МАШИНА ПОСТОЯННОГО ТОКА
DIRECT CURRENT MACHINE

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромашинам постоянного тока, которые могут использоваться как электродвигатели и как генераторы. Электродвигатели предназначены для работы в электроприводах постоянного тока с питанием от генераторов или от статических преобразователей и могут быть использованы на электротранспорте, для привода станков, вентиляторов, компрессоров, насосов, крановых и транспортных механизмов, лифтов, грузовых тележек. Генераторы могут быть использованы не только как автономные источники электроэнергии, но и как источники питания отдаленных потребителей электроэнергии. Также возможно использование генераторов для радиостанций, двигателей постоянного тока, зарядки аккумуляторных батарей, сварки и электрохимических низковольтных установок.
Известна машина постоянного тока, состоящая из неподвижной обмотки возбуждения, расположенной на станине, якоря, закрепленного на валу, с шихтованным магнитопроводом в виде стального барабана с пазами, обмоткой и коллектором, на который накладываются щетки (Кацман М.М. Электрические машины. - М.: Академия, 2008, с.363-370). Принцип работы машины постоянного тока основан на взаимодействии тока в витках обмоток якоря и магнитного поля обмотки возбуждения. В результате на проводники обмотки якоря действуют электромагнитные силы и возникает электромагнитный момент. Для непрерывной работы машины постоянного тока необходимо изменять направление тока в проводниках якорной обмотки при изменении его положения относительно полюсов магнитного поля статора. Это переключение в обычных машинах постоянного тока обеспечивается с помощью коллектора.
Коллектор состоит из разрезного медного кольца и токосъемных щеток. При этом изолированные между собой сегменты разрезного кольца соединены с витками обмотки якоря и вращаются вместе с этой обмоткой, поочередно соприкасаясь с неподвижными токосъемными щетками, соединенными с внешней цепью.
Наличие коллектора в традиционных машинах постоянного тока вызывает появление у них некоторых нежелательных свойств. В первую очередь к ним относится необходимость постоянного надзора и ухода за коллекторно-щеточным узлом, так как при эксплуатации машины щетки истираются, а коллектор загрязняется и обгорает. Кроме того, неизбежное искрение щеточно-коллекторного аппарата создает радиопомехи, затрудняет применение машин во взрывоопасных помещениях и средах. Так же основным недостатком щеточно-коллекторного аппарата является его неспособность работать с большими напряжениями, поскольку искрение на поверхности коллектора напрямую зависит от напряжения между соседними его пластинами и при этом оно не должно превышать 18-22 В. Несмотря на ряд преимуществ использования постоянного тока для передачи электроэнергии на большие расстояния, ограничение машин постоянного тока по напряжению значительно затрудняет эту задачу. Это связано с необходимостью большого числа преобразования электроэнергии для снижения ее потерь. Работа коллекторно-щеточного узла создает также дополнительный шум при работе машины. Стремление устранить механический коллекторно-щеточный узел и заменить его каким-либо бесконтактным устройством с теми же функциями привело к появлению так называемых бесколлекторных машин.
Известна бесколлекторная машина постоянного тока, называемая вентильно-индукторной машиной (Овщинников И.Е. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе. - СПб.: КОРОНА-век, 2007, с.25-27), состоящая из неподвижной обмотки якоря, размещенной на станине, переменное ЭДС которой создается полупроводниковым коммутатором, и из ротора, закрепленного на валу и не имеющего обмоток. Эта машина, имеющая такие же характеристики, как у машины с обычным коллектором, обладает более высокой надежностью и простотой в эксплуатации, не имеет искрения и не создает при своей работе радиопомех. Полное исключение механического контактного устройства в таких машинах приводит к тому, что их ротор выполняется без обмоток, т.е. является пассивным. Принцип работы вентильной машины основан на взаимодействии поля обмотки якоря с полюсами ротора, выполненного из ферромагнитного материала. Так как используется только одна якорная обмотка, практически вся часть энергии машины сконцентрирована на этой обмотке. Это приводит к тому, что на якорную обмотку машин больших мощностей будут влиять значительные электромагнитные, термические и механические воздействия. Из-за больших токов обмотка якоря будет либо перегреваться, что приводит к снижению КПД и преждевременному разрушению изоляции, либо обмотку якоря необходимо выполнить из проводов большого сечения и изоляции с высокой термической стойкостью, что приводит к большим затратам. При этом переменный ток в обмотке якоря создается полупроводниковым коммутатором, который коммутирует весь ток машины. Следовательно, для этого необходимы полупроводниковые элементы, способные работать со значениями тока несколько выше, чем в машинах с активным ротором, у которых есть обмотка. Используемый для ротора ферромагнитный материал является весьма дорогостоящим, к тому же со временем его магнитные свойства ухудшаются. Применение вентильных машин ограничивается еще тем, что коммутация обмоток якоря приводит к импульсивному электромагнитному моменту, который недопустим для механизмов с низкой скоростью и высоким моментом, и к сильной вибрации корпуса машины, что приводит к значительному акустическому шуму. Снижение импульсивности момента возможно увеличением количества секций обмоток якоря. Это приводит к увеличению количества полупроводниковых элементов. Такие машины имеют весьма высокую стоимость. Вибрация корпуса обусловлена размещением на нем обмотки якоря. В коллекторных машинах постоянного тока обмотка якоря размещена на сплошном магнитопроводе и она несет не всю часть электроэнергии машины, поэтому вибрация якоря этих машин незначительна.
