RU74747U1

RU74747U1 - ELECTRIC MACHINE

Info

Publication number: RU74747U1
Application number: RU2008105055/22U
Authority: RU
Inventors: Илья Николаевич Чулков (RU); Илья Николаевич Чулков
Original assignee: Илья Николаевич Чулков
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2008-07-10

Abstract

1. Электрическая машина, содержащая установленные в корпусе кольцевой якорь с обмоткой, обмотку возбуждения и коллектор со щетками, отличающаяся тем, что она снабжена, по меньшей мере, тремя шестернями, удерживающими якорь и установленными с возможностью вращения вокруг своих осей, закрепленных в корпусе, по периметру большой окружности якоря выполнены зубья, находящиеся в зацеплении с зубьями шестерен, обмотка возбуждения образует полый тор, охватывающий всю обмотку якоря, обмотка возбуждения является двухполюсным электромагнитом для охватываемого ею участка обмотки якоря, пластины коллектора прикреплены по окружности малого диаметра якоря непосредственно к виткам его обмотки.2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что корпус выполнен в форме полого тора.3. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что шестерни выполнены с выступами по окружности для фиксации якоря, между которыми он вращается.4. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что количество обмоток возбуждения от одной до n.5. Электрическая машина по п.4, отличающаяся тем, что каждая обмотка возбуждения имеет собственный источник питания.6. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что каждый участок обмотки якоря, охватываемый одной независимой обмоткой возбуждения, имеет собственный источник питания.7. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что щетки разнополярными парами закреплены в корпусе по окружности с внутренней стороны обмотки якоря между витками обмоток возбуждения, количество щеточных пар равно числу независимых обмоток возбуждения.8. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что одна из шестерен свя�1. An electric machine comprising an annular armature with a winding installed in the housing, an excitation winding and a collector with brushes, characterized in that it is provided with at least three gears holding the armature and mounted to rotate around its axes, mounted in the housing, along the perimeter of the great circle of the armature there are teeth engaged with gear teeth, the field winding forms a hollow torus covering the entire armature coil, the field coil is a bipolar electromagnet for it intercepts a portion of the armature winding, collector plates are fixed on the anchor small diameter circle directly to wrap it obmotki.2. An electric machine according to claim 1, characterized in that the casing is made in the form of a hollow torus. The electric machine according to claim 1, characterized in that the gears are made with protrusions around the circumference for fixing the armature between which it rotates. The electric machine according to claim 1, characterized in that the number of field windings is from one to n.5. An electric machine according to claim 4, characterized in that each field winding has its own power supply. An electric machine according to claim 1, characterized in that each section of the armature winding, covered by one independent field winding, has its own power source. An electric machine according to claim 1, characterized in that the brushes with opposite-polarity pairs are fixed in a housing circumferentially from the inside of the armature winding between the turns of the field windings, the number of brush pairs is equal to the number of independent field windings. The electric machine according to claim 1, characterized in that one of the gears is connected

Description

Полезная модель относится к коллекторным машинам и может быть использована для передачи крутящего момента, например к колесам электротранспорта, валку прокатного стана и прочее.The utility model relates to collector machines and can be used to transmit torque, for example, to wheels of electric vehicles, roll of a rolling mill, etc.

Известны электрические двигатели для передачи крутящего момента к потребителю, однако всех их характеризует наличие якоря (или ротора), насаженного на вал, который его удерживает, и вращающегося вокруг него.Electric motors are known for transmitting torque to the consumer, however, all of them are characterized by the presence of an anchor (or rotor) mounted on the shaft that holds it and rotating around it.

Известен, например коллекторный электродвигатель по авторскому свидетельству СССР №335769, Н02К 23/66, Н02Р 5/08, содержащий установленный в корпусе малоинерционный якорь с обмоткой, который закреплен на валу с возможностью вращения, коллектор, магнитные полюса и центробежный регулятор скорости.Known, for example, is a collector motor according to USSR author's certificate No. 335769, Н02К 23/66, Н02Р 5/08, comprising a low-inertia armature with a winding mounted in the housing, which is rotatably mounted on the shaft, a collector, magnetic poles and a centrifugal speed controller.

Основным недостатком является наличие удерживающего якорь вала, не позволяющего использовать силу магнитного поля внутри якорной обмотки, что снижает КПД двигателя.The main disadvantage is the presence of a shaft holding the armature, which does not allow the use of the magnetic field inside the armature winding, which reduces the efficiency of the motor.

