RU2031517C1

RU2031517C1 - Unipolar electric machine

Info

Publication number: RU2031517C1
Authority: RU
Inventors: Николай Григорьевич Ермилов
Original assignee: Николай Григорьевич Ермилов
Priority date: 1991-05-05
Filing date: 1991-05-05
Publication date: 1995-03-20

Abstract

FIELD: electric machine engineering. SUBSTANCE: active working part of stator incorporates two identical ferromagnetic ring magnetic circuits 6 arranged on side boards on both sides of rotor, ferromagnetic symmetric rows of sector elements 18 of working winding in the form of laminated parts of round ring insulated from each other, connected in series and divided between upper and lower parts of winding with neutral sector gaps with proper insulation. Rotor of machine is formed by radially distributed salient magnetic cores 9 with excitation coils 7, sector contact ring 11 on shaft 2 with brushes 14 placed in excitation circuit as means of current collector and commutation. Positive and negative brushes 14 of excitation buses have constant electric coupling in turns with starts and finished of all pairs of excitation coils through sectors of contact ring 11. EFFECT: increased level of output voltage. 3 dwg

Description

Изобретение относится к электромашиностроению. The invention relates to electrical engineering.

Преимущественная область использования (как товар народного потребления) - для электроснабжения индивидуальных жилых и хозяйственных помещений в сельской местности с использованием экологически чистых видов энергии: ветра и рек с целью электрообогрева, приготовления пищи, электроосвещения, приготовления горячей воды, питания бытовых электроприборов и в других областях. The primary area of use (as consumer goods) is for the power supply of individual residential and utility rooms in rural areas using environmentally friendly forms of energy: wind and rivers for the purpose of electric heating, cooking, electric lighting, hot water, food for household appliances and in other areas .

Существующие униполярные машины работают по принципу униполярной индукции, позволяют получать постоянный ток большой величины (до 10⁵ А), но при низком уровне напряжения (десятки вольт) без преобразователя частоты. При их конструировании большие затруднения возникают в связи с необходимостью снятия посредством скользящих контактов весьма больших токов при низких рабочих напряжениях. Униполярные или одноименнополюсные машины отличаются от всех прочих машин постоянного тока тем, что в их якорях сразу генерируется ЭДС постоянного направления.Existing unipolar machines operate on the principle of unipolar induction, they allow you to get a constant current of large magnitude (up to 10 ⁵ A), but at a low voltage level (tens of volts) without a frequency converter. When constructing them, great difficulties arise in connection with the need to remove, through sliding contacts, very large currents at low operating voltages. Unipolar or single-pole machines differ from all other DC machines in that they emit a direct current EMF in their anchors.

Известно большое количество различных конструкций униполярных машин. Одно из возможных исполнений [1] состоит из якоря - массивного стального тела, вращающегося на валу ротора в поле возбуждения, создаваемого неподвижными катушками кольцевой обмотки, установленной в статоре машины. Магнитный поток дважды пересекает зазор по кольцевому магнитопроводу и ферромагнитному телу ротора. Поле получается симметричным, и в активной зоне (между щетками) образуется кольцевой полюс определенной полярности. Поэтому во всех осевых элементах ротора, размещающихся между неподвижными щетками токосъема, индуктируется одна и та же постоянная ЭДС. A large number of different designs of unipolar machines are known. One of the possible designs [1] consists of an anchor - a massive steel body rotating on the rotor shaft in the field of excitation created by the fixed coils of the ring winding installed in the stator of the machine. Magnetic flux twice crosses the gap through an annular magnetic circuit and the ferromagnetic body of the rotor. The field is symmetrical, and in the core (between the brushes) an annular pole of a certain polarity is formed. Therefore, in all the axial elements of the rotor located between the fixed current collection brushes, the same constant EMF is induced.

