Однофазный серверный коллекторный двигатель Советский патент 1935 года по МПК H02K27/04 H02K27/22 

Недостатком однофазного коллекторного сериесного двигателя является, как известно, низкий коэфициент мощности и находящиеся в короткозамкнутых щетками секциях обмотки ротора трансформаторные э. д. с., являющиеся причиеой искрения щеток. Предложенные до сих пор многочисленные системы коллекторных двигателей с добавочными комненсационными обмотками имеют тот недостаток, что они комнёнсируют как коэфищиент мощности, так и трансформаторную э.д.с. кОроткозамкнутых секций только в определенных, очень узких пределах оборотов, а вне этих нределов и, в частности, при ненодвижном роторе оба этих недостатка часто еще усиливаются по сравнению с обычным коллекторным сериесным двигателем.

Настоящее изобретение имеет целью получение хорошей коммутации в тироких пределах окоросги, начиная с момента пуска двигателя. Одновременно с улучЩенной коммутацией предподагается получить компенсирование коэфициейта мощности. Идея иредложения заключается в применений дОИолнйтельной обмотки или овмоток, связанных с главным полем или с дополнительными полюсами или

с обоими одновременно и возбуждаемых током, находящимся по своей величине, фазе и зависимости от числа оборотов в таком же отношении к напряжению, которое щ опорционально главному потоку мащииы и отстает от него по фазе на 90°, как и гок любого сериесного двигателя по отношен1то к напряжению, питающему последний.

Возбуждаемый этим током целиком или в большей своей части магнитный поток расположен таким образом, чтб наводит в возбуждающей его вторичной цепи э.д.с. вращения. При надлежащем выполнении все остальйЫе э.д.с. вторичной цепи будут отно ительно малы и наведенная до бавоЧным поперечным магнинвым потоком и соответствующим током э.д.с. вращеййя полностью околшейсирует пульсирующую э.д.с., наведешую главным магнитным потоком. В результате дополнительный магнитный поток и возбуждающий его вторичный так по -времени будут, примерно, пераеНЖИКулярны вектй ру главного магнйтнотЧ) tiroToка и йо величийе относйтельйо главного л агнитнбго потока будут составлять доли, обратно про1го1р |4йойальную числу оборютов.

На чертеже фиг. 1 изображает основную принципиальную схему предлагаемого двигателя, фиг. 2, 3, 7, 8, 9 - различиые варианты выполнейия предлагаемого двигателя, фиг. 4 - картину распределения магнитных потопов, фиг. 5 и 6 - векторные диаграммы двигателя.

Для получения компенсирующего тока может быть применен (фиг. 1) второй однофазный сериесный двигатель 10, питаемый от обмоттки 13, траясформаторно связанной с обмоткой 1 статора главного двигателя 4, обтекаемый рабочим током. Компенсируюш,ая обмоФка 14 двигателя 4 в этом случае обтекает ся рабочим током двигателя 10, создающим соответствующее коммутирующее поле.

В обоих двигателях 4 и 10 или в одном из них может быть применено полностью или в больщей части компенЬирОВание поперечного поля якоря, о существ ляем:ое одним из известных способов.

Приведенная схема требует наличия двух машин. Однако, как будет показано далее, вполне возможно оба двигателя объединить в одну машину, установив на коллекторе главного двигателя второй комплект щеток, связав его со вспомогательной цепью (фиг. 3).

На фиг. 3 имеют место следующие обозначения. Обмотка возбуждения - 1. Обмотка дополнительных полюсов - 2, основные (главные) щетки - 3 и 4, компенсационная обмотка - 5 и ротор - 6. Кроме того, на коллекторе расположены поперечные щетки - 7 и 8, соединенные друг с другом цепью вторичного тока. В отличие от предлагавшихся до сих пор систем вторичный ток, проходя через катушку 9, возбуждает дополнительный поперечный магнитный поток, ось которого совпадает по направлению с потоком реакции ротора 6 и противоположна потоку компенсационной обмотки 5. В цепь вторичного тока могут быть также выключены катущки 10 дополнительных полюсов первичной цепи, обычно возбуждаемые только катушкой 2, и катущки 11 дополнительных полюсов вторичной цепи (последние для улучщения коммутации поперечных щеток).

