Компенсированный однофазный сериесный коллекторный двигатель Советский патент 1941 года по МПК H02K27/04 H02K27/22 

Компенсированный однофазный сериесный коллекторный

Заявлено 9 июля 1938 года в НКЭП за Л« 17535. Опубликовано 31 января 1941 года.

Предмет предлагаемого изобретения составляет компенсированный однофазный сериесный коллекторный двигатель того типа, у которого с одной стороны к якорю подводится нервичный ток (от сети) нри немощи щеток непосредственно и с другой стороны-при noMouiH расположенной на статоре вторичной обмотки возбуждения, питаемой током ротора. В витках якоря между добавочными щетками индуктируется вторичный ток, причем, результирующего потока возбуждения Ф1, возбум даемого совместным действием обмотки возбуждения первичного тока и витками якоря, которым протекает вторичный ток, имеется еще перпендикулярно к нему расположенный магнитный поток Ф..

В особенности предлагаемое изобретение имеет в виду однофазные коллекторные сериесные двигатели того особого рода, у которых этот поток Ф полностью или частично возбуждается обмоткой, питаемой вторичным током и расположенной перпендикулярно к первичной обмотке возбуждения, между тем как образовандвигатель.

ный в якоре первичным током магнитный поток при помощи компенсационной обмотки полностью или в больщей своей части уничтожается.

В этих мащинах трансформаторное напряжение, вызывающее искрение щеток, образуемое результирующим полем возбуждения между краями щеток первичного тока в короткозамкнутых витках якоря, может быть в значительной своей части уничтожено. Принципиальную схему этого показывает фиг. 1.

Первичный ток I,-, протекает через обмотку возбуждения 1, якорь 3 между щетками 2 и 4, обмотку 5 дополнительных полюсов и через компенсационную обмотку 6. Вторичный ток L протекает через якорь .между щетками 7 и 8, поперечную обмотку 9 н через обмотку 10 дополнительного полюсй, расположенную на том же полюсе, что и обмотка 5. Если поперечный поток первичного тока в якоре полностью уничтожен компенсационной обмоткой 6, то векторная диаграмма имеет форму, показанную на фиг. 2 чертежа.

Результирующий поток АВ (Ф) индуктирует между щетками 7 и 8 напряжение АЕ. Последнее уничтожается напряжением DA, возникающим благодаря вращению якоря в магнитном поле обмоток 9 и 10, и напряжением ED, возникающим вследствие самоиндукции этих обмоток.

При половинном числе оборотов точка D двигается по полукругу до точки D, а при двойном числе оборотов до точки D. Соответственно этому, получается положение вторичных токов СВ, СВ, и положение первичных токов АС, АС , АС. Токи 12 при возрастающем числе оборотов уменьщаются и по фазе отстают от АВ (Ф1). При этом они могут компенсировать, при помощи обмотки 10 добавочного полюса, напряжение, вызывающее искрение щеток и возбуждаемое потоком Ф1 в короткозамкнутой обмотке под щетками 2 и 4.

Если рассматривать АЕ как вектор напряжения, вызывающего искрение, то векторы DA, DA, соответствуют компенсирующим напряжениям, возникающим благодаря вращению соответствующей току 1з части потока добавочных полюсов, так что получаются только остаточные напряжения ED, ED, ED.

Можно даже при нормальном числе оборотов получить полное уничтожение напряжения, вызывающего искрение. Это получается в том случае, когда число витков в компенсационной обмотке 6 будет несколько меньще, так что поперечный поток Фз образуется совместным действием токов 1. и 1. В таком случае получается показанное на фиг. 3 соотнощение величин. Часть поперечного потока Фо, возбуждаемая обмоткой 9, и часть потока добавочного полюса, возбуждаемая обмоткой 10, образуют между щетками 7 и 8 напряжение FG, обусловленное вращением, и напряжение EF, обусловленное индукцией. Часть поперечного потока Фз и потока добавочного полюса, возбуждаемая током fj, образует, вследствие вращения, напряжение НА, и.

