Виконавчий електродвигун постійного струму

Корисна модель належить до галузі електромеханіки, зокрема до виконавчих електродвигунів постійного струму короткочасної дії, що мають високу перевантажувальну здатність. Запропонована корисна модель може бути застосована як виконавчий двигун, наприклад, у складі електроприводів літальних апаратів одноразової дії. Висока перевантажувальна здатність забезпечується комплексом кількох факторів, головними з яких є теплова, магнітна і комутаційна стійкості. Перший відомий пристрій - колекторна електрична машина з 2n пар полюсів, описана у [патенті Російської Федерації №2044387 (з-ка 5039990/07, 27.04.95р., публ. 20.09.95р, Бюл. №26)], направлений на розв'язання цієї проблеми за рахунок підвищення комутаційної стійкості. Зазначена електрична машина-аналог має такі суттєві ознаки, які відповідають необхідним ознакам запропонованого технічного рішення: систему збудження від постійних магнітів, що включає індуктор з 2n пар полюсів, якір з обмоткою і колектором, який включає k колекторних пластин, щітки, розміщені по колу колектора і змонтовані на нерухомій частині електричної машини. Ознаки, що не притаманні запропонованому технічному рішенню, або не являються необхідними для розв'язання завдання, поставленого запропонованою корисною моделлю: якір, виконаний пазовим, обмотка проста хвильова, яка має перші і другі кроки і складається з секцій, кількість яких дорівнює кількості пазів якоря, а щітки закріплені на двох щіткових болтах так, що перемикають не більше двох колекторних пластин і відстань між ними по колу колектора дорівнює 0,5k-0,5(k±1)p-1 колекторних ділень відповідно для обмотки, що не перехрещується і для обмотки, яка перехрещується, індуктор має полюсні ділення у відповідності до зазначеної відстані між щітками. Технічне рішення, застосоване у першому відомому пристрої, дещо покращує теплові і комутаційні показники електричної машини (за рахунок зниження пульсацій ЕДС, пульсацій миттєвої часто ти обертання тощо), але наявність пазів на якорі певним чином обмежує ці показники. На додаток до цього, розглянута електрична машина має конструктивні обмеження системи збудження, у тому числі, викликані необхідністю певних полюсних ділень індуктора (відповідно до відстані між щітками), малий немагнітний проміжок між якорем та індуктором, недостатній об'єм постійних магнітів тощо. Це накладає обмеження на магнітну і теплову стійкості. Таким чином, відоме технічне рішення поліпшує один із факторів, що впливають на перевантажувальну здатність електричного електродвигуна, за рахунок погіршення інших не менш важливих факторів і не дозволяє розв'язати завдання підвищення перевантажувальної здатності завдяки одночасному, комплексному впливу на основні складові її фактори: теплову, магнітну і комутаційну стійкості. Другий відомий пристрій - електродвигун постійного струму [7 Н02К 23/00, свід. на корисну модель Російської Федерації №32647, з-ка №200310033, від 20.04.03р.] забезпечує підвищення комутаційної стійкості електродвигуна у порівнянні з першим відомим технічним рішенням за рахунок нанесення шару спеціального покриття на колектор, який сприяє поліпшенню стабільності перехідного опору. Другий відомий пристрій має такі суттєві ознаки, які відповідають необхідним ознакам запропонованого технічного рішення: система збудження, яка включає індуктор, що має дві пари радіально розміщених полюсів системи збудження - високоенергетичних постійних магнітів, підшипникові щити, змонтовані на нерухомій частині електричної машини, вал з підшипниками і колектором, шихтоване осердя якоря з обмоткою, опресованою компаундом і відділену шаром з ізоляційного матеріалу від зазначеного шихтованого осердя якоря, щітки, встановлені у щіткотримачах, змонтованих на нерухомій частині електричної машини. Ознаки, які не притаманні запропонованому те хнічному рішенню і які не являються необхідними для розв'язання завдання, поставленого запропонованою корисною моделлю: кількість полюсів обмежена і дорівнює чотирьом, кількість щіток обмежена і дорівнює двом, щітки встановлені під кутом 90 градусів, щіткотримачі змонтовані на супорті, закріпленому на задньому підшипниковому щиті, який має пази для встановлення щіток на геометричну нейтраль, якір виконаний зубцевим із скосом пазів на одне зубцеве ділення, в індукторі виконані два технологічних вікна для встановлення і піднімання щіток, на колектор нанесене покриття для стабілізації величини перехідного опору. Другий відомий пристрій - електродвигун постійного струму - за сукупністю ознак прийнятий авторами за найближчий аналог. Пристрій-найближчий аналог має наступні недоліки: - наявність пазів на якорі, яке певним чином обмежує показники комутаційної стійкості, як і у