К недостаткам аналога следует отнести низкий уровень выходного рабочего напряжения (1-100 В), наличие многочисленных скользящих контактов и щеток токосъема в выходной цепи при больших величинах рабочего тока (до 1,5˙10⁵ А).The disadvantages of the analogue include the low level of the output operating voltage (1-100 V), the presence of numerous sliding contacts and current collector brushes in the output circuit at high operating currents (up to 1.5˙10 ⁵ A).

Униполярная машина, выбранная в качестве прототипа [2], содержит магнитопроводящий ротор, контактные кольца, расположенную коаксиально ротору цилиндрическую обмотку возбуждения, создающую магнитный поток, аксиально входящий в кольцеобразную зону статора, аксиально противолежащий ротору статор с множеством радиально расположенных на нем в зоне входа магнитного потока элементов рабочей обмотки, которые посредством соединительных, радиально расположенных проводников в зоне малой плотности потока соединены последовательно. The unipolar machine selected as a prototype [2] contains a magnetically conducting rotor, slip rings, a cylindrical field winding coaxial to the rotor, creating a magnetic flux, axially entering the stator annular zone, axially opposite the rotor stator with a plurality of stator radially opposed to it in the input magnetic region the flow of elements of the working winding, which by means of connecting, radially located conductors in the zone of low flux density are connected in series.

К недостаткам прототипа следует отнести следующее. Он, не имея средства коммутации, не может решить задачу получения более высокого уровня выходного напряжения, так как невозможно создать бесконечно убывающий или бесконечно возрастающий магнитный поток без средства коммутации. Кроме того, последовательно соединяющие элементы рабочей обмотки проводники размещены радиально, но хотя и находятся они в зоне с малой плотностью потока, имеют встречную, компенсирующую основную ЭДС. The disadvantages of the prototype include the following. Having no means of switching, he cannot solve the problem of obtaining a higher level of output voltage, since it is impossible to create an infinitely decreasing or infinitely increasing magnetic flux without a means of switching. In addition, the conductors sequentially connecting the elements of the working winding are arranged radially, but although they are in the zone with a low flux density, they have an oncoming, compensating main emf.

Целью изобретения является повышение уровня выходного напряжения. The aim of the invention is to increase the level of output voltage.

Цель достигается тем, что в униполярной машине, содержащей магнитопроводящий ротор, контактные кольца, обмотку возбуждения, создающую магнитный поток, противолежащий ротору статор, имеющий множество расположенных на нем в зоне магнитного потока элементов рабочей обмотки, соединенных между собой проводниками последовательно, ротор образован радиально рассредоточенными явновыраженными полюсами с магнитопроводами и катушками возбуждения, начала и концы обмоток которых соединены с изолированными друг от друга и от корпуса машины секторами контактного кольца как средства токосъема и коммутации, статор выполнен расположенными в зоне магнитного потока множественными рядами симметричных ферромагнитных секторных элементов рабочей обмотки, соединенных между собой последовательно коаксиально расположенными соединительными проводниками. The goal is achieved in that in a unipolar machine containing a magnetically conducting rotor, contact rings, an excitation winding that creates a magnetic flux, a stator opposite the rotor, having a plurality of working winding elements located on it in the magnetic flux zone, connected by series conductors, the rotor is formed by radially dispersed clearly defined poles with magnetic cores and field coils, the beginning and ends of the windings of which are connected with secto insulated from each other and from the machine body s contact ring as a current collector and switching means, the stator is arranged in the magnetic flux zone multiple rows of ferromagnetic symmetrical sectoral elements operating winding interconnected in series coaxially disposed connection conductors.

