Коллекторный электродвигатель

Изобретение относится к области электротехники, а именно - к коллекторным электродвигателям (КЭД) с компенсационной обмоткой, и предназначено для приведения в движение машин и механизмов в случаях, когда определяющим фактором является обеспечение потенциальной устойчивости их коллекторов к образованию круговых огней. Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении потенциальной устойчивости КЭД к образованию круговых огней на коллекторе. Указанный технический результат достигается посредством выбора рациональных параметров компенсационной обмотки и геометрии зубцовой зоны главных полюсов, а также путем скоса их пазов. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к коллекторным электродвигателям с компенсационной обмоткой, и предназначено для приведения в движение машин и механизмов в случаях, когда определяющим фактором является потенциальная устойчивость их коллекторов к образованию круговых огней.

Известен коллекторный электродвигатель (КЭД), близкий к заявляемому двигателю по признаку наличия компенсационной обмотки, уложенной в пазы главных полюсов [Жерве Г.К. Обмотки электрических машин. - Л.: Энергоатомиздат, 1989. с.86, рис.2.43]. Для снижения уровня пульсаций индукции в воздушном зазоре между якорем и главными полюсами пазы последних выполняются полузакрытыми, вследствие чего стержни компенсационной обмотки вдвигаются в пазы сбоку и к ним припаиваются отдельные лобовые части. Это усложняет технологию изготовления, монтажа и демонтажа компенсационной обмотки.

Также известен КЭД, близкий к заявляемому двигателю по признаку наличия компенсационной обмотки, состоящей из отдельных катушек, витки которых уложены в открытые пазы главных полюсов [Н02К 23/22, Н02К 23/02 Безсмертный А.И., Луговая Н.Е. Тяговый двигатель постоянного тока. Патент на изобретение №2324279, ФИПС Роспатент, М., приоритет от 23.01.2007]. Для снижения уровня пульсаций индукции в воздушном зазоре между якорем и главными полюсами открытые пазы последних закрываются с небольшим зазором накладками из магнитомягких материалов, которые прикрепляются к отдельным зубцам главных полюсов и служат для удержания компенсационной обмотки в пазах. Однако такой способ крепления компенсационной обмотки трудоемок и ненадежен, так как на магнитные накладки действуют электромагнитные силы, способные привести к излому их крепления и повреждению компенсационной обмотки. Кроме того, при вращении якоря из-за его зубчатости в массивных накладках возникают вихревые токи, которые отрицательно влияют на энергетические и тепловые показатели данного КЭД.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому КЭД (прототипом) является коллекторный электродвигатель, содержащий якорь с обмоткой, индуктор с главными и дополнительными полюсами, компенсационную обмотку, состоящую из отдельных катушек, витки которых уложены в открытые пазы главных полюсов и закреплены в них клиньями из немагнитных и электроизоляционных материалов [Аликин Р.И. и др. Тяговый электродвигатель с компенсационной обмоткой НБ-412 К. - Электровозостроение, 1963, НЭВЗ, т.3, с.56-67].

Обычно открытые пазы главных полюсов данного КЭД содержат одинаковое число витков компенсационной обмотки, которые укладываются по их ширине, но встречаются двигатели, в которых распределение витков по пазам и по их ширине различно [Бочаров В.И. и др. Магистральные электровозы. Тяговые электрические машины. - М.: Энерго-атомиздат, 1992, с.91, рис.3.5]. Выполнение компенсационной обмотки в виде отдельных и предварительно изолированных катушек, которые укладываются в открытые пазы главных полюсов и закрепляются в них клиньями из немагнитных и электроизоляционных материалов, значительно упрощает технологию изготовления, монтажа и демонтажа этих катушек. Однако при открытых пазах возникают сильные пульсации индукции в воздушном зазоре, максимумы которых при холостом ходе КЭД располагаются под серединами зубцов главных полюсов и тем больше, чем шире пазы. При нерациональном выборе параметров компенсационной обмотки и зубцовой зоны главных полюсов в режиме нагрузки КЭД результирующее магнитное поле якоря и компенсационной обмотки усиливает часть этих максимумов, что приводит к ухудшению потенциальной устойчивости его коллектора, к образованию круговых огней.

Изобретением решается задача повышения потенциальной устойчивости КЭД к образованию круговых огней на его коллекторе.

Это достигается тем, что в КЭД, содержащем якорь с обмоткой, индуктор с главными и дополнительными полюсами, компенсационную обмотку, состоящую из отдельных катушек, витки которых уложены в открытые пазы главных полюсов и закреплены в них клиньями из немагнитных и электроизоляционных материалов, согласно изобретению при равномерном распределении витков компенсационной обмотки по пазам, на ширине которых уложен один виток, длина b полюсной дуги главных полюсов и ширина b₁ головок их крайних зубцов удовлетворяют следующим условиям:

где τ_a - полюсное деление по якорю; w_ко - число витков катушки компенсационной обмотки; w_a - число витков обмотки якоря; b₂ - ширина головок не крайних зубцов главных полюсов.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показано расположение катушек компенсационной обмотки в пазах одного главного полюса на полюсном делении якоря заявляемого КЭД.

Якорь 1 содержит обмотку 2, имеющую w_a витков. В четырех открытых пазах 3 одного главного полюса 4 размещены катушки компенсационной обмотки 5, имеющие по w_ко витков, которые равномерно распределены по пазам 3, на ширине которых уложен один виток. На длине b полюсной дуги главного полюса 4 ширина его крайних зубцов 6 равна b₁ и остальных зубцов 7 равна b₂.

