РЕПУЛЬСИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК H02K27/10 H02K23/26 

Изобретение относится к электрооборудованию и электромашиностроению и может быть использовано в однофазных коллекторных двигателях большой мощности, которые используют на электрифицированных железных дорогах.

Известно, что однофазные коллекторные двигатели широко применяются в бытовых электроприборах. Обычно их мощность не превышает сотен ватт, а частота вращения доходит до 30000 об/мин. Известно также применение мощных коллекторных двигателей мощностью до 1500 кВт. Электротяга может осуществляться на постоянном и переменном токах, и однофазные коллекторные электродвигатели выпускают универсальными, то есть такими, которые могут работать на постоянном и переменном токе. На железных дорогах, электрифицированных на переменном токе 25-30 кВ, на электровозах, например, устанавливают понижающие трансформаторы и выпрямители, питающие тяговые двигатели [1, 2].

При конструировании и эксплуатации однофазных коллекторных двигателей основные проблемы, которые приходтся решать разработчикам, связаны с проблемами коммутации и возбуждения. Двигатели небольшой мощности выполняют без добавочных полюсов. Для улучшения коммутации в коллекторных двигателях большей мощности используют компенсационные обмотки и добавочные полюсы. Однако добавочные полюсы в коллекторных машинах не могут скомпенсировать реактивную ЭДС и трансформаторную ЭДС во всех режимах работы, и коммутация в коллекторных двигателях переменного тока хуже, чем в машинах постоянного тока.

Среди однофазных коллекторных двигателей особое место занимают репульсионные. Репульсионными называют однофазные коллекторные двигатели, в которых обмотка ротора (якоря) не имеет электрической связи со статором и питающей сетью. Щетки этих двигателей замкнуты накоротко, и передача электрической энергии ротору происходит трансформаторным путем через магнитное поле. Регулирование скорости вращения этих двигателей осуществляют путем поворота щеток, а их пуск производят путем прямого включения на полное напряжение сети. Простота пуска и регулирования скорости обусловила определенное распространение репульсионных двигателей небольшой мощности (до P = 20-30 кВт) с одной парой щеток. Репульсионные двигатели большей мощности изготавливают с двойным комплектом щеток, что позволяет уменьшить ток под щеткой, а также более плавно регулировать частоту вращения. В репульсионных двигателях большой мощности применяют также компенсационную обмотку, которую соединяют последовательно с обмоткой возбуждения.

Так как у репульсионных двигателей положение щеток не фиксировано, то применение добавочных полюсов невозможно. Статоры этих двигателей выполняют с неявновыраженными полюсами. Улучшение условий коммутации возможно в основном только с помощью щеток с повышенным переходным сопротивлением и путем уменьшения числа витков секции обмотки якоря.

Таким образом, наиболее близким к заявляемому по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является репульсионный двигатель, содержащий статор с обмоткой возбуждения, якорь с обмоткой, коллектор и щетки [1]. Такой двигатель, как отмечено выше, характеризуется простотой пуска и регулирования скорости вращения. Однако ограниченное использование репульсионных двигателей объясняется сложностью дистанционного управления режимом работы, поскольку управление осуществляется только путем механического перемещения щеточной траверсы, при котором условия коммутации не являются удовлетворительными для большинства режимов эксплуатации двигателей.

Поэтому целью предлагаемого технического решения является обеспечение возможности дистанционного управления пуском и работой электродвигателя, улучшение условий коммутации.

Поставленная цель достигается тем, что в известном репульсионном двигателе, содержащем статор с обмоткой возбуждения, якорь с обмоткой, коллектор и щетки, согласно изобретению обмотка возбуждения выполнена по типу якорной и секционирована, при этом каждая секция соединена с парой контактов, а щетки шунтированы реактивным сопротивлением, выполненным с возможностью изменения индуктивности.

Прямое включение первой секции обмотки возбуждения равносильно повороту щеток относительно положения холостого хода на некоторый угол, при этом с помощью реактивного сопротивления устанавливается ток, соответствующий току рабочего режима двигателя. Последующее включение секций обмотки возбуждения равносильно повороту щеток на больших угол, а изменением реактивного сопротивления устанавливает ток в обмотке якоря, увеличивающий момент вращения в заданном направлении. Использование обмотки возбуждения, выполненной по типу якорной, обеспечивает условия плавного изменения режима работы двигателя включением необходимого количества секций.

Как видно из изложения сущности заявляемого решения, оно отличается от прототипа и, следовательно, является новым.

Решение также обладает изобретательским уровнем. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования репульсионного двигателя, в котором, вследствие выполнения обмотки возбуждения по типу якорной и секционированной, причем каждая секция которой соединена с парой контактов, и шунтирования щеток реактивным сопротивлением, выполненным с возможностью изменения величины индуктивности, обеспечивается возможность при неподвижных щетках индуктировать пусковой ток, создавать пусковой момент и увеличивать его до максимального значения, и за счет этого дистанционно управлять пуском и работой репульсионного двигателя.

Основной технический результат, который достигают заявляемым решением, заключается в том, что при управлении репульсионным двигателем исключается использование специальных механических устройств, обеспечивающих перемещение щеточной траверсы. Использование таких устройств не обеспечивает необходимых условий коммутации на коллекторе.

