ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2002 года по МПК H02K23/02 H02K23/24 

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в электроприводах общепромышленных механизмов для обеспечения устойчивой и регулируемой частоты вращения в широком диапазоне скоростей.

Известна классическая машина постоянного тока вращательного движения, неподвижная часть которой представляет собой индуктор с источником магнитодвижущей силы (МДС), а вращающаяся часть - якорь с обмоткой и коллектор (см. Вольдек А.И., Электрические машины. Л.: Энергия, 1974, с.33-39, 130-132).

Общеизвестным недостатком ее является значительная трудоемкость изготовления якоря.

Наиболее близким к заявляемому является вентильный двигатель постоянного тока (ВДПТ), созданный на базе синхронной машины с когтеобразными полюсами (см. Бут А.А. Бесконтактные электрические машины. М.: Высшая школа, 1990 г., с.240-248, 123-133).

Данный двигатель выбран в качестве прототипа.

Прототип совпадает с заявляемым изобретением в том, что имеет общие признаки:
- неподвижный статор, который содержит обмотку якоря и обмотки возбуждения;
- ротор с ферромагнитными полюсами.

Однако двигатель по прототипу очень сложный. Во-первых, это связано со сложностью полупроводникового коммутатора, а во-вторых, со сложностью датчика положения ротора. Кроме того, двигатель имеет повышенное значение удельных масс, в частности при мощности двигателя 0,5 кВт и собственной массе электродвигателя 2,3 кг, масса полупроводникового коммутатора и блока управления составляет 2 кг.

В основу изобретения поставлена задача создать электрический двигатель постоянного тока, в котором за счет снабжения его дополнительным коммутатором-коллектором и добавочными полюсами, а также особенностями их выполнения и связи деталей и узлов, обеспечить упрощение изготовления двигателя и повышения удельных значений его мощности.

Поставленная задача решена в электрическом двигателе постоянного тока, включающем неподвижный статор, содержащий обмотки якоря и возбуждения и ротор с ферромагнитными полюсами тем, что он дополнительно снабжен коммутатором-коллектором, щеточный узел которого установлен с возможностью вращения, кроме того, двигатель снабжен добавочными полюсами, каждый из которых состоит из двух встречно ориентированных выступов, установленных на ферромагнитном цилиндре, несущем общую обмотку добавочных полюсов, выводы которой включены последовательно с обмоткой якоря посредством двух вращающихся контактных колец и неподвижных щеток.

Новым в заявляемом изобретении является наличие следующих признаков:
- дополнительный коммутатор-коллектор;
- установка щеточного узла с возможностью вращения;
- добавочные полюса;
- особенности выполнения добавочных полюсов;
- принцип (схема) соединения обмотки добавочных полюсов с обмоткой якоря.

Причинно-следственную связь между совокупностью заявляемых признаков и достигаемым результатом можно объяснить следующим.

В заявляемом электрическом двигателе постоянного тока коммутация секций обмотки якоря обеспечивается не полупроводниковым коммутатором по сигналам датчика положения ротора (как у прототипа), а щеточным узлом, вращающимся синхронно с ротором относительно неподвижно установленного коммутатора-коллектора. Отсутствие, по сравнению с прототипом, сложного как в изготовлении, так и в обслуживании полупроводникового коммутатора, обладающего, как известно, массой, соизмеримой с массой собственно электрической машины, позволяет упростить технологию изготовления предлагаемого двигателя постоянного тока и уменьшить значения удельных масс m*=m/p, где m - масса двигателя, кг; р - мощность двигателя, кВт,
т.к. для ВДПТ полная масса m_Σ = m_ЭМ+m_ПК, где
m_ЭМ - масса электрической машины,
m_ПК - масса полупроводникового коммутатора и схемы управления.

Для предлагаемого двигателя m_Σ = m_ЭМ+m_К, где
m_К - масса щеточно-коммутаторно-коллекторного узла.

Применение добавочных полюсов позволяет увеличить линейную нагрузку машины постоянного тока и тем самым уменьшить ее размеры и стоимость, обеспечивая повышение ее удельных значений момента и мощности m_m=M_эт/S_a; m_p= P/S_a, где
S_a - площадь активной поверхности якоря.

