электрический двигатель постоянного тока индукторного типа

Формула изобретения

Электрический двигатель постоянного тока индукторного типа, содержащий кольцевой корпус, в котором установлены два неподвижных статора с обмотками якоря и возбуждения, а также ротор с полюсами, отличающийся тем, что неподвижные статоры выполнены с одной общей обмоткой якоря, активные проводники секций которой уложены в пазы одного статора со сдвигом на полюсное деление относительно пазов другого статора и коммутируются коммутатором-коллектором, установленным неподвижно в торцевой части двигателя, щеточный узел которого жестко соединен с валом ротора, а ротор снабжен двумя системами добавочных полюсов, каждый из которых состоит из попарно ориентированных навстречу друг другу когтеобразных полюсных выступов, примыкающих с обеих сторон к каждому из полюсов и закрепленных на ферромагнитных цилиндрах, которые жестко соединены с валом и установлены с промежутком, равным промежутку между статорами, в промежутке между когтеобразными полюсными выступами каждого дополнительно полюса на ферромагнитном цилиндре установлена его обмотка, включенная последовательно с обмоткой якоря посредством вращающихся контактных колец и неподвижных щеток.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в электроприводах общепромышленных механизмов для поддержания устойчивой регулируемой частоты вращения в широком диапазоне скоростей.

Известна одноименнополюсная индукторная электрическая машина с двусторонним возбуждением, в которой две обмотки возбуждения расположены по обе стороны от якоря и пакета ротора с полюсными выступами (Д.А.Бут. Бесконтактные электрические машины. - М.: Высшая школа. 1990, стр.138).

Недостатком известной конструкции является наличие дополнительных технологических зазоров между втулкой ротора и консольной расточкой корпуса, что приводит к увеличению размеров обмотки возбуждения и, соответственно, к увеличению электрических потерь и габаритов машины в целом.

Наиболее близкой является двухпакетная одноименнополюсная индукторная машина, в которой активные зоны с обмотками якоря и зубчатым ротором размещены по обеим сторонам от обмотки возбуждения (Д.А.Бут. Бесконтактные электрические машины. - М.: Высшая школа. 1990, стр.137).

Данная электрическая машина выбрана прототипом.

Прототип имеет следующие общие признаки с заявляемым изобретением:

- общий неподвижный кольцевой корпус, несущий статоры, и расположенную между ними обмотку возбуждения;

- ротор с полюсами.

Недостатками прототипа следует считать:

- наличие уложенных на каждом из статоров двух полноразмерных обмоток якоря, внутренние лобовые части которых значительно увеличивают как расход активных материалов(меди), так и общую длину машины;

- при увеличении мощности машины в значительной мере увеличивается диаметр вала, который одновременно является активной частью магнитной цепи.

В основу изобретения поставлена задача создать электрический двигатель постоянного тока индукторного типа (ЭДПТИТ), в котором за счет дополнительной установки коммутатора-коллектора и полюсов особой конструкции обеспечить упрощение изготовления двигателя и повышение удельных значений его мощности и момента, и, как следствие, уменьшить себестоимость двигателя.

Поставленная задача решается в конструкции электрического двигателя постоянного тока индукторного типа, который содержит кольцевой корпус, в котором установлены два неподвижных статора с обмотками якоря и возбуждения, а также ротор с полюсами, тем, что оба неподвижных статора имеют одну общую обмотку якоря, причем активные проводники каждой секции уложены в пазы одного статора со сдвигом в полюсное деление относительно пазов другого статора, а секции общей обмотки якоря коммутируются коммутатором-коллектором, установленным неподвижно в торцевой части двигателя, при этом щеточный узел коммутатора-коллектора жестко соединен с валом ротора, который снабжен двумя системами добавочных полюсов, каждая из которых содержит обмотку, которая включена последовательно с обмоткой якоря посредством двух вращающихся контактных колец и неподвижных щеток.

Новым в предлагаемом электрическом двигателе постоянного тока индуктивного типа является наличие таких признаков:

- одна общая для обоих статоров обмотка якоря;

- дополнительно установленный неподвижный коммутатор-коллектор;

- ротор снабжен двумя системами добавочных полюсов с обмотками.

