репульсионный бесколлекторный электродвигатель

Формула изобретения

1. Репульсионный бесколлекторный электродвигатель, содержащий статор с однофазной обмоткой и щетки, отличающийся тем, что ротор электродвигателя имеет торцевые перемычки беличьей клетки, выполненные в виде контактных колец, к которым примыкают подпружиненные щетки, являющиеся частями замкнутых проводящих контуров, имеющих крепление на статоре между его полюсами, пара щеток замкнутого проводящего контура охватывает ротор с противоположных сторон в месте нахождения одного из полюсов статора, щетки следующего за ним замкнутого проводящего контура охватывают ротор с противоположных сторон в месте нахождения противоположного ему полюса.

2. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что щетки замкнутого проводящего контура неразъемно соединены с гибкими проводящими элементами, каждый из которых, с противоположных сторон, неразъемно соединен с проводником, который прикреплен к изоляционной прокладке, соединенной с зубьями, выполненными в крайних шихтованных пластинах статора.

3. Электродвигатель по п.2, отличающийся тем, что щетки установлены в щеткодержателях, находящихся в пазах крышек электродвигателя и прикрепленных к его корпусу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрическим машинам, конкретно к электродвигателям, и может быть использовано на промышленных предприятиях. Известен тиристорный асинхронный электропривод (А.с. СССР №357656), который включает асинхронный электродвигатель, подключенный к электронному устройству.

Недостаток этого устройства в том, что тиристорная система управления полностью не решает вопрос увеличения начального момента асинхронного двигателя. Момент асинхронного двигателя прямопропорционален квадрату приложенного напряжения. Тиристорная система управления не устраняет этот недостаток, она допускает потери энергии, так как автоматически не реагирует на изменение нагрузки на валу двигателя.

Известна также униполярная электрическая машина (см. М.П.Костенко, Л.М.Пиотровский "Электрические машины", часть 1, Энергия, 1972, стр.318-319), имеющая ротор, электромагниты и скользящие контакты.

Недостатком этой машины является то, что она работает при большом токе, а передача больших токов на расстояние требует увеличения сечения провода в электрической сети и связана со значительными потерями энергии.

Известен однофазный асинхронный двигатель (см. М.П.Костенко, Л.М.Пиотровский "Электрические машины", часть 2, Энергия, 1965, стр.562-564), имеющий статор, ротор, однофазную обмотку на статоре и коротко замкнутую обмотку на роторе (беличью клетку).

Недостатком этого двигателя является то, что при снижении скорости вращения ротора до нуля крутящий момент также падает до нуля, а при вращении двигателя с синхронной скоростью его крутящий момент приобретает отрицательное значение.

Известен репульсионный двигатель с одной обмоткой на статоре и одним комплектом щеток (см. М.П.Костенко, Л.М.Пиотровский "Электрические машины", часть 2, Энергия, 1965, стр.623-626), который взят за прототип.

Репульсионный двигатель имеет статор с однофазной обмоткой на нем, якорь, коллектор и подвижную систему щеток.

Недостатком репульсионного двигателя является наличие коллектора, из-за чего по сравнению с бесколлекторными машинами данный репульсионный двигатель значительно дороже и обладает более тяжелыми коммутационными условиями работы. Частые поломки двигателя ведут к дополнительным затратам на ремонт и приводят к простоям оборудования. Коллекторную машину нельзя использовать во взрывоопасном помещении, а искрение на коллекторе является источником радиопомех. Кроме того, коллектор накладывает ограничение по мощности машины.

Цель предлагаемого изобретения - повышение надежности работы и обеспечение экономичной эксплуатации электродвигателя за счет изготовления его репульсионным и бесколлекторным.

Этот технический результат достигается за счет того, что ротор имеет торцевые перемычки беличьей клетки, выполненные в виде контактных колец, к которым примыкают подпружиненные щетки, являющиеся частями проводящих контуров, состоящих из гибких проводящих элементов с противоположных торцов, неразъемно соединенных с проводниками, каждый из которых прикреплен к изоляционной прокладке, соединенной с зубьями, выполненными в крайних шихтованных пластинах магнитопровода статора. Каждый из проводников расположен между двух ближайших полюсов статора, а пара щеток проводящего контура охватывает ротор с противоположных сторон, причем щетки проводящего контура размещены в месте нахождения одного из полюсов статора, щетки следующего за ним проводящего контура размещены в месте нахождения противоположного ему полюса.

