ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 1995 года по МПК H02K33/00 

Изобретение относится к электрическим машинам и может быть использовано в качестве исполнительного механизма в устройстве автоматики.

Известно электромагнитное поворотное устройство, содержащее магнитопровод, выполненный в виде одной половины цилиндрического сердечника броневого типа с отверстием по оси вращения, катушку, установленную в магнитопроводе, вал, установленный на подшипниках в отверстии магнитопровода, якорь, связанный с валом и выполненный в виде секторов полого цилиндра, установленных в зазоре магнитопровода, пружину и водило из немагнитного материала, установленное на валу, обеспечивающее связь якоря и вала [1].

Недостатками этого устройства являются сложность конструкции и ограниченные эксплуатационные возможности, так как поворот осуществляется только на определенный угол.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является двигатель, содержащий двухполюсный статор, вал, закрепленный в подшипниковых узлах статора, якорь с обмоткой и коллектором, насаженный на вал, и щеточный узел с парой щеток, закрепленный на статоре [2].

Недостатками этого двигателя являются малые эксплуатационные возможности, а именно только круговое вращение вала.

Цель изобретения - расширение эксплуатационных возможностей, а именно получение как кругового вращения вала, так и возможности поворота вала относительно "нейтрали" в ту или другую сторону, на тот или иной угол с дискретом 360^о/n, где n - число ламелей коллектора якоря.

Цель достигается тем, что в известном двигателе, содержащем двухполюсной статор, вал, закрепленный в подшипниковых узлах статора, якорь с обмоткой и коллектором, насаженный на вал, и щеточный узел, введен коммутатор, а щеточный узел выполнен в виде двух изоляционных втулок, одна из которых насажена на коллектор, а другая - на ее ступицу, при этом на первой из них неподвижно закреплены две пары металлических колец, на второй - одна пара, каждая из которых электрически контактирует с коллектором в диаметрально противоположных точках и через токосъемные пластины, закрепленные на статоре, соединена с коммутатором. Втулки насажены на коллектор и ступицу с усилием, предотвращающим их самопроизвольное проворачивание, при этом электрическая связь с коллектором двух пар колец, расположенных на разных втулках, осуществляется посредством механически скользящих контактов с возможностью вращения колец относительно коллектора, а третья пара колец электрически соединена с коллектором проводным монтажом.

Указанная совокупность признаков позволяет получить новый положительный эффект, заключающийся в расширении эксплуатационных возможностей, проявляющихся как в круговом вращении вала, так и в возможности поворота вала относительно "нейтрали" в ту или другую сторону, на тот или иной угол с дискретом 360^o/n, где n - число ламелей коллектора якоря.

На фиг.1 изображен щеточный узел, в разрезе; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг. 3 - полная электрическая схема якоря в магнитном поле статора в положении "нейтраль"; на фиг. 4 - электрическая цепь при повороте якоря вправо на угол ϕ₊ и схема сил, действующих на якорь; на фиг.5 - электрическая цепь поворота якоря влево на уголϕ_˙ и схема сил, действующих на якорь; на фиг.6 - вариант выполнения машины с ограниченным углом поворота. На фиг. 3, 4 и 5 коммутатор условно изображен в виде пакетного переключателя.

Электрическая машина содержит двухполюсный статор 1 с отверстием 2, якорь 3 с коллектором 4, насаженные на вал 5, изоляционные втулки 6 и 7 с отверстиями 8 и 9, кольца 10 и 11, закрепленные на втулке 7, кольца 12 и 13, закрепленные на втулке 6, скользящие контакты 14 колец 10-13, контактирующие с торцовой поверхностью 15 коллектора 4, кольцевой паз 16 во втулке 6, сверления 17 в конце вала 5, провода 18, образующие цепь "нейтраль", т.е. плоскость относительно которой идет отсчет углов поворота вала 5 и которая жестко привязана к коллектору 4, подшипниковый узел 19 статора 1 с отверстием 20, изоляционные уголки 21, закрепленные на статоре 1, токосъемные пластины 22, контактирующие с кольцами 10 и 11, токосъемные пластины 23, контактирующие с кольцами 12 и 13, кольца 24 и токосъемные пластины 25, включенные в цепь "нейтраль" и обеспечивающие возможность кругового вращения вала 5, и коммутатор 26.

Электрическая машина работает следующим образом.

При подключении к источнику питания двух любых диаметрально расположенных ламелей коллектора 4 обмотка якоря 3 разделяется на две параллельных ветви с противоположным направлением тока (+,˙). Эти ветви расположены по разные стороны от плоскости, проходящей через ламели, включенные в цепь.

При внесении такого якоря в магнитное поле на витки с током действуют силы, стремящиеся привести якорь 3 в состояние равновесия (фиг.3). Все силы, действующие на проводники параллельных ветвей, в этом состоянии уравновешены. Во избежание перегрева якорь 3 должен подключаться к источнику питания кратковременно.