В заявляемом ЭДПТИТ, в отличие от прототипа, оба статора имеют только одну общую обмотку якоря, то есть лобовые части обмоток якоря, которые примыкают к обмотке возбуждения, отсутствуют, что приводит к уменьшению затрат активных материалов (меди проводников обмотки якоря) и уменьшению общей длины двигателя.

В предлагаемом ЭДПТИТ вал двигателя выбирается только из условий механической прочности, так как он не является частью магнитной цепи двигателя, что обеспечивает уменьшение массы его вращающейся части и, соответственно, уменьшение динамического момента:

где I=mp² - момент инерции двигателя (кг·м²),

- частота вращения (с^-1), p - радиус инерции (м).

Данное обстоятельство, а также наличие неподвижного коммутатора-коллектора позволяет увеличить быстродействие двигателя, уменьшить потери электроэнергии в переходных режимах

Использование добавочных полюсов позволяет увеличить значение линейной токовой нагрузки, а конструкция ротора с полюсной системой в виде ферромагнитных стержней, расположенных в определенной последовательности вдоль расточки статора, позволяет увеличить (сравнительно с классической машиной постоянного тока) как величину коэффициента полюсного перекрытия _б, так и величину магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре B_б, что позволяет повысить удельные значения его мощности и момента при значительном уменьшении трудоемкости изготовления его ротора, уменьшить себестоимость двигателя в целом.

Электрический двигатель постоянного тока индукторного типа представлен на чертежах, где:

Фиг.1 - конструктивная схема двигателя;

Фиг.2 - вид двигателя, сечение А-А;

Фиг.3 - система добавочных полюсов, аксонометрия;

Фиг.4 - система основных полюсов, аксонометрия;

Фиг.5 - схема обмотки якоря двигателя.

Электрический двигатель постоянного тока индукторного типа (фиг.1 - фиг.4) содержит неподвижную часть 1, вращающийся ротор 2 и коммутатор-коллектор 3. Неподвижная часть 1 содержит кольцевой корпус 4, на внутренней поверхности которого расположены два статора 5, 6. В пазах статоров 5, 6 уложены секции общей обмотки якоря 7, а в промежутке между статорами 5, 6 - обмотка возбуждения 8. Неподвижная часть 1 по торцам закрыта немагнитными подшипниковыми щитами 9, 10, которые установлены на подшипниках 11, 12, в которых вращается вал 13 ротора 2. С валом 13 жестко соединены немагнитные диски 14, 15, которые являются крепящими конструкциями для ферромагнитных полюсов 16, расположенных симметрично (без сдвига) относительно статоров 5, 6. Ширина каждого из полюсов 16 (ферромагнитных стержней переменного сечения вдоль длины) равняется _б вдоль образующей ротора, где _б - коэффициент полюсного перекрытия, - величина полюсного деления (фиг.2). Полюсы 16 отделены от статоров 5, 6 рабочим воздушным зазором б. Магнитный поток Ф₀, созданный обмоткой возбуждения 8, замыкается по пути: корпус 4, статор 6, полюс 16, статор 5, корпус 4, проходя при этом два воздушных зазора б. При этом каждый из ферромагнитных полюсов 16 обеспечивает замыкание магнитного потока Ф₀ , который выходит, например, из статора 6 и входит в статор 5. Число полюсов 16 определяется выбранным значением числа полюсных делений каждого из статоров 5, 6:

где N_p - число полюсных делений статора,

N_p - число полюсов 16 ротора 2 двигателя.

В предлагаемом ЭДПТИТ конструктивная схема ротора предусматривает специальный способ укладки секций обмотки якоря 7, общих для статоров 5, 6, что обусловлено необходимостью создания однонаправленного электромагнитного момента, создаваемого взаимодействием общего магнитного потока Ф₀ и токами соответствующих проводников обмотки якоря 7. В связи с этим проводники каждой из секций обмотки якоря 7 укладываются в пазы одного статора (например, 6) со сдвигом на величину полюсного деления в пазы второго статора (например, 5) (фиг.5), используя при этом известные схемы обмоток якоря классических машин постоянного тока. Указанный сдвиг проводников обмотки якоря 7 одного статора относительно второго обеспечивает сохранение однонаправленного электромагнитного момента статоров 5, 6.

