коллекторная магнитоэлектрическая машина с полюсным якорем

Формула изобретения

1. Коллекторная магнитоэлектрическая машина с полюсным якорем, содержащая корпус, индуктор с явно выраженными полюсами, возбуждение которых осуществляется при помощи постоянных магнитов, подшипниковые щиты с подшипниками, вал, коллектор, механизм щеточно-контактного узла со щетками и якорь с замкнутой барабанной обмоткой, отличающаяся тем, что якорь выполнен с явно выраженными полюсами и катушечной простой последовательной обмоткой, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря, а начала и концы катушек соединены между собой определенным образом и подключены к соответствующим коллекторным пластинам коллектора, образуя замкнутую электрическую цепь с двумя параллельными ветвями, число явно выраженных полюсов индуктора Z_P определяется равенством: Z_P=2·р, где p=2, 3, 4, 5, - число пар явно выраженных полюсов индуктора, начиная с двух, число явно выраженных полюсов якоря Z_Я определяется равенством: Z_Я=Z_P+R при выполнении условия: R i·р, где R - целое положительное число, i=1, 2, 3, - целое положительное число, ширина полюсной дуги b _Zp явно выраженного полюса индуктора связана с полюсным делением t_Zp явно выраженных полюсов индуктора и определяется выражением: 2/3t_Zp b_Zp<t_Zp, где t_Zp=360°/ _Zp и b_Zp измеряются в геометрических градусах, ширина полюсной дуги b_Zя явно выраженного полюса якоря связана с полюсным делением t_Zя явно выраженных полюсов якоря и определяется выражением: b_Zя=k·t _Zя, где 0,7 k<1, a t_Zя=360°/_Zя и b _Zя измеряются в геометрических градусах, ширина коммутационной зоны в угловом измерении определяется выражением: b_K3 <b_Zp-b_Zя, коллекторные пластины коллектора выполнены одинаковой ширины, общее число коллекторных пластин n_КП определяется равенством: n_КП=с·Z _Я, где с=2, 3, 4, - целое положительное число, начиная с двух, причем число коллекторных пластин, к которым подключены начала и концы катушек обмотки якоря, равно числу явно выраженных полюсов якоря, щетки выполнены одинаковой ширины, причем число щеток пропорционально числу явно выраженных полюсов индуктора.

2. Коллекторная магнитоэлектрическая машина с полюсным якорем по п.1, отличающаяся тем, что индуктор расположен снаружи, якорь - внутри.

3. Коллекторная магнитоэлектрическая машина с полюсным якорем по п.1, отличающаяся тем, что индуктор расположен внутри, якорь - снаружи.

4. Коллекторная магнитоэлектрическая машина с полюсным якорем по п.1, отличающаяся тем, что явно выраженные полюса индуктора выполнены с компенсационной обмоткой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники и касается конструктивного исполнения коллекторных электрических машин постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в качестве силовых микродвигателей в автоматических устройствах, тахогенераторов, а также в качестве силовых электрических двигателей и генераторов постоянного тока мощностью до нескольких киловатт во всех отраслях народного хозяйства. Питание предлагаемых магнитоэлектрических машин при работе их в режиме электродвигателей может осуществляться не только от стационарных электрических сетей переменного тока промышленной частоты с последующим преобразованием в постоянный ток, но и от передвижных и переносных автономных источников постоянного тока (миниэлектростанций, аккумуляторных батарей и гальванических элементов питания).

Известна конструкция электрической машины Жерара с полюсным якорем (Машины постоянного тока. Том 1. Э. Арнольд, проф. и И.Л.Ла-Кур. М.: Государственное техническое издательство. - 1931. Стр. 22-23), имеющая индуктор с четырьмя полюсами, якорь с четырьмя полюсами, на каждом из которых расположена своя катушка обмотки, четыре коллекторные пластины, соединенные попарно через одну, и две щетки, расположенные между полюсами индуктора и под углом 90° относительно друг друга, катушки обмотки якоря соединены между собой встречно-согласно, а начало первой и конец четвертой катушек подсоединены к двум соответствующим пластинам, расположенным по оси полюсов якоря. Недостатком таких электрических машин является большая пульсация момента при работе в качестве электрического двигателя и большая пульсация выходного напряжения при работе в качестве электрического генератора из-за одинакового числа полюсов индуктора и якоря, низкие энергетические показатели, а из-за того, что обмотка якоря является открытой, неизбежно искрообразование при коммутации вследствие большой самоиндукции катушек.

