ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1995 года по МПК H02K23/42 

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в производстве электродвигателей постоянного тока для различных отраслей народного хозяйства.

В качестве прототипа принят электродвигатель, содержащий статор, главные и дополнительные полюса, зубцовый якорь с пазами одинаковой глубины и одинаковой ширины, обмотку якоря, секции которой уложены в каждый паз, и коммутирующее устройство, например коллектор со щетками.

Недостатками его являются сложность конструкции и неэффективное использование электроэнергии. Эти недостатки являются результатом укладки проводников секций обмотки в каждый паз якоря одинаковой глубины и одинаковой ширины. Такая конструкция зубцового якоря и способ выполнения обмотки не позволяют осуществлять процесс электромеханического преобразования электрической энергии в механическую энергию по принципу действия магнитного поля на проводник с током, хотя на этом принципе и основывается современная теория работы электродвигателя. Практически же известные электродвигатели работают совершенно по другому принципу: по принципу взаимодействия электромагнитов.

При работе известных электродвигателей под нагрузкой, током, проходящим по обмотке якоря, создается общее поле якоря реакция якоря, которое считается лишь сопутствующим явлением, отрицательно влияющим на работу электродвигателя. Но возникающее общее поле это не сопутствующее явление, а суть физического процесса, фактически происходящего в электродвигателе, принципиально отличающегося от процесса взаимодействия магнитного поля с проводниками с током. Общее поле якоря превращает его в обычный электромагнит подобно ротору неявнополюсной синхронной машины, у которого проводники обмотки также уложены в каждый паз. Разница лишь в том, что у электродвигателя постоянного тока полюса возникают на головках зубцов при прохождении через них магнитных линий общего поля, между проводниками, уложенными в пазах. Что касается электромагнитного момента, то он создается за счет притягивающих усилий, возникающих при взаимодействии зубцов с полярностью, разноименной с набегающим краем полюсов возбуждения, и за счет выталкивающих усилий, возникающих при взаимодействии зубцов с полярностью, одноименной со сбегающим краем полюсов возбуждения. Но этот процесс взаимодействия несовершенен, а потому электроэнергия используется неэффективно, так как полюса, возникаемые на головках зубцов, находящихся между главными полюсами возбуждения, отстоят от этих полюсов на большом расстоянии, т.е. процесс взаимодействия осуществляется при большом воздушном зазоре. Кроме того, процесс осуществляется при движении головок зубцов поперек магнитного потока по системе, создающей небольшие усилия и моменты. Таким образом, физический процесс, происходящий в электродвигателе, не только сложен и неэффективен, но и не соответствует принципу действия магнитного поля на проводники с током, согласно которому для возникновения усилий и момента необходимо, чтобы с одной стороны проводников с током плотность магнитных линий была больше, чем с другой стороны.

Общее поле якоря не только усложняет физический процесс электромеханического преобразования электрической энергии в механическую энергию, но и отрицательно влияет на работу электродвигателя. Замыкаясь через главные полюса возбуждения, оно искажает создаваемое ими поле, что приводит к смещению нейтрали, возникновению поперечной слагающей поля, ухудшению коммутации и создает необходимость в дополнительных полюсах, чем и усложняется конструкция электродвигателя. Дополнительные полюса не только усложняют и удорожают конструкцию, но и увеличивают потребление электроэнергии.

Таким образом, при укладке проводников секций обмотки якоря в каждый паз одинаковой глубины и одинаковой ширины усложняется конструкция электродвигателя постоянного тока и неэффективно используется электроэнергия.

Целью изобретения является повышение технико-экономических показателей электродвигателя постоянного тока путем упрощения его конструкции и эффективного использования электроэнергии устранением общего поля якоря реакции якоря.

Это достигается тем, что в известном электродвигателе, содержащем статор, зубцовый якорь с обмоткой и коммутирующее устройство, зубцовый слой якоря выполнен с чередующимися рабочими и свободными пазами, причем свободные пазы имеют меньшие размеры по высоте и ширине, чем рабочие пазы, а секции обмотки якоря уложены в рабочие пазы через свободные пазы. Уменьшением размеров свободных пазов достигается условие свободного разъединения магнитных линий противоположного направления.

В целях достижения наивысшей эффективности использования электроэнергии, полюса возбуждения могут быть выполнены из постоянных магнитов.

На фиг.1 и 2 изображены детали предлагаемого электродвигателя.

Верхняя часть якоря 1 (фиг.1) расположена под серединой полюса 2 возбуждения с полярностью N (часть станины не показана). Рабочие пазы 3 имеют глубину больше ширины. Свободные пазы 4 мельче и уже рабочих пазов 3. Зубцы 5 с головками 6 широкие за счет узких свободных пазов 4, чтобы не насыщались. Проводники 7 секций обмотки уложены в рабочие пазы 3 через свободные пазы 4, закреплены клином 8. Изображены два проводника двухслойной петлевой обмотки с направлением тока "к нам". Магнитные линии 9 и 10 противоположного направления создаются током при прохождении по проводникам 7 (изображены пунктиром). Магнитные линии поля возбуждения 11 выходят из полюса возбуждения 2 (изображены пунктиром).

