Бесколлекторный генератор постоянного тока

Бесколлекторный генератор постоянного тока

Широко известны генераторы и электродвигатели постоянного тока, якоря которых снабжены коллекторами и содержат совокупность обмоток, связанных с коллекторами. При этом якорь вращается относительно магнитного поля, создаваемого магнитной системой статора, выполненной на основе постоянных магнитов или электромагнитов. При подаче постоянного тока через коллектор к обмоткам якоря устройство работает как двигатель, а при вращении якоря от постороннего вращающего устройства (турбина, дизельный двигатель и т. д.) устройство работает как электрогенератор постоянного тока [1−2].

Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции — индуцировании электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле.

Однородное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, вращается вокруг своей оси в проводящем контуре (проволочной рамке) с равномерной угловой скоростью. Две равные порознь вертикальные стороны контура являются активными, так как их пересекают магнитные линии магнитного поля. Две равные порознь горизонтальные стороны контура — не активные, так как магнитные линии магнитного поля их не пересекают, магнитные линии скользят вдоль горизонтальных сторон, и электродвижущая сила в них не образуется.

В каждой из активных сторон контура индуцируется электродвижущая сила, величина которой определяется по формулам:

е₁ = В l v sin щ t, е₂ = В l v sin (щ t + р) = - В l v sin щ t,

где е₁ и е₂ — мгновенные значения электродвижущих сил, индуцированных в активных сторонах контура, в вольтах; В-магнитная индукция магнитного поля в вольт-секундах на квадратный метр (Тесла); l — длина каждой из активных сторон контура в метрах; v = щ R — линейная скорость, с которой магнитные линии магнитного поля движутся по окружности радиусом R в метрах в секунду; щ — угловая скорость вращения рамки, t — время в секундах; щ t и щ t + р — углы, под которыми магнитные линии пересекают активные стороны контура. Так как электродвижущие силы, индуцированные в активных сторонах контура, действуют согласно друг с другом, то результирующая электродвижущая сила, индуцируемая в контуре, будет равна е = 2 В l v sin щ t, то есть индуцированная электродвижущая сила в контуре изменяется по синусоидальному зако-ну. При этом в реальных генераторах постоянного тока роль коллектора эквивалентна выпрямителю переменного тока с подключением к нагрузке последовательности рамок, размещаемых на якоре генератора.

При подаче постоянного тока к коллектору якоря такое устройство работает как электродвигатель постоянного тока (обращённый режим электрогенератора).

Существенным недостатком известных мотор-генераторов постоянного тока является использование в них малонадёжного узла — вращающегося с якорем коллектора со щётками, скользящими по вращающейся поверхности коллектора, поскольку это приводит к искрению при переключениях тока с одной оппозитной пары ламелей кол-лектора на соседнюю по ходу вращения якоря оппозитную пару ламелей, и, как следствие этого, — к износу как щёток, так и самого коллектора, ослаблению прижима щёток к кол-лектору при износе щёток. Это снижает надёжность и срок безотказной работы известных коллекторных устройств. Так, часто встречающийся у автомобилистов отказ в запуске двигателя является следствием выхода из строя стартера из-за сильного износа его медно-угольных щёток, нарушающего их электрический контакт с коллектором.

Указанный недостаток известных устройств, использующих якоря с коллекторами, устранён в заявляемом техническом решении, целями которого являются упрощение устройства, повышение надёжности его работы и увеличение срока его службы.

Указанные цели достигаются в бесколлекторном моторе-генераторе постоянного тока, содержащем вращающийся якорь вокруг неподвижного статора, отличающийся тем, что в качестве вращающегося якоря использована группа симметрично распределённых на окружности постоянных тороидальных магнитов, магнитные полюсы которых находятся на их плоских торцевых поверхностях и образуют прерывистый однонаправленный магнитный поток вдоль этой окружности, а в качестве неподвижного статора использована обмотка, выполненная на кольцевом каркасе круглого поперечного сечения, ось сим-метрии которого представляет окружность, совпадающую с окружностью, являющейся осью симметрии вращающегося якоря.

Достижение указанных целей изобретения в заявляемом устройстве объясняется однонаправленным движением магнитных полей группы постоянных тороидальных магнитов якоря относительно кольцевой обмотки неподвижного статора, витки которой ортогональны вектору магнитной индукции внутри постоянных тороидальных магнитов, а также эквивалентностью движения проводника в поперечном к нему неподвижном магнитном поле и движения магнитного поля относительно неподвижного проводника, ортогонально расположенного относительно вектора магнитной индукции движущегося магнитного поля.

Рассмотрим действие заявляемого бесколлекторного генератора постоянного тока.