Известна также динамо-машина Грамма (источник: «Сто великих изобретений», К.В.Рыжков, М., «ВЕЧЕ», 2005, с.92-94, рис.50-14), принятая за прототип и содержащая кольцевой якорь со спиральной замкнутой на себя обмоткой, который закреплен на валу с возможностью вращения, коллектор с двумя щетками, установленный на том же валу, неподвижные полюса электромагнитов (обмотка возбуждения). Кольцевая обмотка якоря намотана на изолированные друг от друга отдельные железные проволоки, скрепленные железными спицами с многослойным коллектором, и изолированы от его токоведущих частей. Обмотки возбуждения навиты на большие цилиндрические электромагниты, расположенные диаметрально противоположно друг другу и под углом 90 градусов к щеткам, которые прилегают к коллектору с диаметрально противоположных сторон. Вся конструкция, в том числе вал, удерживающий якорь, закреплены между двумя массивными железными вертикальными стойками, соединенными снизу и сверху тяжелыми с большим количеством слоев обмотки стержнями двух электромагнитов. Полюсы этих электромагнитов расположены в середине стоек и обращены друг к другу.The Gram gram dynamo machine is also known (source: “One Hundred Great Inventions”, K.V. Ryzhkov, M., “VECHE”, 2005, p. 92-94, Fig. 50-14), adopted as a prototype and containing a ring anchor with a spiral winding closed to itself, which is mounted on the shaft rotatably, a collector with two brushes mounted on the same shaft, fixed poles of electromagnets (field winding). The annular winding of the anchor is wound on separate iron wires isolated from each other, fastened with iron spokes with a multilayer collector, and isolated from its current-carrying parts. The field windings are wound on large cylindrical electromagnets located diametrically opposite to each other and at an angle of 90 degrees to the brushes, which are adjacent to the collector from diametrically opposite sides. The whole structure, including the shaft holding the anchor, is fixed between two massive iron vertical posts connected from the bottom and from above by heavy rods with a large number of winding layers of the rods of two electromagnets. The poles of these electromagnets are located in the middle of the racks and face each other.

Каждая щетка контактирует с коллектором практически в одной точке, что приводит к прерывистой коммутации и неравномерности вращения двигателя.Each brush contacts the collector at almost the same point, which leads to intermittent commutation and uneven rotation of the motor.

Наличие вала, массивных железных стоек, якоря, содержащего сердцевину из железной проволоки, железных спиц, массивного коллектора и обмотки возбуждения с большим количеством витков увеличивает массу устройства и расход металла, что удорожает его.The presence of a shaft, massive iron racks, an armature containing a core of iron wire, iron spokes, a massive collector and field winding with a large number of turns increases the mass of the device and the consumption of metal, which makes it more expensive.

Обмотка возбуждения и обмотка якоря составляют одну последовательную электрическую цепь, поэтому ток, выполнив свою работу по созданию магнитного поля в обмотке якоря, теряет значительную часть энергии и ослабленным поступает в обмотку возбуждения, где создает соответствующее магнитное поле в полюсах машины. Для обеспечения работоспособности машины используют обмотку возбуждения большой массы, что повышает массу машины и удорожает ее.The excitation winding and the armature winding constitute one serial electric circuit, therefore, the current, having done its job of creating a magnetic field in the armature winding, loses a significant part of the energy and enters the excitation winding, where it creates the corresponding magnetic field at the poles of the machine. To ensure the operability of the machine, a large-mass excitation winding is used, which increases the mass of the machine and increases its cost.

Использование каждого электромагнита, как одного полюса северного или южного, требует расположить их диаметрально противоположно относительно якоря. Это требует создания сильного магнитного поля с длинными силовыми линиями, проходящими от северного магнитного полюса к южному через якорь и приводит к использованию обмотки возбуждения с большим количеством витков, что повышает активное сопротивление этой обмотки, приводящее к потерям тока, и снижает КПД машины.The use of each electromagnet, as one pole of the north or south, requires them to be diametrically opposed to the anchor. This requires the creation of a strong magnetic field with long lines of force passing from the north magnetic pole to the south through the armature and leads to the use of an excitation winding with a large number of turns, which increases the active resistance of this winding, leading to current losses, and reduces the efficiency of the machine.

Магнитные линии, проходя через сердечник якоря, собранный из изолированных друг от друга железных проволок, нагревают его и обмотку якоря. В результате повышается сопротивление, что увеличивает потери тока и снижает КПД машины.Magnetic lines passing through the core of the armature, assembled from isolated from each other iron wires, heat it and the armature winding. As a result, the resistance increases, which increases current losses and reduces the efficiency of the machine.

Соединение проволочного кольца сердечника якоря с одним из изолированных слоев многослойного коллектора выполнено при помощи железных спиц, утяжеляющих машину, которые пронизывают силовые линии магнитных полей якоря и обмотки возбуждения, что нагревает их и все соприкасающиеся с ними детали. Это снижает КПД машины.The connection of the wire ring of the core of the anchor with one of the insulated layers of the multilayer collector is made using iron spokes that make the machine heavier, which penetrate the lines of force of the magnetic fields of the armature and field winding, which heats them and all the parts in contact with them. This reduces the efficiency of the machine.

Щетки касаются коллекторных пластин на линии геометрической нейтрали (линия, находящаяся в плоскости, расположенной посередине между электромагнитами и центральной осью машины), поэтому ток якоря протекает через спирали кольцевой обмотки, расположенные параллельно линии геометрической нейтрали. Максимальное взаимодействие (отталкивание) магнитных полей якоря и обмотки возбуждения The brushes touch the collector plates on the line of geometric neutral (a line located in the plane located in the middle between the electromagnets and the central axis of the machine), so the armature current flows through the spiral windings of the ring winding parallel to the line of geometric neutral. Maximum interaction (repulsion) of the magnetic fields of the armature and field winding

происходит в плоскости, проходящей через линию геометрической нейтрали и осью вала машины.occurs in a plane passing through the line of geometric neutral and the axis of the machine shaft.

