УНИПОЛЯРНЫЙ МНОГОВИТКОВЫЙ ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА С МАГНИТНЫМ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ

Известное устройство торцового двигателя (1) по авторскому свидетельству СССР №129715, 1960 г. имеет только постоянные магниты для самовозбуждения и соответственно малую мощность, обмотку якоря, выполненную по технологии печатных схем в последовательном исполнении без параллельных ветвей и ферромагнитный магнитопровод якоря не участвующий в электрической схеме обмотки якоря.
Указанные недостатки устройства аналога ограничивают область его использования в промышленности.
Лучшим вариантом аналога, избранным в качестве прототипа (2) является самовозбуждающийся бесколлекторный генератор постоянного тока по патенту №2124799, прототипом которому также служит униполярный генератор. Избранное устройство прототипа имеет только постоянные магниты для самовозбуждения, но в отличии от аналога может выдавать несколько большую мощность, не более 10 кВт. Недостатками прототипа являются: самовозбуждение генератора только на постоянных магнитах ограничивает предел выдаваемой мощности, обмотка якоря выполнена в последовательной схеме без параллельных ветвей, что исключает ее многовитковость, а цельнометаллическое ферромагнитное тело раздвоенного магнитопровода якоря служит только для создания магнитной цепи и не участвует в электрической схеме обмотки якоря.
С целью устранения указанных недостатков в устройстве прототипа содержащего для самовозбуждения только постоянные магниты, имеющего малую мощность, обмотку якоря в последовательной схеме ее исполнения без параллельных ветвей, цельнометаллический ферромагнитный раздвоенный магнитопровод якоря, служащий только для создания магнитной цепи и не участвующий в электрической схеме обмотки якоря, отличающийся тем, что для расширения функции самовозбуждения генератора и с целью повышения выдаваемой мощности. дополнительно к постоянным магнитам на подвижных торцовых магнитопроводах двусторонних индукторов установлены радиальные электромагниты и круговые электромагниты на валу генератора с соответствующей ориентировкой их полярности для создания замкнутой магнитной цепи с обеспечением их постоянной встречной одноименнополюсности в стороны аксиальных участков обмотки якоря, что обеспечивает постоянное наличие в ферромагнитных магнитопроводах якоря и индукторов остаточной магнитной индукции с расширением функции возбуждения, а генератор становится с магнитным и электромагнитным самовозбуждением, а для электроснабжения электромагнитов с отпайкой от обмотки якоря введены щеточно-контактные узлы в схему возбуждения с подвижными неразрезными контактными кольцами на валу генератора и неподвижными щетками токосъема, установленными на боковом подшипниковом щите.
Неподвижный раздвоенный кольцеобразный магнитопровод якоря, установленный между одноименнополюсными двусторонними индукторами, вместе с якорной обмоткой, уложенной в его аксиальных и коаксиальных пазах образует тороидальную катушку с двумя, разделенными друг от друга воздушным промежутком кольцевыми магнитопроводами прямоугольного сечения, выполненными в цельном исполнении с перемычкой по малому диаметру, аксиальные пазы на магнитопроводах якоря расположены радиально, а коаксиальные по малому и большому диаметрам, - параллельно оси вала генератора и выполнены в двойном исполнении, т.е. с переходом до следующего аксиального паза, магнитопровод якоря изолирован от корпуса генератора изоляционной прокладкой, а сама масса раздвоенного магнитопровода как последний, но ферромагнитный кольцеобразный, цельнометаллический виток с множеством образуемых радиальных параллельных ветвей в его теле, введен в электрическую схему обмотки якоря, которая становится многовитковой в последовательно-параллельном исполнении.
