Електричний двигун постійного струму з комбінованим збудженням

Електричний двигун постійного струму з комбінованим збудженням, що містить корпус, у якому 3 створений обмоткою збудження, замикається в подовжньому напрямку, як і у відомій індукторній машині, проходячи послідовно всі елементи магнітного ланцюга ЕМ, включаючи феромагнітні полюсні виступи, робочий повітряний зазор 0 і додатковий технологічний повітряний зазор τ. Магнітний потік постійних магнітів ФМ має два контури замикання: частина магнітного потоку замикається в поперечній площині якоря, складаючись з потоком ФВ; друга частина магнітного потоку ФМ замикається в подовжньому напрямку ЕМ. Причому, при погодженому напрямку поперечних потоків ФВ і ФМ У робочому зазорі 0 їх напрямки в подовжньому напрямку ( Т) протилежні (див. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. М.: «Высшая школа». 1990. с.178, с.137). Конструкція даної електричної машини обрана прототипом. Прототип і конструкція, що заявляється, мають наступні спільні ознаки: - корпус; - два статора з обмоткою якоря і тороїдальною обмоткою збудження; - циліндричний ротор з феромагнітними полюсами і постійними магнітами. Прототип має наступні недоліки: - наявність масивного сердечника ротора, що необхідний для замикання загального магнітного потоку електричної машини; - наявність додаткового технологічного повітряного зазору; - асиметрія магнітних ланцюгів у наслідок наявності двох контурів замикання магнітного потоку постійних магнітів. В основу винаходу поставлена задача створити електричний двигун постійного струму, у якому комбіноване збудження забезпечується наявністю однієї загальної тороїдальної обмотки збудження і ряду постійних магнітів у визначеній послідовності встановлених на роторі таким чином, що на одному його полюсному поділі розташований феромагнітний полюс, а на наступному - постійний магніт, причому число феромагнітних полюсів завжди дорівнює числу постійних магнітів, забезпечуючи загальне число полюсних поділів, рівне 2Р. За рахунок особливого способу виготовлення магнітної системи статора забезпечується можливість різкого ослаблення реакції якоря двигуна, що приводить до підвищення його перевантажувальної здатності і, відповідно, до підвищення його швидкодії і зменшенню споживаної електроенергії в перехідних режимах. При цьому значно зменшується маса частин, що обертаються, спрощується технологія виготовлення двигуна, зменшується його собівартість, а конструктивна схема двигуна забезпечує можливість модульного принципу його побудови, тобто послідовного чергування модуля якоря (зубцева зона і секції обмотки якоря) і модуля циліндричного ротора (немагнітні торцеві диски з феромагнітними полюсами і постійними магнітами). Це значною мірою підвищує питоме значення потужності і моменту. Поставлена задача вирішена в електричному двигуні постійного струму з комбінованим збудженням, що містить корпус, у якому установлені 90574 4 два статори з обмоткою якоря і тороїдальною обмоткою збудження, а також циліндричний ротор з феромагнітними полюсами і постійними магнітами тим, що корпус виконаний з окремих, спільних для обох статорів, магнітно не зв'язаних феромагнітних стрижнів - зубців Π-подібної форми, розташованих симетрично щодо циліндричного ротора, що містить рівну кількість феромагнітних полюсів, що чергуються, і постійних магнітів, жорстко з'єднаних з валом за допомогою двох торцевих немагнітних щитів, а секції спільної обмотки якоря, покладених у проміжках-пазах між феромагнітними стрижнями - зубцями Π-подібної форми кожного зі статорів, комутуються комутатором - колектором, установленим нерухомо в торцевій частини двигуна, при цьому щітковий вузол комутатора-колектора жорстко з'єднаний з валом ротора. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю заявлених ознак і досягненням технічного результату можна пояснити наступним. У заявленому двигуні постійного струму з комбінованим збудженням магнітні потоки обмотки збудження (Φ0 ) і постійних магнітів (Фмб) замикаються, на відміну від прототипу, в двох паралельних площинах. При цьому, на ділянках (полюсних поділах) ротора з феромагнітними полюсами забезпечується магнітний потік, що замикається через робочий зазор 0, що відповідає величині потоку Φ0 =ФВ, тобто потоку магніторушійної сили (МРС) обмотки збудження. На полюсних поділах ротора з постійними магнітами магнітний потік у робочому повітряному зазорі визначається різницею значень зустрічно спрямованих магнітних потоків ФМ і ФВ, тобто ФМ =ФМ-ФВ. Однак, зважаючи на те, що магнітна проникність постійних магнітів, дорівнює (2÷10)·μ0, де μ0=4 ·10-7Гн/м - магнітна постійна, для зовнішнього магнітного потоку (ФВ) ділянка з постійними магнітами представляє великий магнітний опір, чим пояснюється незначне збільшення МРС постійних магнітів FM у порівнянні з МРС обмотки збудження FB. У пропонованій конструкції для створення однакових за значенням магнітних потоків Φ =Φ0 =ФМ , повинне виконаються співвідношення: FM=(1,1÷1,15)·FB, що значно менше ніж у прототипу через наявність шунтуючого магнітного потоку останнього. У заявленому двигуні постійного струму з комбінованим збудженням відсутні загальні ділянки магнітного ланцюга двигуна, по яких одночасно б проходили магнітні потоки ФМ і ФВ, чим пояснюється на відміну від прототипу, відсутність асиметрії магнітних ланцюгів. У заявленому двигуні постійного струму з комбінованим збудженням немає масивного феромагнітного сердечника ротора, що зменшує масу частин двигуна, що обертаються, відповідно, підвищує його швидкодію. Відсутність загального ярма якоря і ярма обмотки збудження забезпечує шлях замикання магнітного потоку МРС обмотки якоря тільки через бічні поверхні зубців статора і повітряні проміжки між ними (пази), що мають малу магнітну проникність, чим обумовлене обмеження реакції якоря, можливість одержання великих перевантажень по струму, обумовлених, в основному, умовою відсу 5 тності перекидання магнітного поля в робочому повітряному зазорі. Підвищення перевантажувальної здатності ДПСКЗ поліпшують динамічні характеристики (прискорення, час пуску і гальмування), що підвищує продуктивність відповідної промислової установки, зменшує втрати електроенергії в перехідних режимах. На відміну від класичної конструкції двигуна постійного струму, у пропонованому ДПСКЗ, у незалежності від числа полюсних розподілів 2 =2Р, тільки одна спільна обмотка збудження і немає обмоток додаткових полюсів (тому що обмеження реакції якоря забезпечується конструктивними способами). Цим обумовлене значне зменшення втрат енергії ДПСКЗ. У пропонованому двигуні, на відміну від прототипу, досить просто реалізується модульний принцип побудови сучасних спеціальних електродвигунів, при якому в аксіальному напрямку чергуються два конструктивних елементи (елементарний ДПСКЗ), тобто модуль якоря, що складається з двох статорів з обмотками якоря і збудження, та модуль циліндричного ротора з феромагнітними полюсами і постійними магнітами. Подібна конструктивна схема ДПСКЗ забезпечує підвищення питомих значень потужності і моменту двигуна, що особливо важливо при низьких номінальних (безредукторних) частотах обертання, при значному зменшенні трудомісткості його виготовлення, відповідно, зменшенням собівартості двигуна. Електричний двигун постійного струму з комбінованим збудженням представлений на кресленнях, де: Фіг.1 - конструктивна схема двигуна; Фіг.2 - вид