Силовые линии магнитного поля обмотки возбуждения проходят расстояние от северного магнитного полюса к южному через железные насадки и якорь. Создание столь длинных силовых магнитных линий обеспечивает применение массивной с большим количеством витков обмотки возбуждения. Такие обмотки возбуждения создают кроме полезных силовых линий магнитных полей (используемых для работы машины) еще и паразитные силовые линии, пронизывающие пространство вне кольцевой обмотки, которые оказывает вредное воздействие на человека.The field lines of the magnetic field of the field coil pass the distance from the north magnetic pole to the south through iron nozzles and the armature. The creation of such long magnetic lines of force provides the use of a massive with a large number of turns of the field winding. Such excitation windings create, in addition to useful magnetic field lines (used for the machine), also parasitic field lines penetrating the space outside the ring winding, which have a harmful effect on humans.

Между электромагнитами расположены особой формы железные насадки, которые входят в пространство между ними и охватывают кольцевой якорь. Насадки нагреваются от магнитного поля обмоток возбуждения, проходящего через них, что приводит к потерям тока, снижая КПД машины, а также утяжеляют и удорожают ее.Between the electromagnets, iron nozzles of a special form are located, which enter the space between them and cover the annular anchor. The nozzles are heated from the magnetic field of the field windings passing through them, which leads to current losses, reducing the efficiency of the machine, and also make it heavier and more expensive.

Машина Грамма имеет невысокую мощность, поскольку наиболее эффективное взаимодействие (отталкивание) магнитных полей якоря и обмоток возбуждения происходит только в одной плоскости, проходящей через линию геометрической нейтрали и центральную ось вала машины. Это снижает скорость вращения якоря и не позволяет быстро изменять скорость его вращения (ускорение), а также повышает пусковой ток якоря для запуска машины.The Gram machine has a low power, since the most effective interaction (repulsion) of the magnetic fields of the armature and field windings occurs in only one plane passing through the geometric neutral line and the central axis of the machine shaft. This reduces the speed of rotation of the armature and does not allow you to quickly change the speed of its rotation (acceleration), and also increases the starting current of the armature to start the machine.

Две железные стойки, соединенные снизу и сверху стержнями двух электромагнитов, пронизываются силовыми линиями магнитных полей обмоток возбуждения, что нагревает их и увеличивает потери тока в обмотках возбуждения, снижая КПД машины.Two iron racks, connected from below and above by rods of two electromagnets, are pierced by the magnetic field lines of the field windings, which heats them and increases the current loss in the field windings, reducing the efficiency of the machine.

Наличие вала, вокруг которого вращается якорь, и металлических стержней внутри двух электромагнитов, на которые навиты обмотки возбуждения, т.е. наличие заполненного пространства внутри обмоток, не позволяет использовать силу магнитного поля внутри этих обмоток. Это также снижает КПД машины.The presence of a shaft around which the armature rotates, and metal rods inside two electromagnets, on which the field windings are wound, i.e. the presence of filled space inside the windings does not allow the use of the magnetic field strength inside these windings. It also reduces the efficiency of the machine.

В машине используют многослойный с изолированными слой от слоя и от вала машины массивный коллектор с крупными контактными коллекторными пластинами в виде секторов цилиндра, что не только утяжеляет конструкцию, но и косвенно влияет на снижение КПД машины.A massive collector with a massive collector with large contact collector plates in the form of cylinder sectors is used in the machine with an insulated layer from the layer and from the machine shaft, which not only makes the design heavier, but also indirectly affects the reduction of machine efficiency.

Задачей полезной модели является повышение КПД, мощности, скорости, ускорения и равномерности вращения, снижение массы и пускового тока якоря, удешевление машины и снижение влияния ее магнитного поля на человека.The objective of the utility model is to increase the efficiency, power, speed, acceleration and uniformity of rotation, reduce the mass and inrush current of the armature, reduce the cost of the machine and reduce the influence of its magnetic field on a person.

Электрическая машина содержит установленные в корпусе кольцевой якорь с обмоткой, обмотку возбуждения и коллектор со щетками.The electric machine contains an annular armature with a winding installed in the housing, an excitation winding and a collector with brushes.

В отличие от прототипа она снабжена, по меньшей мере, тремя шестернями, удерживающими якорь и установленными с возможностью вращения вокруг своих осей, закрепленных в корпусе, по периметру большой окружности якоря выполнены зубья, находящиеся в зацеплении с зубьями шестерен, обмотка возбуждения образует полый тор, охватывающий всю обмотку якоря, обмотка возбуждения является двухполюсным электромагнитом для охватываемого ею участка обмотки якоря, пластины коллектора прикреплены по окружности малого диаметра якоря непосредственно к виткам его обмотки.Unlike the prototype, it is equipped with at least three gears that hold the anchor and are mounted with the possibility of rotation around its axes, mounted in the housing, along the perimeter of the large circle of the armature teeth are made that mesh with the gear teeth, the excitation winding forms a hollow torus, covering the entire armature winding, the excitation winding is a bipolar electromagnet for the armature winding portion covered by it, the collector plates are attached around the small diameter of the armature directly to the winding Cams its winding.

