Бесколлекторный двигатель постоянного тока
Полезная модель относится к области электрических машин постоянного тока и может быть использована в качестве электрического двигателя на промышленных предприятиях для привода металлорежущих станков и т.п., в крановых, транспортных механизмах, электрическом железнодорожном транспорте, а также на других видах электрического транспорта. Задачей полезной модели является повышение мощности за счет сглаживания пульсаций постоянного тока возбуждения. Технический результат достигается тем, что в бесколлекторный двигатель постоянного тока, содержащий статор с парой полюсов, на которых размещены обмотки возбуждения, якорь с якорными обмотками, закрепленный на валу двигателя, который соединен с валом механической нагрузки, подключенной к источнику переменного тока, контактное устройство, выполненное в виде двух сплошных проводящих контактных колец с неподвижно установленными на них токосъемными скользящими щетками, которые подключены к источнику постоянного тока, согласно заявляемой полезной модели, введен блок управления с мостовыми инверторами тока возбуждения, источником постоянного тока и пакетом программ управления работой двигателя, на паре полюсов статора размещены две автономные, независимые друг от друга, первая и вторая обмотки возбуждения, соединенные с блоком управления, который подключен к механической нагрузке, причем на якоре также размещены две автономные, независимые друг от друга, первая и вторая якорные обмотки, при этом начало первой и второй якорных обмоток присоединено к первому сплошному проводящему контактному кольцу, а конец первой и второй якорных обмоток присоединено ко второму сплошному проводящему контактному кольцу, причем блок управления выполнен с возможностью управления переключением полярности постоянного тока в обмотках возбуждения в зависимости от нахождения якорных обмоток в верхнем или нижнем положениях. 4 ил.
Полезная модель относится к области электрических машин постоянного тока и может быть использована в качестве электрического двигателя на промышленных предприятиях для привода металлорежущих станков и т.п., в крановых, транспортных механизмах, электрическом железнодорожном транспорте, а также на других видах электрического транспорта.
Наиболее близким техническим решением является генератор постоянного тока по патенту РФ 
2396676, МПК Н02К 23/26, Н02К 23/68, 10.08.2010, содержащий статор с полюсами, на которых размещены обмотки возбуждения, якорь с якорной обмоткой, закрепленный на валу генератора, который соединен с валом приводного синхронного двигателя, подключенного к источнику переменного напряжения, контактное устройство, выполненное в виде двух проводящих сплошных контактных колец, с неподвижно установленными на них токосъемными скользящими щетками, при этом к одному из проводящих контактных колец присоединено начало якорной обмотки, а ко второму проводящему контактному кольцу подключен конец якорной обмотки, причем обмотки возбуждения генератора подключены к источнику переменного напряжения.
Данный генератор может быть преобразован в бесколлекторный двигатель постоянного тока при выполнении следующих изменений.
1. Вместо приводного двигателя подключается механическая нагрузка.
2. От внешнего источника питания на якорную обмотку подается постоянный токе напряжением UС сети.
3. Путем введения дополнительного преобразователя переменного напряжения в постоянное на обмотки возбуждения подается постоянное напряжение UВ возбуждения.
Недостатком такого двигателя является его невысокая мощность из-за невысокого значения электродвижущей силы (ЭДС) в результате пульсаций постоянного тока в обмотках возбуждения.
Задачей полезной модели является повышение мощности за счет сглаживания пульсаций постоянного тока возбуждения.
Технический результат достигается тем, что в бесколлекторный двигатель постоянного тока, содержащий статор с парой полюсов, на которых размещены обмотки возбуждения, якорь с якорными обмотками, закрепленный на валу двигателя, который соединен с валом механической нагрузки, подключенной к источнику переменного тока, контактное устройство, выполненное в виде двух сплошных проводящих контактных колец с неподвижно установленными на них токосъемными скользящими щетками, которые подключены к источнику постоянного тока согласно заявляемой полезной модели, введен блок управления с мостовыми инверторами тока возбуждения, источником постоянного тока и пакетом программ управления работой двигателя, на паре полюсов статора размещены две автономные, независимые друг от друга, первая и вторая обмотки возбуждения, соединенные с блоком управления, который подключен к механической нагрузке, причем на якоре также размещены две автономные, независимые друг от друга, первая и вторая якорные обмотки, при этом начало первой и второй якорных обмоток присоединено к первому сплошному проводящему контактному кольцу, а конец первой и второй якорных обмоток присоединено ко второму сплошному проводящему контактному кольцу, причем блок управления выполнен с возможностью управления переключением полярности постоянного тока в обмотках возбуждения в зависимости от нахождения якорных обмоток в верхнем или нижнем положениях.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена электрическая схема предлагаемого бесколлекторного двигателя постоянного тока, на фиг.2, 3 показаны положения якоря двигателя, на котором расположены первая и вторая якорные обмотки, а именно, на фиг.2 - при верхнем и нижнем положениях, соответственно, первой и второй якорных обмоток, когда угол поворота якоря равен 90°, на фиг.3 - при нижнем и верхнем положениях, соответственно, первой и второй якорных обмоток, когда угол поворота якоря равен 270°, на фиг.4 - зависимость ЭДС (е) от угла поворота якоря (
).
