ТОКОСЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО

ТОКОСЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО


RU (11) 2074483 (13) C1

(51) 6 H02K31/00 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 95100894/07 
(22) Дата подачи заявки: 1995.01.23 
(45) Опубликовано: 1997.02.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Бертинов А.И. и др. Униполярные электрические машины с жидкометаллическим токосъемом. - М.: Энергия, 1966. 2. Баранов Г.А., Ильин В.М. Жидкометаллические токосъемные устройства униполярных машин. - Л.: НИИ Электрофизической аппаратуры им.Ефремова Д.В., 1979. 3. Патент США N 4399381, кл. 310 - 178, 1983. 4. Патент США N 4172987, кл. 310 - 179, 1979. 5. Авторское свидетельство СССР N 246644, кл. H 02K 31/00, 1969. 6. Авторское свидетельство СССР N 1552272, кл. H 02K 31/00, 1990. 7. Токарев Б.Ф. Электрические машины. - М.: Энергоатомиздат, 1990. 
(71) Заявитель(и): Пчентлешев Валерий Туркубеевич 
(72) Автор(ы): Пчентлешев Валерий Туркубеевич 
(73) Патентообладатель(и): Пчентлешев Валерий Туркубеевич 

(54) ТОКОСЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО 

Использование: изобретение относится к токосъемным устройствам униполярных электрических машин. Устройство содержит ротор, помещенный в магнитное поле статора. Скользящий электрический контакт между периферией ротора и неподвижной частью УЭМ осуществляется через проводник, выполненный в виде ротора, вращающегося в том же направлении, что и первый ротор, из имеющего меньшую угловую скорость, чем первый ротор. 1 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к токосъемным устройствам (ТУ) и касается в частности ТУ униполярных электрических машин (УЭМ)

Уровень техники.

УЭМ имеют преимущества, по сравнению с другими типами электрических машин (ЭМ), такие как ([1] с. 20-21): больший коэффициент полезного действия; простота конструкции (в следствии малого количества деталей); высокая термостойкость и долговечность; экономия цветного металла (меди); уменьшая стоимость машины и простота обслуживания; допускает высокую плотность тока; двойное использование материалов (одновременно как токопровод и как магнитопровод).

С другой стороны УЭМ в варианте двигателя имеют преимущество перед асинхронными ЭМ то, что могут иметь более высокую скорость вращения ротора (т. к. скорость вращения ротора асинхронной машины ограничена частотой питающего тока ([1] с. 178)).

Таким образом УЭМ, потенциально, имеют в качестве фактора, ограничивающего скорость вращения ротора только физико- механические характеристики материала конструкции ротора, что, потенциально, позволит иметь УЭМ, по сравнению с другими типами ЭМ, более выгодные массогабаритные характеристики (т. е. меньший вес и габариты).

Однако несмотря на эти преимущества, сдерживающим фактором для применения УЭМ является отсутствие надежных ТУ, работающих в широком диапазоне линейных скоростей в скользящем контакте ([2] с. 3).

Существующие УЭМ не отличаются большим принципиальным разнообразием конструкций ТУ.

В качестве скользящего электрического контакта в УЭМ используются: ([3]) щеточный контакт; ([4]) жидкометаллический контакт; ([5]) токосъем при помощи дугового разряда в вакууме.

Недостаток всех этих конструкций ограничение линейной скорости в скользящем контакте вполне конкретным значением, равным для щеточного контакта 10-90 метрам в секунду (м/с)([2] с. 4), а для жидкометаллического контакта - 100-120 м/с ([2] с. 3).

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению является УЭМ, указанная в ([6]). Она представляет из себя УЭМ с дисковым ротором. На периферии ротор соединен (электрически) при помощи щетки со щеткодержателем. Щеткодержатель в свою очередь соединен (электрически) при помощи жидкометаллического контакта с неподвижной частью УЭМ. Щеткодержатель может вращаться в направлении вращения ротора. Подшипниковые опоры щеткодержателя расположены на таком же расстоянии от оси вращения ротора, что и щетки.

Недостаток данного решения невысокая скорость вращения щеткодержателя (т. к. его подшипниковые опоры расположены далеко от оси вращения ротора и оси вращения самого щеткодержателя, а скорость скольжения (или качения) подшипниковых опор имеет вполне определенное, конечное значение), и невозможность регулирования скорости вращения щеткодержателя. Все это позволит незначительно увеличить угловую скорость ротора УЭМ, по сравнению с УЭМ, имеющими традиционные ТУ, указанные в ([3] [4] [5]).

Задачей изобретения является создание такого ТУ, которое бы позволило иметь скорость вращения ротора УЭМ, ограничиваемую только физико-механическими характеристикамиматериала конструкции ротора, а следовательно, уменьшить вес и габариты УЭМ (при прочих равных условиях).