вследствие индукции, напряжение СН. Вектор тока СВ перпендикулярен к ЛГв и поэтому ток 1-2 может образовать в обмотке 10 такую составляющую потока добавочного полюса, которая при нормальном числе оборотов полностью уничтожает напряжение, вызывающее искрение, напряжением, получающимся при. вращении; при всяком другом числе оборотов получаются только остаточные напряжения. Все это дало основание думать, что можно будет даже при числе периодов порядка 50 в секунду применять результирующие, потоки возбуждения такой же величины, какие в настоящее время применимы при 25 периодах, что дало бы возможность получить большие вращающие моменты, высокие напряжения и целый ряд других преимуществ и, тем не менее, иметь очень щирокие границы регулирования числа оборотов.

Опыт показал, однако, что эти преимущества не только не могут быть использованы, но что мащина даже при относительно малых потоках Ф| и даже в узких границах числа оборотов имеет тенденцию к загрязнению коллектора.

Практические испытания и теоретические соображения показывают следующее.

В короткозамкнутой обмотке под щетками 7 и 8 на середине полюсов также возникают напряжения, а именно: индуктивное напряжение от тока 12, напряжение вращения, обусловленное действием потока Ф1, и трансформаторное напряжение, вызывающее искрение щеток и обусловленное действием потока Ф2. Оба последних напряжения взаимно приблизительно уничтожаются при определенном числе оборотов, а индуктивное напряжение от тока 12 может быть сделано малым, если мала сила тока 12.

При понижении числа оборотов, однако, поток Ф2 возрастает относительно потока Ф1 и наоборот, а поэтому на границах диапазона числа оборотов между образуемыми ими напряжениями остается довольно значительная разность. К этому добавляется еще то, что при понижении числа оборотов ток Гз и индуктивное сопротивление также значительно увеличиваются. Кроме того, Б витках, замыкаемых накоротко щетками 7 и.8, возникают напряжения самоиндукции от потоков рассеяния, возбуждаемых обтекающим также и эти витки током 1 на своем пути от щетки 2 к щетке 4.

В этих витках индуктируются также напряжения от тока Ij, протекающего по обмотке 5. Эти напряжения также ухудшают коммутацию на вторичных щетках.

в результате всех перечисленных напряжений получается сильное искрение щеток 7 и 8, которое уменьшается лишь при соответственном уменьшении напряжения двигателя, токов и потока Ф.

Одной из проблем, которые необходимо разрешить для радикального улучшения работы двигателя, является, поэтому, проблема нахождения таких мероприятий, которые уничтожили бы перечисленные выше напряжения полностью или по крайней мере в большей части. Вследствие этого стало бы возможным опять увеличить поток Ф| до величины, допустимой остаточнылги напряжениями в витках, короткозамкнутых щетками 2 и 4. Имеются, однако, случаи, когда достигнутое таким образом увеличение потока Ф, не может нас удовлетворить, например, если желателен такой широкий диапазон оборотов, что на границах его при больших значениях потока Ф| возникающие остаточные напряжения под щетками 2 и 4 оказываются слишком большими, или там, где высшие гармоники потока Ф уже слишком сильно влияют на коммутацию.

Поэто(у, для того, чтобы построить регулируемый в широких пределах однофазный сериесный двигатель с большими потоками на полюс при повышенных частотах, необходимо еще решить и вторую проблему, тесно связанную с первой, а именно:каким образом сделать возможным уничтожение или уменьшение остаточных напряжений под щетками 2 и 4 и каким путем уменьшить высшие гармоники потока.

Предметом предлагаемого изобретения является такая комбинация технических мероприятий, при помощи которых предусматривается доведение до очень малых остаточных значений различных напряжений, возникающих под щетками 7 и 8, так, чтобы поток Ф, мог быть увеличен до пределов, определяемых остаточными напряжениями под щетками 2 и 4 и высшими гармониками его; эти последние остаточные значения и высшие гармонические при этом сами по себе сильно уменьшаются, так что указанные выше недостатки должны полностью уничтожиться, вследствие чего получается возможность сделать величину потока Ф) и диапазон регулирования числа оборотов больше, чем у современных нормальных коллекторных двигателей.

Эги мероприятия относятся, с одной стороны, к коммутации под щетками 7 и 8 и заключаются в следующем.