Одним из основных частей вентильной машины является датчик положения ротора, который управляет коммутатором, подавая сигналы на каждый управляющий электрод, в зависимости от угла поворота ротора. Данное устройство имеет сложное исполнение и требует дополнительных немалых средств. К тому же датчик положения ротора чувствителен к внешним электромагнитным воздействиям. Таким образом, вентильную машину целесообразно использовать только в качестве машины малой и средней мощности, где требуется сложное управление технологическими процессами.
Известна машина постоянного тока И.Скибитского (Патент РФ №2091966, H02K 23/38, опубл. 27.09.1997), взятая за прототип, содержащая статор, якорь, щеточный механизм, подшипниковые узлы, контактное устройство, выполненное в виде двух проводящих колец, разделенных изоляцией, при этом одно из них выполнено сплошным, а другое - с тремя разрезами, смещенными друг относительно друга на 120°, обмотка якоря выполнена из трех катушек, сдвинутых друг относительно друга на 120°, причем начала катушек присоединены к сплошному кольцу, а концы катушек - к разрезному. Контактное устройство производит поочередное включение и отключение катушек обмотки якоря при его вращении, что создает пульсирующее магнитное поле якоря, направленное под углом 90° к магнитному полю статора, при этом обмотки якоря переключаются полностью. В этом случае по катушкам якоря проходит только постоянный ток, то есть преобразования тока не происходит и, как следствие, отсутствуют потери на гистерезис.
Коммутация обмоток якоря машины постоянного тока И.Скибитского при вращении якоря на каждые 60° и их размещение представлены на фиг.1, 2, 3 дополнительного материала. Переключение обмоток производится с помощью механического контакта каждого сегмента Са, Cb и Сс разрезного кольца с неподвижной щеткой. Исходя из фиг.1, 2 и 3 можно отметить, что в любой момент времени задействована только одна обмотка, то есть обмотка якоря используется неэффективно. В результате имеет место ряд недостатков:
1) возможность использования в любой момент времени только одной обмотки якоря данной машины приводит к пульсации электромагнитного момента и невозможности пуска двигателя в положении якоря, соответствующего моменту коммутации его обмоток, поскольку электромагнитный момент будет практически равен нулю, плохому использованию меди обмоток и, следовательно, снижению КПД;
2) наличие механического коммутатора не позволяет использовать машины постоянного тока с высокими напряжениями (более 1500 В);
3) искрение полностью не устраняется, поскольку между сегментом, находящимся под щеткой и соседними сегментами разрезного кольца, присутствует разность потенциалов;
4) режимы работы данной машины весьма ограничены.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении возможности машины постоянного тока с тем, чтобы при сохранении всех положительных качеств, присущих машинам постоянного тока коллекторного типа, она обеспечила бы достижение следующих технических результатов:
1) возможность использования машин постоянного тока больших мощностей с высокими напряжениями;
2) полное исключение коллекторного механизма, а следовательно, искрения, радиопомех, шума;
3) улучшение регулировочных характеристик;
4) возможность использования машины в различных режимах;
5) упрощение изготовления якоря машины;
6) повышение КПД машины постоянного тока.
