ЯКОРЬ КОЛЛЕКТОРНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2006 года по МПК H02K3/12 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к области конструирования коллекторных электрических машин.

Известны якоря, коллекторных электрических машин, содержащие ступенчатые обмотки, у которых число элементарных пазов в реальном больше единицы, а секции выполнены разной ширины. В данных обмотках часть электромагнитной энергии на завершающем этапе процесса коммутации отводится от последних секций пазов, наиболее нагруженных в коммутационном отношении, в следующие секции (Толкунов В.П. Теория и практика коммутации машин постоянного тока. - М.: Энергия, 1979. - 224 с.).

Известен якорь коллекторной электрической машины, содержащий уложенную в пазах обмотку, включающую в себя разделенные на отдельные катушки секции с одинаковым шагом, причем, по меньшей мере, часть катушек каждой предыдущей секции размещена в одних пазах с катушками последующих секций (А.С. СССР №1489536, МКИ 4 Н 02 К 3/12).

Якорь с рассмотренной выше обмоткой служит прототипом предлагаемого изобретения.

Недостатком данного якоря, как и предыдущего, является его недостаточно высокая коммутационная надежность, определяемая демпфирующими свойствами применяемой обмотки. Последние, в свою очередь, зависят от числа катушек, на которые разбиваются секции. Чем больше число катушек в секции, тем выше демпфирующие свойства обмотки. Однако число катушек, на которое разделяются секции в данной обмотке, ограничивается шириной зоны коммутации, а также тем обстоятельством, что с увеличением числа катушек уменьшается величина ЭДС, наводимой основным магнитным полем в секции. При этом эффективность использования токопроводящих обмоточных материалов в электрической машине снижается.

Поэтому коммутационная надежность рассмотренного якоря также ограничена максимально возможным числом катушек в секции (для заданного типа электрической машины) и величинами взаимных магнитных связей между катушками соседних секций, определяемыми (при прочих равных условиях) их взаимным расположением в пазах якоря, характерным для данного класса обмоток.

Задачей изобретения является снижение коммутационной напряженности электрической машины, повышение ресурса и надежности ее работы путем улучшения взаимных магнитных связей между секциями, разделенными на ряд катушек (при заданном числе катушек в секции).

Поставленная задача достигается тем, что якорь коллекторной электрической машины, так же, как прототип, содержит уложенную в пазах обмотку, у которой, по меньшей мере, первые и последние секции пазов разделены на отдельные катушки с одинаковыми шагами, которые смещены относительно друг друга на равное число пазов, а часть активных сторон катушек каждой предыдущей секции размещена в одних пазах с активными сторонами катушек последующих секций. Согласно изобретению катушки первых секций пазов выполнены с шагом, меньшим шага катушек последних секций пазов на величину шага смещения соседних катушек в секциях.

Благодаря выполнению катушек первых секций пазов с шагом, меньшим, чем шаг катушек последних секций пазов, становится возможным размещение одной из активных сторон первой катушки каждой предыдущей секции в одном пазу с активной стороной одной из катушек последующей секции.

Ограничение разницы между величинами шагов катушек первых и последних секций пазов величиной шага смещения соседних катушек в секциях позволяет сохранить расположение всех активных сторон катушек с порядковыми номерами, большими единицы, каждой предыдущей секции в одних пазах с активными сторонами катушек последующей секции (при одинаковом числе катушек в секциях пазов).

В целом выполнение рассмотренных выше условий обеспечивает увеличение числа активных сторон катушек предыдущих секций, расположенных в одних пазах с активными сторонами катушек последующих секций, что приводит к возрастанию взаимных индуктивных связей между соседними секциями, повышению демпфирующих свойств обмотки и улучшению процесса коммутации секций предлагаемого якоря по сравнению с прототипом.

Таким образом, сущностью предлагаемого изобретения и основной его отличительной особенностью в сравнении с прототипом является то, что не только активные стороны вторых, третьих и т.д. катушек последних секций пазов лежат в одних пазах с активными сторонами катушек последующих секций, но и одна из активных сторон первых катушек последних секций пазов.

Кроме того, в предлагаемом якоре активные стороны какой-либо катушки предыдущей секций лежат в одних пазах с активными сторонами двух различных катушек последующей секции, тогда как в прототипе обе активные стороны одной из катушек предыдущей секции лежат в одних пазах с активными сторонами лишь одной из катушек последующей секции. Данная особенность является следствием конструктивных отличий предлагаемой обмотки якоря и практически не влияет на ее демпфирующие свойства.

Следовательно, при одном и том же числе катушек в секциях предлагаемый якорь имеет более высокие взаимные магнитные связи между последними секциями каждого предыдущего паза и первыми секциями последующего паза, чем в якоре прототипе. Это, в свою очередь, обуславливает повышенные демпфирующие свойства обмотки предлагаемого якоря, что обеспечивает его более высокую коммутационную надежность.