Полюс, на котором расположена обмотка возбуждения 1, делится на две части и между ними вставляется дополнительный добавочный полюс. Затем принимаются меры к тому, чтобы уничтожилось намагничивающее действие oб ;0тки на добавочные дополнительные полюса. Это может быть достигнуто тем, что на добавочном полюсе помещаются ампервитки, намотанные в противоположных направлениях, или же тем, что осмотка 1 помещается на обеих половинках полюса. Далее, на дополнительном добавочном полюсе помещаются еще пропорциональные току L ампервитки, которыми уничтожается напряжение, образующееся iipii вращении от потока, возбуждаемого в добавочном полюсе от тока I.

Поскольку поток Ф, возбуждается совместным действием ампервитков токов и L,, то этим путем может быть уничтожено действие потока Ф, на . Однилги перечисленными мероприятиями коммутация-под щетками 7 и 8 не только не может сыть сделана удовлетворительной, но даже должна была бы ухудшиться.

Как было описано применительно к схеме, изображенной на фиг. 1, напряжение вращения, образуемое потоком Ф, при определенном числе оборотов уничтожало возбуждаемое потоком Ф2 напряжение, вызывающее искрение щеток 7 и 8. Вследствие вышеуказанных мероприятий, это благоприятное действие, однако, отпадает. Поэтому, кроме них, необходихю дальнейшими мероприятиями уничтожить и это напряжение как для случая, когла поток Фо возбуждается только током Ig, так и для того стучая, когда поток Ф2 возбуждается и током 1, и током Ц. Кроме того должно также быть уничтожено напряжение рассеяния от тока 1, в короткозамкнутых витках якоря. Эти мероприятия могут быть зстановлены на основании следующих соображений.

Можно разложить вектор тока I, который мы изобразим в -виде вектора АС, на пропорциональный потоку Ф; вектор АВ, который мы в дальнейшем будем называть составляющей возбуждения первичного тока, и на вектор ВС, который

мы будем называть компенсационной состав1яющ,ей первичного тока. Согласно предпагаемому изобретению, используется то обстоятельство, что компенсационная составляющая первичного тока приб (изительно перпендикулярна к направлению составляющей возбуждении первичного тока и потока Ф;.

Если представим себе теперь у машины, согласно фиг. 1 и 2, соответствующее току Ii добавочное поле, уничтожающее реактивное напряжение первичного тока между 1цетками 2 и 4, а у машины, согласно фиг. 1 и 3, кроме того еще возбуждаемую током Ij часть потока Ф, разложенными на поле, образованное составляющей возбз ждения первичного тока, и на поле, образованное компенсационной составляющей первичного тока, и если таким же путем разложим напряи{ение рассеяния, созданное током в короткозамкнутом витке, замкнутом щетками 7 и 8, то мы сможем напряжение искрения первичного тока, возбуждаемого под щетками 7 и 8 от соответствующей части составляющей возбуждения первичного тока, очень точно уничтожить напряжением вращения, возникающим благодаря действию дополнительных пропорциональных току I, ампервитков, помещенных на добавочных полюсах щеток 7 и 8. Эго действие тем вернее, что при возрастающем числе оборотов и постоянном потоке Ф(, величина этих пропорциональных току I., ампервитков уменьщается, и поэтому возб окдаемое ими напряжение вращения остается более или менее постоянным, в то время как возбуждаемое составляющей возбз/ждения первичного тока напряжение, вызывающее искрение щеток, также остается постоянным.

Остающиеся части трансформаторного напряжения, вызывающего искрение, индуктируются тогда, очевидно, образуемыми вторичным током или компенсационной составляющей первичного тока, частями потока добавочного полюса или потока Фи могут быть устранены тем, что при помощи омического сопротивления на добавочном полюсе щеток 7 и 8 образуется еще одна ампервитковая составляющая, отстающая примерно на 90 от ампервитков тока 12Так как эта составляющая пропорциональна току 1 и индуктируемое ею напряжение вращения, поэтому,относительно

