Электрическая машина постоянного тока

 

Использование: коллекторные электрические машины постоянного тока. Сущность изобретения: машина постоянного тока снабжена устройством, позволяющим улучшить энергетику коммутационного процесса путем рекуперации индуктивной энергии коммутируемых секций в источник питания. Машина содержит коллектор с чередующимися проводящими и изолирующими пластинами и контактирующие с ними разнополярные группы щеток, каждая из которых состоит из основной и вспомогательной щеток. Между выводами основной и вспомогательной щеток подключен нелинейный резистивный элемент. Между выводами элемента и источника питания подключен блок согласования, состоящий из последовательно соединенных импульсного повышающего трансформатора и выпрямителя. Основная щетка выполнена из материала на основе металла, а вспомогательная - либо обычной щеткой из материала на основе графита, либо составной, у которой набегающая часть выполнена из материала на основе металла, а сбегающая часть может быть выполнена как из материала на основе графита, так и из материала на основе металла, и для подсоединения сбегающей части используется дополнительный нелинейный элемент. 6 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к коллекторным машинам постоянного тока, имеющим дополнительные устройства для улучшения коммутации.

Известна электрическая машина постоянного тока малой мощности [1] содержащая устройство для улучшения коммутации с составными щетками, вспомогательная часть которых соединена с главной через мостовой выпрямитель, на выходе которого включен транзисторный ключ.

Прототипом данного технического решения является электрическая машина постоянного тока [2] содержащая индуктор, якорь, коллектор с чередующимися проводящими и изолирующими пластинами и контактирующие с ними разнополярные группы щеток, каждая из которых состоит из основной щетки, соединенной непосредственно с выводом определенной полярности источника питания, и вспомогательной щетки, соединенной с одноименным выводом источника питания через нелинейный резистивный элемент, причем вспомогательная щетка расположена со стороны сбегающего края основной щетки и изолированно от нее, блок улучшения коммутации.

Целью изобретения является улучшение коммутации.

В электрической машине постоянного тока, содержащей общие с прототипом [2] индуктор, якорь, коллектор с чередующимися проводящими и изолирующими пластинами и контактирующие с ними разнополярные группы щеток, каждая из которых состоит из основной щетки, соединенной непосредственно с выводом определенной полярности источника питания, и вспомогательной щетки, соединенной с одноименным выводом источника питания через нелинейный резистивный элемент, причем вспомогательная щетка расположена со стороны сбегающего края основной щетки и изолированно от нее, блок улучшения коммутации, указанная выше цель по совершенствованию процесса коммутации в машине достигается тем, что блок улучшения коммутации дополнительно снабжен импульсным трансформатором и выпрямителем, при этом вход трансформатора подключен к выводам нелинейного резистивного элемента, а выход трансформатора через выпрямитель подключен к источнику питания.

Электрическая машина по изобретению отличается тем, что основная щетка выполнена из материала на основе металла, а вспомогательная из материала на основе графита, вспомогательная щетка выполнена составной, причем ее набегающая часть выполнена из материала на основе металла, а сбегающая часть - из материала на основе графита, а нелинейный резистивный элемент подключен между выводами набегающей части вспомогательной и основной щетки.

Обе части вспомогательной щетки набегающая и сбегающая выполнены из материала на основе металла, изолированными друг от друга и соединенными друг с другом при помощи нелинейного резистивного элемента, сбегающая часть составной вспомогательной щетки соединена с основной щеткой при помощи нелинейного резистивного элемента.

Вспомогательная щетка выполнена в виде пары отдельных щеток, имеющих возможность тангенциального или аксиального смещения по коллектору, первичная обмотка импульсного повышающего трансформатора выполнена одновитковой.

Представленная на фиг. 1 схема содержит коллектор с чередующимися проводящими 1 и изолирующими 2 пластинами и контактирующие с ними разнополярные группы щеток, каждая из которых состоит из основной щетки 3 и вспомогательной щетки 4, которая располагается со стороны сбегающего края основной щетки 3 и изолированно от нее. К проводящим пластинам 1 подключены выводы секции 5 обмотки якоря машины. Основная щетка 3 непосредственно подключена своим выводом к отрицательному выводу 6 источника питания. Основная щетка 3 выполнена из материала на основе металла, а вспомогательная щетка 4 - из материала на основе графита. Между выводами щеток 3 и 4 подключен нелинейный резистивный элемент 7, а к выводам этого элемента подключена первичная обмотка 8 импульсного подающего трансформатора 9, а его вторичная обмотка 10 через выпрямитель 11 подключена к выводам 6 и 12 источника питания. Схема (фиг.1) представляет собой часть схемы коммутации, относящейся к отрицательной группе щеток. Часть схемы, относящаяся к положительной группе щеток, аналогична и поэтому не приводится.

