RU2074483C1

RU2074483C1 - Current collector

Info

Publication number: RU2074483C1
Application number: RU95100894A
Authority: RU
Inventors: Валерий Туркубеевич Пчентлешев
Original assignee: Валерий Туркубеевич Пчентлешев
Priority date: 1995-01-23
Filing date: 1995-01-23
Publication date: 1997-02-27
Also published as: RU95100894A

Abstract

FIELD: unipolar electrical machines. SUBSTANCE: device has rotor placed in stator magnetic field. Sliding electric contact between rotor periphery and fixed part of unipolar machine is effected through conductor made in the form of rotor rotating unidirectionally with first rotor and having lower angular velocity than first rotor. EFFECT: improved design. 1 dwg

Description

Изобретение относится к токосъемным устройствам (ТУ) и касается в частности ТУ униполярных электрических машин (УЭМ)
Уровень техники.The invention relates to current collection devices (TU) and relates in particular to TU of unipolar electric machines (UEM)
The prior art.

УЭМ имеют преимущества, по сравнению с другими типами электрических машин (ЭМ), такие как ([1] с. 20-21): больший коэффициент полезного действия; простота конструкции (в следствии малого количества деталей); высокая термостойкость и долговечность; экономия цветного металла (меди); уменьшая стоимость машины и простота обслуживания; допускает высокую плотность тока; двойное использование материалов (одновременно как токопровод и как магнитопровод). UEMs have advantages over other types of electric machines (EMs), such as ([1] p. 20-21): greater efficiency; simplicity of design (due to the small number of parts); high heat resistance and durability; non-ferrous metal (copper) saving; reducing machine cost and ease of maintenance; allows high current density; double use of materials (both as a current lead and as a magnetic core).

С другой стороны УЭМ в варианте двигателя имеют преимущество перед асинхронными ЭМ то, что могут иметь более высокую скорость вращения ротора (т. к. скорость вращения ротора асинхронной машины ограничена частотой питающего тока ([1] с. 178)). On the other hand, UEMs in the motor variant have an advantage over asynchronous EMs in that they can have a higher rotor speed (since the rotor speed of the asynchronous machine is limited by the frequency of the supply current ([1] p. 178)).

Таким образом УЭМ, потенциально, имеют в качестве фактора, ограничивающего скорость вращения ротора только физико- механические характеристики материала конструкции ротора, что, потенциально, позволит иметь УЭМ, по сравнению с другими типами ЭМ, более выгодные массогабаритные характеристики (т. е. меньший вес и габариты). Thus, UEMs, potentially, have as a factor limiting the rotor speed only the physicomechanical characteristics of the rotor construction material, which, potentially, will allow UEMs, in comparison with other types of EMs, to have more advantageous mass and size characteristics (i.e., less weight and dimensions).

Однако несмотря на эти преимущества, сдерживающим фактором для применения УЭМ является отсутствие надежных ТУ, работающих в широком диапазоне линейных скоростей в скользящем контакте ([2] с. 3). However, despite these advantages, the limiting factor for the application of UEM is the lack of reliable TUs operating in a wide range of linear speeds in a sliding contact ([2] p. 3).

Существующие УЭМ не отличаются большим принципиальным разнообразием конструкций ТУ. Existing UEMs are not distinguished by a large fundamental variety of TU designs.

В качестве скользящего электрического контакта в УЭМ используются: ([3]) щеточный контакт; ([4]) жидкометаллический контакт; ([5]) токосъем при помощи дугового разряда в вакууме. As a sliding electrical contact in a UEM, the following are used: ([3]) brush contact; ([4]) liquid metal contact; ([5]) current collection by means of an arc discharge in vacuum.

