КОЛЛЕКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПОЛЮСНЫМ ЯКОРЕМ
COLLECTOR ELECTRIC MOTOR WITH POLE ANCHOR

Изобретение относится к области электротехники, касается конструктивного исполнения однофазных коллекторных электрических двигателей переменного тока и универсальных коллекторных двигателей и может быть использовано в устройствах автоматики, в качестве электрических двигателей в бытовой технике и в качестве силовых тяговых электрических двигателей.
Известна конструкция электрической машины Жерара с полюсным якорем (Машины постоянного тока. Том 1. Э.Арнольд, проф. и И.Л.Ла-Кур. Государственное техническое издательство. Москва - 1931. Стр.22÷23), имеющая индуктор с четырьмя полюсами, якорь с четырьмя полюсами, на каждом из которых расположена своя катушка обмотки, четыре коллекторные пластины, соединенные попарно через одну, и две щетки, расположенные между полюсами индуктора и под углом 90° относительно друг друга, катушки обмотки якоря соединены между собой встречно-согласно, а начало первой и конец четвертой катушек подсоединены к двум соответствующим пластинам, расположенным по оси полюсов якоря. Недостатком таких электрических машин является большая пульсация момента при работе в качестве электрического двигателя и большая пульсация выходного напряжения при работе в качестве электрического генератора из-за одинакового числа полюсов индуктора и якоря, низкие энергетические показатели, а из-за того, что обмотка якоря является открытой, неизбежно искрообразование при коммутации вследствие большой самоиндукции катушек.
Известна конструкция коллекторной электрической машины с замкнутой барабанной обмоткой якоря (Г.Н. Петров. Электрические машины. В 3-х ч. Часть 3. Коллекторные машины постоянного и переменного тока. Изд. 2-е, переработ. и доп. М., «Энергия», 1968. Стр.8÷29, 35), состоящая из статора и ротора. На валу ротора машины укрепляется якорь из листовой стали. На внешней поверхности якоря проштамповываются пазы, в которые укладывается обмотка, соединенная с коллектором. Статор машины состоит из массивной стальной или чугунной станины, на которой укреплены главные магнитные полюса и между ними дополнительные (коммутационные) полюса, служащие для уменьшения искрения щеток на коллекторе. Сердечники главных и дополнительных полюсов выполняются или массивными или чаще набираются из стальных листов, стянутых в осевом направлении шпильками. Сердечники главных полюсов со стороны ротора заканчиваются полюсными наконечниками. На сердечниках главных полюсов размещается обмотка возбуждения, которая в зависимости от способа возбуждения машины включается или параллельно, или последовательно с цепью якоря или питается от независимого источника тока. Щетки устанавливаются на коллекторе с помощью щеточных болтов, укрепленных на траверсе. На щеточных болтах размещаются щеткодержатели, с помощью которых щетки удерживаются в требуемом положении и прижимаются к коллектору. Обмотка якоря таких машин постоянного тока является всегда замкнутой и состоит из последовательно соединенных секций, каждая из которых присоединена к соответствующей коллекторной пластине. Секция состоит из одного или нескольких витков. Одна или несколько секций, имеющих общую изоляцию, образуют катушку обмотки, которая уложена в пазы и охватывает несколько зубцов якоря. Общее число коллекторных пластин равно общему числу секций обмотки. В зависимости от способа присоединения секций к коллекторным пластинам якорные обмотки подразделены на простые параллельные обмотки, простые последовательные обмотки, сложные или многоходовые параллельные обмотки, сложные или многоходовые последовательные обмотки, комбинированные сложные обмотки или сложные или многоходовые параллельно-последовательные обмотки. В соответствии с внешним очертанием контуров, образуемых последовательно соединяемыми витками обмотки, параллельные барабанные обмотки названы петлевыми, последовательные - волновыми, комбинированные сложные - «лягушачьими». Основная характеристика простых последовательных обмоток: 2·а=2, где а - число параллельных цепей (ветвей) в обмотке якоря. Недостатком описанных электрических машин является конструктивная сложность сердечника якоря, так как он выполняется с большим числом пазов, и обмотки якоря, которая выполняется распределенными по поверхности якоря катушками, охватывающими несколько зубцов якоря и перекрещивающимися между собой в лобовых частях, что снижает надежность этих обмоток. Кроме этого, коллекторные электрические машины средней и большой мощности выполняются с дополнительными полюсами и обмоткой на них, что также усложняет их конструкцию.
