CZ293074B6 - Homopolární stroj na nízké až velmi vysoké napětí - Google Patents
Homopolární stroj na nízké až velmi vysoké napětí Download PDFInfo
- Publication number
- CZ293074B6 CZ293074B6 CZ20021738A CZ20021738A CZ293074B6 CZ 293074 B6 CZ293074 B6 CZ 293074B6 CZ 20021738 A CZ20021738 A CZ 20021738A CZ 20021738 A CZ20021738 A CZ 20021738A CZ 293074 B6 CZ293074 B6 CZ 293074B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- stator
- rotor
- air gap
- magnetic
- shaft
- Prior art date
Links
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 22
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 21
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229920001519 homopolymer Polymers 0.000 claims description 7
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 5
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000846 In alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000799 K alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- LTMHDMANZUZIPE-PUGKRICDSA-N digoxin Chemical compound C1[C@H](O)[C@H](O)[C@@H](C)O[C@H]1O[C@@H]1[C@@H](C)O[C@@H](O[C@@H]2[C@H](O[C@@H](O[C@@H]3C[C@@H]4[C@]([C@@H]5[C@H]([C@]6(CC[C@@H]([C@@]6(C)[C@H](O)C5)C=5COC(=O)C=5)O)CC4)(C)CC3)C[C@@H]2O)C)C[C@@H]1O LTMHDMANZUZIPE-PUGKRICDSA-N 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- BITYAPCSNKJESK-UHFFFAOYSA-N potassiosodium Chemical compound [Na].[K] BITYAPCSNKJESK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Dc Machiner (AREA)
Abstract
Ve statoru se budicími cívkami /2/ vytvářejí v opačných směrech dva stejně velké stejnosměrné magnetické toky /.FI./2/, které z obou polovin vnějšího pláště /1/ statoru vstupují společně do nástavce /3/ jako dvojnásobný magnetický tok /.FI./, pokračují přes vzduchovou mezeru /15/ do vnější části /4/ rotoru, kde se opět rozdělí na původní magnetické toky /.FI./2/, které pokračují, vůči sobě opačnými směry, přes vzduchové mezery /16, 17/ do vnitřního pláště /5/ statoru a odtud zpět do vnějšího pláště /1/ statoru, čímž se magnetické toky /.FI./2/ uzavírají. Rotor, otáčející se na hřídeli /13/ z nemagnetického materiálu, se skládá z vnější části /4/ rotoru tvořené dutým válcem z feromagnetického materiálu, a z vnitřní části /14/ rotoru, tvořené plným válcem z nemagnetického materiálu. Na vnější části /4/ rotoru je v mnohonásobných smyčkách navinut vodič /6/, jehož začátek /7/ a konec /10/ jsou spojeny s kartáči /8, 11/ na kroužcích /9, 12/ umístěných na hřídeli /13/. Napětí se indukuje ve smyčkách vodiče /6/, sériově spojených, nacházejících se ve vzduchové mezeře /15/, kterou protíná stejnosměrné magnetické pole.ŕ
Description
Homopolární stroj na nízké až velmi vysoké napětí
Oblast techniky
Vynález se týká oblasti elektrických stejnosměrných strojů.
Dosavadní stav techniky
Rozvoj homopolámích strojů, založených na Faradayově objevu/Experimental research on electricity, 1831/, se uskutečnil hlavně v první polovině 20. století. Jako typické představitele jejich provedení lze uvést např. Noeggerathův homopolární generátor /Aperiodische/ Homopolar-, Unipolar/ Gleichstrommaschinen, El. Bahněn und Betriebe, 3, 1905, Heft 13,
S. 233-238/ a Poirsonův homopolární generátor /Poirson E.: Production et emplois des courants continus á grande intensitě. Dynamos á induction unipolaire ou acycliques, Rev. Gén. Electr., 44, 12. Nov. 1938, p. 605-612/.