Недостаток всех этих конструкций ограничение линейной скорости в скользящем контакте вполне конкретным значением, равным для щеточного контакта 10-90 метрам в секунду (м/с)([2] с. 4), а для жидкометаллического контакта - 100-120 м/с ([2] с. 3). The disadvantage of all these designs is the limitation of the linear velocity in the sliding contact with a very specific value equal to 10-90 meters per second (m / s) for the brush contact ([2] p. 4), and for 100-120 m / s for liquid metal contact ( [2] p. 3).

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению является УЭМ, указанная в ([6]). Она представляет из себя УЭМ с дисковым ротором. На периферии ротор соединен (электрически) при помощи щетки со щеткодержателем. Щеткодержатель в свою очередь соединен (электрически) при помощи жидкометаллического контакта с неподвижной частью УЭМ. Щеткодержатель может вращаться в направлении вращения ротора. Подшипниковые опоры щеткодержателя расположены на таком же расстоянии от оси вращения ротора, что и щетки. The closest in technical essence to the claimed solution is UEM, indicated in ([6]). It is a UEM with a disk rotor. At the periphery, the rotor is connected (electrically) by brush with a brush holder. The brush holder, in turn, is connected (electrically) by means of liquid metal contact with the fixed part of the UEM. The brush holder can rotate in the direction of rotation of the rotor. The bearing supports of the brush holder are located at the same distance from the axis of rotation of the rotor as the brushes.

Недостаток данного решения невысокая скорость вращения щеткодержателя (т. к. его подшипниковые опоры расположены далеко от оси вращения ротора и оси вращения самого щеткодержателя, а скорость скольжения (или качения) подшипниковых опор имеет вполне определенное, конечное значение), и невозможность регулирования скорости вращения щеткодержателя. Все это позволит незначительно увеличить угловую скорость ротора УЭМ, по сравнению с УЭМ, имеющими традиционные ТУ, указанные в ([3] [4] [5]). The disadvantage of this solution is the low rotation speed of the brush holder (since its bearing bearings are located far from the axis of rotation of the rotor and the axis of rotation of the brush holder itself, and the sliding speed (or rolling) of the bearing bearings has a well-defined, final value), and the inability to control the rotation speed of the brush holder . All this will allow a slight increase in the angular velocity of the UEM rotor, in comparison with UEM having the traditional TU specified in ([3] [4] [5]).

Задачей изобретения является создание такого ТУ, которое бы позволило иметь скорость вращения ротора УЭМ, ограничиваемую только физико-механическими характеристикамиматериала конструкции ротора, а следовательно, уменьшить вес и габариты УЭМ (при прочих равных условиях). The objective of the invention is the creation of such a specification that would allow you to have the speed of rotation of the rotor UEM, limited only by the physical and mechanical characteristics of the material of the rotor design, and therefore, reduce the weight and dimensions of the UEM (all other things being equal).

Очевидно, если такая задача может быть решена, то это "неочевидное" решение для следующего в ЭВМ специалиста, поскольку в рассмотренных аналогах и прототипе она не решена. Obviously, if such a problem can be solved, then this is a "non-obvious" solution for the next specialist in the computer, since it has not been solved in the considered analogues and prototype.

