БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электрических машин постоянного тока и может быть использована в качестве электрического двигателя на промышленных предприятиях для привода металлорежущих станков и т.п., в крановых, транспортных механизмах, электрическом железнодорожном транспорте, а также на других видах электрического транспорта.
Наиболее близким техническим решением является генератор постоянного тока по патенту РФ №2396676, МПК Н02К 23/26, Н02К 23/68, 10.08.2010, содержащий статор с полюсами, на которых размещены обмотки возбуждения, якорь с якорной обмоткой, закрепленный на валу генератора, который соединен с валом приводного синхронного двигателя, подключенного к источнику переменного напряжения, контактное устройство, выполненное в виде двух проводящих сплошных контактных колец, с неподвижно установленными на них токосъемными скользящими щетками, при этом к одному из проводящих контактных колец присоединено начало якорной обмотки, а ко второму проводящему контактному кольцу подключен конец якорной обмотки, причем обмотки возбуждения генератора подключены к источнику переменного напряжения.
Данный генератор может быть преобразован в бесколлекторный двигатель постоянного тока при выполнении следующих изменений.
1. Вместо приводного двигателя подключается механическая нагрузка.
С
2. От внешнего источника питания на якорную обмотку подается постоянный токе напряжением U сети.
В
3. Путем введения дополнительного преобразователя переменного напряжения в постоянное на обмотки возбуждения подается постоянное напряжение U возбуждения.
Недостатком такого двигателя является его невысокая мощность из-за невысокого значения электродвижущей силы (ЭДС) в результате пульсаций постоянного тока в обмотках возбуждения.
Задачей полезной модели является повышение мощности за счет сглаживания пульсаций постоянного тока возбуждения.
Технический результат достигается тем, что в бесколлекторный двигатель постоянного тока, содержащий статор с парой полюсов, на которых размещены обмотки возбуждения, якорь с якорными обмотками, закрепленный на валу двигателя, который соединен с валом механической нагрузки, подключенной к источнику переменного тока, контактное устройство, выполненное в виде двух сплошных проводящих контактных колец с неподвижно установленными на них токосъемными скользящими щетками, которые подключены к источнику постоянного тока согласно заявляемой полезной модели, введен блок управления с мостовыми инверторами тока возбуждения, источником постоянного тока и пакетом программ управления работой двигателя, на паре полюсов статора размещены две автономные, независимые друг от друга, первая и вторая обмотки возбуждения, соединенные с блоком управления, который подключен к механической нагрузке, причем на якоре также размещены две автономные, независимые друг от друга, первая и вторая якорные обмотки, при этом начало первой и второй якорных обмоток присоединено к первому сплошному проводящему контактному кольцу, а конец первой и второй якорных обмоток присоединено ко второму сплошному проводящему контактному кольцу, причем блок управления выполнен с возможностью управления переключением полярности постоянного тока в обмотках возбуждения в зависимости от нахождения якорных обмоток в верхнем или нижнем положениях.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена электрическая схема предлагаемого бесколлекторного двигателя постоянного тока, на фиг.2, 3 показаны положения якоря двигателя, на котором расположены первая и вторая якорные обмотки, а именно, на фиг.2 - при верхнем и нижнем положениях, соответственно, первой и второй якорных обмоток, когда угол поворота якоря равен 90°, на фиг.3 - при нижнем и верхнем положениях, соответственно, первой и второй якорных обмоток, когда угол поворота якоря равен 270°, на фиг.4 - зависимость ЭДС (е) от угла поворота якоря (α).
Цифрами на фиг.1, 2, 3 обозначены:
1 - статор,
2 - пара полюсов,
3а - первая обмотка возбуждения,
3б - вторая обмотка возбуждения,
4 - якорь,
5а - первая якорная обмотка,
5б - вторая якорная обмотка,
6 - контактное устройство,
7 - вал двигателя,
8 - первое сплошное проводящее контактное кольцо,
9 - второе сплошное проводящее контактное кольцо,
10 - токосъемная скользящая щетка первого проводящего контактного кольца,
11 - токосъемная скользящая щетка второго проводящего контактного кольца,
12 - источник постоянного тока,
13 - механическая нагрузка,
14 - вал механической нагрузки,
15 - источник переменного тока,
16 - блок управления.
