торцовый электрический двигатель постоянного тока индукторного типа

Формула изобретения

Торцовый электрический двигатель постоянного тока индукторного типа, содержащий ротор с ферромагнитными полюсами и два неподвижных статора с обмотками якоря и возбуждения, отличающийся тем, что каждый из статоров имеет два сердечника якоря, в радиальных пазах торцовых поверхностей которых размещены секции общей обмотки якоря, обмотка возбуждения расположена в промежутке между сердечниками якоря, при этом активные проводники каждой секции обмотки якоря уложены в пазы одного сердечника со сдвигом на полюсное деление относительно пазов другого сердечника и коммутируются коммутатором-коллектором, установленным неподвижно, относительно которого вращается щеточный узел, жестко соединенный с валом ротора, который состоит из попарно ориентированных навстречу друг другу когтеобразных полюсных выступов, примыкающих с обеих сторон к каждому из ферромагнитных полюсов ротора и закрепленных на полых ферромагнитных цилиндрах, объединенных немагнитной втулкой, сочлененной с ферромагнитными полюсами, в промежутке между двумя когтеобразными полюсными выступами каждого дополнительного полюса на полом ферромагнитном цилиндре установлена его обмотка, включенная последовательно с обмоткой якоря посредством двух вращающихся токопроводящих 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 торцовая синхронная машина с осевым возбуждением, в которой неподвижный торцовый якорь с обмоткой закреплен на статоре с помощью немагнитных скоб. С двух сторон к якорю через рабочие зазоры примыкает ротор в виде двух немагнитных дисков с ферромагнитными полюсами. Диски укреплены на полом валу, внутри которого находится неподвижный токопровод возбуждения, представляющий собой одну из сторон многовитковой катушки, закрепленной на статоре с помощью соответствующих скоб, при этом вал соединен с нагрузкой через редукторную передачу или с помощью шкива (Д.А.Бут. Бесконтактные электрические машины. - М.: Высшая школа, 1990, стр.153).

Недостатки известной конструкции связаны с повышенными потерями в обмотке возбуждения и усложненным способом ее намотки. Кроме того, необходимость боковой передачи механического момента ограничивает возможность ее использования.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению является торцовая двухпакетная бесконтактная синхронная машина, в которой ферромагнитные когтеобразные полюсные выступы ротора ориентированы по радиусу и отделены аксиальными зазорами от двух внешних статоров, обмотка которых уложена в радиальные пазы на торцовых поверхностях стальных сердечников кольцевой формы. Кольцевая обмотка возбуждения расположена в общем корпусе из магнитомягкой стали, а когтеобразные полюсные выступы, закрепленные на стальной втулке ротора, отделены от неподвижного корпуса дополнительными воздушными зазорами (то же, стр.133).

Данная электрическая машина выбрана прототипом.

Прототип имеет следующие общие признаки с заявляемым изобретением:

- два неподвижных статора с радиальными пазами на торцевых поверхностях стальных сердечников кольцевой формы;

- ротор с полюсами.

Недостатком прототипа следует считать;

- наличие дополнительных технологических воздушных зазоров, что приводит к увеличению обмотки возбуждения и, соответственно, к увеличению электрических потерь и габаритов машины в целом;

- усложненная технология изготовления ротора с когтеобразными полюсными выступами, ориентированными по радиусу.

В основу изобретения поставлена задача создать торцовый электрический двигатель постоянного тока индукторного типа (ТЭДПТИТ), в котором за счет дополнительной установки коммутатора-коллектора и добавочных полюсов специальной конструкции, а также особенности изготовления и связи деталей и узлов обеспечить упрощение изготовления двигателя и повышение удельных значений его мощности и момента и, как следствие, уменьшить себестоимость двигателя.