Задача изобретения решается тем, что у заявляемой УЭМ имеются, по меньшей мере два, например, дисковых ротора, совершающих вращение в одном направлении с разной угловой скоростью, При этом, например, в варианте двигателя один ротор механически связан с потребителем мощности и по нему течет ток, необходимый для создания тpебуемой мощности. Второй ротор вращается в том же направлении, но с меньшей угловой скоростью, причем он механически не связан с потребителем мощности. На периферии второго ротора установлен обод, изолированный от него электрически, и жестко прикреплен к нему. Внутренняя поверхность обода соединена электрическим скользящим контактом, например, при помощи щетки, с периферией первого ротора, а внешняя сторона обода соединена электрическим скользящим контактом, например, щеткой с неподвижной частью УЭМ. Второй ротор также на периферии соединен электрически, например, при помощи щетки с неподвижной частью УЭМ. Оба ротора имеют также скользящие электрические контакты у оси вращения соответствующих роторов. По второму ротору течет ток, необходимый только для компенсации силы сопротивления, создаваемой щеточными контактами обоих роторов и трением в опорах второго ротора (т. е. меньший ток, чем по первому ротору). Ток в обоих роторах течет в одном направлении. The objective of the invention is solved in that the claimed UEM has at least two, for example, disk rotors that rotate in the same direction at different angular speeds. In this case, for example, in the engine variant, one rotor is mechanically connected to the power consumer and flows through it current required to create the required power. The second rotor rotates in the same direction, but with a lower angular velocity, and it is not mechanically connected with the power consumer. A rim is installed on the periphery of the second rotor, electrically isolated from it, and is rigidly attached to it. The inner surface of the rim is connected by an electric sliding contact, for example, using a brush, to the periphery of the first rotor, and the outer side of the rim is connected by an electric sliding contact, for example, a brush with a fixed part of the UEM. The second rotor is also electrically connected at the periphery, for example, by means of a brush with a fixed part of the UEM. Both rotors also have sliding electrical contacts at the axis of rotation of the respective rotors. The current flowing along the second rotor is necessary only to compensate for the resistance created by the brush contacts of both rotors and the friction in the bearings of the second rotor (i.e., less current than the first rotor). The current in both rotors flows in the same direction.

Таким образом, имея по меньшей мере два ротора, вращающихся в одном направлении с разной угловой скоростью, можно увеличить угловую скорость первого ротора (силового ротора) относительно неподвижной части УЭМ в два раза. Это возможно потому, что скорость в скользящем контакте (внешняя поверхность обода неподвижная часть УЭМ) будет равна предельно допустимой, равной для щеток согласно ([2] с. 4) 90 м/с. Скорость в скользящем контакте (внутренняя поверхность обода периферия первого ротора) также будет равна 90 м/с. Но так как оба ротора вращаются в одном направлении с разными угловыми скоростями (угловая скорость первого ротора в два раза выше, чем угловая скорость второго ротора), в результате окружная скорость первого ротора относительно неподвижной части УЭМ будет равна сумме этих скоростей, т. е. 180 м/с, что в два раза выше, чем у существующих УЭМ. Thus, having at least two rotors rotating in the same direction with different angular speeds, it is possible to double the angular velocity of the first rotor (power rotor) relative to the stationary part of the UEM. This is possible because the speed in the sliding contact (the outer surface of the rim is the fixed part of the UEM) will be equal to the maximum permissible, equal to 90 m / s for brushes according to ([2] p. 4). The speed in the sliding contact (the inner surface of the rim is the periphery of the first rotor) will also be equal to 90 m / s. But since both rotors rotate in the same direction with different angular velocities (the angular velocity of the first rotor is two times higher than the angular velocity of the second rotor), as a result, the peripheral speed of the first rotor relative to the stationary part of the UEM will be equal to the sum of these speeds, i.e. 180 m / s, which is two times higher than the existing UEM.

Все это позволит уменьшить габариты и вес УЭМ (при прочих равных условиях), по сравнению с существующими УЭМ. All this will reduce the size and weight of UEM (ceteris paribus), compared with existing UEM.

Применяя несколько роторов (два и более) по аналогичной схеме (т. е. один ротор является силовым (связан с потребителем или источником мощности), а все остальные служат только для сохранения линейной скорости в скользящем контакте в заданных пределах (они не связаны механически с потребителем или источником мощности), можно получить угловую скорость силового ротора, ограничиваемую только физико-механическими характеристиками материала конструкции силового ротора. В этом варианте исполнения заявляемого решения все роторы имеют разные угловые скорости, однако они вращаются в одном направлении. Using several rotors (two or more) according to a similar scheme (i.e., one rotor is a power one (connected to a consumer or a power source), and all the others serve only to maintain the linear speed in the sliding contact within specified limits (they are not mechanically connected to by a consumer or a power source), it is possible to obtain the angular velocity of the power rotor, limited only by the physicomechanical characteristics of the material of the construction of the power rotor. In this embodiment of the proposed solution, all rotors have different angles ew speed, but they rotate in the same direction.