Известен универсальный коллекторный двигатель (Брускин Д.Э. и др. Электрические машины и микромашины. Учебник для вузов / Д.Э.Брускин, А.Е.Зорохович, B.C.Хвостов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1981. Стр.410-415.), широко применяемый в устройствах автоматики и различных электробытовых приборах. Универсальные коллекторные двигатели выполняются мощностью от нескольких ватт до нескольких сотен ватт и могут работать от источников как постоянного тока, так и однофазного переменного тока. Рассматриваемый двигатель устроен принципиально так же, как и двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением. Однако универсальный коллекторный двигатель имеет существенные особенности: его магнитная система выполнена полностью шихтованной, поскольку при работе на переменном токе статор и ротор пронизываются переменным магнитным потоком; катушки обмотки возбуждения имеют две секции и промежуточные выводы, так как при работе на переменном токе номинальная частота вращения оказывается меньшей (из-за падения напряжения в индуктивном сопротивлении двигателя), чем при работе на постоянном токе. Для выравнивания частот вращения при работе на постоянном токе в цепь якоря включают все витки обмотки возбуждения, а при работе на переменном токе - только часть их, вследствие чего уменьшается магнитный поток машины. В универсальных коллекторных двигателях, выпускаемых отечественной промышленностью, обмотку возбуждения разделяют на две части и включают с обеих сторон якоря. Такое включение (симметрирование обмотки) позволяет уменьшить радиопомехи, создаваемые двигателем. Недостатком описанных электрических двигателей является конструктивная сложность сердечника якоря, так как он выполняется с большим числом пазов, и обмотки якоря, которая выполняется распределенными по поверхности якоря катушками, охватывающими несколько зубцов якоря и перекрещивающимися между собой в лобовых частях, что снижает надежность этих обмоток.
Известен принятый за прототип однофазный коллекторный двигатель с последовательным электрическим соединением обмоток статора и ротора (Г.Н.Петров. Электрические машины. В 3-х ч. Часть 3. Коллекторные машины постоянного и переменного тока. Изд. 2-е, переработ. и доп. М., «Энергия», 1968. Стр.194÷212), имеющий конструкцию, близкую к конструкции двигателей постоянного тока последовательного возбуждения. Статор целиком набирается из листовой электротехнической стали и обычно имеет неявнополюсную систему с дополнительными (коммутационными) полюсами. На главных полюсах размещается обмотка возбуждения, в пазах полюсов - компенсационная обмотка. Ротор имеет двухслойную обмотку, обычно петлевую с диаметральным шагом, выведенную на коллектор. Недостатком прототипа является конструктивная сложность сердечника якоря, так как он выполняется с большим числом пазов, и обмотки якоря, которая выполняется распределенными по поверхности якоря катушками, охватывающими несколько зубцов якоря и перекрещивающимися между собой в лобовых частях, что снижает надежность этих обмоток. Кроме этого, однофазные коллекторные двигатели средней и большой мощности выполняются с дополнительными полюсами и обмоткой на них, что также усложняет их конструкцию.
Целью настоящего изобретения является создание новой, более простой, надежной и технологичной конструкции коллекторного электрического двигателя за счет выполнения якоря полюсным.
Задачей настоящего изобретения является оптимальный выбор числа полюсов индуктора и полюсов якоря при выполнении замкнутой барабанной простой последовательной (волновой) катушечной обмотки якоря, оптимальный выбор полюсной дуги полюса индуктора и полюса якоря, ширины коммутационной зоны и числа коллекторных пластин коллекторного электрического двигателя с полюсным якорем.
Техническим результатом настоящего изобретения является получение новых конструкций однофазных коллекторных электрических двигателей переменного тока и универсальных коллекторных двигателей с полюсным якорем с высокими энергетическими показателями и хорошей коммутацией, с возможностью глубокого и плавного регулирования выходных параметров двигателей.
Поставленная задача достигается тем, что коллекторный электрический двигатель с полюсным якорем содержит корпус, сердечник индуктора с явно выраженными полюсами, набранный из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, катушечную обмотку возбуждения индуктора, расположенную на полюсах индуктора, подшипниковые щиты с подшипниками, вал, коллектор, механизм щеточно-контактного узла со щетками и полюсный якорь с замкнутой барабанной простой последовательной катушечной обмоткой якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря, а начала и концы катушек соединены между собой определенным образом и подключены к соответствующим коллекторным пластинам коллектора, образуя замкнутую электрическую цепь с двумя параллельными ветвями независимо от числа полюсов индуктора, а сама обмотка якоря соединена с обмоткой возбуждения индуктора последовательно. Индуктор может иметь и неявнополюсную систему. Явно выраженные полюса индуктора выполняются всегда четными, начиная с четырех, и при протекании по обмотке возбуждения индуктора переменного или постоянного тока образуют в воздушном зазоре в радиальном направлении «северные» магнитные полюса «М>и «южные» магнитные полюса «S» индуктора с чередующейся магнитной полярностью. Полюса индуктора могут иметь пазы в аксиальном направлении с уложенной в них компенсационной обмоткой, которая соединяется с обмоткой якоря последовательно. Сердечник полюсного якоря выполнен из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и с явно выраженными полюсами, число которых незначительно отличается от числа полюсов индуктора. Следует отметить, что при увеличении числа явно выраженных полюсов якоря при прочих равных условиях коммутация двигателя улучшается за счет увеличения углового пространства, ограничивающего ширину коммутационной зоны, но при этом непропорционально уменьшается вращающий момент и увеличивается частота вращения ротора, что несколько снижает энергетические и удельные показатели двигателя.
