МАШИНА ПОСТОЯННОГО ТОКА И.Г.СКИБИЦКОГО Российский патент 1997 года по МПК H02K23/38 

Изобретение относится к электрическим машинам постоянного тока и охватывает как электродвигатели, так и генераторы.

Электродвигатели предназначены для работы в электроприводах постоянного тока с питанием как от генераторов, так и от статических преобразователей и могут быть использованы на транспорте, для привода металлорежущих станков, в крановых и транспортных механизмах. Генераторы могут быть использованы для питания радиостанций, двигателей постоянного тока, зарядки аккумуляторных батарей, сварки и электрохимических низковольтных установок. Машины постоянного тока могут быть использованы в системах автоматики в качестве исполнительных двигателей, двигателей для привода лентопротяжных самозаписывающих механизмов, в качестве тахогенераторов и электромашинных усилителей.

Для работы машины постоянного тока необходимо изменять направление тока в проводниках якорной обмотки при изменении его положения относительно полюсов магнитного поля статора. Это переключение в обычных машинах постоянного тока обеспечивается с помощью коллектора.

Коллектор состоит из соединенных с витками обмотки якоря изолированных между собой пластин, которые, вращаясь вместе с обмоткой якоря, поочередно соприкасаются с неподвижными щетками, соединенными с внешней цепью.

Однако наличие коллектора, принципиально необходимого для такого типа машин, вызывает появление у них некоторых нежелательных свойств.

В первую очередь к ним относится необходимость постоянного надзора и ухода за коллекторно-щеточным узлом, так как при эксплуатации машины щетки истираются, а коллектор загрязняется и обгорает. Кроме того, неизбежное искрение щеточно-коллекторного аппарата создает радиопомехи, затрудняет применение машин во взрывоопасных помещениях и средах. Работа коллекторно-щеточного узла создает также дополнительный шум при работе машины.

Поэтому предпринимались многочисленные попытки создать безколлекторную машину постоянного тока, однако как утверждалось в [1] построить ее принципиально невозможно, принимая во внимание то, что в многовитковой якорной обмотке, активные стороны которой последовательно проходят под полюсами разной полярности, в любом случае наводится переменная ЭДС, для выпрямления которой необходимо особое устройство.

Стремление устранить механический коллекторно-щеточный узел и заменить его каким-либо бесконтактным устройством с теми же функциями привело к появлению так называемых бесконтактных (вентильных) машин постоянного тока. Эти машины имеют такие же характеристики, как машины с обычным коллектором, но обладают более высокой надежностью и простотой в эксплуатации, не создают при своей работе радиопомех и дополнительного шума.

В настоящее время разработано несколько видов таких машин, отличающихся друг от друга способом возбуждения, схемами включения обмоток и типами электрических коммутирующих устройств [2]
В генераторном режиме обычно применяются неуправляемые коммутаторы - многофазные выпрямители, а в двигательном режиме к машинам подключаются коммутаторы-инверторы, управляемые посредством датчика углового положения полюсов ротора.

Но эти бесконтактные машины являются сложными по конструкции и в изготовлении, а также дорогими из-за использования элементов полупроводниковой техники. Но, главное, их применение ограничено малыми мощностными характеристиками этих элементов.

Но возможности улучшения контактной коммутации в машинах постоянного тока еще далеко не исчерпаны.

Известна электрическая машина малой мощности, преимущественно тахогенератор постоянного тока [3] имеющая коллектор, к которому равномерно по окружности присоединены выводы обмотки якоря и с которым контактируют скользящие щетки, причем он выполнен в виде не разделанного на ламели полого цилиндра.

Это повышает стабильность контакта щеток и снижает пульсации напряжения.

Но с точки зрения преимущественного применения эта машина имеет малую мощность, что ограничивает область ее применения.

Известно токосъемное устройство для электрических машин [4] например генераторов с когтеобразными полюсами, содержащее контактные кольца, расположенные на втулке из электропроводного материала, элементы токопровода и изоляционные элементы, при этом одно из контактных колец расположено на изоляционном элементе, а другое непосредственно на втулке. Это упрощает токоподвод, но ограничивает применение, а именно только для генераторов.

Следует отметить, что контактные кольца в качестве контактного устройства широко используются в машинах переменного тока [5] причем их количество может быть различным: у синхронных обычно два, а у асинхронных чаще всего три, например у асинхронных машин с фазным исполнением ротора.

Известна машина постоянного тока [6] взятая за прототип, содержащая статор, щеточный механизм, подшипниковые щиты, контактное устройство, выполненное в виде двух проводящих колец, разделенных изоляцией, одно из которых выполнено сплошным, а другое с разрезами, якорь, начала катушек обмотки которого присоединены к сплошному кольцу, а концы к частям разрезного кольца.

Разрезное кольцо выполнено с двумя разрезами и в совокупности со сплошным кольцом в качестве элемента контактного устройства играет роль переключателя обмоток. За счет переключения этих обмоток происходит изменение магнитного потока машины, то есть в данном случае по магнитной системе машины проходит переменный магнитный поток, что характерно для машин коллекторного типа с присущими им недостатками (потери на гистерезис, уменьшение КПД).

