электрическая машина леонтьева а.а.

Формула изобретения

1. Электрическая машина, содержащая станину, роторный вал и две торцевые крышки с подшипниками для вала, отличающаяся тем, что в ней к внутренним сторонам торцевых крышек прикреплено по одному переменного сечения магнитопроводному кольцу, выполненных в виде пакетов из изолированных листов электротехнической стали, к которым прижаты концы четырех магнитопроводных сердечников, прилегающие к ним ребрами своих изолированных между собой пластин из электротехнической стали, выступающих из каркасов сидящих на них катушек, а в центральной части станины, вдоль ее продольной оси установлен цилиндрический каркас с электромагнитной обмоткой возбуждения, скрепленный с торцевыми крышками, внутри полости которого на вращательно размещенный в подшипниках крышек роторный вал, соосно вдоль его оси посажен цилиндрический формы постоянный магнит, к разноименной полярности торцев которого прилегают ребра изолированных прямоугольных пластин из электротехнической стали, составляющие пакеты его полюсных наконечников, укрепленных на роторном валу и представляющих форму неполного круга, ограниченного двумя равными хордами и двумя дугами, взаимно диаметрально ориентированных в продольной осевой плоскости и образующих с центральными отверстиями магнитопроводных колец минимальные зазоры, причем соединенные попарно начала обмоток накрест лежащих четырех катушек и конец электромагнитной обмотки возбуждения соответственно выведены к двум крайним и среднему зажимам расположенной на станине панели, а концы обмоток всех четырех катушек и начало обмотки возбуждения скреплены в единый узел внутренней электрической цепи машины.

2. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что станина и ее торцевые крышки выполнены из немагнитопроводного материала, например алюминия, а роторный вал выполнен, например, из немагнитной нержавеющей стали.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, а именно к конструкции генераторов и двигателей пульсирующего тока.

Известны конструкции электрических машин переменного и постоянного токов (см. А. С.Касаткин, "Электротехника", М.: Высшая школа, 1965 г., стр.86-90, 115-117), содержащие неподвижную часть - станину, две торцевые крышки с подшипниками для вала и роторный вал с укрепленными на нем двумя кольцами в машинах переменного тока, а в машинах постоянного тока коллектором, по которым скользят неподвижные щетки, соединяющие внутреннюю электрическую цепь ротора машины с внешней цепью.

Коллектор преобразует в машинах постоянного тока индуктированную в активной части обмотки ротора переменную электродвижущую силу в пульсирующую ЭДС постоянного направления.

В машинах постоянного тока к внутренней стороне станины прикреплены главные сердечники с надетыми на них электромагнитными катушками, составляющие обмотку возбуждения магнитного потока, между которыми помещены еще дополнительные сердечники, уменьшающие на коллекторе машины искрение щеток.

Недостатком известных электрических машин является наличие скользящего контакта щеток с кольцами или с коллектором ротора. В отдельных случаях отмечается снижение коммутационной прочности машин, выражающейся в повышении возникновения вспышек на коллекторе и кругового на нем огня, снижающие эффективность работы машины.

Известна конструкция электрических машин пульсирующего тока (см.а.с. СССР N 904132, МКИ 3, H 02 К 25/00, 13/14, опубл. 07.08.82 г.), содержащая массивную станину с главными и дополнительными полюсами, торцевые щиты и ротор с коллектором на валу. На внутренней поверхности концевых частей станины, напротив дополнительных полюсов, выполнены аксиальные ребра, несколько улучшающие коммутационную прочность машины, но сохраняют в ней ненадежный сложный элемент конструкции ротора коллектор, искрообразующий скользящий контакт со щетками.

Традиционно-принципиальная конструктивная схема всех известных электрических машин связана с образованием переменной ЭДС, индуктируемой в активной части проводниковой обмотки при пересечении ею вблизи разноименных электромагнитных полюсов неизменяемого магнитного потока, неизбежно определяет их электротехнические недостатки, во-первых, обмотки ротора имеют сложную конфигурацию, осложняющую монтаж их в многочисленных его пазах, во-вторых, низкий коэффициент использования электропроводной меди обмотки ротора, участвующей в образовании переменной ЭДС, в-третьих, наличие сложного элемента конструкции роторного коллектора с неэффективным скользящим его контактом со щетками и, в-четвертых, необходимость создания двух типов конструкции: машин переменного тока, способных трансформироваться, и машин - постоянного пульсирующего тока.

