| SU581554A1 | 1977-11-25 | |||
| SU1758787A1 | 1992-08-30 | |||
| SU587569A1 | 1978-01-05 | |||
| SU4796A1 | 1924-09-15 | |||
| US5522653A | 1996-06-04 | |||
| EP0678965A2 | 1995-10-25 |
ПРОЗОРОВСКАЯ, Елена Васильевна (RU)
| Формула изобретения 1. Многоколлекторная машина выпрямленного тока, содержащая ротор с обмоткой, разделенной на изолированные между собой секции, магнитопровод, вал машины, по меньшей мере, два коллектора, соединенные с секциями обмоток, статор с системой возбуждения с, по меньшей мере, одной парой главных магнитных полюсов и с, по меньшей мере, двумя парами щеток, корпус машины, отличающаяся тем, что каждый коллектор выполнен в виде двух коллекторных пластин электрически изолированных друг от друга, от других коллекторов и от ротора, в каждом коллекторе одна из коллекторных пластин соединена с началом, а вторая с концом одной и той же секции обмотки ротора, секции обмотки могут быть электрически связаны только на статоре машины через свои коллекторы и пары щеток, количество пар щеток равно количеству коллекторов и количеству секций обмотки ротора, коллекторы расположены вдоль вала машины таким образом, что их поперечная ось повернута относительно поперечной оси главных полюсов (q) по направлению нумерации секций на угол, определяемый из соотношения: γcc = ±(1 - Nc)-2-π/c, где γcc - угол поворота поперечной оси коллектора, рад.; Nc - номер коллектора; с - количество коллекторов в многоколлекторной МВТ; "+" - при последовательной нумерации секций машины против часовой стрелки; "-" - при последовательной нумерации секций машины по часовой стрелке. 2. Многоколлекторная машина выпрямленного тока по п.l, отличающаяся тем, что она снабжена системой охлаждения ротора и/или статора. 3. Многоколлекторная машина выпрямленного тока по любому из п.п.1,2, отличающаяся тем, что система возбуждения содержит, по меньшей мере, одну пару вспомогательных магнитных полюсов. 4. Многоколлекторная машина выпрямленного тока по любому из п.п.1,2,3, отличающаяся тем, что коллекторы находятся с разных торцевых сторон машины. 5. Многоколлекторная машина выпрямленного тока по любому из п.п.1,2,3,4, отличающаяся тем, что все пары щеток установлены на линии физической нейтрали путем поворота их на угол β относительно поперечной оси главных полюсов по направлению вращения в режиме генератора и против направления вращения в режиме двигателя. 6. Многоколлекторная машина выпрямленного тока по любому из п. п.1,2,3,4,5, отличающаяся тем, что продольная и поперечная оси, по меньшей мере, одного коллектора повернуты относительно продольной и поперечной оси своей секций на угол ψ, при этом пара щеток подключенных к этому коллектору так же повернута в том же направлении на угол ψ. 7. Многоколлекторная машина выпрямленного тока по любому из п.п.1,2, 3,4,5,6, отличающаяся тем, что однополярные щетки разных коллекторов соединены между собой параллельно. 8. Многоколлекторная машина выпрямленного тока по любому из п.п.1,2,3,4,5,6, отличающаяся тем, что однополярные щетки разных коллекторов соединены между собой последовательно. 9. Многоколлекторная машина выпрямленного тока по любому из п. п.1,2, 3,4,5,6,7, 8, отличающаяся тем, что она выполнена с независимой системой возбуждения от постоянных магнитов. 10. Многоколлекторная машина выпрямленного тока по любому из п.п.1,2,3,4,5,6,7,8, отличающаяся тем, что она выполнена с электромагнитным независимым возбуждением. 11. Многоколлекторная машина выпрямленного тока по любому из п.п.1,2,3,4,5,6,7,8, отличающаяся тем, что она выполнена с последовательной системой возбуждения. 12. Много коллекторная машина выпрямленного тока по любому из п.п.1,2,3,4,5,6,7,8, отличающаяся тем, что она выполнена с параллельной системой возбуждения. 13. Многоколлекторная машина выпрямленного тока по любому из п. п.1,2,3,4,5,6,7,8, отличающаяся тем, что она выполнена со смешанной системой возбуждения, когда обмотки возбуждения подключены к одному коллектору по схеме "короткий шунт". 14. Многоколлекторная машина выпрямленного тока по любому из п. п.1,2,3,4,5,6,7,8, отличающаяся тем, что она выполнена со смешанной системой возбуждения, когда обмотки возбуждения подключены к одному коллектору по схеме "длинный шунт". 15. Многоколлекторная машина выпрямленного тока по любому из п. п.1,2,3,4,5,6,7,8, отличающаяся тем, что она выполнена со смешанной системой возбуждения, когда обмотки возбуждения подключены к разным коллекторам. |
Изобретение относится к электротехнике, а именно к коллекторным электрическим машинам постоянного, предпочтительно, выпрямленного тока (МВТ). Изобретение может быть использовано в конструкциях генераторов или двигателей выпрямленного или постоянного тока в промышленности и/или быту.