Заявляемое решение может быть использовано в УЭМ, работающей как в двигательном, так и в генераторном режиме. The inventive solution can be used in UEM, operating both in motor and in generator mode.

На чертеже показана УЭМ, где цифрами обозначено: 1,4 валы роторов 2 и 3, соответственно; 2 и 3 роторы; 5 обод; 6 изоляционная прокладка; 7 - статор; 8, 9, 10, 11 и 12 щетки; а а и б б электрические цепи роторов 3 и 2, соответственно. На чертеже опоры роторов 2 и 3 не показаны. Цифрой 13 на чертеже обозначена обмотка возбуждения статора 7. The drawing shows a UEM, where the numbers indicate: 1.4 shafts of rotors 2 and 3, respectively; 2 and 3 rotors; 5 rim; 6 insulating gasket; 7 - stator; 8, 9, 10, 11 and 12 brushes; a and b b electrical circuits of rotors 3 and 2, respectively. In the drawing, the supports of the rotors 2 and 3 are not shown. The number 13 in the drawing indicates the excitation winding of the stator 7.

Устройство при использовании его в УЭМ представляет из себя следующее. На валу 1 жестко установлендисковый ротор 2, электрически соединенный с валом 1. Имеется второй дисковый ротор 3, механически не связанный с ротором 2, и выполненный заодно с валом 4. На периферии ротора 3 установлен обод 5, жестко связанный с ним, но изолированный от него электрически изоляционной прокладкой 3. Оба ротора установлены между полюсами статора 7 (опоры роторов на чертеже не показаны). Оси вращения роторов 2 и 3 совпадают. Ротор 2 имеет один щеточный скользящий контакт 8 у оси вала 1 другой щеточный контакт 9 на периферии, соединяющий ротор 2 с внутренней поверхностью обода 5 (обод 5 является проводником электрического тока). Внешняя сторона обода 5 и неподвижная часть УЭМ соединены при помощи щеточного скользящего контакта 10. Ротор 3 соединен с неподвижной частью УЭМ у оси вала 4 при помощи щеточного скользящего контакта 11, а на периферии при помощи щеточного скользящего контакта 12. Роторы 2 и 3 расположены между полюсами статора 7, магнитное поле между которыми создается обмоткой возбуждения 13. The device when used in UEM is the following. A disk rotor 2 is rigidly mounted on the shaft 1, electrically connected to the shaft 1. There is a second disk rotor 3, not mechanically connected to the rotor 2, and made integral with the shaft 4. At the periphery of the rotor 3, a rim 5 is mounted, rigidly connected to it, but isolated from it electrically insulating gasket 3. Both rotors are installed between the poles of the stator 7 (rotor supports are not shown in the drawing). The axis of rotation of the rotors 2 and 3 coincide. The rotor 2 has one brush sliding contact 8 at the axis of the shaft 1, another brush contact 9 at the periphery connecting the rotor 2 with the inner surface of the rim 5 (the rim 5 is an electric current conductor). The outer side of the rim 5 and the stationary part of the UEM are connected using a brush sliding contact 10. The rotor 3 is connected to the fixed part of the UEM at the axis of the shaft 4 using a brush sliding contact 11, and on the periphery using a brush sliding contact 12. The rotors 2 and 3 are located between the poles of the stator 7, the magnetic field between which is created by the excitation winding 13.