В настоящем изобретении индуктор является статором, а якорь - ротором, обмотка якоря соединена с обмоткой возбуждения индуктора последовательно и питается электрическим током через щеточно-контактный узел. Возможны конструктивные исполнения коллекторного электрического двигателя с полюсным якорем, питающегося от источника однофазного переменного напряжения, а также в качестве универсального коллекторного двигателя, который может питаться как от источника однофазного переменного напряжения, так и от источника постоянного напряжения, с внешним индуктором и внутренним якорем, с внутренним индуктором и внешним якорем, а также с индуктором и якорем, вращающимися относительно друг друга и относительно стационарного вала.
P
Я
В соответствии с настоящим изобретением для создания замкнутой барабанной простой последовательной катушечной обмотки якоря и получения наилучших энергетических показателей с хорошей коммутацией коллекторного электрического двигателя с полюсным якорем число полюсов индуктора Z и число явно выраженных полюсов якоря Z связаны между собой и определяются равенствами (1) и (2) соответственно при выполнении условия (3):
где р=2, 3, 4, 5, … - число пар явно выраженных полюсов индуктора, начиная с двух, R - целое положительное число, i=1, 2, 3, … - целое положительное число.
P
P
Ширина полюсной дуги bz явно выраженного полюса индуктора связана с полюсным делением tz явно выраженных полюсов индуктора и определяется выражением:
P
P
P
P
P
где tz=360°/Z и bz измеряются в геометрических градусах. Следует отметить, что для лучшего использования полезного объема и получения более высоких энергетических показателей с хорошей коммутацией коллекторной электрической машины постоянного тока с полюсным якорем желательно выбирать bz близкой к tz.
Я
Р
Ширина полюсной дуги bz явно выраженного полюса якоря связана с полюсным делением tzявно выраженных полюсов якоря и определяется выражением:
Я
Я
Я
где 0,7≤k<1, a tz=360°/Z и bz измеряются в геометрических градусах. Коммутация катушки обмотки якоря должна проходить в тот промежуток времени, когда явно выраженный полюс якоря, на котором расположена коммутируемая катушка, находится под явно выраженным полюсом индуктора, не выступая за его пределы в тангенциальном направлении при угловом измерении.
Ширина коммутационной зоны в угловом измерении для получения хорошей коммутации не должна превышать разности между шириной полюсной дуги полюса индуктора и шириной полюсной дуги полюса якоря и определяется выражением:
КП
Коллекторные пластины выполнены одинаковой ширины. Общее число коллекторных пластин n коллектора определяется равенством:
где с=2, 3, 4, … - целое положительное число, начиная с двух. Число коллекторных пластин, к которым подключены начала и концы катушек обмотки якоря, равно числу явно выраженных полюсов якоря. Щетки выполнены одинаковой ширины. Число щеток пропорционально числу явно выраженных полюсов индуктора.
Ширина коллекторной пластины и ширина щетки выбираются таким образом, чтобы выполнялось условие (6).
Я
P
Полюсный якорь выполнен с замкнутой барабанной простой последовательной катушечной обмоткой якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря, причем конец катушки, расположенной на предыдущем явно выраженном полюсе якоря, соединен с началом катушки, расположенной на последующем явно выраженном полюсе якоря, отстоящем от предыдущего полюса на число полюсов якоря, равное Z-Z, и подключен к ближайшей соответствующей коллекторной пластине коллектора, равноудаленной от этих полюсов якоря, и т.д., при таком соединении образуется замкнутая электрическая цепь с двумя параллельными ветвями независимо от числа полюсов индуктора.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показан общий вид коллекторного электрического двигателя с полюсным якорем. На фиг.2 и фиг.4 показаны примеры реализации изобретения в виде поперечных сечений коллекторного электрического двигателя с полюсным якорем. На фиг.3 приведена схема соединений катушек обмотки якоря с коллекторными пластинами коллектора, причем с целью наглядности полюса якоря с обмоткой якоря и коллекторными пластинами показаны в развернутом виде в радиальном направлении, а сердечник индуктора с полюсами и обмоткой возбуждения индуктора и щетки показаны в развернутом виде в аксиальном направлении. Явно выраженные полюса якоря на фигурах обозначены буквой и цифрой, например Я2. Цифра 2 обозначает номер явно выраженного полюса, а буква Я - принадлежность полюса к якорю. Положение якоря относительно индуктора на фиг.2, фиг.3 и фиг.4 показано в один и тот же момент времени.