Предшествующий уровень техники
Известна коллекторная машина постоянного тока (МПТ), содержащая статор с системой возбуждения с, по меньшей мере, одной парой главных магнитных полюсов и с, по меньшей мере, одной парой щеток, ротор с магнитопроводом и с секционированной обмоткой, подключенной к одному коллектору, который состоит из коллекторных пластин, как правило, медных и изоляционных промежутков между ними (Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины.
Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы, Учебник для вузов, СПб, 2008, c.90-96).
Недостатками известной коллекторной МПТ являются технологическая сложность изготовления обмотки ротора и коллектора, сложность изготовления машины на высокое напряжение, небольшое количество систем возбуждения, наличие короткозамкнутых секций при большом их количестве, приводящих к дополнительным потерям.
Известна электрическая машина постоянного тока, содержащая якорь с обмоткой, разделенной на изолированные между собой секции, магнитопровод, по меньшей мере, два последовательно установленных на валу ротора кольцевых коллектора, соединенные с обмотками, систему возбуждения с, по меньшей мере, одной парой главных магнитных полюсов и статор с попарно однополярными щетками (SU N° 581554, 1977, прототип).
Недостатками этой машины являются неоптимальные массо-габаритные характеристики, недостаточная надежность, малое количество вариантов регулирования электромеханического момента, мощности и скорости вращения вала машины. Раскрытие сущности изобретения
Технической задачей изобретения является упрощение конструкции коллекторной машины постоянного тока, снижение стоимости ее изготовления, улучшение массогабаритных характеристик, увеличение количества возможных систем возбуждения, повышение надежности работы машины, получение новых способов регулирования электромеханического момента на валу машины, ее мощности и скорости вращения, расширение разновидностей электрических машин постоянного тока.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, достигается тем, что каждый коллектор машины выпрямленного тока (МВТ) выполнен в виде двух коллекторных пластин электрически изолированных друг от друга, от других коллекторов и от ротора, в каждом коллекторе одна из коллекторных пластин соединена с началом, а вторая с концом одной и той же секции обмотки ротора, секции обмотки не имеют электрической связи между собой на роторе машины, количество пар щеток равно количеству коллекторов и количеству секций обмотки ротора, коллекторы расположены вдоль вала машины таким образом, что их поперечная ось повернута относительно поперечной оси главных полюсов (q) по направлению нумерации секций на угол
Сущность изобретения состоит в том, что многоколлекторная машина выпрямленного тока содержит ротор с обмоткой, разделенной на изолированные между собой секции, > магнитопровод, вал машины, по меньшей мере, два коллектора, соединенные с секциями обмоток, статор с системой возбуждения с, по меньшей мере, одной парой главных магнитных полюсов и с, по меньшей мере, двумя парами щеток, корпус машины, каждый коллектор выполнен в виде двух коллекторных пластин электрически изолированных друг от друга, от других коллекторов и от ротора, в каждом коллекторе одна из коллекторных пластин соединена с началом, а вторая с концом одной и той же секции обмотки ротора, секции обмотки могут быть электрически связаны только на статоре машины через свои коллекторы и пары щеток, количество пар щеток равно количеству коллекторов и количеству секций обмотки ротора, коллекторы расположены вдоль вала машины таким образом, что их поперечная ось повернута относительно поперечной оси главных полюсов (q) по направлению нумерации секций на угол, определяемый из соотношения:
γ cc = ±(l -N c )-2-π/c,
где γ cc - угол поворота поперечной оси коллектора, рад.; N 0 - номер коллектора; с - количество коллекторов в многоколлекторной МВТ; "+" - при последовательной нумерации секций машины против часовой стрелки;
"-" - при последовательной нумерации секций машины по часовой стрелке.
