КОЛЛЕКТОРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ЧЕТНЫМ ЧИСЛОМ ПАР ПОЛЮСОВ Российский патент 1995 года по МПК H02K23/04 

Изобретение относится к коллекторным электрическим машинам, преимущественно четырехполюсным машинам малой мощности.

Известны технические решения для улучшения коммутации, состоящие в сближении моментов окончания коммутации одних секций с началом коммутации других секций, имеющих с первыми сильную взаимоиндуктивную связь. С помощью указанной связи осуществляется переброска остаточной энергии из завершающих коммутацию секций. Требуемое сближение в [1] осуществляется смещением каждой второй щетки в машине с полным числом щеток и равномерным размещением полюсов таким образом, чтобы угол по окружности коллектора между соседними разнополярными щетками попеременно то превосходил полюсное деление, то уступал ему такую же величину. Конкретная величина отступления не устанавливается.

В малых многополюсных машинах с простой волновой обмоткой на якоре благоприятное для коммутации чередование коммутационных циклов и сильные взаимоиндуктивные связи между последовательно коммутируемыми секциями обеспечивает установка узких щеток, перемыкающих не более двух коллекторных пластин, и выполнение обмотки с равными первыми и вторыми шагами обмотки. В таких машинах поворот якоря на коллекторное деление вызывает двойную смену коммутационных циклов, причем стороны последовательно коммутируемых секций соседствуют друг с другом. Указанное соседство обеспечивает коммутационную несамостоятельность секций даже при одной секционной стороне в слое паза. В беспазовых якорях, как известно, расположение секций соответствует расположению секций в пазовом якоре с числом секционных сторон в слое паза, равном единице, поэтому применение узких щеток и выбор определенного К дает тот же эффект. Прототипом предлагаемого решения служит двигатель с пазовым якорем [2]
Недостаток прототипа вызван неравномерным чередованием циклов коммутации секций. Щетки в двухщеточных исполнениях для обеспечения демпфирующего эффекта в коммутации выбираются с повышенной на четверть коллекторного деления шириной, что приводит к двум видам чередований коммутационных циклов с совпадением начала цикла с окончанием предыдущего и с попаданием начала на первую треть предшествующего, сокращением количества рабочих секций, возникновением указанных выше пульсаций.

Предлагаемое изобретение позволяет устранить недостатки прототипа, т.е. снизить пульсации ЭДС, момента, мгновенной частоты вращения, и дополнительно улучшить габаритные, энергетические, коммутационные и ресурсные показатели, повысить быстродействие.

Предлагаемая коллекторная электрическая машина с четным числом пар полюсов содержит индуктор с полюсами, щетки, размещенные на двух щеточных болтах и перемыкающие не более двух коллекторных пластин, якорь с простой волновой обмоткой, имеющей равные между собой первые и вторые шаги и содержащей при пазовой конструкции якоря число секций, равное числу пазов, и коллектором с числом пластин К, и отличается от прототипа тем, что щетки одной и другой полярности взаимно разнесены по окружности коллектора на расстояние соответственно для неперекрещивающейся и для перекрещивающейся обмотки (0,5К-0,5(К∓1)р^-1) коллекторных делений, а индуктор выполнен с полюсными делениями разной величины двумя делениями, соблюдая то же соответствие 180(К±р∓1)(рК)^-1 геометрических градусов, между которыми размещены 2р-2 делений величиной 180(К∓1)(рК)^-1 геометрических градусов в количестве р с одной стороны и р-2 с другой, причем полюсные дуги в двух приведенных первыми полюсных делениях отличаются от остальных полюсных дуг на величину, в пределе равную разности величин полюсных делений и составляющую 1/2 К-ю часть окружности расточки индуктора.

На фиг.1 представлено распределение зон коммутации в машине с р=2, К=13 при разных схемах расстановки щеток; на фиг.2 показано распределение зон коммутации и полюсных делений в предлагаемой машине с р=4, К=25; на фиг.3-4 изображены индукторы предлагаемой машины с р=2, К=13 и возбуждением от скобообразных радиальных магнитов (фиг.3) и прямых тангенциальных магнитов.

