Явнополюсная коллекторная магнитоэлектрическая машина

Изобретение относится к области электротехники, касается конструктивного исполнения коллекторных электрических машин постоянного тока с независимым 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 экономики. Питание предлагаемых магнитоэлектрических машин при работе их в режиме двигателей может осуществляться не только от стационарных электрических сетей переменного тока промышленной частоты с последующим преобразованием его в постоянный ток, но и от передвижных и переносных автономных источников постоянного тока (мини-электростанций, аккумуляторных батарей и гальванических элементов питания). Явнополюсная коллекторная магнитоэлектрическая машина содержит явно выраженные полюса индуктора, возбуждаемые постоянными магнитами, якорь с явно выраженными полюсами, коллектор, механизм щеточно-контактного узла со щетками, замкнутую последовательную (волновую) катушечную обмотку якоря, выполненную катушками, каждая из которых расположена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря. При этом необходимо соблюдение определенных соотношений между числом полюсов индуктора и числом полюсов якоря, а также выполнение полюсов индуктора и полюсов якоря с определенной шириной полюсной дуги, а коллекторных пластин коллектора и щеток определенной ширины и определенного числа. Технический результат - обеспечение высоких энергетических показателей с хорошей коммутацией, плавного регулирования выходными параметрами при простоте и высокой надежности конструкции, а также обеспечение возможности применения данной магнитоэлектрической машины как при низких, так и при высоких напряжениях. 3 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области электротехники, касается конструктивного исполнения коллекторных электрических машин постоянного тока с независимым 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 экономики. Питание предлагаемых магнитоэлектрических машин при работе их в режиме двигателей может осуществляться не только от стационарных электрических сетей переменного тока промышленной частоты с последующим преобразованием его в постоянный ток, но и от передвижных и переносных автономных источников постоянного тока (мини-электростанций, 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. Государственное техническое издательство. Москва - 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 с угольными электродами 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. Государственное техническое издательство. Москва-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 аналога является сложность конструкции из-за наличия двух коллекторов, а из-за выполнения обмотки якоря открытой неизбежно искрообразование при коммутации вследствие большой самоиндукции секций.

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: 1-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., Издательство „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 с явнополюсным индуктором и явнополюсным якорем.

Задачей настоящего изобретения является создание замкнутой последовательной («волновой») катушечной обмотки якоря, оптимальный выбор числа явно выраженных полюсов индуктора и явно выраженных полюсов якоря, оптимальный выбор полюсной дуги полюса индуктора и полюса якоря, ширины коммутационной зоны и числа коллекторных пластин явнополюсной коллекторной магнитоэлектрической машины.

Техническим результатом настоящего изобретения является получение простой, надежной и технологичной конструкции явнополюсной коллекторной магнитоэлектрической машины с высокими энергетическими показателями и хорошей коммутацией.

Поставленная задача достигается тем, что явнополюсная коллекторная магнитоэлектрическая машина 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 якорь с явно выраженными полюсами и замкнутой последовательной катушечной обмоткой якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем 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.

В настоящем изобретении индуктор является статором, а якорь - ротором, обмотка якоря питается постоянным током через щеточно-контактный узел. Возможны исполнения явнополюсной коллекторной магнитоэлектрической машины с внешним индуктором и внутренним якорем, с внутренним индуктором и внешним якорем, а также с индуктором и якорем, вращающимися друг относительно друга и относительно стационарного вала.

В соответствии с настоящим изобретением для создания замкнутой последовательной катушечной обмотки якоря и получения наилучших энергетических показателей с хорошей коммутацией явнополюсной коллекторной магнитоэлектрической машины число явно выраженных полюсов индуктора Z_P и число явно выраженных полюсов якоря Z_R связаны между собой и определяются равенствами (1) и (2) соответственно:

где m=2, 3, 4, 5, … - целое положительное число, начиная с двух, с - число модулей, т.е. «элементарных машин» в составе явнополюсной коллекторной магнитоэлектрической машины, причем с=1, 2, 3, … при m - нечетном, т.е. при m=3, 5, 7, …, и с=2, 4, 6, … при m - четном.

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

где t_P=360°/Z_P и b_P измеряются в геометрических градусах.

Ширина полюсной дуги b_R явно выраженного полюса якоря определяется выражением:

где t_R=360°/Z_R и b_R 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 реакции якоря. Поэтому ширина коммутационной зоны b_CA в угловом измерении определяется в соответствии с условием:

Коллекторные пластины коллектора выполнены одинаковой ширины. Расчетное число коллекторных пластин n_CL определяется равенством:

причем число «рабочих» в электрическом плане коллекторных пластин, к которым подключены начала и концы катушек обмотки якоря, равно числу явно выраженных полюсов якоря. С целью технологичности изготовления коллектора возможно выполнение числа коллекторных пластин, большего и пропорционального расчетному, с последующим соединением соседних пластин, образующих каждую «рабочую» коллекторную пластину, перемычками.

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

Ширина коллекторной пластины и ширина щетки выбираются таким образом, чтобы сохранялось условие (5).

