Электрическая машина постоянного тока Советский патент 1993 года по МПК H02K23/00 

Ё

Использование: электрические машины постоянного тока для приводов транспортных средств. Сущность изобретения: в электрической машине постоянного тока с электронным коммутатором по сигналам датчика положения ротора, каждый полюс расщеплен на ряд полюсов, расположенных рядом по окружности, и несет каждый с вою обмотку. Обмотки каждой пары диаметрально противоположных полюсов соединены между собой встречно-последовательно. .Изобретение позволяет повысить массо-габаритные показатели и плавность хода электрической машины. 5 ил.

Изобретение относится к электромашиностроению, а более конкретно к электрическим машинам постоянного тока.

Целью изобретения является повышение массовых и объемных энергетических показателей и плавности хода электрической машины.

В описываемой электрической машине постоянного тока, содержащей ротор, статор с полюсами, обмотками возбуждения полюсов и электронным коммутатором гю сигналам датчика положения ротора, эта цель достигнута тем, что каждый полюс расщеплен на N одноименных полюсов, которые расположены рядом, равномерно по окружности и несут каждый свою обмотку, а обмотки каждой пары диаметрально противоположных полюсов соединены между собой встречно-последовательно.

Это обеспечивает равномерное распределение индукции в зазоре и как следствие снижение массы и габаритов машины, замену- распределенной статорной m-фазной обмотки сосредоточенными обмотками полюсных систем с явно или неявно выраженными полюсами, имеющими малую длину витков, наматываемых вокруг стержней полюсов, а следовательно уменьшение ее массы, объема и потерь в ней. уменьшение потребности значения МДС обмотки возбуждения. Это наряду с сокращением длины витков приводит к уменьшению электрических потерь и увеличению КПД, появляется возможность применения обмоток возбуждения из более дешевых и менее дефицитных проводов.

Сущность предлагаемого устройства электрической машины заключается в следующем, В электрической машине.

00 СА) О v|

00 VI

CJ

имеющей ротор (обмоточный или безобмоточный), статор с обмоткой и датчик положения ротора, в которой коммутация статоркой обмотки осуществляется электронным коммутатором по сигналам датчика положения ротора, статор выполняют в виде полюсной системы с явно или неявно выраженными полюсами и обмотками возбуждения. По сигналам датчика положения ротора последовательно переключают обмотки возбуждения пары диаметрально- расположенных разноименных полюсов, изменяя направления тока в них на противоположное и задерживая обмотки в обесточенном состоянии на определенное время. Для этого имеющиеся 2р полюсов располагают равномерно по окружности статора таким образом, чтобы по- люсы одной полярности (р полюсов) находились рядом. Обмотки возбуждения каждой пары диаметрально расположенных полюсов подключаются к источнику постоянного тока через реверсивные ключи коммутатора независимо друг от друга, а между собой встречно-последовательно. Таким образом для коммутации необходимо иметь число реверсивных ключей коммутатора, равное числу пар полюсов, т.е. р коммутацию осуществляют так, что обе группы полюсов (северные и южные) всегда, за исключением времени включения - выключения двух соседних пар полюсов, оказываются разделенными одной парой диаметрально расположенных полюсов с обесточенными обмотками, т.е. нейтральной полярности. Время нахождения обмоток возбуждения одной ротора в обесточенном состоянии соответствует повороту ротора на угол несколько меньший тг/Р градусов. При этом создается эффект вращения результирующей МДС полюсной системы и появляется трансформаторная связь переключаемой обмотки возбуждения с обмоткой ротора (если таковая имеется). В электрической машине с таким способом коммутации практически отсутствует рассеяние потока возбуждения полюсов, так как рядом располагаются полюсы одной полярности, а разноименные полюсы разделены сердечником нейтрального полюса. Поэтому сердечники полюсов в воздушном зазоре над поверхностью ротора можно располагать практически вплотную друг к другу, оставляя лишь необходимый технологический зазор, чем и обеспечивается равномерное распределение максимально возможной индукции в зазоре, а следовательно и больший полезный магнитный поток, чем в вентильном двигателе, при тех же размерах ротора или, что

эквивалентно, меньшее требуемое значение результирующих МДС полюсной системы при одинаковом потоке. Это позволяет либо сокращать обьем обмоток возбуждения, либо уменьшать ток возбуждения, а значит уменьшать и электрические потери. Трансформаторный режим работы переключаемых обмоток возбуждения полюсов и уменьшенный обьем обмоток позволяет использовать для них алюминиевые провода. Уменьшение потоков рассеяния полюсов по сравнению с коллекторными машинами постоянного тока объясняется увеличением нейтральной зоны ВН между группами полюсов разной полярности при этом способе по сравнению с нейтральной зоной (немагнитным промежутком между соседними полюсами коллекторных машин вн г(1 - а),

ПДа

где т --- полюсное деление; Da-диагрметр якоря; а- внп

коэффициент

магнитного перекрытия; внп - ширина наконечника полюса. При среднем значении

для большинства машин постоянного тока п 0,7, ве 0,3. Для предлагаемой машины ширина.нейтральной зоны вн - т, т.е. больше на 70%, что значительно увеличивает магнитное сопротивление потокам рассеяния полюсов.