Я
P
Рассмотрим конструкцию коллекторного электрического двигателя с полюсным якорем (фиг.1, фиг.2, фиг.4). Двигатель содержит следующие основные части: корпус 1, сердечник 2 индуктора с явно выраженными полюсами 3 индуктора, катушечную обмотку возбуждения индуктора, сердечник 5 якоря с явно выраженными полюсами 6 якоря, катушечную обмотку якоря, металлический вал 8, коллектор 9, щеточно-контактный узел, подшипники 12, подшипниковые щиты 13. Корпус 1 может быть выполнен из стали или сплавов алюминия. Сердечник 2 индуктора с явно выраженными полюсами 3 выполняется шихтованным из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью пакетом, который запрессовывается в корпус 1. Для двигателей небольшой мощности возможен вариант исполнения двигателей без корпуса. При этом изолированные листы электротехнической стали с внешней стороны шихтованного пакета индуктора скрепляются между собой в аксиальном направлении при помощи скоб или сваркой. Для машин средней и большой мощности и для машин, работающих при резко переменной нагрузке, с целью выравнивания магнитного потока в рабочем воздушном зазоре и, тем самым, улучшения коммутации, явно выраженные полюса 3 индуктора могут иметь пазы 14, выполненные в аксиальном направлении (фиг.4), с уложенной в них компенсационной обмоткой (не показана), подключенной через щеточно-контактный узел последовательно с катушечной обмоткой якоря. Якорь двигателя при помощи подшипников 12 и подшипниковых щитов 13 позиционирован относительно индуктора. На металлическом валу 8 насажены сердечник 5 якоря и коллектор 9. С целью уменьшения потерь на гистерезис и «вихревые» токи перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 5 якоря выполнен шихтованным пакетом из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью. Сердечник 5 якоря имеет явно выраженные полюса 6 (фиг.2-4), на каждом из которых расположена соответствующая катушка 7 замкнутой барабанной простой последовательной катушечной обмотки якоря по одной на каждом полюсе. Каждая катушка 7 обмотки якоря выполнена из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины и состоит из одного или нескольких витков. Коллектор 9 имеет медные коллекторные пластины 10, электрически изолированные друг от друга и от вала 8. Концы и начала катушек 7 обмотки якоря соединены между собой и с коллекторными пластинами 10 таким образом (фиг.3), что конец катушки, расположенной на предыдущем явно выраженном полюсе якоря, например Я2, соединен с началом катушки, расположенной на последующем явно выраженном полюсе якоря, например Я4, отстоящем от предыдущего полюса на число полюсов якоря, равное Z-Z, и подключен к ближайшей соответствующей коллекторной пластине 10 коллектора 9, равноудаленной от этих полюсов якоря, и т.д., образуя замкнутую электрическую цепь с двумя параллельными ветвями независимо от числа явно выраженных полюсов 3 индуктора.
Механизм щеточно-контактного узла чаще всего крепится к подшипниковому щиту 13 со стороны коллектора 9 и может иметь возможность перемещения щеток 11 по коллекторным пластинам 10 в тангенциальном направлении для установки щеток 11 в зоне с наилучшей коммутацией. Щетки 11 установлены по оси явно выраженных полюсов 3 индуктора (если смотреть в аксиальном направлении) или близко к ней. Количество щеточных болтов траверсы, на которых крепятся щеткодержатели со щетками 11, равно количеству явно выраженных полюсов 3 индуктора машины. На щеточном болте может располагаться несколько щеток 11, но при этом их число на каждом щеточном болте должно быть одинаковым. Выводные концы А1 и А2 (фиг.3) необходимы для соединения равнопотенциальных щеток между собой и включения через механизм щеточно-контактного узла обмотки якоря в электрическую цепь. Катушечная обмотка возбуждения индуктора состоит из катушек 4, расположенных на соответствующих явно выраженных полюсах 3 индуктора по одной катушке на каждом полюсе. Каждая катушка 4 обмотки возбуждения индуктора выполнена из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины. Катушки 4 соединяются между собой последовательно (с целью снижения напряжения на коммутируемой катушке обмотки якоря и, тем самым, улучшения коммутации), но всегда таким образом, чтобы при протекании по ним переменного или постоянного электрического тока явно выраженные полюса 2 индуктора образовывали в воздушном зазоре в радиальном направлении «северные» магнитные полюса «N» и «южные» магнитные полюса «S» индуктора с чередующейся магнитной полярностью. При этом обмотка возбуждения индуктора подключена по отношению к обмотке якоря последовательно.
