RU2074484C1

RU2074484C1 - High-voltage unipolar motor (generator)

Info

Publication number: RU2074484C1
Application number: RU93053553A
Authority: RU
Inventors: Станислав Викторович Цивинский
Original assignee: Станислав Викторович Цивинский
Priority date: 1993-11-23
Filing date: 1993-11-23
Publication date: 1997-02-27

Abstract

FIELD: electric drives on electric transport, in washing machines, refrigerators and so on. SUBSTANCE: stator of high-voltage unipolar motor is manufactured in the form of toroidal solenoid 2 inside which two ferromagnetic cores 3 are placed. Sector-shape alternating regions with clearly differing values of induction are located over their circumference. Radial conductors 5 of rotor are connected in series. Two groups of conductors in which current flows in opposite directions are positioned in regions with clearly different values of induction. Force acting on conductors 5 in regions with bigger induction grows which leads to emergence of torque. During rotation conductors 5 with opposite directions of current in winding of rotor enter region of stator with bigger value of induction. For rotation to be continued direction of current in winding of rotor should change to opposite one with the aid of collector. EFFECT: enhanced functional reliability and efficiency of high-voltage unipolar motor. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к униполярным двигателям высокого напряжения. The invention relates to electrical engineering, in particular to unipolar high voltage motors.

Известны униполярные двигатели (генераторы) [1]
Недостатком таких двигателей является то, что они работают при низких напряжениях (4 20 В)постоянного тока, вследствие чего для получения значительной мощности необходим большой ток. В связи с этим эти двигатели почти не используют.Known unipolar motors (generators) [1]
The disadvantage of such motors is that they operate at low voltages (4-20 V) of direct current, which is why a large current is required to obtain significant power. In this regard, these engines are almost never used.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является униполярный двигатель высокого напряжения [2] Особенностью этого двигателя является то, что ротор выполнен в виде диска, его обмотка в виде радиально расположенных, последовательно соединенных проводников, находящихся в секторовидных участках с сильным и слабым магнитным полем, направление тока в которых (от оси ротора или в ней) обеспечивается коллектором, расположенным вблизи оси ротора. Подвод постоянного тока к коллектору обеспечивается контактными щетками, число которых равно числу секторовидных участков с сильным магнитным полем. The closest to the invention in technical essence and the achieved result is a unipolar high voltage motor [2] A feature of this motor is that the rotor is made in the form of a disk, its winding is in the form of radially arranged, series-connected conductors located in sector-shaped sections with strong and weak magnetic field, the direction of the current in which (from the axis of the rotor or in it) is provided by a collector located near the axis of the rotor. The DC current supply to the collector is provided by contact brushes, the number of which is equal to the number of sector-shaped sections with a strong magnetic field.

Главным недостатком этого двигателя-прототипа является сложность обмотки ротора, которая должна быть выполнена подобно тому, как она изготавливается в традиционных многополюсных машинах постоянного тока. В мощных двигателях эта обмотка очень трудоемка и нередко изготавливается вручную вследствие своей сложности. The main disadvantage of this prototype motor is the complexity of the rotor winding, which must be performed similar to how it is made in traditional multi-pole DC machines. In powerful engines, this winding is very time-consuming and is often made manually due to its complexity.

Предлагаемый в [2] вариант изготовления обмотки ротора в виде печатной схемы при сохранении конструктивной сложности упрощает изготовление обмотки, однако, делает двигатель маломощным, что является дополнительным недостатком. The manufacturing method of the rotor winding in the form of a printed circuit proposed in [2] while maintaining structural complexity simplifies the manufacture of the winding, however, makes the motor low-power, which is an additional drawback.

Второй дополнительный недостаток двигателя-прототипа [2] сложная конструкция коллектора, обусловленная сложностью обмотки ротора, изготавливаемого подобно коллекторам в традиционных многополюсных машинах постоянного тока. The second additional drawback of the prototype engine [2] is the complex design of the collector, due to the complexity of the rotor winding, which is made like collectors in traditional multi-pole DC machines.

Третьим дополнительным недостатком двигателя-прототипа [2] является сложная конфигурация магнитного сердечника обмотки возбуждения, формирующего секторовидные участки с сильным и слабым магнитным полем. The third additional disadvantage of the prototype engine [2] is the complicated configuration of the magnetic core of the field winding, forming sector-shaped sections with a strong and weak magnetic field.