Устройство в варианте двигателя работает следующим образом. В цепи d d от щетки 11 через вал 4 и ротор 3 к щетке 12 течет постоянный ток i₁ (фиг. 1). В обмотках возбуждения 13 статора 7 также течет ток, следовательно, между полюсами статора 7, обращенными к ротору 3, возникает магнитный поток, который в соответствии с законом электромагнитной индукции воздействует на проводник с током (ротор 3) с силой F_эм, определяемой согласно ([7] с. 7) по формуле:
F_эм=B•l•i₁, (1)
где, B индукция магнитного поля между полюсами статора 7,
l длина проводника с током (т. е. радиус ротора 3),
i₁ ток к цепи а а.The device in a variant of the engine operates as follows. In the circuit dd from the brush 11 through the shaft 4 and the rotor 3 to the brush 12 flows a constant current i ₁ (Fig. 1). A current also flows in the excitation windings 13 of the stator 7, therefore, between the poles of the stator 7 facing the rotor 3, a magnetic flux arises, which, in accordance with the law of electromagnetic induction, acts on the current conductor (rotor 3) with a force F _em determined according to ( [7] p. 7) by the formula:
F _em = B • l • i ₁ , (1)
where, B is the induction of the magnetic field between the poles of the stator 7,
l the length of the conductor with current (i.e., the radius of the rotor 3),
i ₁ current to circuit a a.

Эта сила создает крутящий момент и заставляет ротор 3 вращаться в строго определенную сторону, определяемую согласно правилу правой руки. This force creates a torque and makes the rotor 3 rotate in a strictly defined direction, determined according to the rule of the right hand.

Величина i₁ выберается такой, чтобы полностью компенсировать потери на трение в опорах вала 4 в щеточных контактах 10, 11 и 12. При этом линейная скорость в щеточных контактах 10 и 12 не должна быть больше допустимой для щеток и равна согласно ([2] с. 4) 90 м/с,
В цепи б б от щетки 8 через вал 1 ротор 2 к щетке 9, через обод 5 к щетке 10 течет ток i₂. Т. е. токи i₁ и i₂ в обоих роторах текут в одном направлении. Величина i₂ выбирается такой (причем i₂ > i₁), чтобы, отдавая потребителю заданную мощность (потребитель механически соединен с валом 1), относительная скорость в щеточном контакте 9 не превышала предельно допустимую для щеток, равную 90 м/с. Т. к. ток i₂ в роторе 2 течет в том же направлении, что и ток i₁ в роторе 3, то оба ротора 2 и 3 будут вращаться в одном направлении,
Таким образом, периферия ротора 2 будет иметь (относительно обода 5) линейную скорость, равную 90 м/с. В свою очередь, обод 5 будет иметь линейную скорость относительно неподвижной части УЭМ равную 90 м/с (т. к. обод 5 жестко прикреплен к ротору 3), Но т. к. роторы 2 и 3 вращаются в одном направлении, то следовательно, относительная скорость периферии ротора 2 (относительно неподвижной части УЭМ) будет равна сумме этих скоростей, т. е. 180 м/с. Это в два раза больше, чем у существующих УЭМ.The value of i _{1 is} chosen so as to completely compensate for the friction loss in the bearings of the shaft 4 in the brush contacts 10, 11 and 12. Moreover, the linear speed in the brush contacts 10 and 12 should not be more than acceptable for the brushes and equal to ([2] with 4) 90 m / s,
In the circuit b b from the brush 8 through the shaft 1, the rotor 2 to the brush 9, a current i ₂ flows through the rim 5 to the brush 10. That is, the currents i ₁ and i ₂ in both rotors flow in the same direction. The value of i ₂ is chosen such (where i ₂ > i ₁ ) so that, giving the consumer the specified power (the consumer is mechanically connected to the shaft 1), the relative speed in the brush contact 9 does not exceed the maximum allowable for brushes, equal to 90 m / s. Since the current i ₂ in the rotor 2 flows in the same direction as the current i ₁ in the rotor 3, then both rotors 2 and 3 will rotate in the same direction,
Thus, the periphery of the rotor 2 will have (relative to the rim 5) a linear velocity of 90 m / s. In turn, the rim 5 will have a linear velocity relative to the stationary part of the UEM equal to 90 m / s (because the rim 5 is rigidly attached to the rotor 3), but since the rotors 2 and 3 rotate in the same direction, therefore, the relative velocity of the periphery of the rotor 2 (relative to the stationary part of the UEM) will be equal to the sum of these velocities, i.e. 180 m / s. This is two times more than the existing UEM.