На фиг.1 представлен в продольном разрезе общий вид предлагаемого устройства униполярного многовиткового генератора постоянного тока с магнитным и электромагнитным самовозбуждением, содержащего неподвижный раздвоенный кольцеобразный магнитопровод якоря 6, который вместе с якорной обмоткой 1, уложенной в его аксиальных 14 и коаксиальных 15, 16 и 18 пазах (см. чертеж фиг.2), образует тороидальную катушку с двумя, разделенными друг от друга воздушным промежутком, кольцевыми магнитопроводами якоря 6 прямоугольного сечения, выполненными в цельном исполнении с перемычкой 7 по малому диаметру, также как и сам магнитопровод якоря, из того же ферромагнитного токопроводящего материала. Коаксиальные пазы магнитопровода якоря на внешнем большем диаметре для обеспечения намотки обмотки якоря выполнены в двойном исполнении, т.е. одни пазы - 16 расположены коаксиально оси вала генератора, а другие - 15 дополнительные, также коаксиально, но выполняются с переходом до следующего аксиального паза 14. Раздвоенный неподвижный магнитопровод якоря 6 вместе с обмоткой 1 обеспечен изоляцией от корпуса генератора изоляционной прокладкой 8, а от магнитопроводов индукторов - 12 воздушным промежутком в межполюсном пространстве. Торцовые, вращающиеся на валу генератора магнитопроводы 12 обоих индукторов вместе с радиальными одноименнополюсными постоянными магнитами 11, радиальными электромагнитами 9 и круговыми электромагнитами 10, но с другой полярностью, обращены встречно с образованием отдельной замкнутой магнитной цепи для каждого индуктора.
Цифрой 5 обозначены соединительные электрические контакты проволочной обмотки 1 якоря с ферромагнитным телом магнитопровода 6 якоря. Вал генератора 17 выполнен из ферромагнитного материала, т.к. одновременно является магнитопроводом для обеспечения пропуска магнитного потока от магнитопроводов индукторов 12 до магнитопроводов якоря 6.
Обмотка якоря 1 размещается в пространстве так, что активная ее часть 2 устанавливается аксиально, т.е. по радиусу, на чертеже фиг.1 она изображена вертикально, а неактивная, т.е. соединительная ее часть 3 и 4 устанавливается в пазах 15, 16 и 18 (см. фиг.2) коаксиально, т.е. параллельно оси вала генератора.
Цифрой 13 на фиг.1 обозначены подвижные неразрезные контактные кольца со щетками на валу генератора.
На фиг.2 представлен в условно разделенном виде раздвоенный магнитопровод якоря 6 и многовитковая последовательно-параллельная электрическая схема обмотки якоря 1, т.к. на чертеже фиг.1 ее изобразить невозможно. Последовательные коаксиальные части обмотки 3, 4 и аксиальные 2 изображены линиями, а параллельная ее часть, которой и является ферромагнитный раздвоенный магнитопровод якоря 6, изображена в виде двух условно разобщенных кольцевых магнитопроводов с пазами для размещения проводников обмотки якоря 1.
Рабочие поверхности магнитопроводов якоря 6, которые с пазами и размещенными в них проводниками 2 активной части обмотки якоря пересекаются магнитным потоком от подвижных радиальных «веерно» рассредоточенных на валу генератора постоянных магнитов и электромагнитов, каждый из которых создает свой магнитный поток. По этой причине в «теле» магнитопроводов будет возникать множество параллельных ветвей в электрической цепи обмотки якоря. На чертеже фиг.2 также указана цифрой 7 разделительная перемычка по малому диаметру раздвоенного кольцевого магнитопровода якоря, а цифрой 5 соединительные электрические контакты в обмотке якоря.
На чертеже фиг.3 изображена мнемоническая схема устройства униполярного многовиткового генератора постоянного тока с магнитным и электромагнитным самовозбуждением. Цифрами 2, 3, 4, 5 и 6 обозначена электрическая схема обмотки неподвижного раздвоенного магнитопровода якоря.