Цель изобретения упрощение конструкции униполярного двигателя высокого напряжения (и устранение перечисленных недостатков) путем упрощения обмотки ротора, конструкции коллектора, конфигурации сердечника обмотки возбуждения и уменьшение числа контактных щеток до двух. Это обеспечивает создание униполярных двигателей высокого напряжения с упрощенной конструкцией, как большой так и малой мощности. The purpose of the invention is to simplify the design of a unipolar high voltage motor (and eliminate the listed disadvantages) by simplifying the rotor winding, collector design, core configuration of the field coil and reducing the number of contact brushes to two. This ensures the creation of unipolar high voltage motors with a simplified design, both large and low power.

Это достигается тем, что униполярный двигатель (генератор) высокого напряжения, содержащий систему возбуждения статора с одинаковыми секторовидными участками сильного и слабого магнитных полей, установленный на валу двигателя дисковый ротор с обмоткой из радиальных проводников, соединенных последовательно, начало и конец обмотки соединены с коллектором и токоподводящими к нему щетками, отличается тем, что обмотка ротора выполнена таким образом, что проводники с противоположным направлением тока расположены соответственно в сильном и слабом магнитных полях системы возбуждения статора, а коллектор выполнен в виде двух групп пластин, расположенных по кругу, причем, число пластин в каждой группе равно удвоенному числу участков с сильным магнитным полем, пластины в каждой группу электрически соединены друг с другом и с одним из концов обмотки ротора, а расстояние между пластинами на 5 10% больше поперечного размера каждой из двух токоподводящих щеток, что необходимо, чтобы избежать короткого замыкания через щетки в момент переключения на коллекторе. This is achieved by the fact that a unipolar high voltage motor (generator) containing a stator excitation system with the same sector-like sections of strong and weak magnetic fields, a disk rotor mounted on the motor shaft with a winding of radial conductors connected in series, the beginning and end of the winding are connected to the collector and brushes for it, characterized in that the rotor winding is made in such a way that the conductors with the opposite direction of the current are located respectively in a strong weak magnetic fields of the stator excitation system, and the collector is made in the form of two groups of plates arranged in a circle, moreover, the number of plates in each group is equal to twice the number of sections with a strong magnetic field, the plates in each group are electrically connected to each other and to one of the ends rotor windings, and the distance between the plates is 5 10% greater than the transverse dimension of each of the two current-carrying brushes, which is necessary to avoid a short circuit through the brushes at the time of switching to the collector.

Униполярный двигатель (генератор) отличается тем, что система возбуждения статора выполнена в виде тороидальной обмотки и цилиндрических сердечников с секторовидными выступами, установленных с двух сторон ротора выступ к выступу. The unipolar motor (generator) is characterized in that the stator excitation system is made in the form of a toroidal winding and cylindrical cores with sector-shaped protrusions mounted on two sides of the rotor protrusion to the protrusion.

Сущность изобретения состоит в том, что радиально расположенные и последовательно соединенные проводники, образующие обмотку дискового ротора, находятся в неоднородном магнитном поле в виде секторовидных участков с сильным и слабым магнитными полями. При этом обмотка может быть выполнена из одинаковых секторовидных катушек, токоподвод к коллектору осуществляется с помощью всего двух контактных щеток, а неоднородное магнитное поле создается двумя ферромагнитными сердечниками с секторовидными выступами. The essence of the invention lies in the fact that the radially located and series-connected conductors forming the winding of the disk rotor are in a non-uniform magnetic field in the form of sector-shaped sections with strong and weak magnetic fields. In this case, the winding can be made of the same sector-like coils, the current supply to the collector is carried out using only two contact brushes, and an inhomogeneous magnetic field is created by two ferromagnetic cores with sector-shaped protrusions.

Такой двигатель по конструкции проще двигателя-прототипа [2] и по рабочим характеристикам близок к традиционным многополюсным машинам постоянного тока, но значительно проще их по конструкции. Such an engine is simpler in design than the prototype engine [2] and in terms of performance similar to traditional multi-pole DC machines, but much simpler in design.

На фиг.1 изображена схема предлагаемого двигателя в продольном разрезе; на фиг. 2а принципиальная схема обмотки дискового ротора; на фиг. 2б схема конструкции коллектора; на фиг. 3 конструкция одного из двух ферромагнитных сердечников, создающих неоднородное магнитное поле в виде секторовидных областей с сильным и слабым полем. Figure 1 shows a diagram of the proposed engine in longitudinal section; in FIG. 2a is a schematic diagram of a disk rotor winding; in FIG. 2b diagram of the design of the collector; in FIG. 3, the design of one of two ferromagnetic cores that create an inhomogeneous magnetic field in the form of sector-like regions with a strong and weak field.