Техническая сущность изобретения заключается в том, что предложенная униполярная машина имеет ротор, образованный радиально рассредоточенными вращающимися явновыраженными полюсами (взамен барабана с концентрической обмоткой возбуждения в известном устройстве), сохраняет известный признак униполярных машин за счет дробления полюсов и наличия секторного контактного кольца как средства токосъема и коммутации, которое циклически меняет направление постоянного тока в катушках возбуждения с тем, чтобы одна часть элементов рабочей обмотки всегда пересекалась магнитным потоком только одной полярности, а другая их часть - потоком только другой полярности. Этот признак обеспечивает получение во внешней сети однонаправленного тока. Получение в предлагаемой машине более высокого уровня рабочего напряжения обеспечивается размещением соединяющих секторные элементы рабочей обмотки проводников коаксиально ротору, то есть концентрически, что исключает наведение в них встречной ЭДС, компенсирующей основную. В то же время в известной машине соединительные проводники размещены радиально, что и обуславливает создание в них встречной ЭДС, так как они пересекаются по всей длине магнитным потоком. The technical essence of the invention lies in the fact that the proposed unipolar machine has a rotor formed by radially dispersed rotating clearly defined poles (instead of a drum with a concentric field winding in the known device), it retains a well-known feature of unipolar machines due to the fragmentation of the poles and the presence of a sector contact ring as a current collector and switching, which cyclically changes the direction of the direct current in the excitation coils so that one part of the elements of the working coil ki always intersect the magnetic flux of only one polarity, and the other part - stream only other polarity. This feature provides unidirectional current in the external network. Obtaining in the proposed machine a higher level of operating voltage is ensured by placing the sector elements of the working winding of the conductors that are connected coaxially to the rotor, that is, concentrically, which eliminates the induction of a counter emf compensating the main one in them. At the same time, in the known machine, the connecting conductors are arranged radially, which causes the creation of a counter emf in them, since they intersect along the entire length of the magnetic flux.

Отличительные признаки от прототипа: ротор образован радиально рассредоточенными явновыраженными полюсами с магнитопроводами и катушками возбуждения, начала и концы обмоток которых соединены с изолированными друг от друга и от корпуса машин секторами контактного кольца как средства токосъема и коммутации;
статор выполнен расположенными на нем в зоне магнитного потока множественными рядами симметричных ферромагнитных секторных элементов рабочей обмотки, соединенных между собой последовательно коаксиально расположенными соединительными проводниками; вместо двух контактных колец как средство токосъема применено одно секторное контактное кольцо с дополнительной функцией коммутации.Distinctive features of the prototype: the rotor is formed by radially dispersed clearly defined poles with magnetic circuits and excitation coils, the beginning and ends of the windings of which are connected to the contact ring sectors isolated from each other and from the machine body as a means of current collection and switching;
the stator is made by multiple rows of symmetric ferromagnetic sector elements of the working winding located on it in the magnetic flux zone, connected together in series by coaxially arranged connecting conductors; instead of two slip rings, one sector slip ring with an additional switching function is used as a current collector.

На фиг.1 представлена униполярная машина, продольный разрез; на фиг.2 - электрическая схема обмотки возбуждения; на фиг.3 - электрическая схема ферромагнитной рабочей секторной обмотки. Figure 1 presents a unipolar machine, a longitudinal section; figure 2 - electrical circuit of the field winding; figure 3 is an electrical diagram of a ferromagnetic working sector winding.

