ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА С АВТОМАТИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ Российский патент 2002 года по МПК H02K7/02 H02J3/30 

Изобретение относится к области машиностроения и электромашиностроения и может быть использовано в средствах передвижения и в иных устройствах, где применяются двигатели.

Известно устройство, содержащее электродвигатель постоянного тока, маховик со смещенным относительно оси вращения центром масс, жестко закрепленный на валу, связанном с валом электродвигателя, датчик угла поворота вала и коммутатор, управляемый датчиком угла поворота вала, для дискретной коммутации внешнего источника электропитания к электродвигателю (см. описание изобретения к заявке РСТ WO 99/09636). Наличие внешнего источника питания в автономном режиме приводит к значительному увеличению габаритов и веса устройства, а также требует периодической подзарядки батареи.

Задачей изобретения является создание электродвигателя постоянного тока с автоматическим приводом.

Указанный технический результат достигается тем, что электродвигатель постоянного тока с автоматическим приводом, содержащий электродвигатель постоянного тока, маховик со смещенным относительно оси вращения центром масс, жестко закрепленный на валу, связанном с валом электродвигателя, датчик угла поворота вала, коммутатор, имеющий два вывода и управляющий вход, причем выход датчика угла соединен с управляющим входом коммутатора, а один вывод коммутатора соединен с первым выводом электропитания электродвигателя, в соответствии с изобретением дополнительно содержит генератор постоянного тока, вал которого механически связан с валом электродвигателя, средство принудительного запуска и конденсатор, при этом первый вывод генератора постоянного тока соединен с одной из обкладок конденсатора и с другим выводом коммутатора, а другая обкладка конденсатора и однополярные второй вывод генератора постоянного тока и второй вывод электропитания электродвигателя соединены между собой. В зависимости от сопротивления обмотки генератора постоянного тока и необходимости изменения частоты вращения вала, возможно соединение первого вывода генератора постоянного тока с обкладкой конденсатора и с выводом коммутатора через резистор, который может быть выполнен переменным.

Кроме того, маховик со смещенным относительно оси вращения центром масс предпочтительно имеет форму, симметричную относительно плоскости симметрии и относительно лежащей в этой плоскости оси симметрии, причем маховик жестко закреплен на валу так, что ось вращения маховика лежит в плоскости симметрии и проходит через точку пересечения оси симметрии с формой маховика под углом больше 0^o и меньше 90^o к оси симметрии, а центр масс маховика смещен относительно оси вращения.

В соответствии с изобретением источником импульсного питания для электродвигателя является заряд, накопленный на конденсаторе током генератора постоянного тока, вал которого механически связан с валом электродвигателя, причем ток заряда намного меньше (примерно на порядок), чем ток разряда конденсатора, протекающий по обмотке электродвигателя. Это обеспечивается тем, что время заряда конденсатора, напротив, больше (примерно на порядок), чем время разряда, что позволяет использовать генератор постоянного тока меньшей мощности, чем мощность, потребляемая электродвигателем.

Изобретение поясняется на примере его осуществления, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее.

Фиг.1 - схема электродвигателя постоянного тока с автоматическим приводом, выполненного в соответствии с изобретением.

Фиг. 2а, б, в, г - графики напряжений в схеме электродвигателя постоянного тока с автоматическим приводом по фиг.1 в зависимости от угла ϕ поворота вала электродвигателя 1.

Как показано на фиг. 1, электродвигатель постоянного тока с автоматическим приводом содержит электродвигатель 1 постоянного тока, генератор 2 постоянного тока, вал 3 которого механически связан с валом 4 электродвигателя 1, маховик 5 со смещенным относительно оси вращения центром масс, жестко закрепленный на валу 6, связанном с валом 4 электродвигателя 1, датчик 7 угла поворота вала 4, коммутатор 8, имеющий два вывода и управляющий вход, конденсатор 9 и переменный резистор 10. Соединение валов 3 и 4, а также валов 4 и 6 осуществляется с помощью муфт 11, 12. Электродвигатель 1 также содержит средство принудительного запуска (на чертеже не показано). Выход датчика 7 угла соединен с управляющим входом коммутатора 8, один вывод коммутатора 8 соединен с первым выводом электропитания электродвигателя 1. Первый вывод генератора 2 постоянного тока соединен через переменный резистор 10 с одной из обкладок конденсатора 9 и с другим выводом коммутатора 8. Однополярные второй вывод генератора 2 постоянного тока и второй вывод электропитания электродвигателя 1 и другая обкладка конденсатора 9 соединены между собой.

В предпочтительном варианте осуществления маховик 5 может быть выполнен в виде полусферы, закрепленной на валу так, что ось вращения и ось симметрии маховика лежат в одной плоскости под углом друг к другу, например, 30...40 градусов. Такой маховик со смещенным центром масс является самодемпфирующим, так как он существенно снижает или предотвращает вредные механические колебания, возникающие при вращении маховика со смещенным центром масс.

Электродвигатель постоянного тока с автоматическим приводом работает следующим образом.

