КОЛЛЕКТОРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ПОЛЮСНЫМ ЯКОРЕМ Российский патент 2009 года по МПК H02K23/02 H02K23/00 

Изобретение относится к области электротехники и касается конструктивного исполнения коллекторных электрических машин постоянного тока, универсальных коллекторных электрических двигателей, коллекторных электрических машин переменного тока и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства.

Известны коллекторные электрические машины с замкнутыми барабанными обмотками якоря (Петров Г.Н. Электрические машины. В 3-х ч. Часть 3. Коллекторные машины постоянного и переменного тока. Изд. 2-е, переработ, и доп. - М., «Энергия», 1968. Стр.9, 15-35, 194-202), образующимися из последовательно соединенных секций, каждая из которых подключена к соответствующей коллекторной пластине. Секция состоит из одного или нескольких витков. Одна или несколько секций, имеющих общую изоляцию, образуют катушку обмотки, которая укладывается в пазы и охватывает несколько зубцов якоря. Общее число коллекторных пластин равно общему числу секций обмотки. В зависимости от способа присоединения секций к коллекторным пластинам якорные обмотки подразделяются на петлевые, волновые и комбинированные. Недостатком описанных электрических машин является конструктивная сложность обмотки якоря, которая выполняется распределенными по поверхности якоря катушками, охватывающими несколько зубцов якоря и перекрещивающимися между собой в лобовых частях, что снижает надежность этих обмоток. Кроме этого, коллекторные электрические машины средней и большой мощности выполняются с дополнительными полюсами, что также усложняет их конструкцию.

Известны конструкции коллекторных электрических машин постоянного тока, выпускаемые фирмой Томсон-Густен, имеющие трехсекционные кольцевые обмотки, секции обмотки соединены в звезду подобно многофазной (трехфазной) обмотке и присоединены к трем коллекторным пластинам (Машины постоянного тока. Том 1. Э.Арнольд, проф. и И.Л.Ла-Кур. Государственное техническое издательство. М., 1931. Стр. 21-23). Недостатком таких электрических машин является сложность выполнения кольцевого якоря и кольцевой обмотки, низкие энергетические показатели, а из-за того, что обмотка якоря является открытой, неизбежно искрообразование при коммутации вследствие большой самоиндукции секций.

Известна конструкция электрической машины Жерара с полюсным якорем (Машины постоянного тока. Том 1. Э.Арнольд, проф. и И.Л.Ла-Кур. Государственное техническое издательство. М., 1931. Стр.22-23), имеющая индуктор с четырьмя полюсами, якорь с четырьмя полюсами, на каждом из которых располагается своя катушка обмотки, четыре коллекторные пластины, соединенные попарно через одну, и две щетки, расположенные между полюсами индуктора и под углом 90° относительно друг друга, катушки обмотки якоря соединены между собой встречно-согласно, а начало первой и конец четвертой катушек подсоединены к двум соответствующим пластинам, расположенным по оси полюсов якоря. Недостатком таких электрических машин является большая пульсация момента при работе в качестве электрического двигателя и большая пульсация выходного напряжения при работе в качестве электрического генератора, низкие энергетические показатели, а из-за того, что обмотка якоря является открытой, неизбежно искрообразование при коммутации вследствие большой самоиндукции катушек.

Известна конструкция электрической машины для питания дуговых ламп электрической компании Вестингауз, имеющая 6 полюсов возбуждения, два коллектора, четыре щетки, 8 полюсов якоря, на каждом полюсе которого располагается своя секция обмотки (Машины постоянного тока. Том 1. Э.Арнольд, проф. и И.Л.Ла-Кур. Государственное техническое издательство. М., 1931. Стр. 23). Обмотка якоря выполнена в виде нечетных и четных секций, образующих две независимые системы обмотки, каждая из которых присоединена к своему коллектору. Вторая и третья щетки замыкаются между собой накоротко, соединяя обе системы обмоток последовательно. Первая и вторая щетки служат для снятия напряжения в режиме генератора. Недостатком таких электрических машин является сложность конструкции из-за наличия двух коллекторов, большая пульсация выходного напряжения при работе электрическим генератором, а из-за того, что обмотка якоря является открытой, неизбежно искрообразование при коммутации вследствие большой самоиндукции секций.