При этом многоколлекторная, система возбуждения содержит, по меньшей мере, одну пару вспомогательных магнитных полюсов, коллекторы находятся с разных торцевых сторон машины, все пары щеток установлены на линии физической нейтрали путем поворота их на угол β относительно поперечной оси главных полюсов по направлению вращения в режиме генератора и против направления вращения в режиме двигателя, продольная и поперечная оси, по меньшей мере, одного коллектора повернуты относительно продольной и поперечной оси своей секций на угол ψ, при этом пара щеток подключенных к этому коллектору так же повернута в том же направлении на угол ψ, однополярные щетки разных коллекторов соединены между собой параллельно, однополярные щетки разных коллекторов соединены между собой последовательно .
Кроме того, в частных случаях реализации машина может быть выполнена с независимой системой возбуждения от постоянных магнитов, или выполнена с электромагнитным - независимым возбуждением или выполнена с последовательной системой возбуждения, или выполнена с параллельной системой возбуждения или выполнена со смешанной системой возбуждения, когда обмотки возбуждения подключены к одному коллектору по схеме "короткий шунт", или выполнена со смешанной системой возбуждения, когда обмотки возбуждения подключены к одному коллектору по схеме "длинный шунт", или выполнена со смешанной системой возбуждения, когда обмотки возбуждения подключены к разным коллекторам.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения
На фиг.l изображен статор трехколлекторной трехсекционной машины выпрямленного тока с возбуждением от постоянных магнитов.
На фиг.2 изображена крышка корпуса трехколлекторной трехсекционной МВТ с возбуждением от постоянных магнитов.
На фиг.З изображен ротор трехколлекторной трехсекционной МВТ с возбуждением от постоянных магнитов. На фиг.4 показано действие электромагнитных сил на один виток обмотки с током.
На фиг.5 показан один коллектор многоколлекторной МВТ. На фиг.6 показано расположение трех коллекторов относительно друг друга в трехколлекторной трехсекционной машине выпрямленного тока. На фиг. 7 показана схема трехколлекторной МВТ, когда продольная (d c i) и поперечная (q c i) ось первого коллектора совпадают с продольной (d) и поперечной (q) осью главных полюсов.
На фиг.8 показана схема трехколлекторной МВТ, когда продольная (d cl ) и поперечная (q c i) ось первого коллектора перпендикулярны продольной (d) и поперечной (q) оси главных полюсов.
На фиг.9 показаны механические характеристики трехколлекторной МВТ с параллельным соединением секций обмотки ротора.
На фиг.10 показан график идеального выпрямленного напряжения на одном коллекторе многоколлекторной МВТ. На фиг.11 показан график реального выпрямленного напряжения на одном коллекторе многоколлекторной МВТ при отсутствии фильтра нижних частот (ФНЧ).
На фиг.12 показан график реального выпрямленного напряжения на одном коллекторе многоколлекторной МВТ при наличии ФНЧ. На фиг.13 показана электрическая схема трехколлекторной МВТ с независимым возбуждением от постоянных магнитов и независимыми секциями обмотки ротора. На фиг.14 показана электрическая схема трехколлекторной МВТ с независимым возбуждением от постоянных магнитов и параллельным соединением секций обмотки ротора.
На фиг.15 показана схема трехколлекторной МВТ с независимым возбуждением от постоянных магнитов и последовательным соединением секций обмотки ротора.
На фиг.16 показана схема трехколлекторной МВТ с электромагнитным независимым возбуждением и независимыми секциями обмотки ротора.
На фиг.17 показана схема трехколлекторной МВТ с электромагнитным независимым возбуждением и параллельным соединением секций обмотки ротора.
На фиг.18 показана схема трехколлекторной МВТ с электромагнитным независимым возбуждением и последовательным соединением секций обмотки ротора. На фиг.19 показана схема трехколлекторной МВТ с параллельным возбуждением и независимыми секциями обмотки ротора.
На фиг.20 показана схема трехколлекторной МВТ с парал лельным возбуждением и параллельным соединением секций обмотки ротора.
На фиг.21 показана схема трехколлекторной МВТ с параллельным возбуждением и последовательным соединением секций обмотки ротора.
На фиг.22 показана схема трехколлекторной МВТ с последовательным возбуждением и независимыми секциями обмотки ротора.
На фиг.23 показана схема трехколлекторной МВТ с последовательным возбуждением и параллельным соединением секций обмотки ротора. На фиг.24 показана схема трехколлекторной МВТ с последовательным возбуждением и последовательным соединением секций обмотки ротора.
На фиг.25 показана схема трехколлекторной МВТ со смешанной системой возбуждения и независимыми секциями обмотки ротора. Обмотки возбуждения подключены к одной секции ротора по схеме "короткий шунт". На фиг.26 показана схема трехколлекторной МВТ со смешанной системой возбуждения и независимыми секциями обмотки ротора. Обмотки возбуждения подключены к одной секции ротора по схеме "длинный шунт". На фиг.27 показана схема трехколлекторной МВТ со смешанной системой возбуждения и независимыми секциями обмотки ротора. Обмотки возбуждения подключены к разным секциям ротора.
На фиг.28 показана схема трехколлекторной МВТ со смешанной системой возбуждения и параллельным соединением секций обмотки ротора. Обмотки возбуждения подключены ко всем секциям ротора по схеме "короткий шунт".
На фиг.29 показана схема трехколлекторной МВТ со смешанной системой возбуждения и параллельным соединением секций обмотки ротора. Обмотки возбуждения подключены ко всем секциям ротора по схеме "длинный шунт". На фиг.30 показана схема трехколлекторной МВТ со смешанной системой возбуждения и последовательным соединением секций обмотки ротора. Обмотки возбуждения подключены ко всем секциям ротора по схеме "короткий шунт".
На фиг.Зl показана схема трехколлекторной МВТ со смешанной системой возбуждения и последовательным соединением секций обмотки ротора. Обмотки возбуждения подключены ко всем секциям ротора по схеме "длинный шунт".
Изобретение поясняется на примере трехколлекторной трехсекционной машины выпрямленного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Эта машина содержит статор (фиг. 1) с одной парой главных магнитных полюсов из постоянных магнитов (1), установленных в металлический корпус (2) и ротор. Ротор трехколлекторной МВТ (фиг. 3) отличается от ротора одноколлекторной МПТ тем, что на каждом коллекторе только две коллекторные пластины (фиг. 5) и электрически он соединен только с одной секцией. Концы обмоточных проводов (фиг. 3), которые соединяются с коллектором N°2 (10), укладываются вдоль ротора сквозь изоляцию коллектора No 1 (11). Концы обмоточных проводов, которые соединяются с коллектором N°3 (9), укладываются также вдоль ротора сквозь изоляцию коллекторов JN°1 и N°2. На крышке корпуса трехколлекторной МВТ (фиг. 2) расположены три пары щеток (3÷8), каждая пара щеток соединяется с одним коллектором с помощью скользящего контакта. Однополярными щетками являются 3,4,5 и 6,7,8. Один коллектор трехколлекторной трехсекционной МВТ показан на фиг. 5, где приняты следующие обозначения: 12, 16 - коллекторные пластины, 13 — отверстия в изоляции для концов обмоточных проводов, 14 - изоляционный промежуток между коллекторными пластинами, 15 - вал машины, 17 - изолятор между валом машины и коллекторными пластинами, (I 0 - продольная ось коллектора, q c - поперечная ось коллектора, D c - диаметр коллектора, R 0 - радиус коллектора, φ к - угол коммутации или половина центрального угла между краями коллекторных пластин, L ϋ .s в.з - половина длины воздушного зазора.