Задача решается тем, что заявленная машина постоянного тока, содержащая статор, закрепленные на валу якорь с обмоткой, контактное устройство, выполненное в виде разделенных изоляцией проводящих колец, контактирующих с щетками для подачи и снятия тока с начала и конца обмоток якоря, и подшипниковые щиты, дополнительно содержит полупроводниковый коммутатор, включающий биполярные транзисторы и резисторы между электродами эмиттера и базы, связанный с введенным устройством его управления, содержащим щетки, принимающим управляющий сигнал, щетку, подающую управляющий сигнал, а также закрепленные на валу и электрически изолированные от него два кольца, одно из которых выполнено сплошным из проводящего материала, а другое - с разрезами, делящими его на две части, при этом одна часть разрезного кольца выполнена из проводящего материала и электрически связана со сплошным кольцом устройства управления, а другая из изолирующего материала, причем каждая из щеток, принимающих управляющий сигнал, установлена с возможностью контакта с разрезным кольцом и соединена с управляющим электродом полупроводниковых элементов коммутатора, а щетка, подающая управляющий сигнал, установлена с возможностью контакта со сплошным кольцом устройства управления и электрически соединена с принимающими сигнал щетками в момент контакта проводящей части разрезного кольца с этими щетками, при этом контактное устройство выполнено в виде четырех сплошных проводящих колец, с одним из которых соединены начала обмоток якоря, а с каждым из оставшихся сплошных колец соединены концы соответствующих обмоток. Часть разрезного кольца из проводящего материала выполнена в виде сегмента, составляющего 120°, при этом число щеток, принимающих управляющий сигнал, равно шести, а углы между щетками составляют 60°. Машина постоянного тока дополнительно содержит переключатель, установленный с возможностью переключения положительного полюса питающей сети от полупроводникового коммутатора к началам обмоток посредством сплошного проводящего кольца контактного устройства и щетки для подачи и снятия тока с начала обмоток якоря.
В настоящее время существуют весьма мощные полупроводниковые устройства, способные коммутировать цепи с напряжением до 6,5 кВ, в то время как коллектор традиционных машин постоянного тока способен работать с напряжением только до 1,5 кВ. Следовательно, коллекторные машины постоянного тока больших мощностей вынуждены работать с большими значениями тока, что приводит к значительным потерям мощности и расходам проводящих и изолирующих материалов. Использование полупроводникового коммутатора позволяет увеличить значение напряжения питающей линии двигателей или напряжение на выводах генератора. Хотя исполнение обмотки якоря заявленной машины полностью соответствует прототипу, все же имеется отличие, заключающееся в том, что ток в обмотках якоря является переменным. Это дает возможность использования двух обмоток якоря практически одновременно и, следовательно, приводит к снижению пульсации электромагнитного момента. К тому же такое эффективное использование обмоток повышает КПД машины, поскольку подаваемый ток в любой момент времени течет не по одной обмотке, а по двум (меньше электрических потерь).
Замена коллектора, выполняющего функцию механического преобразователя, позволяет полностью исключить искрение, поскольку полупроводниковый коммутатор не вызывает абсолютно никакого искрения. Однако в заявленной машине присутствует устройство управления коммутатором, которое, как и коллектор, выполняет коммутацию механическим способом, но оно работает с очень низкими значениями тока и напряжения, подаваемых только на управляющие электроды полупроводниковых элементов.
В настоящее время разработаны электротехнические стали, которые в значительной мере снижают насыщение магнитопровода, а в традиционных машинах больших мощностей потери на гистерезис составляют более низкие значения относительно самих мощностей машин, чем в машинах малых и средних мощностей.
Улучшение регулировочных характеристик достигается тем, что полупроводниковые элементы способны изменять значение подаваемого ими сигнала при изменении угла отпирания их управляющего электрода.
Приведенная в изобретении мостовая схема позволяет использовать двигатель постоянного тока как в повторно-кратковременных режимах, так и в продолжительных. Повторно-кратковременный режим требует более гладкое нарастание момента при пуске и плавное его убывание при торможении. В таком режиме недопустимы пульсации момента и, следовательно, необходимо задействовать максимально возможное число обмоток для уменьшения межкоммутационного периода. Для продолжительного режима плавность необходимо обеспечить только при пуске. После разгона двигателя возможно увеличение межкоммутационного периода отключением трех транзисторов. В результате ток в обмотках якоря распределяется аналогично току в обмотках якоря прототипа: в каждой момент времени задействована лишь одна обмотка и ток в ней всегда положительный. Отключение трех транзисторов в продолжительном режиме приводит к устранению потерь на гистерезис.
Упрощение технологии изготовления заявляемой машины достигается за счет того, что сама технология изготовления обмоток якоря значительно проще, чем изготовление кольцевой обмотки якоря традиционных машин постоянного тока.
На фиг.1 изображена машина постоянного тока, вид сбоку, с разрезом верхней части; на фиг.2 - устройство управления полупроводниковым коммутатором, вид с боку; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.2; на фиг.4 - принципиальная электрическая схема машины постоянного тока; на фиг.5, 6, 7 - изменение направления тока в обмотках якоря, при их прохождении под полюсами обмоток возбуждения; на фиг.8 приведен график изменения момента машины постоянного тока в зависимости от угла поворота якоря; на фиг.9 - схема соединения транзистора с использованием независимого источника; на фиг.10 - схема соединения транзистора с использованием положительного полюса питающей сети.