1-2 возрастает с числом оборотов, между тем как часть напряжения искрения, которую оно должно компенсировать, пропорциональна Ij, то поэтому при повыщенных числах оборотов наступает перекоипенсация, а при пониженных числах оборотов-недокомпенсация. Аналогичное явление известно у обыкновенных однофазных сериесных коллекторных двигателей, у которых напряжение, вызываюLuee искрение щеток, компенсируется включением омического сопротивления параллельно обмотке добавочного полюса. Поэтому необходимо, чтобы соответствующим подбором числа витков поток Ф получил такую величину, при которой он образует допустимое по величине трансформаторное напряжение, как у обыкновенных двигателей при 25 пер/сек во время хода на границах диапазона регулирования. Подходящим для этого средством является помещение на статоре коаксиально с обмоткой 1, пронизываемой полем Ф-2 обмотки 11, через которую протекает ток L, (фиг. 4). Это позволяет подобрать сумму индуктируемых потоком Ф; в этой обмотке и между щетками 7 и 8 напряжений таким образом, чтобы поперечное поле Ф2, которое напряжением вращения должно уничтожить эти напряжения, имело как раз требуемую величину.

Различные описанные группы пропорциональных токам I; или 1„ ампервитков на добавочных полюсах щеток 7 - 8 могут быть получены, разумеется, просто помещением соответствующих обмоток, по которым будут протекать соответствующие токи, и включением омического сопротивления параллельно к виткам, по которым протекает ток 12.

Однако, тот же эффект может быть достигнут, на основании нижеследующих соображений, соверщенно другой схемой со значительной экономией меди. Если мы рассмотрим фиг. 2 или 3,« то увидим, что для выщеупомянутого уничтожения действия потока Ф1 (вектор АВ) на добавочный полюс потребуются ампервитки,

соответствующие вектору АС, и ампервитки, соответствующие вектору СВ.

Расход меди пропорционален, таким образом, алгебраической сумме этих векторов, между тем как в действительности требуются только ампервитки соответственко величине их геометрической суммь;, т. е. во много раз меньше.

Этого излишнего расхода меди можно, согласно предлагаемому изобретению, избежать, образуя все перечисленные группы ампервитков витками, через которые протекает ток 1з, имеющий такую величину и фазу, чтобы число его ампервитков как раз соответствовало геометрической сумме требующихся ампервитков. При этом схема получается на основании следуюш.их соображений. Представим себе на добавочном полюсе щеток 7 и 8 короткозамкнутую обмотку 12 (фиг. 5). Если обмотка возбуждения, как показывают фиг. 1 и 4, намагничивает также то место, где находится добавочный полюс, то, если бы короткозамкнутая обмогка не имела рассеяния, в ней возник бы ток 1з, который препятствовал бы проникновению в добавочный полюс как потока, образуемого обмоткой 1, так и потока, образуемого током I, в витках якоря между щетками 7 и 8. Но вследствие рассеяния некоторая часть этого потока, частью пропорциональная току Ij и частьо току Ь, проникает в добавочный полюс. Если же включить в цепь короткозамкнутой обмотки 12 добавочного полюса еще несколько витков, сопряженных с потоком, пропорциональным току Ij, и несколько витков сопряженных с потоком, пропорциональным току 12, то можно добиться того, чтобы добавочный полюс был свободен от поля. Включив в цепь еще несколько витков, сопряженных с потоком, приблизительно соответствующим положению фазы тока,, и параллельно этим виткам омическое сопротивление, можно получить TOKl;i такой величины и фазы, чтобы он образовал геометрическую сумму требующихся групп ампервитков. Так как, однако, витки обмотки 1 сопряжены с потоком, который пропорционален частью току 1, и частью току la и с другой стороны, обмотка 6 сопряжена с потоком, который по фазе занимает приблизительно положение тока 1, то мы можем получить желательныйэффект,включив соответствующее число витков обмотки 1 в цепь обмотки 12 и одновременно включив параллельно включенным виткам обмотки 6 омическое сопротивление 13 (фиг. 5).

Вышеописанным образом можно устранить причины, ухудшающие коммутацию под щетками 7 и 8.