Tyto generátory, jež nepotřebují komutátor, jsou schopny produkovat stejnoměrné proudy o napětí pouze několika desítek voltů, naproti tomu však o intenzitě desítek až set tisíc ampér. Vyššího napětí lze dosáhnout sériovým zapojením jednotlivých vodičů přes sběrací kroužky od každého jednotlivého vodiče. Např. Noeggerath tak zapojil 12 vodičů a dosáhl napětí 500V, ovšem s použitím 24 sběracích kroužků, což snižuje konstrukční jednoduchost homopolámích strojů vůči běžným stejnosměrným strojů s komutátorem.
Homopolární generátory se uplatnily tam, kde se vyžadují vysoké proudy řádu desítek až set tisíc ampér, např. v elektrochemickém průmyslu, při odporovém svařování velkých potrubí aj.
Odběr vysokých proudů však způsoboval značné opotřebení původně grafitových, později měďografitových kartáčů, které měly také velký přechodový úbytek způsobující značné ztráty výkonu.
Proto se přistoupilo k používání tekutých kartáčů, nejprve ze rtuti, případně jejich slitin, později slitin sodíku a draslíku, slitiny gallia a india aj.
To umožnilo zvyšovat otáčky rotoru až na lOOOOot/min a v druhé polovině minulého století byly pak vyvinuty homopolární generátory, které mohou dosahovat ve stálém provozu 1,5 x 105 A při napětí 1 až 100 V a v impulzovém provozu 1,8 x 106 A při napětí až 800 V.
Nicméně četné pokusy vyrobit homolopámím strojem vysoké napětí ve stálém provozu sériovým zapojením jednotlivých vodičů bez jejich spojování přes sběrací kroužky dosud nevedly k úspěchu, jak uvádí např. Paul Janet v článku: „Sur les tentatives unfructueuses faites par un grand nombre ďinventeurs pour réaliser une machine á couraní continu sans collecteurs“, Bull. Soc. Franc. El., 8, /4e série/, avril 1928, p. 405^428.
Pouze za použití supravodivého budicího vinutí mohlo být dosaženo až 430 V při stálém provozu. Takové stroje se použily pro pohon kompresorů, lodí, vodících čerpadel, pro reversivní pohony ve válcovnách aj.
Hlavní nevýhodou dosavadních homopolámích strojů je jejich nízké napětí řádu několik desítek voltů. Proto se proti stejnosměrným strojům s komutátorem všeobecně neprosadily a našly použití pouze tam, kde se vyžadují vysoké proudy, tj. nad 6000 až 10 000 A.
Souhrnně lze říci, že použití stávajících homopolámích strojů je omezeno pouze na speciální účely. Mimo již jmenovaná použití se také používají v laboratořích kosmické a raketové techni
- 1 CZ 293074 B6 ky, např. pro elektromagnetická čerpadla na přečerpání tekutých kovů pro chlazení reaktorů, pro napájení elektromagnetů na urychlování nabitých částic, na vytváření vysokých tlaků a teplot v aerodynamickém tunelu pro hyperrychlostni zkoušky aj.
Podstata vynálezu
Navrhovaný stroj má kostru statoru z feromagnetického materiálu kruhového tvaru, složenou podle svislé osové roviny ze dvou zrcadlově stejných polovin. Stator se skládá z vnějšího a vnitř10 ního pláště, spolu plynule spojených na vnější straně, přičemž z vnitřní stěny vnějšího pláště vystupuje uprostřed nástavec tvaru dutého válce. Mezi nástavcem a vnitřním pláštěm se na hřídeli z nemagnetického materiálu otáčí rotor, složený z vnějšího dutého válce z feromagnetického materiálu a vnitřního plného válce z nemagnetického materiálu. Do vnějšího pláště jsou symetricky v jeho pravé i levé polovině zabudovány budicí cívky, napájené stejnosměrným proudem, 15 které jsou po obvodě symetricky rozloženy v počtu 2 nebo 4 nebo více a jejich jádrem je součást tělesa pláště. Počty cívek a jejich velikosti jsou v pravé i levé polovině pláště totožné. Budicí cívky jsou zapojeny tak, že v pravé i levé polovině vnějšího a vnitřního pláště vytvářejí totožné stejnosměrné magnetické toky φ/2, které oba společně vstupují do nástavce a jako magnetický tok dvojnásobné velikosti φ pokračují přes vzduchovou mezeru 15 do vnější části rotoru, tvořené 20 dutým válcem z feromagnetického materiálu, v němž se dvojnásobný magnetický tok φ opět rozdělí na dva původní totožné magnetické toky φ/2, jež pokračují, jeden vpravo a druhý vlevo přes vzduchové mezery 16 a 17 do vnitřního pláště statoru a odtud zpět do vnějšího pláště, čímž se průběh magnetických toků v pravé i levé polovině statoru uzavírá.