Предлагаемое устройство (фиг. 1 3) содержит статор 1, тороидальную обмотку 2 возбуждения статора, два ферромагнитных сердечника 3 с секторовидными выступами фиг.3), ротор 4, обмотку 5 ротора, секторовидные области 6 слабого магнитного поля (фиг. 2), секторовидные области 7 7 7 сильного магнитного поля, коллектор 8, пластины 9 коллектора, контактные графитовые щетки 10, ось 11 ротора (вал двигателя). The proposed device (Fig. 1 3) contains a stator 1, a toroidal stator excitation coil 2, two ferromagnetic cores 3 with sector-shaped protrusions of Fig. 3), a rotor 4, a rotor winding 5, sector-shaped regions 6 of a weak magnetic field (Fig. 2), sector-shaped areas 7 7 7 of a strong magnetic field, a collector 8, a plate 9 of the collector, contact graphite brushes 10, the axis 11 of the rotor (motor shaft).

Хорошо известно, что в соответствии с законом Ампера, сила, действующая на проводник с током в магнитном поле предлагаемого двигателя описывается уравнением (система СИ)
f IBl, (1) где I сила тока; l длина проводника,

магнитная индукция.It is well known that in accordance with Ampere’s law, the force acting on a conductor with a current in the magnetic field of the proposed motor is described by the equation (SI system)
f IBl, (1) where I is the current strength; l conductor length

magnetic induction.

Действие предлагаемого двигателя (генератора) основано на зависимости

от

.The action of the proposed engine (generator) is based on the dependence

from

.

Конструкция статора двигателя представлена на фиг. 1. Статор имеет общепринятый для униполярных двигателей [1 и 2] вид. Это соленоид 2 в виде тороидальной катушки, на оси которой расположена ось двигателя 11. Внутри соленоида расположены два ферромагнитных сердечника 3. Как указано выше, принципиальная особенность конструкции статора состоит в том, что обмотка возбуждения должна создавать неоднородное магнитное поле, состоящее из секторовидных участков, где магнитная индукция

имеет большую величину, и подобных же участков, где она в несколько раз меньше. Форма и расположение этих областей показаны на фиг.2а. Области с малым значением

заштрихованы.The design of the motor stator is shown in FIG. 1. The stator has a form generally accepted for unipolar motors [1 and 2]. This is a solenoid 2 in the form of a toroidal coil, on the axis of which the axis of the engine 11 is located. Two ferromagnetic cores 3 are located inside the solenoid. As indicated above, a fundamental feature of the stator design is that the excitation winding must create an inhomogeneous magnetic field consisting of sector-shaped sections, where is the magnetic induction

has a large size, and similar sites where it is several times smaller. The shape and location of these areas are shown in figa. Low value areas

shaded.

Конструкция ротора приведена на фиг. 1 и 2а. Радиально расположенные проводники с током 5 соединены последовательно, так как показано на фиг. 2а. Две группы проводников, в которых ток течет в противоположных направлениях (к оси ротора или от нее), располагаются в участках с сильно отличающимися значениями индукции

. Сила, действующая на проводники, расположенные в участках с большим

, окажется значительно больше и возникает крутящий момент. При вращении проводники второй группы с противоположным направлением тока начнут входить в участки с большим значением

. Чтобы вращение двигателя продолжалось, необходимо направление тока в обмотке ротора изменить на противоположное, что достигается с помощью простого коллектора 6, устройство которого показано на фиг. 2б. Коллектор состоит из двух групп пластин, расположенных по кругу и соединенных друг с другом. Каждая из групп соединена с концом обмотки 5 ротора. Число пластин коллектора невелико и равно удвоенному числу n участков с высоким значением

. Минимальное значение n= 2. Для работы коллектора достаточно двух щеток 12 (фиг. 1). Расстояние между пластинами на 5 -10% больше поперечного размера каждой из двух токопроводящих щеток 10.The design of the rotor is shown in FIG. 1 and 2a. Radially arranged conductors with current 5 are connected in series, as shown in FIG. 2a. Two groups of conductors in which current flows in opposite directions (to or from the axis of the rotor) are located in areas with very different induction values

. The force acting on conductors located in areas with large

, will be much larger and there is a torque. During rotation, the conductors of the second group with the opposite direction of the current will begin to enter the areas with a large value

. In order for the rotation of the engine to continue, it is necessary to reverse the current direction in the rotor winding, which is achieved using a simple collector 6, the device of which is shown in FIG. 2b. The collector consists of two groups of plates arranged in a circle and connected to each other. Each of the groups is connected to the end of the rotor winding 5. The number of collector plates is small and equal to twice the number n of sections with a high value

. The minimum value is n = 2. For the collector to work, two brushes 12 are sufficient (Fig. 1). The distance between the plates is 5 -10% greater than the transverse dimension of each of the two conductive brushes 10.

