Коллекторная электрическая машина с устройством формирования коммутирующего поля Советский патент 1989 года по МПК H02K13/14 

Изобретение относится к коллекторным электрическим машинам с дополнительными полюсами.

Цель изобретения - улучшение коммутации при лучшем использовании меди обмоток добавочных полюсов и уменьшении затрат на регулирование величины и формы коммутирующего поля.

На фиг. 1 показаны магнитная цепь и график индукции под дополнительными полюсами на фиг. 2 - схема подключения электрической машины к управляющим элементам; на фиг. 3 - кривые коммутирующей ЭДС при одинаковых (а) и различных (б) токах в катушках дополнительных полюсов; на фиг. 4 - схема блока регулирования формы; на фиг. 5 - график функции, реализуемой блоком регулирования формы; на фиг.

6 - электросхема блока регулирования формы; на фиг. 7 - график несбалансированной ЭДС без подпитки и с подпиткой дополнительных полюсов.

Наконечники дополнительных полю- .сов имеют односторонний скос в тангенциальном направлении в поперечном сечении машины, позволяющий получить несимметричный воздушный зазор в зоне коммутации. К катушкам дополнительных полюсов 1 и 2 подключены параллельно регулируемые усилители 3 и 4.

В переходном режиме в систему управления приходят сигналы с датчиков скоростей изменения тока якоря 5, коммутирующего 6 и главного 7 потоков, датчика 8 частоты вращения электрической машины. В качестве дат3150650

ика 5 скорости изменения тока якоя 9 может использоваться трансфоратор тока, а датчиками скоростей зменения коммутирующего 6 и главного 7 потоков могут быть .измериельные катушки, намотанные на наонечниках, соответственно, дополнительных 1,2 и главного 10 полюсов,

Так как коммутирующий поток под д ополнительным полюсом 1 не равен отоку под дополнительным полюсом 2, необходимы соединяемые последовательно и согласно между собой изерительные катушки как на полюсе 1, 5 так и на полюсе 2.

Сигналы от датчика 5 скорости изменения тока в цепи якоря 9 и от датчика 6 скорости изменения коммутирующего потока поступают на вход 20 сумматора 11, присоединенного своим выходом к входу интегратора 12. Выходной сигнал интегратора 12, пропорциональный алгебраической сумме сигналов тока якоря и коммутирующего пото- 25 ка,подается на один из входов блока 13 умножения, на другой вход которого приходит сигнал с датчика 8 частоты вращения. С блока 13 умножения сигнал, пропорциональный разности ЗО реактивной и коммутирующей ЭДС, поступает на первый вход сумматора 14, а на другой его вход поступает сигнал от датчика, 7 скорости изменения потока- главных полюсов. Суммированный сигнал поступает на вход интегратора 15, с выхода которого подается на вход регулируемых усилителей 3 и Д, осуществляющих подпитку дополнительных полюсов 1 и 2. Таким образом, систе- на управления позволяет следить за соответствием величины коммутирующей ЭДС величинам реактивной и трансформаторной ЭДС. Функции суммирования и интегрирования сигналов, вьшолня- емые блоками 11 и 12, могут быть объединены в одном интегросумматоре. То же самое касается блоков 14 и 15. Интегратор 15 повьппает также помехозащищенность системы управления.

г, 50

Для более точной компенсации несимметрии реактивной ЭДС, вызванной коммутационными вихревыми токами, введен блок 16 регулирования формы, вход которого соединен с датчиком 8 частоты вращения, а выход - с управляющим коэффициентом усиления входом регулируемых усилителей 3 и 4. Сигналом с блока 16 регулиро35

45

0 5 О

0

5

5

1

вания формы управляют коэффициентом

усиления регулируемых усилителей 3 и 4, увеличивая коэффициент усиления одного из них и одновременно уменьшая коэффициент усиления дру- го, что приводит к увеличению тока, протекающего через один из дополнительных полюсов и ослаблению тока через другой. Больший коэ фициент усиления имеет тот подпитывающий усилитель, сбегающий край наконечника дополнительного полюса которого имеет меньший воздушный заз.ор, а набегающий край. - больший воздушный зазор. Это правило сохраняется для любого направления вращения электрической машины и не зависит от расположения скоса наконечника дополнительного полюса по отношению к главному полюсу. Важно лишь, чтобы дополнительные полюса быпи несимметричны относительно собственной оси и симметрично расположены относительно главных полюсов. Если представить, что якорь перемещается слева направо относительно полюсной системы, изображенной на фиг. 1, то больший коэффициент усиления будет иметь усилитель 3, подключенный к обмотке возбуждения дополнительного полюса 1.

Блок 16 регулирования формы может быть вьтолнен на операционном усилителе по . схеме (фиг. 4), а пример графика реализуемой им функции показан на фиг. 5. На фиг. 6 показана более подробная электросхема блока регулирования формы д ля одной полярности входного напряжения.

