RU2187191C2

RU2187191C2 - Direct-current machine

Info

Publication number: RU2187191C2
Application number: RU99107552A
Authority: RU
Inventors: С.С. Атюнин; В.А. Деканов; О.В. Мартынов; О.В. Морозов
Original assignee: Атюнин Сергей Серафимович; Деканов Владимир Александрович; Мартынов Олег Викторович; Морозов Олег Витальевич
Priority date: 1999-04-20
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 2002-08-10

Abstract

FIELD: electrical engineering; convertible and reversible permanent-magnet DC machines. SUBSTANCE: convertible and reversible machine incorporating flexible dynamic control system has magnetic excitation system made of radial annular saturated magnet with pole shoes in the form of concentrically mounted hollow cylinders forming annular clearance to receive overhung rotor on shaft. Novelty is that machine armature is mounted on outer side surface of rotor and is made in the form of stack assembled of insulating layer and two electricity conducting layers of which one, 0.1-0.5 mm thick, is made of metal with electrons distributed over d-levels and with crystalline structure of more than 99.9% purity; other conducting layer, 0.05-0.3 mm thick, is made of metal having crystalline structure with open Fermi surface of more than 99.99% purity. Current-conducting layers of armature stack contact slip-ring brushes. EFFECT: enhanced efficiency, reduced armature resistance loss. 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к обратимым и реверсивным машинам постоянного тока с постоянным магнитом. The invention relates to reversible and reversible permanent magnet DC machines.

Известен цилиндрический ударный униполярный генератор, содержащий массивный ферромагнитный цилиндрический якорь с установленными по его торцам полыми цилиндрами, двухполюсный ферромагнитный кольцевой статор с центральным индуктором и дополнительными кольцевыми индукторами, установленными у торцов полых цилиндров. Генератор снабжен также токосъемами, один из которых расположен на боковой поверхности якоря, а два других установлены на свободных концах полых цилиндров (Авт. cв. СССР 904138, МКИ 3 Н 02 К 31/00, 10.02.82). Недостатком данного генератора является его низкий коэффициент полезного действия (кпд) преобразования механической энергии в электрическую из-за больших Джоулевых потерь в массивном якоре, а также энергетических потерь от ЭДС самоиндукции. Кроме того, устройство работает в импульсном режиме и не может быть использовано в качестве двигателя, работающего с гибкой динамической системой управления. Known cylindrical shock unipolar generator containing a massive ferromagnetic cylindrical armature with hollow cylinders installed at its ends, a bipolar ferromagnetic ring stator with a central inductor and additional ring inductors installed at the ends of the hollow cylinders. The generator is also equipped with current collectors, one of which is located on the lateral surface of the anchor, and the other two are installed on the free ends of the hollow cylinders (Avt. St. USSR 904138, MKI 3 N 02 K 31/00, 02/10/08). The disadvantage of this generator is its low efficiency (efficiency) of converting mechanical energy into electrical energy due to the large Joule losses in the massive anchor, as well as energy losses from the self-induction EMF. In addition, the device operates in a pulsed mode and cannot be used as an engine operating with a flexible dynamic control system.

Известна униполярная машина постоянного тока, содержащая ротор-якорь, установленный на валу, на внешней поверхности которого размещены щетки, а также магнитную систему возбуждения, выполненную в виде сверхпроводящей обмотки, размещенной в криостате и установленной внутри ротора (Авт. cв. СССР 482852, МКИ Н 02 К 31/02, 18.12.75). Недостатком данной машины является низкий кпд, обусловленный неэффективным использованием искаженного магнитного поля возбуждения и Джоулевыми потерями в якоре из-за токовой неоднородности, вызванной вихревыми токами. Токовая неоднородность вызывает и переменную векторную направленность собственного магнитного поля якоря, снижающего эффективность его взаимодействия с магнитным полем возбуждения. Known unipolar DC machine containing a rotor-armature mounted on a shaft, on the outer surface of which there are brushes, as well as a magnetic excitation system made in the form of a superconducting winding placed in a cryostat and installed inside the rotor (Aut. St. USSR 482852, MKI H 02 K 31/02, 18.12.75). The disadvantage of this machine is its low efficiency, due to the inefficient use of the distorted magnetic field of the excitation and the Joule losses in the armature due to current inhomogeneity caused by eddy currents. Current inhomogeneity also causes an alternating vector directivity of the intrinsic magnetic field of the armature, which reduces the efficiency of its interaction with the magnetic field of the excitation.