В случае выполнения коллекторного электрического двигателя с полюсным якорем в качестве универсального коллекторного двигателя с полюсным якорем обмотка возбуждения индуктора по отношению к обмотке якоря включается также последовательно и состоит из катушек 4, расположенных на соответствующих явно выраженных полюсах 3 индуктора. Катушки 4 имеют промежуточные выводы, так как при работе на переменном токе номинальная частота вращения оказывается меньшей (из-за падения напряжения в индуктивном сопротивлении двигателя), чем при работе на постоянном токе. Для выравнивания частот вращения при питании двигателя от источника постоянного напряжения в цепь якоря включают все витки обмотки возбуждения, а при питании двигателя от источника переменного напряжения - только часть их. С целью уменьшения радиопомех, создаваемых двигателем, обмотка возбуждения может быть разделена на две части и включена последовательно с обмоткой якоря с обеих сторон якоря.
Рассмотрим работу коллекторного электрического двигателя с полюсным якорем при питании его от источника переменного напряжения (фиг.2÷4). На двигатель от источника переменного напряжения подают питание. Под действием переменного напряжения по катушкам обмотки возбуждения и по катушкам обмотки якоря будет протекать переменный электрический ток, который будет намагничивать явно выраженные полюса 3 индуктора и явно выраженные полюса 6 якоря. В воздушном зазоре в радиальном направлении образуются «северные» магнитные полюса «N» и «южные» магнитные полюса «S» индуктора с чередующейся магнитной полярностью, которые меняют свою полюсность с изменением полярности электрического тока. Так как обмотка возбуждения соединена последовательно с обмоткой якоря, одновременно с полюсами индуктора в воздушном зазоре в радиальном направлении образуются «северные» магнитные полюса «N» и «южные» магнитные полюса «S» якоря, которые также меняют свою полюсность с изменением полярности электрического тока. «Северные» магнитные полюса «N» якоря стремятся вытолкнуться из-под «северных» магнитных полюсов «N» индуктора и втянуться под «южные» магнитные полюса «S» индуктора, а «южные» магнитные полюса «S» якоря, в свою очередь, стремятся вытолкнуться из-под «южных» магнитных полюсов «S» индуктора и втянуться под «северные» магнитные полюса «N» индуктора, создавая тем самым вращающий момент, действующий на статор и якорь электрического двигателя. При изменении полярности тока одновременно с этим изменяется полюсность как явно выраженных полюсов индуктора, так и полюсность явно выраженных полюсов якоря. Поэтому вращающий момент не изменяет своего направления. На фиг.3 стрелками показаны направления токов, протекающих по катушкам обмотки якоря, в тот момент времени, когда при положительной полуволне синусоидального переменного напряжения электрический ток втекает через выводной конец А1, а вытекает через выводной конец А2. В катушках 7 обмотки якоря, подключенных в определенный момент времени к однополярным щеткам, происходит коммутация. На фиг.3 коммутация происходит в катушке 7, расположенной на явно выраженном полюсе якоря Я2. При перемещении ротора на один явно выраженный полюс якоря картина повторяется. Направление вращающего момента, действующего на якорь при стационарном состоянии индуктора, показано на фиг.3 стрелкой с буквой М.
Коллекторный электрический двигатель с полюсным якорем может питаться от однофазной сети переменного тока промышленной частоты, от источников постоянного напряжения и от преобразователей частоты. В последнем случае датчика положения ротора не требуется, так как его роль и роль силового коммутатора выполняют коллектор со щетками. Глубокое и плавное регулирование выходных параметров коллекторного электрического двигателя с полюсным якорем осуществляется либо путем изменения величины питающего напряжения, либо путем изменения частоты питающего переменного напряжения, либо одновременным изменением и величины, и частоты питающего переменного напряжения.
Изменение направления вращения электрического двигателя (реверс) осуществляется путем перемены проводов, подключаемых к выводным концам А1 и А2, местами.