двигуна, перетин А-А; Фіг.3 - модуль циліндричного ротора, аксонометрія; Фіг.4 - схема обмотки якоря двигуна; Фіг.5 - двомодульний варіант двигуна, аксонометрія. Двигун постійного струму з комбінованим збудженням містить нерухому частину 1, циліндричний ротор 2, що обертається, і комутатор-колектор 3. Нерухома частина 1 містить корпус 4, на внутрішній поверхні якого розташовані два статори 5, 6. У пазах статорів 5, 6 покладені секції загальної обмотки якоря 7, а в проміжку між статорами 5, 6 обмотка збудження 8. Нерухома частина 1 по торцях закрита немагнітними підшипниковими щитами 9, 10, що установлені на підшипниках 11, 12, у яких обертається вал 13 ротора 2. З валом 13 жорстко з'єднані немагнітні диски 14, 15, які є конструкціями, що кріплять, по черзі розташованих феромагнітних полюсів 16, 17 і постійних магнітів 18, 19, установлених симетрично (без зрушення) щодо статорів 5, 6. Ширина кожного з полюсів 16, 17, об'єднаних феромагнітною основою 20 як і ширина постійних магнітів 18, 19, об'єднаних феромагнітною основою 21, дорівнює α · уздовж утворюючої ротора 2, де α - коефіцієнт полюсного перекриття, - величина полюсного поділу (Фіг.2.) Циліндричний ротор 2 відділений від статорів 5, 6 робочим повітряним зазором δ0. Кількість пар феромагнітних полюсів 16, 17 і пар постійних магнітів 18, 19 дорівнює і складає загальне число полюс 90574 6 них поділів , тобто 2Р=2 , де Ρ - число пар полюсів, що обертаються, одного статора (на Фіг.2. 2Р=2 =4). Корпус 4 виконаний з ряду окремих магнітно не зв'язаних феромагнітних стрижнів - зубців 22 Π-подібної форми, кожний з який містить зубець 23 статора 5 і зубець 24 статора 6, об'єднаних подовжньою стрижневою основою 25. Торцеві частини подовжніх стрижнів 25 закріплені на немагнітних торцевих щитах 9, 10, утворюють тверду конструкцію нерухомої частини 1 двигуна. У проміжках - пазах між зубцями 23 і 24 статорів (магнітопроводів якоря) 5, 6 покладені секції загальної обмотки якоря 7. Для прийнятої конструкції ДПСКЗ обов'язковою умовою є наявність зрушення провідників секції обмотки якоря одного статора, наприклад 5, стосовно іншого статора 6 на величину полюсного поділу (Фіг.4), чим забезпечується як односпрямованість результуючого магнітного потоку, що пронизує секцію ФР=ФВ+ФМ, так і компенсація магніторушійної сили струмів лобових частин обмотки якоря ілоб забезпеченням комутацією їх зустрічного напрямку. Цим забезпечується значне послаблення пульсуючого магнітного потоку Флоб струмів лобових частин обмотки якоря на шляху основного магнітного потоку Φ . У заявленому двигуні обмеження величини магнітної індукції поперечного поля струмів обмотки якоря Вя.п. здійснюється конструктивною схемою корпуса 4 виконаного з окремих магнітно не зв'язаних феромагнітних стрижнів - зубців 22, проміжки - пази між якими різко обмежують (як додатковий магнітний опір повітряного зазору) величину поперечного магнітного потоку двигуна ФЯ на кожному полюсному поділі . Так, наприклад, попередній розрахунок запропонованого двигуна потужністю РН=11кВт, при полюсному поділі =0,1036м, числі пазів на полюсний поділ Ζ =6 ширині повітряного проміжку між стрижнями зубцями вп=0,008м і значенні однобічного робочого повітряного зазору 0=0,0015м дає розрахункове номінальне значення магнітної індукції поперечного поля струмів обмотки якоря ВЯ.П.Н.=0,086ТП, що забезпечує перевантажувальну здатність двигуна, виходячи з умов відсутності перекидання магнітного поля на ділянці якоря, що відповідає полюсному розподілу =У .н./ВЯ.П.Н.=0,8/0,086=9, де Β .н.