Расположение трех коллекторов относительно друг друга в трехколлекторной МВТ показано на фиг. 6, где приняты следующие обозначения: d - продольная ось главных полюсов, q - поперечная ось главных полюсов, d c i и q c i - продольная и поперечная ось первого коллектора, d c2 и q c2 - продольная и поперечная ось второго коллектора, d c3 и q c з - продольная и поперечная ось третьего коллектора. Расположение коллекторов таково, что поперечная ось первого коллектора q cl совпадает с поперечной осью главных полюсов q, поперечная ось второго коллектора q c2 повернута относительно оси q по часовой стрелке на угол γ c2 равный -2*π/3 рад., а поперечная ось третьего коллектора q c3 повернута относительно поперечной оси главных полюсов q по часовой стрелке на угол γ c3 равный -4*π/3 рад.
В общем случае поворот поперечной оси коллектора в многоколлекторной МВТ осуществляется по направлению нумерации секций относительно поперечной оси главных полюсов (q). При этом угол поворота поперечной оси коллектора равен:
γ cc = ±(l - N c )-2-π/c,
где γ cc - угол поворота поперечной оси коллектора, рад.; N c - номер коллектора, отсчитываемый от оси главных полюсов; с - количество коллекторов в многоколлекторной МВТ; "+" - при последовательной нумерации секций машины против часовой стрелки;
"-" - при последовательной нумерации секций машины по часовой стрелке. Номера коллекторам МВТ присваиваются последовательно начиная с первого. Установка коллекторов осуществляется вдоль вала с любой торцевой стороны машины в произвольном порядке. Каждый коллектор соединен с одной секцией на роторе машины. При этом номер коллектора совпадает с номером секции обмотки ротора.
На фиг.б÷δ приняты три допущения. Первое - на фигурах показаны коллекторы разного диаметра, но в реальной многоколлекторной МВТ эффективнее использовать коллекторы с одинаковыми диаметрами. Второе - на фигурах принято, что все пары щеток установлены на линии геометрической нейтрали, но для уменьшения реакции якоря они могут быть повернуты на угол β и установлены на линии физической или действительной нейтрали. Угол β отсчитывается от поперечной оси главных полюсов по направлению вращения в режиме генератора и против направления вращения в режиме двигателя. Третье - на фигурах принято, что продольная и поперечная ось каждого коллектора совпадает с продольной и поперечной осью своей секции, но в общем случае оси коллектора могут быть повернуты относительно осей своих секций на определенный угол ψ, при этом пара щеток подключенных к этому коллектору так же должна быть повернута в том же направлении на угол ψ.
Многоколлектроная машина выпрямленного тока работает следующим образом.
Если в магнитное поле полюсов постоянных магнитов или электромагнитов поместить рамку из проводящего материала изолированную от соседних элементов конструкции и пропустить через нее ток (фиг. 7, 8), то на проводник этой рамки будут действовать электромагнитные силы. Величина и направление сил определяются законом Ампера.
На фиг. 7 приведена схема трехколлекторной МВТ, когда продольная (d c i) и поперечная (q c i) ось первого коллектора совпадают с продольной (d) и поперечной (q) осью главных полюсов. Машина работает в режиме двигателя, причем к левым щеткам приложено напряжение положительной полярности "+", а к правым отрицательной "-". Каждая секция ротора представлена только одним витком, состоящим из двух активных стержней. Торцевые части витков не показаны, так как согласно закону Ампера крутящий момент они не создают. Каждая секция электрически соединена только с одним коллектором. Соединение произведено таким . образом, что начало секции (первый активный стержень витка) соединяется с ближайшей пластиной коллектора, а конец секции л
(последний активный стержень витка) соединяется с противолежащей пластиной коллектора. На фиг. 7 приняты следующие обозначения: N - северный полюс независимой обмотки возбуждения, S - южный полюс независимой обмотки возбуждения, п - направление скорости вращения ротора многоколлекторной МВТ, В - магнитная индукция.
