Бесколлекторный генератор (двигатель) постоянного (переменного) тока.

on 28 August 2010.

 

Много неприятностей доставляет коллектор: и повышенный износ щеток, и искрение, которое вызывает взрывоопасность, и броски тока, и радиопомехи...

Пусть будут щетки и пусть будут токосъемные кольца, но пусть не будет коллектора!

Единственные устройства, обеспечивающие на сегодня это требование для машин постоянного тока, это униполярные машины.

Простейшим примером (и самым ранним, из рук Фарадея!) является вращающийся диск в магнитном поле. Между осью и периферией диска возникает разница напряжений (ЭДС), которая снимается скользящими контактами.

Подобные устройства обеспечивают громаднейшие токи (сотни тысяч ампер!), но крайне низкое напряжение (вольты).

Увеличить напряжение, убрать коллектор, снизить ток, заставить работать и в цепях переменного тока – вот задача, которую ставит автор по модернизации униполярного генератора.

Шаг первый. Проводник (диск) следует заменить множеством проводников.

В существующих устройствах (униполярных машинах) возвратной частью является нагрузка (расположенная, естественно, вне действия поля). Ток через нагрузку обеспечивает замыкание цепи. По сути, нагрузка замыкает вне поля один виток с наведенной ЭДС .

Один виток следует заменить множеством. Тогда напряжение, наведенное в одном витке, сложенное с напряжениями на других последовательных витках, увеличится до нужной нам величины.

Существует два решения.

1.Вывести возвратную (замыкающую) часть обмотки (каждого витка!) из действия поля за установку.

2.Организовать в самом генераторе области, где нет поля. И там разместить соединительную (не рабочую) часть.

Шаг второй. Первое решение возможно, реализуемо и используется  в той же нагрузке. В существующих униполярных машинах скользящими контактами выводится из области действия поля часть проводника. Для многовитковой катушки решение выглядит громоздко. Но принципиально ведь возможно! А нам главное знать, что это возможно, а схему мы всегда сможем улучшить. То есть, если мы вместо диска расположим ряд проводников, изолированных друг от друга, и соединим их последовательно вне поля через множество скользящих контактов на роторе (оси) и периферии, то мы решим поставленную задачу.

Таким образом, получается, что все витки соединяются последовательно, наведенная в них ЭДС последовательно складывается, а рабочее напряжение снимается (или подается - в случае применения устройства как двигателя) только с концов этой катушки скользящими контактами. На начало первого и конец последнего витка.

Современные униполярные генераторы используют не диск, а цилиндр, вращающийся в магнитном поле. И не торцы, а боковая поверхность является рабочей. (Там, кстати, и скорость максимальна).

Шаг третий. По мнению автора, решение вопроса в таких конструкциях еще проще.

  

1 — обмотки возбуждения; 2 — токосъёмное устройство; 3 — статор; 41 —ферромагнитная часть якоря якорь; 42- диамагнитная часть якоря; 5 — ось вращения вала генератора; 6 — внешняя нагрузка; 7 — силовые линии магнитного поля катушек возбуждения; 81- рабочие проводники; 82- нерабочие проводники; 9- соединительная часть обмотки. Чёрточкой и крестиком обозначены направления тока в катушках (на читателя и от него).   

Наружная часть цилиндра должна представлять собой ряд изолированных рабочих (в которых наводится ЭДС) проводников, уложенных в пазы ферромагнетика. А внутренняя часть должна представлять собой нерабочие проводники, уложенные в диамагнетик (или немагнитную сталь). И ферромагнетик и диамагнетик сборные, из множества пластин, покрытых лаком! Ток должен течь по проводнику, а не по массе ротора! 

Поле пойдет только по ферромагнетику. Соединительные проводники останутся вне поля, но внутри ротора.

Токосъем осуществляется с начала первого витка и конца последнего витка через токосъемные кольца и щетки.

Любое заданное напряжение без единого зубца, сбоя, искрения. Работают одновременно все до единого внешние проводники, качество энергии исключительное! Развиваемый момент обеспечивается одновременно всеми витками.

Увеличиваются затраты на медь, конструкция приобретает сложность?

А вот и нет! Конструкция коллекторного двигателя сложнее. Обмотки укладываются по схеме. Работает всегда ТОЛЬКО ОДНА катушка, на которую подается через щетки и коллекторные пластины напряжение. Развиваемый момент определяется только одной этой катушкой, все остальные находятся без тока, бездействуют!, не участвуют в данный момент в работе, в создании крутящего момента. Сколько пластин на коллекторе? Пусть двадцать. Только на две из них подается напряжение (на одну катушку). То есть работает только 1/10 часть обмотки. У нас половина. Следовательно, затраты на медь у коллекторного двигателя больше. Да если бы даже и были иными - но у нас нет коллектора! А вопрос со сложностью укладки обмотки можно решить технологически:

Если ферромагнитный ротор будет представлять из себя полый цилиндр, то вопрос намотки значительно упрощается. Поле не пойдет через воздух и уйдет в ферритовую часть. Торроидальные трансформаторы мотают легко.

И еще можно упростить! Если мы разрежем роторный цилиндр вдоль на две части, намотает обмотку, а затем скрепим его (шпильками, сваркой, болтами), то процесс намотки не будет представлять никаких проблем.

Катушки возбуждения можно заменить на постоянные тороидальные магниты, например, ниобиевые.

Шаг четвертый. А вот интересно: сможет ли подобная конструкция  работать от переменного тока?

Если раньше, когда работал вращающийся в магнитном поле проводящий ротор, было немыслимо включать его в сеть (короткое замыкание!), то предлагаемое устройство вполне возможно включить в сеть переменного напряжения. И активное сопротивление, и индуктивность обмотки велики, что ограничит  пусковой ток. Смена полярности магнитного поля в катушках возбуждения будет также сопровождаться изменением направления тока в рабочих проводниках. По мере разгона и наведения ЭДС в катушке ротора ток будет падать. Похоже, характеристика у двигателя будет как у двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. Это замечательно! Пусковой момент будет огромен! Область применения резко возрастает! От бормашины до тяговых двигателей электровозов. От дрели, стиральной машины, бритвы,  пылесоса, вентилятора, до машин на ГЭС и ТЭС.

И как генератор, и как двигатель подобное устройство будет работать и на переменном токе. Но тогда, конечно не на постоянных магнитах.

 

Перспективы заманчивые.