Задачей настоящего изобретения является повышение коэффициента полезного действия обратимой реверсивной машины с гибкой динамической системой управления, имеющей минимальные Джоулевые потери в якоре, за счет создания более однородного постоянного магнитного поля возбуждения и максимальной токовой однородностью в токопроводе якоря. The objective of the present invention is to increase the efficiency of a reversible reversible machine with a flexible dynamic control system having minimal Joule losses in the armature, by creating a more uniform constant magnetic field of excitation and maximum current uniformity in the armature conductor.

Поставленная задача решается тем, что в машине постоянного тока, содержащей магнитную систему возбуждения, вал, на котором установлен ротор в виде полого цилиндра, и якорь с токосъемными щетками, магнитная система возбуждения выполнена из кольцевого радиально намагниченного магнита с полюсными наконечниками, выполненными в виде коаксиально установленных полых цилиндров, образующих кольцевой зазор, в котором размещен ротор, консольно закрепленный на валу. Причем якорь размещен на внешней боковой поверхности ротора и выполнен в виде пакета, состоящего их диэлектрического и двух токопроводящих слоев, первый из которых выполнен толщиной 0,1-0,5 мм из металла с распределением электронов по d-уровням и имеющего кристаллическую структуру чистотой более 99,9%, а второй слой выполнен толщиной менее 0,3 мм из металла, имеющего кристаллическую структуру с открытой поверхностью Ферми и чистотой более 99,99%, при этом токопроводящие слои пакета контактируют с токосъемными щетками. The problem is solved in that in a DC machine containing a magnetic excitation system, a shaft on which a rotor in the form of a hollow cylinder, and an armature with current-collecting brushes are mounted, the magnetic excitation system is made of a ring radially magnetized magnet with pole tips made in the form of coaxial installed hollow cylinders forming an annular gap in which a rotor is placed cantileverly mounted on the shaft. Moreover, the anchor is placed on the outer side surface of the rotor and is made in the form of a package consisting of a dielectric and two conductive layers, the first of which is made of a thickness of 0.1-0.5 mm from a metal with electron distribution over d levels and having a crystal structure with a purity of more than 99.9%, and the second layer is made of a thickness of less than 0.3 mm from a metal having a crystalline structure with an open Fermi surface and a purity of more than 99.99%, while the conductive layers of the package are in contact with the collector brushes.

Как один из вариантов конструктивного исполнения машины, не исчерпывающего другие возможные варианты ее исполнения, полюсные наконечники магнитной системы возбуждения могут быть размещены симметрично кольцевому магниту, при этом машина снабжена вторым ротором, консольно закрепленным на валу, и на его внешней боковой поверхности размещен якорь, выполненный в виде пакета, состоящего из диэлектрического и двух электропроводящих слоев, контактирующих с токосъемными щетками. As one of the options for the design of the machine, which does not exhaust other possible options for its execution, the pole pieces of the magnetic excitation system can be placed symmetrically to the ring magnet, while the machine is equipped with a second rotor cantilever mounted on the shaft, and an anchor made on its outer side surface in the form of a package consisting of a dielectric and two electrically conductive layers in contact with the collector brushes.

Каждый якорь машины может быть выполнен из двух и более пакетов. Each machine anchor can be made of two or more packages.

Причем токопроводящие слои пакетов якорей могут контактировать с токосъемными щетками посредством колец, установленных на торцах роторов. Moreover, the conductive layers of the packages of the anchors can contact with the collector brushes by means of rings mounted on the ends of the rotors.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена машина с одним ротором, на фиг.2 - исполнение машины с двумя роторами, а на фиг.3 - фрагмент ротора с якорем, выполненным с двумя пакетами слоев. The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a machine with one rotor, Fig. 2 shows a design of a machine with two rotors, and Fig. 3 shows a fragment of a rotor with an anchor made with two layers of layers.