Известна принятая за прототип конструкция коллекторной электрической машины с полюсным якорем фирмы Шуккерт и К°, обмотка якоря которой имеет сходство с трехфазной обмоткой и выполнена катушками, расположенными на тройном Т-образном якоре, полюсы которого сдвинуты друг относительно друга на 120°, концы обмотки соединены в «звезду», а начала обмотки присоединены к трем коллекторным пластинам, по которым скользят две щетки (Машины постоянного тока. Том 1. Э.Арнольд, проф. и И.Л.Ла-Кур. Государственное техническое издательство. М., 1931. Стр.22-23). Недостатком прототипа является плохое использование полезного объема электрической машины, что негативным образом отражается на энергетических показателях, а из-за того, что обмотка якоря является открытой и каждая катушка обмотки якоря состоит только из одной секции, неизбежно искрообразование при коммутации вследствие большой самоиндукции катушек, и по этой причине применение этих электрических машин возможно только при низких напряжениях.

Целью настоящего изобретения является улучшение энергетических показателей коллекторной электрической машины с полюсным якорем, улучшение коммутации, возможность применения как при низких, так и при высоких напряжениях. Указанная цель в соответствии с настоящим изобретением достигается за счет более рационального использования полезного объема электрической машины, применения замкнутой обмотки якоря, состоящей из катушек, каждая из которых расположена на соответствующем полюсе якоря и содержит одну или несколько секций, состоящих из одного или нескольких витков, и подключенной определенным образом к коллектору.

Следует отметить, что в предлагаемых в настоящем изобретении электрических машинах, как и в большинстве классических коллекторных электрических машинах постоянного и переменного тока, магнитный поток возбуждения создается обмоткой или постоянными магнитами индуктора, а обмотка якоря размещена в пазах сердечника якоря. Чаще всего индуктор является статором, а якорь - ротором. Однако для ряда применений возможно использование индуктора в качестве ротора, а якоря - в качестве статора, или якоря и индуктора - в качестве роторов, вращающихся друг относительно друга.

Сущность изобретения заключается в следующем. Коллекторная электрическая машина с полюсным якорем (фиг.1, фиг.2) состоит из следующих основных частей: статора, якоря с механическим коллектором, щеточно-контактного узла, подшипниковых щитов. Статор состоит из металлического корпуса 1, выполненного из магнитомягкого материала (стали), к которому крепятся полюса возбуждения 2. Для электрических машин постоянного тока полюса возбуждения 2 могут быть образованы непосредственно постоянными магнитами 3, намагниченными в радиальном направлении и прикрепленными к корпусу 1 (фиг.3), могут быть выполнены металлообработкой из цельных кусков стали с высокой магнитной проницаемостью, могут быть выполнены составными из стали с высокой магнитной проницаемостью и иметь сердечники полюсов и прикрепленные к ним полюсные наконечники, с целью технологичности могут быть выполнены шихтованными из листов электротехнической стали и крепиться непосредственно к корпусу 1. Для электрических машин постоянного тока малой мощности с целью технологичности статор может быть выполнен в виде шихтованного пакета 4, набранного из листов электротехнической стали, имеющего полюса возбуждения 2, и быть бескорпусным, а также шихтованный пакет 4 может быть закреплен внутри корпуса 1 (фиг.4). Для универсальных коллекторных двигателей и коллекторных машин переменного тока с целью уменьшения потерь на гистерезис и «вихревые» токи статор должен быть выполнен в виде шихтованного пакета 4, набранного из листов электротехнической стали, имеющего полюса возбуждения 2, и может быть бескорпусным, а также шихтованный пакет 4 может быть закреплен внутри корпуса 1 (фиг.4).

В соответствии с настоящим изобретением число полюсов возбуждения z_B должно быть всегда четным натуральным числом, ширина полюсной дуги b_ZB полюса возбуждения связана с полюсным делением t_ZB полюсов возбуждения и определяется в соответствии с выражением

где b_ZB и t_ZB=360°/z_B измеряются в геометрических градусах. Для лучшего использования полезного объема электрической машины желательно выбирать b_ZB, близкой к t_ZB.

