КОЛЛЕКТОРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ПОСТОЯННОГО ТОКА
DC COLLECTOR ELECTRIC MACHINE

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к конструкции электрических коллекторных машин постоянного тока с явно выраженными полюсами, применяемых в промышленных и тяговых установках в качестве двигателей и генераторов.
Известна электрическая коллекторная машина постоянного тока с явно выраженными полюсами, имеющая немагнитную вставку в сердечник главного полюса. Статор коллекторной электрической машины постоянного тока с явно выраженными полюсами состоит из n раздельных частей магнитопровода, равных количеству полюсов p. Каждая часть содержит одно плечо ярма статора и две половины сердечника главного полюса. Части магнитопровода статора скреплены между собой соединительными элементами, изготовленными в виде пластин из немагнитного металла, которые расположены с торцов магнитопровода и прикреплены сваркой или заклепками к частям магнитопровода статора. Скрепленные немагнитным металлом части магнитопровода образуют сердечник статора с неравномерным немагнитным зазором между частями магнитопровода. Немагнитный зазор расположен вдоль оси главных полюсов. Зазор имеет наименьшую ширину в области полюсных наконечников и наибольшую ширину в области сердечника и ярма. С помощью этого зазора достигается увеличение магнитного сопротивления для силовых линий, искажающих равномерное распределение магнитного потока на полюсном делении, и для силовых линий, увеличивающих магнитный поток, протекающий в зоне коммутации поля якоря [патент №2107375/C1, МПК H02K 1/14, H02K 23/42, опубл. 1998.0.20].
Однако сердечник этой машины наряду со значительным увеличением магнитного сопротивления полю якоря также создает значительное сопротивление полю индуктора. Это обусловлено большой шириной немагнитной вставки в области сердечника, которая является основным путем протекания магнитного потока индуктора. Увеличение магнитного сопротивления полю индуктора по осевой линии главного полюса приводит к появлению глобального минимума, что ухудшает равномерность распределения магнитного потока на полюсных делениях и снижает его величину. Кроме того, магнитный мостик в полюсном наконечнике при величине магнитной индукции в нем менее 1.8 Тл приводит к значительному снижению магнитного сопротивления полю якоря и еще большему искажению магнитного поля под главным полюсом. Такая конструкция сердечника главных полюсов снижает мощность двигателя и его перегрузочную способность.
Также известна электрическая коллекторная машина постоянного тока с явно выраженными главными и дополнительными полюсами (а.с. №1601693, СССР, H02K 1/14), являющаяся прототипом предлагаемого изобретения. Полюс этой электрической машины постоянного тока содержит сердечник с полюсным наконечником, набранный из листов электротехнической стали с шихтовкой поперек оси машины. На сердечнике закреплена обмотка, и средняя часть сердечника полюса и полюсного наконечника собрана из листов стали с шихтовкой вдоль оси машины. Полюс закреплен на ярме с помощью винтов, размещенных в плоскости симметрии полюса. Концы этих винтов входят в стержни, заложенные в отверстия в средней части сердечника и полюсного наконечника и завинчены в них. Стержни могут иметь форму дуги, повторяющей форму поверхности наконечника, обращенной к рабочему воздушному зазора. Средняя часть сердечника набрана из одинаковых листов, в каждом предусмотрены отверстия для закладки стержней. Крайние части сердечника соединены одна с другой перемычкой. Форма поверхности сопряжения перемычки может повторять форму поверхности полюсного наконечника, обращенной к рабочему воздушному зазору. Этим обеспечивается требуемый профиль поверхности наконечника. Содержание сердечником части с шихтовкой листов стали вдоль оси машины создает дополнительное магнитное сопротивление на пути протекания потока, созданного магнитным полем обмоток якоря, при этом не увеличивая магнитного сопротивления для потока магнитного поля, созданного обмотками возбуждения. Это изобретение позволяет уменьшить влияние магнитного поля якоря на магнитное поле индуктора.
Однако указанная электрическая коллекторная машина не обеспечивает значительного увеличения магнитного сопротивления для поля якоря, искажающего равномерное распределение магнитной индукции на полюсном делении, так как ширина немагнитных промежутков (между стальными листами, шихтованными поперек продольной оси машины), расположенных в сердечниках главных полюсов, недостаточна для создания значительного магнитного сопротивления. Кроме того, часть сердечника с шихтовкой поперек оси машины имеет высоту меньшую, чем суммарная высота полюсного наконечника, сердечника и ярма, что приводит к перераспределению магнитного потока поля якоря и большая часть потока проходит, минуя вставки, шихтованные поперек оси машины. В этой конструкции для части магнитного потока якоря ухудшающего условия коммутации не создается дополнительного сопротивления, что приводит к применению стандартной конструкции дополнительных полюсов. Создание равномерного воздушного зазора между полюсным наконечником и якорем в этой конструкции связано со значительными сложностями изготовления главного полюса с вставками. Эта конструкция не обеспечивает достаточного снижения отрицательных воздействий поля якоря на поле индуктора, что приводит к применению стандартных методов снижения реакции якоря, уменьшающих мощность и коэффициент полезного действия двигателя.
