ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2015 года по МПК H02K25/00 H02K19/20 H02K1/06 

Изобретение относится к электрическим машинам постоянного тока и может быть использовано как для генерирования электрической энергии постоянного тока, так и для электропривода механизмов. Известны машины постоянного тока коллекторного типа, содержащие якорь с магнитопроводом и обмоткой, индуктор с магнитопроводом и обмоткой и коммутационное устройство обмотки якоря в виде коллектора и щеточной траверсы широко известной конструкции, опубликованные в монографиях, таких как: М.П. Костенко, Л.М. Пиотровский. Электрические машины, т.1. M.: Энергия, 1964 г., с.62-74; А.В. Иванов-Смоленский. Электрические машины. M.: Энергия, 1980 г., с.716-717. Прототипом данного технического решения принята конструкция машины постоянного тока в книге М.П. Костенко, Л.М. Пиотровский. Электрические машины, т.1. M.: Энергия, 1964 г., с.62-74. В прототипе машина постоянного тока содержит якорь с магнитопроводом и обмоткой, индуктор с попарными полюсными делениями с магнитопроводом и обмоткой, воздушный зазор между якорем и индуктором, коммутационное устройство обмотки якоря в виде коллектора со щеточной траверсой. Недостатком прототипа является наличие скользящего контакта между коллектором и щеточной траверсой. Цель изобретения - устранение скользящего контакта в машине постоянного тока. Указанная цель достигается тем, что в отличие от прототипа обмотка якоря выполнена кольцевого типа, магнитопровод якоря выполнен из кольцевых пакетов шихтованной стали, замкнутых по наружному диаметру внешним магнитопроводом, снабженных по окружности продольными немагнитными вставками и разделенных между собой кольцевыми немагнитными промежутками, с магнитопроводом индуктора, выполненным из кольцевых пакетов стали, разделенных между собой кольцевыми немагнитными промежутками, соотносящихся с пакетами магнитопровода якоря, и с обмоткой индуктора, создающей одноименнополюсное магнитное поле, воздушный зазор выполнен с периодически переменным значением на длине каждого полюсного деления по закону изменения магнитного потока, обеспечивающего индуцирование в обмотке якоря однополярных попарных импульсов однополупериодной эдс синусоидальной формы на каждом парном полюсном делении, коммутирующее устройство выполняется со сдвигом пакетов индуктора относительно друг друга на электрический угол одного импульса, равный частному от деления ширины одного импульса на число пакетов индуктора.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются: выполнение обмотки якоря кольцевого типа; снабжение магнитопровода якоря продольными немагнитными вставками; выполнение магнитопровода индуктора из кольцевых пакетов стали, разделенных между собой кольцевыми немагнитными промежутками с формой его цилиндрической поверхности, создающей изменение величины воздушного зазора вдоль каждого полюсного деления магнитопровода, обеспечивающей закон изменения магнитного потока на двойной длине полюсного деления, производящей индуцирование в обмотке якоря однополярных попарных импульсов однополупериодной эдс синусоидальной формы; наличие дополнительного внешнего магнитопровода; выполнение пакетов магнитопровода индуктора со сдвигом относительно друг друга на электрический угол одного импульса, равный частному от деления ширины одного импульса на число пакетов индуктора.

Предложение соответствует критерию «существенные отличия», так как из известного перечня информации, установленного нормативным документом (п.127, Э3-1-74), технические решения с признаками, подобными заявленным, не обнаружены. На фиг.1 схематически изображена машина постоянного тока с числом парных полюсных делений, равным трем (p=3), продольный разрез; на фиг.2 изображен поперечный разрез. Машина постоянного тока включает, фиг.1 и фиг.2, якорь с обмоткой 1 кольцевого типа с магнитопроводом якоря из кольцевых пакетов 2 шихтованной стали, внешний магнитопровод 3, продольные немагнитные вставки 4, фиг.2, кольцевые немагнитные промежутки 5, индуктор, фиг.1 и фиг.2, с магнитопроводом из кольцевых пакетов стали 6, с кольцевыми немагнитными промежутками 7, с обмоткой 8, воздушный зазор 9, фиг.2, вал индуктора 10. Устройство в генераторном режиме работает следующим образом. При подаче тока в обмотку 8 индуктора возбуждается одноименнополюсный магнитный поток в магнитопроводах якоря и индуктора. Распределение плотности магнитного потока, Ф_α, (его индукции) по длине полюсного деления практически определяется конкретным значением воздушного зазора, задаваемого формой цилиндрической поверхности кольцевых пакетов 6 стали индуктора, то есть распределение значения магнитного потока вдоль двойного полюсного деления будет соответствовать обратно пропорциональному значению воздушного зазора

$${Ф}_{\alpha }={Ф}_o\frac{{\delta }_o}{{\delta }_{\alpha }}$$

где: δ_o, δ_α - минимальное и текущее значения величины воздушного зазора по длине двойной полюсной дуги соответственно, Ф_o - значение магнитного потока при минимальном значении величины воздушного зазора.