Машина постоянного тока содержит вал 1, на котором установлен ротор 2 в виде полого тонкостенного цилиндра, консольно закрепленного на диске 3, закрепленного в свою очередь на валу 1. Ротор 2 может быть выполнен колоколообразным. На внешней боковой поверхности ротора 2, изолированного от него, закреплен якорь 4. Статором машины является магнитная система возбуждения, выполненная из кольцевого радиально намагниченного постоянного магнита 5. Полюса магнита 5 выполнены из магнитомягкого материала, например, из сплава Nd-Fe-B в виде коаксиально установленных полых цилиндров 6 и 7. Один из цилиндров 6 контактирует с внешней боковой стороной постоянного магнита 5, а второй полюс 7 - с внутренней боковой стороной магнита 5. Полюса 6 и 7 образуют кольцевой зазор 8, в котором размещены ротор 2 с якорем 4. На торцах ротора 2 или на краях его боковой поверхности жестко закреплены токопроводящие кольца 9 с токопроводящими площадками 10. С кольцами 9 скользящими контактами взаимодействуют токосъемные щетки 11 с токоподводящими жгутами 12. The DC machine comprises a shaft 1, on which the rotor 2 is mounted in the form of a hollow thin-walled cylinder, cantilevered on the disk 3, mounted in turn on the shaft 1. The rotor 2 can be made bell-shaped. An anchor 4 is fixed on the outer side surface of the rotor 2, isolated from it. The stator of the machine is a magnetic excitation system made of an annular radially magnetized permanent magnet 5. The poles of the magnet 5 are made of soft magnetic material, for example, Nd-Fe-B alloy in the form coaxially installed hollow cylinders 6 and 7. One of the cylinders 6 is in contact with the outer side of the permanent magnet 5, and the second pole 7 is in contact with the inner side of the magnet 5. Poles 6 and 7 form an annular gap 8, in which s rotor 2 with the armature 4. At the ends of the rotor 2, or at the edges of the side surface thereof rigidly fixed conducting ring 9 with conductive pads 10. The C-ring 9 sliding contact current collecting brushes 11 interact with the current-supplying bundles 12.

Якорь 4 машины представляет собой пакет 13, состоящий из диэлектрического и двух токопроводящих слоев, нанесенных на внешнюю поверхность ротора 2 с обеспечением высокой адгезии между всеми слоями с целью противодействия разрушающим нагрузкам от высоких скоростей ротора (до 100 тыс. об/мин) при работе машины в режиме двигателя. Ближайший к ротору 2 слой 14 пакета 13 выполнен диэлектрическим. Если ротор 2 выполнен из неэлектропроводного материала, например, из карбида бора, то в первом пакете 13 диэлектрический слой может отсутствовать. The anchor 4 of the machine is a package 13, consisting of a dielectric and two conductive layers deposited on the outer surface of the rotor 2 with high adhesion between all layers in order to counter the destructive loads from high rotor speeds (up to 100 thousand rpm) during operation in engine mode. The layer 14 of the package 13 closest to the rotor 2 is made dielectric. If the rotor 2 is made of a non-conductive material, for example, boron carbide, then in the first package 13 a dielectric layer may be absent.

Первый токопроводящий слой 15 пакета 13 выполнен с толщиной менее 0,5 мм из металла с распределением электронов по d-уровням и имеющего кристаллическую структуру чистотой более 99,9%, предпочтительно чистотой более 99,99%. Этот слой может быть нанесен в глубоком (менее 10⁶ Торр) вакууме методом напыления и является подложкой для нанесения второго токопроводящего слоя.The first conductive layer 15 of the package 13 is made with a thickness of less than 0.5 mm from a metal with an electron distribution over d-levels and having a crystalline structure with a purity of more than 99.9%, preferably a purity of more than 99.99%. This layer can be applied in a deep (less than 10 ⁶ Torr) vacuum by spraying and is a substrate for applying a second conductive layer.

Второй токопроводящий слой 16 единичного пакета 13 наносится толщиной менее 0,3 мм на первый токопроводящий слой 15. При этом наносимый материал, составляющий этот токопроводящий слой 16, выполнен из металла, имеющего кристаллическую структуру с открытой поверхностью Ферми (например, Al, Сu, Au, Ag), чистотой более 99,99%, предпочтительно чистотой более 99,999%, и фракцией менее 0,001 мм. The second conductive layer 16 of a single package 13 is deposited with a thickness of less than 0.3 mm on the first conductive layer 15. In this case, the applied material constituting this conductive layer 16 is made of metal having a crystalline structure with an open Fermi surface (for example, Al, Cu, Au , Ag), with a purity greater than 99.99%, preferably with a purity greater than 99.999%, and a fraction of less than 0.001 mm.