Демпфирующие свойства якорей можно определить по величине коэффициента демпфирования Gp, показывающего, какая часть энергии не передается в другие замкнутые контуры (Толкунов В.П. Теория и практика коммутации машин постоянного тока. - М.: Энергия, 1979. - с.108). Для упрощения расчетов примем допущение, что величины взаимных индуктивностей между секциями определяются лишь числом активных сторон витков обеих секций, лежащих в одних пазах, а взаимными индуктивными связями между сторонами секций, лежащими в разных пазах, которые сравнительно малы, будем при этом пренебрегать. Тогда коэффициент демпфирования для последней секции паза у якоря с равносекционной обмоткой, являющегося прототипом якоря со ступенчатой обмоткой, будет равен

где L₁, L₂ - индуктивности последней и первой секции соседних пазов, Гн;

M₁₂ - взаимная индуктивность последней и первой секций соседних пазов, Гн.

Коэффициент демпфирования якоря со ступенчатой обмоткой равен

где 0,25 L₁ L₂=M² ₁₂

(здесь

L₁=Kω² ₁, L₂=Кω² ₂, следовательно, М² ₁₂=0,25L₁L₂;

ω₁, ω₂ - числа витков последней и первой секций соседних пазов;

К - постоянный коэффициент (Вольдек А.И. Электрические машины. - Л.: Энергия, 1974, - с.125).

Таким образом, в якоре со ступенчатой обмоткой достигается снижение энергии, реализуемой в конце коммутации в воздушном зазоре в виде искрения, в 1,33 раза по сравнению с якорем, содержащим равносекционную обмотку.

Коэффициент демпфирования якоря-прототипа при наличии двух катушек в секциях равен

где

Коэффициент демпфирования якоря-прототипа при наличии трех катушек в секциях равен

где

Снижение величины Gp при увеличении числа катушек в секциях обусловлено увеличением числа активных сторон катушек последней секции паза, лежащих в одних пазах с активными сторонами катушек последующей секции.

Коэффициент демпфирования предлагаемого якоря при двух катушках в секциях равен

где

Коэффициент демпфирования предлагаемого якоря при трех катушках в секциях равен

где

Следовательно, в предлагаемом якоре по сравнению с прототипом достигается снижение коэффициента демпфирования в 1,63 раза при двух катушках в секциях и в 1,83 раза при трех катушках в секциях.

Таким образом, эффект повышения коммутирующих свойств при выполнении отличительных признаков предложенного якоря в якоре-прототипе выше, чем при их реализации в якоре с равносекционными сосредоточенными секциями (достигалось снижение энергии, реализуемой в скользящем контакте, в 1,33 раза).

Причем с увеличением числа катушек в секциях якоря-прототипа эффект реализации отличительных признаков возрастает. Так, при двух катушках в секциях реализация отличительных признаков в якоре-прототипе дает эффект, в 1,23 раза больший, чем в базовом якоре с равносекционными и сосредоточенными секциями, а при трех катушках в секциях - в 1,38 раза.

Следовательно, реализация отличительных признаков, совпадающих с признаками известного устройства в якоре-прототипе, позволяет получить новое техническое свойство - усиление демпфирующих свойств якоря.

При двух катушках в секциях якоря-прототипа согласно выражению (3) реализуется в скользящем контакте 75% энергии, запасенной секцией к концу периода коммутации. Реализация отличительных признаков в якоре-прототипе в соответствии с выражением (2) должна снизить указанную выше энергию еще на 75%, т.е. до 56,25%.

Вместе с тем реальная величина данной энергии в предложенном якоре в соответствии с выражением (5) составляет не 56,25%, а 46,0%, или на 18% ниже, чем ожидалось исходя из известных представлений.

При трех катушках в секциях якоря-прототипа ожидаемый технический эффект, выраженный величиной остаточной энергии, составляет 42,0%, а его реальная величина в предложенном якоре равна 30,5%, т.е. на 27,5% ниже.

На фиг.1 представлен фрагмент предлагаемого якоря с уложенными в его пазах секциями с разным шагом, разделенными на три катушки.

На фиг.2 и 3 приведены обмотки предлагаемого якоря с шагом первой секции паза, большим шага последней секции паза, и с шагом первой секции паза, меньшим шага последней секции паза на величину, большую шага между катушками секций.

Предлагаемый якорь (фиг.1) содержит секции с разными шагами y₂ и y₃, разделенные на три катушки с равными шагами, которые смещены по пазам якоря с одинаковым шагом у₁ (в данном случае равным единице). Первая секция с большим шагом у₂ состоит из катушек 1, 2, 3, которые размещены в пазах 10, 11, 12 и 17, 18, 19. Данная секция имеет шаг по пазам, равный семи, является последней секцией паза 10 и подсоединена к ламелям 21, 22. Вторая секция с меньшим шагом у₃ (на величину шага между катушками в секциях) состоит из катушек 4, 5, 6, размещенных в пазах 11, 12, 13 и 17, 18, 19, является первой секцией паза 11 и подсоединена к ламелям 22, 23. Третья секция, также имеющая больший шаг у₂, состоит из катушек 7, 8, 9, размещенных в пазах 11, 12, 13, и 18, 19, 20, является последней секцией паза 11 и подсоединена к ламелям 23, 24.

