Многовитковая униполярная машина без скользящих контактов

Изобретение относится к физике магнетизма и к униполярным машинам, которые могут быть использованы либо как генератор, либо как двигатель постоянного тока. Она содержит намагниченный ферромагнитный тороид, тороид из немагнитного материала, а корпус- статор выполнен с крышками из немагнитного материала и магнитопроводящего материала, при этом на оси вращения ротора, выполненной из магнитомягкого материала, закреплены осесимметрично намагниченный ферромагнитный тороид - с одной стороны и шайба магнитной связи - с другой, расположенная с минимальным зазором от магнитопроводящей крышки корпуса-статора, внутри которого напротив намагниченного ферромагнитного тороида установлен вплотную к цилиндру корпуса-статора тороид из немагнитного материала с намотанной виток к витку рабочей обмоткой, витки которой расположены на минимальном расстоянии от намагниченного ферромагнитного тороида и соприкасаются с цилиндрическим корпусом-статором, при этом на крышке корпуса-статора из немагнитного материала установлены изолированные от нее выводы рабочей обмотки статора, а подшипники оси вращения ротора закреплены в упомянутых крышках. Изобретение позволяет увеличить внутреннее сопротивление рабочей обмотки униполярной машины, выполнение ее без скользящих контактов при значительном упрощении конструкции и увеличении надежности и долговечности ее работы и рекомендовано к использованию в электромобилях и тяговых двигателях на железнодорожном транспорте при использовании сверхсильных неодимовых магнитов. 1 ил.

 

Изобретение относится к физике магнетизма и к униполярным машинам, которые могут быть использованы либо как генераторы, либо как двигатели постоянного тока.

Первая униполярная машина была создана М. Фарадеем в 1821 году, затем ее усовершенствовал П. Барлоу в 1824 году [1]. Современные униполярные машины в основном используются для генерировании постоянного тока низкого напряжения с большими токами применительно, например, к гальваническим процессам [2-6].

Недостатком униполярных машин является их низкое внутреннее сопротивление, что приводит к большим потерям на подводящих проводниках от источника постоянного тока, а также наличие одного или двух скользящих контактов, что снижает надежность работы таких машин. Автором предложен двигатель постоянного тока без скользящих контактов [7], который может рассматриваться как прототип для заявляемого технического решения.

Известное устройство - бесколлекторный двигатель постоянного тока, содержащий неподвижный статор и ротор с осью вращения, отличается тем, что статор выполнен в виде полого цилиндрического магнитопровода, внутри которого размещены по его концам первая и вторая секции из нескольких кольцевых ребер магнитопроводника каждая, в первой и второй секциях кольцевых ребер магнитопроводника ко всей их поверхности закреплен соответственно первый и второй ребристо-цилиндрический электропроводник, оба указанных ребристо-цилиндрических электропроводника статора выполнены из медной фольги склеиванием или путем напыления слоя меди на поверхности кольцевых ребер первого и второго магнитопроводников и не имеют с ними электрического контакта, внутренние концы первого и второго ребристо-цилиндрических электропроводников соединены с внутренними медными кольцевыми электродами, а их внешние концы - с внешними медными кольцевыми электродами через медные крышки-соединители, ротор выполнен в виде цилиндрического электромагнита с расположенными по его концам двумя одинаковыми первой и второй секциями из нескольких кольцевых ребер магнитопроводника, например, из стали, которые входят в пазы соответственно первой и второй секций кольцевых магнитопроводов статора с малыми зазорами между ними, в средней части ротора неподвижно и бесконтактно к нему соосно размещена катушка подмагничивания, один конец которой соединен с первым внутренним медным кольцевым электродом первого ребристо-цилиндрического электропроводника, а второй - ко второму внешнему медному кольцевому электроду второго ребристо-цилиндрического электропроводника, при этом выходные зажимы двигателя соединены соответственно с первым внешним медным кольцевым электродом первого ребристо-цилиндрического электропроводника и со вторым внутренним медным кольцевым электродом второго ребристо-цилиндрического электропроводника.