Нанесение второго токопроводящего слоя 16 осуществляют или методом вакуумного напыления, или методом зонной плавки, или методом выращивания кристалла, но с одним технологическим условием: нанесение этого слоя производится в электростатическом поле. При этом анод, состоящий из наносимого материала, перемещается вдоль катодной поверхности на расстоянии не более 5 мм. Это обеспечивает жесткую ориентацию кристаллов металла этого слоя, исключающую хаотичное движение электронов проводимости, что приводит к достижению максимального взаимодействия суммарного вектора магнитных моментов электронов с магнитным полем возбуждения. Одновременно с этим жесткая ориентации кристаллографических осей решетки металла второго токопроводящего слоя 16 обеспечивает резкое снижение активного сопротивления в токопроводе якоря 4 до значений менее 10^-9-10^-11 Ом/м. В то же время вследствие взаимодействия с магнитными моментами строго ориентированного потока электронов в открытой поверхности Ферми слоя 16 приводит также к возникновению в предыдущем токопроводящем слое 15, состоящего из металлов с d-электронной проводимостью, открытой поверхности Ферми в структуре металла на глубину до 0,2-0,3 мм. В то же время сочетание двух элементов, например Ag (серебро) и W (вольфрам), во-первых, создает термоЭДС (дополнительное электростатическое поле), векторно-направленного в сторону усиливающего коэрцитивную силу магнитного поля возбуждения и тем самым способствующего увеличению крутящего момента ротора, а во-вторых, создает дополнительный поток электронов в слое с d-электронной проводимостью в основном направлении движения тока проводимости.The application of the second conductive layer 16 is carried out either by the vacuum deposition method, or by the zone melting method, or by the crystal growth method, but with one technological condition: this layer is applied in an electrostatic field. In this case, the anode, consisting of the deposited material, moves along the cathode surface at a distance of not more than 5 mm. This provides a rigid orientation of the metal crystals of this layer, eliminating the chaotic motion of conduction electrons, which leads to achieving maximum interaction of the total vector of the electron magnetic moments with the magnetic field of excitation. At the same time, the rigid orientation of the crystallographic axes of the metal lattice of the second conductive layer 16 provides a sharp decrease in the active resistance in the armature of the armature 4 to values less than 10 ^-9 -10 ^-11 Ohm / m. At the same time, due to the interaction with magnetic moments of a strictly oriented electron flow in the open Fermi surface, layer 16 also leads to the appearance in the previous conductive layer 15, consisting of metals with d-electron conductivity, of an open Fermi surface in the metal structure to a depth of 0.2 -0.3 mm. At the same time, the combination of two elements, for example, Ag (silver) and W (tungsten), firstly, creates thermoEMF (additional electrostatic field), vector-directed towards increasing the coercive force of the magnetic field of excitation and thereby contributing to an increase in the rotor torque and secondly, it creates an additional electron flux in the layer with d-electron conductivity in the main direction of the conduction current.

Якорь 4 может быть выполнен из двух и более пакетов 13 слоев. Однако в любом случае последний пакет 13 целесообразно выполнять с дополнительным наружным диэлектрическим слоем 17. Anchor 4 can be made of two or more packages of 13 layers. However, in any case, the last packet 13 is expediently performed with an additional outer dielectric layer 17.

Как вариант, не исчерпывающий другие возможные варианты конструктивного исполнения машины, она может быть выполнена с симметричным расположением полюсов 6 и 7 относительно магнита 5. В этом случае машина снабжена вторым ротором 2, который так же, как и первый, консольно закреплен на валу 1 и имеет на внешней боковой поверхности якорь 4 аналогичного исполнения, как и на первом роторе, снабженного токосъемными щетками 11. As an option, not exhaustive of other possible options for the design of the machine, it can be made with a symmetrical arrangement of poles 6 and 7 relative to the magnet 5. In this case, the machine is equipped with a second rotor 2, which, like the first one, is cantilevered on the shaft 1 and has on the outer side surface an anchor 4 of the same design as on the first rotor, equipped with current collection brushes 11.