Предварительно обратимся к рассмотрению вопроса о возникновении постоянной по знаку э.д.с. в прямом соленоиде 1 при движении вдоль него постоянного тороидального магнита 2 в каком-то одном направлении. Заявителем опытно установлено возникновение такой э.д.с., что требует специального пояснения. Могло бы показаться, что возбуждение э.д.с. невозможно, поскольку имеет место компенсация э.д.с. одного знака в части витков соленоида с возрастающим вектором магнитной индукции (при в движении магнита) с э.д.с. противоположного знака в части витков соленоида с убывающим вектором магнитной индукции (при выдвижении магнита). Однако это не так, поскольку такая компенсация в результирующей э.д.с. имеет место только для краевых зон, охваченных постоянным тороидальным магнитом, движущимся с какой-то скоростью вдоль прямого солееноида, но не для той группы витков соленоида, которые испытывают движение ортогонального к ним магнитного поля постоянной величины. Достижение этого условия обеспечивается при использовании достаточно протяжённых по высоте постоянных тороидальных магнитов, внутри центральной части которых вектор магнитной индукции можно полагать неизменным по величине. Как известно, движение проводника в скрещенном постоянном магнитном поле вызывает в нём э.д.с. индукции, как об этом указывалось выше в полном соответствии с законом об электромагнитной индукции. Такая же э.д.с., но с противоположным знаком будет возникать при движении постоянного магнитного поля относительно скрещенного к вектору поля неподвижному проводнику в силу принципа эквивалентности относительного движения.

Поскольку экспериментально доказано возникновение э.д.с. в прямом соленоиде 1 по схеме рис. 1 с движением вдоль него постоянного тороидального магнита 2, то необходимо было перейти от небесконечного прямого соленоида к «бесконечному» его аналогу в виде круглого соленоида 4 с вращением вокруг него постоянного тороидального магнита, а для увеличения эффективности всего устройства использовать группу из n симметрично расположенных относительно круглого соленоида 4 постоянных тороидальных магнитов 5 с разрезами, как об этом указано выше, с осью вращения такой конструкции этих магнитов, механически связанной с источником вращательного движения 9. При этом все магниты такой группы в каждый данный момент времени создают внутри круглого соленоида в его соответствующих отрезках движущееся и однонаправленное прерывистое относительно некоторой окружности магнитное поле, и эта окружность является осью симметрии круглого соленоида. Возникающие в этих участках, охваченных постоянными тороидальными магнитами, круглого соленоида э.д.с. величиной е* = k В l v складываются между собой, образуя на концах круглого соленоида результирующую э.д.с.

Е = n k В l v,

где k — число витков круглого соленоида, для которых внутри постоянного тороидального магнита (для каждого из n магнитов группы) вектор магнитной индукции В постоянен, l = = 2 р r, где r — радиус круглого витка круглого соленоида 4, и v = щ R_О — линейная скорость движения магнитного поля вдоль круглого соленоида с радиусом R_О. Значение sin щ t в полученной формуле для результирующей э.д.с. Е не фигурирует, поскольку в любой произвольный момент времени вектор магнитной индукции В внутри постоянных тороидальных магнитах скрещен по отношению к виткам круглого соленоида, то есть находится под углом ц = р / 2 = const (t), следовательно, sin ц = 1, и полученная формула верна. Это обусловливает получение постоянного по знаку напряжения на концах кругло-го соленоида, соединённых с нагрузкой 8, то есть генерирование постоянного тока, вели-чина которого определяется, в частности, угловой скоростью вращения щ якоря такого генератора постоянного тока.

Движение магнитного поля возбуждает относительно траектории такого движения вихревое электрическое поле, взаимодействующее с витками неподвижного соленоида, расположенными в плоскостях, коллинеарных вихревому электрическому полю, что вызывает движение свободных электронов в проводнике соленоида, то есть э.д.с. индукции. При этом вектор магнитной индукции коллинеарен вектору движения магнитного поля.

В отличие от получения частично пульсирующего тока одного направления в известных коллекторных электрогенераторах в заявляемом устройстве индуцируется чисто постоянный ток без каких-либо пульсаций, не требующий сглаживания применением сглаживающих фильтров. Это также следует отнести к числу достоинств заявляемого устройства. Поскольку напряжение в нагрузке определяется скоростью вращения якоря электрогенератора, то такое устройство можно использовать как измеритель скорости вращения (как тахогенератор). Действительно, Е = 2 р n k В r R_О щ = б щ, где б = 2р nkВrR_О — - некоторая размерная константа (определяемая в вольт-секундах) при заданной геометрии устройства и заданной индукции В используемых одинаковых постоянных тороидальных магнитов.

генератор электродвигатель бесколлекторный ток

1. Справочник по средствам автоматики, под ред. В. Э. Низе и И. В. Антика, М., Энергоатомиздат, 1983, с. 353−358;

2. Хрущёв В. В., Электрические микромашины автоматических устройств, Л., Высшая школа, 1976, с. 384;

3. Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины.

Введение

в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы: Учебник для вузов. — СПб: «Питер», 2008, с. 320.