Но т. к. мощность двигателя прямо пропорциональна угловой скорости ротора, то заявляемая УЭМ в варианте двигателя (и в варианте генератора) будет иметь в два раза большую мощность (при прочих равных условиях), по сравнению с соответствующими УЭМ, или при заданной мощности меньшие вес и габариты. But since the engine power is directly proportional to the angular velocity of the rotor, the claimed UEM in the engine variant (and in the generator variant) will have twice as much power (ceteris paribus), compared with the corresponding UEM, or for a given power less weight and dimensions.

В рассмотренном случае по роторам 2 и 3 текут токи i₂ и i₁, имеющие разные значения. Но как видно из формулы (1) заданную электромагнитную силу F_эм можно получить как выбором значения силы тока (при фиксированной длине проводника, находящегося между полюсами магнита), так и выбором длины проводника (при фиксированной силе тока). Следовательно, возможен вариант исполнения заявляемого решения, когда токи, текущие в роторах 2 и 3 равны между собой.In the case under consideration, currents i ₂ and i ₁ , having different values, flow along rotors 2 and 3. But as can be seen from formula (1), the given electromagnetic force F _em can be obtained both by choosing the value of the current strength (with a fixed length of the conductor located between the poles of the magnet), and by choosing the length of the conductor (with a fixed current strength). Therefore, a possible embodiment of the proposed solution, when the currents flowing in the rotors 2 and 3 are equal to each other.

Для регулирования скорости вращения ротора 3 скользящий щеточный контакт 11 (или 12, или оба вместе взятые) можно выполнить с возможностью перемещения вдоль радиуса ротора 3 (в этом случае будет изменятся длина проводника, а следовательно, и угловая скорость ротора 3 (при фиксированной силе тока)). To control the rotational speed of the rotor 3, the sliding brush contact 11 (or 12, or both taken together) can be moved along the radius of the rotor 3 (in this case, the length of the conductor will change, and therefore the angular speed of the rotor 3 (at a fixed current )).

В устройстве может быть использован как постоянный, так и переменный ток (т. е. ток, который течет по роторам 2 и 3). The device can be used both direct and alternating current (i.e., the current that flows through the rotors 2 and 3).

В качестве скользящего контакта может быть использованы любые их виды (щетки, жидкие металлы и др.). As a sliding contact, any of their types (brushes, liquid metals, etc.) can be used.

Устройство может быть использовано в УЭМ, работающих как в двигательном, так и генераторном режимах, и имеющие как дисковые так и цилиндрические роторы. The device can be used in UEM, operating both in motor and generator modes, and having both disk and cylindrical rotors.

Скользящий электрический контакт на периферии роторов может быть выполнен как на цилиндрической стороне роторов (как показано на чертеже), так и на торцевой стороне роторов. The sliding electrical contact on the periphery of the rotors can be made both on the cylindrical side of the rotors (as shown in the drawing), and on the front side of the rotors.

Скользящий электрический контакт, соединяющий периферию первого ротора и поверхность обода, может совершать вращение вместе с периферией первого ротора, или вместе с ободом. A sliding electrical contact connecting the periphery of the first rotor and the surface of the rim can rotate together with the periphery of the first rotor, or together with the rim.

Claims

The current collector of a unipolar electric machine having at least one rotor placed in the stator magnetic field, containing the electric connection of the rotor with a fixed electrode using at least one conductor connected to both the rotor and the fixed electrode by means of sliding electrical contacts, this conductor is made to rotate in the direction of rotation of the rotor, characterized in that the conductor is made in the form of a rotor placed in the magnetic field of the stator together with the first this position the both rotor is rotatable in one direction and at different angular speeds.