Схема на фиг. 2 отличается от схемы на фиг.1 тем, что вспомогательная щетка выполнена составной, причем ее набегающая часть 4, изготовленная из материала на основе металла, соединена с основной щеткой 3 при помощи нелинейного резистивного элемента 7, а сбегающая часть 13 изготовлена из материала на основе графита. Обе части вспомогательной щетки по линии раздела материалов имеют электрический контакт.

Схема на фиг.3 отличается от схемы на фиг.2 тем, что обе части вспомогательной щетки 4 и 13 выполнены из материала на основе металла, изолированы друг от друга и соединены друг с другом при помощи нелинейного резистивного элемента 14.

Схема на фиг.4 отличается от схемы на фиг.3 тем, что сбегающая часть 13 вспомогательной щетки соединена с основной щеткой 3 при помощи нелинейного резистивного элемента 15.

Схема на фиг.1 работает следующим образом. Согласно изображенному стрелкой перемещению коллектора относительно неподвижных щеток происходит размыкание контакта основной щетки 3 с проводящей пластиной 1, которая продолжает контактировать со вспомогательной щеткой 4. При этом образуется путь для тока параллельной ветви обмотки якоря, являющейся в силу ее значительной индуктивности источником тока, через вспомогательную щетку 4, нелинейный элемент 7, который пробивается практически мгновенно и его напряжение пробоя U_o плюс падение напряжения в контакте вспомогательной щетки U_щ прикладываются к коммутируемой секции 5, вызывая процесс ее коммутации. Величина суммы U_o + U_щ не должна превосходить тот уровень, при котором может развиться дуговой процесс на сбегающем крае основной щетки 3. В первый момент ток параллельной ветви обмотки якоря в первичную обмотку 8 импульсного трансформатора 9 проникнуть не может из-за значительно более высокой инерционности трансформатора по сравнению с нелинейным резистивным элементом 7. Однако приложенное к первичной обмотке 8 напряжение U_o вызывает переходный процесс включения импульсного трансформатора 9, в результате чего начинает расти потребляемый ток трансформатора и напряжение на выходе выпрямителя 11. Как только напряжение на выходе выпрямителя 11 сравняется с напряжением источника питания, начнет расти ток выпрямителя, поступающий в источник. Одновременно будут расти вторичный и первичный токи импульсного трансформатора, а нелинейный резистивный элемент будет соответственно разгружаться. При полной разгрузке нелинейного элемента, когда ток через элемент упадет до нуля, закончится процесс включения импульсного трансформатора. При этом напряжение на первичной обмотке трансформатора уменьшится до величины U₁, немного меньшей, чем U_o, что обеспечивается правильно выбранным коэффициентом трансформации трансформатора. С этого момента, когда завершится переходный процесс включения трансформатора, он воспримет на себя весь ток параллельной ветви обмотки якоря, а коммутирующим напряжением становится напряжение первичной обмотки U₁ плюс напряжение U_щ, но так как U₁>U_щ, то значительная часть индуктивной энергии коммутируемой секции рекуперируется в источник питания. По мере протекания процесса коммутации ток, поступающий в источник питания, будет уменьшаться, пока не станет равным нулю, а первичный ток трансформатора не станет равным его намагничивающему току, который при расчете обмоток трансформатора может быть выбран сколь угодно малым (менее 2-3% от максимального тока). Однако стремление получить малое значение намагничивающего тока приведет к завышению чисел витков обмоток, а значит, к увеличению времени переходного процесса включения трансформатора и снижению эффекта рекуперации.

После окончания рекуперации остаточный ток через контакт вспомогательной щетки 4 будет равен намагничивающему току трансформатора. Этот ток будет снижаться под действием напряжения U_щ, пока не упадет до нуля. На этом процесс коммутации заканчивается.

