УСТРОЙСТВО ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПОВЫШЕННОЙ МОЩНОСТИ С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ И ЭЛЕКТРОННОЙ КОММУТАЦИЕЙ КОЛЛЕКТОРНЫХ ПЛАСТИН
DEVICE OF DC MOTOR OF INCREASED POWER WITH PERMANENT MAGNET EXCITATION AND ELECTRONIC SWITCHING OF COLLECTOR PLATES

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электродвигателям приводов вспомогательного оборудования подвижных объектов, преимущественно автомобилей и тракторов, и может быть использовано при проектировании и производстве указанных электродвигателей.
Известны двигатели постоянного тока преимущественно большой мощности с электромагнитным возбуждением, содержащие якорь с обмоткой и коллектором, с цилиндрическим магнитопроводящим корпусом, на внутренней поверхности которого установлены основные полюса с обмоткой возбуждения и дополнительные полюса с компенсационной обмоткой, включенной последовательно обмотке якоря. Дополнительные полюса имеют меньшую по сравнению с основными полюсами ширину и располагаются в зонах коммутации с целью компенсации магнитной индукции, наводимой током якоря в нейтральной зоне, для улучшения процесса коммутации, благодаря чему снижаются искрение и дугообразование на коллекторе электродвигателя (Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. - М.: Энергия, 1980, с. 704).
Недостатком такой конструкции является сложность и дороговизна исполнения, соответственно невозможность ее реализации в массовом производстве.
Известно также устройство электродвигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, содержащее якорь с обмоткой и коллектором и цилиндрический магнитопроводящий корпус, одновременно являющийся ярмом, с установленными на его внутренней поверхности полюсами, представляющими собой ферритобариевые или ферритостронциевые постоянные магниты, выполненные в виде сегментов (Гаршина А.В. Кондратьев В.Н. и др. Особенности конструкции, параметры автотракторных электродвигателей и перспективы их развития: Заказное издание. - М.: НИИН Автопром, 1976, с. 22-50; Кенио Т. Нагамори С. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. / Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 22-26).
Недостатком такой конструкции является то, что в режимах, отличных от холостого хода, происходит смещение физической магнитной нейтрали относительно геометрической нейтрали, на которой устанавливаются щетки, в направлении, противоположном вращению якоря электродвигателя, что значительно ухудшает условия коммутации в щелочно-коллекторном узле, так как при этом в коммутируемых секциях обмотки якоря наводится ЭДС, замедляющая коммутацию. Причем величина магнитной индукции в зоне коммутации увеличивается с ростом нагрузки электродвигателя.
Конструкции машин постоянного тока описаны в книге А.С. Касаткина «Основы электротехники», под редакцией доктора технических наук профессора В.Г. Герасимова и кандидата технических наук доцента В.В. Коген-Далина, раздел XII. - М.: Высшая школа, 1986.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение состоит в повышении эффективности работы коллекторного узла и статора двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, создании электрических двигателей постоянного тока с увеличенной полезной механической мощностью, развиваемой двигателем по отношению к потребляемой электрической мощности.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании электродвигателя постоянного тока с максимально возможным удельным электромагнитным моментом и максимальной эффективностью, определяемой как отношение полезной мощности к потребляемой электрической мощности.
Данная задача решается за счет того, что заявленное устройство электродвигателя постоянного тока повышенной механической мощности с возбуждением статора от постоянных магнитов и электронной коммутацией коллекторных пластин характеризуется тем, что содержит статор выполненного в виде цилиндрического магнитопроводящего корпуса с размещенными на внутренней поверхности диаметрально расположенными полюсами возбуждения выполненных из полюсных постоянных магнитов на основе сплавов неодим-железо-бор (Nd-Fe-B, NdFeB). Пластины коллектора соединены проводом с обмоткой якоря. На валу якоря, между коллектором и боковой крышкой, размещен стробоскопический диск с прорезями по центру пластин коллектора. На боковой крышке, включающей щеточные траверсы, на которых закреплены щеткодержатели с щетками, размещена оптопара, дающая сигнал на электронную схему, которая, в свою очередь, в момент нахождения щетки по центру пластины подает импульс тока, исключая искрообразование при переходном процессе.
Это позволяет увеличить мощность импульса тока с многократным увеличением полезной мощности, развиваемой двигателем по отношению к потребляемой электрической мощности при тех же геометрических размерах.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлено устройство двигателя постоянного тока повышенной механической мощности с возбуждением статора от постоянных магнитов и приняты следующие обозначения: 1 - статор из литой стали; 2 - полюса постоянных магнитов на основе сплавов неодим-железо-бор (Nd-Fe-B, NdFeB); 3 - якорь; 4 - коллектор; 5 - обмотка якоря; 6 - стробоскопический диск; 7 - боковая крышка; 8 - щеточная травеса; 9 - щеткодержатели; 10 - щетки; 11 - оптопара; 12 - электронная схема.
Устройство двигателя постоянного тока повышенной механической мощности с возбуждением статора от постоянных магнитов состоит из статора, ротора и боковой крышки.
Статор включает в себя цилиндр из литой стали (1) и полюсные магниты на основе сплавов неодим-железо-бор (Nd-Fe-B, NdFeB) (2).
Ротор исполнен в виде якоря (3) с обмоткой (5), коллектором (4) и стробоскопическим диском (6).
Боковая крышка (7) состоит из щеточной траверсы (8) с щеткодержателем (9) и щеткой (10), оптопары (11) и электронной схемы (12).
Работает устройство следующим образом.
При подаче напряжения на электронную схему (12), она определяет местоположение коллекторной пластины (4) через стробоскоп (6) посредством оптопары (11) и выдает высоковольтный импульс на коллекторную пластину (4) через щетку (10). Электрический ток, проходя через обмотку якоря (5) и взаимодействуя с магнитным полем статорных постоянных магнитов (2), обеспечивающих равномерное распределение магнитной индукции по поверхности якоря (3), передает усилие отталкивания на якорь (3). В результате использования электронной схемы (12) устраняется коллекторный огонь, улучшается работа коллекторного узла и увеличивается удельный электромагнитный момент. Происходит многократное увеличение полезной мощности, развиваемой двигателем по отношению к потребляемой электрической мощности.
3
В конструкции заявляемого электродвигателя использованы постоянные магниты из сплава NdFeBCo марки N-45 с остаточной индукцией 1,37 Тл, коэрцитивной силой Hс>876 кА/м, коэрцитивной силой по индукции Hcj>955 кА/м и максимальной энергией ВН 358 кДж/м. Рабочая температура до 250°C.
В предлагаемой конструкции двигателей могут быть использованы различные марки постоянных магнитов на основе сплавов неодим-железо-бор (Nd-Fe-B, NdFeB).
Был изготовлен опытный образец заявляемого устройства электродвигателя постоянного тока повышенной механической мощности с возбуждением статора от постоянных магнитов, испытания которого подтвердили:
высокую эффективность работы коллекторного узла;
высокую эффективность работы статора двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов;
получение максимально возможного удельного электромагнитного момента и увеличение полезной механической мощности, развиваемой двигателем по отношению к потребляемой электрической мощности.