Корпус выполнен в форме полого тора. Шестерни выполнены с выступами по окружности для фиксации якоря, между которыми он вращается.The body is made in the form of a hollow torus. The gears are made with protrusions around the circle for fixing the anchor between which it rotates.

Количество обмоток возбуждения от одной до n. Каждая обмотка возбуждения имеет собственный источник питания. Каждый участок обмотки якоря, охватываемый одной независимой обмоткой возбуждения, имеет собственный источник питания.The number of field windings is from one to n. Each field winding has its own power supply. Each section of the armature winding, covered by one independent field winding, has its own power source.

Щетки разнополярными парами закреплены в корпусе по окружности с внутренней стороны обмотки якоря между витками обмоток возбуждения, количество щеточных пар равно числу независимых обмоток возбуждения. Одна из шестерен связана с полезной нагрузкой. Обмотка якоря намотана на кольцо якоря через пазы, выполненные на вершинах зубьев якоря.Brushes with opposite-polarity pairs are fixed in a casing around the circumference from the inside of the armature winding between the turns of the field windings, the number of brush pairs is equal to the number of independent field windings. One of the gears is associated with a payload. An anchor winding is wound on the anchor ring through grooves made on the tops of the anchor teeth.

Наличие шестерен, удерживающих якорь, обеспечивает возможность его вращения без центрального вала, а также возможность размещения обмотки якоря внутри обмоток возбуждения, что позволяет использовать силовые линии магнитного поля, замыкающиеся по кругу внутри обмоток возбуждения и не выходящие наружу. Это повышает КПД двигателя и снижает вредное воздействие магнитного поля на человека.The presence of gears holding the armature, provides the possibility of its rotation without a central shaft, as well as the ability to place the armature winding inside the field windings, which allows the use of magnetic field lines that are closed in a circle inside the field windings and do not go out. This increases the efficiency of the engine and reduces the harmful effects of the magnetic field on a person.

Расположение обмотки якоря внутри обмоток возбуждения, позволяет использовать обмотки возбуждения с малым количеством витков. Ток, протекая по этим обмоткам, создает короткие силовые линии магнитного поля. Силовые линии магнитного поля соседних обмоток возбуждения суммируются и образуют практически The location of the armature winding inside the field windings allows the use of field windings with a small number of turns. Current flowing through these windings creates short magnetic field lines. The magnetic field lines of the adjacent field windings add up and form almost

круглые и замкнутые сами на себя кольцевые силовые линии магнитного поля, не выходящие за пределы витков этих обмоток, что делает заявляемый двигатель максимально безопасным по сравнению с прототипом.circular and self-enclosed annular magnetic field lines that do not go beyond the turns of these windings, which makes the inventive motor as safe as possible compared to the prototype.

Взаимодействие каждой обмотки возбуждения с охватываемым ей участком обмотки якоря, находящихся в разных плоскостях, обеспечивает запуск машины суммой малых пусковых токов, проходящих по каждому независимо запитанному участку обмотки якоря. Кроме того, пересечение силовых линий магнитных полей всех обмоток происходит в максимально возможных плоскостях, проходящих через центральную воображаемую ось вращения якоря, что обеспечивает возможность увеличения мощности машины, скорости вращения и ускорения.The interaction of each field winding with the covered part of the armature winding located in different planes ensures the start of the machine by the sum of small starting currents passing through each independently powered section of the armature winding. In addition, the intersection of the lines of force of the magnetic fields of all the windings occurs in the maximum possible planes passing through the central imaginary axis of rotation of the armature, which makes it possible to increase the power of the machine, speed of rotation and acceleration.

Каждый участок обмотки якоря, охватываемый одной независимой обмоткой возбуждения, представляет из себя один двухполюсной электромагнит, который взаимодействует с обмоткой якоря одновременно своим северным и южным магнитными полюсами, что позволяет использовать один электромагнит вместо двух в прототипе. Это снижает массу машины, удешевляя ее, снижает активное сопротивление всех обмоток и потери тока, ведущие к повышению КПД машины.Each section of the armature winding, covered by one independent excitation winding, is one bipolar electromagnet that interacts with the armature winding simultaneously with its north and south magnetic poles, which allows the use of one electromagnet instead of two in the prototype. This reduces the weight of the machine, making it cheaper, reduces the active resistance of all windings and current loss, leading to increased efficiency of the machine.

Расстояние между витками обмотки возбуждения и якоря минимальное. Это позволяет использовать слабое магнитное поле, по сравнению с прототипом, и уменьшить количество витков в обмотке возбуждения, что снижает активное сопротивление провода и потери тока на тепловыделение.The distance between the turns of the field winding and the armature is minimal. This allows you to use a weak magnetic field, compared with the prototype, and to reduce the number of turns in the field winding, which reduces the active resistance of the wire and the current loss by heat.