Поставленная задача решается в конструкции торцового электрического двигателя постоянного тока индукторного типа, который содержит ротор с полюсами и два неподвижных статора с обмотками якоря и возбуждения, тем, что каждый из статоров имеет два сердечника якоря, в радиальных пазах торцовых поверхностей которых размещена обмотка якоря, а обмотка возбуждения расположена в промежутке между сердечниками якоря, при этом активные проводники каждой секции уложены в пазы одного сердечника со сдвигом в полюсное деление относительно пазов другого сердечника, а коммутация секций обмотки якоря осуществляется коммутатором-коллектором, установленным неподвижно, относительно которого вращается щеточный узел, жестко соединенный с валом ротора, который снабжен двумя комплектами добавочных полюсов, каждый из которых содержит обмотку, включенную последовательно с обмоткой якоря посредством двух вращающихся токопроводящих колец и неподвижных щеток.

Новым в изобретении, которое заявляется, является наличие таких признаков:

- дополнительный коммутатор-коллектор;

- размещение обмотки возбуждения, обеспечивающее минимальную длину участков магнитной цепи двигателя при отсутствии стального кольцевого корпуса;

- ротор снабжен двумя системами добавочных полюсов специальной конструкции.

В заявляемом ТЭДПТИТ, в отличие от прототипа нет общего стального корпуса, что упрощает изготовление двигателя, улучшает условия теплоотвода. В предлагаемом двигателе отсутствует и массивная стальная втулка ротора прототипа, предназначенная как для крепления полюсных выступов, так и для проведения основного магнитного потока, что способствует уменьшению массы его вращающейся части и, соответственно, уменьшению его 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 заявляемого двигателя постоянного тока, уменьшить потери электроэнергии в переходных режимах

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

Торцовый электрический двигатель постоянного тока индукторного типа представлен на чертежах, где:

Фиг.1 - конструктивная схема двигателя;

Фиг.2 - двигатель, сечение А-А;

Фиг.3 - вид двигателя по сечению А-А, аксонометрия;

Фиг.4 - схема обмотки якоря двигателя.

Торцовый электрический двигатель постоянного тока индукторного типа содержит два неподвижных статора 1, 2, вращающийся ротор 3 и коммутатор-коллектор 4. Каждый из статоров 1, 2 содержит два сердечника якоря 5, 6 и 7, 8 кольцевой формы, в радиальных пазах торцевой поверхности которых размещены секции общей обмотки якоря 9. В промежутках между сердечниками 5, 6 и 7, 8 расположены обмотки возбуждения 10, 11.

Ферромагнитные основания 12, 13 кольцевой формы статоров 1, 2 установлены неподвижно относительно вала ротора 14 посредством подшипников 15, 16. С валом 14 жестко соединены ферромагнитные полюсы 17, 18 секторного вида. Ширина каждого из ферромагнитных полюсов равняется вдоль образующей сердечников якоря 5, 7, где - коэффициент полюсного перекрытия, - величина полюсного деления (фиг.2). Ферромагнитные полюсы 17, 18 отделены от сердечников якоря 5, 6 и 7, 8 рабочим воздушным зазором . Магнитный поток Ф₀, созданный обмотками возбуждения 10, 11, замыкается симметрично для каждого из статоров 1, 2 по пути (для статора 1): основание 12, сердечник якоря 6, ферромагнитный полюс 17, сердечник якоря 5, проходя при этом два рабочих воздушных зазора . Число ферромагнитных полюсов 17, 18 определяется выбранным значением числа полюсных делений каждого из сердечников якоря 5, 7:

;

где N - число полюсных делений статора;

N_p - число полюсов 17, 18 каждого из статоров 1, 2.

В предлагаемом ТЭДПТИТ конструктивная схема полюсов ротора 3 предусматривает специальный способ укладки секций обмотки якоря 9 общих для сердечников якоря 5, 6 статора 1 и сердечников якоря 7, 8 статора 2, что обусловлено необходимостью создания однонаправленного электромагнитного момента, создаваемого взаимодействием магнитного потока Ф ₀ и токами соответствующих проводников обмотки якоря 9. В связи с этим проводники каждой из секций обмотки якоря 9 укладываются в пазы сердечников якоря, например 6, 8, со сдвигом на величину полюсного деления в пазы сердечников якоря 5, 7 (фиг.4), используя при этом известные схемы обмоток классических машин постоянного тока.

