Универсальная электрическая машина

Универсальная электрическая машина

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электротехнике, конкретно к универсальным электрическим машинам, которые могут применяться как для производства электроэнергии, так и для механической работы в любой отрасли народного хозяйства.

Известны электрические машины, содержащие корпус с полюсами индуктора и ротор с обмоткой (см., например, патенты US №5057726 или US №7188403). Известна также электрическая машина, содержащая статор в виде имеющего якорную обмотку кольцевого сердечника, размещенного между полюсами индуктора (см. патент на изобретение RU №2207692).

Наиболее близкой, на наш взгляд, к предлагаемому изобретению является универсальная электрическая машина постоянного тока по патенту RU №2385525, публикация 2010 г. - прототип. Указанная машина содержит корпус, индуктор с явно выраженными полюсами, на которых расположена катушечная обмотка возбуждения, подшипниковые щиты для вала якоря, который имеет явно выраженные полюса, якорную обмотку, механизм щеточно-контактного узла.

Недостатком прототипа (как и других электрических машин) является избыточный вес якорной обмотки, которой, как правило, обматывают всю поверхность якоря. Следует заметить, что электрическая мощность создается в тех витках обмотки, что находятся на боковой поверхности якоря. Только эти витки пересекают магнитные линии поля индуктора. Витки, расположенные на торцах якоря, практически не добавляют электрической мощности машине, так как их расположение не позволяет им пересекать магнитные линии поля. Эти витки фактически являются балластными проводами, существенно повышая вес и стоимость машины.

Технической задачей является упрощение конструкции и снижение материалоемкости электрической машины путем уменьшения массы якорной обмотки.

Технический результат достигается тем, что универсальная электрическая машина, включающая корпус, индуктор с явно выраженными полюсами, на которых расположена обмотка возбуждения, якорь, на боковой поверхности которого выполнены зубцы для якорной обмотки, щеточно-контактный узел, включающий по меньшей мере два контактных кольца, индуктор содержит по меньшей мере два явно выраженных одноименных полюса с обмоткой возбуждения и по меньшей мере два ложных полюса в виде зубцов, расположенных между явно выраженными полюсами с обмоткой возбуждения, обмотка якоря выполнена в виде одинаковых якорных катушек, намотанных с определенной толщиной вокруг якорных зубцов, якорные катушки последовательно соединены между собой, начало первой якорной катушки соединено с одним контактным кольцом, конец последней якорной катушки соединен с другим контактным кольцом, при этом длина якорных зубцов уменьшена относительно длины боковой поверхности якоря на величину, равную, по меньшей мере, удвоенной толщине намотки якорной катушки.

Предлагаемая машина может содержать три явно выраженных одноименных полюса с обмоткой возбуждения и три ложных полюса в виде зубцов без обмотки. В предлагаемой машине зубцы якоря с якорными катушками могут быть установлены относительно образующей якоря под углом, величина которого равна от 1° до 45°.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показан общий вид универсальной электрической машины (далее - машина). На фиг.2 показана развертка боковой поверхности якоря. В конкретном примере показан вариант машины с тремя полюсами с обмотками возбуждения, с тремя ложными полюсами и с восемью якорными катушками.

Машина содержит корпус 1, на котором закреплены явно выраженные полюса 2 с обмотками возбуждения. Внутри корпуса размещен якорь 3. На боковой поверхности якоря имеются зубцы 4. На зубцах 4 намотаны одинаковым образом якорные катушки 5. Длина зубцов 4 меньше длины боковой поверхности якоря 3 на удвоенную толщину катушки 5 так, что витки катушек 5 полностью умещаются на боковой поверхности якоря. Якорь имеет вал 6 для установки в подшипниках. Щеточно-контактный узел содержит контактные кольца 7, 8, щетки 9. На корпусе также имеются ложные полюса в виде зубцов 10. Якорные зубцы 4 с якорными катушками 5 пронумерованы в порядке их расположения символами от Я1 до Я8. Начало первой якорной катушки (Я1) соединено с кольцом 7 (стрелка «а»). Конец последней якорной катушки (Я8) соединен с кольцом 8 (стрелка «б»). Для сглаживания характеристики генерируемого тока зубцы 4 с катушками 5 могут быть установлены относительно оси якоря 3 под углом от 1° до 45°.

