бесколлекторная электрическая машина постоянного тока

Формула изобретения

Электрическая машина постоянного тока, содержащая размещенную в корпусе статорную часть с обмотками, расположенными на корпусе, установленную на валу роторную часть с обмоткой, связанную с коммутатором, и соединенную со статором через подшипниковые щиты, в которых расположены подшипники, связанные с токосъемными элементами, отличающаяся тем, что корпус и вал разделены на электрически изолированные части, введен датчик для указания положения ротора, соединенный с коммутатором, который представляет собой полупроводниковую схему управления подачей напряжения на обмотки ротора и запитывается через подшипники с электропроводящей смазкой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения бесколлекторных электрических машин постоянного тока, предназначенных для использования в качестве двигателей или генераторов постоянного тока.

Известна электрическая машина, описанная в заявке РФ №92012386 «Электрическая машина и способ ее изготовления» по кл. Н02К 15/02, 23/00, заявлено 16.12.92, опубл. 10.03.95.

Известная электромашина содержит установленную на валу роторную часть, размещенную в корпусе статорную часть с коммутационным узлом, связанный с корпусом центрирующий элемент с опорным буртиком, а также пару подшипников под концы вала роторной части, установленных в корпусе с возможностью ограниченного вращения, при этом поверхность центрирующего элемента выполнена сферической, а его буртик ортогонален оси вала роторной части электрической машины, причем центр сферы центрирующего элемента расположен в области центра вращения близлежащего подшипника.

Недостатком известной электромашины является сложность конструкции, обусловленная наличием центрирующего элемента.

Известна бесколлекторная универсальная электрическая машина постоянного тока, описанная в одноименной заявке №2004137225 по кл. Н02К 57/00, заявлено 20.12.2004, опубл. 27.05.2006 г.

Известная машина содержит неподвижный статор из магнитомягкой стали, выполненный в виде пустотелого цилиндра, кольцевую обмотку, безобмоточный ротор с постоянными магнитами, при этом на внутренней и наружной сторонах статора параллельно его продольной стороне выполнены открытые продольные пазы, расположенные в шахматном порядке, на валу ротора закреплен диск, на торце которого размещены два концентрично расположенных пустотелых цилиндра, охватывающих статор с внутренней и наружной его сторон, причем на наружной поверхности внутреннего цилиндра и внутренней поверхности наружного цилиндра равномерно по их окружности размещено одинаковое количество постоянных магнитов, а плоскости симметрии каждой пары магнитов совпадают с диаметральными плоскостями симметрии ротора, общими для каждой пары магнитов, а одноименные полюса всех магнитов обращены в сторону статора.

Недостатком известной электрической машины является сложность конструкции.

Известна бесколлекторная универсальная электрическая машина постоянного тока, описанная в одноименном патенте РФ №2130682 по кл. Н02К 27/00, 27/24, 23/54, заявлено 13.02.98, опубл. 20.05.99.

Известная электрическая машина содержит корпус, ротор с магнитными системами и статор с многовитковыми рабочими обмотками, и имеется по меньшей мере один модуль, в котором на валу ротора установлена втулка с внешней и внутренней магнитными системами, между полюсами которых размещен статор с четным или нечетным числом рабочих многовитковых обмоток с четным или нечетным числом рабочих рядов в них, внутри статора размещена система управления рабочими рядами многовитковых обмоток, электрически связанная с электронными коммутаторами, при этом ротор каждого модуля выполнен с пазами для взаимодействия с другими модулями.

Недостатком известной электрической машины является сложность конструкции.

Хотя известны бесколлекторные электрические машины постоянного тока, однако, по мнению заявителя, конструктивно наиболее близкой к заявляемой является электрическая машина постоянного тока, описанная в кн.: И.П.Копылова «Электрические машины», М., «Высшая школа», 2006 г., стр.482-495 и выбранная в качестве прототипа.

Известная электрическая машина постоянного тока - это двигатель (то же, стр.490-492), к станине которого прикреплены главные полюсы с обмотками возбуждения и добавочные полюсы для обеспечения удовлетворительной коммутации, а на валу расположен магнитопровод якоря с обмоткой, секции которой присоединены к коллектору, служащему коммутатором секций обмотки, якорь машины соединен со статором через подшипниковые щиты, в которых находятся подшипники, закрепленные крышками; к одному из подшипниковых щитов прикреплена траверса, на которой расположены щеточные пальцы со щеткодержателями, в которых находятся щетки, обеспечивающие при вращении скользящий контакт с коллектором и служащие токосъемным аппаратом. Для измерения частоты вращения на подшипниковом щите укреплен тахогенератор, выполненный на базе генератора постоянного тока. Станина является одновременно ярмом статора и в ней замыкается поток возбуждения от обмоток возбуждения. Коллектор обычно используется с графитовыми щетками.