Щетки установлены в щеткодержателях, находящихся в пазах крышек электродвигателя и прикрепленных к его корпусу.

На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого электродвигателя.

На фиг.2 - разрез А-А фиг.1.

На фиг.3 - проекция ротора.

На фиг.4 - общий вид крышки электродвигателя.

На фиг.5 - две проекции держателя скользящего контакта.

На фиг.6 - вид Б фиг.5.

На фиг.7 - схема замещения беличьей клетки ротора предлагаемого электродвигателя и проводящих контуров.

Репульсионный бесколлекторный электродвигатель содержит корпус 1, в который заведен статор 2. Статор 2 имеет полюса 3 с размещенной на них однофазной обмоткой возбуждения 4, представляющей собой катушку, навитую по спирали. С торцов корпуса 1 крепятся крышки 5, в которых установлены подшипники 6. В подшипники 6 заведен вал 7, на котором размещен ротор 8 с расположенной на нем беличьей клеткой 9, состоящей из проводящих стержней 10 и контактных колец 11, в которые упирается щетки 12, неразъемно соединенные с гибкими элементами 13, выполненными из проводящего материала. Гибкие элементы 13 попарно с противоположных сторон неразъемно крепятся к проводникам 14. Проводник 14 вместе с прикрепленными к нему гибкими элементами 13 и с щетками 12, а также беличья клетка 9 образуют замкнутый проводящий контур 15 и замкнутый проводящий контур 16. Замкнутый проводящий контур 15 расположен под полюсом 3, а замкнутый проводящий контур 16 расположен над противоположным полюсом 3. Проводники 14 замкнутого проводящего контура 15 и 16 расположены диаметрально противоположно и размещены между полюсов 3. Проводники 14 прикреплены к прокладкам 17, выполненным из изоляционного материала. Прокладки 17 прикреплены к зубьям 18, которые выполнены в крайних шихтованных пластинах 19 статора 2. Щетки 12 заведены в отверстия 20 щеткодержателей 21. Отверстия 20 покрыты изоляционным лаком, в них заведены также пружина 22 и винт 23. Щеткодержатели 21 размещены в пазах 24 крышек 5 и крепятся с торцов к корпусу 1. Гибкие элементы 13 заведены в пазы 25 щеткодержателей 21.

Репульсионный бесколлекторный двигатель работает следующим образом.

Обмотка возбуждения 4 подключается к сети, в результате чего возникает переменный магнитный поток, который пронизывает беличью клетку 9, замкнутые проводящие контуры 15 и 16. Чем дальше проводящие стержни 10 беличьей клетки 9 отстоят от вертикальной оси симметрии ротора 8, тем больший по величине переменный магнитный поток проходит между ними и тем большая э.д.с. наводится в беличьей клетке 9 на участках расположения этих проводящих стержней 10. Трансформаторные э.д.с. вызывают циркуляцию индукционных токов в беличьей клетке 9 и замкнутых проводящих контурах 15 и 16. Если направления индукционных токов, текущих в проводящих стержнях 10 за номерами 2, 3, 4 и 5 будет обозначено (+), то направление индукционных токов в проводящих стержнях 10 под номерами 6, 7, 8 и 1 будет иметь знак (.). Величины индукционных токов, текущих в проводящих стержнях 10 под номерами 1-8 будут: l₁=0,2285 E/Z, l ₂=0,0557 E/Z, l₃=0,8511 E/Z, l ₄=0,3699 E/Z, l₅=0,2285 E/Z, l ₆=0,0557 E/Z, l₇=0,8511 E/Z и l ₈=0,3699 E/Z, где Е - э.д.с,, наведенное в беличьей клетке 9 на участке расположения стержней 10 под номерами 1 и 8, Z - общее электрическое сопротивление проводящего стержня 10, представляющее собой сумму активного и индуктивного сопротивлений.

