ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ПОСТОЯННОГО ТОКА
DC ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к машинам постоянного тока и может быть использовано как для генерирования электрической энергии постоянного тока, так и для электропривода механизмов. Известны машины постоянного тока коллекторного типа, опубликованные в монографиях, таких как М.П. Костенко и Л.М Пиотровский. «Электрические машины», т. 1, М., «Энергия» ,1964 г., с. 62-74; А.В. Иванов-Смоленский. «Электрические машины», М., 1980 г., с. 716-717, принятые за аналог.
Прототипом данного технического решения принята конструкция машины постоянного тока по патенту RU 2565384 С2, (51) МПК, НО2К 25/00 (2006/01) НО2К 19/20 (2006/01), НО2К 1/06 (2006/01), опубл. 20.10.2015. Бюл. 29.
В прототипе машина постоянного тока, содержащая статор с сердечником якоря, с пакетами шихтованной стали с пазами по его расточке, разделенными кольцевыми немагнитными промежутками, с продольными немагнитными вставками, с обмоткой якоря кольцевого типа с активной и лобовыми частями, с продольными немагнитными вставками с внешним магнитопроводом и обмоткой индуктора, ротор с магнитопроводом индуктора из кольцевых профилированных пакетов стали, разделенных немагнитными кольцевыми промежутками с одноименно полюсными делениями с взаимным сдвигом соседних пакетов, соотносящихся с пакетами сердечника якоря, создающих одноименно полюсное магнитное поле с воздушным зазором с периодически переменным значением на ширине каждого полюсного деления, обеспечивающим индуцирование в обмотке якоря однополярных импульсов однопериодной ЭДС на каждом полюсном делении.
Недостатки прототипа заключаются в следующем:
- для ограничения значения магнитного потока реакции якоря, замыкающегося по окружности его спинки до приемлемого уровня (Вα=1 Тл), суммарная ширина немагнитных вставок должна быть не менее 10% его окружности, что приводит к некоторому ухудшению его массогабаритных характеристик;
- наличие немагнитных вставок приводит к усложнению конструкции машины, разделению сердечника статора на ряд секторов, снижающее жесткость статора, а следовательно и надежность;
- сдвиг соседних пакетов индуктора относительно друг друга на электрический угол одного импульса равен частному от деления ширины одного импульса на число пакетов индуктора, что приводит к неполной идентичности значений ЭДС обмотки в каждом пазу.
Проведенные нами экспериментальные исследования на макетном образце показали, что различные варианты получения однополярных импульсов ЭДС с использованием известных литературных источников с. 555-557, Лазарев Ю. (Моделирование процессов и систем в MATLAB 2005 г., с. 187) и др. дают формы импульсов однополярной ЭДС с высокой составляющей обратного направления, что практически не пригодно для реализации машин постоянного тока. Эксперименты проводились для четырех типов профилированных пакетов ротора, построенных на основании известных видов «однонаправленных» импульсов.
Требуемая форма однополярных однонаправленных импульсов ЭДС нами была получена на основании аналитического выражения импульса ЭДС синусоидального типа с амплитудой затухания практически до нулевого значения на ширине каждого полюсного деления по закону экспоненты, что позволяет реализовать бесколлекторную машину постоянного тока.
Цель изобретения - устранение указанных недостатков в машине постоянного тока. Указанная цель достигается тем, что значение воздушного зазора изменяется в соответствие с законом изменения индукции магнитного потока на ширине каждого полюсного деления, обеспечивающим индуцирование в обмотке якоря однонаправленных импульсов однонаправленной ЭДС синусоидального типа с затухающей амплитудой практически до нулевого значения на ширине каждого полюсного деления по закону экспоненты, на внешнем диаметре внешнего магнитопровода выполняются другие пазы с дополнительными прорезями на длине сердечника якоря с размещенными в них лобовыми частями обмотки якоря, соотносящиеся с пазами на расточке якоря, снабженными другими прорезями по дну этих пазов, продольные немагнитные вставки выполняются в виде насыщающихся магнитных участков, образованных дополнительными прорезями внешнего магнитопровода и другими прорезями по дну пазов расточки якоря, сдвиг соседних профилированных пакетов выполняется на электрический угол одного импульса, равный частному от деления ширины полюсного деления на число кольцевых промежутков между соседними профильными пакетами по длине индуктора.