Униполярная машина содержит корпус 1, вал 2, вентилятор 3 для охлаждения, вентиляционные прорези 4 в боковых щитках, набор прокладок 5 из немагнитного материала, неподвижные магнитопроводы 6 в виде ферромагнитных круговых колец, расположенные радиально и смещенные относительно друг друга по осям на 60^о и насаженные на магнитопроводы ротора, катушки 7 возбуждения, путь магнитного потока 8 возбуждения, радиально рассредоточенные явновыраженные магнитопроводы 9 ротора, башмаки 10 электромагнитов, секторное контактное кольцо 11_1-6, соединительные проводники 12, 13 схемы возбуждения, щетки 14 в схеме возбуждения, щеткодержатели 15, изоляцию 16 секторного контактного кольца, клеммы 17 постоянного тока цепи возбуждения, симметричные ферромагнитные секторные элементы 18 рабочей обмотки в виде пластинчатых частей кругового кольца, радиально укрепленные на ферромагнитных кольцевых магнитопроводах 6 и изолированные от него, соединительные проводники 19 рабочей обмотки, положительный и отрицательный контакты 20 выходной цепи.Unipolar machine comprises a housing 1, a shaft 2, a fan 3 for cooling air slits 4 in the side flaps, a set of spacers 5 of nonmagnetic material, fixed magnetic cores 6 in the form of ferromagnetic circular rings arranged radially displaced relative to each other along axes 60 ^a and impaled on the rotor magnetic circuits, excitation coil 7, magnetic flux path 8 excitation radially dispersed salient rotor yokes 9, 10 shoes electromagnets sectoral contact ring 11 _1-6 Coupling conductors 12, 13 of the excitation circuit, brushes 14 in the excitation circuit, brush holders 15, insulation 16 of the sector contact ring, DC terminal 17 of the excitation circuit, symmetrical ferromagnetic sector elements 18 of the working winding in the form of plate parts of a circular ring, radially mounted on ferromagnetic ring magnetic circuits 6 and isolated from it, the connecting conductors 19 of the working winding, the positive and negative contacts 20 of the output circuit.

На фиг.2 буквами А₁-А₆ обозначены шесть пар электромагнитов, смещенных относительно друг друга по осям на 60^о, 11₁-11₆ - секторы контактного кольца, катушки возбуждения попарно соединены концами К₁ и началами Н₂ последовательно проводниками 13. Начала Н₁ выходят на ближний, противолежащий сектор контактного кольца, концы К₂ - на дальний противолежащий сектор контактного кольца. Соединительные проводники 12, 13 катушек возбуждения, токосъемные щетки 14, занимающие по длине два соседних сектора контактного кольца, смещены по осям на 180^о, а каждая от нейтральной оси - на 90^о.2, the letters A ₁ -A ₆ represents six pairs of electromagnets are displaced relative to each other ^about the axes 60 and 11 ₁ -11 ₆ - sectors contact ring exciting coil pairs K ₁ connected to the ends and beginnings of H ₂ conductors 13 sequentially. The beginning of H ₁ go to the near, opposite sector of the contact ring, the ends of K ₂ to the far opposite sector of the contact ring. The connecting conductors 12, 13 of the excitation coils, the collector brushes 14, occupying the length of two adjacent sectors of the contact ring, are displaced along the axes by 180 ^° , and each from the neutral axis - by 90 ^° .

На фиг.3 показано последовательное соединение одного ряда симметричных секторных элементов 18 рабочей обмотки (элементы представлены в разрезе). Каждый элемент обмотки имеет форму части кругового кольца и по своей боковой поверхности занимает по 30^о от круга. Все вместе они занимают 240^о. Эта поверхность и является рабочей поверхностью, на которой действует рабочий магнитный поток. Все элементы рабочей обмотки являются магнитопроводящими. Стрелками показано направление возбуждаемого тока верхних секторов в сторону вала машины, т. е. к центру, а нижних секторов обмотки от центра. Это достигается за счет того, что секторы постоянно обрабатываются полюсами разной полярности, так как секторное кольцо в схеме возбуждения постоянно и циклически меняет полярность работающих катушек возбуждения. Два нейтральных промежутка 21 с сохранением величины рабочего зазора занимают каждый по 60^о, смещены по осям на 180^о. Эти нейтральные промежутки заполнены магнитным материалом. Положительный и отрицательный контакты 20 образуют выходную электрическую цепь. Последовательно соединяющие проводники 19 размещены коаксиально по линии дуги круга, и в них не наводится встречная ЭДС.Figure 3 shows the serial connection of one row of symmetrical sector elements 18 of the working winding (elements are presented in section). Each element of the winding has the shape of a part of a circular ring and occupies 30 ^about from the circle along its lateral surface. Together they occupy 240 ^about . This surface is the working surface on which the working magnetic flux acts. All elements of the working winding are magnetically conductive. The arrows indicate the direction of the excited current of the upper sectors towards the shaft of the machine, i.e. towards the center, and the lower sectors of the winding from the center. This is achieved due to the fact that the sectors are constantly processed by poles of different polarity, since the sector ring in the excitation circuit constantly and cyclically changes the polarity of the working excitation coils. Two neutral gap 21 with the stored values occupy the working gap 60 ^of each, are offset on axes 180 ^o. These neutral gaps are filled with magnetic material. The positive and negative contacts 20 form an output electrical circuit. Consecutively connecting conductors 19 are placed coaxially along the arc of the circle, and they do not induce oncoming EMF.