Таким образом, в пазах 11, 12 и 17, 18, 19 расположены активные стороны как первой, так и второй секций, а в пазах 11, 12, 13 и 18, 19 активные стороны второй и третьей секций.

Следовательно, в якоре на фиг.1 пять активных сторон из шести у каждой из последних секций пазов магнитно связаны с активными сторонами первых секций последующих пазов, тогда как в прототипе при трех катушках в секциях магнитную связь имеют лишь четыре активные стороны указанных секций. Как видно на фиг.2, при выполнении катушек 1, 2 первой секции паза 7, 8 и 14, 15 с большим шагом y₂, чем шаг у₃ катушек 3, 4 последней секции паза 7, лежащих в пазах 7, 8 и 13, 14, магнитная связь между первой и последней секциями одного паза сохраняется на высоком уровне (их активные стороны совместно лежат в пазах 7, 8 и 14). Однако магнитная связь катушек 3, 4 последней секции паза 7 с катушками 5, 6 первой секции следующего паза 8, лежащими в пазах 8, 9 и 15, 16, существенно снижена (их активные стороны совместно лежат лишь в пазу 8) и ниже, чем в якоре-прототипе, при том же числе катушек в секциях. Следовательно, подобный вариант выполнения предложенного якоря неприемлем.

На фиг.3 катушки 1, 2 последней секции паза 7 с большим шагом у₂ лежат в пазах 7, 8 и 14, 15. Катушки 3, 4 первой секции паза 8 выполнены с шагом у₃, меньшим шага у₂ на удвоенную величину шага y₁ между катушками в секциях и лежат в пазах 8, 9 и 13, 14. Катушки 5, 6 последней секции паза 8 лежат в пазах 8, 9 и 15, 16. Следовательно, здесь связь первой и последней секции паза 8 снижена (их активные стороны лежат совместно лишь в пазах 8, 9), а кроме того снижена магнитная связь последней секции паза 7 с первой секцией паза 8 (их активные стороны совместно лежат лишь в пазах 8, 14).

Поэтому данный якорь также имеет худшие свойства, чем прототип.

Работа предлагаемого якоря.

В процессе перемещения коллектора относительно щетки последняя сначала набегает на коллекторные пластины 21 и 22 (фиг.1), закорачивая тем самым последнюю секцию паза 10 из катушек 1, 2, 3. Затем замыкаются щеткой (при щеточном перекрытии больше единицы) и коллекторные пластины 22, 23, т.е. закорачивается первая секция паза 11 из катушек 4, 5, 6. После чего коллекторная пластина 21 выходит из-под щетки и завершается процесс коммутации последней секции паза 10 из катушек 1, 2, 3. При этом часть ее электромагнитной энергии передается посредством взаимной магнитной связи первой секции паза 11 из катушек 4, 5, 6, которая в этот момент замкнута щеткой и является электромагнитным демпфером по отношению к последней секции паза 10 из катушек 1, 2, 3. Оставшаяся часть электромагнитной энергии секции из катушек 1, 2, 3 выделяется в воздушном зазоре под щеткой в виде искрового разряда. Последующие секции якоря коммутируют аналогичным образом.

Благодаря повышенной магнитной связи между соседними секциями в предлагаемом якоре обеспечивается существенное снижение доли энергии коммутируемой секции, выделяемой в виде искрения под щеткой. Так, в соответствии с выражениями (4) и (6) величина несдемпфированной энергии в коммутируемых секциях предлагаемого якоря в 1,8 раза меньше, чем в якоре-прототипе (при трех катушках в секциях и прочих равных условиях).

Таким образом, предлагаемый якорь позволяет значительно снизить коммутационную напряженность электрической машины, повысить ресурс и надежность ее работы.

Использование предложенного якоря наиболее предпочтительно в машинах малой мощности с тяжелыми условиями коммутации.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к области конструирования коллекторных электрических машин. В обмотке якоря по меньшей мере первые и последние секции пазов разделены на отдельные катушки с одинаковыми шагами, смещенные по якорю на равное число пазов, катушки первых секций пазов выполнены с шагом, меньшим шага катушек последних секций пазов на величину шага между катушками в секциях. При этом часть активных сторон катушек каждой предыдущей секции размещена в одних пазах с активными сторонами катушек последующих секций, что обеспечивает высокую магнитную связь соседних секций. Технический результат - снижение коммутационной напряженности электрической машины, повышение ресурса и надежности ее работы путем улучшения взаимных магнитных связей между секциями, разделенными на ряд катушек. 3 ил.

Якорь коллекторной электрической машины, содержащий уложенную в пазах обмотку, у которой по меньшей мере первые и последние секции пазов разделены на отдельные катушки с одинаковыми шагами, которые смещены относительно друг друга на равное число пазов, а часть активных сторон катушек каждой предыдущей секции размещена в одних пазах с активными сторонами катушек последующих секций, отличающийся тем, что катушки первых секций пазов выполнены с шагом, меньшим шага катушек последних секций пазов на величину шага смещения соседних катушек в секциях.