При вращении индуктора магнитный поток в воздушном зазоре будет вращаться с частотой вращения индуктора и будет наводить эдс в обмотке якоря согласно выражению

$${\epsilon }_{\alpha }=-C\frac{d{Ф}_{\alpha }}{d\alpha }$$

где Ф_α - текущее значение магнитного потока, α - текущее значение угла полюсной дуги, C - постоянный коэффициент пропорциональности. Согласно выражениям (Бронштейн К.А., Семендяев И.Н. Справочник по математике, с.555-557; Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в MATLAB. 2005, с.187) общее выражение для эдс в форме периодических сдвоенных однонаправленных синусоидальных импульсов, фиг.3, может быть записано рядом Фурье, что позволяет интегрированием приведенного выражения для ε_α получить требуемую форму и значение потока с заданным распределением по длине двойной полюсной дуги, обеспечивающего получение сдвоенного одноименно направленного синусоидального импульса. Магнитопровод индуктора выполнен из кольцевых пакетов, сдвинутых относительно друг друга на электрический угол одного импульса, равный частному от деления ширины одного импульса на число пакетов индуктора. В этом случае на длине одного витка на длине пакета якоря будет наводиться эдс со сдвигом на электрический угол сдвига пакетов индуктора, а суммарное значение эдс на длине одного витка запишется в виде

$$E=\{\epsilon \max \cdot Sin{\alpha }_o+\epsilon \max \cdot Sin({\alpha }_o+\Delta \alpha )+\epsilon \max \cdot Sin({\alpha }_o+i\cdot \Delta \alpha )+\cdots +\epsilon \max \cdot Sin[{\alpha }_o+(n-i)\cdot \Delta \alpha ]\},$$

где: εmax - амплитуда эдс по длине одного пакета якоря; α_o- исходное положение первого пакета индуктора; Δα- угол сдвига между соседними пакетами индуктора; i - номер текущего пакета индуктора; n - число пакетов индуктора. При этом значение эдс в витках каждого паза обмотки якоря будет практически одинаковым. На фиг.4 приведена форма сдвинутых импульсов эдс на длине одного витка обмотки якоря.

Ток имеет одно направление во всех витках обмотки по окружности якоря, вследствие чего возникает кольцевой магнитный поток реакции якоря, замыкающийся по спинке якоря, повышающий насыщение магнитопровода спинки якоря. Для уменьшения потока реакции якоря спинка якоря разделена продольными немагнитными вставками 4, фиг.2.

Преимущество предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом заключается в отсутствии скользящих контактов.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам постоянного тока, обмотка якоря которых выполнена кольцевого типа, а магнитопровод якоря - из кольцевых пакетов шихтованной стали, замкнутых по наружному диаметру внешним магнитопроводом, снабженных по окружности продольными немагнитными вставками и разделенных между собой кольцевыми немагнитными промежутками. Магнитопровод индуктора выполнен из профилированных кольцевых пакетов стали, сдвинутых относительно друг друга на электрический угол одного импульса, равный частному от деления ширины одного импульса на число пакетов индуктора, и разделенных между собой кольцевыми немагнитными промежутками. Обмотка индуктора создает одноименно полюсное магнитное поле. Воздушный зазор выполнен с периодическим переменным значением на длине каждого полюсного деления по закону изменения магнитного потока, обеспечивающего индуцирование в обмотке якоря однополярных импульсов однопериодной эдс на каждом полюсном делении. Технический результат состоит в создании электрической машины постоянного тока без скользящих контактов. 4 ил.

Машина постоянного тока, содержащая якорь с магнитопроводом и обмоткой, индуктор с попарными полюсными делениями с магнитопроводом и обмоткой и воздушный зазор между ними, коммутационное устройство обмотки якоря, отличающаяся тем, что обмотка якоря выполнена кольцевого типа, магнитопровод якоря выполнен из кольцевых пакетов шихтованной стали, замкнутых по наружному диаметру внешним магнитопроводом, снабженных по окружности продольными немагнитными вставками и разделенных между собой кольцевыми немагнитными промежутками, с магнитопроводом индуктора, выполненным из профилированных кольцевых пакетов стали, разделенных между собой кольцевыми немагнитными промежутками, соотносящихся с пакетами якоря и с обмоткой индуктора, создающей одноименно полюсное магнитное поле, воздушный зазор выполнен с периодически переменным значением на длине каждого полюсного деления по закону изменения магнитного потока, обеспечивающего индуцирование в обмотке якоря однополярных импульсов однопериодной эдс на каждом полюсном делении, коммутационное устройство выполняется со сдвигом пакетов индуктора относительно друг друга на электрический угол одного импульса, равный частному от деления ширины одного импульса на число пакетов индуктора.