Электрическая машина постоянного тока Советский патент 1993 года по МПК H02K13/14 

Изобретение относится к электротехнике, конкретно к электрическим машинам постоянного тока. Преимущественная область применения изобретения - генераторы и двигатели постоянного тока общего назначения,

Цель изобретения - упрощение конструкции обмотки якоря,

Такое конструктивное исполнение вследствие расположения зон коммутации в пределах полюсного перекрытия обусловливает знакопостоянный характер тока коммутации, в процессе которой изменяется значение тока в коммутирующих секциях, а его направление относительно проводников обмотки якоря остается неизменным в течение периода коммутации, т.е. времени частичного перекрытия щеткой пары соседних коллекторных пластин. Щетка, частично перекрывающая две соседние пластины, называется коммутирующей. В отличие от известных машин постоянного тока, имеющих знакопеременный ток коммутации (из- за расположения зон коммутации в межполюсном пространстве) указанное конструктивное исполнение обеспечивает знакопостоянную коммутацию и уменьшение вследствие этого среднего значения реактивной ЭДС за период коммутации в секции.

На фиг.1 упрощенно изображена электрическая машина постоянного тока, продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3-5 - варианты схем-разверток обмотки якоря и расстановки щеток на коллекторе (на фиг.4 и 5 секции условно изображены как одновитковые для упрощения схемы); на фиг.6 - кривые токов коммутации якоря.

Электрическая машина содержит маг- нитопроводящий корпус-станину 1 с разноименными полюсами индуктора 2, на которых размещены катушки обмотки возбуждения 3. На валу 4 закреплен якорь 5, выполненный в виде магнитопровода с однослойной обмоткой из многовитковых секций, имеющих диаметральный шаг. Каждая секция состоит из двух секционных стержней 6, расположенных в пазах магнитопровода (возможен вариант беспазового закрепления обмотки на магнитопроводе якоря). Секции соединены с коллектором 7, состоящим из разделенных слоями диэлектрика проводящих пластин 8, к которым припаяны выводы секционных стержней. Группы из расположенных подряд (одна рядом с другой) пластин образуют секторы коллектора, число секторов равно числу по- люсовмашины. В пределах каждого сектора установлены щетки 9 через одну коллекторную пластину при единичном щеточном перекрытии. Щетки имеют отводы для межщеточных соединений и для соединений с выводами питания 10. 11 (выводы питания

обозначены на фиг.З; условно они не показаны на фиг,1, 2). На пластинах соседних секторов коллектора установлены разнопо- лярные щетки (в пределах каждого из секторов однополярные щетки).

Обмотка якоря состоит из разомкнутых секций, которые соединяются последовательно с помощью межщеточных соединений. Варианты схем-разверток обмотки якоря и расстановки щеток при различных

5 числах пар полюсов машины и различных числах секционных стержней, приходящихся на одно полюсное перекрытие, показаны на фиг.3-5. Выводы секций имеют диаметральный шаг и соединены с пластинами,

0 расстояние между которыми на коллекторе пропорционально расстоянию между секционными стержнями (шагу обмотки), коэффициент пропорциональности равен отношению диаметров обточки коллектора

5 и якоря, Пластины сектора коллектора соединены с выводами секционных стержней, расположенных в пределах полюсного перекрытия. В пределах сектора коллектора установлены щетки, число которых равно

0 числу пар стержней, уложенных на якоре в пределах полюсного перекрытия. Между коллекторными пластинами, над которыми установлена последняя коммутирующая щетка сектора и первая коммутирующая

5 щетка соседнего сектора, введены свободные от щеток коллекторные пластины. Первая щетка сектора коллектора соединена с первым выводом питания, вторая щетка с первой щеткой соседнего сектора, послед0 няя щетка соседнего сектора соединена с отводом первой щетки следующего сектора, а последняя щетка последнего сектора соединена с вторым выводом питания (см.фиг.3-5).

5 Работает электрическая машина постоянного тока следующим образом,

При вращении якоря и подаче тока в обмотку возбуждения (независимого, параллельного или последовательного) в стер0 жнях якоря генерируются ЭДС. Если к выводам питания подключено внешнее сопротивление (электрическая нагрузка), то по цепи якоря протекает ток и осуш.ествляется электромеханическое преобразование

5 энергии в генераторном режиме. При подключении выводов питания к сети и подаче тока в обмотки якоря и возбуждения возникает электромагнитный момент и якорь приходит во вращение. Если на валу имеется внешний момент (механическая н-лгрузка),

то осуществляется электромеханическое преобразование энергии в двигательном режиме.

Между первой щеткой сектора и последней щеткой последнего сектора, которые соединены с выводами питания, приложено полное напряжение якоря. Согласно схемам фиг.3-5 число свободных коллекторных пластин между указанными коммутирующими щетками определяется из соотношения U

Кс

w ,1 -11I

UK

где U - напряжение якоря (разность потенциалов, на выводах питания);

UK - допустимое значение напряжения между соседними коллекторными пластинами (по условиям эксплуатации без электрического пробоя);.

Кв - число свободных от щеток пластин. При симметричном относительно оси вращения периодическом расположении секторов коллектора соотношение типа (1) справедливо также для числа свободных пластин между последней коммутирующей щеткой любого сектора и первой щеткой соседнего сектора, если заменить в (1) напряжение U на напряжение одной- секции Uc. Поскольку , то (1) является общим соотношением для определения Ксв при симметричном расположении секторов коллектора относительно оси вращения. В этом случае соотношение для определения КСв можно представить также в другой форме. Число коллекторных пластин, приходящихся на одно полюсное деление, равно ICj К/2р, причем 2р - число полюсов, К - полное число пластин. Согласно схемам фиг.З, 4, 5

(Ксв+2Кщ);

On bn/r (Kj-- Ксв)/Кг откуда следует, что число свободных пластин одного сектора

Ксв К.- ССп т

1 0п

К. (2)

где 2Кщ - число пластин одного сектора, перекрытых коммутирующими щетками;

Qn коэффициент полюсного перекрытия

Ьп - ширина полюса;

т- полюсное деление.

