КОЛЛЕКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
COLLECTOR ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к электротехнике, а именно к коллекторным электродвигателям с компенсационной обмоткой, и предназначено для приведения в движение машин и механизмов в случаях, когда определяющим фактором является потенциальная устойчивость их коллекторов к образованию круговых огней.
Известен коллекторный электродвигатель (КЭД), близкий к заявляемому двигателю по признаку наличия компенсационной обмотки, уложенной в пазы главных полюсов [Жерве Г.К. Обмотки электрических машин. - Л.: Энергоатомиздат, 1989. с.86, рис.2.43]. Для снижения уровня пульсаций индукции в воздушном зазоре между якорем и главными полюсами пазы последних выполняются полузакрытыми, вследствие чего стержни компенсационной обмотки вдвигаются в пазы сбоку и к ним припаиваются отдельные лобовые части. Это усложняет технологию изготовления, монтажа и демонтажа компенсационной обмотки.
Также известен КЭД, близкий к заявляемому двигателю по признаку наличия компенсационной обмотки, состоящей из отдельных катушек, витки которых уложены в открытые пазы главных полюсов [Н02К 23/22, Н02К 23/02 Безсмертный А.И., Луговая Н.Е. Тяговый двигатель постоянного тока. Патент на изобретение №2324279, ФИПС Роспатент, М., приоритет от 23.01.2007]. Для снижения уровня пульсаций индукции в воздушном зазоре между якорем и главными полюсами открытые пазы последних закрываются с небольшим зазором накладками из магнитомягких материалов, которые прикрепляются к отдельным зубцам главных полюсов и служат для удержания компенсационной обмотки в пазах. Однако такой способ крепления компенсационной обмотки трудоемок и ненадежен, так как на магнитные накладки действуют электромагнитные силы, способные привести к излому их крепления и повреждению компенсационной обмотки. Кроме того, при вращении якоря из-за его зубчатости в массивных накладках возникают вихревые токи, которые отрицательно влияют на энергетические и тепловые показатели данного КЭД.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому КЭД (прототипом) является коллекторный электродвигатель, содержащий якорь с обмоткой, индуктор с главными и дополнительными полюсами, компенсационную обмотку, состоящую из отдельных катушек, витки которых уложены в открытые пазы главных полюсов и закреплены в них клиньями из немагнитных и электроизоляционных материалов [Аликин Р.И. и др. Тяговый электродвигатель с компенсационной обмоткой НБ-412 К. - Электровозостроение, 1963, НЭВЗ, т.3, с.56-67].
Обычно открытые пазы главных полюсов данного КЭД содержат одинаковое число витков компенсационной обмотки, которые укладываются по их ширине, но встречаются двигатели, в которых распределение витков по пазам и по их ширине различно [Бочаров В.И. и др. Магистральные электровозы. Тяговые электрические машины. - М.: Энерго-атомиздат, 1992, с.91, рис.3.5]. Выполнение компенсационной обмотки в виде отдельных и предварительно изолированных катушек, которые укладываются в открытые пазы главных полюсов и закрепляются в них клиньями из немагнитных и электроизоляционных материалов, значительно упрощает технологию изготовления, монтажа и демонтажа этих катушек. Однако при открытых пазах возникают сильные пульсации индукции в воздушном зазоре, максимумы которых при холостом ходе КЭД располагаются под серединами зубцов главных полюсов и тем больше, чем шире пазы. При нерациональном выборе параметров компенсационной обмотки и зубцовой зоны главных полюсов в режиме нагрузки КЭД результирующее магнитное поле якоря и компенсационной обмотки усиливает часть этих максимумов, что приводит к ухудшению потенциальной устойчивости его коллектора, к образованию круговых огней.
Изобретением решается задача повышения потенциальной устойчивости КЭД к образованию круговых огней на его коллекторе.
