УНИВЕРСАЛЬНАЯ КОЛЛЕКТОРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
UNIVERSAL COMMUTATOR ELECTRICAL MACHINE

Предлагаемое изобретение относится к области техники электропривода в частности к коллекторным электродвигателям постоянного и переменного тока,
и может быть использовано повсеместно, где традиционно применяются коллекторные электрические машины, особенно эффективно применение во вспомогательных устройствах авиационной техники, в электрическом ручном инструменте и транспортных средствах, в том числе в качестве тягового двигателя.
Известен двигатель постоянного тока серии 2П ([1] стр.345). Основными конструктивными элементами прототипа являются: станина с закрепленными на ней главными и добавочными полюсами, вращающийся якорь с обмоткой и коллектором и щеточный аппарат. В машинах малой и средней мощности станина одновременно служит и корпусом, к которому крепятся лапы для установки машины, и частью магнитопровода. По ней замыкается магнитный поток главных и добавочных полюсов. В ряде машин станину выполняют шихтованной, к внутренней поверхности станины крепятся главные и добавочные полюсы, на главных полюсах располагаются обмотки возбуждения, их магнитодвижущие силы (МДС) создают рабочий поток машины, обмотки добавочных полюсов, расположенных по поперечным осям машины, служат для обеспечения нормальной коммутации. Магнитопровод якоря шихтуется из листов электротехнической стали вырубленных в виде звездообразной фигуры с отверстием в центре. В машинах малой мощности магнитопровод якоря насаживается непосредственно на вал со шпонкой и фиксируется в осевом направлении буртиком вала и кольцевой шпонкой, с торцов якоря, для предотвращения распушения листов во время работы установлены нажимные шайбы, совмещенные с обмоткодержателями. Обмотки якорей двухслойные петлевые или волновые выполняются путем вкладывания в пазы, образованные на наружной поверхности магнитопровода якоря за счет звездообразной формы образующих его листов. Выводные концы каждой секции обмотки впаиваются в прорези коллекторных пластин, щетки коллекторных машин устанавливаются в щеткодержатели, закрепленные на щеточных пальцах, число щеточных пальцев должно быть равно числу полюсов машины, щеточные пальцы укреплены на траверсе, которая допускает поворот на некоторый угол вокруг оси машины для регулирования положения щеток на коллекторе, при этом щетки занимают положение напротив середин пространства индуктора, заключенного между главными полюсами, т.е. установлены по поперечным осям машины. Это пространство должно быть достаточно большим по углу, с тем чтобы обе стороны коммутируемой секции находились вне зазора между главными полюсами и магнитопроводом якоря. Как правило, этот угол не менее трети полюсного деления индуктора.
Недостатком этого устройства является большая сложность конструкции, имеющая выражение в наличии у него обмоток возбуждения, компенсационных обмоток и добавочных полюсов с их обмотками. Необходимость размещения этих обмоток ведет к увеличению диаметра машины, длина машины увеличивается из-за необходимости размещения лобовых частей этих обмоток и обмоток якоря. В совокупности это ведет к недостаточно большой удельной мощности машины и увеличивает затраты электротехнических материалов.
Также общеизвестна микромашина переменного тока, применяемая в бытовой технике (электродрели, пылесосы, ручные электрические пилы). Она содержит якорь с установленным на нем коллектором, выполненный по классической схеме с вкладными петлевыми обмотками. Используется возбуждение от обмоток возбуждения, установленных на полюсах магнитопровода индуктора (индуктора). Кроме того, все элементы магнитопроводов выполняются шихтованными.
К недостаткам данного устройства-аналога относится высокое искрообразование на коллекторе машины переменного тока, а потому такие машины с мощностью выше 1 кВт практически не применяются. В то же время коллекторные машины лучше других машин переменного тока более высокой удельной мощности, что и вызывает стремление их применять хотя бы в маломощных бытовых приборах переменного тока, т.к. затраты материалов существенно меньше, чем у однофазных асинхронных машин. Трудности получения безыскровой коммутации на переменном токе объясняются прежде всего тем, что в коммутируемых секциях, кроме ЭДС вращения и реактивной ЭДС, наводится ЭДС трансформации вследствие пульсации потока полюсов с частотой тока в обмотке возбуждения. В отличие от двух первых, ЭДС трансформации не зависит от частоты вращения и не может быть скомпенсирована совместно с ними ([2], стр.123-124).
