МАШИНА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к электромашинам постоянного тока, которые могут использоваться как электродвигатели и как генераторы. Электродвигатели предназначены для работы в электроприводах постоянного тока с питанием от генераторов или от статических преобразователей и могут быть использованы на электротранспорте, для привода станков, вентиляторов, компрессоров, насосов, крановых и транспортных механизмов, лифтов, грузовых тележек. Генераторы могут быть использованы не только как автономные источники электроэнергии, но и как источники питания отдаленных потребителей электроэнергии. Также возможно использование генераторов для радиостанций, двигателей постоянного тока, зарядки аккумуляторных батарей, сварки и электрохимических низковольтных установок.
Известна машина постоянного тока (Патент РФ №2091966, Н02К 23/38, опубл. 27.09.1997), взятая за прототип, содержащая статор, якорь, щеточный механизм, подшипниковые узлы, контактное устройство, выполненное в виде двух проводящих колец, разделенных изоляцией, при этом одно из них выполнено сплошным, а другое - с тремя разрезами, смещенными друг относительно друга на 120°, обмотка якоря выполнена из трех катушек, сдвинутых друг относительно друга на 120°, причем начала катушек присоединены к сплошному кольцу, а концы катушек - к разрезному. Контактное устройство производит поочередное включение и отключение катушек обмотки якоря при его вращении, что создает пульсирующее магнитное поле якоря, направленное под углом 90° к магнитному полю статора, при этом обмотки якоря переключаются полностью. В этом случае по катушкам якоря проходит только постоянный ток, то есть преобразования тока не происходит и, как следствие, отсутствуют потери на гистерезис.
Коммутация обмоток якоря машины постоянного тока И. Скибицкого при вращении якоря на каждые 60° и их размещение представлены на фиг.1, 2, 3 дополнительного материала. Переключение обмоток производится с помощью механического контакта каждого сегмента Са, Сb и Сс разрезного кольца с неподвижной щеткой. Исходя из фиг.1,2 и 3 можно отметить, что в любой момент времени задействована только одна обмотка, то есть обмотка якоря используется неэффективно. В результате имеет место ряд недостатков:
1) возможность использования в любой момент времени только одной обмотки якоря данный машины приводит к пульсации электромагнитного момента и невозможности пуска двигателя в положении якоря, соответствующего моменту коммутации его обмоток, поскольку электромагнитный момент будет практически равен нулю, плохому использованию меди обмоток и, следовательно, снижению КПД;
2) наличие механического коммутатора не позволяет использовать машины постоянного тока с высокими напряжениями (более 1500 В);
3) искрение полностью не устраняется, поскольку между сегментом, находящегося под щеткой и соседними сегментами разрезного кольца присутствует разность потенциалов;
4) режимы работы данной машины весьма ограничены.
Задача, на решение которой направлено заявляемое полезная модель, заключается в расширении возможности машины постоянного тока с тем, чтобы при сохранении всех положительных качеств, присущих машинам постоянного тока коллекторного типа она обеспечила бы достижение следующих технических результатов:
1) возможность использования машин постоянного тока больших мощностей с высокими напряжениями;
2) полное исключение коллекторного механизма, а, следовательно, искрения, радиопомех, шума;
3) улучшение регулировочных характеристик;
4) возможность использования машины в различных режимах;
5) возможность использования синхронных машин в качестве машин постоянного тока;
6) повышение КПД машины постоянного тока;
Задача решается тем, что заявленная машина постоянного тока, содержащая статор, закрепленный на валу ротор, механическое контактное устройство, состоящее из двух разделенных изоляцией проводящих колец и щеток для подачи и снятия тока с концов обмотки, размещенной на роторе и подшипниковые щиты, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит полупроводниковый коммутатор, включающий биполярные транзисторы с изолирующим затвором с шунтирующими резисторами, связанный с введенным устройством его управления, выполненным в виде шестифазной машины переменного тока, состоящей из двух одинаковых частей, каждая из которых состоит из трех независимых обмоток, расположенных на его корпусе и концы которых соединены с управляющими электродами соответствующих транзисторов полупроводникового коммутатора через выпрямляющий диод, и постоянного магнита, который расположен на валу самой машины постоянного тока, причем обмотки одной части устройства управления смещены относительно обмоток другой части на 60°, а полюса постоянных магнитов обеих частей лежат на одной плоскости и имеют угол действия равный 120°, при этом обмотка возбуждения расположена на роторе с возможностью получения питания с помощью механического контактного устройства, а обмотка якоря, выполненная с возможностью получения питания непосредственно от полупроводникового коммутатора, управляемого устройством его управления, расположена на статоре.
В настоящее время существуют весьма мощные полупроводниковые устройства, способные коммутировать цепи с напряжением до 6,5 кВ, в то время как коллектор традиционных машин постоянного тока способен работать с напряжением только до 1,5 кВ. Следовательно, коллекторные машины постоянного тока больших мощностей вынуждены работать с большими значениями тока, что приводит к значительным потерям мощности и расходам проводящих и изолирующих материалов. Использование полупроводникового коммутатора позволяет увеличить значение напряжения питающей линии двигателей или напряжение на выводах генератора. Ток якоря заявленной машины, в отличие от прототипа, является переменным по знаку. Это дает возможность использования двух обмоток якоря практически одновременно и, следовательно, приводит к снижению пульсации электромагнитного момента. К тому же такое эффективное использование обмоток повышает КПД машины, поскольку подаваемый ток в любой момент времени течет не по одной обмотке, а по двум (меньше электрических потерь).