С помощью средства принудительного запуска (на фиг.1 не показано) приводится во вращение вал 4 электродвигателя 1 постоянного тока и механически связанные с ним вал 3 генератора 2 постоянного тока и вал 6 маховика 5. Током, выработанным генератором 2 постоянного тока, заряжается конденсатор 9 (фиг. 2б) до напряжения U_конд, равного напряжению U_ген (фиг.2а) генератора 2 постоянного тока. Разряд конденсатора 9 на обмотку электродвигателя 1 производится по сигналу U_ду датчика 7 угла (фиг.2в), подаваемому на управляющий вход коммутатора 8 в определенных угловых диапазонах на одном полном обороте вала 4 электродвигателя 1, как показано на фиг.26, 2г. Указанные угловые диапазоны значительно меньше угловых диапазонов, при которых происходит заряд конденсатора 9, что дает возможность применить генератор 2 постоянного тока, мощность которого меньше мощности электродвигателя 1, так как использована возможность заряда конденсатора 9 током, меньшим, чем ток разряда.

Таким образом, через обмотку электродвигателя 1 протекает импульсный ток разряда конденсатора 9, создающий крутящий момент на валу 4 электродвигателя 1.

Максимальные значения тока и напряжения генератора постоянного тока для расчета его мощности могут быть выбраны с учетом следующих соображений. При импульсном электропитании и при длительности импульса, намного меньшей паузы между двумя соседними импульсами (фиг.2в), максимальные амплитуды напряжения и соответственно тока могут быть значительно выше номинальных значений, допустимых для применяемого электродвигателя 1, выбираем номинальное напряжение U_{ген.ном.} генератора 2 постоянного тока, которое соответствует максимальному напряжению заряда конденсатора 9, примерно в 3 раза больше номинального напряжения U_дв.ном. электродвигателя 1, а номинальный ток I_{ген.ном.} генератора 2, соответствующий току заряда конденсатора 9, выбираем примерно в 10 раз меньшим номинального тока I_дв.ном. электродвигателя 1. Мощность P_{ген.ном.} генератора 2 постоянного тока составит
Р_{ген.ном.}=I_{ген.ном.}U_{ген.ном.}≈(3U_дв.ном.I_дв.ном.)/10=0,3Р_дв.ном.
Применение маховика 5 со смещенным относительно оси вращения центром масс (маховика-эксцентрика) на валу электродвигателя 1 позволяет усилить мощность электродвигателя 1 по сравнению с потребляемой мощностью последнего в (1,2÷1,8) раза, так как увеличивается суммарный крутящий момент на валу, создаваемый системой электродвигатель 1 - маховик 5 (см. патент РФ 2114497, кл. Н 02 К 7/02, опубл. 27.06.1998; и заявку на патент РФ 99103739 от 3.03.1999 тех же заявителей), а выполнение маховика 5 в виде самодемпфирующего позволяет, кроме того, частично или полностью предотвратить вредные механические колебания, вызываемые эксцентриситетом маховика при его вращении.

С помощью резистора 10 устанавливается ток заряда конденсатора 9. Выполнение резистора 10 переменным позволяет регулировать ток заряда конденсатора 9 и, как следствие, напряжение заряда конденсатора для управления частотой вращения вала 4 электродвигателя 1.

Выходная мощность Р_дв.вых. на валу электродвигателя 1 с учетом усиления, обеспечиваемого маховиком 5, и генератора 2 в качестве части нагрузки составляет

Процесс заряда и разряда конденсатора 9 повторяется циклически на каждом обороте вала 4 электродвигателя 1. Таким образом осуществляется автоматический привод.

Изобретение относится к машиностроению и электромашиностроению и может быть использовано в средствах передвижения и в устройствах, где применяются двигатели. Технический результат, заключающийся в обеспечении автоматического привода, достигается путем того, что электродвигатель постоянного тока с автоматическим приводом дополнительно содержит генератор постоянного тока, вал которого механически связан с валом электродвигателя, средство принудительного запуска и конденсатор, при этом первый вывод генератора постоянного тока соединен с одной из обкладок конденсатора и с другим выводом коммутатора, а другая обкладка конденсатора и однополярные второй вывод генератора постоянного тока и второй вывод электропитания электродвигателя соединены между собой. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Электродвигатель постоянного тока с автоматическим приводом, содержащий электродвигатель постоянного тока, маховик со смещенным относительно оси вращения центром масс, жестко закрепленный на валу, связанном с валом электродвигателя, датчик угла поворота вала, коммутатор, имеющий два вывода и управляющий вход, причем выход датчика угла поворота вала соединен с управляющим входом коммутатора, а один вывод коммутатора соединен с первым выводом электропитания электродвигателя, отличающийся тем, что дополнительно содержит генератор постоянного тока, вал которого механически связан с валом электродвигателя, средство принудительного запуска и конденсатор, при этом первый вывод генератора постоянного тока соединен с одной из обкладок конденсатора и с другим выводом коммутатора, а другая обкладка конденсатора и однополярные второй вывод генератора постоянного тока и второй вывод электропитания электродвигателя соединены между собой. 2. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что соединение первого вывода генератора постоянного тока с обкладкой конденсатора, соединенной с выводом коммутатора, осуществлено через резистор. 3. Электродвигатель по п. 2, отличающийся тем, что резистор выполнен переменным. 4. Электродвигатель по любому из пп. 1 -3, отличающийся тем, что маховик со смещенным относительно оси вращения центром масс имеет форму, симметричную относительно плоскости симметрии и относительно лежащей в этой плоскости оси симметрии, причем маховик жестко закреплен на валу, связанном с валом электродвигателя, так, что ось вращения маховика лежит в плоскости симметрии и проходит через точку пересечения оси симметрии с формой маховика под углом больше 0^o и меньше 90^o к оси симметрии, а центр масс маховика смещен относительно оси вращения.