С
Бесколлекторный двигатель постоянного тока содержит статор 1 с парой полюсов 2, на которых размещены обмотки возбуждения 3а и 3б, якорь 4 с якорными обмотками 5а и 5б, закрепленный на валу 7 двигателя, который соединен с валом 14 механической нагрузки 13, подключенного к источнику 15 переменного тока, а также контактное устройство 6, закрепленное на валу 7 двигателя. Контактное устройство 6 выполнено в виде двух сплошных проводящих контактных колец, первого 8 и второго 9. На сплошных проводящих контактных кольцах 8 и 9, соответственно, неподвижно установлены токосъемные скользящие щетки 10 и 11, которые подключены к источнику постоянного тока 12 и подают постоянное напряжение сети U, на якорные обмотки 5а и 5б.
Отличием предлагаемого бесколлекторного двигателя постоянного тока является то, что в него введен блок 16 управления с мостовыми инверторами тока возбуждения, источником постоянного тока (на чертеже условно не показаны) и пакетом программ управления работой двигателя. Программа управления составляется заранее для заданного режима работы и в процессе работы бесколлекторного двигателя остается постоянной. На паре полюсов 2 статора 1 размещены две автономные, независимые друг от друга, обмотки возбуждения, соответственно, на одном полюсе первая 3а и на другом полюсе вторая 3б, управляемые, соответственно, первым и вторым мостовыми инверторами блока 16 управления. Каждая обмотка возбуждения 3а и 3б, токи в которых переключаются независимыми первым и вторым мостовыми инверторами тока возбуждения, включена в полнотактную схему преобразования, которая управляет направлением тока в обмотке возбуждения в зависимости от места нахождения якорных обмоток 5а и 5б - в верхней или нижней части ротора, т.е. в блоке 16 управления первый мостовой инвертор управляет направлением тока в первой обмотке возбуждения 3а в зависимости от места нахождения первой якорной обмотки 5а, а второй мостовой инвертор управляет направлением тока во второй обмотке возбуждения 3б в зависимости от места нахождения второй якорной обмотки 5б.
Мостовые инверторы блока 16 управления питают обмотки возбуждения 3а и 3б постоянным током, меняющим свою полярность с положительной полярности на отрицательную через 180° по программе, установленной в блоке 16 управления. С вала 7 двигателя информация об угле положения вала передается в блок 16 управления, где по результатам этой информации осуществляется управление токами обмоток 3а и 3б возбуждения, а также общее управление режимами работы двигателя. На якоре 4 также размещены две автономные, независимые друг от друга, первая 5а и вторая 5б якорные обмотки, разнесенные на 180°, т.е. они разнесены равномерно друг от друга на 90° от начала и конца каждой обмотки. Начало первой 5а и второй 5б якорных обмоток присоединено к первому сплошному проводящему контактному кольцу 8, а конец первой 5а и второй 5б якорных обмоток присоединен ко второму сплошному проводящему контактному кольцу 9, т.е. якорные обмотки 5а и 5б соединяются параллельно и ток нагрузки повышается до двух раз, а мощность на выходе повышается в два раза. Механической нагрузкой 13 двигателя может быть привод металлорежущего станка. Блок 16 управления подключен к включателю механической нагрузки 13. Блок 16 управления выполнен с возможностью управления переключением полярности постоянного тока в обмотках 3а и 3б возбуждения в зависимости от нахождения якорных обмоток 5а и 5б в верхнем или нижнем положениях.
Рассмотрим работу бесколлекторного двигателя постоянного тока.