Корпус 1 выполнен из магнитомягкой стали (или из чугуна с высокой магнитной проницаемостью). Полюса 2 выполнены из цельных кусков магнитомягкой стали или набраны из листов электротехнической стали, скрепленных в аксиальном направлении. Сердечник якоря 3 выполнен шихтованным пакетом из электротехнической стали. Катушки 5 выполнены из обмоточного медного провода или из обмоточной медной шины (для больших токов). Щеточно-контактный узел выполнен известным способом. Ложные полюса 10 изготовлены из листов электротехнической стали или из цельных кусков магнитомягкой стали.

Обмотка возбуждения на полюсах 2 выполнена из обмоточного медного провода или из обмоточной медной шины. Обмотка возбуждения намотана так, что полюса 2 создают в радиальном направлении внутрь корпуса «северные» магнитные полюса «N». При этом ложные полюса 10 служат «южными» магнитными полюсами «S», концентрируя и упорядочивая линии магнитного поля внутри машины.

Известно, что электрические машины постоянного тока обладают свойством обратимости, т.е. одна и та же машина может работать и как двигатель, и как генератор. Для простоты рассмотрим работу предлагаемой машины в качестве генератора постоянного тока с независимым возбуждением индуктора.

От независимого источника постоянного напряжения подают питание на обмотку возбуждения. Постоянный ток, протекающий в катушках полюсов 2, создает внутри машины стационарное, симметричное относительно оси якоря 3 магнитное поле. Силовые линии поля выходят из явно выраженных «северных» полюсов 2, пронизывают обмотки якорных катушек 5, сходятся в полюсах 10 и возвращаются через корпус 1 обратно в катушки возбуждения на полюсах 2.

При вращении вала 6 сторонним источником крутящего момента якорные катушки 5 пересекают своими витками линии магнитного поля. При этом в каждой катушке 5 возникает изменяющийся по величине, но постоянный по направлению ток. Так как катушки 5 соединены последовательно, токи в них суммируются. При достаточном количестве якорных катушек наведенные в катушках 5 токи в сумме создают в обмотке якоря э.д.с. практически постоянной величины. Таким образом, в нагрузке, подключенной к кольцам 7, 8, будет протекать постоянный ток. Управляют выходным током путем изменения напряжения, которое подают на обмотку возбуждения.

Достигаемый результат заключается в том, что для изготовления обмотки якоря требуется гораздо меньше медного провода, так как якорная обмотка заполняет только боковую поверхность якоря. Неочевидным (изобретательский уровень) является то, что существенная (до 50%) экономия меди достигается за счет отказа от витков, которые в других машинах наматывают также и на торцы якоря. Поскольку витки на торцах якоря не участвуют в генерации тока (так как они фактически не пересекают линии магнитного поля) мощность машины (при прочих равных параметрах) практически не изменяется (экономия материала без потери мощности). При этом упрощается сборка машины, так как одинаковые якорные катушки более технологичны.

Согласно описанной выше схеме разработана техническая документация, начата подготовка к изготовлению опытного образца изделия.

Описанное выше новое устройство, отвечающее критериям изобретательского уровня и промышленной применимости, предлагается к защите патентом на изобретение.

1. Универсальная электрическая машина, включающая корпус, индуктор с явно выраженными полюсами, на которых расположена обмотка возбуждения, якорь, на боковой поверхности которого выполнены зубцы для якорной обмотки, щеточно-контактный узел, включающий по меньшей мере два контактных кольца, отличающаяся тем, что индуктор содержит по меньшей мере два явно выраженных одноименных полюса с обмоткой возбуждения и по меньшей мере два дополнительных полюса в виде выступов без обмотки, которые расположены между явно выраженными полюсами, обмотка якоря выполнена в виде одинаковых якорных катушек, намотанных вокруг якорных зубцов, якорные катушки последовательно соединены между собой, причем начало первой якорной катушки соединено с одним контактным кольцом, конец последней якорной катушки соединен с другим контактным кольцом, при этом длина якорных зубцов уменьшена относительно длины боковой поверхности якоря на величину, равную, по меньшей мере, удвоенной толщине намотки якорных катушек.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что содержит три явно выраженных одноименных полюса с обмоткой возбуждения и три дополнительных полюса в виде выступов без обмотки.

3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что якорные зубцы с якорными катушками установлены относительно образующей поверхности якоря под углом от 1 до 45 угловых градусов.