ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ РЕАКТИВНЫЙ С МЕХАНИЧЕСКИМ КОММУТАТОРОМ
REACTIVE ELECTRIC MOTOR WITH MECHANICAL SWITCHING DEVICE

Изобретение относится к электрическим двигателям и предназначено для приведения в движение машин и механизмов, например привода железнодорожного стрелочного перевода.
Известен вентильно-индукторный двигатель, в англоязычной литературе именуемый как switched reluctance motors (SRM), имеющий аналогичный принцип действия и конструктивные элементы активной части: безобмоточный ротор, коммутатор переключения обмоток статора и датчик положения ротора. Количество фаз SRM определяется конструктивным исполнением магнитопроводов статора и ротора (см. монографию Miller T.J.E. Switched Reluctance Motors and their Control. - Magna Physics Publishing and Clarendon Oxford Press, 1993. - 203 p.).
Однако данному двигателю для обеспечения своей работоспособности требуется полупроводниковый электронный коммутатор, который по стоимости соизмерим с электрической машиной и в ряде случаев не обеспечивает высокую надежность работы, например в широком диапазоне изменения температуры. Это значительно ограничивает его возможности.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является электродвигатель, обмотки которого переключаются механическим коммутатором (см. патент Всемирной Организации Интеллектуальной Собственности (ВОИС) № WO 0150578, МПК H01R 39/08; Н02К 19/10; Н02К 25/00; H01R 39/00; Н02К 19/02; Н02К 25/00, опубл. 12.07.2001 г.). Указанный электродвигатель содержит статор с зубчатым магнитопроводом с обмоткой, фазы которой соединены с питающей сетью через диоды, ротор с зубчатым магнитопроводом без обмотки (реактивный) и механический коммутатор с кодовым устройством ротора и щеткодержателем статора.
Недостатком известного двигателя является то, что механический коммутатор имеет сложную конструкцию кодового устройства и большое количество в щеткодержателе скользящих контактов, равное шести. Это снижает надежность работы и повышает стоимость двигателя.
Задачей настоящего изобретения является создание конструкции двигателя с повышенной надежностью работы.
Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является упрощение в целом конструкции механического коммутатора за счет упрощения кодового устройства и уменьшения количества скользящих контактов.
p
Указанный технический результат достигается тем, что в электродвигателе реактивном с механическим коммутатором, содержащем статор с зубчатым магнитопроводом с обмоткой, фазы которой соединены с питающей сетью через диоды, ротор с зубчатым магнитопроводом без обмотки (реактивный) и механический коммутатор с кодовым устройством ротора и щеткодержателем статора, согласно изобретению кодовое устройство выполнено виде двух коллекторов с одинаковым количеством пластин, равным 2NZ, где
N - число фаз обмотки;
p
Z - число зубцов ротора,
причем пластины с четным порядковым номером каждого коллектора соединены с одним из сетевых проводов, пластины с нечетным порядковым номером одного коллектора присоединены к началу n-й фазы, а пластины с нечетным порядковым номером второго коллектора - к концу n-й фазы, коллекторы изолированы от статора и жестко закреплены на нем по отношению к зубцам магнитопровода статора, щеткодержатель закреплен на роторе и имеет по одному скользящему контакту на каждый коллектор.
Целесообразно, чтобы электродвигатель был снабжен электронным коммутатором, у которого датчиком положения ротора является скользящий контакт механического коммутатора.
p
p
Выполнение кодового устройства в виде двух коллекторов с одинаковым количеством пластин К=2NZ (где N - число фаз обмотки; Z - число зубцов ротора) и соединение определенным образом пластин каждого коллектора, в частности, с одним из сетевых проводов или с началом или концом n-й фазы упрощает конструкцию механического коммутатора. Выполнение коллектора изолированным от статора и закрепленным на нем в определенном положении по отношению к зубцам его магнитопровода, а также щеткодержателя, закрепленного на роторе и имеющего по одному скользящему контакту на каждый коллектор, то есть фактически выполнение ротора с одним скользящим контактом на каждый коллектор, уменьшает общее количество скользящих контактов, что повышает устойчивость и надежность работы электродвигателя.
p
Изобретение иллюстрируется чертежом, где представлен пример выполнения электрической схемы электродвигателя реактивного с механическим коммутатором при числе фаз обмотки N=3 и числе зубцов ротора Z=4.