С другой стороны, часть вышеупомянутых мероприятий относится к коммутации под щетками 2 и 4 и заключается в том, чтобы упомянутые выше остаточные напряжения под щетками 2 и 4 в большей своей части были уничтожены. Это может быть достигнуто, с одной стороны, включением омического сопротивления 14 (фиг. 6) параллельно к обмотке 9 (фиг. 1). Тогда вектор тока (Ь -U) 3 обмотке 9 отстает во времени от вектора тока 1-2 на определенный угол. Если сделать этот угол равным углу DAE на фиг. 2, то ток (1,) будет, очевидно, иметь направление Виктора СВ и ток в обмотке 10 будет иметь направление,перпендикулярное к АВ, но тогда, согласно вышеизложенному, об.мотка 10 будет в состоянии полностью уничтожить возбуждаемое потоком трансформаторное напряжение под щетками 2 и 4.

Того же самого возможно достигнуть при помощи маленького враиующегося вхолостую однофазного асинхронного двигателя с якорем в виде беличьего колеса, как это часто применяется в рекуперациониых схемах. Основная идея этого состоит в следующем

Есш будем пропускать (фиг. 7) через работающий вхолостую двигатель 14 ток 2, то можно получить между отстающими друг от друга на определенный угол зажимами ток Is, пропорциональный ток} Ij, но опережающий его на некоторый угол. Пусть это будет угол DAE (фиг. 2).

Если пропускать этот ток J;,, вместо тока Ь, через обмотку 10, то получим соотношения по фиг. 8, т. е. при нормальном числе оборотов напряжение искрения АЕ будет совершенно уничтожаться компенсационным напряжением DA. При удвоенном числе оборотов получается отрицательное остаточное напряжение , а при половинном числе оборотов положительное остаточное напряжение DE.

Можно, однако, в значительной степени уничтожить и эти остаточные напряжения, если принять во внимание упоминавшийся выше факт, что составляющая возбуждения первичного тока пропорциональна вектору АВ и сдвинута по фазе относительно вектора тока 1о приблизительно на 90°.

Создавая в ансинхронном двигателе изменением вышеуказанного угла между

зажимами тока Ig и зажимами тока 12 дополнительное смещение тока Is, мы можем представить себе его действие на добавочный полюс, в отношении возбуждения компенсационных напряжений, разложенным на напряжения, согласно фиг. 8, и на перпендикулярн)ю к ним составляющую напряжения постоянной величины KL, KL, (фиг. 8). Представим себе, С другой стороны, добавочный полюс щеток 2 и 4 с дополнительно возбуждаемыми обмотками, по которым протекает ток la, и обмотками, по которым протекает Ь. В таком случае мы можем, согласно вышеизложенному, яри соответствуюи 1ем подборе числа витков, достигнуть того, чтобы возбужденная ими, благодаря вращению, составляющая напряжения МК при среднем числе оборотов имела такое положение, как если бы она была возбуждена составляющей возбуждения первичного тока. т. е. была параллельна KL.

Если мы сделаем вектор МК противоположным KL по направлению и приблизительно равным ему по величине, то при среднем числе оборотов сумма этих

напряжений будет равна ML (приблизительно равна нулю), т е. при среднем числе оборотов остается такое же полное компенсирование напряжения, вызывающего искрение щеток, как и для фиг. 3 и 5. При удвоенном числе оборотов напряжение МК возрастает на K.L, которое противоположно остаточному напряжению .

При половинном числе оборотов напряжение МК падает до М К так, что возникает остаточное напряжение, противоположное остаточному нагфяжению . Это дает, таким образом, возможность как у машин по схеме фиг. 3, так и у мащин по схеме фиг. 5, еще более понизить остаточные напряжения и этим сильно повысить величину потока Ф и мощность на каждый полюс, а также увеличить диапазон регулирования числа оборотов.

Только что перечисленные напряжения (имеющие место в короткозамкнутом щетками 2 и 4 витке) обладают тем свойством, что они не точно пропорциональны реактивному напряжению от тока Ig во вторичном контуре тока, создаю.щему

в первую очередь упомянутые остаточные напряжения.

