MASZYNA UNIPOLARNA

P 243974
30.07.1984r. zgł. w UP.
Zgłoszenie obecnie współtworzy stan techniki światowej.
Zdzisław Pawlak
MASZYNA UNIPOLARNA
Analizując znane rozwiązania maszyn unipolarnych wdrożonych na świecie można stwierdzić
pewne wady występujące w znanych rozwiązaniach , a mianowicie:
1. trudności związane z odbiorem energii poprzez szczotki, małe napięcia , duże prądy.
2. nierówne warunki pracy szczotek - różna szybkość obwodowa.
3. małe sprawności, szczególnie przy zastosowaniu kriotechniki - straty w przewodzie
odprowadzającym prąd ze środka maszyny.
Są to podstawowe i zauważalne wady, których usunięcie w znaczny sposób poprawiłoby
efektywność działania tego typu maszyn unipolarnych.
Moja propozycja ma na celu wyeliminowanie powyższych wad i moim zdaniem w
proponowanym rozwiązaniu uzyskałem zamierzone efekty. Rys.I fig.1 przedstawia schemat silnika
unipolarnego, tzw. tarczę Faraday’a. Konstrukcja ta posiada wady, których nie ustrzegli się inni
konstruktorzy, mianowicie wady w zasilaniu, a jedną z nich jest to, że przewód odprowadzający
prąd ze środka układu przechodzi przez elektromagnes co powoduje spadek napięcia bez efektu
pracy.
Poprzez oddziaływanie pola elektromagnetycznego magnetowodu na przewód wyprowadzający
powstaje w nim spadek napięcia a tym samym straty mocy. Stosowanie specjalnych sposobów
zmniejszania tych strat przez pomniejszanie oddziaływania pola magnetycznego na przewód
wyprowadzający odpowiednio modelując kształt magnetowodu – może jedynie te straty
pomniejszyć nie eliminując ich nigdy zupełnie. Przy zastosowaniu kriotechniki nie ma żadnych
możliwości pomniejszenia strat.
Proponowane nowe rozwiązanie rys. I fig.2 i fig.3 eliminuje tą zasadniczą wadę całkowicie!
W proponowanym rozwiązaniu unipolarnej maszyny elektrycznej w procesie zasilania nie ma
powyższych strat, ponieważ przewód wyprowadzający prąd ze środka magnetowodu wykonuje
również pracę, czyli napięcie pracy maszyny w stosunku do znanych układów jest około
dwukrotnie wyższe a prąd pracy może być odpowiednio niższy przy zachowaniu porównywalnych
parametrów pracy.
Maszyna unipolarna wg. nowego rozwiązania ma zamiast jak dotychczas jednej tarczy wirnika, ma
teraz dwie tarcze tworników promieniowych rys.I fig.2, lub dwa kubki osiowe jak na rys.II fig.4,
które wirują w przeciwnych kierunkach z równymi szybkościami obrotowymi względem
nieruchomej konstrukcji /magnetowodu/ maszyny. Aby umożliwić odbiór mocy przeciwbieżnie
wirujących tworników zastosowano znane układy różnicowe:
Rys.II fig.4 – układ różnicowy z kołami stożkowymi.
Rys.III fig.7 – układ pracujący na wspólny wieniec talerzowy zamontowany w napędzanych kołach.
Warunkiem dobrej pracy szczotek jest ich unieruchomienie względem konstrukcji maszyny. Można
to uzyskać przez zamocowanie ich do konstrukcji magnetowodu. Aby zlikwidować indukowane
prądy wirowe w środkowej części magnetowodu rys.II fig.4 – łożyskowaną część magnetowodu
należy mocować w konstrukcji zamocowania szczotek z obudową maszyny.
Istnieje możliwość innej konstrukcji maszyny, w której odpowiednio ukształtowany magnetowód w
kształcie kubka i podobnie zbudowany twornik kubkowy podwójny eliminuje powyższe
skomplikowanie.
Nowe rozwiązanie budowy maszyny w stosunku do znanych i stosowanych rozwiązań cechuje:
1.
2.
3.
4.
ujednolicenie warunków pracy szczotek,
wprowadza prostotę technologiczną budowy i wykonania tego typu maszyn,
umożliwia zmniejszenie bezwładności części wirujących,
możliwość zmiany charakterystyki pracy poprzez szeregowo-równoległe łączenie komutatorów
co eliminuje konieczność stosowania kilku silników jednocześnie, lub opornic (zastosowania w
trakcji),
5. brak zjawiska komutacji- eliminuje bieguny komutacyjne,
6. brak pulsacji indukowanego prądu przy pracy jako prądnica – szczególnie ważne przy
prądnicach tachometrycznych.
Uzyskiwanie dowolnie wysokich napięć pracy maszyny uzyskano poprzez wykonanie twornika
wielowarstwowego rys.IV fig.9, względnie wykonania ”wieloprzewodowego” rys.IV fig.10
przewody te /patrz fig.4 i 5/ mogą być wykonane z miękkiego żelaza z wprasowanymi miedzianymi
komutatorami. Rys IV fig.8 przedstawia maszynę, która składa się z dwu wielosegmentowych
wirników zbudowanych z promieniowych turbin z łopatkami prostymi , montowanych na przemian
- mocując raz do wirnika , następną do wirnika zewnętrznego, wykonanych z materiału
izolacyjnego /np.: ceramika zbrojona włóknem szklanym/.