Цифрами на фиг.1, 2, 3 обозначены:
1 - статор,
2 - пара полюсов,
3а - первая обмотка возбуждения,
3б - вторая обмотка возбуждения,
4 - якорь,
5а - первая якорная обмотка,
5б - вторая якорная обмотка,
6 - контактное устройство,
7 - вал двигателя,
8 - первое сплошное проводящее контактное кольцо,
9 - второе сплошное проводящее контактное кольцо,
10 - токосъемная скользящая щетка первого проводящего контактного кольца,
11 - токосъемная скользящая щетка второго проводящего контактного кольца,
12 - источник постоянного тока,
13 - механическая нагрузка,
14 - вал механической нагрузки,
15 - источник переменного тока,
16 - блок управления.
Бесколлекторный двигатель постоянного тока содержит статор 1 с парой полюсов 2, на которых размещены обмотки возбуждения 3а и 3б, якорь 4 с якорными обмотками 5а и 5б, закрепленный на валу 7 двигателя, который соединен с валом 14 механической нагрузки 13, подключенного к источнику 15 переменного тока, а также контактное устройство 6, закрепленное на валу 7 двигателя. Контактное устройство 6 выполнено в виде двух сплошных проводящих контактных колец, первого 8 и второго 9. На сплошных проводящих контактных кольцах 8 и 9, соответственно, неподвижно установлены токосъемные скользящие щетки 10 и 11, которые подключены к источнику постоянного тока 12 и подают постоянное напряжение сети UС, на якорные обмотки 5а и 5б.
Отличием предлагаемого бесколлекторного двигателя постоянного тока является то, что в него введен блок 16 управления с мостовыми инверторами тока возбуждения, источником постоянного тока (на чертеже условно не показаны) и пакетом программ управления работой двигателя. Программа управления составляется заранее для заданного режима работы и в процессе работы бесколлекторного двигателя остается постоянной. На паре полюсов 2 статора 1 размещены две автономные, независимые друг от друга, обмотки возбуждения, соответственно, на одном полюсе первая 3а и на другом полюсе вторая 3б, управляемые, соответственно, первым и вторым мостовыми инверторами блока 16 управления. Каждая обмотка возбуждения 3а и 3б, токи в которых переключаются независимыми первым и вторым мостовыми инверторами тока возбуждения, включена в полнотактную схему преобразования, которая управляет направлением тока в обмотке возбуждения в зависимости от места нахождения якорных обмоток 5а и 5б - в верхней или нижней части ротора, т.е. в блоке 16 управления первый мостовой инвертор управляет направлением тока в первой обмотке возбуждения 3а в зависимости от места нахождения первой якорной обмотки 5а, а второй мостовой инвертор управляет направлением тока во второй обмотке возбуждения 3б в зависимости от места нахождения второй якорной обмотки 5б.
Мостовые инверторы блока 16 управления питают обмотки возбуждения 3а и 3б постоянным током, меняющим свою полярность с положительной полярности на отрицательную через 180° по программе, установленной в блоке 16 управления. С вала 7 двигателя информация об угле положения вала передается в блок 16 управления, где по результатам этой информации осуществляется управление токами обмоток 3а и 3б возбуждения, а также общее управление режимами работы двигателя. На якоре 4 также размещены две автономные, независимые друг от друга, первая 5а и вторая 5б якорные обмотки, разнесенные на 180°, т.е. они разнесены равномерно друг от друга на 90° от начала и конца каждой обмотки. Начало первой 5а и второй 5б якорных обмоток присоединено к первому сплошному проводящему контактному кольцу 8, а конец первой 5а и второй 5б якорных обмоток присоединен ко второму сплошному проводящему контактному кольцу 9, т.е. якорные обмотки 5а и 5б соединяются параллельно и ток нагрузки повышается до двух раз, а мощность на выходе повышается в два раза. Механической нагрузкой 13 двигателя может быть привод металлорежущего станка. Блок 16 управления подключен к включателю механической нагрузки 13. Блок 16 управления выполнен с возможностью управления переключением полярности постоянного тока в обмотках 3а и 3б возбуждения в зависимости от нахождения якорных обмоток 5а и 5б в верхнем или нижнем положениях.
Рассмотрим работу бесколлекторного двигателя постоянного тока.