Кроме того в предлагаемой машине созданы условия для значительного по отношению к прототипу увеличения степени информации основного магнитного поля

магнитным полем реакции якоря.

На фиг.1 приведен характер распределения магнитных силовых линий; на фиг.2 - характер индукций в воздушном зазоре от распределенной статорной обмотки (прототип) и сосредоточенных полюсных обмоток (предлагаемое устройство); на фиг.З - типовая схема коммутации электрической машины на примере электродвигателя с числом полюсов 2р 8; на фиг.4 - характер изменения напряжения, подаваемого на обмотки возбуждения полюсов; на фиг.5 - иллюстрация взаимного расположения полюсов, положение векторов результирующей МДС Fon полюсной системы и ротора Fp и последовательность изменения полярности полюсов.

На фиг.1 показаны пути замыкания магнитных силовых линий при разномерно распределенной 4-фэзной статорной обмотке

(фиг.1 а) и сосредоточенной (фиг. 16). Как видно из этих фигур при распределенной обмотке (прототип) магнитные силовые линии замыкаются в роторе по поперечной оси q статора, а в предлагаемой машине - по продольной оси d. Замыкание же магнитных

силовых линий вне ротора не может осуществляться как в направлении, поперечном от вала ротора, так и вдоль вала. В первом случае получается машина в одноякорном исполнении, имеющая ярмо статора, во вто- ром - необходимо иметь два ротора и П-об- разную форму сердечников полюсов без статора ярма.

В соответствии с этим распределение индукции в воздушном зазоре при распре- деленной обмотке носит синусоидальный характер и достигает максимума на продольной от ротора (фиг.2а), а во втором - седлообразный, практически постоянна и равна максимальному значению на всем пространстве над полюсами с включенными обмо.ткэми (фиг.2б). .

На фиг.З изображена типовая схема коммутации предлагаемой.электрической машины с датчиком положения ротора, име- ющий 8 чувствительных элементов (Ч), выполненных, например, на оптопарных, перекрываемых заслонкой (заштрихованный сектор), соединенной с вращающимся ротором (р), коммутатор с реверсивными ключами К1, К2, КЗ, К 4 и обмотками возбуждения полюсов 081-ОВ8. При изображенном на фиг.З положении ротора, соответствующем перекрытию заслонкой чувствительных элемснтбв 1,8, 7,6,5 сигна- лы на открытие реверсивных ключей К2, КЗ, К4 коммутатора поступают от пар чувствительных элементов 2-6,3-7,4-8. Ключи про- пускают ток в обмотки возбуждения полюсов ОВ2НЭВ6, ОВЗ-ОВ7, ОВ4-ОВ8 в одном направлении, при этом сами обмотки в каждой паре полюсов соединены встречно. Сигнал от пары чувствительных элементов 1-5 отсутствует и ключ К1 закрыт. Обмотки полюсов ОВ1 и ОВ5 обесточены.

1

Через время, соответствующее углу поворота ротора л:/Р -Д где /3-угол опережения открытия ключей (фиг.4). поступит сигнал от чувствительных элементов на открытие ключа К1 для пропускания тока в направлении, противоположном К2, КЗ и К4, а еще через угол / исчезает сигнал с чувствительных элементов 2-6 и ключ К2 обесточит обмотки ОВ2 и ОВ6. На фиг.5 а, б, в изображено взаимное расположение полюсов разной полярности, положение векторов результирующей МДС FOB полюсной системы и ротора Fp и изменение полярности полюсов, соответствующее трем, различным положениям ротора, которые характеризуются заштрихованными секторами ротора. Для упрощения обмотки возбуждения изображены только на одной паре полюсов.

Высокие энергетические показатели восьмиполюсных электродвигателей предлагаемого типа были получены при проведе- нии стендовых испытаний макетных образцов мощностью 40 Вт и 600 Вт.

Ф о р м у л а и з о б р ет е н и я Электрическая машина постоянного тока, содержащая ротор, статор с полюсами и обмотками возбуждения полюсов и электронный коммутатор по сигналам датчика положения ротора, отличающаяся тем, что, с целью повышения массовых и объемных энергетических показателей и плавности хода электрической машины, каждый полюс расщеплен на N одноименных полюсов, которые расположены рядом равномерно по окружности и несут каждый свою обмотку, а обмотки каждой пары диаметрально противоположных полюсов соединены между собой встречно последовательно.

Фаг. 1

а.

о

.fTTiimimummiiiiimb....

Т

5

о

J1.O

У

/7Р

5е

/55 J80° Ц

Ц

BI

2

ипшши

2W

lillpif

ЈГ

teZ

i/c: И

КОМНУЯ7СГ/7 0Р

ОВ8 08Ь

t.

Фиг.З

225° 27

° 3/5

-

и

ФигЛ

«сэ