Na vnější část rotoru, tvořenou dutým válcem z feromagnetického materiálu, je v mnohonásobných smyčkách navinut po celém obvodu dutého válce nekonečný vodič, jehož začátek je spojen s kartáčem na kroužku umístěném na hřídeli a jehož konec je spojen s kartáčem na druhém kroužku umístěném na hřídeli, přičemž nekonečný vodič může být rozdělen na více stejných sekcí a začátek a konec nekonečného vodiče každé sekce jsou podobně spojeny s kartáči 30 na dalších kroužcích.
Pro vysvětlení vzniku indukovaného napětí označme si jednu smyčku nekonečného vodiče 6 takto /obr. 3/:
a - délka části smyčky na vnější straně dutého válce rotoru, b - délka levého čela smyčky, přičemž b = d, c - délka části smyčky na vnitřní straně dutého válce rotoru, d - délka pravého čela smyčky.
Při otáčení rotoru protíná vodič smyčky délky a magnetické pole toku φ ve vzduchové mezeře 15, kde je magnetická indukce B, vodič délky b levého čela smyčky protíná magnetické pole toku φ/2 ve vzduchové mezeře 17, kde je magnetická indukce B1? vodič délky d pravého čela smyčky protíná též magnetické pole toku φ/2 ve vzduchové mezeře 16, kde je rovněž indukce Bi a vodič smyčky délky c magnetické pole neprotíná.
Při otáčení rotoru ve stálém magnetickém poli se ve vodiči délky a indukuje napětí
E = B.a.v /1/ kde v = rychlost otáčení
-2CZ 293074 B6
Ve vodičích délek b a d se indukují napětí
Eb = Bj . b . v, Ed = Bi . d . v /2, 3/
Tato napětí mají stejnou velikost, avšak opačný smysl a tudíž se vzájemně ruší, tj.
Eb + Ed = 0 /4/
Výsledné indukované napětí v jedné smyčce je tedy dáno rovnicí /1/.
Výsledné indukované napětí v celém nekonečném vodiči je dáno součtem napětí všech smyček, neboť vodiče délky a smyčky jsou spojeny v sérii, tedy
Ε = B . a . v . n /5/
Kde n = počet smyček vodiče
Z rovnice /5/ je zřejmé, že volbou počtu smyček n, magnetické indukce B a rychlosti v lze vyrobit napětí od nízkých až do velmi vysokých hodnot.
Navrhovaný homopolámí stroj
1/ může tedy generovat napětí od nejnižších až do velmi vysokých hodnot, čímž odstraňuje zásadní nevýhodu dosavadních homopolámích strojů, které nemohou dosahovat běžně vyšších napětí a proto se nemohly proti stejnosměrných strojům s komutátorem všeobecně prosadit,
2/ nemusí používat komplikovaná zařízení nutná u dosavadních homopolámích strojů při používání tekutých kartáčů a supravodivého vinutí,
3/ ve srovnání se stávajícími stejnosměrnými stroji s komutátorem je konstrukčně a technologicky jednodušší, má jednoduché budicí vinutí a velmi dobrou účinnost.
Přehled obrázků na výkresech
Vynález je blíže vysvětlen na připojeném výkrese, kde na obr. 1 je znázorněn řez v podélné ose stroje a na obr. 2 je nakreslen příčný řez stroje vzduchovou mezerou 16 A - A, znázorňující nárys při pohledu zprava doleva. Obr. 3 znázorňuje smyčku nekonečného vodiče.