Машина постоянного тока состоит из неподвижной и вращающейся частей (фиг.1). Неподвижная часть (статор) включает стальную станину 1, на которой крепятся полюса 2. На полюсах 2 размещаются катушки 3 обмоток возбуждения, схема соединения которых аналогична применяемым схемам в машинах постоянного тока традиционного исполнения. Вращающаяся часть машины состоит из закрепленных на валу 4 якоря 5 с обмоткой 6, контактного устройства 7 с тремя сплошными кольцами 8 и одним сплошным кольцом 9, разделенными изоляцией 10, устройства 11 управления полупроводниковым коммутатором 12, содержащим разрезное кольцо 13 с двумя разрезами и сплошное кольцо 14. Вал 4 якоря 5 расположен на подшипниковых щитах 15. Обмотка якоря 5 осуществляется путем намотки трех катушек по варианту простой петлевой обмотки. На корпусе машины также находится коробка 16 для размещения полупроводникового коммутатора 12.
Кольцо 14 устройства 11 управления полупроводниковым коммутатором 12 выполнено сплошным из проводящего материала, а другое кольцо 13 разделено на части 17 и 18, при этом часть 17 выполнена из проводящего материала, а часть 18 из изолирующего материала. Часть 17 из проводящего материала разрезного кольца 13 электрически связана со сплошным кольцом 14 с помощью перемычки 19. Оба кольца 13 и 14 изолированы от вала 4 и закреплены на нем с помощью изолятора 20. На фиг.3 также показано отверстие 21 для размещения вала.
I
II
iii
IV
V
VI
I
II
III
IV
V
VI
Принципиальная электрическая схема (фиг.4) включает полупроводниковый коммутатор 12, состоящий из шести транзисторов V, V, V, V, V и V n-p-n типов с резисторами R, R, R, R, R и R, соединенными между электродами эмиттера и базы, щетки 22 для подачи и снятия тока с концов а', b' и с' обмоток 6 (А, В и С) якоря 5 через сплошные кольца 8 контактного устройства 7, щетку 23 для подачи и снятия тока с начал a, b и с обмоток 6 (А, В и С) якоря 5 через сплошное кольцо 9 контактного устройства 7, устройство 11 управления полупроводниковым коммутатором 12, переключатель 24, предназначенный для переключения положительного полюса сети от коммутатора 12 к началам обмоток 6 посредством сплошного проводящего кольца 9 и щетки 23 для подачи и снятия тока с начала обмоток якоря. Устройство 11 управления полупроводниковым коммутатором 12, в свою очередь, состоит из шести щеток I, II, III, IV, V и VI, одной щетки VII и размещенных на валу 4 разрезного 13 и сплошного 14 колец. Щетка VII постоянно контактирует с поверхностью сплошного кольца 14 и подает управляющий сигнал на коммутатор 12 (варианты схем соединения щетки VII с управляющим электродом транзистора показаны на фиг 9 и 10), а щетки I, II, III, IV, V и VI при контакте с проводящей частью 17 разрезного кольца 13 принимают управляющий сигнал и передают его через провода (не показаны) на управляющий электрод полупроводникового элемента коммутатора 12.
Изменение направления тока в обмотках 6 якоря 5 при изменении его положения относительно полюсов 2, обусловленное работой коммутатора 12 совместно с устройством 11 его управления, приведено на фиг.5, 6, 7.
III
IV
Изменение графика момента машины в зависимости от угла поворота якоря 5 представлено на фиг.8, где при повороте якоря 5 и, соответственно, повороте проводящего сегмента 17 разрезного кольца 13, на каждые 60° (межкоммутационный период) открывается и закрывается один транзистор. При этом любой транзистор остается открытым в течение поворота якоря 5 на 120°. Следовательно, как показано на фиг.8, в каждый межкоммутационный период задействованы два транзистора, указанные в ячейках над графиком, и две обмотки. Например, открытому состоянию транзисторов V и Vсоответствует работа обмоток А и С.