При подключении к цепи питания другой пары ламелей (фиг.4) равновесие сил, действующих на якорь 3, снова нарушается. Секторы сил F₊и F_˙ взаимно уравновешены, однако остальная часть половинок якоря не уравновешена, и под действием этих сил якорь 3 опять поворачивается до состояния равновесия, когда плоскость новых ламелей становится параллельной линиям магнитного поля. Таким образом, вновь рассмотренная пара ламелей осуществляет поворот якоря вправо относительно "нейтрали" на угол ϕ₊.

При подключении к источнику питания снова "нейтрали" якорь 3 опять поворачивается в прежнее положение равновесия (фиг.3). В этом положении подключают к цепи питания пару ламелей, расположенных по другую сторону от нейтрали. Процессы в этом случае имеют тот же характер, что и при повороте вправо, только неуравновешенный момент якоря 3 направлен влево и происходит его поворот на угол ϕ_˙.

При реализации поворота можно не использовать цепь "нейтраль". В этом случае поворот якоря 3 осуществляется на угол ±(ϕ₊+ϕ_˙) в ту или иную сторону.

Втулки 6 и 7 раздвигаются по обе стороны от "нейтрали". В случае кругового вращения втулки 6 и 7 раздвигаются на углы ±60^о относительно "нейтрали", в случае поворота вала 5 на ограниченный угол втулки 6 и 7 раздвигаются на этот же угол. Следует иметь в виду, что угол поворота вала 5 выбирают в пределах ±180^о с дискретом 360/n . При развороте втулок необходимо обеспечить электрическую связь ламелей коллектора с кольцами 10-13 посредством скользящих контактов 14.

Для разворота втулок необходимо сначала вставить штифт в отверстия 20 и 9 и повернуть вал на нужный угол, вынуть штифт, вставить штифт в отверстия 2 и 8 и повернуть вал 5 с втулкой 6 в другую сторону тоже на нужный угол, вынуть штифт. Установка углов закончена.

Электрическую связь колец 10-13 с коммутатором 26 осуществляют через пары токосъемных пластин 22 и 23.

Следует иметь в виду, что источником момента как в положительном, так и в отрицательном направлениях являются электромагнитные силы, т.е. условия поворота в ту и в другую сторону равноценны.

Если необходимость в круговом вращении отсутствует, щеточный узел можно упростить, а именно исключить кольца 24 и токосъемные пластины 25, а "нейтраль" сформировать непосредственно монтажным проводом, проходящим через отверстие в крышке и сверления 17 в торце вала 5 и припаянным к двум диаметрально противоположным ламелям.

Предложенное техническое решение по сравнению с известным путем поочередной коммутации одной из трех цепей позволяет получить как круговое вращение вала 5, так и поворачивать его на переменные углы ϕ₊,ϕ_˙ в пределах 180^о относительно "нейтрали" или на угол ±(ϕ₊+ϕ_˙) в пределах 360^о при отсутствии "нейтрали".

Использование: в качестве исполнительного механизма автоматики. Сущность изобретения: в электрической машине, содержащей двухполюсный статор 1, вал 5, закрепленный в подшипниковых узлах 19 статора, якорь 3 с обмоткой и коллектором 4, насаженный на вал, и щеточный узел, введен коммутатор, а щеточный узел выполнен в виде двух изоляционных втулок 6 и 7, одна из которых насажена на коллектор, а другая - на ее ступицу, при этом на каждой из втулок неподвижно закреплены по два кольца, электрически контактирующих с коллектором 4 в диаметрально противоположных точках и через токосъемные пластины, закрепленные на статоре 1, соединенных с коммутатором. Путем поочередной коммутации одной из трех цепей возможно как круговое вращение, так и повороты вала на переменные углы в пределах ± 180^° относительно "нейтрали" с дискретом 360°/n, где n - число ламелей коллектора. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА, содержащая двухполюсный статор, вал, закрепленный в подшипниковых узлах статора, якорь с обмоткой и коллектором, насаженным на вал, и щеточный узел, отличающаяся тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей, в нее введен коммутатор, а щеточный узел выполнен в виде двух изоляционных втулок, одна из которых насажена на коллектор, а вторая - на ее ступицу, при этом на первой из них неподвижно закреплены две пары металлических колец, на второй - одна пара, из которых каждая электрически контактирует с коллектором в диаметрально противоположных точках, и через токосъемные пластины, закрепленные на статоре, соединены с коммутатором. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что втулки насажены на коллектор и ступицу с усилием, предотвращающим их самопроизвольное проскальзывание. 3. Машина по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что электрическая связь с коллектором двух пар колец, расположенных на разных втулках, осуществляется посредством механически скользящих контактов с возможностью вращения колец относительно коллектора, а третья пара колец электрически соединена с коллектором проводным монтажом. 4. Машина по п.3, отличающаяся тем, что коммутатор выполнен, например, в виде трех пар электронных ключей.