На обоих подвижных индукторах радиально устанавливаются постоянные магниты 11 и электромагниты 9, а кольцевые электромагниты 10 размещаются на валу 17 генератора. Неразрезные контактные кольца с щетками токосъема обозначены цифрой 13. Проводники обмотки якоря 2, обозначенные пунктиром, обращены в сторону другого одноименнополюсного индуктора и расположены на другой стороне раздвоенного магнитопровода якоря, что обеспечивает однонаправленность электрического тока.
2
1
2
1
При работе генератора ЭДС в активной части 2 обмотки 1 якоря будет возникать по закону электромагнитной индукции в трактовке М.Фарадея E=BLV. т.е. общеизвестно, что «Принцип действия всех вращающихся электрических машин основан на законе электромагнитной индукции E=BLV и законе электромагнитных механических сил (Закон Ампера) F=BLI.» (см. А.А.Глебович, Л.П.Шичков, «Электрические машины и основы электропривода», Москва, ВО «Агропромиздат». 1989 г. стр.4). Возникновение ЭДС в активных, радиально уложенных участках 2 обмотки 1 якоря и в теле раздвоенного магнитопровода будет обусловлено разной окружной линейной скоростью пересечения поверхностей проводников, хоть и не изменяемым магнитным потоком, но с разной скоростью, т.к. точки поверхности проводников, находящихся ближе к оси вала генератора будут пересекаться магнитным потоком с меньшей скоростью, чем в точках поверхностей этих же проводников, находящихся в удалении от оси вала генератора, тогда E=BL(V-V), т.к. V всегда будет больше V, то и ЭДС не будет равна нулю. Такого положения в соединительных участках проводников 4 обмотки якоря 1, уложенных коаксиально, т.е.
2
1
2
1
параллельно оси вала генератора не проявляется, т.к. они пересекаются неизменяемым магнитным потоком и при равной окружной линейной скорости во всех точках поверхности проводника, а сама поверхность этих проводников становится эквипотенциальной, т.е. поверхностью равного потенциала. U(XYZ)=Const. Вдоль любой линии на этой поверхности имеем: . Следовательно: E=BL(V-V)=0, т.к. V=V (см. Л.Р.Нейман и П.А.Калантаров, ТОЭ, ч.1, ГЭИ, Москва - Ленинград, 1959 г., стр.40 и 90).
Теперь мы видим, что возникновение ЭДС в этих соединительных участках проводников 4 якорной обмотки 1 исключено, т.к. не возникает разность потенциалов.
Совершенно другая картина обнаруживается, если мы рассмотрим положение с соединительными проводниками 3 обмотки, расположенными в коаксиальных пазах по внешнему, т.е. большему диаметру магнитопроводов якоря 6, т.к. они расположены в продольной линии магнитного потока индукторов, т.е. силовые линии проходят вдоль оси соединительных проводников и не будут пересекать их в поперечном направлении, тогда выражение
Σ
1
2
1
Е=ВL(V-V)=0, т.к. V=0 и V=0.
Известно, что при движении проводника вдоль линий магнитного поля ЭДС не образуется. (см. «Электротехника», П.Г.Федосеев, Госиздат, «Искусство», Москва, 1953 г., стр.168).
Предлагаемое устройство генератора является торцовым, одноименнополюсным, т.е. униполярным и работает на принципе униполярной индукции - «Возникновение ЭДС индукции в намагниченном геле, движущимся под некоторым углом к оси намагничивания», т.е. E=BLVSinα, но в предлагаемом устройстве генератора пересечении магнитным потоком поверхности проводников обмотки якоря происходит под прямым углом, тогда Sinα будет равен единице или E=BLVSin90°=BLV (см. «Электротехника», П.Г.Федосеев, Издание «Искусство», Москва, 1953 г., стр.208) (см. БЭС, Москва, Издательство «Большая Российская Энциклопедия», 1998 г., стр.1251).