В заявляемой машине одна двухполюсная, одновитковая обмотка возбуждения по отношению к охватываемой ею якорной обмотке заменяет два тяжелых однополюсных электромагнита обмотки возбуждения в прототипе. Если рассматривать единственный виток обмотки возбуждения заявляемой машины, как один виток соленоида, по которому протекает электрический ток, то силовые линии магнитного поля, пронизывающие его, будут замкнуты и расположены по окружности с радиусом r вокруг поперечного сечения провода этого соленоида. Максимальное отталкивание магнитного поля каждого витка якоря от магнитного поля витка обмотки возбуждения, охватывающего этот виток якоря, происходит в одной плоскости. Условием работы заявляемой машины является постоянное отталкивание встречных магнитных полей якоря и обмотки возбуждения на суммарном протяжении встречных радиусов своих силовых линий.In the inventive machine, one bipolar, single-turn field winding in relation to the anchor winding covered by it replaces two heavy single-pole electromagnets of the field winding in the prototype. If we consider a single turn of the field winding of the inventive machine as one turn of a solenoid through which electric current flows, then the lines of force of the magnetic field penetrating it will be closed and arranged in a circle with a radius r around the cross section of the wire of this solenoid. The maximum repulsion of the magnetic field of each coil of the armature from the magnetic field of the coil of the field winding, covering this coil of the armature, occurs in one plane. The working condition of the claimed machine is the constant repulsion of the oncoming magnetic fields of the armature and field windings over the total length of the oncoming radii of its field lines.

Если принять магнитное поле якоря минимальным по значению, то радиус r силовой линии магнитного поля средней длины обмотки возбуждения будет равным среднему межвитковому расстоянию якорной обмотки. Силовая линия обмотки возбуждения должна, дотянутся до плоскости охватываемой следующим витком, якорной обмотки, чтобы отталкивание поля якоря от поля обмотки возбуждения проходило по всему радиусу этой линии, от центра к периферии. Вращение якоря сопровождается перемещением витка якорной обмотки вдоль радиуса силовой магнитной линии обмотки возбуждения и при прохождении им межвиткового расстояния в плоскости, пересекающей виток обмотки возбуждения, входит в следующий виток якорной обмотки, и отталкивание продолжается далее.If we take the armature magnetic field to a minimum value, then the radius r of the magnetic field line of the average length of the field winding will be equal to the average inter-turn distance of the armature winding. The field line of the field winding must reach the plane covered by the next turn of the anchor winding so that the repulsion of the armature field from the field of the field winding passes along the entire radius of this line, from the center to the periphery. The rotation of the armature is accompanied by the movement of the coil of the armature winding along the radius of the power magnetic line of the field coil and when it passes the inter-turn distance in the plane crossing the coil of the field coil, enters the next turn of the armature coil, and repulsion continues.

Сравним магнитные поля обмоток возбуждения заявляемой машины, фиг.4 и прототипа, фиг.5. Для удобства расчета размеры якоря заявляемой машины и прототипа примем равными, а отношение внешнего радиуса этих якорей R к радиусу поперечного сечения тора этих якорей R₁ примем 1:7. Радиус поперечного сечения тора якорей R₁ примерно в 6 раз больше межвиткового расстояния r (фиг.2).Compare the magnetic fields of the field windings of the inventive machine, figure 4 and the prototype, figure 5. For ease of calculation, the dimensions of the anchor of the claimed machine and prototype will be taken equal, and the ratio of the outer radius of these anchors R to the radius of the cross section of the torus of these anchors R ₁ will be 1: 7. The radius of the cross section of the torus of the anchors R ₁ approximately 6 times greater than the inter-turn distance r (figure 2).

где r - радиус силовой линии магнитного поля средней длины от одного витка обмотки возбуждения (общее среднее расстояние между витками обмоток возбуждения и якоря);where r is the radius of the magnetic field field line of medium length from one turn of the field winding (total average distance between the turns of field windings and the armature);

R₁ - радиус поперечного сечения тора якоря;R ₁ is the radius of the cross section of the torus of the anchor;

Средняя длина силовой линии магнитного поля (окружности), каждого витка обмоток возбуждения заявляемой машины составит:The average length of the magnetic field line (circle) of each coil of the field windings of the claimed machine will be:

где: L - средняя длина силовой линии магнитного поля одного витка обмотки возбуждения заявляемой машины;where: L is the average length of the magnetic field line of one field of the field winding of the inventive machine;

π - постоянное число «пи»;π is a constant number "pi";

r - радиус силовой линии магнитного поля средней длины от одного витка обмотки возбуждения (общее среднее расстояние между витками обмоток возбуждения и якоря в заявляемой машине);r is the radius of the magnetic field line of the average length from one turn of the field winding (the total average distance between the turns of the field windings and the armature in the inventive machine);

R₁ - радиус поперечного сечения тора якоря.R ₁ is the radius of the cross section of the torus of the anchor.

