Интегрированная коллекторная машина
INTEGRATED COLLECTOR MACHINE

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, касается особенностей конструктивного выполнения якорей и узлов токосъема коллекторных машин постоянного или переменного тока и может быть использовано при проектировании и производстве таких машин.
Известны коллекторные машины постоянного или переменного тока с волновыми стержневыми обмотками якоря (Вольдек А.И. Электрические машины, Л, 1978, с. 81 - 62). Такие машины включают индуктор, якорь с сердечником и стержневой обмоткой,  а также узел токосъема с коллектором и щетками. Такие машины не содержат уравнительных соединений в обмотке якоря, что снижает объём меди якоря машины. Однако вылет лобовых частей обмотки якоря достаточно велик, что создает увеличенные потери в меди обмотки якоря, а коллектор увеличивает объем меди и габариты машины.
Известна интегрированная коллекторная машина (заявка на выдачу патента 2013154 956), включающая неподвижный индуктор и вращающийся якорь с сердечником, в зубцово-пазовой зоне которого в пазах расположены изолированные активные проводники двухслойной волновой обмотки, а в торцевых зонах которого  расположены изолированные друг от друга лобовые проводники этой обмотки, отделенные от торцевой поверхности сердечника якоря воздушным зазором, посредством которых соединены упомянутые активные проводники, а также узел токосъема, при этом места соединения лобовых проводников с активными проводниками обмотки, по крайней мере в одной торцевой зоне, имеют площади поперечного сечения меньше усредненных по длине пазов площадей поперечного сечения соединяемых активных проводников, причем эти места соединения расположены у краёв торцевой поверхности зубцово-пазовой зоны якоря, а по меньшей мере часть поверхности каждого лобового проводника, расположенного в упомянутой торцевой зоне, выполнена в виде контактной секции упомянутого узла токосъема, причем поверхности этих секций в совокупности образуют плоскую поверхность скользящего контакта этого узла.
Достоинства машины - уменьшение массы, повышения КПД. Однако если площади поперечного сечения мест соединения лобовых проводников с активными проводниками обмотки якоря менее чем в два  раза меньше, чем площади поперечного сечения соединяемых активных проводников, - высота лобовых проводников растет и длина машины увеличивается, Воздушный зазор между лобовыми проводниками обмотки и торцевой поверхностью сердечника якоря для хорошего охлаждения должен выполняться значительным, что увеличивает объем машины. При малом воздушном зазоре между лобовыми проводниками обмотки и торцевой поверхностью сердечника якоря - охлаждения лобовых проводников обмотки ухудшено, что вызывает перегрев этих лобовых проводников, ускоренное старение их изоляции и снижение надежности коллекторной машины.
Технический результат предложенного технического решения - снижение длины и улучшение охлаждения якоря машины.
Технический результат достигается тем, что в интегрированной коллекторной машине, включающей неподвижный индуктор и вращающийся якорь с сердечником, в зубцово-пазовой зоне которого в пазах расположены изолированные активные проводники двухслойной волновой обмотки, а в торцевых зонах которого расположены изолированные друг от друга лобовые проводники этой обмотки, отделенные от торцевой поверхности сердечника якоря зазором, посредством которых соединены упомянутые активные проводники, а также узел токосъема, при этом места соединения лобовых проводников с активными проводниками обмотки, по крайней мере в одной торцевой зоне, имеют площади поперечного сечения меньше усредненных по длине пазов площадей поперечного сечения соединяемых активных проводников, причем эти места соединения расположены у краёв торцевой поверхности зубцово - пазовой зоны якоря, а по меньшей мере часть поверхности каждого лобового проводника, расположенного в упомянутой торцевой зоне, выполнена в виде контактной секции упомянутого узла токосъема, причем поверхности этих секций в совокупности образуют плоскую поверхность скользящего контакта этого узла, площади поперечного сечения мест соединения лобовых проводников с активными проводниками обмотки якоря в два или более раз меньше, чем площади усредненных по длине пазов поперечных сечений соединяемых активных проводников, а зазор между лобовыми проводниками обмотки и ближайшей торцевой поверхностью сердечника якоря минимален и заполнен теплопроводным изоляционным материалом.
Пример конкретного выполнения изобретения иллюстрируют фиг. 1 – 4.
На фиг. 1 показана эскизная компоновка интегрированной коллекторной машины, для пояснения предложенного технического решения. Здесь изображены: корпус машины 1, индуктор машины 2, выполненный, например, в виде полюсов с катушками обмотки возбуждения и ярма (Вольдек А.И. Электрические машины, Л, 1978), якорь машины 3, отделенный от индуктора 2 воздушным зазором 4, и включающий сердечник якоря 5,сзубцово-пазовой зоной6 (ограничена пунктирными линиями 6). Якорь 3 расположен на валу 7 и может вращаться в подшипниках 8. Двухслойная обмотка якоря 3 включает изолированные друг от друга лобовые проводники 9 и 10, и расположенные в торцевых зонах якоря 3 (показано сечение одного из проводников 9), которые соединяют активные проводники11 обмотки якоря, расположенные в пазах зубцово - пазовой зоны 6. Лобовые проводники 9 находятся в нижней торцевой зоне, а лобовые проводники 10 расположены в верхней торцевой зоне якоря машины.