Известна конструкция электрической машины для питания дуговых ламп электрической компании Вестингауз, имеющая шесть полюсов возбуждения, два коллектора, четыре щетки, восемь полюсов якоря, на каждом полюсе которого расположена своя секция обмотки (Машины постоянного тока. Том 1. Э.Арнольд, проф. и И.Л.Ла-Кур. М.: Государственное техническое издательство. - 1931. Стр.23). Обмотка якоря выполнена в виде нечетных и четных секций, образующих две независимые системы обмотки, каждая из которых присоединена к своему коллектору. Вторая и третья щетки замкнуты между собой накоротко, соединяя обе системы обмоток последовательно. Первая и вторая щетки служат для снятия напряжения в режиме генератора. Недостатком таких электрических машин является сложность конструкции из-за наличия двух коллекторов, большая пульсация выходного напряжения при работе электрическим генератором, а из-за того, что обмотка якоря является открытой, неизбежно искрообразование при коммутации вследствие большой самоиндукции секций.

Известна конструкция коллекторной электрической машины с полюсным якорем фирмы Шуккерт и К^о, обмотка якоря которой имеет сходство с трехфазной обмоткой и выполнена катушками, расположенными на тройном Т-образном якоре, полюсы которого сдвинуты относительно друг друга на 120°, концы обмотки соединены в «звезду», а начала обмотки присоединены к трем коллекторным пластинам, по которым скользят две щетки (Машины постоянного тока. Том 1. Э.Арнольд, проф. и И.Л.Ла-Кур. М.: Государственное техническое издательство. - 1931. Стр.22-23). Недостатком аналога является плохое использование полезного объема электрической машины, что негативным образом отражается на энергетических показателях, а из-за того, что обмотка якоря является открытой и каждая катушка обмотки якоря состоит только из одной секции, неизбежно искрообразование при коммутации вследствие большой самоиндукции катушек, и по этой причине применение этих электрических машин возможно только при низких напряжениях.

Известны коллекторные электрические машины с замкнутыми барабанными обмотками якоря (Г.Н.Петров. Электрические машины. В 3-х ч. Часть 3. Коллекторные машины постоянного и переменного тока. Изд. 2-е, переработ. и доп. М.: Энергия, 1968. Стр.8-29, 35), образующимися из последовательно соединенных секций, каждая из которых подключена к соответствующей коллекторной пластине. Секция состоит из одного или нескольких витков. Одна или несколько секций, имеющих общую изоляцию, образуют катушку обмотки, которая уложена в пазы и охватывает несколько зубцов якоря. Общее число коллекторных пластин равно общему числу секций обмотки. В зависимости от способа присоединения секций к коллекторным пластинам якорные обмотки подразделены на простые параллельные обмотки, простые последовательные обмотки, сложные или многоходовые параллельные обмотки, сложные или многоходовые последовательные обмотки, комбинированные сложные обмотки или сложные или многоходовые параллельно-последовательные обмотки. В соответствии с внешним очертанием контуров, образуемых последовательно соединяемыми витками обмотки, параллельные барабанные обмотки названы петлевыми, последовательные - волновыми, комбинированные сложные - «лягушачьими». Основная характеристика простых последовательных обмоток: 2·а=2, где а - число параллельных цепей (ветвей) в обмотке якоря. Недостатком описанных электрических машин является конструктивная сложность обмотки якоря, которая выполняется распределенными по поверхности якоря катушками, охватывающими несколько зубцов якоря и перекрещивающимися между собой в лобовых частях, что снижает надежность этих обмоток. Кроме этого коллекторные электрические машины средней и большой мощности выполняются с дополнительными полюсами, что также усложняет их конструкцию.