Очевидно, если такая задача может быть решена, то это "неочевидное" решение для следующего в ЭВМ специалиста, поскольку в рассмотренных аналогах и прототипе она не решена.

Задача изобретения решается тем, что у заявляемой УЭМ имеются, по меньшей мере два, например, дисковых ротора, совершающих вращение в одном направлении с разной угловой скоростью, При этом, например, в варианте двигателя один ротор механически связан с потребителем мощности и по нему течет ток, необходимый для создания тpебуемой мощности. Второй ротор вращается в том же направлении, но с меньшей угловой скоростью, причем он механически не связан с потребителем мощности. На периферии второго ротора установлен обод, изолированный от него электрически, и жестко прикреплен к нему. Внутренняя поверхность обода соединена электрическим скользящим контактом, например, при помощи щетки, с периферией первого ротора, а внешняя сторона обода соединена электрическим скользящим контактом, например, щеткой с неподвижной частью УЭМ. Второй ротор также на периферии соединен электрически, например, при помощи щетки с неподвижной частью УЭМ. Оба ротора имеют также скользящие электрические контакты у оси вращения соответствующих роторов. По второму ротору течет ток, необходимый только для компенсации силы сопротивления, создаваемой щеточными контактами обоих роторов и трением в опорах второго ротора (т. е. меньший ток, чем по первому ротору). Ток в обоих роторах течет в одном направлении.

Таким образом, имея по меньшей мере два ротора, вращающихся в одном направлении с разной угловой скоростью, можно увеличить угловую скорость первого ротора (силового ротора) относительно неподвижной части УЭМ в два раза. Это возможно потому, что скорость в скользящем контакте (внешняя поверхность обода неподвижная часть УЭМ) будет равна предельно допустимой, равной для щеток согласно ([2] с. 4) 90 м/с. Скорость в скользящем контакте (внутренняя поверхность обода периферия первого ротора) также будет равна 90 м/с. Но так как оба ротора вращаются в одном направлении с разными угловыми скоростями (угловая скорость первого ротора в два раза выше, чем угловая скорость второго ротора), в результате окружная скорость первого ротора относительно неподвижной части УЭМ будет равна сумме этих скоростей, т. е. 180 м/с, что в два раза выше, чем у существующих УЭМ.

Все это позволит уменьшить габариты и вес УЭМ (при прочих равных условиях), по сравнению с существующими УЭМ.

Применяя несколько роторов (два и более) по аналогичной схеме (т. е. один ротор является силовым (связан с потребителем или источником мощности), а все остальные служат только для сохранения линейной скорости в скользящем контакте в заданных пределах (они не связаны механически с потребителем или источником мощности), можно получить угловую скорость силового ротора, ограничиваемую только физико-механическими характеристиками материала конструкции силового ротора. В этом варианте исполнения заявляемого решения все роторы имеют разные угловые скорости, однако они вращаются в одном направлении.

Заявляемое решение может быть использовано в УЭМ, работающей как в двигательном, так и в генераторном режиме.

На чертеже показана УЭМ, где цифрами обозначено: 1,4 валы роторов 2 и 3, соответственно; 2 и 3 роторы; 5 обод; 6 изоляционная прокладка; 7 - статор; 8, 9, 10, 11 и 12 щетки; а а и б б электрические цепи роторов 3 и 2, соответственно. На чертеже опоры роторов 2 и 3 не показаны. Цифрой 13 на чертеже обозначена обмотка возбуждения статора 7.

Устройство при использовании его в УЭМ представляет из себя следующее. На валу 1 жестко установлендисковый ротор 2, электрически соединенный с валом 1. Имеется второй дисковый ротор 3, механически не связанный с ротором 2, и выполненный заодно с валом 4. На периферии ротора 3 установлен обод 5, жестко связанный с ним, но изолированный от него электрически изоляционной прокладкой 3. Оба ротора установлены между полюсами статора 7 (опоры роторов на чертеже не показаны). Оси вращения роторов 2 и 3 совпадают. Ротор 2 имеет один щеточный скользящий контакт 8 у оси вала 1 другой щеточный контакт 9 на периферии, соединяющий ротор 2 с внутренней поверхностью обода 5 (обод 5 является проводником электрического тока). Внешняя сторона обода 5 и неподвижная часть УЭМ соединены при помощи щеточного скользящего контакта 10. Ротор 3 соединен с неподвижной частью УЭМ у оси вала 4 при помощи щеточного скользящего контакта 11, а на периферии при помощи щеточного скользящего контакта 12. Роторы 2 и 3 расположены между полюсами статора 7, магнитное поле между которыми создается обмоткой возбуждения 13.