1
Это достигается тем, что в КЭД, содержащем якорь с обмоткой, индуктор с главными и дополнительными полюсами, компенсационную обмотку, состоящую из отдельных катушек, витки которых уложены в открытые пазы главных полюсов и закреплены в них клиньями из немагнитных и электроизоляционных материалов, согласно изобретению при равномерном распределении витков компенсационной обмотки по пазам, на ширине которых уложен один виток, длина b полюсной дуги главных полюсов и ширина bголовок их крайних зубцов удовлетворяют следующим условиям:
a
ко
a
2
где τ - полюсное деление по якорю; w - число витков катушки компенсационной обмотки; w - число витков обмотки якоря; b - ширина головок не крайних зубцов главных полюсов.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показано расположение катушек компенсационной обмотки в пазах одного главного полюса на полюсном делении якоря заявляемого КЭД.
a
ко
1
2
Якорь 1 содержит обмотку 2, имеющую w витков. В четырех открытых пазах 3 одного главного полюса 4 размещены катушки компенсационной обмотки 5, имеющие по w витков, которые равномерно распределены по пазам 3, на ширине которых уложен один виток. На длине b полюсной дуги главного полюса 4 ширина его крайних зубцов 6 равна b и остальных зубцов 7 равна b.
ко
Чтобы при работе КЭД под нагрузкой магнитное поле якоря 1, созданное его обмоткой 2, не искажало магнитное поле главного полюса 4, необходимо при помощи компенсационной обмотки 5, включенной последовательно с обмоткой 2 и уложенной в открытые пазы 3 главного полюса 4, компенсировать поле реакции якоря 1. При равномерном распределении витков компенсационной обмотки 5 по пазам 3 это условие выполняется под серединой зубцов 7, когда линейная нагрузка компенсационной обмотки 5 на ее шаге по пазам t равна линейной нагрузке якоря 1, т.е.
a
где Z - число пазов главного полюса; I - ток нагрузки якоря.
Из фиг.1 для шага компенсационной обмотки по пазам можно записать:
ко
1
2
1
2
Подставляя значение t из (4) в формулу (3), после преобразований получим условие (1), обеспечивающее компенсацию поля реакции якоря под серединой зубцов 7. При ширине головок крайних зубцов b=b поле реакции якоря компенсируется под серединой зубцов 6, а при b=b/2 - под краями главного полюса. При холостом ходе КЭД амплитуда пульсаций индукции в воздушном зазоре под серединой крайних зубцов меньше, чем под остальными зубцами, поэтому оптимальная ширина головок крайних зубцов находиться в интервале, удовлетворяющем условию (2). При укладке по ширине паза 3 одного витка компенсационной обмотки 5 узкие пазы главного полюса 4 снижают амплитуду пульсаций его поля.
ко
ко
ко
ко
При четном числе Z пазов, содержащих равное число витков компенсационной обмотки, ее катушки выполняются с одинаковым числом витков. В случае, когда для равномерного распределения витков компенсационной обмотки по пазам требуется нечетное Z, ее катушки выполняются с разным число витков: при центральном пазе 8 (фиг.2), симметричном осям 2p главных полюсов 4, 2p катушек 9 имеют по w(1 - 1/Z) витков и укладываются в Z-1 пазов 3 каждого полюса 4 по существующей технологии, а затем производится монтаж p катушек 10 по 2w/Z витков в центральные пазы 8; при несимметричном центральном пазе 8 главных полюсов 4 (рис.3) p катушек 11 имеет по w(1+1/Z) витков и p катушек 12 - по w(1-1/Z) витков, и их монтаж производится по существующей технологии.
Значительного снижения уровня пульсаций индукции в воздушном зазоре под главным полюсом можно добиться путем скоса его открытых пазов. Скос пазов на расстояние С, равное половине их ширины, дает примерно такой же эффект по снижению пульсаций, как и полузакрытые пазы главного полюса.
1
c
При укорочении шага обмотки якоря на половину его зубцого деления t для амплитуды пульсаций межламельных напряжений на коллектора Δeможно записать:
cp
г
где е - среднее значение межламельных напряжений на коллекторе; k - коэффициент Картера для зубцов главного полюса.
ко
г
с
При скосе пазов 3 главного полюса 4 на расстояние С=t (фиг.4) коэффициент Картера k=1 и, как следует из формулы (5), Δe≈0. Другое существенное преимущество такого скоса пазов заключается в том, что в этом случае МДС компенсационной обмотки изменяется от оси главного полюса до крайних зубцов 6 не ступенчато, а линейно, что обеспечивает полную компенсацию МДС реакции якоря в любой точке этого участка полюсной дуги.
По сравнению с прототипом заявляемый КЭД имеет более высокий уровень потенциальной устойчивости к образованию круговых огней на коллекторе.