Машина работает следующим образом. The machine operates as follows.

Посредством токоподводящих жгутов 12, токосъемных щеток 11 и колец 9 с токопроводящими кольцевыми площадками 10 к токопроводящим слоям 14 и 15 якоря 4 подается напряжение. Возникающий в токопроводящих слоях 14 и 15 якоря 4 поток заряженных частиц (электрический ток) взаимодействует с радиальным магнитным потоком возбуждения, создаваемым полюсными наконечниками 6 и 7 постоянного кольцевого радиально намагниченного магнита 5. Данное взаимодействие приводит к созданию крутящего момента на роторе 2, а значит, и на валу 1 машины. By means of current-carrying harnesses 12, current-collecting brushes 11 and rings 9 with conductive ring pads 10, voltage is applied to the conductive layers 14 and 15 of the armature 4. The flow of charged particles (electric current) arising in the conductive layers 14 and 15 of the armature 4 interacts with the radial magnetic flux of excitation created by the pole pieces 6 and 7 of the permanent ring radially magnetized magnet 5. This interaction leads to the creation of torque on the rotor 2, which means and on the shaft 1 of the machine.

Благодаря тому, что второй токопроводящий слой 16 состоит из металлов (или сплавов), имеющих кристаллическую структуру с открытой поверхностью Ферми с фракциями менее 0,001 мм, чистотой более 99,99%, имеет толщину менее 0,3 мм и наносится с определенной вышеуказанной ориентацией, достигается электропроводимость токопроводящего слоя 16, близкая с сверхпроводимости. В этом случае крутящий момент ротора 2 достигает максимума: обеспечивается мощность до 10 КВт и скорость вращения ротора 2 более 50000 об/мин, что будет определяться лишь прочностными характеристиками каркаса ротора. Кпд такой машины с учетом суммы подводимой и возбуждаемой энергии превышает 98%, приближаясь к 100%. Due to the fact that the second conductive layer 16 consists of metals (or alloys) having a crystalline structure with an open Fermi surface with fractions of less than 0.001 mm, a purity of more than 99.99%, has a thickness of less than 0.3 mm, and is applied with the specified above orientation, electrical conductivity of the conductive layer 16 is achieved, which is close to superconductivity. In this case, the rotor 2 torque reaches its maximum: power up to 10 kW and rotor 2 rotation speed of more than 50,000 rpm are provided, which will be determined only by the strength characteristics of the rotor frame. The efficiency of such a machine, taking into account the sum of the supplied and excited energy, exceeds 98%, approaching 100%.

Фракции металла с открытой поверхностью Ферми и с чрезвычайно развитой, высокоактивированной общей наружной поверхностью могут изготавливаться на так называемых УДА-установках (универсальный дезинтегратор активатор) лауреата Ленинской премии д.т.н. Хинта И.А. Эта технология позволяет достигать требуемой минимальной фракции и получать практически чистый и бездефектный материал с высокой активной поверхностью, в том числе в плане взаимодействия с внешним магнитным полем. Metal fractions with an open Fermi surface and with an extremely developed, highly activated common external surface can be produced on the so-called UDA-plants (universal disintegrator activator) of the Lenin Prize laureate Dr. Sc. Hinta I.A. This technology allows us to achieve the required minimum fraction and to obtain a practically clean and defect-free material with a high active surface, including in terms of interaction with an external magnetic field.

Указанные толщины токопроводящих слоев 15 и 16 единичного пакета 13 выбираются исходя из назначения двигателя и соответствуют рабочему напряжению на роторе 0,1-0,4 вольта, в зависимости от величины пропускаемого через якорь тока, что позволяет использовать для работы двигателя всего одну аккумуляторную банку достаточной мощности. При этом аккумулятор может содержать недефицитные материалы, т.е. высокой ЭДС от него не требуется. С уменьшением толщины проводящих слоев единичного пакета тяговые характеристики двигателя улучшаются, но растет величина рабочего напряжения. С увеличением числа единичных пакетов 13 происходит набор мощности, который в принципе не ограничен для этого вида электрических машин. The indicated thicknesses of the conductive layers 15 and 16 of a single package 13 are selected based on the purpose of the motor and correspond to the operating voltage on the rotor of 0.1-0.4 volts, depending on the amount of current passed through the armature, which allows you to use only one battery jar for the motor to work power. Moreover, the battery may contain non-deficient materials, i.e. high EMF is not required from him. With a decrease in the thickness of the conductive layers of a single package, the traction characteristics of the engine improve, but the magnitude of the operating voltage increases. With an increase in the number of unit packets 13, a set of power occurs, which in principle is not limited to this type of electric machine.

