Коллекторная электрическая машина с устройством формирования коммутирующего поля

 

Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения - улучшение коммутации при лучшем использовании меди обмоток добавочных полюсов и уменьшении затрат на регулирование величины и формы коммутирующего поля. Это достигается различной степенью подпитки каждого из двух разноименных дополнительных полюсов, наконечники которых имеют одностронний скос в поперечном сечении машины, от системы управления, содержащей датчики скорости изменения тока якоря, коммутирующего и главного потоков, датчик частоты вращения и усилители. В систему управления введены второй интегратор и нелинейный блок, а усилитель выполнен регулируемым. Применение изобретения целесообразно в электроприводах, работающих в динамических режимах с ударными нагрузками. 7 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„1506501 (51)4 Н 02 К 13/14

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР.(21) 4344880/24-07 (22) 26.10.87 (46) 07.09.89. Бюл. М 33 (71) Липецкий политехнический инсти-ъ тут (72) И.Б. Битюцкий и Н,А. Мурашкин (53) 621.3 13.2(088.8) (56) Патент Японии М 57-46299, кл. Н 02 К 23/24, 1982.

Авторское свидетельство СССР В 1277302, кл. Н 02 К 13/14, 1985. (54) КОЛЛЕКТОРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С УСТРОЙСТВОМ ФОРМИРОВАНИЯ КОММУТИРУЮЩЕГО ПОЛЯ (57) Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения — улучшение коммутации при лучшем использовании

Изобретение относится к коллекторным электрическим машинам с дополнительными полюсами.

Цель изобретения — улучшение коммутации при лучшем использовании меди обмоток добавочных полюсов и уменьшении затрат на регулирование величины и формы коммутирующего поля.

На фиг. 1 показаны магнитная цепь и график индукции под дополнительными полюсами на фиг. 2 — схема подключения электрической машины к управляющим элементам; на фиг. 3 — кривые коммутирующей ЭДС при одинаковых (а) и различных (б) токах в катушках дополнительных полюсов; на фиг. 4 схема блока регулирования формы; на фиг. 5 — график функции, реализуемой блоком регулирования формы; на фиг.

2 меди обмоток добавочных полюсов и уменьшении затрат на регулирование величины и формы коммутирующего поля.

Это достигается различной степенью подпитки каждого иэ двух разноименных дополнительных полюсов, наконечники которых имеют односторонний скос в поперечном сечении машины, от системы управления, содержащей датчики скорости изменения тока якоря, коммутирующего и главного потоков, датчик частоты вращения и усилители. В систему управления введены второй интегратор и нелинейный блок, а усилитель выполнен регулируемым. Применение изобретения целесообразно в электроприводах, работающих в динамических режимах с ударными нагрузками. 7 ил.

6 — электросхема блока регулирования формы; на фиг. 7 — график несбалансированной ЭДС без подпитки и с подпиткой дополнительных полюсов.

Наконечники дополнительных полюсов имеют односторонний скос в тангенциальном направлении в поперечном сечении машины, позволяющий получить несимметричный воздушный зазор в зоне коммутации. К катушкам дополнительных полюсов 1 и 2 подключены параллельно регулируемые усилители 3 и 4.

В переходном режиме в систему управления приходят сигналы с датчиков скоростей изменения тока якоря

5, коммутирующего 6 и главного 7 потоков, датчика 8 частоты вращения электрической машины. В качестве дат"

3 150650 чика 5 скорости изменения тока якоря 9 может использоваться трансформатор тока, а датчиками скоростей изменения коммутирующего 6 и глав5 ного 7 потоков могут быть,измерительные катушки, намотанные на наконечниках, соответственно, дополнительных 1,2 и главного 10 полюсов.

Так как коммутирующий поток под дополнительным полюсом 1 не равен потоку под дополнительным полюсом

2, необходимы соединяемые последовательно и согласно между собой измерительные катушки как на полюсе 1, так и на полюсе 2.

Сигналы от датчика 5 скорости изменения тока в цепи якоря 9 и от датчика 6 скорости изменения коммутирующего потока поступают на вход 20 сумматора 11, присоединенного своим выходом к входу интегратора 12. Выходной сигнал интегратора 12, пропорциональный алгебраической сумме сигналов тока якоря и коммутирукщего пото- 25

; ка, подается на один иэ входов блока

13 умножения, на другой вход которого приходит сигнал с датчика 8 чаI стоты вращения. С блока 13 умножения сигнал, пропорциональный разности реактивной и коммутирующей ЭДС, поступает на первый вход сумматора 14, а на другой его вход поступает сигнал от датчика. 7 скорости изменения потока- главных полюсов. Суимированный сиг- 35 нал поступает на вход интегратора 15, с выхода которого подается на вход регулируемых усилителей 3 и 4, осуществляющих подпитку дополнительных полюсов 1 и 2. Таким образом, систе- 40 ма управления позволяет следить за соответствием величины коммутирующей ЭДС величинам реактивной и трансформаторной ЭДС. Функции суммирования и интегрирования сигналов, выполняемые блоками 11 и 12, могут быть

45 объединены в одном интегросумматоре.