випадку першого відомого пристрою; - недоліки конструкції системи збудження, як і у випадку першого відомого пристрою: по-перше, малий немагнітний проміжок між якорем та індуктором, який зменшує магнітну стійкість через великий вплив потоку реакції якоря на поле збудження індуктора під час перевантаження, а також відповідно зменшує і комутаційну стійкість, по-друге, недостатній об'єм постійних магнітів, що змушує збільшува ти струмонавантаження і тим самим призводить до зменшення теплової стійкості електродвигуна. В основу корисної моделі поставлено завдання створення виконавчого електродвигуна постійного струму з підвищеною перевантажувальною здатністю при роботі у короткочасному режимі, за рахунок одночасного (комплексного) поліпшення комутаційної, магнітної і теплової стійкості. Розв'язання завдання здійснюється за допомогою виконавчого електродвигуна постійного струму, до складу якого входять індуктор з двома парами радіально розміщених високоенергетичних постійних магнітів, якір, що містить вал з колектором, шихтоване осердя і відділену від останнього шаром з ізоляційного матеріалу якірну обмотку, яку опресовано компаундом, а також підшипникові щити, закріплені, наприклад, на індукторі, щітки, встановлені у щіткотримачах. Якір виконаний гладким, а якірна обмотка закріплена на якорі за допомогою конструктивних елементів з теплостійкого матеріалу, наприклад, склонитки з кроком укладання, що значно перевищує її діаметр, при цьому до складу індуктора додатково введені п пар радіальних і (2+n) пар тангенціальних високоенергетичних постійних магнітів (n - натуральне число 0, 1, 2...), а також зовнішній магнітопровід, що має кілька складових частин, виготовлених із магнітопровідного матеріалу і конструктивно встановлених з проміжками або впритул одна до одної, і утримуючий каркас, що містить (2+n) пар полюсних наконечників. Крім того, товщину шару ізоляційного матеріалу між обмоткою та шихтованим якорем зменшено до розмірів, що відповідають товщині ізоляційного шару провідників зазначеної обмотки, наприклад, до 0,05мм. Крім того, складові частини зовнішнього магнітопроводу конструктивно виконані у вигляді (2+n) пар однакових частин, наприклад, кутової форми. Введення в конструкцію електричного двигуна гладкого якоря з обмоткою, опресованою компаундом з використанням конструктивних елементів з теплостійкого матеріалу для її закріплення, наприклад, склонитки з кроком укладання, що значно перевищує її діаметр, призводить у їх сукупній взаємодії до значного збільшення немагнітного проміжку у магнітному колі збудження, завдяки чому зменшується індуктивність і зростає магнітна стійкість (наприклад, за рахунок зменшення впливу реакції якоря на потік збудження), а також і комутаційна стійкість виконавчого електродвигуна постійного струму. При цьому можливе зниження магнітного потоку у робочому проміжку компенсується введенням додаткових п пар радіальних і (2+n) пар тангенціальних високоенергетичних постійних магнітів (наприклад, завдяки значному збільшенню їх загального об'єму за умов практично незначних змін габаритів електродвигуна, а також зміні конфігурації робочого проміжку то що) у сукупності з наявністю зовнішнього магнітопроводу і можливістю забезпечення доброго теплового контакту між обмоткою якоря і сердечником. Введення цих ознак, в свою чергу, в своїй сукупній взаємодії і взаємодії з розглянутими вище ознаками призводить до одночасного зниження струмового навантаження якоря і відповідного підвищення як теплової стійкості, так і комутаційної стійкості. Введення утримуючого каркасу дозволяє компактно розташувати і зафіксувати усі елементи нерухомої частини у строго фіксованих відносних положеннях, у тому числі, елементи системи збудження. Завдяки цьому забезпечується стабільність усіх одержаних характеристик, на поліпшення яких направлена запропонована корисна модель. Із зазначеного видно, що ознаки, наведені у незалежному пункті патентної формули знаходяться у причиннонаслідковому зв'язку. Завдяки цьому створюється нова якість пристрою відповідно до поставленого завдання. Кожна з цих ознак (у тому числі, і кожна введена нова ознака, зазначена у відрізняльній частині патентної формули) направлена на розв'язання завдання згідно з поставленою метою і являється істотною у зазначеній сукупності, а запропонована сукупність ознак в цілому є необхідною і достатньою для розв'язання поставленого завдання. Крім того, введення до розглянутої вище сук упності ознаки, пов'язаної з тим, що товщину шар у ізоляційного матеріалу між обмоткою та шихтованим якорем зменшено до розмірів, що відповідають товщині ізоляційного шару провідників зазначеної обмотки, наприклад, до 0,05мм надає змогу до певної конкретної величини, найбільш прийнятної, на