На фиг. 2 изображены рабочие пазы 3 с проводниками 7 в момент их отключения от источника электроэнергии при отходе от сбегающего края 12 полюса возбуждения с помощью щетки 13 и пластины 14 коллектора 15 и их подключения к источнику электроэнергии при подходе к набегающему краю 16 полюса с помощью щетки 13 и пластины 17 коллектора 15.

Работа электродвигателя заключается в следующем.

При работе под нагрузкой ток, проходящий по проводникам 7, уложенным в рабочих пазах 3 (см. фиг.1 левый и средний пазы), создает вокруг них магнитные линии 9 и 10. Благодаря свободному пазу 4, магнитным линиям 9 и 10 противоположного направления, создается благоприятное условие для раздельного и свободного прохождения через широкие зубцы 5, тело якоря 1, воздушный зазор между головками 6 зубцов 5 и полюсом 2 и часть тела полюса 2 ( в котором они не показаны). Кроме того, часть магнитных линий замыкается через воздушный зазор между головками 6 зубцов 5. Магнитные линии поля возбуждения 11, выходящие из полюса 2, проходя через левый зубец 5 среднего паза, слева от проводников 7, совместно с магнитными линиями 9 одинакового направления, увеличивают их плотность. В результате проводники 7, а следовательно, и якорь 1 движутся в сторону с меньшей плотностью магнитных линий, т.е. слева направо по часовой стрелке согласно известному правилу левой руки. Так как свободными пазами 4 создается благоприятное условие для замыкания магнитных линий 9 и 10, возникающих непосредственно вокруг проводников 7, через окружающие их широкие ненасыщенные зубцы 5 (см. фиг.1 средний паз), то общее поле якоря реакция якоря не создается, следовательно, и не создается ее поперечная составляющая, чем устраняется ее отрицательное влияние на работу электродвигателя в целом и отпадает необходимость в дополнительных полюсах. При этом поле возбуждения не искажается, а процесс его взаимодействия с проводниками с током осуществляется равномерно под всей поверхностью полюсов возбуждения. Поскольку все магнитные линии, создаваемые током непосредственно вокруг проводников 7, взаимодействуют с полем возбуждения, т.е. участвуют в электромеханическом процессе преобразования электрической энергии в механическую энергию, то этим и достигается работа электродвигателя постоянного тока по принципу действия магнитного поля на проводники с током, создание электромагнитного момента в соответствии с этим принципом, а также эффективное использование электроэнергии.

Отключение проводников 7, например петлевой обмотки, и их подключение к источнику электроэнергии осуществляется обычным способом, например, с помощью щетки 13 и коллектора 15 (на фиг.2 щетка, находящаяся на противоположной стороне коллектора 15, ввиду аналогичного действия не показана).

Отключение проводников 7 осуществляется в момент нахождения середине левого рабочего паза 3 под сбегающим краем 12 полюса возбуждения с полярностью S набеганием щетки 13 на коллекторную пластину 14, замыканием проводников 7 накоротко.

Подключение осуществляется в момент нахождения середины правого рабочего паза 3 под набегающим краем 16 полюса возбуждения с полярностью N, сбеганием щетки 13 с коллекторной пластины 17, размыканием проводников 7.

Ширина щеток зависит от ширины и количества коллекторных пластин и от расстояния между сбегающим 12 и набегающим 16 краями полюсов. Усилия, возникающие при отталкивании и притяжении зубцов при их отходе от сбегающего края 12 и подходе к набегающему краю 16, взаимно компенсируются и не влияют на электромагнитный момент.

При замене электромагнитных полюсов возбуждения постоянными магнитами максимально повышается эффективность использования электроэнергии электродвигателем.

Предлагаемый электродвигатель является обратимой машиной, при его работе в качестве электрогенератора его технико-экономические показатели также повышаются за счет упразднения дополнительных полюсов.

Таким образом, укладкой проводников секций обмотки якоря электродвигателя постоянного тока через паз повышаются его технико-экономические показатели упрощением конструкции за счет упразднения дополнительных полюсов и эффективного использования электроэнергии.

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в производстве электродвигателей постоянного тока. Цель повышение технико-экономических показателей электродвигателя. Электродвигатель содержит статор, зубцовый якорь с обмоткой и коммутирующее устройство. Зубцовый слой якоря выполнен с чередующимися рабочими и свободными пазами, причем свободные пазы имеют меньшие размеры по высоте и ширине, чем рабочие пазы, а секции обмотки якоря уложены в рабочие пазы через свободные пазы. 2 ил.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий статор, зубцовый якорь с обмоткой и коммутирующее устройство, отличающийся тем, что зубцовый слой якоря выполнен с чередующимися рабочими и свободными пазами, причем свободные пазы имеют меньшие размеры по высоте и ширине, чем рабочие пазы, а секции обмотки якоря уложены в рабочие пазы через свободные пазы.