Замена коллектора, выполняющего функцию механического преобразователя, позволяет полностью исключить искрение, поскольку полупроводниковый коммутатор не вызывает абсолютно никакого искрения.
В настоящее время разработаны электротехнические стали, которые в значительной мере снижают насыщение магнитопровода, а в традиционных машинах больших мощностей потери на гистерезис составляют более низкие значения относительно самих мощностей машин, чем в машинах малых и средних мощностей.
Улучшение регулировочных характеристик достигается тем, что полупроводниковые элементы способны изменять значение подаваемого ими сигнала при изменении угла отпирания их управляющего электрода.
Приведенная в полезной модели мостовая схема позволяет использовать двигатель постоянного тока как в повторно-кратковременных режимах, так и в продолжительных. Повторно-кратковременный режим требует более гладкое нарастание момента при пуске и плавное его убывание при торможении. В таком режиме недопустимы пульсации момента и, следовательно, необходимо задействовать максимально возможное число обмоток для уменьшения межкоммутационного периода. Для продолжительного режима плавность необходимо обеспечить только при пуске. После разгона двигателя возможно увеличение межкоммутационного периода отключением трех транзисторов. В результате ток в обмотках якоря распределяется аналогично току в обмотках якоря прототипа: в каждой момент времени задействована лишь одна обмотка и ток в ней всегда положительный. Отключение трех транзисторов в продолжительном режиме приводит к устранению потерь на гистерезис.
Для реализации заявленной машины постоянного тока возможно использование существующих синхронных машин, т.е. отпадает необходимость рассмотрения технологии изготовления самого электромагнитного преобразователя.
На фиг.1 изображена машина постоянного тока, вид сбоку, с разрезом верхней части; на фиг.2 - принципиальная схема устройства управления полупроводниковым коммутатором; на фиг.3 - принципиальная электрическая схема машины постоянного тока; на фиг.4, 5, 6 - изменение направления тока в обмотках якоря, при прохождении обмотки возбуждения под их полюсами; на фиг.7 приведен график изменения момента машины постоянного тока в зависимости от угла поворота обмотки возбуждения.
Цифрами на чертежах обозначено:
1 - станина;
2 - магнитопровод статора;
3 - обмотка якоря;
4 - якорь;
5 - магнитопровод ротора;
6 - обмотка возбуждения;
7 - контактные кольца;
8 - вал машины;
9 - подшипниковые щиты;
10 - корпус устройства управления;
11 - устройство управления полупроводниковым коммутатором;
12 - полупроводниковый коммутатор;
13 - магнитопровод устройства управления полупроводниковым коммутатором;
14 - обмотки устройства управления полупроводниковым коммутатором;
15 - постоянные магниты ротора устройства управления полупроводниковым коммутатором;
16 - ротор устройства управления полупроводниковым коммутатором;
17 - коробка для размещения полупроводникового коммутатора;
18 - механическое контактное устройство;
19 - токосъемные щетки механического контактного устройства;
20 - переключатель.
Машина постоянного тока состоит из неподвижной и вращающейся частей (фиг.1). Неподвижная часть (статор) включает стальную станину 1 и магнитопровод 2, на пазы которого намотана обмотка 3 якоря 4. Обмотка 3 якоря 4 осуществляется путем намотки трех катушек по варианту простой петлевой обмотки машины переменного тока. Вращающаяся часть машины (ротор) состоит из закрепленных на валу магнитопровода 5, намотанного на его пазы обмотки 6 возбуждения, контактных колец 7 механического контактного устройства 18, вала 8. Машина имеет подшипниковые щиты 9. К корпусу машины закреплен корпус 10 устройства 11 управления коммутатором 12 (см. фиг.3), с закрепленными на корпусе 11 магнитопроводом 13 и неподвижными шестью обмотками 14, а постоянные магниты 15 его ротора 16 расположены на валу 8 машины. На корпусе машины также находится коробка 17 для размещения полупроводникового коммутатора 12.
Устройство 11 управления (фиг.2) выполнено в виде двух трехфазных синхронных реактивных машин, расположенных на одном валу 8. Обмотки 14 первой машины смещены относительно второй на 60°, а магнитные полюса постоянных магнитов 15 этих машин совпадают. Постоянные магниты 15 ротора 16 имеют зону действия 120°, т.е. при вращении ротора 16 практически в каждый момент времени их магнитное поле проходит через две обмотки 14 устройства 11 управления.