Известны коллекторные электрические машины постоянного тока с постоянными магнитами (В.А.Балагуров, Ф.Ф.Галтеев, А.Н.Ларионов. Электрические машины с постоянными магнитами, М. - Л.: Энергия, стр.445-453), отличающиеся высоким к.п.д. вследствие отсутствия потерь на возбуждение, меньшим удельным весом в диапазоне малых мощностей. Эти электрические машины имеют корпус, магнитную систему с возбуждением от постоянных магнитов, подшипниковые щиты с подшипниками, вал, коллектор, щеткодержатели со щетками и якорь, ничем не отличающийся от якорей двигателей с электромагнитным возбуждением. Магнитные системы выполняются с магнитами в виде скоб, в форме параллелепипеда с радиальной намагниченностью постоянных магнитов, с кольцевым магнитом-корпусом. Недостатком описанных электрических машин является конструктивная сложность обмотки якоря, которая выполняется распределенными по поверхности якоря катушками, охватывающими несколько зубцов якоря и перекрещивающимися между собой в лобовых частях, что снижает надежность этих обмоток.

Известен принятый за прототип тахогенератор постоянного тока с постоянными магнитами (В.А.Балагуров, Ф.Ф.Галтеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1988. Стр. 46-51) типа ТГП-2, содержащий корпус с полюсной системой, скобообразные постоянные магниты, якорь с распределенной обмоткой, подшипниковые щиты с подшипниками, вал, коллектор, щеткодержатели со щетками, кожух. Недостатком прототипа является конструктивная сложность обмотки якоря, которая выполняется распределенными по поверхности якоря катушками, охватывающими несколько зубцов якоря и перекрещивающимися между собой в лобовых частях, что снижает надежность этих обмоток.

Целью настоящего изобретения является создание новой, достаточно простой, надежной в эксплуатации, технологичной конструкции коллекторной магнитоэлектрической машины постоянного тока.

Задачей настоящего изобретения является оптимальный выбор числа полюсов индуктора и полюсов якоря при выполнении замкнутой барабанной простой последовательной (волновой) катушечной обмотки якоря, оптимальный выбор полюсной дуги полюса индуктора и полюса якоря, ширины коммутационной зоны и числа коллекторных пластин коллекторной магнитоэлектрической машины с полюсным якорем.

Техническим результатом настоящего изобретения является получение конструкции коллекторной магнитоэлектрической машины с полюсным якорем с высокими энергетическими показателями и хорошей коммутацией, с возможностью глубокого и плавного регулирования выходными параметрами машины и возможностью применения ее как при низких, так и при высоких напряжениях.

Поставленная задача достигается тем, что коллекторная магнитоэлектрическая машина с полюсным якорем содержит корпус, индуктор с явно выраженными полюсами, возбуждение которых осуществляется посредством постоянных магнитов, подшипниковые щиты с подшипниками, вал, коллектор, механизм щеточно-контактного узла со щетками и полюсный якорь с замкнутой барабанной простой последовательной катушечной обмоткой якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря, а начала и концы катушек соединены между собой определенным образом и подключены к соответствующим коллекторным пластинам коллектора, образуя замкнутую электрическую цепь с двумя параллельными ветвями независимо от числа полюсов индуктора. Явно выраженные полюса индуктора выполнены всегда четными, начиная с четырех, и при помощи постоянных магнитов, намагниченных в радиальном или тангенциальном направлении образуют в воздушном зазоре в радиальном направлении «северные» магнитные полюса «N» и «южные» магнитные полюса «S» индуктора с чередующейся магнитной полярностью. Сердечник полюсного якоря выполнен с явно выраженными полюсами, число которых незначительно отличается от числа явно выраженных полюсов индуктора. Следует отметить, что при увеличении числа явно выраженных полюсов якоря при прочих равных условиях коммутация машины улучшается за счет увеличения углового пространства, ограничивающего ширину коммутационной зоны, но при этом непропорционально уменьшается вращающий момент и увеличивается частота вращения ротора, что несколько снижает энергетические и удельные показатели машины. В настоящем изобретении индуктор является статором, а якорь - ротором, обмотка якоря питается постоянным током через щеточно-контактный узел. Возможны исполнения коллекторной магнитоэлектрической машины с полюсным якорем с внешним индуктором и внутренним якорем, с внутренним индуктором и внешним якорем, а также с индуктором и якорем, вращающимися относительно друг друга и относительно стационарного вала. В соответствии с настоящим изобретением для создания замкнутой барабанной простой последовательной катушечной обмотки якоря и получения наилучших энергетических показателей с хорошей коммутацией коллекторной магнитоэлектрической машины с полюсным якорем число явно выраженных полюсов индуктора Z_p и число явно выраженных полюсов якоря Z_Я связаны между собой и определяются равенствами (1) и (2) соответственно при выполнении условия (3):