Схема на фиг.2 работает аналогично схеме на фиг.1 с той лишь разницей, что по мере перемещения вспомогательной щетки по пластине 1 работает лишь только ее набегающая часть 4, выполненная из материала на основе металла, а сбегающая часть 13, будучи зашунтированной, пропускает через себя только незначительный ток утечки. Это обеспечивает высокий КПД рекуперации. Гашение намагничивающего тока (остаточного тока недокоммутации) наиболее эффективно будет происходить при покидании пластины 1 частью 4 вспомогательной щетки, выполненной из материала на основе металла, когда в работу вступает часть 13, выполненная из материала на основе графита.

Схема на фиг.3 работает аналогично схемам на фиг.1 и 2 с той лишь разницей, что условия гашения намагничивающего тока не будут изменяться по мере износа вспомогательной щетки, хотя влияние износа не столь и велико. Кроме того, потери, выделяемые при гашении намагничивающего тока, будут вынесены за пределы тела вспомогательной щетки, что улучшит тепловой режим. Местом локализации этих потерь является нелинейный резистивный элемент 14, вырабатывающий аналог щеточного напряжения U_щ.

Схема на фиг.4 работает аналогично схемам на фиг.1-3 с той лишь разницей, что единый контур "коммутируемая секция 5 первичная обмотка 8 трансформатора" распадается на два независимых контура, в каждом из которых гашение остаточных индуктивных токов производится наиболее эффективно (т.е. ускоренно) при помощи нелинейных резистивных элементов: 15 для коммутируемой секции и 7 для трансформатора. Кроме того, пробой нелинейного элемента 7 вызывает повторное включение импульсного трансформатора и остаток накопленной индуктивной энергии в поле сердечника трансформатора рекуперируется в источник питания со стороны вторичной обмотки 10 через выпрямитель 11. Схема на фиг.4 энергетически наиболее эффективна.

Схемы на фиг.3-4 допускают различное конструктивное оформление щеточного узла, когда вспомогательная щетка может быть заменена парой отдельных щеток, имеющих возможность тангенциального или аксиального смещения по коллектору.

Энергетика рекуперативного процесса сильно зависит от быстродействия включения импульсного трансформатора, определяемого индуктивностями его обмоток. В этом отношении наиболее оптимальным решением является использование конструкции трансформатора с одновитковой первичной обмоткой.

Формула изобретения

1. Электрическая машина постоянного тока, содержащая индуктор, якорь, коллектор с чередующимися проводящими и изолирующими пластинами и контактирующие с ними разнополярные группы щеток, каждая из которых состоит из основной щетки, соединенной непосредственно с выводом определенной полярности источника питания, и вспомогательной щетки, соединенной с одноименным выводом источника питания через нелинейный резистивный элемент, причем вспомогательная щетка расположена со стороны сбегающего края основной щетки и изолированно от нее, блок улучшения коммутации, отличающаяся тем, что блок улучшения коммутации дополнительно снабжен импульсным трансформатором и выпрямителем, при этом вход трансформатора подключен к выводам нелинейного резистивного элемента, а выход трансформатора через выпрямитель подключен к источнику питания.

2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что основная щетка выполнена из материала на основе металла, а вспомогательная из материала на основе графита.

3. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что вспомогательная щетка выполнена составной, причем ее набегающая часть выполнена из материала на основе металла, а сбегающая часть из материала на основе графита, а нелинейный резистивный элемент подключен между выводами набегающей части вспомогательной щетки и основной щетки.

4. Электрическая машина по п.3, отличающаяся тем, что обе части вспомогательной щетки набегающая и сбегающая выполнены из материала на основе металла, изолированными друг от друга и соединенными друг с другом при помощи нелинейного резистивного элемента.

5. Электрическая машина по п.4, отличающаяся тем, что сбегающая часть составной вспомогательной щетки соединена с основной щеткой при помощи нелинейного резистивного элемента.

6. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что вспомогательная щетка выполнена в виде пары отдельных щеток, имеющих возможность тангенциального или аксиального смещения по коллектору.

7. Электрическая машина по пп.1-6, отличающаяся тем, что первичная обмотка импульсного повышающего трансформатора выполнена одновитковой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4