По существу такое устройство представляет собой униполярную машину без скользящих контактов с «двувитковой» рабочей обмоткой и обмоткой подмагничивания ротора с весьма низким внутренним сопротивлением, что относится к недостаткам устройства, поскольку это сопровождается значительными потерями электроэнергии на подводящих проводниках от источника постоянного тока при работе машины в режиме двигателя, и последнее снижает кпд такого электродвигателя. Другим недостатком устройства-прототипа является сложность его изготовления, в частности, при обеспечении необходимого зазора между проводящими элементами рабочих обмоток от ребристого тела статора для повышения вращательного момента, возникающего во вращающемся роторе, из-за недостаточного перераспределения сил Лоренца, действующих на ротор и статор - полюсы магнитной системы. Такая униполярная машина может работать в режиме генерирования постоянного тока при вращении ее намагниченного ротора.

Указанные недостатки устранены в заявляемом техническом решении.

Целями изобретения являются существенное увеличение внутреннего сопротивления рабочей обмотки униполярной машины, выполнение ее без скользящих контактов при значительном упрощении конструкции и увеличении надежности и долговечности ее работы.

Указанные цели достигаются в заявляемой многовитковой униполярной машине без скользящих контактов, содержащей ротор на основе постоянного магнита и статор с рабочей обмоткой, отличающейся тем, что на оси вращения ротора из магнитомягкого материала закреплены осесимметрично намагниченный ферромагнитный тороид - с одной стороны и шайба магнитной связи - с другой, расположенная с минимальным зазором от магнитопроводящей крышки статора, выполненного в форме полого цилиндра, внутри которого напротив намагниченного ферромагнитного тороида ротора установлен вплотную к полому цилиндру статора тороид из немагнитного материала с намотанной на него рабочей обмоткой статора, находящейся в рабочем магнитном зазоре между ротором и статором, наружные части витков которой расположены на минимальном расстоянии от намагниченного ферромагнитного тороида ротора, а противоположные внутренние соприкасаются с цилиндрическим телом статора, корпус машины включает также вторую крышку из немагнитного материала, на которой установлены изолированные от нее выводы рабочей обмотки статора, а в обеих крышках закреплены подшипники оси вращения ротора.

Достижение целей изобретения объясняется многовитковостью рабочей обмотки статора, которая подключается непосредственно к источнику постоянного тока без скользящих контактов, поскольку является неподвижной, устройство содержит минимум элементов, а износу подлежат лишь подшипники оси ротора, являющиеся долговечными в работе элементами.

Устройство представлено на прилагаемом рисунке и содержит:

1 - ротор из магнитомягкого материала (Fe) с осью вращения и шайбой магнитной связи,

2 - намагниченный по цилиндрическим поверхностям ферромагнитный тороид (например, из SmCo₃, NdFeВ и др.),

3 - корпус-статор из магнитомягкого материала (Fe) в виде полого цилиндра,

4 - тороид за немагнитного материала (например, Д-16) высотой L,

5 - рабочую обмотка статору, намотанную виток к витку на тороиде 4 из немагнитного материала, изолированным проводником с диаметром d,

6 - крышка корпуса из магнитомягкого материала (Fe), магнитно связанная с шайбой магнитной связи ротора 1 с минимально допустимым зазором (например, 0,5 мм),

7 - крышка корпуса из немагнитного материала (например, из Д-16),

8 - подшипники оси вращения ротора, закрепленные в крышках 6 и 7 корпуса,

9 - изолированные от крышки 7 выводы рабочей обмотки статора 5.

Рабочий магнитный зазор Δ образован между цилиндрическими поверхностями намагниченного ферромагнитного тороида 2 и статора 3. Помещенная в него рабочая обмотка статора 5, намотанная на тороиде из немагнитного материала 4, находится в магнитном поле с индукцией В, витки рабочей обмотки статора с числом n имеют прямоугольную форму, их плоскости лежат в радиальных сечениях, симметричных оси вращения ротора. Противоположные стороны каждого витка длиной L взаимодействуют с магнитным полем в рабочем магнитном зазоре при протекании в рабочей обмотке 5 постоянного тока силой I по закону об электромагнитной индукции, поскольку ортогональны векторам магнитной индукции В, а соединяющие эти стороны витков части рабочей обмотки не взаимодействуют с магнитным полем, так как коллинеарны векторам магнитной индукции, имеющим радиально-симметричную структуру. Сторона каждого витка рабочей обмотки статора длиной L, ближайшая к ротору, имеет зазор от поверхности намагниченного ферромагнитного тороида, равный ε<<Δ, а противоположная сторона практически контактирует с телом статора через тонкую изоляционную пленку толщиной порядка d/2, приклеенную как к рабочей обмотке, так и к цилиндрической поверхности статора, например, эпоксидным компаундом. Угловая скорость вращения ротора 1 обозначена на рис.1 как ω (векторная величина) и показана кривой фигурной стрелкой. Прямыми фигурными стрелками показаны направления магнитного потока в роторе и статоре.