Величина и направление индукционных токов l₁-l ₈ установлены в результате решения системы уравнений, составленных по первому и второму правилам Кирхгофа. Схема замещения беличьей клетки 9 ротора 8 электродвигателя, а также замкнутых проводящих контуров 15 и 16 представляет собой разветвленную цепь. На схеме фигуры 7 стрелками изображены направления индукционных токов на различных участках беличьей клетки 9, замкнутого проводящего контура 15 и 16. Общие сопротивления на участках беличьей клетки 9, соединяющие проводящие стержни 10, приняты равными Z. Общее сопротивление проводника 14 вместе с прикрепленными к нему гибкими элементами 13 и щетками 12 равно 0,1 Z. При неподвижном роторе 8 проводящие стержни 10 под номерами 3 и 7 размещены в вертикальной плоскости, параллельной линиям магнитного потока Ф, поэтому трансформаторная э.д.с. на этом участке беличьей клетки 9 будет равна 0. Проводящие стержни 10 под номерами 2 и 6, а также 8 и 4 размещены в плоскостях, наклонных под углом 45 градусов к вертикальной плоскости. Поэтому магнитный поток, пронизывающий замкнутые проводящие контуры, ограниченные проводящими стержнями 10 под номерами 2, 6 и 8, 4, будет равен 0,7 Ф. Переменный магнитный поток 0,7 Ф наведет на участках беличьей клетки 9, включающих в себя проводящие стержни 10 под номерами 2, 6 и 8, 4 э.д.с. 0,7 Е. Наибольшее трансформаторное э.д.с. величиной Е наведется на участке беличьей клетки 9, включающем в себя проводящие стержни под номерами 1, 5, поскольку этот участок пронизывается всем переменным магнитным потоком. Общее трансформаторное э.д.с., наведенное в замкнутом проводящем контуре, образованном проводящими стержнями 10 под номерами 1, 5 и контактными кольцами 11, будет 2Е. Замкнутый проводящий контур 15 и замкнутый проводящий контур 16 пронизываются переменным магнитным потоком, величина которого равна 0,5 Ф. Величина общего трансформаторного э.д.с., наведенного в замкнутом проводящем контуре 16, будет равна Е. Если в замкнутом проводящем контуре 15 и в части беличьей клетки 9, находящейся по одну сторону от вертикальной оси симметрии ротора 8, трансформаторное э.д.с. будет иметь знак (.), то по другую сторону от вертикальной оси симметрии ротора 8 в замкнутом проводящем контуре 16 и другой половине беличьей клетки 9 трансформаторное э.д.с. будет иметь знак (+).

Уравнения, составленные по первому и второму законам Кирхгофа, имеют вид:

l ₁=l₁₁+l₁₈

l₂=l₁₁+l ₁₂

l₁₃=l₄ +l₁₄

l₅=l ₁₄+l₁₅

l₆ =l₁₅+l₁₆

l ₁₀=l₇+l₁₆+l ₁₇

l₁₇=l₈ +l₁₈

l₁=l ₁₉+l₂₆

l₂₀ =l₈+l₁₉

l ₁₀=l₇+l₂₀+l ₂₁

l₆=l₂₁ +l₂₂

l₅=l ₂₂+l₂₃

l₂₄ =l₄+l₂₃

l ₉=l₃+l₂₄+l ₂₅

l₂=l₂₅ +l₂₆

Zl₃+0,121 ₉=Е

Zl₂+Zl₁₁ +Zl₁+Zl₂₆=0,3 E

Zl₂+Zl₂₅-Zl ₃+Zl₁₂=-0,7 E

Zl ₂₄-Zl₃+Zl₄+Zl ₁₃=0,7 E

Zl₂₃-Zl ₄+Zl₅+Zl₁₄=0,3 E

Zl₆+Zl₁₅+Zl ₅+Zl₂₂=0,3 E

Zl ₇-Zl₁₆-Zl₆-Zl ₂₁=0,7 E

Zl₈+Zl ₁₇-Zl₇+Zl₂₀ =0,7 E

Zl₁+Zl₁₈ -Zl₈+Zl₁₉=0,3 E

0,1Zl₁₀+Z1₇=E

Zl₁₁-Zl₁₂+Zl ₁₃+Zl₁₄-Zl₁₅ +Zl₁₆-Zl₁₇-Zl ₁₈=0

Решением данной системы уравнений будет:

Если пренебречь потерями в стали и меди, то трансформаторная э.д.с. отстает по фазе от магнитного потока обмотки возбуждения на 90 градусов. Магнитный поток, порожденный индукционными токами в роторе 8, а также в замкнутом проводящем контуре 15 и замкнутом проводящем контуре 16, отстает по фазе от трансформаторной э.д.с. на 90 градусов. Индукционный ток совпадает по фазе с суммарным магнитным потоком ротора 8 и замкнутых проводящих контуров 15, 16 и отстает по фазе от магнитного потока обмотки возбуждения 4 на 180 градусов. Поскольку потери в электродвигателе не велики, то фаза индукционного тока будет такой же, как и в идеальных условиях.

