СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ КОММУТИРУЮЩЕГО ПОЛЯ В ОДНОФАЗНОМ КОЛЛЕКТОРНОМ ДВИГАТЕЛЕ Российский патент 2005 года по МПК H02P5/418 H02K13/14 

Изобретение относится к способам улучшения коммутации однофазных коллекторных электрических машин и может быть использовано в двигателях с дополнительными полюсами.

Стремление устранить рассогласование по фазе между током якоря i=I_msinωt и основным магнитным потоком ϕ=Ф_msinωt, пульсирующими во времени t с угловой частотой ω, определяет последовательное возбуждение таких двигателей как простейший вариант, получивший основное распространение. С учетом насыщения магнитной цепи Ф_m зависит от I_m нелинейно.

В общем случае в коммутируемых секциях обмотки якоря индуктируются три ЭДС.

Основной магнитный поток, пульсирующий во времени, индуктирует трансформаторную ЭДС e_t=-dϕ/dt=Е_mtsin(ωt-π/2), которая от угловой скорости якоря Ω не зависит, прямо пропорциональна основному потоку и отстает от него по фазе на угол π/2. Ее существование является принципиальной особенностью, существенно осложняющей коммутационные процессы в таких двигателях.

Потоки рассеяния коммутируемых секций индуктируют в них реактивную ЭДС само- и взаимоиндукции е_r=E_mrsinωt. Ее расчетная амплитуда E_mr прямо пропорциональна скорости изменения тока в коммутируемой секции, то есть произведению амплитудного значения тока якоря I_m и угловой скорости Ω. По фазе е_r совпадает с током в том смысле, что она прямо пропорциональна мгновенному значению тока, проходящего в момент коммутации через щетку. Таким образом, е_r, независимо от режима работы, опережает e_t по фазе на угол π/2.

Магнитное поле дополнительных полюсов индуктирует коммутирующую ЭДС вращения e_k=Е_mksin(ωt+γ_k), прямо пропорциональную произведению угловой скорости якоря Ω и магнитной индукции B_k(α), распределенной по ширине коммутационной зоны с угловым измерением α и пульсирующей во времени вместе с переменным током. Эта ЭДС по своему назначению должна компенсировать суммарную ЭДС e_tr=e_t+e_r. Но е_tr, в зависимости от режима работы двигателя, изменяется не только по величине, но и по фазе. Соответственно, должны изменяться одновременно Е_mk и γ_k. В частности, в пусковом режиме, когда Ω=0, e_r=0 и e_k=0, а поток по условиям достижения большого пускового момента максимален, ничем не скомпенсированная e_t в секциях обмотки якоря, замкнутых щетками накоротко, может вызвать неприемлемо сильные токи. Этот фактор осложняет эксплуатацию однофазных коллекторных двигателей и создает трудности в их проектировании.

Известен способ улучшения коммутации тяговых однофазных коллекторных двигателей использованием пониженной частоты напряжения контактной сети (например, до 1/3 от промышленной частоты на некоторых зарубежных железных дорогах) с целью снижения трансформаторной ЭДС e_t [1-3]. Однако этот способ не обеспечивает полного устранения трансформаторной ЭДС и приводит к существенному ухудшению массогабаритных показателей двигателя.

Известен способ компенсации реактивной ЭДС е_r в однофазных коллекторных двигателях (как и в двигателях постоянного тока) применением дополнительных полюсов с обмоткой, включенной последовательно в цепь якоря, индуктирующих своим полем в коммутируемых секциях действующую встречно коммутирующую ЭДС вращения e_k. При этом подбор активного сопротивления, шунтирующего обмотку дополнительных полюсов, может обеспечить в одном определенном для данного двигателя режиме компенсацию суммарной ЭДС e_tr [1-3]. В пусковом режиме трансформаторная ЭДС не компенсируется.

Известно техническое решение [1-3], которое расширяет регулировочные возможности дополнительных полюсов путем шунтирования их обмотки совокупностью активных и реактивных сопротивлений с целью регулирования величины и фазы коммутирующей ЭДС e_k. В пусковом режиме трансформаторная ЭДС не компенсируется.

Известна электрическая машина постоянного тока с устройством формирования коммутирующего поля [4], в которой с целью регулирования величины и формы кривой коммутирующей ЭДС при апериодических переходных процессах используется несимметрия наконечников и программное управление питанием обмоток разноименных дополнительных полюсов от независимых источников. Формирование бегущей волны магнитного поля в коммутационной зоне не предусмотрено.