Рассмотрим действие заявляемого технического решения.

По закону об электромагнитной индукции на прямой проводник длиной L с постоянным током I, находящийся в скрещенном к нему магнитном поле с индукцией В, действует лоренцева сила F, направленная по известному правилу «левой руки». Эта сила действует как на внешние проводники, расположенные на расстоянии ε от поверхности намагниченного ферромагнитного тороида 2, так и на внутренние, контактирующие со статором 3, то есть удаленные от ротора на расстояние порядка Δ-d>>ε, но эта сила - F действует в противоположном направлении, поскольку ток протекает в таких отрезках проводника в противоположном направлении. Действующие на эти проводники одинаковые по величине и противоположные по направлению силы приложены со стороны источника магнитного поля в магнитном зазоре, то есть от ротора и статора. Каждая из этих двух сил разлагается на составляющие по правилу параллелограмма, поэтому значение имеет расположение этих проводников - внешнего и внутреннего для каждого из витков рабочей обмотки статора - относительно поверхности ротора (намагниченного ферромагнитного тороида), то есть соответственно от расстояний ε и Δ-d. Можно показать, что составляющие сил противодействия, опирающиеся по касательной на ротор, определяются по формуле F_P1=-Fcos²φ₁=-BLIcos² (πε/2Δ) - от действия силы Лоренца на внешний проводник и F_P2=Fcos²φ₂=BLIcos²[π(Δ-d)/2Δ] - от действия силы Лоренца на внутренний проводник витка. Следовательно, результирующая сила отдачи F_P на ротор со стороны одного витка рабочей обмотки 5 равна F_P=F_P1+F_P2=-BLI{cos²(πε//2Δ)-cos²[π(Δ-d)/2Δ]}. Поскольку Δ>>ε и Δ>>d, и cos²(πε/2Δ)→1, a cos²[π(Δ-d)//2Δ]→0, и тогда F_P≈-BLI по правилу «правой руки». Составляющие сил реакции, действующие на статор, работы не производят в силу неподвижности системы «рабочая обмотка 5 - статор 3». Все n касательных сил, приложенных к ротору с радиусом R, образуют в последнем вращательный момент М=F_P n R. Точное значение этого момента равно М=-ВnLIR_*{cos²(πε/2Δ)-cos²[π(Δ-d)/2Δ]}.

Например, если ε=1 мм, Δ=6 мм и d=1 мм, то разность квадратов косинусов в данном выражении равна cos²(π/12)-cos²(5π/12)=0,933-0,067=0,866, то есть М=-0,866 ВnLIR. Если внутренний радиус тороида из немагнитного материала 4 равен 51,5 мм, то при диаметре проводника d=1 мм число витков, намотанных на этот тороид виток к витку, равен n=2π_*(51,5-d/2)/d=320. При токе в рабочей обмотке I=8 А, магнитной индукции в магнитном зазоре В=0,5 Тл, длине проводников L=40 мм и R=50 мм получим М=-0,866_*0,5_*320_*0,04_*8_*0,05=-2,217 н.м. Если при этом ротор разогнать до угловой скорости ω=314 рад/с=50 об/с, то полезная мощность двигателя составит $$P=\left|\omega M\right|={314}_{*}\mathrm{2,217}=696Вт$$ . При этом полная длина проводника рабочей обмотки H=2n(L+Δ-ε)=640_*0,045=28,8 м, и сопротивление рабочей обмотки, выполненной из медного проводника диаметром 1 мм, равно r=0,017_*28,8/0,785=0,624 Ом. При токе I=8 А падение напряжения на рабочей обмотке составит Ir=8_*0,624=4,99 В≈5 В, а мощность рассеяния составит P_PAC=I²r=40 Вт. При этом кпд двигателя η=700/740=0,95. Напряжение U источника постоянного тока вычисляется как U=(Р+P_PAC)/I=740/8=92,5 В.