Циркуляция индукционного тока в беличьей клетке 9 будет осуществляться таким образом, что направление индукционного тока, текущего в проводящих стержнях 10, находящихся по одну сторону от оси симметрии ротора 8, наклоненной под углом к его горизонтальной оси симметрии, будет обозначаться (.), а в стержнях 10, находящихся по другую сторону от этой оси, обозначится (+). Взаимодействие электромагнитного поля обмотки возбуждения 4 и индукционного тока обуславливает возникновение силы Лоренца. Согласно правилу левой руки, сила, действующая на индукционный ток, циркулирующий в проводящих стержнях 10, находящихся по одну сторону от горизонтальной оси симметрии ротора 8, будет иметь одно и то же направление. А сила, действующая на индукционный ток, циркулирующий в проводящих стержнях 10, находящихся по другую сторону от этой оси, будет иметь противоположное направление. Сила Лоренца обуславливает появление крутящего момента, имеющего одно и то же направление.

Поскольку электромагнитное поле обмотки возбуждения 4 и индукционный ток одновременно меняют свое направление, то направление крутящего момента остается неизменным и ротор 8 придет во вращение. Трансформаторная э.д.с., наведенная в беличьей клетке 9, не возникает и не изменяется мгновенно. При вращении ротора 8 участки беличьей клетки 9 с наведенными э.д.с. переносятся к зоне размещения щеток 12, что увеличивает силу индукционного тока, циркулирующего в беличьей клетке 9 на участках, примыкающих к щеткам 12.

При вращении ротора 8 в магнитном потоке обмотки возбуждения 4 в беличьей клетке 9 возникает э.д.с. вращения, направленная против трансформаторных э.д.с., наведенная в замкнутом проводящем контуре 15 и замкнутом проводящем контуре 16. В результате чего индукционный ток, циркулирующий в беличьей клетке 9 и проходящий через проводящие стержни 10, находящиеся в зоне размещения щеток 12, будет тем меньше, чем больше скорость вращения ротора 8.

Так как сила Лоренца прямо пропорциональна величине магнитного потока и тока, на который действует магнитный поток, то крутящий момент электродвигателя также будет пропорционален величине магнитного потока обмотки возбуждения 4 и силе индукционного тока, проходящего через проводящие стержни 10, находящиеся в зоне, примыкающей к вертикальной оси симметрии ротора 8. Так как индукционный ток, проходящий в этих стержнях 10, будет тем меньше, чем больше скорость вращения ротора 8, то и крутящий момент будет уменьшаться пропорционально увеличению скорости вращения ротора 8. Реверс электродвигателя осуществляется путем замены местами щеток 12 замкнутого проводящего контура 15 и 16. Пружинами 22 щетки 12 прижимаются к контактным кольцам 11. Винтами 23 регулируется сила давления пружин 22. Прокладки 17 электрически отделяют проводники 14 от статора 2, а поскольку прокладки 17 крепятся к зубьям 18, выполненным в крайних шихтованных пластинах 19, то монолитность статора 2 сохраняется. Пазы 24, выполненные в крышках 5, позволяют снять крышки 5 таким образом, что щеткодержатели 21 остаются закрепленными на корпусе 1. Гибкие элементы 13 обеспечивают возможность своего отвода в сторону при сборочно-разборочных работах. Отверстие 20 и паз 25 позволяют осуществить непрерывный контакт щетки 12 к контактным кольцам 11.

Таким образом, электродвигатель имеет характеристики, близкие к характеристикам известного репульсионного двигателя с одной обмоткой на статоре и одним комплектом щеток. Но в предлагаемом электродвигателе отсутствует коллектор, за счет этого конструкция удешевляется. Кроме того, это ставит двигатель в более легкие коммутационные условия. Отсутствие коллектора снимает ограничение по мощности двигателя, снижает взрывоопасность, снижает затраты на ремонт двигателя, повышает надежность работы электродвигателя.