I
II
III
IV
V
VI
I
II
III
IV
V
VI
I
II
III
IV
V
VI
Принципиальная электрическая схема (фиг.3) включает полупроводниковый коммутатор 12, состоящий из шести транзисторов V, V, V, V, V и V n-p-n типов, шести резисторов R, R, R, R, R и R, соединенных между электродами эмиттера и базы, шести диодов D, D, D, D, D и D, включенных перед управляющими электродами, обмотки 3 якоря 4, соединенные с коммутатором 12, обмотки возбуждения 6, получающее питание через механическое контактное устройство 18, состоящее из контактных колец 7 и токосъемных щеток 19, устройство 11 управления полупроводниковым коммутатором 12, переключатель 20, предназначенный для переключения положительного полюса сети от коммутатора 12 к началам обмоток 3 якоря 4. Устройство 11 управления полупроводниковым коммутатором 12, в свою очередь, состоит из шести неподвижных обмоток 14 и вращающегося ротора 16 из постоянных магнитов 15. Каждая обмотка 14 устройства 11 управления соединена с входом база-эмиттер соответствующего транзистора. Начало каждой обмотки 11, обозначенное римской цифрой, соединено с базой, а конец соответствующей обмотки 11, обозначенный такой же римской буквой, но со штрихом, соединен с эмиттером. При пересечении магнитного поля постоянных магнитов 15 ротора 16 устройства 11 управления с его обмотками 14, в них наводится переменная ЭДС и через диод на управляющий электрод подается положительная полуволна переменного тока, которая открывает транзистор.
Изменение направления тока в обмотках 3 якоря 4 при изменении положения обмотки 6 возбуждения относительно полюсов обмотки 3 якоря 4, обусловленное работой коммутатора 12 совместно с устройством 11 его управления, приведено на фиг.5, 6, 7.
III
IV
Изменение графика момента машины в зависимости от угла поворота обмотки 6 возбуждения представлено на фиг.8, где при ее повороте и, соответственно, повороте постоянных магнитов 15 ротора 16 устройства 11 управления, на каждые 60° (межкоммутационный период) открывается и закрывается один транзистор. При этом транзистор остается открытым в течение поворота ротора 16 на 120°. Следовательно, как показано на фиг.8, в каждый межкоммутационный период задействованы два транзистора, указанные в ячейках над графиком, и две обмотки 3. Например, открытому состоянию транзисторов V и V соответствует работа обмоток А и С.
I
II
III
IV
V
VI
I
II
III
IV
V
VI
II
IV
II
IV
II
IV
Работа машины постоянного тока осуществляется следующим образом. При прохождении магнитного поля ротора 16 устройства 11 управления коммутатором 12 через одну его обмотку 14, в ней наводится переменная ЭДС. Поскольку данная обмотка 14 замкнута на вход база-эмиттер соответствующего транзистора через диод, по ней пройдет положительная полуволна тока, открывающая этот транзистор. Так как угол действия постоянного магнита 15 ротора 16 устройства 11 управления составляет примерно 120°, а углы расположения обмоток 14, в которых наводится ток и выпрямляется диодами D, D, D, D, D и D, составляют 60°, в межкоммутационный период задействованы два транзистора и, соответственно, по двум обмоткам 3 якоря 4 машины, коммутируемым этими транзисторами, течет ток: в одну обмотку втекает, из другой вытекает. Через резисторы R, R, R, R, R и R, каждый из которых размещен между электродами эмиттера и базы соответствующего транзистора, на управляющий электрод (базы) подается запирающий сигнал. Например, при прохождении полюсов N постоянных магнитов 15 ротора 16 устройства 11 управления через обмотки I, II, IV и V (фиг.5) ток поступает только на управляющие электроды транзисторов V и V и они открываются. Следовательно, ток втекает в обмотку В и вытекает с обмотки А. При снятии управляющего сигнала, через резисторы R, R на электрод базы подается запирающий сигнал и транзисторы V и V закрываются. Так как в обмотке 3 якоря 4 всегда протекает переменный ток, электромагнитные преобразования заявленной машины аналогичны традиционным машинам постоянного тока. В двигательном режиме ротор начинает вращаться в результате взаимодействия магнитных полей обмоток 3 якоря 4 и обмотки 6 возбуждения. Сила, действующая на обмотку 6 возбуждения, определяется правилом «левой руки». При этом ЭДС, индуктированная в обмотке 3 якоря 4, меньше чем напряжение сети. Постоянный ток сети с помощью коммутатора 12 преобразуется в переменный и подается к обмоткам 3 якоря 4, а электрическая энергия, поступающая из сети, преобразуется в механическую энергию, передаваемую через вал 8 сопряженному с ним механизму.
I
II
III
В данной машине схема коммутатора 12 выполнена с возможностью отключения транзисторов V, V, V с помощью переключателя 20. При значительном разгоне двигателя постоянного тока данный переключатель 20 позволяет получить распределение токов в обмотках 3 якоря 4 аналогично прототипу и, следовательно, устранить потери на гистерезис. Это осуществляется переключением положительного полюса питающей сети от коммутатора 12 к началам обмоток 3 якоря 4. В этом случае ток не проходит через первые три транзистора и межкоммутационный период обмоток составляет 120°.
Применение заявленной машины дает возможность использовать постоянный ток для линий электропередач, что позволит сэкономить материал, используемый в проводах, так как требуется только два провода с меньшим эффективным сечением.