IV
IV
CETЬ
огр
IV
сеть
IV
III
На фиг.5, приведенной выше, представлено положение якоря, при котором задействована щетка IV, подающая сигнал на управляющий электрод транзистора V. Схема соединения и принцип управления транзистором в этом случае рассматривается на фиг.9 и 10. Фигуры 9 и 10 отличаются тем, что на фиг.9 представлена схема соединения транзистора, где источником сигнала управления транзистором V является независимый источник питания с напряжением U, а на фиг.10 сигнал управления подается от питающей сети через ограничивающий резистор R, предназначенный для снижения потенциала питающей сети. Второй вариант схемы (фиг.10) не требует дополнительного источника питания, однако эту схему возможно использовать только для машин низкого напряжения. Это связано со сложностью получения управляющего сигнала с низким током от источника высокого напряжения. На фиг.9 и 10 рассматривается передача управляющего сигнала при контакте проводящей части 17 разрезного кольца 13 с щеткой IV. При этом управляющий сигнал открывает транзистор V и через обмотку А якоря 5 проходит ток питающей сети с напряжением u. После поворота якоря 5 и, следовательно, устройства 11 управления на 60° с момента контакта проводящей части 17 и щетки V проводящая часть 17 разрезного кольца 13 контактирует с щеткой III, открывая тем самым транзистор V (не показан).
I
II
III
IV
V
VI
III
IV
III
IV
III
IV
Работа машины постоянного тока осуществляется следующим образом. При прохождении проводящего сегмента 17 разрезного кольца 13 устройство 11 управления коммутатором 12 под одной щеткой, принимающей управляющий сигнал, открывается транзистор коммутатора 12, управляющий электрод которого связан с этой щеткой. Так как угол проводящего сегмента 17 разрезного кольца 13 составляет 120°, а углы расположения щеток, принимающих сигнал, составляют 60°, в межкоммутационный период задействованы два транзистора и, соответственно, по двум обмоткам, коммутируемым этими транзисторами, течет ток: в одну обмотку втекает, из другой вытекает. Через резисторы R, R, R, R, R и R, каждый из которых размещен между электродами эмиттера и базы соответствующего транзистора, на управляющий электрод (базы) подается запирающий сигнал. Например, при контакте проводящего сегмента 17 разрезного кольца 13 со щетками III и IV (фиг.5) открываются транзисторы V и V. Следовательно, ток втекает в обмотку С и вытекает с обмотки А. В двигательном режиме при прохождении этих обмоток под полюсами 2 на них действует сила, направление которой определяется правилом «левой руки», а в генераторном режиме - по правилу «правой руки». При снятии управляющего сигнала через резисторы R, R на электрод базы подается запирающий сигнал и транзисторы V и V закрываются. Принцип коммутации обмоток 6 якоря 5 в генераторном режиме осуществляется таким же способом, при этом коммутатор 12 выполняет функцию выпрямителя, то есть он выпрямляет переменный ток обмотки 6 якоря 5. Так как в обмотке 6 якоря 5 всегда протекает переменный ток, электромагнитные преобразования заявленной машины аналогичны традиционным машинам постоянного тока. При разомкнутой обмотке 6 якоря 5 (Iя=0) магнитное поле в машине создается только МДС обмотки 3 возбуждения, по которой протекает ток Iв. При вращении якоря 5 в его обмотке 6 индуктируется переменная ЭДС. Когда машина нагружена и работает в режиме двигателя или генератора (Iя≠0), магнитное поле в ней создается совместным действием МДС обмотки 3 возбуждения и МДС обмотки 6 якоря 5. При работе в режиме двигателя ЭДС, индуктированная в обмотке 6 якоря 5, меньше, чем напряжение сети, при этом постоянный ток сети с помощью коммутатора 12 преобразуется в переменный и подается к обмоткам 6 якоря 5, а электрическая энергия, поступающая из сети, преобразуется в механическую энергию, передаваемую через вал 4 сопряженному с ним механизму. При работе в генераторном режиме ЭДС больше, чем напряжение сети, ток якоря 5 при этом выпрямляется с помощью коммутатора 12 и подается в сеть, а механическая энергия, подводимая через вал 4 машины, преобразуется в электрическую энергию.
I
II
III
В данной машине схема коммутатора 12 выполнена с возможностью отключения транзисторов V, V, V с помощью переключателя 24. При значительном разгоне двигателя постоянного тока данный переключатель 24 позволяет получить распределение токов в обмотках 6 якоря 5 аналогично машине постоянного тока И.Скибитского и, следовательно, устранить потери на гистерезис. Это осуществляется переключением положительного полюса питающей сети от коммутатора 12 к началам обмоток 6 посредством сплошного проводящего кольца 9 и щетки 23 для подачи и снятия тока с начала обмоток якоря. В этом случае ток не проходит через первые три транзистора и межкоммутационный период обмоток составляет 120°.
Применение заявленной машины дает возможность использовать постоянный ток для линий электропередач, передающих электроэнергию на большие расстояния, что позволит сэкономить материал, используемый в проводах, так как требуется только два провода с меньшим эффективным сечением.