Окончательная изготовляемая толщина цилиндрического полого ротора, обеспечивающая его прочностные характеристики, позволяет выбрать минимальную ширину кольцевого зазора 8 между полюсами 6 и 7 магнитной системы возбуждения, посередине которого установлен ротор с возможностью свободного вращения. The final manufactured thickness of the cylindrical hollow rotor, providing its strength characteristics, allows you to choose the minimum width of the annular gap 8 between the poles 6 and 7 of the magnetic excitation system, in the middle of which the rotor is installed with the possibility of free rotation.

Равномерно распределенные по длине внешних окружностей токоподводящие щетки могут быть заменены тонкостенными подшипниками, например, производства фирмы SKF, что улучшает высокоскоростные характеристики электрической машины, при этом, если токоподводящие кольца 9 якоря 4 соединены с внутренними обоймами подшипников, то токоподвод осуществляется к внешним обоймам, и, наоборот, в зависимости от выбранной конструкции. Evenly distributed along the length of the outer circumference, the current-carrying brushes can be replaced by thin-walled bearings, for example, manufactured by SKF, which improves the high-speed characteristics of the electric machine, while if the current-supplying rings 9 of the armature 4 are connected to the inner race of the bearings, then the current path is connected to the outer race, and Conversely, depending on the chosen design.

Таким образом, в заявленной конструкции машины магнитная система возбуждения позволяет создать в рабочем зазоре 8 постоянный по высоте и длине поток магнитной индукции с отсутствием его выпучивания. Выполнение якоря из вышеописанных токопроводящих слоев позволяет равномерно распределить рабочий ток по сечению якоря и при этом резко снизить активное сопротивление в токопроводе. В этом случае обеспечивается максимально возможный эффект взаимодействия магнитного поля возбуждения и токов проводимости в токопроводе якоря, что существенно повышает кпд машины, приближая его к 100%. Thus, in the claimed design of the machine, the magnetic excitation system allows you to create a constant flow of magnetic induction in the working gap 8 with a height and length that is not bulging. The implementation of the armature of the above conductive layers allows you to evenly distribute the working current along the cross section of the armature and at the same time sharply reduce the resistance in the current lead. In this case, the maximum possible effect of the interaction of the magnetic field of the excitation and the conduction currents in the armature conductor is ensured, which significantly increases the efficiency of the machine, bringing it closer to 100%.

Claims

1. A DC machine containing a magnetic excitation system, a shaft on which a rotor in the form of a hollow cylinder, and an armature with collector brushes are mounted, characterized in that the magnetic excitation system is made of a ring radially magnetized magnet with pole pieces made in the form of coaxially mounted hollow cylinders forming an annular gap in which the rotor is placed, cantileverly mounted on the shaft, and the anchor is placed on the outer side surface of the rotor and is made in the form of a package consisting x dielectric and two conductive layers, the first of which is made of a thickness of 0.1-0.5 mm from a metal with an electron distribution over d-levels and having a crystalline structure with a purity of more than 99.9%, and the second layer is made of a thickness of less than 0.3 mm from a metal having a crystalline structure with an open Fermi surface and a purity of more than 99.99%, while the conductive layers of the package are in contact with the collector brushes.

2. The machine according to claim 1, characterized in that the pole tips of the magnetic excitation system are placed symmetrically to the annular magnet, and the machine is equipped with a second rotor, cantilever mounted on a shaft, on the outer side surface of which is an anchor with slip rings.

3. The machine according to claim 1 or 2, characterized in that the anchor is made of two or more packages.

4. The machine according to claim 1 or 2, characterized in that the conductive layers of the anchor package are in contact with the collector brushes by means of conductive rings mounted on the ends of the rotor.