Предлагаемая машина содержит щетки 1, коллекторные пластины 2, изоляционные прокладки 3 коллектора, зоны 4 коммутации секций, верхние и нижние стороны 5 секций обмотки якоря, зоны 6 и 7 коммутации секций в известных машинах с двумя щеточными болтами и полным числом щеточных болтов, щетки 8 и 9 в известных машинах с двумя щеточными болтами и полным числом щеточных болтов, малые и большие полюса 10 и 11, малые и большие магниты 12 и 13, ярмо 14 индуктора.

Щетки 1 отстоят друг от друга на расстоянии, соответствующем выражению (0,5К-0,5(К-1)р^-1-3,5 коллекторных делений на фиг.1 и 9,5 коллекторных делений на фиг.2. Коллекторное деление представляет собой дугу коллектора, охватывающую коллекторную пластину 2 и изоляционную прокладку 3. Ширина щеток 1 принята равной сумме 0,5 коллекторного деления и толщины прокладки 3. При данной ширине щеток 1 зоны 4 коммутации каждой секции со сторонами 5 охватывают участки в 1/2 К-ю часть окружности якоря. Принятая расстановка щеток 1 обеспечивает попарное примыкание друг к другу зон 4, что соответствует совпадению начала последующего цикла коммутации с концом предшествующего. Сдвоенные зоны 4 размещены неравномерно: два промежутка между сдвоенными зонами 4 имеют повышенную на 1/2 К-ю часть окружности якоря величину. При привязке границ полюсных делений τ₁ и τ₂ к серединам сдвоенных зон 4, чтобы уравнять условия размещения коммутируемых секций в междуполюсных промежутках, создается неравенство делений и неравномерность их размещения. Малые полюсные деления τ₁охватывают дуги в 180 (К-1) (рК)^-1геометрических градусов, большие полюсные деления τ₂-180(К-1+р)(рК)^-1геометрических градусов.

Зоны 6 и 7 коммутации соответствуют общепринятым схемам расстановки щеток 8 и 9 в машине с р=2, К=13. Здесь полюсные деления равны и на фиг.1 не показаны. Ширина щеток 8 принимается увеличенной на 0,25 коллекторного деления, чтобы обеспечить примыкание зон 6 коммутации в нижней на фиг.1 паре зон и соответствующий такому примыканию демпфирующий эффект в коммутации.

В реальных машинах ширина щеток 1,6,7 выбирается большей, учитывая неточность расстановки элементов щеточно-коллекторого узла, непроводимость щетки при малой площади контакта на краю пластины 2, необходимость определенного времени на переброску остаточной энергии. При сравнительном анализе схем расстановки щеток учет этих факторов представляется необязательным.

Неравным полюсным делениям в индукторах по фиг.3 и 4 соответствуют неравные полюса 10 и 11 и выступающие в роли полюсов магниты 12 и 13. В пределах малых магнитов 12 толщина их соединяющего ярма 14 уменьшена. Неравенство полюсов не требует введения новых элементов и решений, поэтому примеры выполнения индукторов ограничены двумя фигурами.

Предлагаемая расстановка щеток 1 преследует две цели: максимально выровнять числа секций в ветвях обмотки и обеспечить чередование коммутационных циклов через половину коллекторного деления. При четном р и двух щеточных болтах в паре ветвей простой волновой обмотки должно содержаться нечетное число рабочих секций. Большее на единицу число секций в одной из ветвей вынуждает расстановку разнополярных щеток производить не на диаметрально противоположных сторонах коллектора через 0,5К коллекторных делений, а со смещением от диаметрально противоположной стороны на половину шага обмотки 0,5(К∓1)р^-1коллекторных делений. Полученное расстояние (0,5К-0,5(К∓1)р^-1) при нечетном К и четном (К∓1)р^-1 всегда содержит дробную часть 0,5, что обеспечивает требуемое чередование коммутационных циклов через половину коллекторного деления.