Пренебрегая самоиндукцией катушек 9, 10 и 11, также как и активным сопротивлением мащины, можно получить следующие соотношения (см. фиг. 3, 4 и 5).

Первичный ток 1 создает в катущке 1 главный магнитный поток Ф (фиг. 4), обозначенный на векторной диаграмме (фиг. 5) вектором AD. Этот магнитный поток индуктирует во вторичной цепи ток Ij, который возбуждает магнитный поток Ф,, обозначенный на фиг. 5 вектором DB и расположенный в пространстве по одной оСи с магнитным потоком Ф.. Потоки Ф1-Ф, вместе образуют результирующий магнитный поток, проходящий по катушке 2 и обозначенный на диаграмме (фиг. 5) через вектор АВ. Этот последний индуктирует между щетками 7 и 8 э.д.с. пульсации (вектор АС на фиг. 5) и в короткозамкнутых основными щетками 3 и 4 секциях обмотки ротора трансформаторную э.д.с. (вектор AG на фиг. 5), вызывающую :искрение щеток.

Пусть теперь возбужденный протеканием вторичного тока L через катушку 9 дополнительный поперечный магнитный поток Ф наведет между поперечными щетками 7 и 8 э.д.с. вращения (вектор СА на фиг. 5), равную и противоположную э.д.с. пульсации АС той же цепи. Так как вектор вторичного тока Ij должен быть перпендикулярен к вектору АВ, то и вектор DB потока реакции этого тока также должен быть перпендикулярен к вектору АВ. При переменном числе оборотов и постоянном АВ конец D вектора DB будет скользить по прямой ХВ, параллельной АС. При этом отношение DB (Ф,) и АВ (Ф1- Фо) будет обратно пропорционально числу оборотов.

Магнитный поток Ф, (вектор АВ) индуктирует в витках катушки 1 э.д.с. пульсации (вектор ЕА), а между щетками 3 и 4 э.д.с. вращения, обозначенную на фиг. 5 вектором EF, и, следовательно, (при пренебрежении остальным падением напряжения) напряжение сети представится в этом случае вектором FA (фиг. 5). Если подобрать

соответствующим образом соотношения этих двух составляющих вектора напряжения сети, чтобы конец послеянего F лежал яа прадолжении вектора AD, то двигатель будет иметь коэфициент мощности, равный 1. Это последнее значение коэфициента мощности будет автоматически ноддерживаться настоянным при всех числах оборотов, так как вектор EF будет по отно-шению к ЕА с изменением оборотов изменяться в такой же степени (пропорционально), в какой BD изменяется в отношении АВ. В результате двигатель при всех числах оборотов будет иметь практически коэфициент мощности равный 1.

Понятно, что соответствующим выбором величин э.д.с. EF и FA можно .вместо 1 получить как индуктивный, так и емкостный коэфициент мощности.

Так как доцолнительяый магнитный поток Фз, возбуждаемый вторичным током la, индуктирует в роторе э.д.с. СА, то можно, снабдив дополнительные полюса обмоткой 10, обтекаемой тем же током, индуктировать в коротлсозамкнутых щетками 3-4 секциях обмотки ротора э.д.с. вращения GA, компенсирующую трансформаторную э.д.с. в той же секции. Эта компенсация будет иметь место при принятых .допущениях, при всех числах оборотов.