Из известного уравнения U=Е+Ir, где Е - эдс самоиндукции, возникающая при вращении ротора в рабочей обмотке статора, для величины которой известно выражение вида: Е=ВnLω_M(R+ε), где ω_M=ω(Δ-ε)/Δ - угловая скорость вращения магнитного поля в тороидальном магнитном зазоре в сечении магнитного зазора на расстоянии ε от поверхности ротора, то есть в месте расположения внешнего проводника каждого из витков рабочей обмотки статора длиной L. Если подставить в это выражение ранее указанные величины, получим ω_M=Е/ВnL(R+ε)=87,5/0,5_*320_*0,04_*0,051=268 рад/с, что соответствует угловой скорости ротора ω=ω_MΔ/(Δ-ε)=268_*6/5=321,6 рад/с, что на самом деле соответствует скорости вращения ротора не 314 рад/с=50 об/с, а 321,6 рад/с=51,2 об/с. Это означает, что для получения угловой скорости вращения ротора 321,6 рад/с следует несколько увеличить напряжение U, приложенное к рабочей обмотке статора, в частности, до величины U=(87,5_*51,2/50)+5=89,6+5=94,6 В (можно использовать восемь последовательно соединенных аккумуляторных батарей по 12 В каждая). При этом полезная мощность двигателя составит 717 Вт, кпд 0,95.

Выражение ω_M=ω(Δ-ε)/Δ характерно для рассматриваемого типа униполярной машины, в которой тороидальный магнитный зазор создан между вращающимся ротором и неподвижным статором при НЕПОДВИЖНОЙ рабочей обмотке статора. Именно поэтому необходимо полагать, что угловая скорость вращения магнитного поля в разных сечениях магнитного зазора изменяется в пределах ω≥ω_M≥0. Так, у поверхности статора эта скорость становится нулевой, что практически не возбуждает эдс самоиндукции во внутренних проводниках каждого из витков рабочей обмотки длиной L.

Указанное распределение угловых скоростей магнитного поля ω_M в тороидальном магнитном зазоре возникает, когда один магнитный полюс движется (в данном случае вращается) относительно другого неподвижного, в предположении, что физически магнитное поле представляет квантованную среду, имеющую свойства виртуальной вязкой жидкости. Аналогично этому скорость течения жидкости в трубе максимальна в центре сечения трубы и линейно убывает к стенкам трубы, на которых течение жидкости вообще отсутствует.

Заявляемое техническое решение может быть рекомендовано к использованию в электромобилях и тяговых двигателях на железнодорожном транспорте при использовании сверхсильных неодимовых магнитов, например, со структурой NdFeВ (или SmCO₃). Возможны различные модификации данного устройства.

Литература

1. M. Faradey. Experimental Researches in Electricity, London, 1841.

2. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Электродинамика сплошных сред, 2 изд., М., 1982.

3. Дж. Джексон. Классическая электродинамика, пер. с англ., М., 1965.

4. Д.В. Сивухин. Общий курс физики, 2 изд., т. 3, М.: Электричество, 1983.

5. Электрические униполярные машины, под ред. Л.А. Суханова. М.: ВНИИЭМ, 1964, с.14.

6. «Электричество», №8, 1991, с. 6-7, рис. 8.

7. О.Ф. Меньших. Бесколлекторный двигатель постоянного тока, Патент РФ №2391761, опубл. в бюл. №16 от 10.06.2010.

Многовитковая униполярная машина, содержащая ротор на основе постоянного магнита с осью вращения и подшипниками и выполненный в форме полого цилиндра корпус-статор с рабочей обмоткой, отличающаяся тем, что она содержит намагниченный ферромагнитный тороид, тороид из немагнитного материала, а корпус-статор выполнен с крышками из немагнитного материала и магнитопроводящего материала, при этом на оси вращения ротора, выполненной из магнитомягкого материала, закреплены осесимметрично намагниченный ферромагнитный тороид - с одной стороны и шайба магнитной связи - с другой, расположенная с минимальным зазором от магнитопроводящей крышки корпуса-статора, внутри которого напротив намагниченного ферромагнитного тороида установлен вплотную к цилиндру корпуса-статора тороид из немагнитного материала с намотанной виток к витку рабочей обмоткой, витки которой расположены на минимальном расстоянии от намагниченного ферромагнитного тороида и соприкасаются с цилиндрическим корпусом-статором, при этом на крышке корпуса-статора из немагнитного материала установлены изолированные от нее выводы рабочей обмотки статора, а подшипники оси вращения ротора закреплены в упомянутых крышках.