=0,8ТП - номінальне значення магнітної індукції в робочому повітряному зазорі. Живлення замкнутої обмотки якоря, утвореної секціями 7 (спільними для статорів магнітопроводів якоря 5, 6) забезпечується комутаторомколектором 3, що за допомогою конструкції, що кріпить, 26 і підшипників 27, 28 установлений нерухомо і являє собою колектор звичайної машини постійного струму, по обидва боки якого через ізоляційні прокладки 29, 30 додатково установлені контактні кільця 31, 32. До колекторних пластин 33, у відповідності зі схемою обмотки, підключені виводи секцій модулів якоря (статорів) 5, 6, об'єднані джгутом 34. Щіткотримачі 35 із щітками 36 (щітковий вузол) конструктивно з'єднані з траверсою 37, жорстко з'єднаної з валом 13. Напруга мережі підводиться до нерухомих ізольованих від корпуса кілець 31, 7 32. Щітки 36 електромеханічного комутатораколектора 3, одночасно контактуючи з контактними кільцями 31, 32 і відповідними колекторними пластинами 33, виконують функції як струмопроводу, так і струморозподільника загальних секцій 7 модулів якоря 5, 6. Працює запропонований ДПСКЗ у такий спосіб. При подачі напруги VС на обмотку якоря 7 і котушку обмотки збудження 8, у ДПСКЗ виникає магнітний потік ФВ, що замикається через ділянки ротора 2 з феромагнітними полюсами 16,17, що разом з магнітним потоком ФМ (Фіг.1, 3, 4) створеним МРС постійних магнітів 18, 19 утворить магнітний потік Ф0=ФВ=ФМ. Взаємодією основного магнітного потоку і струмів провідників обмотки якоря 7 модулів якоря 5, 6 створюється електромагнітний момент, під дією якого ротор 2 приходить в обертання. Комутатор-колектор 3 переключає струми в секціях обмотки якоря таким чином, щоб при обертанні в одну сторону струми провідників, що знаходяться в даний момент проти феромагнітних полюсів 16, 17 і постійних магнітів 18, 19 залишалися незмінними. Регулювання частоти обертання і реверс ДПСКЗ відбувається відомими для класичних машин способами. Однак, у запропонованому двигуні з комбінованим збудженням реалізується і варіант регулювання частоти обертання ослабленням величини основного магнітного потоку повним відключенням обмотки збудження, чим забезпечується режим енергозбереження для ряду промислових механізмів, що працюють у режимі частих реверсів, які вимагають підвищеної швидкості переміщення при малих навантаженнях (зво 90574 8 ротний хід, поздовжньо-стругального верстата, механізмів прокатних станів, підйомнотранспортного устаткування та ін.). Енергозбереження забезпечує і спеціальна конструкція нерухомої частини ДПСКЗ, що на відміну від класичних машин прототипу, не має спільного ярма обмотки збудження і спеціальна конструкція ротора, що також не має загального ярма, чим обумовлене різке ослаблення впливу реакції якоря і, відповідно, відсутність додаткових полюсів і втрат електричної потужності в їх обмотках. Порівняльний аналіз основних показників двигуна постійного струму (ДПС) класичної конструкції типу П-61: РН=11кВт; nΗ=1500об\хв; νн=220В і двигуна постійного струму, що заявляється, з комбінованим збудженням (ДПСКЗ) з аналогічними вихідними параметрами дає наступні показники: маса ДПС - 162кг; маса ДПСКЗ - 98кг; питомий момент ДПС: mуд=МН/mдв=0,44Н·м/кг; питомий момент ДПСКЗ: mуд'=0,724Н·м/кг. Момент інерції ДПС: у=0,122кг·м2; момент інерції ДПСКЗ: у'=0,122кг·м2; механічна постійна ДПС: ТМ=0,3с; механічна постійна ДПСКЗ: ТМ'=0,07с; втрати енергії при пуску в ДПС: Амех=1784Дж; втрати енергії при пуску в ДПСКЗ: Амех'=439Дж. Наведені дані підтверджують перспективність заявленого ДПСКЗ, тому що при простоті і, відповідно, меншій собівартості виготовлення, використання його у відповідних промислових механізмах дозволить підвищити продуктивність, зменшити втрати енергії як у робочому, так і в перехідному режимах. 9 90574 10 11 Комп’ютерна верстка А. Рябко 90574 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601