Таким образом, в предлагаемом электрическом двигателе постоянного тока основной магнитный поток Ф₀ является внешнезамкнутым, а поток добавочных полюсов Ф_д - внутризамкнутым.

На чертежах изображен заявляемый электрический двигатель постоянного тока:
фиг.1 - конструктивная схема предлагаемого двигателя;
фиг.2 - двигатель, сечение А-А;
фиг.3 - вращающиеся элементы двигателя;
фиг.4 - конструктивная схема коммутатора-коллектора;
фиг.5 - конструктивная схема вращающейся части с добавочными полюсами;
фиг.6 - сечение А-А двигателя с добавочными полюсами.

Предлагаемый электрический двигатель состоит из неподвижного статора 1, подвижного ротора 2 и коммутатора-коллектора 3. На статоре 1 расположены две обмотки возбуждения 4, 5 и обмотка якоря 6, секции которой размещены в пазах шихтованного стального сердечника якоря 7. Ярмо 8 выполнено из магнитомягкой стали. Два ферромагнитных кольца 9 и 10 отделены от ротора 2 технологическими зазорами δ_m1 и δ_m2. Торцевые щиты 11 и 12 соединены с ярмом 8 рядом болтовых соединений 13.

Ротор 2 состоит из вала 14, который вращается в подшипниках 15, установленных в торцевых щитах 11, 12. С валом 14 жестко сочленены два ферромагнитных кольца 16 и 17, несущие когтеобразные полюсы 18, 19, которые установлены со сдвигом друг относительно друга на 180^o. Число таких полюсов определяет число 2р, соответствующее числу реальных полюсов классической машины постоянного тока. Полюсы 18, 19 отделены от сердечника якоря 7 рабочим воздушным зазором δ_p, являющимся рассчетной величиной. Для устранения возможности шунтирования магнитного потока вал 14 содержит вставку 20 из немагнитного материала.

Магнитный поток Ф₀₁, созданный обмоткой возбуждения 5, можно рассматривать как сумму потоков Ф'₀₁ и Ф''₀₁, каждый из которых создастся магнитодвижимой силой проводников обмотки, находящихся в данный момент в зоне полюса 18 и в зоне, отстоящей от полюса 18 на 180^o. Поток Ф'₀₁ замыкается по пути: полюс 18 - воздушный зазор δ_p - сердечник якоря 7 - ярмо 8 - торцевой щит 12 - кольцо 10 - технологический зазор δ_T2 - кольцо 17 - полюс 18. Поток Ф''₀₁ замыкается по пути: полюс 18 - воздушный зазор δ_p - сердечник якоря 7 - ярмо 8 (в плоскости, перпендикулярной валу 14) - торцевой щит 12 - кольцо 10 - технологический зазор δ_T2 - кольцо 17 - полюс 19. Подобным образом образуется и поток Ф₀₂, проходящий через полюс 19.

Питание обмотки якоря осуществляется посредством электромеханического коммутатора-коллектора 3, который может быть изготовлен из обычного цилиндрического коллектора вращающихся машин постоянного тока путем следующих доработок. С обеих сторон коллектора выполняются два паза, в которые изолированно от медных пластин посредством изоляционных (текстолитовых) прокладок 21 и 22 устанавливаются контактные кольца 23 и 24, к которым подводится напряжение сети. Эта часть коммутатора закрепляется крепящей конструкцией 25 к торцевому щиту 12 (фиг.1). Секции обмотки якоря 6 (фиг.1), в соответствии со схемой якорной обмотки, подключаются к коллекторным пластинам 26 посредством жгута 27. На вал двигателя коллектор насаживается с помощью подшипников 28, 29. Щеткодержатели 30, 31 из изоляционного материала со щетками 32, 33 конструктивно объединяются траверсой 34, которая жестко, без проскальзывания, сочленяется с торцом вала винтом 35.

Такой коммутатор легко выполняется защищенным, закрытым или погруженным в масло, что позволяет изолировать его от вредных воздействий внешней среды.