Элементы схемы на фиг, 6:

V,-D71, Vi-V -D226r, Vj. и V - D223A, К,-Кз, R, ROC-IO кОм, 6,8 кОм, Ry - 1,5 мОм, RT -470 кОм, C - 30 пФ, A 1 - К553УВ2.

В статическом режиме работы сигналы с датчиков 5-7 отсутствуют и задающий сигнал на выходе интегратора 15 равен нулю. Сигнал управления коэффициентом усиления регулируемых усилителей на выходе блока 16 не зависит от режима работы и определяется частотой вращения электрической машины.

При одинаковых токах подпитки до- полнитепьных полюсов 1 и 2 график

коммутирующей ЭДС e(t)t складываю-ь щийся из двух составляющих е ,(t) и e,(t), будет симметричным по форме

5150650)

(фиг.За). При различных токах подпитки будут разными токи через катушки дополнительных полюсов 1 и 2, а значит и разными по величине составляю5 г

,(t)

и e

xt

(t).

что при суммировании этих составляющих дает несимметричную форму коммутирующей ЭДС e(t) (фиг.36).

Коммутирующая ЭДС секций, замыка- ющихся анодной и катодной щеткой, одинакова только в случае диаметралной обмотки якоря и несколько отличающаяся при укорочении шага обмотки, что, однако, не имеет решающего значения.

Блок 16 регулирования формы реализует зависимость от частоты вращения величины, пропорциональной асимметрии формы реактивной ЭДС. Для определения этой зависимости необходимо иметь ряд графиков распределения реактивной ЭДС по зоне коммутации для различных частот вращения в рабочем диапазоне электрической машины. Величина, пропорциональная асимметрии формы реактивной ЭДС, определяется как отношение площади кривой реактивной ЭДС е р (t) на отрезке Т/2 t Т к площади кривой реактивной ЭДС e(t) на отрезке О t i Т, где t - текущее, время; Т - период коммутации паза ep(t) - реактивная ЭДС.

Реактивная ЭДС складывается ид трех составляющих: пазовой, лобовой, рассеяния по коронкам зубцов. Распределение реактивной ЭДС и ее составляющих по зоне коммутации рассчи- .тывается согласно следующей методике.

Расчет пазовой составляющей.

Пазовая составляюшая

e.n(u)t)ea(tot)4-e./ujt) 51

и) u..

+

(wt)

V«l,3

де ej(u/t)

45

пазовая составляющая верхнего слоя; e((x)t) - пазовая составляющая 50

нижнего СЛОЯ; (л);р-й - угловая частота основной

гармоники тока секции р - число пар полюсов; SI - угловая скорость якоря; 55

(u)t), е „(wt) - V -е гармоники

(u)t) и e «(wt)

Mi

(U)t) E „gj 51п(и1С

.)

Гг „ (Re

)6

arctgd

) +

(I. Е,,)Ч

K.,/Re Ё,.),

где E

m Ve

Е., --j-я

VB

амплитуда и фаза гармоники ЭДС проводников верхнего слоя; гармоника ЭДС проводников верхнего слоя в комплексном виде. Аналогична запись для проводников нижнего слоя. Комплексные величины ЭДС проводников в верхнем и нижнем слоях определяются по формулам

b-l

Е.,. - j v aUMoC(Io«+IoH

V8

OB

)/b +

/uag

f

4(1-ic,)A,e + (l4g-e )-Bv,J;

г -

1

)н. -е

-j iKJg- ivp- ft7

- - B,,(1-e )4-t....l

lb

VM

0 5

-bl-(i-k -e , luag «l

где 1

)V (i g-Vv-

)B.

VI

0

5

0

5

длина пакетов сердечника

якоря; с - расстояние от верхней грани

пазовой меди до верха паза; b - ширина паза g - высота пазового проводника а - ширина пазового проводника/ f - расстояние между верхним

и нижним слоями ПРОВОДНИКОВ)

магнитная постоянная;

электрическая проводимость

мeдиj U - число коллекторных делений

на паз j - мнимая единица,

ft (1+j) (.,3-/2b) ; A,(i t,,) .

/(2bshk g)i B.

Ко

T

(i.H)- -i

VH

J/

/(2bshk,g);

i,(2b-sh-k g);

«|и

В.

м

-i,

(2bshk.g). (9)

VH f

Комплексная амплитуда v-й гармоники суммарного тока верхнего слоя проводников в пазу

Ive I-v

. sin(vuo(/2)/sin()

i4.

VK

rrr

sin(iOi//2) /

a нижнего слоя /sin(v)o//2) ,

где (i -(u-1)) (и-ОVo//2.+ Лл); 2ffp/k; /5 (1-2py,/k)ff;

k - число коллекторных пластин; у - первый частичный шаг обмотки A шлитyдa -й гармоники тока проводника

i sinOMT,/2)/(vW,)i

где i - ток параллельной ветви якорной ОбМОТКИ) Тц - период коммутации секции.

Расчет лобовой составляющей реактивной ЭДС.

