Униполярная машина постоянного тока

Униполярная электрическая машина постоянного тока

Использование: полезная модель относится к области электрических машин, в частности к униполярным электрическим машинам и может быть использована в качестве генератора или двигателя постоянного тока. Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение выходного напряжения униполярной машины за счет изменения конструкции магнитной системы и применения многовитковой обмотки ротора, что значительно расширяет области ее применения и повышает КПД. Сущность полезной модели: ротор цилиндрического типа представляет собой немагнитную втулку, на которой расположены в шахматном порядке П-образные пакеты, состоящие из центральных полюсов и крайних правых полюсов и крайних левых полюсов, причем в пазах центральных полюсов, находящихся по центру ротора цилиндрического типа, помещена многовитковая волновая обмотка якоря, концы которой подсоединены к медным контактным кольцам, расположенным на валу, обмотки возбуждения соединены таким образом, что магнитные потоки, создаваемые ими, направлены в одну сторону

Полезная модель относится к области электрических машин, в частности к униполярным электрическим машинам и может быть использована в качестве генератора или двигателя постоянного тока.

Известна униполярная электрическая машина, содержащая ротор, статор установленный с зазором относительно ротора, имеющий обмотку возбуждения на статоре, создающую внешний магнитный поток, воздействующий на ротор, токосъемного устройства состоящего из щеток и ротора, между которыми образуется непрерывный скользящий контакт (Униполярные машины, под ред. А.И.Бертинов, Б.Л.Алиевского, С.Р.Троицкого. М.: Энергия, 1966 г. стр.33, рис.1.15, ).

Также известна униполярная электрическая машина, в которой для увеличения напряжения ротор разделяется на секции электроизоляционными прокладками, которые с помощью токосъемных устройств соединяются последовательно, причем величина напряжения будет пропорциональна числу секций. (Униполярные машины, под ред. А.И.Бертинов, Б.Л.Алиевского, С.Р.Троицкого. М.: Энергия, 1966 г. стр.32, рис.1.15, з).

Недостатками известных униполярных электрических машин является то, что для получения высокого напряжения требуется слишком большое число секций и щеток, что значительно усложняет конструкцию и увеличивает потери.

Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели, является униполярная электрическая машина Форбса (Электрические униполярные машины под ред. Л.А.Суханова, стр.17-19, рис.16), состоящая из статора с двумя обмотками возбуждения, ротора цилиндрического типа жестко связанного с валом, токосъем по окружности ротора, состоящего из контактных угольных щеток, медных колец углового сечения и торцевых стальных колец, причем угольные щетки вмонтированы в медные кольца углового сечения, расположены на статоре и соединены с обмотками возбуждения и торцевыми стальными кольцами, изолированными от статора.

Недостатком данного устройства, выбранного в качестве прототипа, также как и всех перечисленных устройств, является узкая область применения, возможность получения высокого напряжения только за счет увеличения числа контактных угольных или графитовых щеток, что снижает надежность и КПД устройства.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение выходного напряжения униполярной машины за счет изменения конструкции магнитной системы и применения многовитковой обмотки ротора, что значительно расширяет области ее применения и повышает КПД.

Технический результат достигается тем, что униполярная электрическая машина постоянного тока содержит статор с двумя кольцевыми обмотками возбуждения, расположенными в пазах статора, ротор цилиндрического типа, жестко связанный с валом, и токосъем, состоящий из графитовых щеток, медных контактных колец, согласно полезной модели, ротор цилиндрического типа представляет собой немагнитную втулку, на которой расположены в шахматном порядке П-образные пакеты, состоящие из центральных полюсов, крайних правых полюсов и крайних левых полюсов, причем в пазах центральных полюсов, находящихся по центру ротора цилиндрического типа, помещена многовитковая волновая обмотка якоря, концы которой подсоединены к медным контактным кольцам, расположенным на валу, обмотки возбуждения соединены таким образом, что магнитные потоки, создаваемые ими, направлены в одну сторону.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 показан поперечный разрезы униполярной электрической машины. На фиг.2 линейная развертка ротора цилиндрического типа и многовитковой волновой обмотки якоря.

Униполярная электрическая машина содержит статор 1 с двумя кольцевыми обмотками возбуждения 2, 3, расположенными в пазах статора 4, ротор цилиндрического типа 5, жестко связанный с валом 6, и токосъем, состоящий из графитовых щеток 7, медных контактных колец 8, отличающаяся тем, что ротор цилиндрического типа представляет собой немагнитную втулку 9, на которой расположены в шахматном порядке П-образные пакеты, состоящие из центральных полюсов 10 и крайних правых полюсов 11 и крайних левых полюсов 12, причем в пазах центральных полюсов 9, находящихся по центру ротора цилиндрического типа, помещена многовитковая волновая обмотка якоря 13, концы которой подсоединены к медным контактным кольцам 8, расположенным на валу 6, обмотки возбуждения 2 и 3 соединены таким образом, что магнитные потоки, создаваемые ими, направлены в одну сторону.