На полюсах возбуждения электрической машины (кроме электрических машин с постоянными магнитами) располагается обмотка возбуждения, состоящая из катушек 5, выполненных медными изолированными проводами или медными изолированными шинами. Катушки 5 обмотки возбуждения соединены между собой таким образом, чтобы при протекании по ним тока полюсы возбуждения образовывали в воздушном зазоре чередующуюся магнитную полярность «N» и «S». При выполнении коллекторных электрических машин постоянного тока с постоянными магнитами должна также соблюдаться в воздушном зазоре чередующаяся полярность «N» и «S» полюсов возбуждения.

Сердечник якоря с целью уменьшения потерь на гистерезис и «вихревые» токи выполнен в виде шихтованного пакета 6, набранного из листов электротехнической стали, имеющего пазы, в которые укладывается обмотка якоря, и полюса якоря 7 (фиг.4). Ширина полюсной дуги b_ZЯ полюса якоря связана с полюсным делением t_ZB полюсов якоря выражением

где b_ZЯ и t_ZЯ=360°/z_Я измеряются в градусах. Для лучшего использования полезного объема электрической машины желательно выбирать b_ZЯ, близкой к t_ZЯ.

В соответствии с настоящим изобретением между числом полюсов якоря z_Я и числом полюсов возбуждения z_B устанавливается связь

где R=1, 2, 3, 4… - натуральное число.

Замкнутая обмотка якоря, состоящая из катушек 8, каждая из которых расположена на соответствующем полюсе якоря 7 и содержит одну или несколько секций 9 (фиг.5), выполнена медными изолированными проводами или медными изолированными шинами. Общее число секций обмотки якоря электрической машины равно произведению всех катушек обмотки якоря на число секций в одной катушке. Секции 9 состоят из одного или нескольких витков и соединены друг с другом в последовательную замкнутую цепь таким образом, что концы предыдущих секций подключены совместно с началами последующих секций к соответствующим коллекторным пластинам 10 коллектора 11. Коллекторные пластины при выполнении катушки обмотки якоря многосекционной могут иметь различную ширину (широкие и узкие пластины). Общее число коллекторных пластин (широких и узких) равно общему числу секций обмотки якоря. С целью технологичности выполнения коллектора широкие пластины можно образовывать при помощи медных перемычек 12, которые удобно изготавливать из тех же проводов, что и секции, выполняя при этом все коллекторные пластины одинаковой ширины (фиг.6).

Шихтованный пакет 6 сердечника якоря, коллектор 11 и подшипники 13 напрессовываются на вал 14, который выполнен из стали, и при помощи подшипниковых щитов 15 якорь позиционирован относительно статора.

Механизм щеточно-контактного узла чаще всего крепится к подшипниковому щиту со стороны коллектора и может иметь возможность перемещения щеток 16 по коллектору в тангенциальном направлении для установки щеток в зоне с наилучшей коммутацией. Щетки должны быть установлены по оси полюсов возбуждения в осевом направлении или близко к ней. Количество щеточных болтов траверсы, на которых крепятся щеткодержатели со щетками, равно количеству полюсов возбуждения машины. На щеточном болте может располагаться несколько щеток, но при этом число щеток на каждом щеточном болте должно быть одинаковым. Коммутация в коммутируемой секции должна проходить в тот промежуток времени, когда изменение магнитного потока, созданного полюсами возбуждения и пронизывающего полюс якоря, на котором находится коммутируемая секция, минимально и вызвано только действием «реакции» якоря. Ширина коммутационной зоны b_КЗ не должна превышать разности между шириной полюсной дуги полюса возбуждения и шириной полюсной дуги полюса якоря, т.е.:

где b_КЗ, b_ZB, b_ZЯ измеряются в геометрических градусах. Ширина коллекторных пластин зависит от общего числа секций обмотки якоря, ширины коммутационной зоны и ширины щетки.