Таким образом, известные электрические машины содержат наличие конструктивных недостатков, которые устраняются решением технической задачи по новой конструктивной схеме предложенного устройства.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности и упрощении устройства обратимой электрической машины, создающей в режиме работы генератора два независимых противофазно-пульсирующих токов, раздельно трансформируемые в токи различных напряжений и совместно текущие по одному проводнику, соединяемые в единый прямой постоянный ток.

Указанный технический результат достигается тем, что к внутренним сторонам торцевых крышек машины прикреплено по одному переменного сечения магнитопроводному кольцу, выполненных пакетами из изолированных листов электротехнической стали, имеющих, например, форму квадрата с центральным в нем отверстием и четырьмя по углам квадрата плоскостями, перпендикулярными его диагоналям, к которым посредством, например, винтов прижаты ребрами пластин концы четырех магнитопроводных сердечников, выступающих из каркасов сидящих на них катушек и выполненных пакетами из изолированных прямоугольных пластин из электротехнической стали, а в центральной части станины, вдоль ее продольной оси, установлен цилиндрический каркас с электромагнитной обмоткой возбуждения на нем, скрепленный с торцевыми крышками, например, посредством выступающих из крышек четырех стержней, сочлененных с щеками каркаса, внутри полости которого на размещенный в ней роторный вал соосно вдоль его оси посажен цилиндрический постоянный магнит, к разноименной полярности торцов которого прилегают ребра изолированных прямоугольных пластин из электротехнической стали, составляющие пакеты его полюсных наконечников, укрепленных на роторном валу и представляющих форму неполного круга, ограниченного двумя равными хордами и двумя длиной в четверть окружности круга дугами, взаимно диаметрально ориентированных в продольной осевой плоскости и образующих с центральными отверстиями магнитопроводных колец минимальные с возможностью вращения зазоры, причем соединенные попарно начала обмоток накрест лежащих четырех катушек и конец электромагнитной обмотки возбуждения соответственно выведены к двум крайним и среднему зажимам, расположенной на станине панели, а концы обмоток всех четырех катушек и начало обмотки возбуждения скреплены в единый узел внутренней электрической цепи машины.

Станина и торцевые крышки машины выполнены из немагнитопроводного материала, например из алюминия, а роторный вал выполнен, например, из немагнитной нержавеющей стали.

Конструктивная схема предложенной электрической машины изображена на чертежах:

Фиг. 1 - вид на машину со стороны торцевой крышки с частичным вырезом правой ее стороны.

Фиг. 2 - поперечный разрез машины по А-А на фиг. 1.

Фиг. 3 - график изменения величины магнитного потока, протекающего по сердечникам катушек в зависимости от угла поворота роторного вала.

Фиг. 4 - электрическая схема электрической машины (ЭМ) с подключением ее к внешней электросети.

Электрическая машина содержит станину (1), роторный вал (2), две торцевые крышки (3), к внутренним сторонам которых прикреплено по одному переменного сечения магнитопроводному кольцу (4), выполненных пакетами из изолированных листов электротехнической стали, имеющих форму, например, квадрата с центральным в нем отверстием (5) и с четырьмя по углам квадрата плоскостями (6), перпендикулярных его диагоналям. Магнитопроводные кольца (4) укреплены посредством, например, четырех, выступающих из торцевых крышек бобышек (7). К плоскостям (6) магнитопроводных колец (4) прижаты, например, винтами, концы четырех магнитопроводных сердечников (8), выступающих из каркасов сидящих на них катушек (9), выполненных в виде пакетов из изолированных прямоугольных пластин электротехнической стали и прилегающих к плоскостям (6) ребрами пластин, обеспечивая магнитопроводность в местах их соприкосновения.

В центральной части станины (1), вдоль ее продольной оси, неподвижно установлен цилиндрический каркас (10) с электромагнитной обмоткой возбуждения на нем, который с торцевыми крышками (3) скреплен посредством, например, четырех выступающих из них стержней (11), сочлененных с щеками каркаса (10).