Устройство в варианте двигателя работает следующим образом. В цепи d d от щетки 11 через вал 4 и ротор 3 к щетке 12 течет постоянный ток i1 (фиг. 1). В обмотках возбуждения 13 статора 7 также течет ток, следовательно, между полюсами статора 7, обращенными к ротору 3, возникает магнитный поток, который в соответствии с законом электромагнитной индукции воздействует на проводник с током (ротор 3) с силой Fэм, определяемой согласно ([7] с. 7) по формуле:

Fэм=Bli1, (1)

где, B индукция магнитного поля между полюсами статора 7,

l длина проводника с током (т. е. радиус ротора 3),

i1 ток к цепи а а.

Эта сила создает крутящий момент и заставляет ротор 3 вращаться в строго определенную сторону, определяемую согласно правилу правой руки.

Величина i1 выберается такой, чтобы полностью компенсировать потери на трение в опорах вала 4 в щеточных контактах 10, 11 и 12. При этом линейная скорость в щеточных контактах 10 и 12 не должна быть больше допустимой для щеток и равна согласно ([2] с. 4) 90 м/с,

В цепи б б от щетки 8 через вал 1 ротор 2 к щетке 9, через обод 5 к щетке 10 течет ток i2. Т. е. токи i1 и i2 в обоих роторах текут в одном направлении. Величина i2 выбирается такой (причем i2 > i1), чтобы, отдавая потребителю заданную мощность (потребитель механически соединен с валом 1), относительная скорость в щеточном контакте 9 не превышала предельно допустимую для щеток, равную 90 м/с. Т. к. ток i2 в роторе 2 течет в том же направлении, что и ток i1 в роторе 3, то оба ротора 2 и 3 будут вращаться в одном направлении,

Таким образом, периферия ротора 2 будет иметь (относительно обода 5) линейную скорость, равную 90 м/с. В свою очередь, обод 5 будет иметь линейную скорость относительно неподвижной части УЭМ равную 90 м/с (т. к. обод 5 жестко прикреплен к ротору 3), Но т. к. роторы 2 и 3 вращаются в одном направлении, то следовательно, относительная скорость периферии ротора 2 (относительно неподвижной части УЭМ) будет равна сумме этих скоростей, т. е. 180 м/с. Это в два раза больше, чем у существующих УЭМ.

Но т. к. мощность двигателя прямо пропорциональна угловой скорости ротора, то заявляемая УЭМ в варианте двигателя (и в варианте генератора) будет иметь в два раза большую мощность (при прочих равных условиях), по сравнению с соответствующими УЭМ, или при заданной мощности меньшие вес и габариты.

В рассмотренном случае по роторам 2 и 3 текут токи i2 и i1, имеющие разные значения. Но как видно из формулы (1) заданную электромагнитную силу Fэм можно получить как выбором значения силы тока (при фиксированной длине проводника, находящегося между полюсами магнита), так и выбором длины проводника (при фиксированной силе тока). Следовательно, возможен вариант исполнения заявляемого решения, когда токи, текущие в роторах 2 и 3 равны между собой.

Для регулирования скорости вращения ротора 3 скользящий щеточный контакт 11 (или 12, или оба вместе взятые) можно выполнить с возможностью перемещения вдоль радиуса ротора 3 (в этом случае будет изменятся длина проводника, а следовательно, и угловая скорость ротора 3 (при фиксированной силе тока)).

В устройстве может быть использован как постоянный, так и переменный ток (т. е. ток, который течет по роторам 2 и 3).

В качестве скользящего контакта может быть использованы любые их виды (щетки, жидкие металлы и др.).

Устройство может быть использовано в УЭМ, работающих как в двигательном, так и генераторном режимах, и имеющие как дисковые так и цилиндрические роторы.

Скользящий электрический контакт на периферии роторов может быть выполнен как на цилиндрической стороне роторов (как показано на чертеже), так и на торцевой стороне роторов.

Скользящий электрический контакт, соединяющий периферию первого ротора и поверхность обода, может совершать вращение вместе с периферией первого ротора, или вместе с ободом. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Токосъемное устройство униполярной электрической машины, имеющей по крайней мере один ротор, помещенный в магнитное поле статора, содержащее электрическую связь ротора с неподвижным электродом при помощи по крайней мере одного проводника, связанного как с ротором, так и с неподвижным электродом посредством скользящих электрических контактов, при этом проводник выполнен с возможностью вращения в направлении вращения ротора, отличающееся тем, что проводник выполнен в виде ротора, помещенного в магнитное поле статора совместно с первым ротором, оба ротора выполнены вращающимися в одном направлении и с разными угловыми скоростями.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru