Машина постоянного тока

 

Изобретение относится к электрорадиотехнике и может быть использовано в качестве источника постоянного тока и в качестве двигателя в электроприводах постоянного тока. Сущность изобретения состоит в том, что машина постоянного тока содержит якорь с обмоткой и гладкий ротор, разделенные воздушным зазором, якорь которой выполнен неподвижным, закреплен в немагнитной станине, включает полый цилиндр из магнитомягкой стали с отверстиями по окружности в его средней части и спиральную обмотку с парными перекрещенными витками, проходящими через эти отверстия, уложенными на гладкий цилиндр, либо в пазы, выполненные на его внутренней и внешней поверхности, а ротор выполнен в виде двух полых цилиндров из магнитомягкой стали с заключенным между ними источником продольного постоянного магнитного поля, закрепленных на общем валу, и установлен в немагнитных подшипниковых щитах. Технический результат состоит в возможности получения в машине как значительных напряжений, так и значительных токов, в упрощении конструкции и технологии изготовления машины, в повышении и надежности машины, снижении массы машины, а также ее стоимости. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство относится к области электрических машин, конкретно к машинам постоянного тока, и может быть использовано в качестве генератора или двигателя постоянного тока.

Известны коллекторные машины постоянного тока, включающие статор с индуктором-источником постоянного магнитного поля и вращающийся на валу якорь с шихтованным магнитопроводом в виде стального барабана с пазами, обмоткой и коллектором, на который накладываются щетки [1]. Коллекторные машины постоянного тока в генераторном режиме позволяют получить ЭДС и токи значительной величины в пределах их расчетной мощности. Недостатками коллекторных машин постоянного тока являются: наличие щеточно-коллекторного узла, наличие в обмотке якоря переменных ЭДС и связанных ними пульсаций, необходимость применения шихтованного магнитопровода, сложность изготовления, высокие весогабаритные показатели и стоимость.

Известны униполярные машины, включающие неподвижный индуктор и вращающийся якорь дисковой или цилиндрической конструкции со скользящим токосъемом [2]. Униполярные машины отличаются простотой конструкции, позволяют получить значительные величины токов. Недостатками являются трудность получения значительных величин напряжений на них в генераторном режиме, наличие учла скользящего токосъема, высокие габариты и вес.

Известна машина постоянного тока И. Скибицкого, которая включает статор с обмоткой возбуждения, якорь, щеточный механизм и контактное устройство, выполненное в виде двух контактных колец, одно из которых сплошное, а другое разрезано на три сегмента, сдвинутые на 120 град. Обмотка якоря выполнена из трех катушек, сдвинутых друг относительно друга также на 120 град. Начала катушек присоединяются к сплошному кольцу, а концы - к сегментам разрезанного кольца [3] . Конструкция машины является попыткой соединить достоинства обычной коллекторной машины постоянного тока и униполярной машины.

Недостатком машины постоянного тока И. Скибицкого является неэффективное использование активных материалов (меди и стали), поскольку большую часть времени (две трети одного оборота якоря), за исключением времени коммутации двух катушек, в работе машины участвует одна катушка, т.е. лишь треть обмотки якоря. Сверх того, в течение времени присоединения катушки к внешней цепи активными проводниками по определению может быть только половина проводников катушки. Стало быть, использование меди в такой машине втрое хуже, чем в обычной коллекторной машине. Кроме того, в катушках наводится переменная ЭДС, выпрямляемая щеточно-контактным устройством, суть которого - очень упрощенный коллектор, число ламелей которого сведено к трем. Следовательно, в прототипе сохраняются проблемы пульсации напряжения и коммутации, присущие обычным коллекторным машинам. Другими словами, упрощение конструкции машины и его технологии достигается за счет неэффективного использования активных материалов и, следовательно, увеличения эквивалентной массы машины.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в усовершенствовании машины постоянного тока путем синтеза достоинств коллекторных и униполярных машин постоянного тока и достижении следующих технических результатов: - возможность получения в машине как значительных напряжений, так и значительных токов; - упрощение конструкции; - упрощение технологии изготовления машины; - повышение надежности машины; - снижение массы машины; - снижение стоимости машины.

Задача решается тем, что в машине постоянного тока, содержащей якорь с обмоткой и гладкий ротор, разделенные воздушным зазором, ее якорь выполнен неподвижным, закреплен в немагнитной станине, включает полый цилиндр из магнитомягкой стали с отверстиями по окружности в его средней части и спиральную обмотку с парными перекрещенными витками, проходящими через эти отверстия, уложенными на гладкий цилиндр, либо в пазы, выполненные на его внутренней и внешней поверхностях, а ротор выполнен в виде двух зубчатых полых цилиндров из магнитомягкой стали с заключенным между ними источником продольного постоянного магнитного поля, закрепленными на общем валу, и установлен в немагнитных подшипниковых щитах. Немагнитная станина и подшипниковые щиты, например, из алюминиевых сплавов исключают обходные пути замыкания рабочего магнитного потока. Таким образом, для предлагаемой машины могут быть использованы, например, алюминиевые корпуса асинхронных машин серий 4A, 5A, 6A со стандартными высотами осей вращения.

Спиральная обмотка якоря с парными перекрещенными витками может быть выполнена из многовитковых перекрещенных секций, каждая из которых занимает один или несколько пазов, соединяемых последовательно, либо параллельно, либо последовательно-параллельно. В первом и втором случаях машина, например, в генераторном режиме обеспечивает значительные величины напряжений и токов, подобно обычной коллекторной машине, в третьем случае - значительные величины токов при небольшом напряжении, подобно униполярной машине.

В качестве источника продольного постоянного магнитного поля ротора используется кольцевой постоянный магнит, либо обмотка возбуждения. В первом случае машина постоянного тока является бесконтактной. Во втором случае на валу устанавливаются изолированные контактные кольца для подведения напряжения возбуждения.

Устройство машины постоянного тока и его узлов поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 изображен якорь с обмоткой 1 и ротор 2 с источником постоянного магнитного поля 3, разделенные воздушным зазором 4.

Якорь выполнен неподвижным и закреплен в немагнитной станине, которая на рисунке не показана. Он включает полый цилиндр 5 из магнитомягкой стали с отверстиями по окружности в его средней части и спиральную обмотку 6 с парными перекрещенными витками, а ротор выполнен в виде двух полых зубчатых цилиндров из магнитомягкой стали с заключенным между ними источником постоянного магнитного поля, закрепленными на общем валу 7. Цилиндры ротора выполнены полыми с целью снижения веса машины и уменьшения момента инерции ротора.

Источником постоянного магнитного поля может являться постоянный магнит, либо обмотка возбуждения. В первом случае машина является бесконтактной. Во втором случае на валу устанавливаются два изолированных от него и друг от друга контактных кольца с наложенными на них щетками для подведения напряжения возбуждения машины.

Конфигурация одной пары перекрещенных витков обмотки якоря показана на фиг. 2, а конфигурация секции - на фиг. 2, б. Обмотка якоря может быть намотана на гладкий цилиндр магнитопровода, а также уложена в пазы. Их выполняют вдоль образующих внутренней и внешней поверхностей цилиндрического магнитопровода якоря. Пример выполнения пазов на внешней и внутренней поверхностях магнитопровода показан на фиг. 3. В средней части пазов проделаны отверстия, а в торцах магнитопровода у краев - углубления, соответствующие высоте паза. Укладка обмотки в пазы защищает обмотку от механических повреждений, повышает прочность и надежность конструкции.

Спиральная обмотка якоря с парными перекрещенными витками может быть выполнена распределенной однозаходной и многозаходной, что обеспечивает значительные величины напряжения машины. Обмотка практически не имеет лобовых частей: их длина близка по величине толщине магнитопровода. Для получения градаций значительных величин напряжений и токов спиральная обмотка якоря с парными перекрещенными витками может быть выполнена из многовитковых секций, соединяемых последовательно, либо последовательно-параллельно, либо параллельно.

Принцип действия машины основан на законе электромагнитной индукции и с очевидностью следует из фиг. 1. Для определенности рассмотрим режим генератора. Рабочий магнитный поток _p, создаваемый постоянным магнитом либо обмоткой возбуждения, неподвижен относительно ротора. Поток, распределяемый по всему воздушному зазору посредством стальных цилиндров ротора, замыкается через магнитопровод якоря, дважды пересекая воздушный зазор машины.

При вращении ротора магнитный поток пересекает только активные части перекрещенных парных витков обмотки якоря, наводя в них ЭДС встречного знака e1 и e2, которые равны друг другу и, благодаря перекрещиванию витков, алгебраически складываются между собой (фиг. 2, а): e_в = e1 + e2 = 2e.

Во внешних проводниках обмотки якоря ЭДС не наводится.

Суммарная ЭДС генератора E будет пропорциональна числу последовательно соединенных парных витков, длине их активной части, величине магнитной индукции в воздушном зазоре и скорости вращения ротора: E = 2кВlw, B, поскольку = r,
E = 2кВlwr,
где к - конструктивный коэффициент; B - индукция в воздушном зазоре, Т; l - длина активной части парного витка, м; w - число витков; - окружная скорость ротора, м/с; r - внешний радиус ротора, м; - угловая скорость ротора, 1/с.

При последовательно-параллельном соединении n секций обмотки с равным числом витков w_с в каждой, суммарная ЭДС обмотки E будет равна алгебраической сумме ЭДС каждой секции E_с:
E = nEc= 2nкВlwcr.
При параллельном соединении всех витков или всех секций суммарная ЭДС машины равна ЭДС одного витка или одной секции, машина способна обеспечить значительные величины тока. В этом случае в известной мере ее можно уподобить униполярной машине.

ЭДС, наводимая в каждом парном перекрещенном витке неподвижного якоря, неизменна по знаку. С другой стороны, наличие изолированных витков, уложенных вдоль внутренней образующей цилиндра, как в коллекторной машине постоянного тока, позволяет суммировать ЭДС витков произвольным образом, получая в пределах расчетной номинальной мощности машины любые требуемые значения номинальных напряжений и токов.

Следует отметить, что при равенстве витков секций при любом виде их соединений в предлагаемой машине принципиально отсутствуют уравнительные токи, присущие обмоткам обычных коллекторных машин постоянного тока и нет необходимости в уравнительных соединениях. Кроме того, поток реакции якоря, расщепленный на два равных встречных потока _a, замыкается по кольцу в основном в пределах магнитопровода якоря. Таким образом, в предлагаемой машине явление реакции якоря не выражено явно, как и связанное с ним явление смещения нейтрали.

Использование меди в предлагаемой машине не меньше этого показателя в обычной машине постоянного тока, поскольку обмотка практически не имеет лобовых частей. Так, отношение активной части витка якоря к его общей длине составляет в прототипе около 0.33, в обычной машине постоянного тока 0.55. В предлагаемой машине это отношение равно 0.5.

Возможность получения как значительных напряжений, так и значительных токов в заявляемой машине достигается тем, что спиральная обмотка якоря с парными перекрещенными витками может быть выполнена из многовитковых секций, соединяемых последовательно, либо последовательно-параллельно, либо параллельно.

Упрощение конструкции достигается тем, что якорь заявляемой машины выполнен неподвижным, состоящим из стального полого цилиндра с отверстиями по окружности в его средней части, на которой намотана спиральная обмотка с перекрещенными витками. ЭДС, наводимая в каждом парном перекрещенном витке неподвижного якоря вращающимся полем ротора, неизменна по знаку.

Упрощение технологии изготовления заявляемой машины достигается тем, что не требует использования шихтованного магнитопровода, могут быть использованы стандартные конструкции корпусов серийных машин из алюминиевых сплавов, например, асинхронных машин единых серий.

Снижение массы заявляемой машины достигается тем, что в ней лучше, чем в прототипе, используется медь обмотки якоря и сталь магнитопровода, ротор выполнен полым.

Снижение стоимости заявляемой машины достигается тем, что упрощается технология ее изготовления и материалоемкость.

Таким образом, заявляемая машина, будучи предельно простой по конструкции и надежной, соединяет в себе достоинства коллекторных машин постоянного тока и униполярных машин, а в одном из вариантов конструкции - и бесконтактной, обладая при этом меньшим по сравнению с аналогами весом и стоимостью.

Использование заявляемой машины в качестве генератора дает возможность получить простой, легкий, надежный, долговечный источник постоянного тока. Применение ее в электроприводах позволяет заменить громоздкую, дорогостоящую коллекторную машину на простой, надежный, легко поддающийся регулированию скорости двигатель.

Литература
1. А.В. Иванов-Смоленский. Электрические машины. - М.: Энергия, 1980. - 928 с., илл. С. 704-706.

2. Д. А. Бут. Основы электротехники. - М.: МАИ, 1996. - 468 с., илл. С. 226-228.

3. Машины постоянного тока И. Скибицкого. Бюлл. N 27, 27.09.97. (RU 2091966 C1).

Формула изобретения

1. Машина постоянного тока, содержащая якорь с обмоткой и ротор, разделенные воздушным зазором, отличающаяся тем, что якорь выполнен неподвижным, закреплен в немагнитной станине, включает цилиндр из магнитомягкой стали с отверстиями по окружности в его средней части, при этом обмотка якоря выполнена с парными перекрещенными витками, проходящими через отверстия цилиндра, и уложена на гладкий цилиндр либо в пазы, выполненные на его внутренней и внешней поверхности, а ротор установлен в немагнитных подшипниковых щитах и выполнен в виде двух закрепленных на общем валу цилиндров из магнитомягкой стали с заключенным между ними источником продольного постоянного магнитного поля.

2. Машина постоянного тока по п.1, отличающаяся тем, что обмотка якоря с парными перекрещенными витками выполнена из многовитковых перекрещенных секций, соединенных последовательно, либо параллельно, либо последовательно-параллельно.

3. Машина постоянного тока по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве источника продольного постоянного магнитного поля ротора используется кольцевой магнит либо обмотка возбуждения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3