Следующий путь позволяет, однако, включить полностью пропорциональную этой реактивной э. д. с. и прямо ей противоположную э. д. с. и тем самым в еще большей мере достигнуть желаемого эффекта, а именно: если упомянутые ранее обтекаемые током Ij витки, которые, в соответствии с изобретением употребляются для уничтожения намагничивающего действия тока I на добавочный полюс щеток 7 и 8, уложить в те же пазы, где находятся витки, которые употребляются для зничтожения намагничивающего действия обтекаемых током lo витков на тот же добавочный полюс, то ток Ii, вследствие наличия потока рассеяния в пазу, возбуждает некоторое напряжение во вторичном контуре тока.

Вектор этого напряжения расположен таким образом, что тот компонент, который индуцирован компенсирующим компонентом тока Ii, направлен прямо противоположно вредному реактивному напряжению, возникающему во вторичном контуре из-за тока Ь. Этим путем получается уменьшение этого вредного напряжения. При этом, однако, необходимо витки первичного тока поместить дальше от воздушного зазора.

Тот же эффект получается, если поместить обмотку 9 в те же пазы, что и обмотку 6, а обмотку 10 в те же пазы, что и обмотку 5, опять таки дальше от воздушного зазора.

Что касается высших гармоник, то они могут быть сильно уменьшены следующим образом: прини.мая, что поток Ф) вследствие, например, пазовых пульсаций или вследствие насыщения содержит высшие гармоники, в контуре вторичного тока под влиянием каждой отдельной гармоники возникают напряжения и токи, представленные принципиально на фиг. 2, если

под вектором АС понимать соответствующую гармонику потока. Однако, вследствие высокой частоты гармоник, векторы , DE, DE гораздо больше векторов , DA, DA, а поэтому токи АС, АС , АС очень сильно демпфируют высшие гармоники. При этом демпфирующее действие этих токов тем больше, чем меньше импеданц во вторичном контуре тока.

Таким образом, описанные ранее мереприятия по размещению различных обмоток первичного тока, с целью уменьшения реактанца вторичного контура, вопределенные пазы также приспособлены и для уменьшения высших гармоник.

Впрочем, если даже нельзя или нежелательно уменьшать импеданц вторичного контура тока Д1я сетевой частоты, все же можно его сильно уменьшить для высших гармоник, а именно: можно для этой цели использовать тот факт,что высшие гармоники имеют более высокую частоту. Необходимо включить между точками 7 и 8 или между другими целесообразно выбранными точками некоторое относительно большое омическое сопротивление. Тогда это последнее в отношении высших гармоник действует так, как если бы остальные реактанцы вторичной обмотки были закорочены и как если бы, например, осталось только напряжение рассеяния ротора.

Предмет изобретения.

1. Компенсированный однофазный сериесный коллекторный двигатель с расщепленными полюсами для частоты свыше 25 герц, снабженный вторичной поперечной обмоткой возбуждения на статоре, питаемой током ротора, отличаюш,ийся тем, что, с целью улучшения

коммута ;ии, первичная обмотка возбуждения разделена на две части и помещена на расщепленных полюсах, между которыми находятся дополнительные полюса с обмоткой, намотанной в обратном направлении по отношению к первичной обмотке возбуждения.

2.Форма выполнения двигателя по п. 1, о т л и ч аю щ а я с я тем, что последовательно с добавочной обмоткой возбуждения 1, питаемой током ротора и уложенной коаксиально с первичной обмоткой возбуждения, включены добавочная обмотка 10, уложенная на дополнительных полюсах, и поперечная обмотка возбуждения 9, уложенная в тех же пазах, что и основные-добавочная 1 и компенсационные обмотки 5 и 6.

3.Форма выполнения двигателя по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что параллельно первичной обмотке возбуждения 1 и компенсационной обмотке 6 включены добавочная обмотка 12, намотанная на добавочных полюсах, и омическое сопротивление 13.

4.Форма выполнения двигателя по пп. 1, 2 и 3, отличающаяся тем, что на добавочных полюсах уложена дополнительная обмотка 10, питаемая от вращающегося вхолостую короткозамкнутого однофазного асинхронного двигателя, включенного последовательно с поперечной обмоткой 9.

I II

11Г г.

U.

Ь I

U i

М

& ,i k-:.o,.

iи

s

a

- /