Питание обмотки якоря 9 обеспечивается коммутатором-коллектором 4, который посредством крепящей конструкции 19 и подшипников 20, 21 установлен неподвижно и представляет из себя обычный коллектор машины постоянного тока, по обоим концам которого через изоляционные прокладки 22 дополнительно установлены токопроводящие кольца 23, 24. К коллекторным пластинам 25, в соответствии со схемой обмотки, подключены выводы секций обмотки якоря 9, объединенные жгутом 26. Щеткодержатели 27 со щетками 28 (щеточный узел) конструктивно объединены с траверсой 29, жестко сочлененной с валом 14. Щетки 28 коммутатора-коллектора 4, одновременно контактируя с токопроводящими кольцами 23, 24 и соответствующими коллекторными пластинами 25, выполняют функции как токоподвода, так и токораспределения секций обмотки якоря 9.

В предлагаемом ТЭДПТИТ установлены два аналогичных комплекта добавочных полюсов (фиг.1 ÷ фиг.4). Каждый из комплектов добавочных полюсов состоит из попарно ориентированных навстречу друг другу когтеобразных полюсных выступов 30, 31 и 32, 33, расположенных на линии геометрической нейтрали сердечников якоря 6, 8, примыкая с обоих сторон к каждому из ферромагнитных полюсов 17, 18. Когтеобразные полюсные выступы 30, 31 и 32, 33 закреплены на полых ферромагнитных цилиндрах 34, 35, объединенных немагнитной втулкой 36, сочлененной с ферромагнитными полюсами 17, 18, обеспечивая им дополнительную жесткость. В промежутках между когтеобразными полюсными выступами 30, 31 и 32, 33 на полых ферромагнитных цилиндрах 34, 35 расположены обмотки добавочных полюсов 37, 38.

Магнитный поток Ф_дп, созданный МДС обмоток добавочных полюсов 37, 38, замыкается по пути (фиг.3, 4): полый ферромагнитный цилиндр 35, когтеобразный полюсный выступ 32, сердечник якоря 8, когтеобразный полюсный выступ 33, проходя при этом два воздушных зазора 5. При этом магнитный поток Ф _дп направлен навстречу потоку реакции якоря Ф_а (фиг.4). Число согласно ориентированных пар когтеобразных полюсных выступов 30, 31 и 32, 33 равно числу ферромагнитных полюсов 17, 18 ротора 3. При этом увеличение числа ферромагнитных полюсов 17, 18 не приводит к увеличению числа обмоток 37, 38 добавочных полюсов. Выводы обмоток 37, 38 (фиг.1) соединены последовательно с обмоткой якоря 9 путем дополнительно установленных токопроводящих колец 39, 40, закрепленных на валу 14 через изоляционную прокладку 41, и неподвижных щеток 42, 43.

В предлагаемой конструкции ТЭДПТИТ в преобразовании энергии участвует половина проводников обмотки якоря (фиг.4), при этом исходя из условия равенства площади поверхности S полюсных делений сердечников якоря 5, 6 и 7, 8 длина активного проводника, например сердечника 8, должна быть больше длины активного проводника сердечника 7. Исходя из этого в предлагаемом двигателе установлен комплект добавочных полюсов только для одного из сердечников статоров 1, 2, т.е. для сердечников якоря 6 и 8. Предварительные расчеты подтверждают обеспечение компенсации влияния потока реакции якоря Ф_а в сердечниках якоря 5, 6 и 7, 8 наличием добавочных полюсов только на одном сердечнике каждого из статоров 1, 2.

Предлагаемый ТЭДПТИТ работает следующим образом. При подаче напряжения на обмотки возбуждения 10, 11 (фиг.1, 4) взаимодействием основного магнитного потока Ф₀ и токов проводников обмотки якоря 9, находящихся в данный момент в зоне ферромагнитных полюсов 17, 18, создается электромагнитный момент М_эм, под действием которого ротор 3 начинает вращение. Коммутатор-коллектор 4 коммутирует токи в секциях обмотки якоря 9 таким образом, чтобы при вращении в одну сторону токи проводников, находящихся в это время против ферромагнитных полюсов 17, 18, сохраняли неизменное направление. Регулирование частоты вращения и реверс двигателя осуществляются известными для классических машин способами.