где р=2, 3, 4, 5, - число пар явно выраженных полюсов индуктора, начиная с двух, R - целое положительное число, i=1, 2, 3, - целое положительное число.

Ширина полюсной дуги bz_P явно выраженного полюса индуктора связана с полюсным делением tz_P явно выраженных полюсов индуктора и определяется выражением:

где tz_P=360°/Z _P и bz_P измеряются в геометрических градусах. Для лучшего использования полезного объема и получения более высоких энергетических показателей с хорошей коммутацией коллекторной магнитоэлектрической машины с полюсным якорем желательно выбирать bz_P, близкой к tz_P. Ширина полюсной дуги bz_Я явно выраженного полюса якоря связана с полюсным делением tz_Я явно выраженных полюсов якоря и определяется выражением:

где 0,7 k<1, a tz_Я=360°/Z_Я и bz _Я измеряются в геометрических градусах. Коммутация в коммутируемой катушке обмотки якоря должна проходить в тот промежуток времени, когда изменение магнитного потока, пронизывающего полюс якоря, на котором находится коммутируемая катушка, минимально и вызвано «искривлением» основного магнитного поля полюсов индуктора магнитным полем якоря.

Ширина коммутационной зоны в угловом измерении для получения хорошей коммутации не должна превышать разности между шириной полюсной дуги полюса индуктора и шириной полюсной дуги полюса якоря и определяется выражением:

Коллекторные пластины выполнены одинаковой ширины. Общее число коллекторных пластин n_КП коллектора определяется равенством:

где с=2, 3, 4, - целое положительное число, начиная с двух. Число коллекторных пластин, к которым подключены начала и концы катушек обмотки якоря равно числу явно выраженных полюсов якоря.

Щетки выполнены одинаковой ширины. Число щеток пропорционально числу явно выраженных полюсов индуктора.

Ширина коллекторной пластины и ширина щетки выбираются таким образом, чтобы выполнялось условие (6).

Полюсный якорь выполнен с замкнутой барабанной простой последовательной катушечной обмоткой якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря, причем конец катушки, расположенной на предыдущем явно выраженном полюсе якоря, соединен с началом катушки, расположенной на последующем явно выраженном полюсе якоря, отстоящем от предыдущего полюса на число полюсов якоря равное Z_Я-Z_P, и подключен к ближайшей соответствующей коллекторной пластине коллектора, равноудаленной от этих полюсов якоря, и т.д., при таком соединении образуется замкнутая электрическая цепь с двумя параллельными ветвями независимо от числа полюсов индуктора.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 и фиг.4 показан общий вид коллекторной магнитоэлектрической машины с полюсным якорем с радиальным и тангенциальным расположением постоянных магнитов соответственно. На фиг.2, фиг.5, фиг.7, фиг.8 показаны примеры реализации изобретения в виде поперечных сечений коллекторной магнитоэлектрической машины с полюсным якорем. На фиг.3, фиг.6, фиг.9 приведены схемы соединений катушек обмотки якоря с коллекторными пластинами коллектора, причем с целью наглядности полюса якоря с обмоткой якоря и коллекторными пластинами показаны в развернутом виде в радиальном направлении, а полюса индуктора с постоянными магнитами и щетками показаны в развернутом виде в аксиальном направлении.

Явно выраженные полюса якоря обозначены буквой и цифрой, например Я2. Цифра 2 обозначает номер явно выраженного полюса, а буква Я - принадлежность полюса к якорю.