Задачей предлагаемой электрической коллекторной машины постоянного тока с явно выраженными главными и дополнительными полюсами является увеличение мощности и коэффициента полезного действия.
Поставленная задача достигается тем, что главные полюса имеют трапецеидальную форму с центральными и боковыми немагнитными вставками в количестве не менее 5 штук, размещенными параллельно оси главных полюсов, центральные немагнитные вставки имеют высоту, равную суммарной высоте сердечника индуктора и магнитопровода ярма по оси главного полюса. Высота боковых немагнитных вставок в левой и правой части главных полюсов уменьшается при приближении к боковым поверхностям сердечника главных полюсов, таким образом, чтобы при номинальном режиме работы машины не происходило насыщение частей сердечника. Воздушный зазор между главными полюсами и поверхностью якоря выполнен равномерным. Суммарная ширина немагнитных вставок должна быть не менее величины воздушного зазора между главным полюсом и якорем.
На фиг.1 представлен поперечный разрез четверти предлагаемой конструкции коллекторной машины постоянного тока с явно выраженными полюсами трапецеидальной формы и, например, с 15 немагнитными вставками.
инд
На фиг.2 представлен основной путь протекания рабочего магнитного потока Ф поля индуктора в магнитопроводе коллекторного электрического двигателя постоянного тока с явно выраженными полюсами трапецеидальной формы и, например, с 15 немагнитными вставками.
На фиг.3 представлены основные пути протекания магнитного потока поля якоря в магнитопроводе коллекторного электрического двигателя постоянного тока с явно выраженными полюсами трапецеидальной формы и, например, с 15 немагнитными вставками.
На фиг.4 представлено распределение нормальной составляющей магнитной индукции на полюсном делении для двигателя с предлагаемой конструкцией магнитопровода (фиг.1), промоделированного в конечно-элементном пакете FEMM. Габариты двигателя соответствуют габаритам тягового двигателя ЭДМ-114, мощность двигателя увеличена на 9%, равномерность распределения увеличена на 19% и магнитный поток в зоне коммутации снижен на 5%.
На фиг.5 представлены основные геометрические параметры немагнитных вставок в сердечнике и ярме главных полюсов коллекторных двигателей постоянного тока.
серд
ярм
Предлагаемая конструкция электрической коллекторной машины постоянного тока с явно выраженными полюсами (фиг.1) состоит из трапецеидальных главных полюсов (1), обмоток возбуждения (2), ярма (3), немагнитных вставок (4, 5), якоря (6), дополнительных полюсов (7′, 7) и их обмотки (8′, 8). Немагнитные вставки (4, 5) расположены в главных полюсах (1) и ярме (3). Ось центральных вставок (5) находится на оси главных полюсов (1) и имеет высоту, равную сумме высот сердечника главного полюса h и ярма h (фиг.5). Боковые вставки (4) размещены симметрично относительно центральных вставок (5) (фиг.1). Общее количество боковых немагнитных вставок (4) должно быть не менее 4 штук в каждом главном полюсе. Высота боковых вставок (4) уменьшается к приближению к краю главного полюса (1).
Предлагаемая электрическая коллекторная машина постоянного тока с явно выраженными полюсами работает следующим образом.
инд
инд
Магнитный поток Ф, созданный обмоткой возбуждения (2, 2′), протекает через сердечник главного полюса (1′), ярмо (3′), ярмо (3), сердечник главного полюса (1), воздушный зазор (9), сердечник якоря (6), воздушный зазор (9′), сердечник главного полюса (1′) (фиг.2). Немагнитные вставки (4, 5) размещены параллельно основным путям протекания Ф, за счет чего не создают дополнительного магнитного сопротивления этому потоку.
як
як1
як2
Магнитный поток Ф, созданный обмотками якоря при явно выраженных полюсах статора, можно разделить на две части Ф и Ф протекающих по различным частям магнитопровода.