В прототипе полезная силовая линия магнитного поля обмоток возбуждения средней длины 22 (фиг.5) замкнута и пронизывает электромагниты в четырех местах, между которыми расположены особой формы железные насадки, входящие в пространство между электромагнитами и охватывающие кольцевой якорь. Радиус каждого электромагнита визуально в 3 раза больше радиуса поперечного сечения тора якоря R₁. Подсчитаем сначала часть длины средней (полезной) силовой магнитной линии, проходящей через электромагниты в четырех местах, равную 4 R₁. Остальную часть длины силовой магнитной линии можно мысленно замкнуть в правильный круг пересекающий все витки якорной обмотки, фиг.5.In the prototype, the useful magnetic field of the magnetic field of the field windings of average length 22 (FIG. 5) is closed and penetrates the electromagnets in four places, between which there are specially shaped iron nozzles entering the space between the electromagnets and covering the annular armature. The radius of each electromagnet is visually 3 times larger than the radius of the cross section of the torus of the armature R ₁ . First, we calculate the part of the length of the average (useful) power magnetic line passing through the electromagnets in four places, equal to 4 R ₁ . The rest of the length of the power magnetic line can be mentally closed in the correct circle intersecting all the turns of the anchor winding, Fig.5.

Для прототипа средняя длина (полезной) силовой магнитной линии составит:For the prototype, the average length of the (useful) power magnetic line is:

где L₁- средняя длина (полезной) силовой линии магнитного поля от обмоток возбуждения в прототипе;where L ₁ is the average length of the (useful) magnetic field line from the field windings in the prototype;

π - постоянное число «пи»;π is a constant number "pi";

R - внешний радиус якоря;R is the outer radius of the anchor;

Из формул (2) и (3) следует, что средняя длина силовой магнитной линии от одного витка обмотки возбуждения в заявляемой машине в 53,3 раза меньше чем от двух электромагнитов обмотки возбуждения в прототипе, это позволяет снизить массу медного провода в обмотке возбуждения в 53,3 раза. Это снижает массу машины, удешевляет ее и уменьшает вредное воздействие магнитного поля на человека.From formulas (2) and (3) it follows that the average length of the power magnetic line from one turn of the field winding in the inventive machine is 53.3 times less than two electromagnets of the field winding in the prototype, this reduces the mass of the copper wire in the field winding in 53.3 times. This reduces the weight of the machine, reduces its cost and reduces the harmful effects of the magnetic field on a person.

Наличие зубчатого зацепления между шестернями и якорем обеспечивает передачу крутящего момента от якоря шестерням и потребителю через приводную шестерню.The presence of gearing between the gears and the anchor ensures the transmission of torque from the anchor to the gears and the consumer through the drive gear.

Наличие выступов по окружности шестерен, например в виде ободков, между которыми расположены зубья, обеспечивает надежную фиксацию зубчатого зацепления.The presence of protrusions around the circumference of the gears, for example in the form of rims between which the teeth are located, ensures reliable fixation of the gearing.

Подбирая диаметры шестерней и якоря и размеры их зубьев, получают необходимый момент силы для потребителя. Таким образом машина выполняет дополнительную функцию редуктора.Selecting the diameters of gears and anchors and the sizes of their teeth, they obtain the necessary moment of force for the consumer. Thus, the machine performs an additional function of the gearbox.

Масса шестерен меньше массы вала, на котором крепят якорь в прототипе, что снижает массу машины (~ на 70%). Визуально из 30% вала якоря в прототипе можно изготовить требуемые шестерни.The mass of gears is less than the mass of the shaft on which the anchor is mounted in the prototype, which reduces the weight of the machine (~ 70%). Visually, from the 30% armature shaft in the prototype, the required gears can be made.

Применение графитовых щеток в заявляемой машине взамен латунных в прототипе позволяет сузить ширину коллекторных пластин не менее, чем в 5 раз, а закрепление коллекторных пластин непосредственно к виткам обмотки якоря по окружности его внутреннего диаметра позволяет увеличить длину окружности коллектора в 2,5 раза. Это приводит к увеличению числа коллекторных пластин в 12,5 раз, снижению массы меди на их изготовление, так как используют небольшие и тонкие прямоугольные пластины, в сравнении с прототипом, где используются пластины в виде секторов цилиндра. Это улучшает коммутацию и равномерность вращения машины, снижает силу трения между щетками и коллектором, повышает КПД машины.The use of graphite brushes in the inventive machine instead of brass in the prototype allows to narrow the width of the collector plates by at least 5 times, and fixing the collector plates directly to the turns of the armature winding along the circumference of its inner diameter allows to increase the collector circumference by 2.5 times. This leads to an increase in the number of collector plates by 12.5 times, a decrease in the mass of copper for their manufacture, since small and thin rectangular plates are used, in comparison with the prototype, where plates in the form of cylinder sectors are used. This improves the commutation and uniformity of rotation of the machine, reduces the friction force between the brushes and the collector, and increases the efficiency of the machine.

Закрепление щеточных пар между витками обмоток возбуждения в корпусе и при количестве щеточных пар, равных числу независимых разделенных обмоток возбуждения, обеспечивает непрерывную коммутацию обмоток возбуждения. На каждую обмотку возбуждения параллельно подается напряжение, что приводит к постоянному взаимному отталкиванию магнитных полей обмоток возбуждения и якоря. Это повышает равномерность вращения двигателя.The fixing of the brush pairs between the turns of the field windings in the casing and with the number of brush pairs equal to the number of independent separated field windings ensures continuous switching of the field windings. A voltage is applied to each field winding in parallel, which leads to a constant mutual repulsion of the magnetic fields of the field windings and the armature. This increases the uniformity of engine rotation.