Униполярный электрический генератор работает следующим образом. Обмотки возбуждения 2, 3, питаемые постоянным током, создают магнитные потоки Ф1 и Ф2 (показано на фиг 1 пунктиром), которые замыкаются через разные полюса ротора цилиндрического типа. Магнитный поток обмотки возбуждения 3 Ф.1.. замыкается через крайние правые полюса ротора 11, центральный полюс 10 и центральную часть статора; а поток обмотки возбуждения 2 Ф2 замыкается через левые крайние полюса ротора 12, центральный полюс 10 и центральную часть статора.

При вращении ротора цилиндрического типа во всех активных частях многовитковой волновой обмотки якоря 13 наводится однонаправленная ЭДС. Величина ЭДС многовитковой волновой обмотки якоря зависит от величины магнитных потоков возбуждения Ф1 и Ф2, частоты вращения ротора цилиндрического типа и числа витков многовитковой волновой обмотки якоря, т.е. напряжение униполярной электрической машины будет значительно выше по сравнению с прототипом, где выходная обмотка представляет собой поверхность ротора, т.е. один виток.

Кроме того, повышение КПД униполярной электрической машины по сравнению с прототипом достигается за счет уменьшения трения в скользящем контакте между графитовыми щетками и медным контактным кольцам, это связано с уменьшением диаметра скользящего контакта при расположении контактных колец на валу, а не на самом роторе как в прототипе.

Униполярная электрическая машина постоянного тока, содержащая статор с двумя кольцевыми обмотками возбуждения, расположенными в пазах статора, ротор цилиндрического типа, жестко связанный с валом, и токосъем, состоящий из графитовых щеток, медных контактных колец, отличающаяся тем, что ротор цилиндрического типа представляет собой немагнитную втулку, на которой расположены в шахматном порядке П-образные пакеты, состоящие из центральных полюсов, крайних правых полюсов и крайних левых полюсов, причем в пазах центральных полюсов, находящихся по центру ротора цилиндрического типа, помещена многовитковая волновая обмотка якоря, концы которой подсоединены к медным контактным кольцам, расположенным на валу, при этом кольцевые обмотки возбуждения соединены таким образом, что магнитные потоки, создаваемые ими, направлены в одну сторону.

Источник

Глава 12 Униполярные машины

Первый униполярный генератор изобрел Майкл Фарадей. Суть эффекта, открытого Фарадеем, заключается в том, что при вращении диска в поперечном магнитном поле, на электроны в диске действует сила Лоренца, которая смещает их к центру или к периферии, в зависимости от направления поля и вращения, рис. 175. Благодаря этому, возникает электродвижущая сила, и через токосъемные щетки, касающиеся оси и периферии диска, можно снимать значительный ток и мощность, хотя напряжение небольшое (обычно, доли Вольта).

Рис. 175. Принцип униполярной индукции

Позднее, было обнаружено, что относительное вращение диска и магнита не является необходимым условием. Два магнита и токопроводящий диск между ними, вращающиеся вместе, также показывают наличие эффекта униполярной индукции. Магнит, сделанный из электропроводящего материала, при вращении, также может работать, в качестве униполярного генератора: он сам является и диском с которого щетками снимаются электроны, и он же является источником магнитного поля. В связи с этим, принципы униполярной индукции развиваются в рамках концепции движения свободных заряженных частиц относительно магнитного поля, а не относительно магнитов. Магнитное поле, в таком случае, считается неподвижным.

Споры о таких машинах шли долго. Понять, что поле есть свойство «пустого» пространства, физики, отрицающие существование эфира, не могли. Это правильно, поскольку «пространство не пустое», в нем есть эфир, и именно он обеспечивает среду существования магнитного поля, относительно которого вращаются и магниты, и диск. Магнитное поле можно понимать, как замкнутый поток эфира. Поэтому, относительное вращение диска и магнита не является обязательным условием.

В работах Тесла, как мы уже отмечали, были сделаны усовершенствования схемы (увеличен размер магнитов, а диск сегментирован), что позволяет создавать самовращающиеся униполярные машины Тесла, показанные на рис. 68. Странно, что нет информации о современных разработчиках таких генераторов.