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в усовершенствовании машины постоянного тока с тем, чтобы при сохранении всех положительных качеств, присущих машинам постоянного тока коллекторного типа она обеспечила бы достижение следующих технических результатов:
повышение КПД машины постоянного тока;
уменьшение расхода электротехнических материалов на изготовление машин;
упрощение технологии изготовления машины;
уменьшение массы машины.

Задача решается тем, что в машине постоянного тока, включающей статор, щеточный механизм, подшипниковые щиты и контактное устройство, выполняемое в виде двух проводящих колец, разделенных изоляцией, одно из которых выполнено сплошным, а другое с разрезами, якорь, начала катушек обмотки которого присоединены к сплошному кольцу, а концы к частям разрезного кольца, число катушек обмотки якоря и число разрезов равно трем, а углы между катушками и углы между разрезами составляют 120^o.

Разделение одного кольца тремя разрезами (на три гегемента) является определяющим фактором работоспособности заявляемой машины при взаимодействии магнитных полей якоря и статора в силу их нессиметричности по отношению друг к другу.

Такое выполнение машины постоянного тока дает возможность повысить КПД за счет уменьшения потерь на гистерезис и улучшения коммутации (уменьшения искрения под щетками).

Хотя работа заявляемой машины основана на принципе взаимодействия магнитных полей статора и якоря, заложенного в основу работы прототипа, есть особенность, которая заключается во взаимодействии якоря и контактного устройства.

Контактное устройство по изобретению производит поочередное включение и отключение катушек обмотки якоря при его вращении, что создает пульсирующее магнитное поле якоря, направленное под углом 90^o к магнитному полю статора, при этом обмотки якоря переключаются полностью.

В этом случае по катушкам якоря проходит только постоянный ток, то есть преобразования тока не происходит и, как следствие, отсутствуют потери на гистерезис.

В заявляемой машине искрение устраняется следующим образом:
а) за счет изменения (увеличения, уменьшения) сопротивления контакта между щеткой и сегментом разрезного кольца при вращении якоря и одновременного изменения (уменьшения, увеличения) сопротивления другого контакта.

При контакте щетки и сегментов разрезного кольца происходит их взаимное перекрытие с изменением площади контакта, а следовательно, изменяется и сопротивление контакта, которое связано с площадью контакта обратно пропорциональной зависимостью (по известным формулам электротехники).

Отсюда следует, что при уменьшении площади контакта между щеткой и сбегающим сегментом разрезного кольца сопротивление контакта будет увеличиваться и, следовательно, сопротивление будет уменьшаться и, как результат, ток в катушке, соединенный со сбегающим сегментом разрезного кольца будет уменьшаться, что и приводит к уменьшению искрения;
б) за счет появления в катушках якоря противоЭДС при вращении якоря в магнитном поле возбуждения, причем это противоЭДС направлена навстречу приложенному напряжению и уменьшает его, а, следовательно, и уменьшает ток в катушке якоря.

Отключение катушек якоря происходит при переходе последних под полюсами, где интенсивность магнитного потока наибольшая и, как следствие, в катушках наводится максимальная противоЭДС, что приводит к уменьшению тока в катушке.

Следует отметить, что в коллекторных машинах постоянного тока и в прототипе контакт щеток с коллекторными пластинами должен происходить строго на геометрической нейтрали полюсов, в заявляемой же машине это условие относится только к одной из щеток контактирующей с разрезным кольцом, другая же может контактировать в любом месте сплошного кольца.

Уменьшение расхода электротехнических материалов при применении заявляемой машины достигается за счет того, что при замене коллектора новым контактным устройством резко снижается потребность в цветных металлах (в основном меди), электротехнической стали и изоляционных материалах.

Упрощение технологии изготовления заявляемой машины достигается за счет того, что сама технология изготовления обмоток статора и якоря значительно проще, чем изготовление кольцеобразных магнитов статора прототипа, а также из-за очень простой конструкции контактного устройства заявляемой машины по сравнению с реверсивным переключателем прототипа.

Уменьшение массы заявляемой машины достигается за счет упрощения конструкции контактного устройства в целом.

На фиг. 1 изображена машина постоянного тока, вид сбоку, с разрезом верхней части; на фиг.2 контактное устройство, вид сбоку; на фиг.3 сечение А-А на фиг.2; на фиг.4; электротехническая схема машины.

Машина постоянного тока И. Г. Скибицкого состоит из неподвижной части (статора), включающей стальную станину 1, к которой крепятся полюса 2. Станина является частью магнитопровода машины. На полюсах размещаются катушки обмотки возбуждения 3, схема соединения которых аналогична применяемым в машинах постоянного тока коллектного типа.

Вращающая часть машины состоит из закрепленных на валу 4 якоря 5 с обмоткой 6 и контактного устройства 7 с проводящими кольцами: сплошным 8 и разрезным 9, разделенных изоляцией 10. Вал якоря закреплен в подшипниковых щитах 11.