погляд авторів, з точки зору конструювання, оптимальним чином збільшити немагнітний проміжок і підвищити магнітну стійкість електродвигуна. При цьому, можливе зниження магнітного потоку у робочому проміжку у повній мірі, як зазначалося вище, компенсується введенням додаткових n пар радіальних і (2+n) пар тангенціальних високоенергетичних постійних магнітів. У сукупності з наявністю зовнішнього магнітопроводу і можливістю використання якірної обмотки, що має добрий тепловий контакт з сердечником наявність і взаємодія зазначених ознак призводять до зниження струмового навантаження якоря і відповідного підвищення теплової і комутаційної стійкості. Отже ознаки, зазначені у другому залежному пункті патентної формули розкривають і конкретизують оптимальним чином ознаки, наведені у незалежному пункті формули. Завдяки цій конкретизації встановлюється оптимальний вплив зазначеної ознаки на нову якість пристрою відповідно до поставленого завдання. Крім того, введення до розглянутої вище сук упності ознаки, пов'язаної з конкретизацією конструктивного виконання зазначених у незалежному пункті патентної формули складових частини зовнішнього магнітопроводу у вигляді (2+n) пар однакових частин, наприклад, кутової форми, забезпечує оптимальність цієї конструкції, що підсилює зростання величини магнітного потоку у робочому проміжку відповідно до поставленого завдання і підвищує теплову і комутаційну стійкості. Отже завдяки цій конкретизації оптимізується фактор впливу на нову якість пристрою відповідно до поставленого завдання. Суть запропонованого технічного рішення пояснюється ілюстраціями, на яких наведено: на Фіг.1 - Загальний вигляд виконавчого електродвигуна постійного струму (один з варіантів конструкції); на Фіг.2 - Конструкція індуктора виконавчого електродвигуна постійного струму (один з варіантів). Виконавчий електродвигун постійного струму, загальний вигляд якого наведений на Фіг.1, містить чотирьохполюсний індуктор 1, якір 2, який включає гладке шихтоване осердя 3 з магнітопровідного матеріалу та укладену на ньому обмотку 4, яку закріплено на осерді 3 за допомогою такого конструктивного елементу з теплостійкого матеріалу, як склонитка (на Фіг.1 і 2 не наведена) з кроком укладання, що значно перевищує її діаметр. Обмотку 4 відділено від зазначеного шихтованого осердя 3 якоря 2 шаром з ізоляційного матеріалу 5, що не перевищує 0,05мм, підшипникові щити 6 та 7 закріплені на індукторі 1, підшипники 8 - на валу 9. На нерухомій частині виконавчого електродвигуна встановлений щіткотримач 10 із щітками. Колектор 11 розміщений на валу 9 якоря 2. Якір встановлений в індукторі з робочим зазором 12. Індуктор 1 виконавчого електродвигуна постійного струму, зображений на Фіг.2, складається з зовнішнього магнітопроводу 13, виконаного у вигляді чотирьох окремих однакових деталей кутової форми, встановлених з проміжками 14 між ними, восьми високоенергетичних постійних магнітів 15 та 16, з яких чотири магніти 15 розташовані у радіальному, а чотири магніти 16 - у тангенціальному напрямках, несучого каркасу, який сформований збіркою з чотирьох полюсних наконечників 17, підшипникового щита 6 та корпусу 18. Запропонована корисна модель працює наступним чином. За рахунок постійних високоенергетичних магнітів 12 та 13 (радіальних і тангенціальних відповідно) індуктора 1, несучого каркасу, сформованого збіркою з чотирьох полюсних наконечників 17, а також шихтованого осердя 3 якоря 2 у робочому зазорі 12 виконавчого електродвигуна створюється магнітне поле збудження. При підключенні його до зовнішнього джерела живлення (на Фіг.1 і 2 не наведене) через щітки, встановлені у щіткотримачах 10 і колектор 11 в обмотці 4 якоря 2 протікає струм. Навколо якоря виникає електромагнітне поле, яке взаємодіє з полем збудження. Завдяки цьому виникає обертальний момент електродвигуна, завдяки якому вал 9 якоря 2 обертається у підшипниках 8, змонтованих у підшипникових щитах 6 і 7. При цьому необхідну концентрацію магнітного потоку у робочому зазорі 12 забезпечують завдяки полюсним наконечникам 17 радіальних магнітів 15 і тангенціальним магнітам 16. Для виготовлення зазначеної корисної моделі використовують матеріали і комплектуючі складові частини, які звичайно застосовуються в галузях електротехніки і електромашинобудування. Працездатність корисної моделі і її е фективність щодо вирішення поставленого завдання підтверджені випробуванням дослідних зразків: протягом 20 секунд дослідні зразки запропонованого виконавчого електродвигуна витримували триразове перевантаження у порівнянні з довгостроковим режимом роботи, а дворазове перевантаження - протягом 60 секунд. За цих умов питоме струмонавантаження у режимі перевантаження виконавчого електродвигуна досягало 100А/мм 2.