные потоки замыкаются через сердечник кольцевой катушки индуктивности и боковые крышки.
Таким образом, у этого колеса на подвижной полуоси - внутреннем роторе и подвижном ободе - наружном роторе радиально закреплены постоянные магниты, а по проводам, намотанным на неподвижный сердечник кольцевой катушки, выполненный из электротехнической стали, протекает постоянный ток. Магнитное поле этого тока, взаимодействуя с магнитными полями постоянных магнитов внутреннего и наружного роторов колеса, приводит оба ротора во вращение.
Недостатком колеса-двигателя являются ограниченные возможности применения (используется только в транспортных средствах) и конструктивная сложность.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание простой по конструкции бесконтактной электрической машины широкого применения.
Поставленная задача решается за счет того, что в бесконтактной электрической машине с ротором в виде явнополюсного индуктора, у которого ось симметрии от полюса N к полюсу S совпадает с осью вращения ротора, и статором с проводниками, расположенными на внутренней поверхности статора вдоль его цилиндрических образующих, проводники в статоре разбиты на две группы, в одной из которых проводники расположены вокруг полюса индуктора с полярностью N, а в другой - вокруг полюса индуктора с полярностью S. Причем проводники одной группы расположены зеркально-симметрично по отношению к проводникам другой группы, т.е. так, что начала (концы) активной части проводников расположены вблизи крышек машины, а их концы (начала) - вблизи центральной части статора. При этом варианты соединения проводников могут быть различными. Проводники могут соединяться между собою параллельно и (или) последовательно. Кроме того, вал машины и ее боковые крышки выполнены из немагнитных материалов.
Таким образом, для достижения поставленной цели используется принцип, на котором основана работа колеса-двигателя по патенту РФ №2207694, то есть создание вращающего момента на роторе-индукторе, однонаправленное магнитное поле которого взаимодействует с магнитным полем неподвижных проводников статора, по которым протекает постоянный ток. Однако для упрощения конструкции электрической машины в ней вместо множества постоянных магнитов, радиально закрепленных на внутреннем и наружном роторе, использован ротор в виде аксиально намагниченного индуктора с явнополюсными наконечниками. При этом вокруг каждого из полюсов на внутренней поверхности статора вдоль его цилиндрических образующих расположены проводники. Причем как у проводников, расположенных вокруг полюса N, так и у проводников, расположенных вокруг полюса S, начала (концы) расположены вблизи боковых крышек машины, а концы (начала) расположены вблизи центральной части статора или наоборот.
При работе машины токи в статоре, протекающие вокруг полюса N, и токи, протекающие вокруг полюса S, направлены встречно вдоль цилиндрических образующих статора, то есть к центральной части статора или от нее.
Выполнение вала машины и ее боковых крышек из немагнитных материалов уменьшает поток рассеяния.
Таким образом, упрощение конструкции машины, расширение области ее применения достигается за счет использования в конструкции новых элементов и новых связей. А именно, отличительными признаками предлагаемой машины является наличие в статоре двух групп проводников, в одной из которых проводники расположены вокруг полюса индуктора с полярностью N, а в другой - вокруг полюса индуктора с полярностью S. Проводники расположены на внутренней поверхности статора вдоль его цилиндрических образующих, причем проводники одной группы расположены зеркально-симметрично по отношению к проводникам другой группы, т.е. так, что начала (концы) активной части проводников расположены вблизи крышек машины, а их концы (начала) - вблизи центральной части статора.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены различные варианты исполнения машины.
На фиг.1 представлен общий вид машины с индуктором, содержащим супермагнит, и с параллельным соединением проводников статора.
На фиг.2 представлен статор машины с последовательным соединением проводников.
На фиг.3 представлен общий вид машины с индуктором, содержащим плоские магниты.
На фиг.4 представлен общий вид машины, в которой статор является одновременно токопроводом.
Устройство машины, представленное на фиг.1-4, содержит следующие обозначения:
магнит - 1;
полюсные наконечники - 2;
вал - 3;
статор - 4;
проводники - 5;
боковые крышки - 6;
источник постоянного тока - 7;
магнитопровод - 8;
немагнитные прокладки - 9.
На фиг.1 представлен общий вид одного из возможных вариантов предлагаемой машины.
Ротор машины выполнен в виде индуктора и состоит из аксиально намагниченного трубчатого магнита 1 высокой энергии (супермагнита) и жестко связанных с ним явнополюсных наконечников 2. Ротор закреплен на валу 3. Вал выполнен из немагнитной стали. Ось симметрии ротора от полюса N к полюсу S совпадает с осью вращения ротора. Статор 4 машины выполнен из электротехнической стали. Проводники 5, уложенные в статоре вдоль его цилиндрических образующих, расположены вокруг явнополюсных наконечников индуктора с полярностью N и S. Боковые крышки 6 машины, выполненные из немагнитного материала, жестко крепятся к статору.
