Компенсированный однофазный сериесный коллекторный двигатель

 

С ССР № 58816

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Класс 2ldР, 33

Н АВТОРСИОИУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Зарегиссирировино в Бюро изобретений Госплана при СНК СССР

О. В. Бенедикт.

Компенсированный ollíîôaçíûé сериесный коллекторный двигатель.

3аявлено 9 июля 1933 года в НКЭП за X 17535.

Опубликовано 31 января 1941 года.

Предмет предлагаемого изобретения составляет компенсированный однофазный сериесный коллекторный двигатель того типа, у которого с одной стороны к якорю подводится первичный ток (от сети) при помощи щеток непосредственно и с другой стороны — при помощи расположенной на статоре вторичной обмотки возбуждения, питаемой током ротора.

В витках якоря между добавочными щетками индуктируется вторичный ток, причем, кроме результирующего потока возбуждения Ф„возбуждаемого совместным действием обмотки возбуждения г;ервичного тока и витками якоря, по которым протекает вторичный ток, имеется еще перпендикулярно к нему расположенный магнитный поток Ф, В особенности предлагаемое изобретение имеет в виду однофазные коллекторные сериесные двигатели того особого рода, у которых этот поток Ф, полностью или частично возбуждается обмоткой, питаемой вторичным током и расположенной перпендикулярно к первичной обмотке возбуждения, между тем как образованный в якоре первичны:I током магнитный поток при помощи компенсационной обмотки полностью иll> в большей своей части уничтожается.

В этих машинах трансформаторное напряжение, вызывающее искрение щеток, образуемое результирующим полем возбуждения между краями щеток первичного тока в короткозамкнутых витках якоря, может быть в значительной своей части уничтоже IG. Принципиальную схему этого показывает фиг. 1

Первичный ток 1., протекает через обмотку возбуждения 1, якорь 3 между щетками 2 и 4, обмотку 5 дополнительных полюсов и через компенсационную обмотку 6. Вторичный ток 1г протекает через якорь между щетками 7 и 8, поперечную обмотку 9 и через обмотку 1О дополнительного полюса, расположенную на том же полюсе, что и обмотка 5.

Если поперечный поток первичного тока в якоре полностью уничтожен компенсационной оомоткой 6, то векторная диаграмма имеет форму, показанную на фиг. 2 чертежа.

Результирующий поток АВ (Ф,) индуктирует между щетками 7 и 8 напряжение АЕ. Последнее уничтожается напряжением DA, возникающим благодаря вращению якоря в магнитном поле обмоток 9 и 10, и напряжением I.D, возникающим вследствие самоиндукции этих обмоток.

При половинном числе оборотов точка D двигается по полукругу до точки D, а при двойном числе оборотов до точки D".

Соответственно этому, получается положение вторичных токов СВ, С В, С "В и положение первичных токов АС, АС, АС". Токи 1, при возрастающем числе оборотов уменьшаются и по фазе отстают от АВ (Ф,). При этом они могут компенсировать, при помощи обмотки 10 добавочного полюса, напряжение, вызывающее искрение щеток и возбуждаемое потоком Ф, в короткозамкнутой обмотке под щетками 2 и 4.

Если рассматривать АЕ как вектор напряжения, вызывающего искрение, то векторы DA, D А, D "А соответствуют компенсирующим напряжениям, возникающим олагодаря вращению соответствующей току I части потока добавочных полюсов, так что получаются только остаточные напряжения E0, ED, ED", Можно даже при нормальном числе оборотов получить полное уничтожение напряжения, вызывающего искрение. Это получается в том случае, когда число витков в компенсационной обмотке 6 будет несколько меньше, так что поперечный поток Ф, образуется совместным

> действием токов 1., и I В таком случае получается показанное на фиг. 3 соотношение величин. Часть поперечного потока Ф, возбуждаемая обмоткой 9, и часть потока добавочного полюса, возбуждаемая обмоткой 10, образуют между щетками 7 и 8 напряжение PG, обусловленное вращением, и напряжение EF, обусловленное индукцией, Часть поперечного потока Фа и потока добавочного голюса, возбуждаемая током 1„образует, вследствие вращения, напряжение НА, и, вследствие индукции, напряжение CH.

Вектор тока СВ перпендикулярен к AB и поэтому ток 1, может образовать в обмотке 10 такую составляющую потока добавочного полюса, которая при нормальном числе оборотов полностью уничтожает напряжение, вызывающее искрение, напряжением, получающимся при. вращении; при всяком другом числе оборотов получаются только остаточные напряжения. Все это дало основание думать, что можно будет даже при числе периодов порядка 50 в секунду применять результирующие потоки возбуждения такой же величины, какие в настоящее время применимы при 25 периодах, что дало бы возможность получить большие вращающие моменты, высокие напряжения и целый ряд других преимуществ и, тем не менее, иметь очень широкие границы регулирования числа оборотов.