Отсутствие центрального вала, на котором закреплен якорь и коллектор в прототипе, обеспечивает возможность выполнения корпуса в виде кожуха в форме полого тора в заявляемом двигателе, что снижает его массу.The absence of a central shaft, on which the anchor and the collector are fixed in the prototype, makes it possible to make the case in the form of a casing in the form of a hollow torus in the inventive engine, which reduces its weight.

Намотка обмотки якоря на кольцо якоря через пазы, выполненные на вершинах зубьев якоря, охватывает каждым витком максимально возможную площадь, и как следствие обеспечивает максимально возможный магнитный поток якоря.The winding of the winding of the anchor to the anchor ring through the grooves made on the tops of the teeth of the anchor, covers with each turn the maximum possible area, and as a result provides the maximum possible magnetic flux of the anchor.

Таким образом, все заявляемые признаки являются существенными и решают поставленную задачу.Thus, all of the claimed features are significant and solve the problem.

Изобретение представлено на чертежах.The invention is presented in the drawings.

Фиг.1 Электрическая машина.Figure 1 Electric machine.

Фиг.2 Фрагмент кольцевого якоря, увеличено.Figure 2 A fragment of the annular anchor, enlarged.

Фиг.3 Разрез по А-А на Фиг.1.Figure 3 A section along aa in figure 1.

Фиг.4 Расположение силовых линий магнитных полей обмоток возбуждения и якоря в заявляемой машине.Figure 4 Location of the lines of force of the magnetic fields of the field windings and the armature in the inventive machine.

Фиг.5 Расположение силовых линий магнитных полей обмоток возбуждения и якоря в прототипе.Figure 5 Location of the lines of force of the magnetic fields of the field windings and the armature in the prototype.

Заявляемая машина. Фиг.1, 2, 3, содержит тороидальный корпус 1 и закрепленные в нем шестерни 2, вращающиеся вокруг своих осей на валах 3 и удерживающие вращающийся кольцевой зубчатый якорь 4 с обмоткой 5 и находящиеся с ним в зубчатом зацеплении, неподвижную обмотку возбуждения 6, охватывающую обмотку якоря 5. Обмотка возбуждения 6 залита компаундом, например эпоксидной смолой, имеет вырезы для шестерен 2, закреплена в корпусе 1 и образует полый тор, в котором вращается якорь 4. Обмотка возбуждения 6 может состоять из множества независимых и разделенных обмоток, каждая из которых соединена с независимым источником питания (не показано). Обмотка якоря 5 намотана на кольцо якоря 4 через пазы 7, выполненные в зубьях якоря 8. Коллектор состоит из пластин 9, впрессованных по окружности малого диаметра якоря 4 непосредственно в витки его обмотки 5, фиг.2. Токопередающие разнополярные пары графитовых щеток 10 (одна - минусовая, другая - плюсовая) закреплены в корпусе по окружности внутреннего диаметра между витками обмоток возбуждения 6. Количество щеточных пар равно числу независимых разделенных обмоток возбуждения 6. Одна из шестерен 2, которая является приводной для полезной нагрузки, т.е. передает крутящий момент, например к колесам электротранспорта и т.п., выполнена в виде вала-шестерни. Шестерни 2 имеют выступы 11 по окружности и зубья 12, фиг.3. Корпус 1 выполнен, например из двух половинок, стянутых винтами, между половинками установлены уплотнительные прокладки (не показано).The inventive car. 1, 2, 3, comprises a toroidal housing 1 and gears 2 fixed therein, rotating around its axes on the shafts 3 and holding a rotating annular gear anchor 4 with a winding 5 and being in gearing with it, a stationary excitation winding 6, covering armature winding 5. Field winding 6 is filled with a compound, for example epoxy resin, has cutouts for gears 2, is fixed in the housing 1 and forms a hollow torus in which the armature 4 rotates. Field winding 6 can consist of many independent and separated windings, each of which is connected to an independent power source (not shown). The winding of the armature 5 is wound on the ring of the armature 4 through the grooves 7 made in the teeth of the armature 8. The collector consists of plates 9, pressed around the circumference of the small diameter of the armature 4 directly into the turns of its winding 5, Fig.2. The current-carrying bipolar pairs of graphite brushes 10 (one negative, the other positive) are fixed in the housing around the circumference of the inner diameter between the turns of the field windings 6. The number of brush pairs is equal to the number of independent separated field windings 6. One of the gears 2, which is driven for the payload , i.e. transmits torque, for example to electric transport wheels, etc., is made in the form of a pinion shaft. Gears 2 have protrusions 11 around the circumference and teeth 12, Fig.3. The housing 1 is made, for example, of two halves, tightened by screws, between the halves installed gaskets (not shown).