Расположение участков с большим и малым значением В (фиг. 2а) можно создать несколькими путями. The location of sections with a large and small value of B (Fig. 2A) can be created in several ways.

Самый простой вариант можно реализовать при использовании тороидальной обмотки 2 возбуждения (фиг. 1), когда для создания значительного магнитного поля применяют ферромагнитные сердечники. Конструкция таких сердечников показана на фиг.3: по окружности расположены секторовидные выступы 13, 15, 17 и 19 и впадины 14, 16, 18 и 20. Ротор 4 (фиг. 1) находится между двумя сердечниками 3, расположенными выступ к выступу. Благодаря малому зазору между выступами магнитное поле в этих областях имеет высокое значение

. Между впадинами значение

значительно меньше.The simplest option can be realized using a toroidal field winding 2 (Fig. 1), when ferromagnetic cores are used to create a significant magnetic field. The design of such cores is shown in figure 3: the sector-

shaped protrusions

13, 15, 17 and 19 and the

depressions

14, 16, 18 and 20 are located around the circumference. The rotor 4 (Fig. 1) is located between two cores 3 located protrusion to the protrusion. Due to the small gap between the protrusions, the magnetic field in these areas has a high value

. Between Troughs Value

significantly less.

В качестве выступов на ферромагнитных сердечниках 3 можно также использовать постоянные магниты с секторовидными полюсами. При этом отпадает необходимость в тороидальной обмотке 2 возбуждения (фиг. 1). Permanent magnets with sector-like poles can also be used as protrusions on the ferromagnetic cores 3. In this case, there is no need for a toroidal field winding 2 (Fig. 1).

Вместо постоянных магнитов можно использовать также секторовидные соленоиды. Instead of permanent magnets, sector-shaped solenoids can also be used.

Как видно из фиг. 2, при одновременном изменении направления тока в обмотке возбуждения (т.е. изменения направления магнитного поля на противоположное) и в роторе двигателя направление крутящего момента не изменится. Поэтому принципиально, предлагаемый двигатель может работать и на переменном токе. As can be seen from FIG. 2, while changing the direction of the current in the excitation winding (i.e., reversing the direction of the magnetic field) and in the rotor of the motor, the direction of torque will not change. Therefore, in principle, the proposed engine can operate on alternating current.

Если рабочее напряжение традиционного униполярного двигателя [1] V_o, то при той же скорости вращения и индукции магнитного поля напряжение будет
V V_onN, (2)
где n число областей с высоким значением

, т.е. число участков с токами одного направления, N число проводников в одном таком участке.If the operating voltage of a traditional unipolar motor [1] V _o , then at the same rotation speed and magnetic field induction, the voltage will be
VV _o nN, (2)
where n is the number of areas with a high value

, i.e. the number of sections with currents of one direction, N the number of conductors in one such section.

Число проводников в обмотке ротора (фиг. 2а) является минимально необходимым для работы двигателя элементарная обмотка. Это число может быть увеличено во много раз путем многократной укладки элементарных обмоток и их последовательного соединения. В частности, это можно осуществить путем последовательного соединения секторовидных катушек. При этом величина N окажется очень значительной. The number of conductors in the rotor winding (Fig. 2a) is the minimum elementary winding necessary for the operation of the motor. This number can be increased many times by repeatedly laying the elementary windings and connecting them in series. In particular, this can be done by connecting the sector-shaped coils in series. Moreover, the value of N will be very significant.

Так как N может быть значительным, рабочие напряжения двигателя (генератора) будут большими и, в частности, более высокими, чем в двигателе-прототипе [2] В результате удельная мощность двигателя существенно повысится. Since N can be significant, the operating voltage of the engine (generator) will be large and, in particular, higher than in the prototype engine [2] As a result, the specific power of the engine will increase significantly.

При вращении ротора внешним двигателем предлагаемое устройство, как и другие двигатели постоянного тока, будет работать как генератор постоянного тока. When the rotor rotates with an external motor, the proposed device, like other DC motors, will work as a DC generator.