Однако, и при учете тех падений напряжения, которыми мы выше пренебрегли, все выведенные соотношения остаются также справедливыми, как это легко можно установить по фиг. 6, где рассеяние вторичной цепи обозначено через СН. Э.д.с. вращения, индуктироваНная потоком Ф.,, представлена здесь через НА, магнитный поток Ф.; - через DB. Обмотка 10 вызовет в короткозамкнутых щетками 3 и 4 секциях обмотки ротора э.д.с. вращения, представленную вектором КА, что уменьшит трансформаторную э.д.с. AG тех же секций до величины KG, которая, как это будет показано ниже, может быть еще уменьшена. Магнитный поток Ф. имеет то же направление, что и вектор DB и, если предположить, что магнитный поток первичной реакции якоря не полностью

скомпенсирован обмоткой 5, то он должен состоять из двух составляющих: одной - возбуждаемой первичным током LD и второй - возбуждаемой вторичным - LB. Точно также и вектор АВ составляется из двух слагающих: пропорциональной первичному току AL и пропорциональной вторичному - LB. Кроме того, можно так рассчитать машину, что вектор LB будет, в среднем, параллелен вектору АС, что позволит полностью скомпенсировать вектор AG действием обмотки 10, обтекаемой вторичным током.

В неподвижном состоянии двигателя не наводится никакой э.д.с. вращения, которая могла бы уравновесить трансформаторную э.д.с. Но и в этом случае имеется возможность трансформаторную э.д.с. значительно снизить. Это следует из того, что в данном двигателе вращающий момент состоит из двух моментов, образованных потоком , с током I, и потоком Ф.., с током L, что позволяет снизить как поток , так и поток Фз до величины значительно меньшей, по сравнению с главным потоком норма.яьного сериесного двигателя. Так, например, если ., выбран равным Фд и Ii равным L, то оба частичные момента равны между собой и равны каждый половине суммарного момента. Следовательно, новая машина имеет по сравнению с обычным сериес-двигателем при одинаковых вращающих моментах и силе тока в щетках вдвое более низкую трансформаторную э.д.с. в короткозамкнутых щетках. Для дальнейшего улучшения условий пуска могут быть применены также общеизвестные средства, как-то: ослабление поля и включение в цепь кopoткoзa п нyтых секций смешанного сопротивления. Здесь эти методы дают более ощутительные результаты, чем в нормальных сериес-двигателях, так как, во-первых, трансформаторная э.д.с. здесь значительно уменьшена и, вовторых, их нужно применять только кратковременно. Значительно улучшить коммутацию можно, установив во вторичном контуре щетки с большим омическим сопротизлением. При этом безразлично, будут ли щетки изготовлены из материала с большим омическим сопротивлением или состоять из нескольких частей, лМежду которЬп™ включе.ны до.бав0чные сопротивления.

В последнем случае можно значительно увеличить добавочное поле и за этот счет или при тех же условиях кОМмутации значительно увеличить момент, ШШ при том же моменте значительно улучшить коммутацию.

Для получения желательных соотношеиий как при вращении, так и при п-уске целеСОобразно во вторичную цепь включить самоиндукцию (см. фиг. 7), выполненную переменной и закорачи ваемой, или то и другое одновременно. Можно также на общей оси с обмоткой 1 включить BOi вторичную цепь обмотку 13 (фиг. 8).

Указанный эффект можно подучить также и без статорной обмотки 9 (фиг. 9) при ПОМОЩИ смещения поперечных щеток 7 и 8 таким образом, чтобы вторичный ток, протекая в роторе, давал слагающую 1магнитного поля в направлении, на которОМ раньще была расположена о-бмотка 9. Это может быть осуществлено как при нормальном вращении, так и при пуске. В этом случае также полезно во вторичную цепь ротора включить сопротивление.

При пуске можно также создать магнитный поток Ф., с по мощью тока статора 1, для чего достаточно дать обмотке 5 такое число витков, чтобы она полностью не компенсировала поля .

Предмет изобретения.