Положение якоря относительно индуктора на соответствующих фигурах показано в один и тот же момент времени. Соответствие фигур приведено в таблице 1.

Таблица 1
Соответствие фигур чертежей общего вида, поперечных сечений и схем соединений катушек обмотки якоря с коллекторными пластинами коллекторной магнитоэлектрической машины с полюсным якорем
Фигура	ZP	ZЯ	nКП
общего вида	поперечных сечений	схемы соединений
1	2	3	4	5	10
4	5	6	6	8	16
4	7; 8	9	6	8	24

Рассмотрим конструкцию коллекторной магнитоэлектрической машины с полюсным якорем (фиг.1, фиг.2, фиг.4, фиг.5, фиг.7, фиг.8). Машина содержит следующие основные части: корпус 1, явно выраженные полюса 2 индуктора, сердечник 3 якоря, обмотку якоря, вал 6, коллектор 7, щеточно-контактный узел, подшипники 10 и подшипниковые щиты 11. Возбуждение индуктора осуществлено посредством постоянных магнитов. Магнитная система индуктора может быть выполнена с кольцевым магнитом-корпусом, с радиальным (фиг.1, фиг.2) и тангенциальным (фиг.4, фиг.5, фиг.7, фиг.8) расположением постоянных магнитов. Явно выраженные полюса 2 индуктора крепятся к корпусу 1 и могут быть образованы непосредственно постоянными магнитами с радиальным расположением и радиальной намагниченностью (фиг.1, фиг.2) или могут быть выполнены из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью (фиг.4, фиг.5, фиг.7, фиг.8) с тангенциальным расположением постоянных магнитов 12. В первом случае корпус 1 выполнен из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью, во втором случае - из немагнитного материала, например, сплава алюминия. Постоянные магниты 12 могут быть изготовлены трапецеидальными (фиг.5), скобообразными, кольцеобразными, а также в виде параллелепипеда (фиг.7, фиг.8). Явно выраженные полюса 2 индуктора могут быть выполнены из целых кусков магнитомягкой стали, а могут быть набраны из листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, скрепленных между собой в аксиальном направлении. Для машин средней мощности и для машин, работающих при резко переменной нагрузке, с целью недопущения «кругового» огня по коллектору явно выраженные полюса 2 индуктора могут быть выполнены с пазами в аксиальном направлении (фиг.8) с уложенной в них компенсационной обмоткой (на фигуре не показана), подключенной через щеточно-контактный узел последовательно с катушечной обмоткой якоря. Якорь с обмоткой и коллектором 7 при помощи подшипников 10 и подшипниковых щитов 11 позиционирован относительно индуктора. На валу 6, выполненному из стали, насажены сердечник 3 якоря и коллектор 7. С целью уменьшения потерь на гистерезис и «вихревые» токи перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 3 якоря выполнен шихтованным пакетом из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью. Сердечник 3 якоря имеет явно выраженные полюса 4 (фиг.2, фиг.5, фиг.7, фиг.8), на каждом из которых расположена соответствующая катушка 5 замкнутой барабанной простой последовательной катушечной обмотки якоря. Каждая катушка 5 обмотки якоря выполнена из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины и состоит из одного или нескольких витков. Коллектор 7 имеет медные коллекторные пластины 8, электрически изолированные друг от друга и от вала 6. Концы и начала катушек 5 соединены между собой и с коллекторными пластинами 8 таким образом (например, на фиг.3), что конец катушки, расположенной на предыдущем явно выраженном полюсе якоря, например Я2, соединен с началом катушки, расположенной на последующем явно выраженном полюсе якоря, например Я4, отстоящем от предыдущего полюса на число полюсов якоря, равное Z_Я-Z_P , и подключен к ближайшей соответствующей коллекторной пластине 8 коллектора 7, равноудаленной от этих полюсов якоря и т.д., образуя замкнутую электрическую цепь с двумя параллельными ветвями независимо от числа явно выраженных полюсов 2 индуктора.