Чтобы при работе КЭД под нагрузкой магнитное поле якоря 1, созданное его обмоткой 2, не искажало магнитное поле главного полюса 4, необходимо при помощи компенсационной обмотки 5, включенной последовательно с обмоткой 2 и уложенной в открытые пазы 3 главного полюса 4, компенсировать поле реакции якоря 1. При равномерном распределении витков компенсационной обмотки 5 по пазам 3 это условие выполняется под серединой зубцов 7, когда линейная нагрузка компенсационной обмотки 5 на ее шаге по пазам t_ко равна линейной нагрузке якоря 1, т.е.

где Z - число пазов главного полюса; I_a - ток нагрузки якоря.

Из фиг.1 для шага компенсационной обмотки по пазам можно записать:

Подставляя значение t_ко из (4) в формулу (3), после преобразований получим условие (1), обеспечивающее компенсацию поля реакции якоря под серединой зубцов 7. При ширине головок крайних зубцов b₁=b₂ поле реакции якоря компенсируется под серединой зубцов 6, а при b₁=b₂/2 - под краями главного полюса. При холостом ходе КЭД амплитуда пульсаций индукции в воздушном зазоре под серединой крайних зубцов меньше, чем под остальными зубцами, поэтому оптимальная ширина головок крайних зубцов находиться в интервале, удовлетворяющем условию (2). При укладке по ширине паза 3 одного витка компенсационной обмотки 5 узкие пазы главного полюса 4 снижают амплитуду пульсаций его поля.

При четном числе Z пазов, содержащих равное число витков компенсационной обмотки, ее катушки выполняются с одинаковым числом витков. В случае, когда для равномерного распределения витков компенсационной обмотки по пазам требуется нечетное Z, ее катушки выполняются с разным число витков: при центральном пазе 8 (фиг.2), симметричном осям 2p главных полюсов 4, 2p катушек 9 имеют по w_ко(1 - 1/Z) витков и укладываются в Z-1 пазов 3 каждого полюса 4 по существующей технологии, а затем производится монтаж p катушек 10 по 2w_ко/Z витков в центральные пазы 8; при несимметричном центральном пазе 8 главных полюсов 4 (рис.3) p катушек 11 имеет по w_ко(1+1/Z) витков и p катушек 12 - по w_ко(1-1/Z) витков, и их монтаж производится по существующей технологии.

Значительного снижения уровня пульсаций индукции в воздушном зазоре под главным полюсом можно добиться путем скоса его открытых пазов. Скос пазов на расстояние С, равное половине их ширины, дает примерно такой же эффект по снижению пульсаций, как и полузакрытые пазы главного полюса.

При укорочении шага обмотки якоря на половину его зубцого деления t₁ для амплитуды пульсаций межламельных напряжений на коллектора Δe_c можно записать:

где е_cp - среднее значение межламельных напряжений на коллекторе; k_г - коэффициент Картера для зубцов главного полюса.

При скосе пазов 3 главного полюса 4 на расстояние С=t_ко (фиг.4) коэффициент Картера k_г=1 и, как следует из формулы (5), Δe_с≈0. Другое существенное преимущество такого скоса пазов заключается в том, что в этом случае МДС компенсационной обмотки изменяется от оси главного полюса до крайних зубцов 6 не ступенчато, а линейно, что обеспечивает полную компенсацию МДС реакции якоря в любой точке этого участка полюсной дуги.

По сравнению с прототипом заявляемый КЭД имеет более высокий уровень потенциальной устойчивости к образованию круговых огней на коллекторе.

1. Коллекторный электродвигатель, содержащий якорь с обмоткой, индуктор с главными и дополнительными полюсами, компенсационную обмотку, состоящую из отдельных катушек, витки которых уложены в открытые пазы главных полюсов и закреплены в них клиньями из немагнитных и электроизоляционных материалов, отличающийся тем, что при равномерном распределении витков компенсационной обмотки по пазам, на ширине которых уложен один виток, длина b полюсной дуги главных полюсов и ширина b₁ головок их крайних зубцов удовлетворяют следующим условиям:
b=τ_a(w_ко/w_a)+2b₁-b₂;
b₂/2≤b₁≤b₂,
где τ_a - полюсное деление по якорю; w_ко - число витков катушки компенсационной обмотки; w_a - число витков обмотки якоря; b₂ - ширина головок не крайних зубцов главных полюсов.

2. Коллекторный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что при четном числе Z пазов главного полюса катушки компенсационной обмотки имеют одинаковое число витков, а при нечетном Z они выполнены с разным числом витков: при центральном пазе, симметричном осям 2р главных полюсов, 2р катушек имеют по w_ко(1-1/Z) витков и р катушек - по 2w_ко/Z витков; при несимметричном центральном пазе р катушек имеют по w_ко(1+1/Z) витков и р катушек - по w_ко(1-1/Z) витков.

3. Коллекторный электродвигатель по п.2, отличающийся тем, что пазы главных полюсов выполнены со скосом на расстояние С, удовлетворяющее следующему условию:
b_n/2≤С≤t_ко,
где b_n - ширина паза главного полюса; t_ко - шаг компенсационной обмотки по пазам.