як1
Первая часть потока якоря Ф (Фиг.3) протекает через сердечник якоря (6), воздушный зазор (9′), левую часть сердечника главного полюса (1′), по нижней части сердечника главного воздушному зазору (от 1′ к 1), правую часть сердечника главного полюса (1), воздушный зазор (9), сердечник якоря (6). Распределение немагнитных вставок (4, 5) по ширине главного полюса (1) обеспечивает увеличивающееся магнитное сопротивление полю якоря при удалении от оси главного полюса (1), величина намагничивающей силы якоря (8) зависит от расстояния от оси главного полюса (1), определяющаяся по известной формуле:
як
я
F=Ах;
где х - расстояние от оси главного полюса;
я
А - линейная нагрузка якоря.
инд
б.в.i
б.в.i
с.i
п.i
п.i
як1
инд
Расположением немагнитных вставок параллельно (4, 5) оси главного полюса и уменьшением высоты боковых вставок (4) в зависимости от расстояния от оси главного полюса достигается минимальное увеличение магнитного сопротивления для потока Ф. Высота боковых вставок h (i порядковый номер вставки, начало отсчета центральная вставка, фиг.5) зависит от количества боковых вставок, формы главного полюса, материала магнитопровода и распределение результирующего магнитного потока. Высота h должна быть меньше, чем высота сердечника h (фиг.5) в месте расположения этой немагнитной вставки и величина промежутка h между вставкой и краем главного полюса не должна насыщаться при номинальной режиме работы двигателя (фиг.5). Определение h производится с помощью конечно элементного моделирования магнитного поля машины при питании обмоток возбуждения и обмоток якоря в заключительной части электромагнитного проектирования двигателя. Часть магнитного потока якоря Ф, протекающего по первому пути, приводит к искажению равномерного распределения основного магнитного потока на полюсном делении, что приводит к увеличению электрического напряжения между ламелями и снижению результирующего магнитного потока на полюсном делении (снижение мощности двигателя). Увеличение магнитного сопротивление полю якоря в главных полюсах значительно снижает искажение поля индуктора и его распределение на полюсном делении при количестве немагнитных вставок больше или равно 5 штук приближается к распределению магнитного потока при холостом ходе (Фиг.4). При уменьшении количества немагнитных вставок менее 5 штук для создания достаточного магнитного сопротивления полю якоря ширина каждой вставки значительно увеличивается, что в конечном итоге приводит к пульсации магнитного потока на полюсном делении и созданию дополнительного магнитного сопротивления для поля индуктора. Увеличение количества вставок более 5 штук приводит к уменьшению пульсаций магнитного потока и магнитного сопротивления для потока Ф.
як2
як2
серд
б.в
серд
ярм
як2
серд
б.в
серд
ярм
як2
як2
Вторая часть потока якоря Ф (Фиг.3) протекает через сердечник якоря (6), воздушный зазор (10′), сердечник дополнительного полюса (7′), ярмо (3′), ярмо (3), сердечник дополнительного полюса (7), воздушный зазор (10), сердечник якоря (6). Центральная немагнитная вставка (5) пересекает все силовые линии потока якоря Ф и обеспечивает дополнительное магнитное сопротивление. Кроме того, часть боковых немагнитных вставок, имеющих высоту h<h<h+h, создают дополнительное сопротивление потоку Ф. При значительном увеличении намагничивающей силы магнитного поля якоря магнитопровод между немагнитными вставками с высотой h<h<h+h, расположенными около центральной вставки, и внешней границей ярма насыщается увеличивая магнитное сопротивление потоку якоря Ф. Поток Ф усложняет процесс коммутации и приводит к применению дополнительных полюсов для обеспечения удовлетворительной коммутации. Предлагаемый сердечник обеспечивает дополнительное сопротивление на пути этого потока и, как следствие, снижает его величину в зоне коммутации, что приводит к уменьшению отрицательного влияния поля якоря в зоне коммутации и, как следствие, к возможности уменьшения количества используемой меди в дополнительных полюсах.
инд
Трапецеидальная форма главного полюса исключает насыщение частей сердечника главного полюса при номинальном режиме работы, уменьшая магнитное сопротивление потоку Ф от боковых немагнитных вставок.
Изобретение позволяет увеличить мощность двигателя за счет снижения отрицательных воздействий поля якоря и обеспечение условий для конструкции двигателя с равномерным воздушным зазором между главными полюсами и якорем без дополнительных средств (компенсационных обмоток).
Также изобретение позволяет увеличить коэффициент полезного действия двигателя за счет уменьшения электрических потерь в дополнительных полюсах и достижения величины магнитной индукции в зубцах якоря не более 1 Тл.