Конструкция обмотки якоря и компенсационной обмотки униполярной электрической машины

Конструкция униполярной электрической машины, в которой обмотка якоря и компенсационная обмотка выполнены в виде двух концентрических электропроводящих цилиндров одинаковой толщины, расположенных с внутренней и внешней стороны от воздушного зазора, при этом обмотка якоря закреплена на сердечнике якоря, а компенсационная обмотка закреплена на сердечнике индуктора, токи в обмотке якоря и компенсационной направлены в противоположном направлении. Техническим результатом является снижение необходимой мощности обмотки возбуждения и ее размеров, а также габаритов униполярной электрической машины в целом.

Конструкция униполярной электрической машины относится к области электротехники (электромашиностроения).

Компенсация или уменьшение влияния реакции якоря является одним из основных вопросов проектирования униполярных электрических машин (УЭМ), поскольку большие значения тока якоря и его поле существенно влияют на работу УЭМ. Относительное значение магнитодвижущей силы (МДС) реакции якоря в УЭМ значительно выше, чем в биполярных машинах постоянного тока. Если рабочая точка машины лежит на прямолинейных участках кривой намагничивания, т.е. когда магнитная цепь машины не насыщена результирующим магнитным полем или сильно насыщена, то искажение основного магнитного поля в сердечнике не приводит к снижению наводимой ЭДС. Но так как обычно рабочая точка машины лежит на нелинейном участке кривой намагничивания (на «колене»), то происходит снижение полного потока и соответствующее уменьшение ЭДС. Для сохранения величины ЭДС увеличивают магнитодвижущую силу возбуждения. Таким образом, дополнительная МДС возбуждения компенсирует размагничивающее влияние реакции якоря. Это достигается увеличением числа витков и тока обмотки возбуждения. Кроме того, возможное избыточное насыщение части магнитной системы, обусловленное реакцией якоря, снижает возможность регулирования напряжения УЭМ.

Для уменьшения МДС реакции якоря применяют конструкции сердечников УЭМ, увеличивающие магнитное сопротивление для поперечного потока, чем достигается снижение размагничивающего влияния МДС реакции якоря. К таким конструкциям можно отнести конструкции с радиальными пазами в сердечнике индуктора, создающие значительное магнитное сопротивление потоку реакции якоря [Бертинов А.И., Алиевский Б.Л.., Троицкий С.Р. Униполярные электрические машины с жидкометаллическим токосъемом. М.-Л.: Издательство «Энергия», 1966, стр. 102]. Недостатком этих известных технических решений является то, что уменьшение МДС реакции якоря приводит к увеличению габаритов УЭМ, т.к. наличие радиальных пазов в сердечнике индуктора уменьшает также и поток возбуждения.

Для компенсации МДС реакции якоря применяют стержневые компенсационные обмотки, размещенные в пазах сердечника индуктора, имеющие направление тока, противоположное направлению тока в обмотках якоре. [Бертинов А.И., Алиевский Б.Л.., Троицкий С.Р. Униполярные электрические машины с жидкометаллическим токосъемом. М.-Л.: Издательство «Энергия», 1966, стр. 100]. Недостатком такого технического решения является то, что это приводит к увеличению насыщения магнитной системы УЭМ вблизи обмотки якоря и компенсационной обмотки и увеличению магнитного сопротивления для магнитного потока возбуждения.

Для компенсации МДС реакции якоря в УЭМ с полым немагнитным ротором (с двумя полыми немагнитными роторами) применяют компенсационные обмотки в виде полых цилиндров, токи в обмотке якоря и компенсационной направлены в противоположном направлении и одинаковы по величине [Бертинов А.И., Алиевский Б.Л.., Троицкий С.Р. Униполярные электрические машины с жидкометаллическим токосъемом. М.-Л.: Издательство «Энергия», 1966, стр. 100]. Недостатком такого технического решения является то, что оно не охватывает УЭМ с магнитными якорем и индуктором.