Направление электромагнитных сил, действующих на активные стержни l÷б, определяется по правилу "левой руки". Через первую секцию электрический ток не протекает, а электромагнитные силы на стержни 1 и 2 не действуют, так как щетки находятся на изоляционном промежутке. На активные стержни второй секции действуют электромагнитные силы F 3 и F 4 равные по модулю и противоположные по направлению. Величина и направление электромагнитного момента действующего на вторую секцию определяется разницей моментов созданных силами F 3 и F 4 . Так как плечо для силы F 4 больше, то крутящий момент второй секции будет определяться силой F 4 и направлен по часовой стрелке. На активные стержни третьей секции так же действуют электромагнитные силы F 5 и F 6 равные по модулю и противоположные по направлению. Крутящий момент, действующий на третью секцию, будет определяться силой F 5 и направлен по часовой стрелке. Суммарный электромагнитный момент, действующий на ротор, равен сумме крутящих моментов всех трех секций и направлен по часовой стрелке.
Схема трехколлекторной МВТ после поворота ротора на 90 градусов по часовой стрелке приведена на фиг. 8. В этом случае продольная (d c i) и поперечная (q cl ) ось первого коллектора перпендикулярны продольной (d) и поперечной (q) оси главных полюсов. В этом положении ротора электрический ток протекает через все три секции, причем крутящий момент первой секции будет наибольшим, так как крутящие моменты, действующие на стержни 1 и 2, складываются, а не вычитаются как у стержней 3, 4 второй и стержней 5, 6 третьей секции. Из-за поворота ротора, крутящий момент второй секции будет определяться силой F 5 , поэтому чтобы сохранить прежнее направление вращения полярность напряжения приложенного к этой секции изменяется на противоположное с помощью второго коллектора. Крутящие моменты первой и третьей секции направлены по часовой стрелке, так же как и суммарный электромагнитный момент, действующий на ротор.
По мере вращения ротора каждый коллектор МВТ переключает полярность напряжения приложенного к своей секции. Моменты времени, когда происходит переключение, определяются положением секции и углом поворота поперечной оси коллектора γ cc - Это приводит к тому, что во время вращения ротора направление действия моментов всех секции МВТ всегда постоянно.
Если изменить напряжение на зажимах машины на противоположное, то МВТ также будет работать в режиме двигателя, но направление вращения ротора измениться на противоположное. Если вал трехколлекторной МВТ приводить во вращение посторонним механизмом, то машина будет работать в режиме генератора, а момент развиваемый секциями ротора будет противоположен моменту стороннего механизма. Полярность напряжения на выводах МВТ в режиме генератора будет противоположной полярности МВТ в режиме двигателя при том же направлении вращения ротора.
Действие электромагнитных сил на один виток с током показано на фиг. 4. Сила, действующая на начало витка F] (на первый активный стержень), равна по модулю и противоположна по направлению силе, действующей на конец витка F 2 (на второй активный стержень). Значение электромагнитного момента, действующего на один виток, определяется по формуле:
M эм в = ±2-F эм cτ -R a -sin(α/2)-cos(ω-t + γ dв ) = ±Ιв'Вδ cp -S в -sin(α/2)-cos(ω-t + γ dв ),
где F эм сτ = I в Вg с р l δ - электромагнитная сила, действующая на один активный стержень витка, H;
R a - радиус якоря, м; α - центральный угол между активными стержнями витка относительно вала машины, рад.; ω - угловая скорость вращения ротора, рад/с; t - время вращения ротора, с;
Y dв - угол между продольной осью витка d в и поперечной осью главных магнитных полюсов q, рад.; I в - ток протекающий по витку секции, А;
В δ.ср - среднее значение магнитной индукции в воздушном зазоре под полюсом машины, T;
S в = 2 R a lg - площадь одного витка, м 2 ; Ь - активная длина проводника обмотки, м;
"+" - при вращении ротора машины против часовой стрелки;
"-" - при вращении ротора машины по часовой стрелке.
