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. ujednolicenie warunków pracy szczotek, 2. wprowadza prostotę technologiczną budowy i wykonania tego typu maszyn, 3. umożliwia zmniejszenie bezwładności części wirujących, 4. 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.