Наиболее близким по принципам технической реализации к заявляемому способу является устройство для улучшения коммутации коллекторных машин переменного тока [5], в котором, с целью регулирования величины, фазы и формы кривой коммутирующей ЭДС, обмотка дополнительных полюсов получает питание от независимого источника, управляемого программным устройством по сигналам, характеризующим режим работы двигателя. Однако и это устройство не позволяет компенсировать трансформаторную ЭДС в пусковом режиме.

Целью заявляемого способа является получение принципиальной возможности полной компенсации трансформаторной ЭДС в коммутируемых секциях якорной обмотки в любом эксплуатационном режиме, включая пусковой, когда якорь неподвижен либо вращается с малой скоростью.

Технический результат достигается созданием бегущей волны магнитного поля в коммутационной зоне, которое индуктирует в коммутируемых секциях ЭДС вращения даже при неподвижном якоре.

С точки зрения образования бегущей волны прямым аналогом является любая электрическая машина переменного тока с вращающимся магнитным полем. Принципиальные отличия заявляемого способа состоят в том, что он применяется к двигателю с иным принципом действия, в том, что вращающееся магнитное поле обеспечивается лишь на отдельных участках окружности якоря, в том, что такое поле создается для воздействия только на коммутационные процессы, и в технической реализации его формирования.

На фиг.1 представлены очертания активной области однофазного коллекторного двигателя, включающие якорь 1 с шириной коммутационной зоны, ограниченной электрическим углом α, наконечники главных полюсов 2 и наконечники дополнительных полюсов 3, скошенные несимметрично относительно геометрической нейтрали 4 так, чтобы их осью симметрии была ось главных полюсов 5. При таком скосе максимумы основной пространственной гармоники магнитной проводимости под дополнительными полюсами, соответствующие минимальным воздушным зазорам, смещены относительно геометрической нейтрали на электрический угол β. Таким образом, оси основных пространственных гармоник двух пульсирующих магнитных полей, создаваемых разноименными дополнительными полюсами, не совпадают. С позиций удобства математического анализа и эффективности вращающегося поля целесообразно принять α=π, β=π/4. (В технической реализации возможны иные варианты.) Распределение магнитной проводимости воздушного зазора на окружности якоря под разноименными дополнительными полюсами Λ₁(α) и Λ₂(α) в пределах коммутационной зоны описывается следующими уравнениями:

Λ₁(α)=Λ₀+Λ_mcos(α+π/4),

Λ₂(α)=Λ₀+Λ_mcos(α-π/4),

где Λ₀ - постоянная по ширине коммутационной зоны составляющая магнитной проводимости,

Λ_м - амплитуда основной пространственной гармоники магнитной проводимости под дополнительным полюсом,

α - пространственный электрический угол с началом отсчета на геометрической нейтрали.

Распределение магнитной индукции B дополнительных полюсов по ширине коммутационной зоны в масштабе токов их обмоток возбуждения подобно распределению проводимости Λ.

В контуре коммутируемой секции ЭДС ее активных сторон действуют согласно. Это позволяет совместить графики магнитной индукции B₁(α) и B₂(α), создаваемой парой дополнительных полюсов, в случае, когда синусоидальные токи в обмотках совпадают по фазе и проходят через одинаковые амплитудные значения, как показано на фиг.2. В сумме эти графики обеспечивают симметричный относительно геометрической нейтрали неподвижный график индукции магнитного поля, пульсирующего во времени t с угловой частотой ω. При этом угловой сдвиг между пространственными волнами магнитной индукции B₁(α) и В₂(α) составляет π/2, что является одним из условий для создания кругового вращающегося магнитного поля.

Для выполнения второго условия необходим фазовый сдвиг между пульсирующими во времени B₁(α, t) и B₂(α, t), равный π/2. Питая с этой целью обмотки разноименных дополнительных полюсов соответствующими синусоидальными токами, можно получить результирующую магнитную индукцию в коммутационной зоне как функцию пространства и времени:

Здесь амплитуды токов в обмотках приняты равными единице, а выбор их начальных фаз обеспечивает полю, пульсирующему на геометрической нейтрали, необходимый опережающий фазовый сдвиг π/2 по отношению к току якоря с начальной фазой, равной нулю.