Группа исследователей данного направления в Индии, под руководством Парамаханза Тевари (Paramahansa Tewari), сайт http://tewari.org получает 250 % эффективность с обычным электропроводящим диском. На рис. 176 показан их униполярный генератор с повышающим трансформатором.

Рис. 176. Униполярный генератор Тевари

Другой автор аналогичных разработок, Брюс Де Палма (Bruce De Palma) называл свой проект N-машина. Брюс был профессиональный инженер, закончил Гарвард и 15 лет занимался темой униполярных генераторов. На рис. 177 показана его схема, в которой и магниты, и токопроводящий диск вращаются вместе.

Рис. 177. N-машина Брюса де Палма

Испытания различных конструкций N-машины проводили профессионалы, в течении многих лет. Метод перспективный, обеспечивается эффективность, как соотношение затраченной мощности привода и создаваемой электрической мощности, не менее 200 %.

Недостатки, как и у других униполярных генераторов, состоят в том, что мощность на выходе имеет вид постоянного тока низкого напряжения. Однако, их применение, уже 20 лет назад, планировалось в системах низковольтного электролиза, с целью получения дешевого водорода из воды, в том числе, морской воды.

Из работ других авторов отметим статьи и эксперименты Николаева Г.В., Гуала-Валверде (Jorge Guala-Valverde) и Педро Маззони (Pedro Mazzoni).

Конструктивное решение, позволяющее увеличить не только мощность, но и рабочее напряжение, получаемое на выходе униполярного генератора, было мной предложено в 2001 году. В течении 2002–2003 годов, мы провели ряд экспериментов, успешно доказав возможность использования принципа униполярной индукции для случая токопроводящего ротора, представляющего собой катод электронной лампы ГУ-74. Суть эксперимента состояла в следующем.

Радиатор с корпуса лампы ГУ-74 удаляется, а на его место одевается кольцевой магнит осевой намагниченности, как показано на рис. 178.

Рис. 178. Униполярный генератор Фролова

Магнит и электронно-вакуумная лампа вращаются вместе, при этом на катод подается обычное напряжение накала. Термическая эмиссия электронов, обычно, не приводит к появлению тока между анодом и катодом. Для этого надо также приложить высокое напряжение между ними. В предлагаемом униполярном генераторе, при вращении в магнитном поле, сила Лоренца обеспечивает движение электронов от катода к аноду. Выходная мощность снимается с выводов «анод» и «катод». Напряжение на выходе обеспечивается постоянное, измерения показали, что в отличие от обычных униполярных генераторов, оно составляет десятки Вольт. Теоретически, поскольку в данной схеме принципиально нет торможения ротора при подключении нагрузки, мощность на выходе не зависит от потребляемой мощности. Небольшие затраты нужны на разогрев катода и поддержание вращения.

В 2004 мы провели конструкторские работы с предприятием, производящим электронно-вакуумные приборы, по разработке мощного генератора для коммерциализации данной концепции, но проект был остановлен на стадии документации. Предлагается лицензия на данную технологию.

Мы рассмотрели много конструкций, имеющих разные достоинства, но у всех есть один недостаток, а именно, в них используются вращающиеся части и механизмы. Применение таких генераторов энергии может быть ограничено в ряде случаев, поэтому перспективными разработками можно полагать такие генераторы, в которых нет подвижных или вращающихся частей. Перейдем к следующей главе.

Униполярная машина постоянного тока

Удивительная униполярная машина.

Униполярным двигателям и генераторам, как в прошлом, так и в настоящем, уделяется большое внимание. Хотя используются такие моторы и генераторы в специфических условиях. Например, когда надо получить постоянный электрический ток большой величины, но при малом напряжении. Или получить мотор, работающий от мощных аккумуляторов с небольшим напряжением, таких как магнето на автомобилях, тракторах и т.п.

Рис. 1. Простой униполярный двигатель.

Вот наглядная демонстрация работы униполярного электродвигателя (рис.1). На головке шурупа находится постоянный магнит, сила которого удерживает шуруп притянутым к полюсу батарейки. При соединении свободного полюса батарейки с краем магнита магнит вместе шурупом начинает довольно резво вращаться.

Униполярный генератор — разновидность электрической машины постоянного тока. Содержит проводящий диск, постоянное магнитное поле, параллельное оси вращения диска, 1-й токосъёмник на оси диска и 2-й токосъёмник у края диска.

