RU2395888C1

RU2395888C1 - Unipolar dc machine with electroconducting belts

Info

Publication number: RU2395888C1
Application number: RU2009112681/09A
Authority: RU
Inventors: Михаил Федорович Ефимов (RU); Михаил Федорович Ефимов; Юрий Петрович Пичугин (RU); Юрий Петрович Пичугин; Николай Аркадьевич Столяров (RU); Николай Аркадьевич Столяров
Original assignee: Михаил Федорович Ефимов; Николай Аркадьевич Столяров
Priority date: 2009-04-06
Filing date: 2009-04-06
Publication date: 2010-07-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: prototype of invented UM is ordinary unipolar DC machine with disk rotor. Named unipolar DC machine has some drawbacks, including availability of brush sliding contacts in its structure and relatively low working voltage. In proposed structure of UM there are no sliding mechanical-electrical and peripheral liquid electric contacts. As peripheral electric contacts, proposed UM applies electroconductive belts, which girdle two disks of anchor each, rotating in the same direction in their magnetic fields, and via specified belts and electroconductive parts of rotation axes they are serially connected into winding of anchor, which via two current-conducting parts of extreme axis of rotation submerged into reservoirs with electroconductive liquid is connected to source of DC voltage. At the same time there is practically no friction between named parts of axis of rotation and this liquid. There is also no sliding between surfaces of edges in electroconductive disks and belts, which makes it possible not to only eliminate listed drawbacks available in existing UM, but to also relatively easily increase working voltage to required value.

EFFECT: improved electrical-mechanical characteristics, increased reliability in operation, better wear resistance, simplified design, increase of working voltage several times and expanded field of its application.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам постоянного тока. Наиболее близким аналогом предложенной машины является униполярная машина постоянного тока с дисковым ротором со скользящими щеточными электрическими контактами или жидкометаллическими токосъемами. Но наличие у названной униполярной машины (УМ), как минимум, двух скользящих контактов на один виток якорной обмотки не только усложняет ее конструкцию, ухудшает электромеханические характеристики, но и снижает надежность в работе и существенно сужает область ее применения. Трение скольжения между неподвижными щетками и подвижными кольцами ведет к их ускоренному износу, к повышенному искрению в точках их соприкосновения и соответственно к существенному повышению переходного электрического сопротивления. Это происходит из-за высокого коэффициента трения скольжения по сравнению с коэффициентом трения качения (примерно в 100 раз).The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to electric DC machines. The closest analogue of the proposed machine is a unipolar DC machine with a disk rotor with sliding brush electrical contacts or liquid metal current collectors. But the presence of the aforementioned unipolar machine (UM), at least two sliding contacts on one turn of the anchor winding not only complicates its design, worsens the electromechanical characteristics, but also reduces the reliability and significantly reduces the scope of its application. The sliding friction between the fixed brushes and the movable rings leads to their accelerated wear, to increased sparking at the points of contact and, accordingly, to a significant increase in the transient electrical resistance. This is due to the high coefficient of sliding friction in comparison with the coefficient of rolling friction (approximately 100 times).

Преодоление недостатков щеточно-скользящих контактов возможно с помощью токосъема на основе электропроводящей жидкости. Однако создавать надежно герметизированные конструкции аппаратов жидкостного периферийного кольцевого токосъема, не допускающих утечки инертного газа и паров электропроводящей жидкости, достаточно трудоемко и дорого. Кроме того, в режимах пуска и торможения УМ, а также при относительно высоких скоростях на жидкостный слой в кольцевом канале действуют центробежные и гравитационные, магнитные и электромагнитные силы, а также силы трения, которые отрицательно влияют на ее работу. В то же время перечисленные выше недостатки и отрицательные явления, относящиеся к периферийным жидкостным контактам, практически не относятся к осевым жидкостным контактам.Overcoming the disadvantages of brush-sliding contacts is possible with the help of current collector based on conductive fluid. However, it is rather laborious and expensive to create reliably sealed constructions of liquid peripheral ring collectors that do not allow leakage of inert gas and vapors of an electrically conductive liquid. In addition, in the start-up and braking modes of the PM, as well as at relatively high speeds, centrifugal and gravitational, magnetic and electromagnetic forces act on the liquid layer in the annular channel, as well as frictional forces that negatively affect its operation. At the same time, the above disadvantages and negative phenomena related to peripheral liquid contacts are practically not related to axial liquid contacts.

Техническим результатом заявленного изобретения являются улучшение электромеханических характеристик, повышение надежности в работе, увеличение износостойкости, упрощение конструкции, повышение в несколько раз рабочего напряжения и расширение области ее применения.The technical result of the claimed invention is to improve the electromechanical characteristics, increase reliability, increase wear resistance, simplify the design, increase several times the operating voltage and expand the scope of its application.

Технический результат достигается тем, что в предложенной конструкции УМ отсутствуют как скользящие механоэлектрические, так и периферийные жидкостные электрические контакты. В качестве таких контактов в предложенной УМ служат электропроводящие ремни, которыми опоясаны, как правило, два электропроводящих диска якоря, вращающихся в одном направлении относительно постоянных магнитных полей между магнитными полюсами противоположной полярности, силовые линии которых направлены в противоположные стороны. Такая конструкция УМ постоянного тока с электропроводящими ремнями и общими для нескольких дисков осями без особой трудности позволяет включить последовательно в цепь обмотки якоря необходимое число названных дисков для повышения рабочего напряжения до необходимой величины.The technical result is achieved by the fact that in the proposed design of the PA there are no sliding mechanoelectric or peripheral liquid electrical contacts. Electrically conductive belts are used as such contacts in the proposed MC, with which, as a rule, two conductive armature disks are rotated, rotating in the same direction with respect to constant magnetic fields between magnetic poles of opposite polarity, the lines of force of which are directed in opposite directions. Such a design of a DC amplifier with electrically conductive belts and axles common to several disks without particular difficulty allows us to consistently include in the armature winding circuit the required number of these disks to increase the operating voltage to the required value.

Предложенная униполярная машина постоянного тока с электропроводящими ремнями, состоящая из нескольких комбинированных осей вращения, выполненная в виде нескольких униполярных электрических машин постоянного тока с дисковым ротором, отличающаяся тем, что неподвижный статор состоит из нескольких постоянных магнитов с цилиндрическими полюсами, между которыми размещены несколько подвижных электропроводящих дисков якоря, электрически последовательно соединенных через несколько электропроводящих замкнутых ремней, центральной электропроводящей части одной оси вращения и двух крайних электропроводящих частей другой оси, концы которой через соответствующие манжеты погружены в небольшие емкости с электропроводящими жидкостями, присоединенные соответственно к положительному и отрицательному клеммам источника постоянного напряжения.The proposed unipolar DC machine with electrically conductive belts, consisting of several combined axes of rotation, made in the form of several unipolar electric DC machines with a disk rotor, characterized in that the fixed stator consists of several permanent magnets with cylindrical poles, between which several movable electrically conductive disks of the anchor, electrically connected in series through several electrically conductive closed belts, central electric oprovodyaschey portion of one axis of rotation and the two end portions of conductive other axis, which ends via respective cuff shipped in smaller containers with conductive fluids, connected respectively to the positive and negative terminals of the DC voltage source.

На фигурах 1 и 2 показаны соответственно продольные и поперечные разрезы предложенной УМ. На них приняты следующие обозначения: 1 - электропроводящий ремень, 2 - электропроводящие части осей вращения, 3 - электропроводящие диски, 4 и 4' - цилиндрические южные и северные полюса постоянных магнитов, 5 - диэлектрические подшипники, 6 - электропроводящая жидкость, 7 - диэлектрическая часть оси вращения, 8 - герметичная емкость для жидкости.In figures 1 and 2, respectively, longitudinal and transverse sections of the proposed CM. The following notation is adopted on them: 1 - electrically conductive belt, 2 - electrically conductive parts of the axis of rotation, 3 - electrically conductive disks, 4 and 4 '- cylindrical south and north poles of permanent magnets, 5 - dielectric bearings, 6 - electrically conductive liquid, 7 - dielectric part axis of rotation, 8 - sealed container for liquid.

Как видно из чертежей, для подключения обмотки якоря к источнику постоянного напряжения независимо от количества электропроводящих дисков достаточно двух осевых жидкостных контактов. При необходимости, последних можно заменить катящими электропроводящими роликовыми контактами, у которых трение качения на несколько порядков меньше трения скольжения. С фиг.2 также видно, что электропроводящие ремни плотно прилегают к краям дисков ротора УМ наполовину, что способствует постоянному образованию хорошего электрического контакта между ними, так как в это время точки их соприкосновения не двигаются относительно друг друга.As can be seen from the drawings, to connect the armature winding to a constant voltage source, regardless of the number of conductive disks, two axial liquid contacts are sufficient. If necessary, the latter can be replaced by rolling conductive roller contacts, in which the rolling friction is several orders of magnitude smaller than the sliding friction. Figure 2 also shows that the electrically conductive belts are tightly adjacent to the edges of the rotor disks of the PA half, which contributes to the constant formation of good electrical contact between them, since at this time the points of contact do not move relative to each other.

Предложенная УМ постоянного тока с электропроводящими ремнями может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах.The proposed DC amplifier with electrically conductive belts can operate in both motor and generator modes.

В генераторном режиме предложенная УМ работает следующим образом. При вращении против часовой стрелки с угловой скоростью ω электропроводящих дисков 1, находящихся между магнитными полюсами противоположной полярности 4 и 4' магнитов статора, в их секторах в силу явления электромагнитной индукции наводятся электродвижущие силы (ЭДС), которые, суммируясь на выводах УМ, создадут результирующее постоянное напряжение =U. Если при этом к этим выводам подключить некоторую нагрузку, то по обмотке якоря потечет с одного полюса к другому постоянный ток i_я через электропроводящие части осей 2, электропроводящие ремни 1 и диски 3 по направлению, указанному на фиг.1 и 2. При этом необходимо иметь в виду, что хотя противоположные свободные части электропроводящих ремней 1 двигаются по противоположным направлениям, токи якорные i_я в них текут в одном направлении. Это связано с тем, что их скорости несоизмеримы.In the generator mode, the proposed PA operates as follows. When counter-clockwise rotation at an angular speed ω of the electrically conductive disks 1 located between the magnetic poles of opposite polarity 4 and 4 'of the stator magnets, electromotive forces (EMF) are induced in their sectors due to the phenomenon of electromagnetic induction, which, summing up on the leads of the UM, will create the resulting constant voltage = U. If in this case to the terminals to connect some load, then the armature winding flows from one pole to another constant current _I i through the electrically conductive portion of the axes 2, conductive straps 1 and wheels 3 in the direction indicated in Figures 1 and 2. It should be keep in mind that although the opposite free side conductive belt 1 move in opposite directions, the currents _I i anchor them flow in one direction. This is due to the fact that their speeds are incommensurable.

В двигательном режиме предложенная УМ работает следующим образом. При подключении электрических выводов УМ к источнику постоянного напряжения =U, ток якоря i_я потечет от положительной клеммы источника к одной герметичной емкости 8 и через электропроводящую жидкость 6 потечет вдоль одной электропроводящей части 2 одной оси. Далее ток потечет вдоль секторов первого диска 3 от его центра к его краям, где попадет на первый электропроводящий ремень 1, связанный с краем второго диска 3. Оттуда он потечет к центру последнего и через электропроводящую часть 2 другой оси попадет в центр третьего диска 3 якоря. Далее ток по секторам третьего диска потечет к его краям и попадет на второй электропроводящий ремень 1, через который потечет с краев четвертого диска 3 вдоль секторов последнего к его центру, откуда вдоль второй электропроводящей части 2 первой оси вращения попадет в электропроводящую жидкость, находящуюся во второй герметичной емкости 8, связанной с отрицательной клеммой электрического вывода машины.In motor mode, the proposed PA operates as follows. When connecting the electrical terminals to the source of the PA DC = U, the armature current _I i flows from the positive terminal to the audio source hermetic vessel 8 and through the electroconductive liquid 6 will flow along one of the electroconductive portion 2 one axis. Next, the current will flow along the sectors of the first disk 3 from its center to its edges, where it will fall on the first electrically conductive belt 1 connected to the edge of the second disk 3. From there it will flow to the center of the latter and through the electrically conductive part 2 of the other axis will reach the center of the third disk 3 of the armature . Further, the current in sectors of the third disk will flow to its edges and will go to the second electrically conductive belt 1, through which it will flow from the edges of the fourth disk 3 along the sectors of the latter to its center, from where along the second electrically conductive part 2 of the first axis of rotation it will enter the electrically conductive liquid located in the second sealed container 8 associated with the negative terminal of the electrical output of the machine.

Таким образом, ток якоря при этом проходит последовательно через все секторы всех четырех электропроводящих дисков 3 якоря, находящихся в магнитных полях между противоположными цилиндрическими полюсами 4 и 4' постоянных магнитов неподвижного статора. Вследствие взаимодействия токов якоря, протекающих через секторы названных дисков 3 с магнитными полями, созданными магнитными полюсами, возникают пондеромоторные силы, направленные согласованно и соответственно приводящие во вращение обе оси с названными дисками 3 по направлению часовой стрелки по правилу левой руки с угловой скоростью ω.Thus, the armature current in this case passes sequentially through all sectors of all four electrically conductive disks 3 of the armature located in magnetic fields between the opposite cylindrical poles 4 and 4 'of the permanent magnets of the fixed stator. Due to the interaction of the armature currents flowing through the sectors of the aforementioned disks 3 with the magnetic fields created by the magnetic poles, ponderomotive forces arise that are directed in a coordinated fashion and, accordingly, rotate both axes with the aforementioned disks 3 in a clockwise direction according to the rule of the left hand with an angular velocity ω.

Источники информацииInformation sources

1. Бертинов А.И. и др. Униполярные эл. машины с жидкометаллическими токосъемами. - М. - Л.: Энергия, 1966.1. Bertinov A.I. and others. Unipolar el. machines with liquid metal current collectors. - M. - L .: Energy, 1966.

2. Бертинов А.И. Специальные электрические машины. - М.: Энергия, 1982.2. Bertinov A.I. Special electric cars. - M .: Energy, 1982.

3. Иродов И.А. Электромагнетизм. - М.: Бином, 2003.3. Herod I.A. Electromagnetism. - M .: Binom, 2003.

4. Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука, 1985.4. Kalashnikov S.G. Electricity. - M.: Science, 1985.

5. Копылов И.П. Электрические машины - М.: Энергоатомиздат - 1986.5. Kopylov I.P. Electric machines - M .: Energoatomizdat - 1986.

6. Ландсберг Г.С. Эл. учебник физики; Т. 1, Механика. - М.: Наука - 1968.6. Landsberg G.S. Email physics textbook; T. 1, Mechanics. - M.: Science - 1968.

7. Матвеев А.Н. Механика и теория относительности - М.: ВШ - 1986.7. Matveev A.N. Mechanics and Theory of Relativity - M .: VSh - 1986.

Claims

Unipolar DC machine with electrically conductive belts, consisting of several combined rotation axes, made in the form of several unipolar electric DC machines with a disk rotor, characterized in that the fixed stator consists of several permanent magnets with cylindrical poles, between which several movable electrically conductive disks are placed anchors electrically connected in series through several electrically conductive closed belts, central electrically conductive Asti one axis of rotation and the two end portions of conductive other axis, which ends via respective cuff shipped in smaller containers with conductive fluids, connected respectively to the positive and negative terminals of the DC voltage source.