Число свободных пластин Ксв. определенное по (2), должно быть не меньше КСв по (1) во избежание электрического пробоя окружающей коллектор среды и замыкания соседних пластин между собой. Результаты примеров расчета с учетом (2) для-схем якоря по фиг.3-5 приведены в таблице.

0

Если в схеме типа фиг.5 принять , то получим .

Конструктивное исполнение электрической машины постоянного тока обеспечивает при ее работе уменьшение в два раза среднего за период коммутации значения реактивной ЭДС коммутирующей секции обмотки якоря вследствие знакопостоянного характера тока коммутации (фиг.б). Реактивная ЭДС

ep -Lpdi/dt,

где Lp- результирующая индуктивность секции (с учетом индуктивностей рассеяния и взаимной индукции с другими коммутирующими секциями);

I - ток коммутации;

t-время.

При знакопеременной коммутации

1 г , dl .. . , ер.ср. - - j- J0 Lp - dt - - - J,

|M L dl

при знакопостоянной коммутации

30

1 °г , ,,, Lp I, ер.ср.-- J,a Lpdi- -,

где ер.ср. - среднее значение реактивной ЭДС,

Тк - период коммутации;

1яа ток параллельной ветви обмотки якоря (для машины традиционного исполнения);

я-ток якоря, протекающий по выводам питания и межщеточным соединениям электрической машины постоянного тока, выполненной согласно изобретению.

Таким образом, для прочих равных условий (одинаковых параметрах Lp, TK и токах ) значение ер.ср. при знакопостоянном характере коммутации в два раза меньше,

чем при знакопеременном.

Коммутационный замкнутый контур образован двумя секциями и двумя коммутирующими щетками разной полярности,

каждая из которых частично перекрывает две соседние коллекторные пластины, принадлежащие соседним секторам коллектора.На фиг.З секции одного из коммутационных контуров выделены утолщенными линиями (секции содержащие секционные стороны , VII и II, VIII, выведенные на коллекторные пластины с такими же номерами). Суммарная ЭДС вращения в замкнутом коммутационном контуре (при его

полном обходе) равна нулю и не оказывает влияния на процесс коммутации. В соседних секционных стержнях (например в I, И и VII, VIII) протекают токи И, 12(фиг.З); их сумма 11+12 1я равна постоянному току якоря, который протекает по выводам питания и межщеточным соединениям. Зависимости И. 12 от времени (для двух периодов коммутации) представлены на фиг.6. Далее анало- гичный процесс знакопостоянной коммутации продолжается периодически. Ток я согласно фиг.6 не зависит от времени. Достигаемое улучшение коммутации, критерием качества которой является значение вр.ср., обусловливает увеличение надежности и долговечности работы, упрощение эксплуатационного обслуживания, а также позволяет надеяться на повышение габаритной мощности машины постоянного тока, которая ограничена факторами знакопеременной коммутации в машинах традиционного исполнения.

Формула изобрегения Электрическая машина постоянного тока, содержащая разноименно-полюсный индуктор, первый и второй выводы питания,

якорь с обмоткой из секций с диаметральным шагом, каждая из которых имеет два уложенных в пазах якоря секционных стержня, коллектор и щетки, отличающаяся тем, что. с цельюупрощения, выводы секций

соединены с коллекторными пластинами, расстояние между которыми по коллектору соответствует расстоянию между секционными стержнями по якорю, щетки каждой полярности размещены при единичном щеточном перекрытии через одну коллекторную пластину в пределах сектора полюсного перекрытия, первая щетка первого сектора соединена с первым выводом питания, вторая щетка сектора соединена с первой щеткой соседнего сектора, а последняя щетка последнего сектора - с вторым выводом питания.

Использование: машины постоянного тока малой мощности. Сущность изобретения: электрическая машина содержит корпус 1, внутри которого размещен разноименно-полюсный индуктор 2 с обмоткой возбуждения 3. На валу 4 установлены якорь 5 с петлевой обмоткой, состоящей из секционных стержней б, и коллектор 7, содержащий коллекторные пластины 8, по которым скользят неподвижные щетки 9. В предложенной конструкции машины постоянного тока каждая секция петлевой обмотки якоря имеет два установленных в пазах якоря секционных стержня, один из которых является начальной стороной секции, а другой - конечной стороной этой секции. Расстояние между начальной и конечной сторонами секции обмотки якоря соответствует ширине полюсного перекрытия. Щетки расположены в пределах полюсного перекрытия через одну коллекторную пластину, каждая щетка соединена с соответствующей щеткой под соседним полюсным перекрытием якоря, секционные стержни подключены к коллекторным пластинам, а число коллекторных пластин между соседними разнополярными щетками определяется из условий электрической прочности межламельных промежутков. Среднее значение реактивной ЭДС коммутируемой секций снижается в два раза по сравнению со средним значением реактивной ЭДС для прототипа. 6 ил. СО С

Фиг

я

//

ЈjIJSSL ESSi

WA |

Д I Z I Z/ Ш /ЭММ Л Ж Д I . ДГ

«HwLl M MH«J«MV ММ ИМИ МмЬмИ I lllll III .--- - -.-- |М|Ц||Д|ИМ1М ММа МММ мвмЬ |1ПВ1М1| И1ПИ МЯК

-о о-#

Ј глф -о о.

9960181

CPU г. 5