Отличительными признаками изобретения являются:
Требуемая форма однонаправленного, однополярного импульса ЭДС рассчитывается на основе аналитического выражения импульса ЭДС синусоидального типа с амплитудой затухания с практически до нулевого значения на ширине каждого полюсного деления по закону экспоненты, на внешнем диаметре внешнего магнитопровода выполняются другие пазы с дополнительными прорезями с размещенными в них лобовыми частями обмотки якоря, соотносящиеся с пазами на расточке якоря, снабженными другими прорезями по дну этих пазов, продольные немагнитные вставки выполняются в виде насыщающихся магнитных участков, образованных дополнительными прорезями внешнего магнитопровода и другими прорезями по дну пазов расточки якоря, сдвиг соседних профилированных пакетов выполняется на электрический угол одного импульса, равный частному от деления ширины полюсного деления на число кольцевых промежутков между соседними профильными по длине индуктора.
В результате поиска аналитического выражения импульса однонаправленной однополярной ЭДС, нами было получено аналитическое выражение импульса однополярной однонаправленной ЭДС синусоидального типа с амплитудой затухания практически до нулевого значения по закону экспоненты на ширине каждого полюсного деления. Для подтверждения возможности реализации предложенной конструкции машины постоянного тока с однонаправленными, однополярными импульсами ЭДС синусоидального типа с амплитудой затухания с практически до нулевого значения по закону экспоненты на ширине каждого полюсного деления, высылаем результаты экспериментов на физической модели машины постоянного тока, проведенные в двух вариантах сборки индуктора (ротора):
1) индуктор с одним профилированным пакетом на роторе, осциллограмма импульса ЭДС, фиг. 1,
2) индуктор с четырьмя профилированным пакетом на роторе, осциллограмма суммирования импульсов ЭДС от четырех профилированным пакетов, фиг. 2.
Результаты экспериментов подтверждают работоспособность бесколлекторной машины постоянного тока.
Предложение соответствует критерию существенные отличия, так как из известного перечня информации, установленного нормативным документом (П127 Э3-1-74), технические решения с признаками подобными заявленным не обнаружены.
На фиг. 3 схематически изображена в продольном разрезе машина постоянного тока с числом полюсных делений равным 4 (р=4); на фиг. 4 - ее поперечное сечение.
Электрическая машина постоянного тока включает статор с сердечником якоря из пакетов шихтованной стали 1, разделенных кольцевыми немагнитными промежутками 2, с пазами 3 по его расточке, с продольными насыщающимися участками 4, с обмоткой якоря кольцевого типа активной 5 и лобовыми частями 6, внешним магнитопроводом 7 с другими пазами 8 и дополнительными прорезями 9, с обмоткой индуктора 10, с другими пазами 11 по дну пазов 3, ротор с магнитопроводом индуктора из кольцевых шихтованных пакетов стали 12, разделенных кольцевыми немагнитными промежутками 13, с немагнитным кожухом 14, воздушный зазор 15.
Устройство в генераторном режиме работает следующим образом.
При подаче тока в обмотку индуктора возбуждается одноименно полюсный магнитный поток в магнитопроводах якоря и индуктора. Распределение индукции магнитного потока по ширине полюсного деления практически определяется конкретным значением воздушного зазора, задаваемого формой цилиндрической поверхности кольцевых пакетов стали индуктора, то есть распределение значения индукции магнитного потока по ширине полюсного деления будет соответствовать обратно пропорциональному значению воздушного зазора.
Требуемая форма однонаправленного, однополярного импульса ЭДС рассчитывается в соответствии полученным нами аналитическим выражениям импульса ЭДС синусоидального типа с амплитудой затухания практически до нулевого значения на ширине каждого полюсного деления по закону экспоненты в следующем виде:
где Aα - амплитуда ЭДС, затухающая на ширине полюсной дуги (0≤α≤Pi),
Ao=const,
где α - электрический угол поворота ротора.
В относительных единицах значение индукции в зазоре БМПТ равно значению ЭДС
c=const, c>1.