То же самое касается блоков 14 и 15.

Интегратор 15 повышает также помехозащищенность системы управления.

Для более точной компенсации несимметрии реактивной ЭДС, вызваййой коммутационными вихревыми токами, введен блок 16 регулирования формы, вход которого соединен с датчиком

8 частоты вращения, а выход — с управляющим коэффициентом усиления входом регулируемых усилителей 3 и 4. Сигналом с блока 16 регулиро1

4 вания формы управляют коэффициентом усиления регулируемых усилителей 3 и 4, увеличивая коэффициент усиления одного иэ них и одновременнО уменьшая коэффициент усиления друго, что приводит к увеличению тока, протекающего через один из дополнительных полюсов и ослаблению тока через другой. Больший коэффициент усиления имеет тот подпитывающий усилитель, сбегающий край наконечника дополнительного полюса которого имеет меньший воздушный зазор, а набегающий край — больший воздушный зазор. Это правило сохраняется для любого направления вращения электрической машины и не зависит от расположения скоса наконечника дополнительного полюса по отношению к главному полюсу. Важно лишь, чтобы дополнительные полюса быпи несимметричны относительно собственной оси и симметрично расположены относительно главных полюсов. Если представить, что якорь перемещается слева направо относительно полюсной системы, изображенной на фиг. 1, то больший коэффициент усиления будет иметь усилитель 3, подключенный к обмотке возбуждения дополнительного полюса 1.

Блок 16 регулирования формы может быть выполнен на операционном усилителе по схеме (фиг. 4), а— пример графика реализуемой им функции показан на фиг. 5. На фиг. 6 показана более подробная электросхема блока регулирования формы для одной полярности входного напряжения.

Элементы схемы на фиг. 6:

V„-07)К, Ч -V -D226r, V и Ч

-R å R ý R ос-10 кОм, R<6,8 кОм, R — 1,5 мОм, R, -470 кОм, С 1 30 пФю А 1 К553УЭ2.

В статическом режиме работы сигналы с датчиков 5-7 отсутствуют и задающий сигнал на выходе интегратора 15 равен нулю. Сигнал управления коэффициентом усиления регулируемых усилителей на выходе блока 16 не saвисит от режима работы и определяется частотой вращения электрической машины.

При одинаковых токах подпитки додополнительных полюсов 1 и 2 график

1 коммутирующей ЭДС е,„(t), складываю щийся из двух составляннцих е „,(t) и е „(Г.), будет симметричным по форме

150б5 (фиг.За). При различных токах подпитки будут разными токи через катушки дополнительных полюсов 1 и 2, а значит и разными по величине составляю.щие e„(t) и е „(t), что при сумми5 ровании этих составляющих дает несимметричную форму коммутирующей ЭДС е„() (фиг.Зб).

Коммутирующая ЭДС секций, замыкающихся анодной и катодной щеткой, одинакова только в случае диаметральной обмотки якоря и несколько отличающаяся при укорочении шага обмотки, что, однако, не имеет решающего значения.

Блок 16 регулирования формы реализует зависимость от частоты вращения величины, пропорциональной асимметрии формы реактивной ЭДС. Для 20 определения этой зависимости необходимо иметь ряд графиков распределения реактивной ЭДС по зоне коммутации для различных частот вращения в рабочем диапазоне электрической машины. Величина, пропорциональная асимметрии формы реактивной ЭДС, определяется как отношение площади кривой реактивной ЭДС е р () на отрезке Т/2 t Т к площади кривой реактивной ЭДС e„(t) на отрезке 0 <

< t 6 Т, где t - текущее время; Т— период коммутации паза; e <(t) — реактивная ЭДС. где 1 — длина пакетов сердечника якоря; с — расстояние от верхней грани пазовой меди до верха паза;

b - ширина пазав

З0 g — высота пазового проводниками а — ширина пазового проводниками

f — расстояние между верхним и нижним слоями проводников р — магнитная постоянная; у — электрическая проводимость меди;

u — число коллекторных делений на паз;

j — мнимая единица.

40 «1

k < = (1+)) (ua и роу/2b)

"и= ((1,1ь+ " н) е "" 1 „3/

/(2bshk

/(2Ьshkvg);

А,„ I <„e " /(2Ь.sh.k„g);

В „= -I «e /(2ЬэЫс я) . (9) 35

Комплексная амплитуда M --й гармоники суммарного тока верхнего слоя проводников в пазу

jVva

1 = 1,ре sin (gaud /2) /s in (g g/2), 55 4н а нижнегослоя I«= I „е sin(duo(/2) /

/э in (v о//2), где u

+ р )ф = 2Гр/k; (3 = (1-2ру, /k) n;

Реактивная ЭДС складывается из трех составляющих: пазовой, лобовой, рассеяния по коронкам зубцов. Распределение реактивной ЭДС и ее составляющих по зоне коммутации рассчи,тывается согласно следующей методике.

Расчет пазовой составляющей.