Задачей настоящей полезной модели является конструкция униполярной электрической машины с массивными ферромагнитными индуктором и якорем с полной компенсацией реакции якоря, достигаемой путем разработки специальной конструкции обмотки якоря и компенсационной обмотки.

Техническим результатом настоящей полезной модели является снижение необходимой мощности обмотки возбуждения и ее размеров, а также габаритов УЭМ в целом.

Полностью скомпенсировать поле реакции якоря УЭМ можно лишь в том случае, когда пространственное распределение токов в компенсационной обмотке и якоре будут зеркальными отображениями. Компенсационная обмотка должна быть выполнена в виде полого электропроводящего цилиндра, расположенного коаксиально с обмоткой якоря в активной части УЭМ. Эти обмотки должны быть одинаковой толщины. Обмотка якоря должна быть закреплена на сердечнике якоря, а компенсационная обмотка - закреплена на сердечнике индуктора и обмотки должны быть расположены с внутренней и внешней стороны от воздушного зазора. При этом не наблюдается насыщения магнитной системы потоком реакции якоря, магнитное поле УЭМ искажается только в воздушном зазоре.

Сущность полезной модели поясняется фигурами эскизов:

Фиг. 1 - поперечное сечение активной части УЭМ,

Фиг. 2 - продольное сечение активной части УЭМ.

УЭМ работает следующим образом. Поток возбуждения, создаваемый обмоткой 1 возбуждения (фиг. 2), проходит по сердечнику 2 статора (индуктора), кольцу 3 компенсационной обмотке, воздушному зазору 4, обмотке 5 ротора (якоря), сердечник 6 ротора (якоря). Массивные ферромагнитные сердечники 2 и 6 могут быть выполнены из магнитомягкого материала, например, из стали с высокой магнитной проницаемостью. Подвод или снятие электроэнергии происходит с помощью токосъемов 7. По кольцу 3 компенсационной обмотки и обмотке 5 ротора (якоря) протекает ток в противоположных направлениях, например, указанных на фиг. 1. Для этого начала и концы токосъемов обмотки якоря и компенсационной обмотки должны быть соединены встречно. При этом их МДС полностью компенсируют друг друга. Обмотки 3 и 5 могут быть выполнены из меди. В двигательном режиме УЭМ ток обмотки 5 ротора (якоря) взаимодействует с полем обмотки возбуждения 1, в результате на ротор действует электромагнитный момент. В генераторном режиме УЭМ в обмотке 5 ротора (якоря), вращающейся в постоянном магнитном поле обмотки 1 возбуждения наводится ЭДС в результате наличия скользящих токосъемов 7. При замыкании обмотки 5 ротора (якоря) на нагрузку, в цепи нагрузки протекает ток, мощность отдается в нагрузку.

1. Конструкция униполярной электрической машины с массивными ферромагнитными индуктором и якорем, содержащая обмотку якоря и компенсационную обмотку, токи в обмотке якоря и компенсационной обмотке направлены в противоположном направлении и одинаковы по величине, отличающаяся тем, что в активной части униполярной электрической машины обмотка якоря и компенсационная обмотка выполнены в виде двух концентрических электропроводящих цилиндров одинаковой толщины, расположенных с внутренней и внешней стороны от воздушного зазора, при этом обмотка якоря закреплена на сердечнике якоря, а компенсационная обмотка закреплена на сердечнике индуктора, начала и концы токосъемов обмотки якоря и компенсационной обмотки соединены встречно.

2. Конструкция униполярной электрической машины по п. 1, отличающаяся тем, что обмотка якоря и компенсационная обмотка выполнены из меди.

3. Конструкция униполярной электрической машины по п. 1, отличающаяся тем, что сердечники якоря и индуктора выполнены из магнитомягкого материала.

4. Конструкция униполярной электрической машины по п. 3, отличающаяся тем, что сердечники якоря и индуктора выполнены из стали с высокой магнитной проницаемостью.