Příklad provedení vynálezu
Stroj podle obr. 1 má kostru statoru z feromagnetického materiálu kruhového tvaru, složenou podle příčné osové roviny ze dvou zrcadlově stejných polovin. Kostra se skládá z vnějšího pláště 1 statoru a vnitřního pláště 5 statoru spolu plynule spojených na vnější straně, přičemž z vnitřní stěny vnějšího pláště 1 statoru jako jeho součást vystupuje uprostřed nástavec 3 tvaru dutého válce z feromagnetického materiálu. Mezi nástavcem 3 a vnitřním pláštěm 5 statoru se na hřídeli 13 z nemagnetického materiálu otáčí rotor, složený z vnější části 4 rotoru tvořené dutým válcem z feromagnetického materiálu a z vnitřní části 14 rotoru tvořené plným válcem z nemagnetického materiálu. Do vnějšího pláště 1 statoru jsou symetricky v jeho pravé i levé polovině ve stejném počtu zabudovány budicí cívky 2, napájené stejnosměrným proudem, které jsou po obvodu vnějšího pláště symetricky rozloženy v počtu 2 nebo 4 nebo více a jejich jádro je součástí tělesa vnějšího pláště 1 statoru. Počty cívek a jejich velikosti jsou v obou polovinách totožné. Budicí
-3CZ 293074 B6 ιcívky, které mají v jedné polovině vnějšího pláště 1 statoru opačnou polaritou než v druhé polovině, vytvářejí v obou polovinách vnějšího pláště 1 statoru a vnitřního pláště 5 statoru stejnosměrné magnetické toky stejné velikosti φ/2, avšak opačného směru. Tyto toky společně vstupují do nástavce 3 jako dvojnásobný magnetický tok φ, který pokračuje přes vzduchovou 5 mezeru 15 do vnější části 4 rotoru, v níž se opět rozdělí na dva původní magnetické toky φ/2, jež pokračují vůči sobě každý opačným směrem, jeden přes vzduchovou mezeru 16 a druhý přes vzduchovou mezeru 17 do vnitřního pláště 5 statoru a odtud do vnějšího pláště 1 statoru, čímž se průběh magnetického toku φ/2 v obou polovinách statoru uzavírá.
ío Na vnější část 4 rotoru, tvořenou dutým válcem z feromagnetického materiálu, je v mnohonásobných smyčkách navinut po celém obvodu dutého válce vodič 6, jehož začátek 7 je spojen s prvním kartáčem 8 na prvním kroužku 9, umístěném na hřídeli 13. a jehož konec 10 je spojen s druhým kartáčem 11 na druhém kroužku 12, rovněž umístěném na hřídeli 13, přičemž vodič 6 může být rozdělen na více sekcí a začátek a konec vodiče každé sekce jsou podobně spojeny 15 s kartáči na dalších kroužcích.
Průmyslová využitelnost
Homopolámí stroj podle vynálezu se dá využít pro elektrické pohony, pro napájení stejnosměrných sítí, pro dálkový přenos elektrické energie velmi vysokým napětím a pro další účely.
Claims (4)
- PATENTOVÉ NÁROKY1. Homopolámí stroj, vyznačený tím, že do vnějšího pláště /1/ statoru zferomagne-30 tického materiálu jsou symetricky podle příčné osové roviny v obou jeho polovinách zabudovány budicí cívky /2/, které jsou po obvodě vnějšího pláště symetricky rozloženy a jejichž jádro je součástí tělesa vnějšího pláště, kteréžto cívky mající v jedné polovině pláště /1/ statoru opačnou polaritu než v druhé polovině pláště /1/ statoru vytvářejí stejně velké stejnosměrné magnetické toky /φ/2/, které oba společně vstupují do nástavce /3/jako magnetický tok dvojnásobné velikosti35 /φ/ a pokračují přes vzduchovou mezeru /15/ do vnější části /4/ rotoru, tvořené dutým válcem z feromagnetického materiálu, v němž se magnetický tok dvojnásobné velikosti /φ/ opět rozdělí na dva původní stejně velké magnetické toky /φ/2/, jež pokračují vůči sobě každý opačným směrem, jeden přes vzduchovou mezeru /16/, druhý přes vzduchovou mezeru /17/ do vnitřního pláště /5/ statoru a odtud zpět do vnějšího pláště /1/ statoru, čímž se průběh magnetického toku 40 /φ/2/ uzavírá.