Рис.2. Диск Фарадея, первый униполярный генератор

В отличие от других электрических машин, такой генератор имеет чрезвычайно низкую ЭДС (от долей до единиц вольт) при низком внутреннем сопротивлении и большом токе; равномерность получаемого тока, отсутствие необходимости коммутировать его коллектором ротора, или выпрямлять полученный другими машинами переменный ток внешними коммутирующими или электронным приборами; большие собственные потери энергии из-за протекающих по диску обратных токов, его бесполезно нагревающих. Эта проблема частично решается в конструкциях двигателей и генераторов с жидким проводящим токосъёмником по всему периметру диска; Сочетание этих свойств обусловило очень узкие сферы применения этого типа генераторов.

Чтобы принцип работы униполярного мотора и генератора был более понятным, воспользуемся рис.3. Данный рисунок составлен из двух рисунков, взятых с одного форума в Интернете.

Рис.3. Объяснение работы униполярного мотора и генератора.

Рис.4. Еще одна схема для ознакомления с принципами работы униполярного двигателя и генератора.

В данных схемах предполагается, что магнит одновременно является как носителем магнитного поля, так и проводником электрического тока. Хотя с таким же успехом функции магнита можно разделить между диском из материала с высокой проводимостью и отдельным магнитом для создания магнитного поля. В этом случае необязательно, чтобы магнитное поле покрывало весь диск, достаточно, чтобы магнитное поле присутствовало пространственно только над тем сектором диска, где будет протекать электрический ток в случае, если мы имеем мотор, или над тем сектором, с которого мы будет этот ток получать в случае, если будем использовать конструкцию в качестве генератора. Это позволяет упрощать конструкцию, обеспечивая над нужными участками вращающего диска магнитное поле нужной напряженности, использую магниты (электромагниты) меньших габаритов при той же напряженности создаваемого магнитного поля.

Но вернёмся к униполярному динамо или мотору. Как для униполярного мотора, так и для униполярного генератора важно, чтобы вращался электропроводный диск, который должен обладать небольшим внутренним сопротивлением (золото, серебро, медь). Магнит может не вращаться или он может вращаться как вместе с диском, так и сам по себе, но исключительно параллельно вращающемуся диску. Данное открытие было сделано А. Родиным. Им обнаружено, что реакция на цилиндрическом магните-статоре при вращающемся диске-роторе в униполярном двигателе полностью отсутствует (рис.5). С другой стороны вращение постоянного магнита никак не влияло на вращение диска. Важен лишь факт наличия магнитного поля, его напряженность и направление силовых линий.

Рис. 5. Схема опыта А.Родина.

Внимательно посмотрим на рис.5. А теперь мысленно разделим диск над магнитом на множество мелких секторов. При вращении такого разрезанного на сектора диска каждый сектор превращается в самый обыкновенный проводник, который движется перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Но из курса физики средней школы мы прекрасно знаем, что в таком проводнике на его концах появляется разность потенциалов, а если по такому проводнику пропускать ток, то он будет двигаться в магнитном поле в плоскости, перпендикулярной направлению силовых линий магнитного поля. Т.е., поведение диска, как совокупности секторов круга, соединенных с центре вокруг оси и ободом на периферии, прекрасно объясняется хорошо известными нам со школьной скамьи законами. Получается, что вместо одного контакта на периферии диска можно использовать несколько контактов, равномерно разместив их по краю диска и соединив их параллельно. Или использовать один кольцевой контакт, обеспечив при этом малое трение между ним и краем диска (ртуть, графит, специальные смазки на основе графита и т.п.).

Никола Тесла в качестве одного из вариантов повышения выходы электроэнергии из униполярного генератора также предложил разбивать диск на секторы, но только не прямые, а в виде своеобразной спирали (рис.6). Тесла, похоже, предложил такую конструкцию для того, чтобы при вращении диска токи, протекающие по секторам, создавали своеобразную плоскую катушку, а значит и магнитное поле. Причем в зависимости от направления спиральных секторов эти токи могли создавать магнитные поля, которые усиливали, либо ослабляли магнитное поле основного магнита.

Но этот способ имеет недостаток в том, что совокупный ток разбивается на потоки по секторам, в самих секторах растет сопротивление, что ведет к снижению мощности генератора. Вместо того чтобы подразделять диск или цилиндр по спирали, как обозначено в Рис.6, более удобно вставить один или более витков между диском и контактным кольцом на периферии, как показано на Рис.7.