Первое слагаемое в правой части этого уравнения описывает пульсирующую составляющую магнитного поля пары дополнительных полюсов, а второе - бегущую с угловой скоростью dα/dt=ω. Каждая из них индуктирует свою составляющую коммутирующей ЭДС, соответственно e'_kp и е_kw. В частном случае, при неподвижном якоре, пульсирующая составляющая магнитного поля не может индуктировать ЭДС е'_kp, поскольку плоскость коммутируемой секции совпадает с геометрической нейтралью. Но положительная роль этой составляющей нарастает с ростом угловой скорости якоря Ω. В то же время бегущая составляющая магнитного поля при Ω=0 проявляет себя в полной мере и индуктирует ЭДС вращения e_kw, изменяющуюся во времени с угловой частотой ω в противофазе с e_t. Таким образом, при надлежащем расчете двигателя обеспечивается возможность полной компенсации трансформаторной ЭДС даже при неподвижном якоре.

Для компенсации реактивной ЭДС e_r дополнительные полюсы должны создавать пульсирующую составляющую индукции коммутирующего магнитного поля B''_mpsinωt и соответствующую ей ЭДС е''_k, действующие в противофазе с током якоря. Таким образом, суммарная пульсирующая составляющая коммутирующего поля как функция времени B_p(t) определяется следующим уравнением:

Результирующая магнитная индукция пары дополнительных полюсов 8 в пределах коммутационной зоны кроме пульсирующей составляющей должна содержать и бегущую. Таким образом, коммутирующее магнитное поле в воздушном зазоре характеризуется следующей индукцией:

Для достижения этого результата токи возбуждения дополнительных полюсов должны содержать слагаемые, пропорциональные пульсирующей и бегущей составляющим индукции коммутирующего поля.

Векторная диаграмма, характеризующая баланс ЭДС в коммутируемой секции в результате формирования коммутирующего поля на основе заявляемого способа, представлена на фиг.3.

Соотношение между слагаемыми магнитной индукции в воздушном зазоре под дополнительными полюсами, полярность включения их обмоток, а также направление вращения бегущей волны магнитного поля выбирают на стадии проектирования двигателя.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рихтер Р. Электрические машины. Том V. - М.- Л.: Госэнергоиздат. 1961. С.89.

2. Петров Г.Н. Электрические машины. Часть третья. - М.: Энергия. 1968. С.197-199.

3. Костенко М.П. и Пиотровский Л.М. Электрические машины. Часть вторая. - Л.: Энергия. 1973. С.570-573.

4. Битюцкий И.Б., Битюцкий С.И., Музылёва И.В. Электрическая машина постоянного тока с устройством формирования коммутирующего поля // Патент 2119225 РФ. - Б.И. 1998. №26.

5. Битюцкий И.Б., Рогов М.Ю. Устройство для улучшения коммутации коллекторных машин переменного тока // Патент 2194354 РФ. - Б.И. 2002. №34 (Прототип).

Изобретение относится к области электротехники, а именно - к способам улучшения коммутации однофазных коллекторных электрических машин, и может быть использовано в двигателях с дополнительными полюсами. Техническая задача настоящего изобретения состоит в обеспечении возможности компенсации трансформаторной ЭДС в коммутируемых секциях якорной обмотки в любом эксплуатационном режиме, включая пусковой, когда якорь неподвижен либо вращается с малой скоростью. Сущность изобретения состоит в создании бегущей волны магнитного поля в коммутационной зоне, которое индуктирует в коммутируемых секциях ЭДС вращения компенсирующую трансформаторную ЭДС даже при неподвижном якоре. Согласно данному изобретению создание бегущей волны магнитного поля в коммутационной зоне обеспечивается сочетанием несимметрии наконечников разноименных дополнительных полюсов относительно геометрической нейтрали и фазовым сдвигом между токами, питающими их обмотки от независимых управляемых преобразователей переменного тока. При этом роль пульсирующего на геометрической нейтрали неподвижного магнитного поля сохраняется. 3 ил.

Способ формирования коммутирующего поля в однофазном коллекторном двигателе с применением дополнительных полюсов, имеющих независимое возбуждение от управляемых преобразователей переменного тока, отличающийся тем, что компенсацию трансформаторной ЭДС в коммутируемых секциях обмотки якоря в любом режиме работы осуществляют созданием в коммутационной зоне бегущей волны магнитного поля путем несимметричного относительно геометрической нейтрали распределения магнитной проводимости под наконечниками разноименных дополнительных полюсов и создания фазового сдвига между токами в их обмотках возбуждения.