В качестве прототипа выбрана Универсальная коллекторная электрическая машина [3], содержащая корпус с укрепленным в нем магнитопроводом индуктора, который может выполняться шихтованным, траверсу с щеточными пальцами по числу полюсов индуктора, допускающую поворот на некоторый угол для регулировки, и якорь с коллектором, укрепленный с возможностью вращения между полюсами магнитопровода индуктора, отличающаяся тем, что, с целью упрощения конструкции коллекторного электродвигателя, повышения удельной мощности машины, снижения искрообразования на коллекторе особенно в режиме питания переменным напряжением и уменьшения затрат электротехнических материалов на производство машины, траверса индуктора установлена так, что щетки имеют контакт с теми пластинами коллектора, которые соединены с секциями (витками) обмотки якоря, стороны которых находятся в области границ воздушного зазора полюсов и данного якоря вдоль его окружности, причем обмотки или постоянные магниты возбуждения не установлены, а индуктор представляет собой ярмо из магнитомягкого материала с малыми, по отношению к диаметру якоря, и большими, по отношению к длине воздушного зазора, полюсными выступами.
Устройство-прототип имеет сниженное искрообразование за счет отсутствия потока от обмотки возбуждения и механизм искрообразования, описанный в ([2], стр.123-124), отсутствует, но данное устройство имеет и недостатки.
К недостаткам этого устройства-прототипа относится наличие кроме полезного действия реакции якоря, обеспечивающего возбуждение машины, еще и вредное, которое создается теми стержнями обмотки якоря, которые находятся непосредственно под полюсами индуктора. Намагничивающее действие этих стержней создает поток, охватывающий эти стержни и замыкающийся через края полюсных выступов индуктора. Этот поток складывается и вычитается с потоком возбуждения у противоположных краев полюсного выступа индуктора, что создает неравномерность потока в стали вдоль окружности полюса индуктора и ограничивает полезный поток машины неравномерным насыщением стали полюсных выступов индуктора. Описанный в [3] принцип работы при этом искажается. Это приводит к снижению вращающего момента.
Задачей изобретения является повышение равномерности распределения потока вдоль окружности полюсов индуктора с целью увеличения мощности машины.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в Универсальной коллекторной электрической машине, содержащей безобмоточный индуктор в виде ярма из магнитомягкого материала с малыми, по отношению к диаметру якоря, и большими, по отношению к длине воздушного зазора, полюсными выступами, щетки на траверсе которого сдвинуты с нейтрали машины к границам полюсных выступов индуктора,
предусмотрено следующее отличие: индуктор вдоль окружности состоит из отдельных частей, образованных делением полюсных выступов воздушными зазорами в области середин. Вследствие симметрии деления полюсного выступа на части, указанный воздушный зазор никак не влияет на полезную, возбуждающую машину компоненту реакции якоря, а для вредного намагничивания полюсного выступа стержнями обмотки якоря, находящимися непосредственно под полюсом, создает значительное магнитное сопротивление, уменьшающее вредную составляющую потока реакции якоря.
Кроме того, предложенная машина отличается тем, что, вырубка пластин электротехнической стали для сборки индуктора может состоять из соответствующих частей, соединенных узкими перемычками - мостиками насыщения, для упрощения сборки набора индуктора. Данные перемычки насыщаются упомянутой вредной составляющей потока реакции якоря уже при малой его величине и шунтирующее влияние их незначительно.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно:
за счет разделения ярма индуктора на части в области середин полюсных выступов (по окружности), образуется воздушный зазор, создающий значительное магнитное сопротивление вредной составляющей потока реакции якоря вдоль тела полюсного выступа. Благодаря этому значительно повышается равномерность потока возбуждения под полюсными выступами вдоль их окружности, а следовательно, появляется возможность нагрузить машину большим рабочим током и повысить мощность. При выполнении длины такого зазора с размером порядка зазора между якорем и полюсными выступами, вредное действие реакции якоря уменьшается порядка в 2 раза.
Изобретение позволяет увеличить мощность на валу машины.
Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежом, на котором:
Фиг.1 - Схематическое изображение машины классической компоновки с направлением токов в секциях обмотки и стержнях якоря. Показаны нижние лобовые стороны секций обмотки и направления токов при показанной полярности питания машины.
Цифрами обозначены:
1 - индуктор;
2 - ярмо индуктора;
3 - полюсный выступ;
4 - дополнительный воздушный зазор;
5 - мостик насыщения;
6 - рабочий воздушный зазор машины;
7 - якорь;
8 - пазы якоря;
9 - стержни обмотки якоря;
10 - нижние лобовые части обмотки якоря;
11 - выводы секций обмотки якоря;
12 - ламели коллектора;
13 - щетки с произвольно выбранной полярностью подключения;
14 - стрелки направления токов;
15 - область индуктора между полюсных выступов;
Фиг.2 - Схематическое изображение машины с указанием направлений токов в стержнях обмотки и создаваемых ими магнитных потоков.