Известны устройства для регулирования возбуждения электродвигателей [3, 4]. Обмотки возбуждения подключают через трансформаторы и достаточно сложные схемы регулирования, включающие тиристоры. Такие схемы существенно удорожают устройства в целом и усложняют их эксплуатацию. Для улучшения возбуждения и условий коммутации в коллекторных однофазных двигателях используют компенсационные обмотки, добавочные полюсы и активные сопротивления. Но это в основном относится к двигателям с последовательным возбуждением. Известно также секционирование обмотки статора для подключения пускового тиристорного устройства, обеспечивающего пуск синхронного неявнополюсного двигателя типа СТА [5]. Однако такое секционирование применяют для снижения реактивной нагрузки, но не для управления моментом вращения. Шунтирование обмотки якоря реактивным сопротивлением в репульсионном двигателе для управления моментом вращения не применялось.

Решение также промышленно применимо. Оно может быть использовано на электротранспортере, в подъемно-транспортном оборудовании и т.п.

На чертеже схематично показано устройство заявляемого репульсионного двигателя.

Репульсионный двигатель содержит обмотку 1 статора (возбуждения), выполненную по типу якорной, имеющую три секции и три пары нормально разомкнутых контактов 2, 3, 4, соответствующих вращению якоря 5 вправо, и три секции и три пары таких же контактов 6, 7, 8, соответствующих вращению якоря 5 влево. На коллекторе 9 установлены неподвижно щетки 10. Нормально разомкнутые контакты 2-4 и 6-8 соединены с источником питания, например через понижающий трансформатор. Щетки 10 шунтированы реактивным сопротивлением 11, параллельно которому включены нормально разомкнутые контакты 12, 13, 14 таким образом, что их замыкание происходит после полного включения обмотки возбуждения для движения вправо или влево. Коммутирующие секции якоря имеют индуктивные сопротивления 15.

Репульсионный двигатель работает следующим образом. При замыкании контактов 2 в якоре 5 индуктируется ток 11 и двигатель развивает момент M1, вращаясь влево. При замыкании контактов 3 в якоре 5 индуктируется ток I2, двигатель развивает момент M2, вращаясь в том же направлении. При замыкании контактов 4 в якоре 5 индуктируется ток М3, двигатель развивает момент I3, вращаясь в том же направлении. Затем последовательно замыкают контакты 12, 13, 14, уменьшая реактивное сопротивление. В результате двигатель разовьет максимальный вращающий момент. При рекуперативном торможении или при изменении направления вращения последовательно включают контакты 6, 7, 8, а затем опять 12, 13, 14. Двигатель при этом получит крутящий момент вправо.

Испытания опытных образцов показали, что величина вращающего момента на каждой стадии запуска двигателя прямо зависит от доли включения обмотки возбуждения и величины индуктивного сопротивления в цепи якоря. При этом коммутация репульсионного двигателя удовлетворительная. На всех режимах работы двигателя искрение щеток по коллектору визуально не наблюдается.

Таким образом, с помощью предложенного технического решения осуществлено дистанционное управление репульсионным двигателем, при этом исключено использование механизма перемещения щеточной траверсы. Изменение режимов работы двигателя может осуществляться более простыми средствами, а наличие индуктивных сопротивлений в цепи коммутируемых секций улучшает условия коммутации на коллекторе, что увеличивает срок службы двигателя.

Литература
1. Копылов И. П. Электрические машины. - М.: Электроатомиздат, 1986. - 360 с.

2. Вольдек А.И. Электрические машины. - Л.: Энергия, 1978, - 832 с.

3. Описание к авторскому свидетельству N 852659, М. кл. B 60 L 9/12, от 13.11.79.

4. Описание к авторскому свидетельству N 872331, М. кл. B 60 L 9/12, от 19.12.79.

5. Копылов И. П. Справочник по электрическим машинам. т. 1 - М.: Энергоиздат, 1988, с. 207-209.

Изобретение относится к электрооборудованию и электромашиностроению и может быть использовано в однофазных коллекторных двигателях большой мощности, которые используют на электрифицированных железных дорогах. В устройстве обмотка возбуждения выполнена по типу якорной и секционированной, причем каждая секция соединена с парой контактов, щетки шунтированы реактивным сопротивлением, выполненным с возможностью изменения величины индуктивности, обеспечивается возможность при неподвижных щетках индуктировать пусковой ток, создавать пусковой момент и увеличивать его до максимального значения и за счет этого дистанционно управлять пуском и работой репульсионного двигателя, при этом исключено использование механизма перемещения щеточной траверсы. Изменение режимов работы двигателя может осуществляться более простыми средствами, а наличие индуктивных сопротивлений в цепи коммутируемых секций улучшает условия коммутации на коллекторе, что увеличивает срок службы двигателя. Изобретение позволяет обеспечить возможность дистанционного управления пуском и работой электродвигателя, улучшить условия коммутации. 1 ил.

Репульсионный двигатель, содержащий статор с обмоткой возбуждения, якорь с обмоткой, коллектор и щетки, отличающийся тем, что обмотка возбуждения выполнена по типу якорной, секционирована и каждая секция имеет пару контактов для подключения к источнику питания, а щетки шунтированы реактивным сопротивлением, выполненным с возможностью изменения индуктивности.