Пазовая составляюшая и е.„(t)=е (иС)+е„(И) = g е„(4)t) + н ч= з...

+ е, (ю ), -,э где ев (ы t) — пазовая составляющая верхнего слоя;

e (ddt) — пазовая составляющая нижнего слоя;

M=p Я вЂ” угловая частота основной гармоники тока секции р — число пар полюсов;

Я - угловая скорость якоря; е (цс), е,ч(ыс) — 4 -e гармоники ев д> ) и е н()

ega(4>t) = Е ч, э(п« " с в) 01

"л arctg(I F. в/Rå E ), амплитуда и фаза 1-й гармоники ЭДС проводников верхнего слоя

Е - -я — гармоника ЭДС провод46 ников верхнего слоя в комплексном виде.

Аналогична запись для проводников . нижнего слоя. Комплексные величины

ЭДС проводников в верхнем и нижнем слоях определ.".ются по формулам

Ь-1

Е = - j юЛ р c(I +I )/b + ----- к в " guag

-i

)А в+(1 вg-e ) B å);

Е = -jM

-1.у f

-е " ) — В (1-е )+ — I ) + J4

+ ((1-k< -е )А + (1+1с„д-е )В „

guag "К н

1506501 — число коллекторных пластин; у, - первый частичный шаг обмотки.

Амплитуда q-й гармоники тока провод ника

I „8 i sin(4сдТ„/2) /(

Т„ — период коммутации секции.

Расчет лобовой составлякщей реактивной ЭДС.

4-я гармоника реактивной ЭДС в лобовых частях любой полусекции верхнего или нижнего слоя

Eqn«1 т4 4 )" 1лвВ,> q (sing„+

+ icos/ ) R

1 - длина лобовых соединений; лоб

М

25 нитная проводимость лобовых соединений3

7 — полюсное деление, I

h — высота в штампе;

6 = 81п! ц / (N+1) ) /fv$/(И+1)1 мно

30 китель сходимости Ланцоша; цГ = 9.d. !

Реактивная ЭДС в лобовьк частях любой полусекции и

e „(ddt)= Е „вдп(/ы + „), 35 ч= л. где E (ReE ) + (IE n) 1

М, „arCtg(ImE an/ eE an) °

Таким образом рассчитывается реак-40 тивная ЭДС в лобовых частях каждой полусекции верхнего слоя. Нижнему слою соответствуют такие ке графики, но сдвинутые по фазе на угол p. Результирункцая кривая реактивной ЭДС 45 лобовых частей построена как сумма кривых, огибающих графики ЭДС полусекций верхнего и нижнего слоев.

Расчет составляющей реактивной

ЭДС от потока, рассеяния через коронки зубцов е„(ыС) -L (ldt) ° 2U i < sin(f

Расчетная индуктивность рассеяния через коронки зубцов L„(Mt) получена

55 в результате сложения двух одинаковых кривых A „(сМ), смещенных на угол

p/2 в обе стороны от середины интервала комиутации паза

8 к,(Р/2р) Г b„ г) Л „() = -- — — — -1 — -- — - — (< t)

h d Ьд (4(D/2

0

Ьд — ширина полюсного наконечника3 — первый воздушный,зазор6

К вЂ” коэффициент Картера.

Р

Все формулы приведены в предположении, что в секции находится один виток, что характерно для машин большой мощности.

В случае многополюсиой машины регулируемый усилитель подключается параллельно группе катушек дополнительных полюсов, соэдакицих коммутирующее поле одинаковой полярности и соединенных последовательно друг с другом.

Предлагаемая коллекторная электрическая машина с устройством формирования коммутирующего поля создает положительный эффект повышения коммутационной надежности в любых реальных режимах работы, снижает или устраняет коммутационное искрение. формула изобретения

Коллекторная электрическая машина с устройством формирования .коммутирующего поля, содержащая главные полюса, добавочные полюса с обмотками и наконечниками, датчики скорости изменения тока якоря, коммутирующего и главного потоков, датчик частоты вращения, усилители, подключенные выходом к обмоткам добавочных полюсов, а входом — к системе управления, включающей блок перемножения, сумматор и интегратор, входы которого соединены с датчиком скорости изменения тока якоря и датчиком коммутирукяцего потоКа, а входы блока перемножения соединены с выходами интегратора и датчика частоты вращения, выход — с входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости изменения главного потока, о т л и ч а ю щ а" я с я тем, что, с целью улучшения коммутации при лучшем использовании меди обмоток добавочных полюсов и уменьшении затрат на регулирование величины и формы коимутирукицего поля, в систему управления введены второй интегратор и нелинейный блок, 1506501

° причем вход второго интегратора соединен с выходом сумматора, а выход — с входами усилителей, управляющие входы которых через нелинейный блок соединены с датчиком частоты вращения, а наконечники дополнительных полюсов в тангенциальном направлении выполнены со скосом.

1506501

1506501

Составитель И. Казанцев

Техред М.Дидык Корректор Т,Палид1

Редактор Н. Тупица

Заказ 5444/53 Тираж 647 Подписное

BHHHIIH Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101