Роторный вал (2), вращательно установленный в подшипниках торцевых крышек (3), размещен в полости цилиндрического каркаса (10), на который соосно вдоль его оси посажен цилиндрический постоянный магнит (12) с разноименной полярностью (N-S) его торцов. К торцам постоянного магнита (12) прилегают ребрами пластины, составляющие пакеты полюсных наконечников (13), выполненных из изолированных прямоугольных пластин электротехнической стали. Пакеты полюсных наконечников (13) представляют форму (см. фиг. 1) неполного круга, ограниченного двумя равными хордами и двумя, например, длиной в четверть окружности круга дугами, которые закреплены от проворачивания на валу, например, посредством немагнитопроводных скоб (14), установленных на квадратном сечении шеек вала.

Полюсные наконечники (13), расположенные на противоположных концах роторного вала (2), помещены (см. фиг. 2) в центральных отверстиях (5) магнитопроводных колец (4). Дуговые очертания полюсных наконечников (13) с окружностью центральных отверстий (5) образуют с возможностью вращения их минимально необходимые для этого зазоры и взаимно диаметрально ориентированы между собой в продольной осевой плоскости.

Начало накрест лежащих катушек (9), попарно соединенных между собой (см. схему фиг. 4), выведены к крайним зажимам (A-B) панели (15), расположенной на станине (1), а конец электромагнитной обмотки возбуждения, размещенной на цилиндрическом каркасе (10), присоединен к среднему зажиму (Д) панели. Концы всех четырех катушек (9) с началом обмотки возбуждения скреплены в единый узел внутренней электрической цепи машины.

Станина (1) и торцевые крышки (3) выполнены из немагнитопроводного материала, например из алюминия, а роторный вал (2), например, из немагнитной нержавеющей стажи.

В предложенной конструкции машины возможно применение постоянного магнита (12) с высокой коэрцитивной силой, исключающий использование в ней обмотки возбуждения, расположенной на каркасе (10), при этом электрический узел соединения всех концов катушек (9) непосредственно присоединяется к среднему зажиму (Д) панели (15).

Электрическая машина предложенного устройства обратима, может служить в определенных условиях режима работы, основанных на явлениях электромагнитной индукции как генератором, так и двигателем.

Работа предложенной конструкции машины в режиме генератора протекает следующим образом. В момент времени поворота роторного вала (2), соответствующего его положению, изображенному на фиг. 1, магнитный поток (_п) постоянного магнита (12), усиливаемый током, его остаточный магнетизм, проходящим по электромагнитной обмотке возбуждения, расположенной на неподвижно укрепленном каркасе (10), растекается в обе стороны по двум его разноименным полярностям (N-S) полюсных наконечников (13), преодолевая минимальной величины воздушные зазоры, расположенные диаметрально между дуговыми очертаниями его сторон и окружностью центрального отверстия (5), пересекает магнитопроводное кольцо (4) в диаметрально противолежащих его местах, направляясь в накрест лежащие (верхний правый и нижний левый) магнитопроводные сердечники (8) и смыкаясь в них, создает высокое значение проходящего по ним магнитного потока (_в), соответствующего обозначениям их на фиг. 3, который индуктирует в витках, сидящих на сердечниках катушек (9), большую электродвижущую силу (ЭДС), а в этот же момент времени расположения вала по двум другим накрест лежащим сердечникам (верхним левом и нижнем правом) протекает низкого значения магнитный поток (_н), т.к. магнитный поток со стороны хорд очертания полюсных наконечников (13) преодолевает значительное магнитное сопротивление больших воздушных промежутков и путей по магнитопроводному кольцу (4), индуктируя в витках сидящих на них катушек (9) соответствующую потоку низкую ЭДС.