Так как кольцо 9 с помощью разрезов разделено на три части, то эти части представляют собой сегменты 12.

Кольцо 9, из условия обеспечения возможности прохождения тока по катушкам якоря только в одном направлении, выполнено с тремя разрезами, смещенными друг относительно друга на 120^o, а обмотка якоря выполнена из трех катушек, сдвинутых друг относительно друга на 120^o, причем начала катушек присоединены к сплошному кольцу, а концы к разрезному. Кольца 8 и 9, независимо от режима работы машины двигательного или генераторного - выполняют функцию переключателя катушек обмотки якоря.

Отвод и подвод электрической энергии к обмотке якоря осуществляется с помощью щеток (не показаны), которые удерживаются в контакте с кольцами 8 и 9 с помощью щеткодержателей.

Крепление контактного устройства 7 осуществляется путем расклинивания его на валу изоляционными клиньями (не показано) с возможной последующей заливкой компаундами или цементирующими составами.

Непосредственное подключение обмоток катушек к контактным кольцам может производиться любыми известными методами: пайкой, сваркой, механическим креплением и так далее.

Обмотка же якоря осуществляется путем намотки трех катушек по варианту простой петлевой обмотки, что также упрощает технологию сборки.

Работа машины постоянного тока И.Г.Скибицкого осуществляется следующим образом.

При разомкнутой обмотке якоря (I_я=0) магнитное поле в машине создается только МДС обмотки возбуждения, по которой протекает постоянный ток I_в. При вращении якоря в его обмотке индуктируется переменная ЭДС, которая при помощи контакта разрезного кольца и щетки выпрямляется и по катушкам якоря поочередно проходит постоянный ток, т.е. в заявляемой машине.

В катушках якоря отсутствует переменный ток и, как следствие, уменьшаются потери, связанные с перемагничиванием.

Предлагаемая машина обладает свойством обратимости, т.е. она способна работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Для того, чтобы осуществить работу в режиме генератора, необходимо щетку, работающую в контакте с разрезным кольцом, переместить на 90^o в любую сторону.

Когда машина нагружена и работает в режиме двигателя или генератора (I_я0), магнитное поле в ней создается совместным действием МДС обмотки возбуждения и МДС обмотки якоря.

При работе в режиме двигателя ЭДС, индуктированная в обмотке, меньше чем напряжение сети, ток якоря совпадает по направлению с напряжением в сети, а электрическая энергия, поступающая из сети, преобразуется в механическую энергию, передаваемую через вал сопряженному с ним механизму.

Для перевода машины в двигательный режим работы щетку, находящуюся в контакте с разрезным кольцом необходимо повернуть, чтобы она была на геометрической оси машины.

При работе в генераторном режиме ЭДС больше, чем напряжение сети, ток якоря совпадает по направлению с ЭДС и механическая энергия, подводимая через вал машины, преобразуется в электрическую энергию, поступающую в сеть.

Для перевода машины в генераторный режим работы необходимо щетку, которая находится в контакте с разрезным кольцом, передвинуть на 90^o в любую сторону, чтобы щетка находилась на геометрической оси обмотки возбуждения.

В связи с отсутствием потерь на гистерезис (перемагничивание) в якоре из-за наличия в обмотке якоря только постоянного тока, появляется возможность выполнять якоря не шихтованными из отдельных пластин, а из сплошных заготовок (беспакетного типа).

Это, в свою очередь, дает возможность исключить при изготовлении применение специальных лаков и покрытий для пластин пакета якоря.

Применение заявляемой машины дает возможность выполнять электроснабжение промпредприятий по двухпроводной схеме, что позволит сэкономить материал, используемый в проводах за счет уменьшения количества проводов (в 2 раза), а также за счет уменьшения сечения проводов, так как эффективное сечение провода для постоянного тока всегда меньше.

Выполнение машины по заявляемому изобретению делает ее конструкцию предельно простой и в связи с эти ее можно сравнить с трехфазным асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором общего назначения.

Использование: источники и электропривод постоянного тока. Сущность изобретения: машина включает статор, якорь, щеточный механизм, подшипниковые узлы, контактное устройство, выполненное в виде двух проводящих колец, разделенных изоляцией, при этом одно из них выполнено сплошным, а другое - с тремя разрезами, смещенными друг относительно друга на 120^o, обмотка якоря выполнена из трех катушек, сдвинутых друг относительно друга на 120^o, причем начала катушек присоединены к сплошному кольцу, а концы катушек - к разрезному. Технический результат: повышение КПД, уменьшение расхода электротехнических материалов, упрощение технологии изготовления и уменьшение массы. 4 ил.

Машина постоянного тока, содержащая статор, щеточный механизм, подшипниковые щиты и контактное устройство, выполненное в виде двух проводящих колец, разделенных изоляцией, одно из которых выполнено сплошным, а другое с разрезами, якорь, начала катушек обмотки которого присоединены к сплошному кольцу, а концы к частям разрезного кольца, отличающаяся тем, что число катушек обмотки якоря равно трем, а углы между катушками и углы между разрезами составляют 120^o.