Униполярная машина может быть изготовлена малой мощности, напряжением до 250 В с четным количеством пар катушек возбуждения. Рабочее напряжение тем больше, чем больше последовательно соединенных элементов секторной обмотки. Полученный электрический ток не синусоидный, но однонаправленный с пульсацией. A unipolar machine can be made of low power, voltage up to 250 V with an even number of pairs of field coils. The working voltage is greater, the more the series-connected elements of the sector winding. The resulting electric current is not sinusoidal, but unidirectional with ripple.

Машина имеет необычные габариты. По вертикали имеет значительно больший габарит, чем длина по горизонтали. В качестве первичного двигателя может быть использована энергия ветра и рек, двигатель внутреннего сгорания или электродвигатель. The machine has unusual dimensions. Vertical has a significantly larger overall dimension than the horizontal length. As the primary engine, wind and river energy, an internal combustion engine or an electric motor can be used.

При вращении ротора циклически меняется полярность полюсов электромагнитов за счет секторного контактного кольца, чем обеспечивается постоянство направления тока во внешней сети. Устройство коммутации выполняет также функции по управлению рабочим магнитным потоком. Здесь имеем дело с переменным магнитным потоком, что и исключает переменность электрического тока во внешней сети. When the rotor rotates, the polarity of the poles of the electromagnets cyclically changes due to the sector contact ring, which ensures a constant current direction in the external network. The switching device also performs the functions of controlling the working magnetic flux. Here we are dealing with variable magnetic flux, which eliminates the variability of the electric current in the external network.

Машина проста в изготовлении, легкодоступна для разборки, сборки и осмотра. The machine is easy to manufacture, easily accessible for disassembly, assembly and inspection.

Примером изготовления машины как товара народного потребления может служить ветроагрегат на одном валу с ветродвигателем и униполярной машиной на постоянных магнитах в качестве возбудителя. Такая машина малой мощностью (до 5 кВт) найдет широкое практическое применение для электроснабжения частных домов, садовых участков и дач, где нет государственной сети. Машины большей мощности найдут применение и на промышленных объектах для сварки, питания электродвигателей. An example of manufacturing a machine as a consumer product is a wind turbine on the same shaft as a wind turbine and a unipolar permanent magnet machine as a pathogen. Such a machine with low power (up to 5 kW) will find wide practical application for power supply of private houses, garden plots and cottages where there is no state network. Machines of greater power will find application in industrial facilities for welding, powering electric motors.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

На положительную и отрицательную токосъемные щетки 14 от шин возбуждения через контактное кольцо 11_1-6 подается ток возбуждения на жестко укрепленные на роторе катушки 7 возбуждения.On the positive and negative collector brushes 14 from the excitation buses through the contact ring 11 _{1-6 the} excitation current is supplied to the excitation coils 7 rigidly fixed on the rotor.