Механизм щеточно-контактного узла чаще всего крепится к подшипниковому щиту 11 со стороны коллектора 7 и может иметь возможность перемещения щеток 9 по коллекторным пластинам 8 в тангенциальном направлении для установки щеток 9 в зоне с наилучшей коммутацией. Щетки 9 установлены по оси явно выраженных полюсов 2 индуктора в аксиальном направлении или близко к ней. Количество щеточных болтов траверсы, на которых крепятся щеткодержатели со щетками 9, равно количеству явно выраженных полюсов 2 индуктора машины. На щеточном болте может располагаться несколько щеток 9, но при этом число щеток 9 на каждом щеточном болте должно быть одинаковым.

Коллекторная магнитоэлектрическая машина с полюсным якорем работает в двигательном и генераторном режимах.

Рассмотрим двигательный режим (фиг.2, фиг.3, фиг.5-9). Явно выраженные полюса 2 индуктора возбуждены при помощи постоянных магнитов и образуют в воздушном зазоре в радиальном направлении «северные» магнитные полюса «N» и «южные» магнитные полюса «S» индуктора с чередующейся магнитной полярностью. От независимого источника постоянного напряжения на щетки 9 подают напряжение, причем «плюс» источника питания соединяют со щетками, обозначенными на фигурах знаком «+», а «минус» источника питания соединяют со щетками, обозначенными на фигурах знаком «-». Под действием постоянного напряжения в направлении от «плюсовых» щеток к «минусовым» щеткам через скользящие контакты и коллекторные пластины 8 по катушкам 5 замкнутой обмотки якоря по двум ветвям протекает постоянный электрический ток, показанный на фигурах стрелками, намагничивая при этом явно выраженные полюса якоря 4 то как «северные» магнитные полюса «N», то как «южные» магнитные полюса «S» в зависимости от положения полюсов якоря относительно щеток. В катушках 5 обмотки якоря, подключенных в определенный момент времени к однополярным щеткам, происходит коммутация. На фиг.2 и фиг.3 коммутация происходит в катушке 5, расположенной на явно выраженном полюсе якоря Я2, а на фиг.5-9 - на полюсе якоря Я3. «Северные» магнитные полюса «N» якоря стремятся вытолкнуться из-под «северных» магнитных полюсов «N» индуктора и втянуться под «южные» магнитные полюса «S» индуктора, а «южные» магнитные полюса «S» якоря, в свою очередь, стремятся вытолкнуться из-под «южных» магнитных полюсов «S» индуктора и втянуться под «северные» магнитные полюса «N» индуктора, создавая тем самым вращающий момент, действующий на статор и якорь магнитоэлектрического двигателя. При перемещении якоря относительно индуктора на один полюс картина повторяется. Направление вращающего момента, действующего на якорь при стационарном состоянии индуктора, показано на фигурах стрелкой с буквой М.

Рассмотрим генераторный режим (фиг.2, фиг.3, фиг.5-9). При вращении якоря сторонним источником момента в сторону, противоположную показанной на фигурах стрелкой с буквой М, постоянный магнитный поток явно выраженных полюсов 2 индуктора, созданный постоянными магнитами, пронизывает воздушный зазор и явно выраженные полюса 4 якоря то со стороны индуктора, то со стороны якоря, создавая при этом в явно выраженных полюсах 4 якоря переменный магнитный поток, наводящий в каждой катушке 5 обмотки якоря переменную во времени ЭДС. Переменные ЭДС катушек каждой параллельной ветви суммируются. При помощи коллектора ЭДС ветвей выпрямляются и направлены в параллельных ветвях в одну сторону, образуя «плюс» источника ЭДС на «плюсовых» щетках и «минус» источника ЭДС на «минусовых» щетках. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то по ней протекает выпрямленный электрический ток в направлении от «плюсовой» щетки к «минусовой», электрическая мощность отдается потребителю.

Глубокое и плавное регулирование выходными параметрами коллекторной магнитоэлектрической машины с полюсным якорем осуществляется путем плавного изменения постоянного напряжения на обмотке якоря.

Применение коллекторной магнитоэлектрической машины с полюсным якорем как при низких, так и при высоких напряжениях при хорошей коммутации возможно за счет выполнения замкнутой барабанной простой последовательной катушечной обмотки якоря.