Питание обмотки якоря 7 обеспечивается коммутатором-коллектором 3, который посредством крепящей конструкции 17 и подшипников 18, 19 установлен неподвижно и представляет из себя обычный коллектор машины постоянного тока, по обоим концам которого через изоляционные прокладки 20 дополнительно установлены контактные кольца 21, 22. К коллекторным пластинам 23, в соответствии со схемой обмотки, подключены выводы секций обмотки якоря 7, объединенные жгутом 24. Щеткодержатели 25 со щетками 26 (щеточный узел) конструктивно объединены с траверсой 27, жестко соединенной с валом 13. Щетки 26 коммутатора-коллектора 3, одновременно контактируя с токопроводящими кольцами 21, 22 и соответствующими коллекторными пластинами 23, выполняют функции как токопровода, так и токораспределения секций обмотки якоря 7.

В предлагаемом ЭДПТИТ установлены два аналогичных комплекта добавочных полюсов (фиг.1, 2, 3). Каждый из комплектов добавочных полюсов состоит из попарно ориентованных навстречу друг другу когтеобразных полюсных выступов 28, 29 и 30, 31, расположенных на линии геометрической нейтрали каждого из статоров 5, 6, примыкая с обеих сторон к каждому из полюсов 16. Полюсные выступы 28, 29 и 30, 31 закреплены на полых ферромагнитных цилиндрах 33, установленных с промежутком, равным промежутку между статорами 5, 6. Цилиндры 33 жестко соединены с валом 13 посредством немагнитной вставки 34. В промежутке между двумя полюсными выступами 28, 29 и 30, 31 на ферромагнитных цилиндрах 33 расположены обмотки добавочных полюсов 35.

При этом независимо от количества ферромагнитных полюсов 16 и, соответственно, полюсных выступов 28, 29 и 30, 31 каждый из комплектов добавочных полюсов имеет только одну общую обмотку 35. Выводы обмоток 35 соединены последовательно с обмоткой якоря 7 путем дополнительно установленных контактных колец 36, 37, закрепленных на валу 13 через изоляционную прокладку 38, и неподвижных щеток 39, 40.

Магнитный поток Ф_дп , созданный МДС, обмотки добавочных полюсов 35 замыкается по пути: полюсный выступ 28, сердечник статора 5, полюсный выступ 29, ферромагнитный цилиндр 33, то есть магнитный поток Ф _дп1 добавочных полюсов, например, статора 5, направлен навстречу потоку реакции якоря Ф_а1, чем обеспечивается улучшение условий коммутации секций обмотки якоря 7 в зоне геометрической нейтрали. Число встречно ориентированных пар когтеобразных полюсных выступов добавочных полюсов 28, 29 и 30, 31 равно числу ферромагнитных полюсов 16 ротора 2 (для каждого из статоров 5, 6). При этом увеличение числа основных полюсов 16 (соответственно увеличению числа полюсных делений статора) не приводит к увеличению числа обмоток 35 добавочных полюсов.

Предлагаемый ЭДПТИТ работает следующим образом. При подаче напряжения на обмотку возбуждения 8 (фиг.1, 2) взаимодействием основного магнитного потока Фо и токов проводников обмотки якоря 7, находящихся в данный момент в зоне полюсов 16, создается электромагнитный момент М_эм , под действием которого ротор 2 начинает вращаться. Коммутатор-коллектор 3 коммутирует токи в секциях обмотки якоря 7 таким образом, чтобы при вращении в одну сторону токи проводников, находящихся в это время против ферромагнитного полюса 16, сохраняли неизменное направление. Регулирование частоты вращения и реверс двигателя осуществляются известными для классических машин способами.

Простота конструкции ротора 3 двигателя, сравнительно меньшая инерционность, соответственно повышенное быстродействие позволяют использовать предлагаемый электрический двигатель постоянного тока индукторного типа, например, как двигатель для ввода вращения в герметичный объем промышленной установки (технологический лазер, компрессор и др.).