При дальнейшем повороте роторного вала (2) по часовой стрелке (см.фиг. 1) на угол 45^o полюсный наконечник (13) займет горизонтальное положение, а магнитный поток (_п), растекаясь по нему и магнитопроводному кольцу (4), равновелико распределится по всем четырем сердечникам (8), создавая в них среднее значение магнитного потока (_с), при этом в накрест лежащих, верхнем правом и нижнем левом сердечниках, поток будет спадать до среднего своего значения (от _в до _с), а в двух других, верхнем левом и нижнем правом, сердечниках поток будет нарастать до величины среднего значения (от _н до _с). При перемещении роторного вала еще на 45^o картина изменения магнитного потока в сердечниках (8) будет противоположна его начальному положению, а именно в правом верхнем и левом нижнем сердечниках (8), магнитный поток будет продолжать спадать (от _с до _н), тогда как в двух других сердечниках (8), в левом верхнем и правом нижнем, магнитный поток будет продолжать нарастать (от _с до _в ). Дальнейший поворот роторного вала будет продолжать картину изменения магнитного потока в сердечниках (8) и индуктирование э.д. с. в катушках (9).

На фиг. 3 кривая, обозначенная римской цифрой "I", изображает изменение магнитного потока, протекающего в правом верхнем и левом нижнем накрест лежащих сердечниках (8), в зависимости от угла поворота роторного вала (2), а кривая, обозначенная цифрой "II", изображает изменение потока в левом верхнем и правом нижнем сердечниках. Соответственно кривым I и II изменения потока, протекающих в сердечниках (8) в витках на них сидящих катушек (9), индуктируется электродвижущая сила, создающая в попарно соединенных (см. фиг. 4) накрест лежащих катушек (9) течение двух независимых друг от друга противофазно-пульсирующих в одном направлении токов, подключенных к зажимам А и В панели (15).

На фиг. 4 изображена электрическая схема предложенной электрической машины, обозначенной буквами (ЭМ), на которой показано соединение начал обмоток накрест лежащих катушек (9), присоединенных к зажимам А и В на панели (15), и присоединение к зажиму "Д" конца электромагнитной обмотки (10) постоянного магнита (12), N-S, с подключением машины к внешней электросети.

На фиг. 4 стрелками показаны направления течения двух независимых противофaзно-пульсирующих в одном направлении токов. К зажиму (Д) панели (15) из внешней электросети возвращаются по одному проводнику два противофазно-пульсирующих тока, которые совместно соединяются в нем в единый прямоточный постоянный ток, протекающий далее по электромагнитной обмотке возбуждения постоянного магнита N-S, создающего для работы машины магнитный поток (_п), Два независимых друг от друга противофазно-пульсирующих тока способны раздельно трансформироваться в традиционно применяемых трансформаторах переменного тока, обозначенных на фиг. 4 буквами T_А и T_B, в токи различной величины напряжений или в ток высокого напряжения, необходимый для эффективной передачи электроэнергии на большие расстояния.

Работа предложенной конструкции машины в режиме двигателя протекает следующим образом.

В машину - двигатель, через зажимы (А и В) панели (15) поступают два независимых противофазно-пульсирующих токов, которые, протекая по виткам каждой пары накрест лежащих катушек (9) и совместно объединяясь в общем узле соединения их концов (см.фиг. 4), образуют в результате их соединения единый постоянный ток, который, проходя далее по электромагнитной обмотке возбуждения, расположенной на каркасе (10), покидает электрическую цепь машины по зажиму (JP) панели (15). Два независимых противофазно-пульсирующих тока, протекая по виткам катушек (9), создает в сердечниках (8) магнитное поле, бегущее от одной пары накрест лежащих сердечников к другой по магнитопроводному кольцу (4), притягивая при этом намагниченные дугообразные концы полюсных наконечников (13), обеспечивая непрерывно вращательный момент роторному валу (2) машины двигателя.

Предложенная принципиально новая конструктивная схема простого устройства эффективной электрической машины и генерируемые ею два независимых противофазно-пульсирующих токов постоянного направления, раздельно трансформируемые в токи различных напряжений и совместно соединяемые в единый прямой постоянный ток, представляет научно-технический интерес для электротехники, а также для прикладной физики по обеспечению питания пульсирующим током постоянного направления магнитного термоядерного реактора, для образования внутри его тороидальной камеры магнитной поверхности, способной длительное время удерживать плазму в теплоизоляции от стенок камеры.

Прошу предложенной электрической машине установить название: "Электромашина Леонтьева А.А."о