При этом части лобовых проводников 10, выполнены в виде контактных секций 12 узла токосъема с ровными гладкими поверхностями, которые в совокупности образуют плоскую поверхность скользящего (щеточного) контакта. Узел токосъема на фиг. 1 включает щетки 13, например, углеграфитовые, прижатые к поверхностям контактных секций 12 лобовых проводников 10. Изоляция 14 между контактными секциями 12 узла токосъема является частью изоляции между лобовыми проводниками 10. Зазор 15 между лобовыми проводниками 9, 10 и ближайшей торцевой поверхностью сердечника якоря 5 минимален (по условиям электрической прочности изоляции). Этот зазор 15 заполнен теплопроводным изоляционным материалом, например, заливочным полимеризуемым компаундом, что увеличивает прочность узла токосъема, улучшает охлаждение лобовых проводников 9, 10 и улучшает охлаждение всего якоря.
1
2
к
На фиг. 2 показана схема обмотки якоря интегрированной коллекторной машины (с расположением щеток), соответствующая эскизной компоновке, представленной на фиг. 1. Эта четырехполюсная волновая стержневая обмотка с2p = 4, Z = Zэ = S = K= 17, y= 4, y = 4, y= 8. Основные обозначения соответствуют технической литературе, например - Вольдек А. И. Электрические машины, Л, 1978, с. 59 – 81. На фиг.2 обозначены полюса N, S индуктора 2. В семнадцати пазах сердечника якоря 5 расположены активные проводники (стержни) 11 обмотки якоря. Сплошными вертикальными линиями обозначены стержни 16 верхнего слоя, а пунктиром - стержни17 нижнего слоя обмотки. Показаны также лобовые проводники 9, а также лобовые проводники 10, части поверхностей которых выполнены в виде контактных секций 12 узла токосъема, по которым скользят щетки 13. Выводы щеток А1 и А2, а также В1 и В2 объединены и подключены к шинам 18, 19 источника.
На фиг. 3 показан вид сверху (см. фиг. 1) якоря 3 предложенной интегрированной коллекторной машины. Корпус 1 прозрачен. Пазы 6 сердечника 5 пронумерованы по его торцевой поверхности (Вольдек А.И. и др.  Электромагнитные процессы в торцевых частях электрических машин, Л, 1983. - 216 с.). В этих пазах прямоугольной формы расположены стержни 16 и 17, соответственно верхнего и нижнего слоев обмотки (см. фиг. 2). Они соединены лобовыми проводниками 10. Как видно на фиг. 3, места соединения 20, 21лобовых проводников 10 с активными проводниками 16, 17 обмотки якоря 3, имеют площади поперечного сечения (отмечены серым цветом) более чем вдвое меньше площадей поперечного сечения соединяемых активных проводников 16, 17. Как следует из фиг. 3, для рассматриваемой машины эти площади в 2,5 раза меньше площади поперечного сечения каждого стержня, поэтому высота лобовых проводников и длина якоря машины не велика (см. фиг. 1). При этом места соединения 20, 21 расположены у краёв торцевой поверхности зубцово-пазовой зоны якоря, которая представляет собой совокупность зубцов и пазов сердечника 5 с активными проводниками 16, 17 обмотки якоря 3. Понятие «зубцово-пазовая зона» см., например, Инкин А.И. Электромагнитные поля и параметры электрических машин. Учебное пособие. - Новосибирск, 2002 - С. 152.
На фиг. 3 показано также, что часть каждого лобового проводника 10, выполнена в виде контактной секции узла токосъема с ровными гладкими поверхностями 22, которые в совокупности образуют плоскую поверхность скользящего (щеточного) контакта, расположенную между штрихпунктирной окружностью 23 и внешними границами лобовых проводников 10. Щетки 13узла токосъема (А1, А2, В1, В2), выделенные темной штриховкой, прижаты к этой поверхности.
На фиг. 4 представлен вид сечения 1-1 фиг. 1. Выполнение лобовых проводников 9 аналогично выполнению лобовых проводников 10, отличаясь отсутствием поверхностей в виде контактных секций. Показаны сечения 24 мест соединения стержней 16 с лобовыми проводниками 9, и сечения 25 мест соединения (перемычек), соединяющих стержни 17 с лобовыми проводниками 9. Изображены на фиг. 4 вал 7 и подшипник 8.
Работает предложенная коллекторная машина также как обычная коллекторная машина.
На выводы якоря 18, 19, соединенные со щетками 13, подают напряжение, например, постоянного тока. Токи обмотки якоря 3 взаимодействуют с магнитным потоком полюсов N, S индуктора 2, создавая вращающий электромагнитный момент, приводящий во вращение якорь 3. При вращении якоря щетки скользят по поверхности контактных секций 12, переключая ток в секциях обмотки якоря 3. Знак электромагнитного момента не меняется, и машина разгоняется до рабочей скорости. Слабым серым цветом на фиг. 3, 4 выделены участки коммутируемых секций обмотки якоря 3. При вращении вала машины приводным двигателем она может работать как генератор постоянного тока.
Таким образом, предложенная конструкция коллекторной электрической машины позволяет не только заменить традиционный коллекторно-щеточный аппарат узлом токосъема с лобовыми проводниками обмотки якоря, но и уменьшить длину якоря, улучшить охлаждение лобовых проводников его обмотки, являющихся частью коллекторно-щеточного аппарата машины, что улучшает охлаждение и надежность всей машины, увеличить механическую прочность якоря.
Предложенное техническое решение также обеспечивает уменьшение материалоемкости и массы меди, повышенный КПД машины, достигаемые за счет интегрирования (объединения) механического переключателя тока якоря (коллектора) и обмотки якоря в общую конструктивную единицу, выполненную в соответствии с предложением.
Исключена операция пайки выводов обмотки якоря к коллекторным пластинам традиционного коллектора, которого нет в предложенной машине.