При таком конструктивном решении из-за наличия трущихся деталей контактной группы невозможно исключить искрообразование, происходит износ щеточного узла, что накладывает большие ограничения на ресурс электрической машины. Сопротивление в щеточном узле является сопоставимым с сопротивлением обмоток ротора, что приводит к потерям и низкому коэффициенту полезного действия. В совокупности это ухудшает эксплуатационные свойства машины.

Задачей является улучшение эксплуатационных характеристик.

Поставленная задача решается тем, что в электрической машине постоянного тока, содержащей размещенную в корпусе статорную часть с обмотками, расположенными на корпусе, установленную на валу роторную часть с обмоткой, связанную с коммутатором, и соединенную со статором через подшипниковые щиты, в которых расположены подшипники, связанные с токосъемными элементами, согласно изобретению корпус и вал разделены на электрически изолированные части, введен датчик для указания положения ротора, соединенный с коммутатором, который представляет собой полупроводниковую схему управления подачей напряжения на обмотки ротора, и запитывается через подшипники с электропроводящей смазкой.

Разделение корпуса и вала на две электрически изолированные части дает возможность подавать напряжение на полупроводниковую схему управления на обмотки ротора через подшипники, что в совокупности с использованием электропроводящей смазки, исключающей подгорание подшипников, позволяет исключить искрообразование, уменьшить потери и улучшает качество управления.

Технический результат - обеспечение возможности подавать напряжение на схему управления через подшипники.

Заявляемое техническое решение обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как разделение корпуса и вала на электрически изолированные части, введение датчика положения ротора, соединенного со входом коммутатора, выполнение коммутатора в виде полупроводниковой схемы, подача напряжения на схему управления через подшипники, снабженные электропроводящей смазкой, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.

Хотя выполнение коммутатора полупроводниковым известно (см. вышеназванную книгу, стр.483), однако заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, позволяющими в совокупности получить заданный эффект, поэтому он считает, что заявляемая бесколлекторная электрическая машина постоянного тока соответствует критерию «изобретательский уровень».

Заявляемая электрическая машина может найти широкое применение в области электротехники в качестве двигателя или генератора постоянного или переменного тока, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежом, где показан схематично вид устройства в разрезе.

Заявляемая бесколлекторная электрическая машина постоянного тока содержит корпус 1, соосно размещенные в нем на валу 2 статор 3 с обмотками 4, ротор 5 с обмотками 6, подшипники 7, датчик 8 положения ротора 5, схему 9 управления подачей напряжения на обмотки ротора 5. При этом корпус 1 разделен на электрически изолированные части 1' и 1'' с помощью изолятора 10, а вал - также на электрически изолированные части 2' и 2'', выход датчика 8 положения ротора 5 электрически соединен со входом схемы 9 управления подачей напряжения на обмотки 6 ротора 5. Схема 9 управления выполнена на полупроводниковых ключах, датчик 8 может быть механическим, емкостным или оптическим.

Электромашина работает следующим образом.

Напряжение постоянного тока от источника (на чертеже не показан) прикладывается между частями 2' и 2'' вала через подшипники 7. Схема 9 управления подачей напряжения на обмотки 6 ротора 5 на основании показаний датчика 8 положения ротора 5 подает напряжение на обмотки 6 таким образом, чтобы создать вращающий момент в нужном направлении. Обмотки 4 статора 3 всегда запитаны одинаковым образом и могут быть заменены постоянными магнитами. После поворота ротора 5 до следующего показания датчика 8 положения ротора 5 схема 9 управления подачей напряжения на обмотки 6 ротора 5 переключает напряжение на обмотках ротора 5 таким образом, чтобы снова создать момент в нужном направлении вращения. Использование электропроводящей смазки, например марки «HCG+», для подшипников исключает их подгорание.

В сравнении с прототипом заявляемая бесколлекторная электрическая машина постоянного тока имеет более хорошие эксплуатационные характеристики.