Strefa międzywirnikowa jest uszczelniona i zapełniona płynnym przewodnikiem np. rtęć lub
metale alkaiczne jak lit , bizmut itp. Wtopione w izolacyjną obudowę wirnika zewnętrznego płozy
miedziane, poprzez dwa zespoły szczotek zasilają maszynę lub odbierają generowany prąd o
napięciu uzależnionym od ilości zamontowanych segmentów w wirnikach.
Wskazane jest osiągnięcie minimalnych odległości między segmentami oraz zachowanie symetrii
przeciwbieżnie wirujących wirników tak, by w efekcie zrównoważyć ciśnienie na zewnętrznych
krańcach segmentów.
Mimo zastosowania segmentów w kształcie zamkniętych turbin o łopatkach prostych, w układzie
nie występuje przepływ cieczy przewodzącej prąd. Przy konstruowaniu maszyny należy zwrócić
uwagę, aby zachować na całej drodze przepływu prądu jednakowy przekrój poprzeczny.
Szczególnie korzystne byłoby, aby cewka magnesu wykonana była z zastosowaniem kriotechniki
(eliminacja magnetowodu). Proponowane rozwiązanie wprowadza korzystniejszy od znanych
rozwiązań stosunek masy do mocy maszyny. Magnetowód w proponowanym rozwiązaniu maszyn
może być wykonany z magnesów stałych względnie wzbudzanych napięciem zewnętrznym. Może
również pracować szeregowo z układem twornika, wtedy tworzy maszynę szeregową, szczególnie
przydatną w trakcji.
W celu uproszczenia technologii budowy wirników konstruowanych segmentowo w formie
komutatora, proponuję alternatywne rozwiązanie pokazane na rys.III fig.5. Rozwiązanie to
teoretycznie pozwala na uzyskanie napięcia pracy maszyny rzędu 8000V i więcej, przy podziałce
komutatora 10mm (takie napięcie obecnie uzyskuje się przy obwodach komutatorów 200mm).
Umożliwia to na przemian szeregowo - równoległe połączenie szczotek, dzięki czemu uzyskujemy
zmienną charakterystykę silnika rys.IV fig.10. Pozwala to wyeliminować stosowane obecnie
wielosilnikowe lub oporowe systemy rozruchowe stosowane obecnie np.: w trakcji.
Wirniki cylindryczne wykonane są z żelaza miękkiego. Na obwodzie wirnika nawiercono osiowo
otwory, przez które w izolacji przechodzą przewodniki miedziane, zakończone segmentami
komutatorów. Sposób rozwiązania szczotek łączących oba wirniki pokazano w szczególe na
rysunku - fig. 5.
Sposób zastosowania tego typu maszyny w trakcji przedstawia rys. III fig.6 i fig.7.
Na rys.IV fig.11 i fig.12 przedstawia sposoby łączenia szczotkami poszczególnych działek
wirników, które są uformowane w specjalny sposób. Fig.12 przedstawia sposób mocowania obu
zespołów szczotek mostkujących do nieruchomego elektromagnesu (kriostatu) lub obudowy. Przy
podwyższaniu napięcia to rozwiązanie eliminuje poprzednio pokazane mostkowanie na zewnątrz
maszyny rys.IV fig.9 i fig.10.
Realizując tego typu rozwiązania, widzę ich zastosowanie w konstrukcjach od maszyn mocy
ułamkowej do bardzo dużych - rzędu kilkuset MW, np.: w silnikach urządzeń sterujących, w trakcji,
do napędu pojazdów oraz jako generatory mocy w elektrowniach. Proponowane rozwiązanie można
budować w różnych wersjach tj.osiowej fig.4, promieniowej fig.5, oraz w wersjach pośrednich:
stożkowej, trapezowej itp.
Dzięki zastosowaniu proponowanego przeze mnie rozwiązania, można wprowadzić znaczne
oszczędności w produkcji urządzeń. W przypadku zastosowania tegoż rozwiązania z
wykorzystaniem kriotechniki, masa urządzeń ulega ogromnej redukcji poprzez likwidację
magnetowodu - najcięższej części maszyny. Dzięki temu zmniejszamy koszty produkcji, a także
zaoszczędzamy na kosztach transportu ciężkich maszyn.
ZASTRZEŻENIA
1. Zastosowano w maszynie unipolarnej tworniki, znamienne tym, że wirują jednocześnie w
przeciwnych kierunkach z jednakową prędkością względem nieruchomego wspólnego
magnetowodu lub względem nieruchomego kriostatu.
2.
Rozwiązanie sposobu budowy maszyny unipolarnej z zastosowaniem znanych rozwiązań
odprowadzania mocy mechanicznej, układu szczotek, osiowej konstrukcji maszyny oraz
zastosowania dwóch tworników (wg. rys.II fig.4, zastrzeżenie nr.1), znamienne tym, że tworzy
nową rodzinę maszyn unipolarnych o konstrukcji od osiowych, poprzez pośrednie, do
promieniowych.