1. Однофазный сериесный коллекторный двигатель, отличающийся тем, что, с целью автоматического компенсирования коэфициента мощности или трансформаторной электродвижущей силы в замыкаемых накоротко щетками витках или обоих одновременно применены дополнительные обмотки или обмотки, связанные с главным полем, или с дополнительными полюсами, или с обоими одновременно и возбуждаемые током, находящимся по своей величине, фазе и зависимости от числа оборотов в таком же отношении к напряжению, которое пропориионально главному потоку машины и

отстает от него по фазе на 90°, как и ток любого сериесйого двигателя по отношению к напряжению, питающему последний.

2.Форма выполнения двигателя по п. 1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что указанная обмотка или указанные обмотки возбуждаются рабочим током второго однофазного сериесного коллекторного двигателя, питаемого от обмотки, трансформаторно связанной с обмоткой, обтекаемой рабочим током первого двигателя.

3.Форма выполнения двигателя по п. 2, отличающаяся тем, что обмотка, питающая второй двигатель,, трансформаторно связана с обмоткой статора первого двигателя, обтекаемой рабочим током.

4.При двигателе по пн. 2 и 3 применение в обоих двигателях или в одном из них компенсирования поперечного поля якоря полностью или в большей части одним из известных способов.

5.Видоизменение двигателя по пп. 2. 3 и 4, OIT л и чаю щ е еся тем, что первый двигатель объединен со вторым двигателем в одну машину со вторым комнлектОМ щеток на коллекторе, связанным с цепью указанной дополнительной обмотки или обмоток, с тем, чтобы первичный ток об.мотки возбуждения и возникающий в витках якоря, трансформаторно связанных с указанной обмоткой возбуждения, вторичный ток создавали результирующее поле, которое индуктировало бы в витках, обтекаемых вторичным током, напряжение, по большей части или целиком урав1новешиваемое электродвижущей силой вращения, индуктируемой от поперечного ноля, которое целиком или в большей части создается вторичным токоМ любым из известных способов.

6.Форма выполнения двигателя по п. 5, отличающаяся тем, что второй комплект щеток сдвинут относительно нервого комплекта щеток на 90 электрических градусов.

7.Применение в двигателе по п. 5 коМПенсирования поперечного ноля якоря полностью или в бОЛьшей части одним из известных способов.

8.Форма выполнения машины по пн. 1, 4 и 5, отличающаяся тем,.

что число Бижов компенсационной обмю-ши взято меньшим, чем этО требуется для полной компенсации реакции якоря с тем, чтобы остающееся поле реакции якоря воздействовало на цепь вторичного тока так, чтобы вторичный оказался сдвинутым по фазе на такой угол относительно суммарного поперечного поля, создаваемого первичным и вторичными токами, чтобы поле дополнительных полюсов в зоне первичных щеток, создаваемое вторичным током, компенсировало трансформаторную электродвижущую силу с достаточной для практики ТОЧНостью.

9.Форма выпалненйя двигателя по п. 5, отличающаяся тем, что щетки втОрого комплекта взяты с большим собственным сопротивлением или с ббльшим переходным сопротивлением или с тем и другим, чем щетки первого комплекта.

10.Форма выполнения двигателя по п. 5, о т л и ч а ю щ а Я с я тем, что пара-метры двигателя -подобраны таким

j образом, что трансформаГОрные электродвижущие силы в витках, замыкаемых накоротко щетками того и другого комплекта щеток, сильно не отли чаются по величине друг от друга. I 11. Форма выполнения двигателя по п. 5, отличающаяся тем, что соединения первичной и вторичной цепей двигателя произведены таким образом, что вращающий момент между поперечным полем и вторичным током в роторе и вращающий момент между главным полем, уменьшенным полем первичного тока, и первичным током направлены в одну сторону.

12. Форма выполнения двигателя по пп. 5 и 11, отличающаяся тем, что параметры двигателя подобраны таким образом, что вращающий момент между поперечным полем и вторичным током в роторе и вращающий момент между главнЫМ полем, уменьшенным полем вторичного тОка и первичным током, Примерно равны.