Щетки 32 и 33 коммутатора-коллектора 3, одновременно контактируя с токоподводящими кольцами 23, 24 и соответствующими коллекторными пластинами 26, осуществляют функции как токопровода, так и токораспределения секций якорной обмотки 6.

В предлагаемом электродвигателе добавочные полюсы (фиг.5, 6) расположены на линии геометрической нейтрали в промежутке между когтеобразными выступами основных полюсов 18 и 19 (фиг.1). Добавочный полюс состоит из двух встречно ориентированных когтеобразных выступов 36, 37, укрепленных на общем ферромагнитном полом цилиндре 38, который жестко соединен с немагнитной вставкой 20 общего вала 14 (фиг.1). На ферромагнитном цилиндре 38 размещена обмотка 39 добавочного полюса, число витков которой определяется исходя из величины магнитодвижущей силы реакции якоря. Обмотка 39 соединяется последовательно с электрической цепью якоря посредством дополнительно устанавливаемых контактных колец 40, закрепленных на валу 14 через изоляционные прокладки 41 контактных зажимов 42 и неподвижных щеток 43.

Магнитный поток Ф_д, созданный МДС обмотки 39 добавочных полюсов, замыкается по пути (фиг.6): полюс 36 (N_д) - сердечник якоря 7 - полюс 37 (S_д) - ферромагнитный цилиндр 38, т.е. поток Ф_д направлен встречно потоку реакции якоря Ф_а, чем обеспечивается улучшение условий коммутации секций в зоне геометрической нейтрали. Число добавочных полюсов определяется числом пар основных полюсов 18, 19 при неизменном значении числа витков обмотки 39. При необходимости, например в случае использования предлагаемого двигателя в качестве тягового двигателя, в стали основных полюсов 18, 19 может быть уложена компенсационная обмотка, включаемая в якорную цепь двигателя последовательно с обмоткой добавочных полюсов посредством одних и тех же контактных колец 40.

Предлагаемый электрический двигатель постоянного тока работает следующим образом.

При подаче напряжения на обмотки возбуждения 4, 5 и обмотку якоря 6 (фиг. 1, 2) взаимодействием основного магнитного потока Ф₀ и токов проводников обмотки якоря 6, находящихся в зоне полюсов 18, 19 создается электромагнитная сила F_эм, действующая (при принятых на фиг.2 направлениях токов и потоков) по часовой стрелке на статор 1 и, соответственно, против часовой стрелки на полюсы 18, 19. Под действием пары сил, определяющих величину и направление электромагнитного момента М_эм, ротор 2 приводится во вращение. Коммутатор-коллектор 3 переключает токи в секциях обмотки якоря 6 таким образом, чтобы при вращении в одну сторону токи проводников, находящихся в данный момент против полюсов 18, 19 сохраняли неизменное направление. Регулирование скорости и реверс осуществляются известными для классических машин постоянного тока способами.

Изобретение относится к области электромашиностроения. Технический результат, заключающийся в упрощении изготовления двигателя и повышении удельных значений мощности и момента, достигается путем того, что электрический двигатель постоянного тока, содержащий неподвижный статор, обмотки якоря и возбуждения и ротор с ферромагнитными полюсами, дополнительно снабжен коммутатором-коллектором, щеточный узел которого установлен с возможностью вращения, кроме того, двигатель снабжен добавочными полюсами, каждый из которых состоит из двух встречно ориентированных когтеобразных выступов, установленных на ферромагнитном цилиндре, несущем общую обмотку добавочных полюсов, выводы которых включены последовательно с обмоткой якоря посредством двух вращающихся контактных колец и неподвижных щеток. 6 ил.

Электрический двигатель постоянного тока, включающий неподвижный статор, содержащий обмотки якоря и возбуждения, и ротор с ферромагнитными полюсами, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен коммутатором - коллектором, щеточный узел которого установлен с возможностью вращения, кроме того, двигатель снабжен добавочными полюсами, каждый из которых состоит из двух встречно ориентированных когтеобразных выступов, установленных на ферромагнитном цилиндре, несущем общую обмотку добавочных полюсов, выводы которых включены последовательно с обмоткой якоря посредством двух вращающихся контактных колец и неподвижных щеток.