Цифрами обозначены:
16 - силовые линии потока возбуждения машины;
17 - силовые линии вредной компоненты потока реакции якоря.
Предложенная «Универсальная коллекторная машина» состоит из индуктора 1 с магнитным ярмом 2 и полюсными выступами 3, которые разделены посередине окружной длины воздушным зазором 4, замкнутым мостиком насыщения 5, объединяющим разделенный на части лист набора индуктора в единое целое. Полюсные выступы отделены воздушным зазором 6 от якоря 7 с пазами 8 под обмотку, которая показана сечениями стержней обмотки 9 в пазах 8, нижними по рисунку лобовыми частями 10 секций обмотки и выводами 11 секций обмотки, соединенными электрически с ламелями коллектора 12 машины, который условно показан на внешней поверхности якоря 7. Направления тока в секциях обмотки, при полярности напряжения питания на щетках 13, показаны стрелками 14. Корпус, подшипниковые узлы и детали крепления не имеют принципиального отношения к принципу работы машины и не показаны на рисунках.
Описанная выше универсальная коллекторная машина работает следующим образом.
Сумма токов стержней 9 обмотки в пазах 8 якоря 7, выходящих к тем областям индуктора 1, которые находятся в промежутках 15 между полюсными выступами 3, создает рабочий поток возбуждения машины, замыкающийся через якорь и индуктор, как показано на Фиг.2, силовыми линиями этого потока 16. На стержни секций обмотки, расположенные под полюсными выступами 3 действует сила Ампера в направлении, определяемом по «правилу левой руки». Эти силы под разными полюсными выступами образуют пару сил, приводящую якорь 7 или индуктор 1, при обращении машины, во вращение. Объяснение возникновения вращающего момента физическим механизмом, сходным с механизмом работы синхронно-реактивного двигателя, несостоятельно. Это ясно из того, что увеличение потока через отдельные секции обмотки требует вращения якоря в противоположных направлениях и постоянному вращению служить не может. Таким образом, механизм вращения может быть объяснен только действием силы Ампера. Указанный механизм образования силы вращения ни чем не отличается от действующего в машине-прототипе [3].
На Фиг.2 показаны полюсные выступы индуктора: сверху - выполненные, как в прототипе, снизу - в соответствии с данным предложением. Вредная компонента потока от намагничивания полюсных выступов током стержней обмотки, находящихся непосредственно под полюсными выступами, показана на Фиг.2 силовыми линиями 17. Вредной эта компонента является только потому, что, суммируясь с потоком возбуждения в правой части полюсного выступа приводит к насыщению стали магнитопровода и не позволяет достичь той величины тока машины, которая возможна без этого явления. На самом деле этот механизм суммирования и вычитания потоков у разных (вдоль окружности якоря) сторон стержня обмотки в рабочем зазоре и есть механизм, обеспечивающий вращение. Различие потоков в левой и правой частях полюсного выступа велико для верхнего полюсного выступа и уменьшается для нижнего выступа тем, что полюсный выступ внизу разделен пополам воздушным зазором 4. Наличие воздушного зазора 4 препятствует образованию значительного вредного потока. Длина этого зазора, исходя из геометрии машины, может быть больше длины рабочего воздушного зазора 6. В основном образуются частные потоки 18 вокруг одиночных стержней обмотки, которые и являются источником силы Ампера, приводящей якорь во вращение. Эти потоки, существующие по отдельности, не вызывают такой неравномерности поля в рабочем зазоре машины, как в случае суммарного потока нескольких стержней у прототипа. Благодаря повышению равномерности распределения потока в рабочем воздушном зазоре создается возможность увеличить рабочий ток машины и тем увеличить ее мощность.
Использованная литература
1. Справочник по элекрическим машинам. Под ред. Копылова И.П. Том 1. М.: Энергоатомиздат, 1988
2. Астахов Н.В. и др. Испытание электрических микромашин. Уч. пособие для ВТУЗов. М: Высшая школа, 1973.
3. Шацкий Н.М. ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ к патенту Российской Федерации.
(19) RU (11) 2024165 (13) С1; (51) 5 H02K 23/20; (21)4879883/07;
(22) 02.11.90
(46) 30.11.94 Бюл. №22