Для повышения мощности несколько описанных двигателей можно соединить общим валом с таким расчетом, чтобы переключения на коллекторах двигателей происходили в разные моменты времени, что обеспечит более равномерное вращение. To increase the power, several of the described engines can be connected by a common shaft so that switching on the engine manifolds occurs at different points in time, which will ensure more uniform rotation.

Предлагаемый двигатель имеет два основных преимущества по сравнению с ранее известными двигателями постоянного тока. The proposed motor has two main advantages compared to previously known DC motors.

По сравнению со всеми ранее известными униполярными двигателями [1 и 2] предлагаемый двигатель может работать при значительно более высоких напряжениях, и при этом двигатель будет иметь больший коэффициент полезного действия вследствие меньших потерь мощности на щетках, вследствие их меньшего количества. Двиатель будет иметь также очень широкий диапазон скоростей вращения. Изменение скорости вращения осуществляется так же, как в традиционных двигателях постоянного тока, а именно изменением величины

в области с сильным магнитным полем посредством вариации тока в обмотке 2 возбуждения (фиг. 1). За счет большого значения N двигатель может быть низкооборотным, что дает возможность использовать двигатель без механического редуктора.Compared with all previously known unipolar motors [1 and 2], the proposed engine can operate at significantly higher voltages, and the motor will have a higher efficiency due to lower power losses on the brushes, due to their smaller number. The engine will also have a very wide range of rotational speeds. The change in rotation speed is carried out in the same way as in traditional DC motors, namely, by changing the value

in the area with a strong magnetic field by varying the current in the field winding 2 (Fig. 1). Due to the large value of N, the engine can be low-speed, which makes it possible to use the engine without a mechanical gearbox.

По сравнению с ранее известными коллекторными двигателями постоянного тока большим достоинством предлагаемого двигателя является простота обмоток возбуждения и ротора. Обмотка возбуждения состоит всего из одной тороидальной катушки. Обмотка ротора может состоять из 4 8 одинаковых секторовидных катушек. Проволока на эти катушки может наматываться на очень простых устройствах (например, на токарном станке), поэтому изготовление наиболее трудоемкой части двигателя постоянного тока ( обмотки, которую часто делают вручную) значительно упрощается. Compared with previously known DC collector motors, the great advantage of the proposed engine is the simplicity of the field windings and the rotor. The field winding consists of only one toroidal coil. The rotor winding may consist of 4 to 8 identical sector-shaped coils. The wire on these coils can be wound on very simple devices (for example, on a lathe), so the manufacture of the most time-consuming part of the DC motor (winding, which is often done manually) is greatly simplified.

Очень важным дополнительным достоинством предлагаемого двигателя является очень простая конструкция коллектора. A very important additional advantage of the proposed engine is a very simple manifold design.

Предлагаемый двигатель большой мощности может быть использован для привода на электрическом транспорте (трамваях, троллейбусах, электровозах, электромобилях, дизель-электроходах). Двигатель может быть применен для привода разнообразных маломощных устройств: магнитофонов, холодильников, стиральных машин и т. п. The proposed high-power engine can be used to drive electric vehicles (trams, trolleybuses, electric locomotives, electric vehicles, diesel electric vehicles). The engine can be used to drive a variety of low-power devices: tape recorders, refrigerators, washing machines, etc.

Экономический эффект от использования предлагаемого двигателя будет значительным, но количественного его в настоящее время оценить трудно. The economic effect of using the proposed engine will be significant, but quantifying it is currently difficult to evaluate.

Claims

1. High voltage unipolar motor (generator) containing a stator excitation system with the same sector-shaped sections of strong and weak magnetic fields, a disk rotor mounted on a shaft with a winding of radial conductors connected in series, the beginning and end of the winding are connected to the collector and brushes for it characterized in that the winding is made in such a way that the conductors with the opposite direction of the current are located respectively in the strong and weak magnetic fields of the system the stator, and the collector is made in the form of two groups of plates arranged in a circle, the number of plates in each group being equal to twice the number of sections with a strong magnetic field, the plates in each group are electrically connected to each other and to one end of the rotor winding, and the distance between the plates 5 to 10% larger than the transverse dimension of each of the two current-carrying brushes.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the stator excitation system is made in the form of a toroidal winding and cylindrical ferromagnetic cores with sector-shaped protrusions mounted on two sides of the rotor protrusion to the protrusion.