Характерной особенностью нового устройства униполярного генератора постоянного тока (см. патенты №№2031517, 2044386, 2095924 и 2124799) является то, что благодаря его постоянной одноименнополюсности в процессе его работы, будет обеспечиваться постоянное наличие остаточного магнетизма во всех ферромагнитных магнитопроводах якоря и индукторов, что будет способствовать самовозбуждению, т.е. если выключить электрический ток в обмотке электромагнитов, которые имеют ферромагнитные сердечники, то их намагничивание останавливается, но сердечники не теряют полностью магнитные свойства - это явление называется остаточным магнитизмом, которое при очередном включении тока увеличивает магнитную насыщаемость, что при одноименнополюсности генератора способствует его самовозбуждению (см. «Электротехника», П.Г.Федосеев, Издание «Искусство», Москва. 1953 г., стр.162). «Магнитная индукция, сохраняющаяся в ферромагнетике после снятия поля (когда Н=0) называется остаточной магнитной индукцией» (см. «Справочник по элементарной физике», Н.И.Кошкин, М.Г.Ширкевич, Москва, «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1988 г., стр.142).
Фактически устройство генератора с самовозбуждением представлено двумя генераторами, работающими на одну обмотку якоря. Это видно по тому, что имеются два индуктора, щеточно-контактный узел со щетками токосъема и неразрезными контактными кольцами в схеме возбуждения. Выходная обмотка, т.е. обмотка якоря неподвижна. Постоянный электрический ток образуется без средств коммутации и при отсутствии скользящих контактов в обмотке якоря.
Встречное направление магнитных потоков от индукторов не имеет отрицательных последствий, т.к. магнитные цепи индукторов разделены воздушным промежутком. Кроме того, прямое противостояние в пространстве одноименных полюсов электромагнитов от обоих индукторов исключено, т.к. они располагаются со смещением их осей в пространстве друг относительно друга.
Генератор может быть изготовлен при современном уровне электромашиностроения мощностью до 100 кВт и напряжением до 800 вольт, в случае изготовления магнитов из редкоземельных металлов. Расширяется область использования машины в качестве генератора, в промышленности, а именно: в электрифицированном транспорте, электроснабжении компьютерной и электронной аппаратуры, для электросварки, электролиза, зарядки аккумуляторных батарей, производства электроэнергии в ветроустановках, и т.п. Устройство униполярного бесколлекторного торцового генератора работает следующим образом: при вращении вала генератора постоянные магниты, радиальные электромагниты и кольцевые электромагниты, запитанные отпайкой от обмотки якоря, возбуждают напряжение в обмотке якоря и с набором оборотов генератор переходит из пускового режима в рабочий режим. В качестве первичного двигателя может быть использована энергия воды, ветра, двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель.
СПИСОК
прсмотренной литературы при подготовке заявки на изобретение "Униполярный многовитковый генератор постоянного тока с магнитным и электромагнитным самовобуждением".
(Авторы Филиппов А.Н. и Ермилов Н.Г.)
1. Униполярные электрические машины с жидкометаллическим токосъемом, - Бертинов А.И., Алиевский Б.Л. Троицкий С.Р., издательство "Энергия", Москва - Ленинград, 1966 г.
2. Электрические машины - Пиотровский Л.М., Госэнергоиздат, Москва - Ленинград, 1960 г.
3. Электрические машины и основы электропривода, Москва, ВО "Агропромиздат" 1989 г., А.А.Глебович и Л.П.Шичков.
4. Теоретические основы электротехники, ч.1, ГЭИ, МОСКВА - Ленинград, 1959 г., Л.Р.Неймани, П.А.Калантаров.
5. Электротехника, П.Г.Федосеев, "Искусство", Москва, 1953 г.
6. Авторское свидетельство СССР, №129715, Торцовый двигатель постоянного тока.
7. Патенты №№2031517, 2044386, 2095924.
8. Описание заявки на изобретение "Самовозбуждающийся бесколлекторный генератор постоянного тока" по патенту №2124799.