На чертеже показано:
Е - источник постоянного напряжения;
W1…W3 - фазы обмотки статор;
К1, К2 - коллекторы;
1…24 - порядковый номер пластин коллектора;
СК1, СК2 - скользящие контакты щеткодержателя;
VD1…VD6 - диоды;
С - конденсатор.
p
p
Электродвигатель реактивный с механическим коммутатором содержит статор с зубчатым магнитопроводом с обмоткой, имеющей, например, три фазы W1, W2 и W3, которые соединены с сетевыми проводами через диоды VD1-VD6, ротор с зубчатым магнитопроводом без обмотки (реактивный) и механический коммутатор с кодовым устройством ротора и щеткодержателем статора, при этом кодовое устройство выполнено виде двух коллекторов К1 и К2 с одинаковым количеством пластин, которое выбирается из условий, что за один оборот ротора N фаз обмотки должны переключиться Z раз. Кроме того, каждая вторая пластина (пластина с четным порядковым номером) обоих коллекторов соединена с сетевым проводом. Таким образом, для выполнения этих условий количество К пластин каждого коллектора, должно быть равным 2NZ. Для рассматриваемого примера К=2·3·4=24.
p
p
У коллектора К1 четные пластины соединены с плюсом сети, а пластины с порядковыми номерами 2(i+N·j)-1 (i=1, 2, …, N; j=0, 1, …, Z-1) соединены с началом соответствующей фазы (порядковый номер фазы соответствует i). Например, пластина с порядковым номером 2(1+3·0)-1=1 соединена с началом фазы W1, пластина с порядковым номером 2(2+3·0)-1=3 - с началом фазы W2, а пластина с порядковым номером 2(3+3·0)-1=5 - с началом фазы W3. У коллектора К2 четные пластины соединены с минусом сети, а пластины с порядковыми номерами 2(i+N·j)-1 (i=1, 2, …, N; j=0, 1, …, Z-1) соединены с концом соответствующей фазы (порядковый номер фазы соответствует i). Так, пластина с порядковым номером 2(1+3·0)-1=1 соединена с концом фазы W1, пластина с порядковым номером 2(2+3·0)-1=3 - с концом фазы W2, а пластина с порядковым номером 2(3+3·0)-1=5 - с концом фазы W3.
Коллекторы изолированы от статора и закреплены жестко на нем по отношению к зубцам магнитопровода статора в таком положении, чтобы началу коммутации тока в любой фазе обмотки статора соответствовало совпадение ее зубцов с пазами ротора. Закрепленный на роторе щеткодержатель имеет два скользящих контакта СК1 и СК2, которые контактируют соответственно с коллекторами К1 и К2 и одновременно выполняют роль датчиков положения ротора. Ширина скользящих контактов СК1 и СК2 определяется продолжительностью включенного состояния фазы и условием перекрытия фаз, т.е. из условия, что еще до момента разрыва тока в одной фазе должна уже быть включена другая фаза обмотки.
Электродвигатель реактивный с механическим коммутатором работает следующим образом.
При положении ротора, изображенном на чертеже, питание от источника постоянного напряжения Е получает фаза W1 по следующей цепи: плюс источника - пластина 2 коллектора К1 - скользящий контакт СК1 - пластина 1 коллектора К1 - фаза W1 - пластина 1 коллектора К2 - скользящий контакт СК2 - пластина 2 коллектора К2 - минус источника. Ток, протекающий по фазе W1, создает магнитное поле, и зубцы этой возбужденной фазы притягивают к себе ближайшие к ним зубцы ротора, которые расположены против часовой стрелки, и ротор начинает вращаться по часовой стрелке. При этом скользящие контакты СК1 и СК2 замкнут пластины 3 коллекторов К1 и К2, и включится фаза W2, когда ее зубцы совпадут с пазами ротора. При вращении ротора по часовой стрелке зубцы фазы W2 притягивают к себе зубцы ротора, расположенные против часовой стрелки. В этом случае также возникает вращающий момент, стремящийся повернуть ротор по часовой стрелке. Еще до разрыва фазы W2 скользящие контакты СК1 и СК2 замкнут пластины 5 коллекторов К1 и К2, и включится фаза W3, зубцы которой также будут притягивать к себе зубцы ротора, расположенные против часовой стрелки. Еще до разрыва фазы W3 скользящие контакты СК1 и СК2 замкнут пластины 7 коллекторов К1 и К2. При этом включится фаза W1 и цикл повторится. Таким образом, на ротор электродвигателя реактивного с механическим коммутатором при подключении его к питающей сети будет действовать непрерывный момент сил, вращающий его по часовой стрелке.
Ширина скользящих контактов СК1 и СК2 выбирается таким образом, чтобы при разрыве фазы ток в ней уменьшался до нуля или до малого значения при совпадении зубцов ротора с зубцами рассматриваемой фазы. Для быстрого спада тока после разрыва фазы служат диоды VD1-VD6, которые подают на нее обратное напряжение источника питания Е. При этом накопленная в этой фазе магнитная энергия, преобразуясь в электрическую, генерируется обратно в сеть, производя подзарядку конденсатора С, включенного на входе источника. Электродвигатель реактивный с механическим коммутатором может работать от электронного коммутатора, у которого датчиком положения ротора является скользящий контакт механического коммутатора.
По сравнению с прототипом предложенный электродвигатель реактивный с механическим коммутатором имеет более простую конструкцию механического коммутатора (более простое кодовое устройство и меньшее количество скользящих контактов). Кроме этого достоинствами предложенного ЭРМК являются:
- высокая надежность;
- технологичность изготовления;
- высокие энергетические показатели;
- в сравнении с асинхронным двигателем менее чувствителен к изменению питающего напряжения и сохраняет свою работоспособность при значительном его снижении.