На вход двигателя со щеток 10 и 11, подключенных к источнику постоянного тока 12 и контактирующих со сплошными проводящими контактными кольцами 8 и 9, подается постоянное напряжение U С. При включении двигателя, переменное напряжение от источника 15 поступает на включение механической нагрузки 13. Вал 14 механической нагрузки 13 начинает вращаться против часовой стрелки с установившейся частотой. Так как число пар полюсов двигателя равно единице, вал 14 механической нагрузки 13 и, соединенный с ним, вал 7 двигателя совершают один оборот за период «Т». При этом за один оборот якоря 4 изменяется направление тока в обмотках возбуждения (3а и 3б), и происходит смена полярности полюсов 2. При этом постоянство полярности ЭДС, индуктируемой под действием магнитного поля полюсов 2 в якорных обмотках 5а и 5б при вращении якоря 4, обеспечивается следующим образом. В первой половине оборота якоря 4, например, при угле равном 90° (фиг.2), щетка 10, соприкасающаяся с первым сплошным проводящим контактным кольцом 8, соединенным с началом первой 5а и второй 5б якорных обмоток, имеет положительный потенциал, вследствие того, что к этой щетке подводится ток от активной стороны якорной обмотки 5а, расположенной под полюсом N, щетка 11 в этот момент времени имеет отрицательный потенциал. При угле поворота якоря 4 равном 270° (фиг.3), когда активные стороны якорных обмоток 5а и 5б поменялись местами, полярность щеток 11 и 10 остается неизменной, так как при нижнем положении активной стороны якорной обмотки 5а и верхнем положении активной стороны якорной обмотки 5б, нижний полюс меняет свою полярность с S на N, а верхний с N на S. В результате полярность ЭДС, индуктируемой в якорных обмотках 5а и 5б при вращении якоря 4, сохраняется постоянной (фиг.4). Блок 16 с мостовыми инверторами тока возбуждения, источником постоянного тока и пакетом программ управления работой двигателя управляет запуском двигателя, механической нагрузки 13 и токами возбуждения двигателя.
При запуске двигателя и механической нагрузки 13 одновременно включаются первый и второй мостовые инверторы (на чертеже условно не показаны) блока 16 управления, которые питают обмотки 3а и 3б возбуждения постоянным током. Токи возбуждения в первой 3а и второй 3б обмотках возбуждения, наводят ЭДС, соответственно, в первой 5а и второй 5б якорных обмотках. Токи в первой 3а и второй 3б обмотках возбуждения имеют такие направления, что ЭДС совпадают с полярностями в начале первой 5а и второй 5б якорных обмоток. На фиг.2 в первой половине оборота якоря 4, при угле равном 90°, первая 5а и вторая 5б якорные обмотки находятся, соответственно, в верхнем и нижнем положениях вала ротора двигателя. Далее, с перемещением вала 7 двигателя еще на 180° (фиг.3) мостовые инверторы блока 16 управления вызывают токи возбуждения в обмотках 3а и 3б возбуждения, но обратной полярности. Постоянный ток возбуждения меняет свою полярность (с положительной полярности на отрицательную полярность) через 180° в соответствии с программой управления работы двигателя. Эти токи возбуждения в первой 3а и второй 3б обмотках возбуждения, наводят ЭДС, соответственно, в первой 5а и второй 5б якорных обмотках, совпадающие с ранее возбужденными полярностями.
Так как на якоре 4 размещены две автономные, независимые друг от друга, первая 5а и вторая 5б якорные обмотки, разнесенные на 180° (они разнесены равномерно друг от друга на 90° от начала и конца каждой обмотки), выходная ЭДС двигателя получается без пульсаций, такой, как она представлена на фиг.4 (без учета потерь в обмотке якоря, которой можно пренебречь).
Использование заявляемой полезной модели позволит, по сравнению с прототипом, повысить мощность двигателя за счет введения в него блока управления с мостовыми инверторами, источником постоянного тока и пакетом программ управления работой генератора, размещения на полюсах статора двух автономных, независимых друг от друга, первой и второй обмоток возбуждения, управляемых двумя независимыми первым и вторым мостовыми инверторами, размещения на якоре двух автономных, независимых друг от друга, первой и второй якорных обмоток, разнесенных на 180°, выполнения блока управления с возможностью управления переключением полярности постоянного тока в первой и второй обмотках возбуждения в зависимости от нахождения первой и второй якорных обмоток в верхнем или нижнем положениях.
Бесколлекторный двигатель постоянного тока, содержащий статор с парой полюсов, на которых размещены обмотки возбуждения, якорь с якорными обмотками, закрепленный на валу двигателя, который соединен с валом механической нагрузки, подключенной к источнику переменного тока, контактное устройство, выполненное в виде двух сплошных проводящих контактных колец с неподвижно установленными на них токосъемными скользящими щетками, которые подключены к источнику постоянного тока, отличающийся тем, что в него введен блок управления с мостовыми инверторами тока возбуждения, источником постоянного тока и пакетом программ управления работой двигателя, на паре полюсов статора размещены две автономные независимые друг от друга первая и вторая обмотки возбуждения, соединенные с блоком управления, который подключен к механической нагрузке, причем на якоре также размещены две автономные независимые друг от друга первая и вторая якорные обмотки, при этом начало первой и второй якорных обмоток присоединено к первому сплошному проводящему контактному кольцу, а конец первой и второй якорных обмоток присоединен ко второму сплошному проводящему контактному кольцу, причем блок управления выполнен с возможностью управления переключением полярности постоянного тока в обмотках возбуждения в зависимости от нахождения якорных обмоток в верхнем или нижнем положении.