Модуль электромагнитного момента, действующего на один виток, будет максимален, когда угол между активными стержнями витка равен α=π рад., а угол между продольной осью витка d в и поперечной осью главных магнитных полюсов q равен γa в = 0 рад. или γ < j в - π рад. При этом модуль электромагнитного момента равен:
Из последней формулы видно что, при прочих равных условиях площадь витка секции должна быть максимально возможной. Так как виток должен быть прямоугольного сечения, то наименьший расход цветного металла будет достигаться, если он будет иметь квадратное сечение. Механические характеристики трехколлекторной МВТ с параллельным соединением коллекторов приведены на фиг. 9, где приняты следующие обозначения: п - скорость вращения вала, по - скорость вращения вала при идеальном холостом ходе, n н - номинальная скорость вращения, M - электромагнитный момент развиваемый МВТ, Ml n - пусковой момент МВТ в режиме двигателя при подаче напряжения только на одну пару щеток 11, 14 или 12, 15 или 13, 16 (линия Ml), M2 П - пусковой момент МВТ при подаче напряжения на любые две пары щеток (линия M2), MЗ П - пусковой момент МВТ при подаче напряжения на три пары щеток (линия МЗ), Ml н , M2 H и MЗ H - номинальные моменты при подаче напряжения соответственно на одну, две и три пары щеток МВТ, I a - ток якоря.
В общем случае отличие одноколлекторной МПТ от многоколлекторной МВТ состоит в следующем. Количество пар щеток (h) в одноколлекторной МПТ равно количеству пар главных магнитных полюсов (р) h=p. В многоколлекторной машине выпрямленного тока количество пар щеток равно количеству коллекторов (с) и может в несколько раз превышать количество пар главных магнитных полюсов h=c>p. Максимально количество коллекторов может быть равно количеству секций обмотки якоря (s) h max =s.
Изготовление многоколлекторной МВТ с количеством коллекторов меньше чем количество секций обмотки якоря c<s нерационально, так как это приведет к уменьшению электромагнитного момента и полезной мощности на валу, а так же увеличит искрение щеток из-за уменьшения размера дуги коллекторных пластин. Оптимальным является, когда количество коллекторов равно количеству секций c=s, а коллекторные пластины занимают примерно половину дуги окружности коллектора (фиг. 5). В этом случае секции будут переключаться тогда, когда ток и напряжение близки к нулю (фиг. 10) и, следовательно, искрообразование минимально. На фиг. 10 приведен график идеального выпрямленного напряжения на одном коллекторе многоколлекторной машины выпрямленного тока, когда дуга коллекторной пластины занимает половину дуги окружности. На графике приняты следующие обозначения: U - напряжение на зажимах многоколлекторной МВТ, U max - амплитудное значение напряжения одной секции, φ - временной угол.
Для того чтобы не было короткого замыкания между щетками необходимо идеальную длину дуги коллекторной пластины L c ид уменьшить на величину воздушного зазора L в з между пластинами. Это в свою очередь приводит к скачкам напряжения в момент коммутации секций. График реального выпрямленного напряжения на одном коллекторе многоколлекторной МВТ при отсутствии фильтра нижних частот (ФНЧ) представлен на фиг. 11. На графике приняты следующие обозначения: U к - напряжение в момент коммутации секции, U пи к - пиковое значение напряжения, φ к - угол коммутации или половина центрального угла между краями коллекторных пластин. Для уменьшения пикового значения напряжения U ПИк необходимо подключить к выводам машины выпрямленного тока фильтр нижних частот (в простейшем случае конденсатор) либо увеличить диаметр коллектора D c . График реального выпрямленного напряжения на одном коллекторе многоколлекторной МВТ при наличии ФНЧ представлен на фиг. 12. Синус угла коммутации:
sin(φ к ) = Lo >5в /Rc = L в JΩ C ,
где L 0; 5в з - половина воздушного зазора между коллекторными пластинами, м; R c - радиус коллектора, м. ЭДС одной секции в момент коммутации:
E к = E max -sin(φ к ) = E max -L в . 3 /Dc,
где E max - амплитудное значение ЭДС, В.