Коллекторная электрическая машина постоянного тока с полюсным якорем может быть выполнена с независимым возбуждением от постоянных магнитов, с независимым возбуждением при питании обмотки возбуждения от независимого источника постоянного напряжения, с последовательным возбуждением при последовательном соединении обмотки возбуждения с обмоткой якоря, с параллельным возбуждением при параллельном соединении обмотки возбуждения с обмоткой якоря, со смешанным возбуждением при наличии двух обмоток возбуждения, одна из которых соединена с обмоткой якоря последовательно, а другая - параллельно.

Коллекторная электрическая машина постоянного тока с полюсным якорем может быть выполнена как универсальный коллекторный электрический двигатель с полюсным якорем, обмотка возбуждения которого представляет собой обмотку с разным числом витков для питания от источника постоянного напряжения и от источника переменного напряжения. При питании электрического двигателя постоянным напряжением с обмоткой якоря последовательно через одноименные щетки и скользящие контакты соединена обмотка возбуждения с полным числом витков, а при питании электрического двигателя переменным напряжением с обмоткой якоря последовательно через одноименные щетки и скользящие контакты соединена обмотка возбуждения с малым числом витков.

Коллекторная электрическая машина переменного тока с полюсным якорем может быть применена в качестве двигателя с последовательным возбуждением, при этом обмотка возбуждения одним концом подключена к источнику переменного напряжения, а другим концом через одноименные щетки и скользящие контакты соединена последовательно с обмоткой якоря.

Коллекторные электрические машины постоянного тока с полюсными якорями обратимы и могут работать как в качестве электрических двигателей, так и в качестве электрических генераторов.

Рассмотрим работу предлагаемых электрических машин на примере электрического двигателя постоянного тока с двумя полюсами возбуждения, с тремя полюсами якоря, с независимой обмоткой возбуждения, с четырьмя секциями в катушке замкнутой обмотки якоря, с двумя щетками и с коллектором, содержащим тридцать коллекторных пластин одинаковой ширины (фиг.6). Для наглядности полюса возбуждения с обмоткой возбуждения и станиной показаны в развернутой форме в осевом направлении, а полюса якоря с обмоткой якоря и коллекторными пластинами показаны в развернутой форме в радиальном направлении. Направление тока, протекающего по катушкам возбуждения, показано «от нас» -крестиком, «к нам» - точкой. Направление токов, протекающих по секциям якоря, показано стрелками. Плюсовая и минусовая щетки показаны знаками плюс и минус. Направление электромагнитного момента, действующего на якорь электрического двигателя, показано стрелкой с буквой М.

От независимого источника постоянного напряжения на катушки 5 обмотки возбуждения подают напряжение, по обмотке протекает постоянный ток, вследствие чего полюса возбуждения 2 намагничиваются, образуя «северные» полюса «N» и «южные» полюса «S» с чередующейся магнитной полярностью. От другого независимого источника постоянного напряжения на щетки 16 подают напряжение, под действием которого через скользящие контакты и коллекторные пластины 10 по секциям Р замкнутой обмотки якоря протекает постоянный ток, намагничивая полюса якоря 7 то как «северные» полюса «N», то как «южные» полюса «S», в зависимости от положения полюсов якоря относительно щеток. В секциях обмотки якоря, замкнутых щетками накоротко, происходит коммутация. «Северные» полюса «N» якоря стремятся вытолкнуться из-под «северных» полюсов «N» возбуждения и втянуться под «южные» полюса «S» возбуждения, а «южные» полюса «S» якоря в свою очередь стремятся вытолкнуться из-под «южных» полюсов «S» возбуждения и втянуться под «северные» полюса «N» возбуждения, создавая тем самым электромагнитный момент, действующий на статор и якорь электрического двигателя. При перемещении якоря на один полюс картина повторяется.

Техническим результатом настоящего изобретения являются улучшенные энергетические показатели коллекторной электрической машины с полюсным якорем, улучшенная коммутации, применение электрических машин как при низких, так и при высоких напряжениях, простота конструкции, высокая надежность.