С
На вход двигателя со щеток 10 и 11, подключенных к источнику постоянного тока 12 и контактирующих со сплошными проводящими контактными кольцами 8 и 9, подается постоянное напряжение U. При включении двигателя, переменное напряжение от источника 15 поступает на включение механической нагрузки 13. Вал 14 механической нагрузки 13 начинает вращаться против часовой стрелки с установившейся частотой. Так как число пар полюсов двигателя равно единице, вал 14 механической нагрузки 13 и, соединенный с ним, вал 7 двигателя совершают один оборот за период «Т». При этом за один оборот якоря 4 изменяется направление тока в обмотках возбуждения (3а и 3б), и происходит смена полярности полюсов 2. При этом постоянство полярности ЭДС, индуктируемой под действием магнитного поля полюсов 2 в якорных обмотках 5а и 5б при вращении якоря 4, обеспечивается следующим образом. В первой половине оборота якоря 4, например, при угле равном 90° (фиг.2), щетка 10, соприкасающаяся с первым сплошным проводящим контактным кольцом 8, соединенным с началом первой 5а и второй 5б якорных обмоток, имеет положительный потенциал, вследствие того, что к этой щетке подводится ток от активной стороны якорной обмотки 5а, расположенной под полюсом N, щетка 11 в этот момент времени имеет отрицательный потенциал. При угле поворота якоря 4 равном 270° (фиг.3), когда активные стороны якорных обмоток 5а и 5б поменялись местами, полярность щеток 11 и 10 остается неизменной, так как при нижнем положении активной стороны якорной обмотки 5а и верхнем положении активной стороны якорной обмотки 5б, нижний полюс меняет свою полярность с S на N, а верхний с N на S. В результате полярность ЭДС, индуктируемой в якорных обмотках 5а и 5б при вращении якоря 4, сохраняется постоянной (фиг.4). Блок 16 с мостовыми инверторами тока возбуждения, источником постоянного тока и пакетом программ управления работой двигателя управляет запуском двигателя, механической нагрузки 13 и токами возбуждения двигателя.
При запуске двигателя и механической нагрузки 13 одновременно включаются первый и второй мостовые инверторы (на чертеже условно не показаны) блока 16 управления, которые питают обмотки 3а и 3б возбуждения постоянным током. Токи возбуждения в первой 3а и второй 3б обмотках возбуждения, наводят ЭДС, соответственно, в первой 5а и второй 5б якорных обмотках. Токи в первой 3а и второй 3б обмотках возбуждения имеют такие направления, что ЭДС совпадают с полярностями в начале первой 5а и второй 5б якорных обмоток. На фиг.2 в первой половине оборота якоря 4, при угле равном 90°, первая 5а и вторая 5б якорные обмотки находятся, соответственно, в верхнем и нижнем положениях вала ротора двигателя. Далее, с перемещением вала 7 двигателя еще на 180° (фиг.3) мостовые инверторы блока 16 управления вызывают токи возбуждения в обмотках 3а и 3б возбуждения, но обратной полярности. Постоянный ток возбуждения меняет свою полярность (с положительной полярности на отрицательную полярность) через 180° в соответствии с программой управления работы двигателя. Эти токи возбуждения в первой 3а и второй 3б обмотках возбуждения, наводят ЭДС, соответственно, в первой 5а и второй 5б якорных обмотках, совпадающие с ранее возбужденными полярностями.
Так как на якоре 4 размещены две автономные, независимые друг от друга, первая 5а и вторая 5б якорные обмотки, разнесенные на 180° (они разнесены равномерно друг от друга на 90° от начала и конца каждой обмотки), выходная ЭДС двигателя получается без пульсаций, такой, как она представлена на фиг.4 (без учета потерь в обмотке якоря, которой можно пренебречь).
Использование заявляемой полезной модели позволит, по сравнению с прототипом, повысить мощность двигателя за счет введения в него блока управления с мостовыми инверторами, источником постоянного тока и пакетом программ управления работой генератора, размещения на полюсах статора двух автономных, независимых друг от друга, первой и второй обмоток возбуждения, управляемых двумя независимыми первым и вторым мостовыми инверторами, размещения на якоре двух автономных, независимых друг от друга, первой и второй якорных обмоток, разнесенных на 180°, выполнения блока управления с возможностью управления переключением полярности постоянного тока в первой и второй обмотках возбуждения в зависимости от нахождения первой и второй якорных обмоток в верхнем или нижнем положениях.