Магнитный поток (на фиг.1 изображен штриховыми линиями со стрелками) замыкается, проходя от полюса N индуктора через статор к полюсу S. При этом поток пересекает проводники 5, уложенные в статоре. Если машина используется как двигатель, то она подключена к источнику 7 постоянного тока. По проводам 5 от источника течет ток. Стрелки указывают направление тока. Каждый проводник с током, уложенный в статоре, действует своим полем на ротор-индуктор с такой же силой, с какой поле ротора-индуктора действует на проводник. Эта сила (сила Ампера) пропорциональна индукции магнитного поля, создаваемого ротором-индуктором, длине проводника и силе тока в проводнике. Направление силы, действующей на ротор со стороны проводника с током, противоположно направлению силы, действующей на проводник со стороны ротора, которое определяется правилом левой руки.
Токи в проводниках, уложенных в статоре вокруг полюса N, направлены встречно по отношению к токам в проводниках, уложенных в статоре вокруг полюса S (на фиг.1 они направлены к центральной части статора со стороны крышек). Поэтому крутящие моменты, приложенные к каждому из полюсных наконечников, имеют одинаковое направление. При изменении направления тока в проводниках на противоположное меняется направление крутящего момента.
Если выводы статора отключить от источника питания и вращать вал машины, то на выводах появится однополярная ЭДС. Машина обратится в генератор.
На фиг.1 проводники, уложенные в статоре, соединены между собою параллельно. Варианты соединения проводников могут быть различными.
На фиг.2 изображен статор 4, у которого проводники 5, уложенные вокруг разноименных полюсов, соединены последовательно. Проводники изображены линиями со стрелками. Стрелки указывают направление токов i в проводниках. Начала и концы активной части проводников обозначены соответственно, как H1, К1; Н2, К2; Н3, К3; Н4, К4 и т.д. для остальных проводников. Два последовательно соединенных проводника, один из которых проложен над полюсом N, а другой над полюсом S, образуют виток. Магнитные поля токов, протекающих по проводникам вне статора, экранированы корпусом статора от магнитного поля ротора и не взаимодействуют с ним. На фиг.2 в каждом пазу статора проложен один виток. При достаточном количестве витков в пазу и при последовательном соединении всех обмоток возрастает общее сопротивление обмотки статора, что позволяет поднять напряжение.
На фиг.2 статор выполнен секционно. Секции разделены немагнитными прокладками 9. Это увеличивает магнитное сопротивление для поперечного магнитного потока статора.
Варианты исполнения индуктора машины могут быть различными. На фиг.3 представлена машина с индуктором, выполненным в виде трубчатого магнитопровода 8 из мягкомагнитного материала с закрепленными на нем постоянными магнитами 1 плоской формы. Магнитопровод закреплен на валу 3 из немагнитной стали. Два магнита, установленные на одном конце магнитопровода, обращены к статору 4 рабочей поверхностью с полярностью N, два других, установленные на другом конце магнитопровода обращены к статору рабочей поверхностью с полярностью S. Полюсные наконечники 2 выполнены из мягкомагнитной стали. Ось симметрии индуктора от полюса N к полюсу S совпадает с осью вращения ротора. Проводники 5 уложены в статоре 4 вдоль цилиндрических образующих статора. Боковые крышки 6 машины выполнены из немагнитного материала. Магнитный поток (на фиг.3 - штриховые линии со стрелками), создаваемый индуктором, проходит от полюса N индуктора через статор к полюсу S и замыкается, пройдя через магнитопровод 8 в осевом направлении. При этом магнитный поток пересекает проводники 5, уложенные в статоре. Токи в проводниках 5, уложенных в статоре вокруг полюса N и вокруг полюса S направлены встречно. Принцип действия машины такой же, как у машины, изображенной на фиг.1.
На фиг.4 представлена машина, где статор (а не ротор, как в известных униполярных машинах) служит магнитопроводом и токопроводом одновременно. Токопроводящие участки статора выполняют функции проводников. Ротор машины выполнен в виде индуктора, функцию которого выполняет постоянный магнит 1 высокой энергии с явнополюсными наконечниками. Магнит закреплен на валу 3 из немагнитной стали. Боковые крышки 6 из изоляционного материала жестко крепятся к статору 4. В случае двигателя, центральная часть статора соединена проводами с одним выводом источника питания 7, а обе боковые части с другим. Токи i в статоре (на фиг.4 изображены тонкими линиями со стрелками), протекающие вдоль цилиндрических образующих статора вокруг полюса N и вокруг полюса S, направлены встречно. Магнитный поток (штриховые линии со стрелками), проходя от полюса N к полюсу S, направлен перпендикулярно токам i, протекающим в статоре. Магнитные поля токов, взаимодействуя с магнитным полем индуктора, приводят ротор во вращение. В случае генератора статор подключен своими выводами к нагрузке.
Источники информации
1. RU 2207694 C2, 11.03.2000.
2. RU 2053591 C2, 11.15.1991.
3. DE 10020942 A1, 28.04.2000.
4. DE 198386701 A1, 20.08.1998.
5. EP 0018964 A1, 17.04.1980.