Ток возбуждения регулируется пропорционально току нагрузки машины. Ротор, вращаясь от первичного двигателя, создает в своих катушках вращающийся магнитный поток 8 возбуждения, который пересекает ферромагнитные секторные элементы 18 неподвижной рабочей обмотки и замыкается по круговому ферромагнитному кольцу магнитопроводов 6. В секторах рабочей обмотки наводится однонаправленная ЭДС. Рабочее напряжение снимается с контактов 20. В работе одновременно участвуют все шесть пар катушек возбуждения. Однако каждые две противолежащие пары, смещенные относительно друг друга на 180^о, поочередно и через каждые 60^о после прохождения нейтрального промежутка 21 меняют свою полярность на обратную. За один оборот ротора будет шесть переключений полярности полюсов.The excitation current is regulated in proportion to the load current of the machine. The rotor, rotating from the primary engine, creates in its coils a rotating magnetic flux 8 of excitation, which intersects the ferromagnetic sector elements 18 of the stationary working winding and closes along the circular ferromagnetic ring of the magnetic circuits 6. In the sectors of the working winding, a unidirectional EMF is induced. The operating voltage is removed from contacts 20. All six pairs of field coils are simultaneously involved in the operation. However, every two opposite pairs that are offset relative to each other by 180 ^o, and alternately after every ⁶⁰ after passing through the neutral gap 21 change their polarity reversed. For one revolution of the rotor there will be six pole polarity switching.

Положительный эффект достигается за счет ввода в схему возбуждения контактного сектора кольца 11_1-6 как средства токосъема и коммутации, замены кольцевой цилиндрической обмотки на ряд радиально рассредоточенных электромагнитов, а также выноса последовательно соединяющих элементы секторной обмотки соединительных проводников из зоны действия изменяемого магнитного потока в зону неизменяемого магнитного потока с размещением их коаксиально ротору, что обуславливает реальность изобретения с получением положительного эффекта согласно цели изобретения, т. е. получение более повышенного, чем у прототипа, уровня напряжения в выходной цепи.A positive effect is achieved by introducing rings 11 _1-6 into the excitation circuit of the contact sector as a means of current collection and switching, replacing the annular cylindrical winding with a series of radially dispersed electromagnets, and also removing sequentially connecting elements of the sector winding of the connecting conductors from the zone of action of the variable magnetic flux into the zone unchanged magnetic flux with their placement coaxially with the rotor, which leads to the reality of the invention with obtaining a positive effect according to ate the invention m. e. obtain a more elevated than the prototype, the voltage level in the output circuit.

Claims

УНИПОЛЯРНАЯ МАШИНА Н Г ЕРМИЛОВА. UNIPOLAR MACHINE N G. YERMILOVA.

Униполярная машина, содержащая магнитопроводящий ротор, контактные кольца, обмотку возбуждения, создающую магнитный поток, противолежащий ротору статор, имеющий множество расположенных на нем в зоне магнитного потока элементов рабочей обмотки, соединенных между собой проводниками последовательно, отличающаяся тем, что ротор образован радиально рассредоточенными явновыраженными полюсами с магнитопроводами и катушками возбуждения, начала и концы обмоток которых соединены с изолированными друг от друга и от корпуса машины секторами контактного кольца, как средства токосъема и коммутации, статор выполнен расположенными в зоне магнитного потока множественными рядами симметричных ферромагнитных секторных элементов рабочей обмотки, соединенных между собой последовательно коаксиально расположенными соединительными проводами. A unipolar machine containing a magnetic rotor, contact rings, an excitation winding, creating a magnetic flux opposite the rotor stator, having a plurality of working winding elements located on it in the magnetic flux zone, connected by conductors in series, characterized in that the rotor is formed by radially dispersed, clearly expressed poles with magnetic cores and excitation coils, the beginning and ends of the windings of which are connected to sectors isolated from each other and from the machine body the contact ring, as a means of current collection and switching, the stator is made in the rows of magnetic flux of multiple rows of symmetrical ferromagnetic sector elements of the working winding, interconnected in series with coaxially connected connecting wires.