Предлагаемая расстановка щеток 1 на расстоянии в 3,5 коллекторных деления в машине с р=2, К=13 на фиг.1 мало отличается от общепринятой расстановки щеток 8 через 3,25 коллекторного деления, не меняет количественно распределение секций по ветвям обмотки, но создает ряд положительных эффектов. Во-первых, парные сочетания зон 4 коммутации занимают меньшее пространство по сравнению с сочетаниями зон 6 и 7, что позволяет сократить междуполюсные промежутки, увеличить среднее за оборот число секций, создающих момент, и получить наиболее высокие значения удельного момента, быстродействия и КПД. Во-вторых, коммутационные и ресурсные показатели повышены в силу малого числа одновременно коммутируемых секций и временного совпадения окончаний и начал циклов коммутации взаимоиндуктивно связанных между собой секций. В-третьих, при качественном изготовлении щеточно-коллекторного узла, позволяющем не прибегать к значительному добавочному увеличению ширины щеток для компенсации технологических погрешностей, в машине удается исключить пульсации количества одновременно коммутируемых секций, ЭДС, частоты вращения, момента. Известная альтернатива в части снижения пульсаций машина с щетками 9 имеет на 22% меньшее число создающих момент секций, на 9% меньшую суммарную величину полюсных дуг, на 33% меньшую мощность. Отмеченные положительные особенности работы подтверждены испытаниями образцов.

Использование: коллекторные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов. Сущность изобретения: коллекторная электрическая машина с четным числом пар полюсов p содержит индуктор с полюсами, щетки, размещенные на двух щеточных болтах и перемыкающие не более двух коллекторных пластин, якорь с простой волновой обмоткой, имеющей равные между собой первые и вторые шаги и содержащей при пазовой конструкции якоря число секций, равное числу пазов, и коллектором с числом пластин K. Щетки одной и другой полярности разнесены по окружности коллектора на расстояние соответственно для перекрещивающейся и для неперекрещивающейся обмоток (0,5K-0,5(K∓ 1)·p^-1) коллекторных делений, а индуктор выполнен с полюсными делениями разной величины двумя делениями величиной, соблюдая то же соответствие, 180(K∓ p∓ 1)·(pK)^-1 геометрических градусов, между которыми размещены 2p 2 делений величиной 180·(K∓ 1)(pK)^-1 геометрических градусов в количестве p с одной стороны и p 2 с другой. Полюсные дуги в двух приведенных первыми полюсных делениях отличаются от остальных полюсных дуг на величину, в пределе равную разности величин полюсных делений и составляющую 1/2K-ю часть окружности расточки индуктора. 4 ил.

КОЛЛЕКТОРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ЧЕТНЫМ ЧИСЛОМ ПАР ПОЛЮСОВ p, содержащая индуктор с полюсами, щетки, размещенные на двух щеточных болтах и перемыкающие не более двух коллекторных пластин, якорь с простой волновой обмоткой, имеющей равные между собой первые и вторые шаги и содержащей при пазовой конструкции якоря число секций, равное числу пазов, и коллектором с числом пластин K, отличающаяся тем, что щетки размещены по окружности коллектора на расстоянии соответственно для неперекрещивающейся и перекрещивающейся обмотки 0,5 K 0,5 (K ± 1)p^-1 коллекторных делений, а индуктор выполнен с полюсными делениями разной величины, двумя делениями величиной, соблюдая то же соответствие, 180 (K ± p ± 1) (pK)^-1 геометрических градусов, между которыми размещены 2p 2 делений величиной 180 (K ± 1) (pK)^-1 геометрических градусов в количестве P с одной стороны и P 2 с другой, причем полюсные дуги в двух приведенных первыми полюсных делениях первыми полюсных делениях отличаются от остальных полюсных дуг на величину, в пределе равную разности величин полюсных делений и составляющую 1/2 K-ю часть окружности расточки индуктора.