Макетные образцы коллекторных электрических машин с полюсными якорями и замкнутой барабанной обмоткой якоря были выполнены и исследованы автором на базе классических коллекторных электрических машин постоянного и переменного тока. Для этой цели были перемотаны обмотки якорей и проведены исследования электрического двигателя постоянного тока с независимым возбуждением типа 2ПБ 100 МУХ Л4 при питании обмотки возбуждения от источника постоянного напряжения 220 В и обмотки якоря от источника постоянного напряжения 60 В, электрического двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением типа СЛ-621 при питании от источника постоянного напряжения 110 В, универсального коллекторного электрического двигателя типа ДТА-40 при питании от источника постоянного напряжения 85 В и от источника переменного напряжения 95 В, электрических двигателей переменного тока с последовательным возбуждением, применяемых в отечественных пылесосах, при питании от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 В при различных соотношениях полюсов возбуждения и полюсов якоря, а также при различных числах секций обмотки якоря. Макетные образцы по сравнению с базовой конструкцией показали достаточно высокие энергетические параметры, хорошую коммутацию и очень высокую надежность обмоток якоря, плотность тока в которых при исследованиях достигала до 15 А/мм².

Изобретение относится к области электротехники, касается конструктивного исполнения коллекторных электрических машин постоянного и переменного тока, а также универсальных коллекторных электрических двигателей. Коллекторная электрическая машина с полюсным якорем, содержащая полюса возбуждения, якорь с равномерно сдвинутыми друг относительно друга полюсами, коллектор, механизм щеточно-контактного узла со щетками, замкнутую барабанную обмотку якоря из катушек, каждая из которых расположена на соответствующем полюсе якоря и содержит одну или несколько секций, состоящих из одного или нескольких витков. Данная электрическая машина может применяться в качестве генераторов и двигателей постоянного тока с независимым возбуждением от постоянных магнитов и от независимой обмотки возбуждения, с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением, в качестве универсальных коллекторных двигателей и в качестве двигателей переменного тока с последовательным возбуждением. При этом необходимо соблюдение определенных соотношений между числом полюсов возбуждения и числом полюсов якоря, а также выполнение полюсов возбуждения и полюсов якоря с определенной шириной полюсной дуги, а щеток и коллекторных пластин определенной ширины. Технический результат - обеспечение улучшенных энергетических показателей и улучшенной коммутации коллекторной электрической машины с полюсным якорем при одновременном достижении простоты конструкции и высокой надежности, а также обеспечение возможности применения данной электрической машины как при низких, так и при высоких напряжениях. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Коллекторная электрическая машина с полюсным якорем, содержащая полюса возбуждения, якорь с равномерно сдвинутыми относительно друг друга полюсами, коллектор с коллекторными пластинами одинаковой ширины и прилегающими к ним щетками, обмотка якоря которой выполнена катушками, каждая из которых расположена на соответствующем полюсе якоря, и начало каждой катушки обмотки якоря присоединено к соответствующей коллекторной пластине, отличающаяся тем, что, с целью лучшего использования полезного объема и улучшения энергетических показателей электрической машины, ширина полюсной дуги b_ZB полюса возбуждения связана с полюсным делением t_ZB полюсов возбуждения и определяется выражением 2/3t_ZB≤b_ZB<t_ZB, где b_ZB и t_ZB=360°/z_B измеряются в геометрических градусах, ширина полюсной дуги b_ZЯ полюса якоря связана с полюсным делением t_ZЯ полюсов якоря выражением b_ZЯ<t_ZЯ, где b_ZЯ и t_ZЯ=360°/z_Я измеряются в геометрических градусах, при этом число полюсов возбуждения z_B всегда четное натуральное число и между числом полюсов якоря z_Я и числом полюсов возбуждения z_B установлена связь z_Я=z_B+R, где R=1,2,3,4… - натуральное число, с целью улучшения коммутации и применения электрических машин как при низких, так и при высоких напряжениях обмотка якоря выполнена замкнутой и состоит из катушек, каждая из которых расположена на соответствующем полюсе якоря и содержит одну или несколько секций, общее число секций обмотки якоря электрической машины равно произведению всех катушек обмотки якоря на число секций в одной катушке, секции состоят из одного или нескольких витков и соединены друг с другом в последовательную замкнутую цепь таким образом, что концы предыдущих секций подключены совместно с началами последующих секций к соответствующим коллекторным пластинам коллектора, число коллекторных пластин равно общему числу секций обмотки якоря, щетки установлены по оси полюсов возбуждения в осевом направлении или близко к ней, количество щеточных болтов траверсы равно количеству полюсов возбуждения электрической машины, ширина коммутационной зоны b_КЗ подчиняется выражению b_КЗ<b_ZB-b_ZЯ, где b_КЗ, b_ZB, b_ZЯ измеряются в геометрических градусах.