V-я гармоника реактивной ЭДС в лобовых частях любой полусекции верхнего или нижнего слоя

) lADSK.fCsinlf/

+ jcostf) , + 1„ Ё, ,

где -у. - число одновременно коммутируемых секций; - длина лобовых соединений;

1л

ITT

0.37i.lgO-) магнитная проводимость лобовых соединений

п полюсное деление.

h - высота в штампе; . 6 8intv« /(N+1) (N+1) - множитель сходимости Ланцоша;

Предлагаемая коллекторная электрическая машина с устройством формирования коммутирующего поля создает положительный эффект повышения коммутационной надежности в любых реальных режимах работы, снижает или устраняет коммутационное искрение.

30 Формула изобретения

Коллекторная электрическая машина с устройством формирования jcoMMy- тирующего поля, содержащая главные JJ полюса, добавочные полюса с обмотками и наконечниками, датчики скорости изменения тока якоря, коммутирующеarctgd Ё /R Ё ).го и главного потоков, датчик часто m л Е ) вращения, усилители, подключенные

Таким образом рассчитьгоается реак- д выходом к обмоткам добавочных , V - о.

Реактивная ЭДС в лобовых частях

любой полусекции

и

e},(cJt) sinCvwt +VyJ, где Е.Чс не ;,) + (1.Ё,,)Г

««Ол

V,

тивная ЭДС в лобовых частях каждой полусекции верхнего слоя. Нижнему слою соответствуют такие же графики, но сдвинутые по фазе на угол /j. Результирующая кривая реактивной ЭДС лобовых частей построена как сумма кривых, огибающих графики ЭДС полусекций верхнего и нижнего слоев.

Расчет составляющей реактивной ЭДС от потока, рассеяния через коронки зубцов

eK(wt)(U)t)-2U-ic,-8in(frt/T).

Расчетная индуктивность рассеяния через коронки зубцов L(iot) получена в результате сложения двух одинаковых кривых А (u)t) , смещенных на угол |i/2 в обе стороны от середины интервала коммутации паза

сов, а входом - к системе управления, включающей блок перемножения, сумматор и интегратор, входы которого соединены с датчиком скорости 45 изменения тока якоря и датчиком коммутирующего noToKfa, а входы блока перемножения соединены с выходами интегратора и датчика частоты вращения, выход - с входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости изменения главного потока, отличающаяся тем, что, с целью улучшения коммутациипри лучшем использовании меди обмоток добавочных полюсов и уменьшении затрат на регулирование величины и формы коммутирующего поля, в систему управления введены второй интегратор и нелинейнь1Й блок.

50

55

.

JQ

15

20

25

. -)(о75|; - - 1

о U) t ,

где D - диаметр якоря

Ьд - ширина полнх:ного наконечника

- первый воздушный ,зазору К - коэффициент Картера. Все формулы приведены в предположении, что в секции наход1 тся один виток, что характерно для машин большой мощности.

В случае многополюсной машины регулируемый усилитель подключается параллельно группе катушек дополнительных полюсов, создающих коммутирующее поле одинаковой полярности и соединенных последовательно друг с другом.

Предлагаемая коллекторная электрическая машина с устройством формирования коммутирующего поля создает положительный эффект повышения коммутационной надежности в любых реальных режимах работы, снижает или устраняет коммутационное искрение.

сов, а входом - к системе управления, включающей блок перемножения, сумматор и интегратор, входы которого соединены с датчиком скорости 5 изменения тока якоря и датчиком коммутирующего noToKfa, а входы блока перемножения соединены с выходами интегратора и датчика частоты вращения, выход - с входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости изменения главного потока, отличающаяся тем, что, с целью улучшения коммутациипри лучшем использовании меди обмоток добавочных полюсов и уменьшении затрат на регулирование величины и формы коммутирующего поля, в систему управления введены второй интегратор и нелинейнь1Й блок.

0

5

9150650110

-причем вход второго интегратора блок соединены с датчиком часто- единен с выходом сумматора, а вы-ты вращения, а наконечники дополни- ход - с входами усилителей, управ-тельных полюсов в тангенциальном на- ляющие входы которых через нелиней- правлении выполнен со скосом.

Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения - улучшение коммутации при лучшем использовании меди обмоток добавочных полюсов и уменьшении затрат на регулирование величины и формы коммутирующего поля. Это достигается различной степенью подпитки каждого из двух разноименных дополнительных полюсов, наконечники которых имеют одностронний скос в поперечном сечении машины, от системы управления, содержащей датчики скорости изменения тока якоря, коммутирующего и главного потоков, датчик частоты вращения и усилители. В систему управления введены второй интегратор и нелинейный блок, а усилитель выполнен регулируемым. Применение изобретения целесообразно в электроприводах, работающих в динамических режимах с ударными нагрузками. 7 ил.

J

()

фиг. 2

((t)

Фиг.З

А//

-о

фиг.

Фиг.5

Oftttei

Фи1.6

u.7