мах
α - значение угла поворота ротора, при котором ЭДС импульса достигает максимального значения.
Для получения требуемой формы однополярного импульса ЭДС распределение значения индукции в воздушном зазоре должно соответствовать расчетным значениям индукции по формуле
В связи с указанным выше выражением распределения индукции в зазоре полюсного деления получим расчетное выражение значений воздушного зазора на ширине полюсного деления исходя из постоянства магнитодвижущей силы потока возбуждения по окружности расточки статора
в виде
где By - униполярная составляющая индукции.
Таким образом может быть получена требуемая форма поверхности полюса ротора, обеспечивающая индуцирование однополярных однонаправленных импульсов ЭДС. Магнитный поток обмотки возбуждения 10 проходит по внешнему магнитопроводу 7 вдоль зубцов каждого пазового деления 8 и распределяется на каждое пазовое деление 3 сердечника якоря, ограничиваясь в радиальном направлении каждой парой дополнительных прорезей 9 и каждой парой других прорезей 11 пазов якоря 3.
При включении нагрузки в обмотке якоря протекает ток якоря одного направления в катушке каждого паза, который создает кольцевой магнитный поток по окружности сердечника якоря (подобно соленоиду), магнитный поток реакции якоря Фа, величина которого при заданной нагрузке зависит от магнитного сопротивления магнитопровода якоря по окружности спинки якоря.
В конструкции магнитопровода с насыщающимися магнитными участками значение магнитного сопротивления для потока реакции якоря определяется суммарным сопротивлением намагничивающихся участков 4 магнитопровода якоря.
Если принять реальное сечение в зонах спинки якоря, ограниченных каждой парой дополнительных прорезей 9 и других прорезей 3 в 2,5-3 раза больше, чем в зонах насыщенных участков 4, образованных выше указанными прорезями, то индукция в зонах насыщения участков будет в 2,5÷3 раза выше по сравнению с зонами ненасыщенных участков.
При принятом расчетном значении индукции в ненасыщенных зонах Ва=1 Тл, в зонах насыщенных участков индукция составит Ва=2,5÷3 Тл. В этом случае магнитная проницаемость зонах насыщенных участков составит μн≈(1,05÷1,1)μо.
1
1
Число участков насыщения равно числу пазов сердечника якоря (Z). При значении Z=100 и ширине одного дополнительного паза равного Вп=2,5÷3 мм, суммарная длина зоны насыщения составит ∑Lн≈(250÷300)/1,1≈225÷270 мм, В зонах прохождения магнитного потока возбуждения расчетное значение индукции составит  что является обычным расчетным значениям индукции в зубце.
Таким образом, для потока возбуждения магнитопровод спинки сердечника статора не насыщен, в то время как для магнитного потока реакции якоря очень сильно насыщен, тем самым магнитопровод ограничивает значение потока реакции якоря до приемлемого уровня. В магнитном отношении все пазы обмотки якоря становятся в идентичном положении, что не создает сколь-нибудь значительной концентрации магнитодвижущей силы реакции якоря на отдельных участках сердечника якоря, как это возникает при сосредоточенных немагнитных вставках, провоцирующих возникновение продольной составляющей реакции якоря, отрицательно влияющей на работу машины постоянного тока.
Преимущество предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом:
- значение воздушного зазора изменяется в соответствии с законом изменения индукции магнитного потока на ширине каждого магнитного полюсного деления, обеспечивающего индуцирование в обмотке якоря однополярных импульсов однонаправленной ЭДС синусоидального типа с амплитудой затухания практически до нулевого значения на ширине каждого полюсного деления по закону экспоненты, исключающего появление обратной составляющей ЭДС однополярного импульса;
- сдвиг соседних профилирующих пакетов выполняется со сдвигом на электрический угол одного импульса, равным частному от деления ширины полюсного деления на число кольцевых немагнитных промежутков индуктора, обеспечивающих идентичность значений ЭДС обмотки якоря в каждом пазу;
- выполнение продольных немагнитных вставок в виде насыщающихся магнитных участков позволяет улучшить массогабаритные характеристики МПТ и повысить ее надежность.