2. Коллекторная электрическая машина с полюсным якорем по п.1, отличающаяся тем, что возбуждение электрической машины осуществляется при помощи независимой обмотки возбуждения, которая расположена на полюсах возбуждения и подключена к независимому источнику постоянного напряжения.

3. Коллекторная электрическая машина с полюсным якорем по п.1, отличающаяся тем, что возбуждение электрической машины осуществляется при помощи постоянных магнитов.

4. Коллекторная электрическая машина с полюсным якорем по п.1, отличающаяся тем, что возбуждение электрического двигателя осуществляется при помощи последовательной обмотки возбуждения, которая расположена на полюсах возбуждения и подключена одним концом к источнику постоянного напряжения, а другим концом через одноименные щетки и скользящие контакты соединена последовательно с обмоткой якоря.

5. Коллекторная электрическая машина с полюсным якорем по п.1, отличающаяся тем, что возбуждение электрической машины осуществляется при помощи параллельной обмотки возбуждения, которая расположена на полюсах возбуждения и подключена параллельно к источнику постоянного напряжения и через разноименные щетки и скользящие контакты соединена параллельно с обмоткой якоря.

6. Коллекторная электрическая машина с полюсным якорем по п.1, отличающаяся тем, что возбуждение электрической машины осуществляется при помощи смешанной обмотки возбуждения, которая расположена на полюсах возбуждения и состоит из последовательной и параллельной обмоток, последовательная обмотка через одноименные щетки и скользящие контакты одним концом соединена последовательно с обмоткой якоря, а другим концом подключена к источнику постоянного напряжения, параллельная обмотка через разноименные щетки и скользящие контакты соединена параллельно с обмоткой якоря и подключена параллельно к источнику постоянного напряжения.

7. Коллекторная электрическая машина с полюсным якорем по п.1, отличающаяся тем, что она предназначена для работы в качестве универсального коллекторного электрического двигателя, возбуждение которого осуществляется при помощи обмотки возбуждения, обмотка возбуждения расположена на полюсах возбуждения и представляет собой обмотку с разным числом витков для питания от источника постоянного напряжения и от источника переменного напряжения, при питании электрического двигателя постоянным напряжением с обмоткой якоря последовательно через одноименные щетки и скользящие контакты соединена обмотка возбуждения с полным числом витков, а при питании электрического двигателя переменным напряжением с обмоткой якоря последовательно через одноименные щетки и скользящие контакты соединена обмотка возбуждения с малым числом витков.

8. Коллекторная электрическая машина с полюсным якорем по п.1, отличающаяся тем, что она предназначена для работы в качестве электрического двигателя переменного тока, возбуждение которого осуществляется при помощи последовательной обмотки возбуждения, обмотка возбуждения расположена на полюсах возбуждения и подключена одним концом к источнику переменного напряжения, а другим концом через одноименные щетки и скользящие контакты соединена последовательно с обмоткой якоря.

9. Коллекторная электрическая машина с полюсным якорем по п.1, отличающаяся тем, что якорь расположен снаружи и вращается, индуктор расположен внутри и неподвижен.

10. Коллекторная электрическая машина с полюсным якорем по п.1, отличающаяся тем, что якорь расположен внутри и неподвижен, индуктор расположен снаружи и вращается вместе.

11. Коллекторная электрическая машина с полюсным якорем по п.1, отличающаяся тем, что якорь расположен внутри, индуктор расположен снаружи, якорь и индуктор вращаются относительно друг друга и относительно статора.

12. Коллекторная электрическая машина с полюсным якорем по п.1, отличающаяся тем, что якорь расположен снаружи, индуктор расположен внутри, якорь и индуктор вращаются относительно друг друга и относительно статора.