Машина работает в режиме двигателя следующим образом. Постоянное напряжение подают на внешнюю обмотку - обмотку возбуждения 6. Передача электроэнергии на внутреннюю обмотку - обмотку якоря 5 происходит посредством графитовых щеток 10 (плюс на входе перед каждой разделенной обмоткой возбуждения 6 и минус на выходе из нее). Ток, проходя по внешней обмотке 6, создает магнитное поле с силовыми линиями 13 а ток, проходя по внутренней обмотке 5, создает магнитное поле с силовыми линиями 14 направленное встречно магнитному полю обмотки 6, фиг 4. В результате разнонаправленные поля отталкиваются друг от друга, приводя во вращение якорь 4, от него вращение передается на шестерни 2 и полезную нагрузку.The machine operates in engine mode as follows. A constant voltage is applied to the external winding - the field winding 6. Electricity transmission to the internal winding - the armature winding 5 is carried out by means of graphite brushes 10 (plus at the input in front of each divided field winding 6 and minus at the output from it). The current passing through the external winding 6 creates a magnetic field with field lines 13 and the current passing through the internal winding 5 creates a magnetic field with field lines 14 directed counter to the magnetic field of winding 6, Fig 4. As a result, the multidirectional fields repel each other, bringing the anchor 4 into rotation, the rotation is transmitted from it to the gears 2 and the payload.

Для охлаждения машины в корпусе выполнены два отверстия 15. Холодный воздух входит в нижнее отверстие корпуса 1 и, нагреваясь от внутренних частей двигателя, поднимается вверх, выходя через верхнее отверстие. При этом вращающийся зубчатый якорь 4 дополнительно перемещает его вверх, а при больших оборотах зубья якоря 8 будут создавать турбулентный поток воздуха, повышающий эффективность охлаждения.For cooling the machine, two openings are made in the housing 15. Cold air enters the lower opening of the housing 1 and, heating up from the internal parts of the engine, rises upward, exiting through the upper opening. In this case, the rotating toothed armature 4 additionally moves it up, and at high speeds, the teeth of the armature 8 will create a turbulent air flow, increasing cooling efficiency.

В режиме генератора машина работает следующим образом. Постоянное напряжение подают на обмотку возбуждения 6. Затем приводную шестерню 2, в качестве которой используют, например вал-шестерню, приводят во вращение механической нагрузкой. Через зубчатое зацепление вращение передается якорю 4 и его обмотке 5, которая вращаясь, преодолевает силу магнитного поля обмотки возбуждения 6 и индуцирует якорный ток, снимаемый со щеток 10.In generator mode, the machine operates as follows. A constant voltage is applied to the field winding 6. Then, the drive gear 2, which is used, for example, a gear shaft, is driven by a mechanical load. Through gearing, rotation is transmitted to the armature 4 and its winding 5, which, rotating, overcomes the magnetic field strength of the field coil 6 and induces the anchor current removed from the brushes 10.

Для сравнения с заявляемой машиной на фиг.5 изображены силовые линии магнитных полей обмотки возбуждения и якоря прототипа: 16 - полезные силовые линии магнитного поля обмотки возбуждения, пересекающие обмотку якоря в плоскости геометрической нейтрали 17; 18 - силовые линии магнитного поля обмотки якоря; 19 - силовые линии магнитного поля обмотки возбуждения, бесполезные и вредные для человека; 20 - северный магнитный полюс обмотки возбуждения; 21 -южный магнитный полюс обмоток возбуждения и 22 - полезная силовая линия магнитного поля обмоток возбуждения средней длины.For comparison with the inventive machine, figure 5 shows the lines of force of the magnetic fields of the field winding and the armature of the prototype: 16 - useful lines of magnetic field of the field of the field winding crossing the armature winding in the plane of geometric neutral 17; 18 - field lines of the magnetic field of the armature winding; 19 - field lines of the magnetic field of the field winding, useless and harmful to humans; 20 - north magnetic pole of the field winding; 21 is the south magnetic pole of the field windings and 22 is the useful magnetic field line of the field field of the field windings of medium length.

Claims

1. An electric machine comprising an annular armature with a winding installed in the housing, an excitation winding and a collector with brushes, characterized in that it is provided with at least three gears holding the armature and mounted to rotate around its axes, mounted in the housing, along the perimeter of the great circle of the armature there are teeth engaged with gear teeth, the field winding forms a hollow torus covering the entire armature coil, the field coil is a bipolar electromagnet for it intercepts a portion of the armature winding, collector plates are fixed on the armature small diameter circumferential coils directly to the motor winding.

2. The electric machine according to claim 1, characterized in that the housing is made in the form of a hollow torus.

3. The electric machine according to claim 1, characterized in that the gears are made with protrusions around the circumference for fixing the armature between which it rotates.

4. The electric machine according to claim 1, characterized in that the number of field windings is from one to n.

5. The electric machine according to claim 4, characterized in that each field winding has its own power source.

6. The electric machine according to claim 1, characterized in that each section of the armature winding covered by one independent field winding has its own power source.

7. The electric machine according to claim 1, characterized in that the brushes with bipolar pairs are mounted in a circle around the inside of the armature winding between the turns of the field windings, the number of brush pairs is equal to the number of independent field windings.

8. The electric machine according to claim 1, characterized in that one of the gears is associated with a payload.

9. The electric machine according to claim 1, characterized in that the armature winding is wound on the armature ring through grooves made on the tops of the anchor teeth.