Поступить можно немного по-иному. Щётку B’ можно оставить к контакте с диском, а к ней уже присоединить проводник, образующий вокруг диска один или несколько витков вокруг диска. Тогда ток, прежде чем попасть в нагрузку, успевает в силу своего большого значения создать внутри витков (селеноида) мощное магнитное поле, которое, если правильно подобрать направление витков, будет суммироваться с магнитным полем магнита и приводить к увеличению тока, снимаемого с вращающегося диска. Если выбрать другое направление для витков, то можно создать генератор, у которого сила тока на выходе будет при увеличении частоты вращения уменьшаться. Такой генератор, не исключаю, мог бы найти применение в электротехнике, как элемент, свойства которого будут аналогичны такому элементу, как отрицательное сопротивления. Можно в качестве элемента отрицательной связи направлять в такую спираль (катушку) только часть тока, снимаемого с диска. Это позволит ограничить максимальный ток, снимаемый в нагрузку с такого генератора, что позволит предотвратить возможную аварию.

Многие изобретатели пытаются создать тандем из униполярного генератора и униполярного мотора, чтобы частью мощности униполярного генератора питать униполярный мотор, который в свою очередь будет вращать диск униполярного генератора. Теоретически это сделать можно. Но надо не мудрить, а посадить на общую ось и униполярный генератор, и униполярный мотор. Так как для вращения всей конструкции потребуется преодолевать только силу трения, то униполярный мотор должен иметь должную для этого мощность, для чего потребуется подобрать магнит(ы), между которыми будет вращаться диск униполярного мотора. А вот для диска (дисков) униполярного генератора магниты надо брать более мощные и дополнять их витками проводника для усиления магнитного поля, в котором будут вращаться диски униполярного генератора.

Николу Тесла сделанные усовершенствования полностью не удовлетворили, поэтому он предложил еще один вариант униполярного динамо, в котором постарался в максимальной степени избавиться от недостатков, связанных с контактами (щетками). Дело в том, что любая щетка мешает диску вращаться, так как между щеткой и диском неизбежно трение и искрообразование, которые вместе снижают эффективность и надежность униполярной машины. На рис.8 показано, как Тесла решил эту задачу.

Одним из недостатков униполярного двигателя является получаемое небольшое напряжение – максимум чуть больше 1 вольта. Для удвоения напряжения можно применить такую схему (рис.9).

Рис.9. Униполярка с удвоением напряжения.

В качестве магнитов можно использовать два подковообразных магнита, тогда в области дуг этих магнитов придется просверлить отверстия для вала диска. Данный вариант, наверное, будет самым лучшим, так как позволит замкнуть силовые линии магнитов в максимальной степени, что позволит продлить срок эксплуатации магнитов, так как не исключено, что со временем магниты могут размагничиваться. Но можно взять два магнита «Сибирский Коля». Один разместить сверху диска, а второй снизу так, чтобы магниты «смотрели» друг на друга участками с различными полюсами. Можно из магнита «Сибирский Коля» сделать что-то похожее на подковообразный магнит, если полюса, не обращенные к диску замкнуть между собой «скобой» из магнитомягкого железа.

Разместив щетки на противоположных концах диаметров диска, как это показано на рис.9 мы сможем получать постоянный ток, напряжение которого будет примерно в 2 раза больше, чем, если бы ток снимался с оси и одной из щеток. Действительно, на одной половине диска (справа) направление магнитного поля будет сверху вниз, а слева магнитное поле будет направлено снизу вверх. Значит, при выборе направления вращения ток в одной из половин диска будет течь от щетки к оси, а на другой половине диска – от оси к другой щетке. Конечно, при этом увеличится вдвое сопротивление, а значит, ток не изменится по сравнению с классическим униполярным двигателем, но это уже инженерам решать, когда им важнее ток, а когда напряжение.

Также как и в случае с классическим униполярным генератором можно сделать «шашлык» из магнитов и дисков. И собрать конструкцию, в котором можно диски соединить либо последовательно, либо параллельно. В первом случае можно получить на выходе напряжение, повышенное во столько раз, сколько дисков будет включено в цепочку. А во втором случае мы получим увеличение тока согласно числу подключенных дисков.

Источник

Униполярная машина постоянного тока

Униполярная электрическая машина постоянного тока

Глава 12 Униполярные машины

Читайте также

Боевые машины

Электрические машины

Глава I Весла и метательные машины

НОВЫЕ МАШИНЫ

Глава III Советские легкие танки и боевые машины десанта

Глава первая ВЕСЛА И МЕТАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ

ХИМИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

ИНЖЕНЕРНЫЕ МАШИНЫ

ОЦЕНКА МАШИНЫ

Глава IV Советские бронеавтомобили, бронетранспортеры и боевые машины пехоты

Глава 20. Инфинитезимальные машины

«Адские машины»

ОЦЕНКА МАШИНЫ

ОЦЕНКА МАШИНЫ

10. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Униполярная машина постоянного тока