Явнополюсный якорь выполнен с замкнутой последовательной катушечной обмоткой якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря, причем конец катушки, расположенной на предыдущем явно выраженном полюсе якоря, и начало катушки, расположенной на последующем явно выраженном полюсе якоря, подключены к ближайшей соответствующей коллекторной пластине, равноудаленной от этих полюсов якоря, и так далее. При таком соединении образуется замкнутая электрическая цепь с двумя параллельными ветвями независимо от числа полюсов индуктора.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1, фиг.3, фиг.5 показаны примеры реализации изобретения в виде поперечных разрезов явнополюсной коллекторной магнитоэлектрической машины. На фиг.2, фиг.4, фиг.6 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. На фиг.7 показан общий вид явнополюсной коллекторной магнитоэлектрической машины.

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 чертежах показано в один и тот же момент времени. Соответствие чертежей приведено в таблице.

Соответствие чертежей поперечных разрезов и схем соединений катушек обмотки якоря с коллекторными пластинами явнополюсной коллекторной магнитоэлектрической машины
Чертеж	ZP	ZR	nCL
поперечных разрезов	схемы соединений
1	2	4	3	6
3	4	6	5	10
5	6	6	4	8

Рассмотрим конструкцию явнополюсной коллекторной магнитоэлектрической машины (фиг.1, фиг.3, фиг.5, фиг.7). 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 является независимым и осуществлено посредством постоянных магнитов 12. Магнитная система индуктора может быть выполнена с кольцевым магнитом-корпусом, с тангенциальным (фиг.1, фиг.3) и радиальным (фиг.5) расположением постоянных магнитов. Явно выраженные полюса 2 индуктора крепятся к корпусу 1 и могут быть выполнены из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью (фиг.1, фиг.3) или могут быть образованы непосредственно постоянными магнитами с радиальным расположением и радиальной намагниченностью (фиг.5). В первом случае корпус 1 выполнен из немагнитного материала, например сплава алюминия, во втором случае - из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью. Постоянные магниты 72 могут быть изготовлены трапецеидальными, скобообразными (фиг.1), кольцеобразными, а также в виде прямоугольного или криволинейного (фиг.3) параллелепипеда. 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 с уложенной в них компенсационной обмоткой, 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, выполненном 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.1, фиг.3, фиг.5), на каждом из которых расположена соответствующая катушка 5 замкнутой 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, что образуется замкнутая электрическая 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 позиционированы 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.

Явнополюсная коллекторная магнитоэлектрическая машина работает в двигательном и генераторном режимах.

Рассмотрим двигательный режим (фиг.1÷6). Явно выраженные полюса 2 индуктора возбуждены при помощи постоянных магнитов 12 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 питания на щетки 9 подают постоянное напряжение, причем «плюс» источника питания соединяют со щетками, обозначенными на чертежах знаком «+», а «минус» источника питания соединяют со щетками, обозначенными на чертежах 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 чертежах 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.4 коммутация происходит в катушке 5, расположенной на явно выраженном полюсе якоря Я1, а на фиг.6 - в катушках 5, расположенных на полюсах якоря Я1 и 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. Направление вращения якоря на чертежах показано стрелкой с буквой «n».

Рассмотрим генераторный режим (фиг.1÷6). При вращении якоря сторонним источником момента постоянный магнитный поток явно выраженных полюсов 2 индуктора, созданный постоянными магнитами 12, 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, расположенных в данный момент времени в данной параллельной ветви, суммируются и выпрямляются при помощи коллектора. ЭДС параллельных ветвей направлены в одну сторону, образуя на щетках «плюс» и «минус» источника постоянного напряжения. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то по ней протекает выпрямленный электрический ток, электрическая мощность отдается потребителю.

Глубокое и плавное регулирование выходными параметрами явнополюсной коллекторной магнитоэлектрической машины в режиме работы электрическим двигателем осуществляется путем плавного изменения постоянного напряжения, поданного на катушки обмотки якоря.

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

1. Явнополюсная коллекторная магнитоэлектрическая машина, 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 обмоткой, отличающаяся тем, что якорь выполнен с явно выраженными полюсами и катушечной 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 и число явно выраженных полюсов якоря Z_R связаны между собой и определяются равенствами (1) и (2) соответственно:


где m=2, 3, 4, 5, … - целое положительное число, начиная с двух; с - число модулей, то есть «элементарных машин» в составе явнополюсной коллекторной магнитоэлектрической машины, причем с=1, 2, 3, … при m - нечетном, то есть при m=3, 5, 7, …, и с=2, 4, 6, … при m - четном, ширина полюсной дуги b_P явно выраженного полюса индуктора определяется выражением:

где t_P=360°/Z_P и b_P измеряются в геометрических градусах, ширина полюсной дуги b_R явно выраженного полюса якоря определяется выражением:

где t_R=360°/Z_R и b_R измеряются в геометрических градусах, ширина коммутационной зоны b_CA в угловом измерении определяется в соответствии с условием:

коллекторные пластины коллектора выполнены одинаковой ширины, расчетное число коллекторных пластин n_CL определяется равенством:

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. Явнополюсная коллекторная магнитоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что индуктор расположен снаружи, якорь - внутри.

3. Явнополюсная коллекторная магнитоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что индуктор расположен внутри, якорь - снаружи.

4. Явнополюсная коллекторная магнитоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что явно выраженные полюса индуктора выполнены с компенсационной обмоткой.