- 2. Stroj podle nároku 1, vyznačený tím, že na vnější část /4/ rotoru, tvořenou dutým válcem z feromagnetického materiálu je v mnohonásobných smyčkách navinut po celém obvodu dutého válce vodič /6/, jehož začátek /7/ je spojen s prvním kartáčem /8/ na prvním kroužku /9/45 umístěném na hřídeli /13/ a jehož konec /10/ je spojen s druhým kartáčem /11/ na druhém kroužku /12/ umístěném na hřídeli /13/.
- 3. Stroj podle nároku 2, vyznačený tím, že vodič /6/je rozdělen na více sekcí a začátek a konec každé sekce jsou podobně spojeny s kartáči na dalších kroužcích.
- 4. Stroj podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačený tím, že vnitřní část /14/ rotoru, tvořená plným válcem, a jeho hřídel /13/jsou z nemagnetického materiálu.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ20021738A CZ293074B6 (cs) | 2002-05-17 | 2002-05-17 | Homopolární stroj na nízké až velmi vysoké napětí |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ20021738A CZ293074B6 (cs) | 2002-05-17 | 2002-05-17 | Homopolární stroj na nízké až velmi vysoké napětí |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ20021738A3 CZ20021738A3 (cs) | 2004-02-18 |
| CZ293074B6 true CZ293074B6 (cs) | 2004-02-18 |
Family
ID=30774652
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ20021738A CZ293074B6 (cs) | 2002-05-17 | 2002-05-17 | Homopolární stroj na nízké až velmi vysoké napětí |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ293074B6 (cs) |
-
2002
- 2002-05-17 CZ CZ20021738A patent/CZ293074B6/cs not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ20021738A3 (cs) | 2004-02-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4908347A (en) | Dynamoelectric machine with diamagnetic flux shield | |
| CN107925328B (zh) | 多通道电动马达/发电机 | |
| KR102048601B1 (ko) | 향상된 영구 자석 자속밀도를 갖는 개선된 dc 전기 모터/발전기 | |
| CN109891726A (zh) | 一种改进的多隧道电动机/发电机 | |
| WO2000046905A1 (en) | High efficiency electro-mechanical energy conversion device | |
| JP2018524964A (ja) | 回転電磁装置 | |
| KR20190088960A (ko) | 다중브러시를 이용한 직류발전장치 | |
| KR20190090755A (ko) | 모터와 알터네이터를 융합한 구동기계 | |
| AU2016354870A1 (en) | Electric generator with a rotational resistance avoidance feature | |
| US4982128A (en) | Double air gap alternator | |
| EP1902511B1 (en) | Superconducting acyclic homopolar electromechanical power converter | |
| RU2546970C1 (ru) | Униполярный генератор постоянного тока | |
| US3239702A (en) | Multi-disk electromagnetic power machinery | |
| CZ293074B6 (cs) | Homopolární stroj na nízké až velmi vysoké napětí | |
| KR20180134737A (ko) | 다중브러시를 이용한 직류발전장치 | |
| RU2359392C1 (ru) | Коллекторная электрическая машина с полюсным якорем | |
| US442173A (en) | Charles e | |
| KR102766283B1 (ko) | 초고속 전동기 | |
| US6252324B1 (en) | Method of winding a rotating induction apparatus | |
| KR200368951Y1 (ko) | 발전기 및 전동기의 겸용 사용을 가능케 하는 회전기 | |
| CN117856504B (zh) | 无换向轴向磁通直流电机 | |
| KR100610157B1 (ko) | 발전기 및 전동기의 겸용 사용을 가능케 하는 회전기 | |
| RU2833259C1 (ru) | Способ получения движущей силы в электрических двигателях | |
| JP2009543540A (ja) | Ｍｐ−ｄマシン | |
| KR20190099367A (ko) | 브러시홀더의 회전 및 슬립링을 이용한 발전기 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20090517 |