Напряжение в момент коммутации на выводах многоколлекторной МВТ с независимой системой возбуждения от постоянных магнитов равна:
U к = E к ± I 5 -R 5 ,
где I 5 - ток одной секции многоколлекторной МВТ, А; R 5 - сопротивление одной секции многоколлекторной МВТ, Ом;
"+" - в режиме двигателя; "-" - в режиме генератора.
В случае холостого хода ток, протекающий по секции равен нулю I 8 = 0, а напряжение коммутации максимально и равно ЭДС коммутации U к = E к (фиг. 11).
Из последних двух формул видно, что чем больше диаметр коллектора по сравнению с воздушным зазором между его пластинами, тем меньше величина коммутируемого напряжения. Например, для микромашины выпрямленного тока при L в з = 4 мм, D c = 23 мм угол коммутации φ к будет равен π/18 радиан, а величины коммутируемого напряжения и тока составят 17% от их амплитудного значения. На фиг. ΙЗ÷ЗI приведены электрические схемы трехколлекторной МВТ с различными вариантами систем возбуждения и схемами соединения пар щеток.
На схемах приняты следующие обозначения: I - суммарный ток нагрузки МВТ;
Ii , I 2 , I 3 - токи нагрузки первой, второй и третьей секций; I a j, I 32 , I a3 - токи якоря первой, второй и третьей секций; U - напряжение на выводах МВТ; U 1 , U 2 , U 3 - напряжение на первой, второй и третьей паре щеток; i f - ток обмотки возбуждения; R Pf - .реостат возбуждения; l÷б - номера щеток; ФНЧ - фильтр нижних частот, в простейшем случае конденсатор С; OB - обмотка возбуждения.
На электрических схемах сплошными стрелками показаны направления токов и напряжений в режиме генератора G, а пунктирными стрелками - в режиме двигателя M.
В общем случае многоколлекторная машина выпрямленного тока, так же как и одноколлекторная машина постоянного тока, может иметь следующие системы возбуждения: - независимые с возбуждением от постоянных магнитов (фиг. 13÷15);
- независимые с электромагнитным возбуждением (фиг. 16÷18); .
- системы с параллельным возбуждением (фиг. 19÷21);
- системы с последовательным возбуждением (фиг. 22÷24);
- системы со смешанным возбуждением (фиг. 25÷31). Так как многоколлекторные МВТ имеют больше двух коллекторов, то их системы смешанного возбуждения подразделяются на:
- системы смешанного возбуждения, когда обмотки возбуждения подключены к одному коллектору по схеме "короткий шунт" (фиг. 25, 28, 30); - системы смешанного возбуждения, когда обмотки возбуждения подключены к одному коллектору по схеме "длинный шунт" (фиг. 26, 29,
31); системы смешанного возбуждения, когда обмотки возбуждения подключены к разным коллекторам (фиг. 27). По способу соединения щеток многоколлекторные машины выпрямленного тока подразделяются на: - системы возбуждения с независимыми секциями (фиг. 13, 16, 19, 22, 25, 26, 27);
- системы возбуждения с параллельным соединением однополярных щеток разных коллекторов (фиг. 14, 17, 20, 23, 28, 29);
- системы возбуждения с последовательным соединением однополярных щеток разных коллекторов (фиг. 15, 18, 21, 24, 30, 31).
Отличия одноколлекторных машин постоянного тока от многоколлекторных машин выпрямленного тока приведены в таблице 1.
Таблица 1
В результате использования изобретения обеспечиваются упрощение конструкции коллекторной машины постоянного тока, снижение стоимости ее изготовления, улучшение массогабаритных характеристик, увеличение количества возможных систем возбуждения, повышение надежности работы машины, получение новых способов регулирования электромеханического момента на валу машины, ее мощности и скорости вращения, расширение разновидностей электрических машин постоянного тока.
Промышленная применимость
Настоящее изобретение реализуется с помощью универсального оборудования, широко распространенного в машиностроении для производства электротехнического оборудования.