Опыт показал, однако, что эти преимущества не только не могут быть использованы, но что машина даже при относительно малых потоках Ф, и даже в узких границах числа оборотов имеет тенденцию к загрязнению коллектора.

Практические испытания и теоретические соображения показывают следующее.

В короткозаыкнутой обмотке под щетками 7 и 8 на середине полюсов также возникают напряжения, а именно: индуктивное напряжение от тока I„напряжение вращения, обусловленное действием потока Ф„ и трансформаторное напряжение, вызывающее искрение щеток и обусловленное действием потока Ф,. Оба последних напряжения взаимно приблизительно уничтожаются при определенном числе оборотов, а индуктивное напряжение от тока 1> может быть сделано .",,a лым, если мала сила тока 1 .

При понижении числа оборотов, однако, поток Ф, возрастает о гносительно потока Ф, и наоборот, а поэтому на границах диапазона числа оборотов между образуемыми ими напряжениями остается довольно значительная разность. К э ому добавляется еще то, что при понижении числа оборотов ток 1, и индуктивное сопрогивление также значительно увеличиваются. Кроме того, в витках, замыкаемых накоротко щетками 7 и 8, возникают напряжения самоиндукции от потоков рассеяния, возбуждаемых обтекающим также и эти витки током 1, на своем пути от щетки 2 к щетке 4.

В этих витках индуктируются также напряжения от тока I„прогекающего по обмотке 5. Эти напряжения также ухудшают коммутапию на вторичных щетках.

В результате всех перечисленных напряжений получается сильное искрение щеток 7 и 8, которое уменьшается лишь при соответственном уменьшении напряжения двигателя, токов и потока Ф,.

Одной из проблем, которые необходимо разрешить для радикального улучшения работы двигателя, является, поэтому, проблема нахождения таких мероприятий, которые уничтожили бы перечисленные выше напряжения полностью или по краИней мере в большей части. Вследствие этого стало бы возможным опять увеличить поток Ф, до величины, допустимой остаточными напряжениями в витках, короткозамкнутых щетками 2 и 4. Имеются, однако, случаи, когда достигнутое таким образом увеличение потока Ф, не может

НВс удовлетворить, например, если желателен такой широкиИ диапазон оборотов, что на границах его при больших значениях потока Ф, возникающие остаточные напряжения под щетками 2 и 4 оказываются слишком большими, или там, где высшие гармоники потока Ф, уже слишком сильно влияют на коммутацию.

Поэтому, для того, тобы построить регулируемый в широких пределах однофазныИ сериесный двигатель с большими потоками на полюс при повышенных частотах, необходимо еще решить и вторую проблему, тесно связанную с первой, а именно: каким образом сделать возможным уничтожение или уменьшение остаточных напря>кениИ под щетками 2 и 4 и каким путем уменьшить высшие гармоники потока.

Предметом предлагаемого изобретения является такая комбинация технических мероприятий, при помощи которых предусматривается доведение до очень малых остаточных значений различных напряжений, возникающих под щетками 7 и 8, так, чтобы поток Ф, мог быть увеличен до пределов, определяемых остаточными напряжениями под щетками 2 и 4 и высс шими гармониками его; эти последние остаточные значения и высшие гармонические при этом сами по себе сильно уменьшаются, так что указанные выше недостатки должны полностью уничтожиться, вследствие чего получается возможность сделать величину потока Ф, и диапазон регулирования числа оборотов больше, чем у современных нормальных коллекторных двигателей.

Эги мероприятия относятся, с одной стороны, к коммутации под щетками 7 и

8 и заключаются в следующем.

Полюс, на котором расположена оомотка возбуждения 1, делится на две части и между ними вставляется дополнительный дооавочный полюс. Затем принимаются меры к тому, чтобы уничтожилось намагничивающее действие обмотки на добавочные дополнительные полюса.

Это может быть достигнуто тем, что на добавочном полюсе помещаются ампервитки, намотанные в противоположных направлениях, или >ке тем, что о.мотка 1 помец(ается на обеих половинках полюса, Далее, иа дополнительном добавочно.« полюсе помещаются еше пропорциональные току 1 ампервиткн, которыми уничтожается напряжение, образующееся ири вращении от потока, возбуждаемого в добавочном полюсе от тока е.

Поскольку поток Ф, гозбуждается совместным действием ампервитков токов ! и I,„òî этим путем может оыть уничтожено действие потока Ф, на и тки.

Одними перечисленными мероприятиями коммутация.под щетками 7 и 8 не только не можег быть сделана удовлетворительной, но даже должна была бы ухудшиться.

Как было описано применительно к схеме, изобра>кеннай на фиг. 1, на;ряжение вращения, образуемое потоком Ф, при определенном числе о. оротов уничтожало возбуждаемое потоком Ф напряжение, вызывающее искрение щеток 7 и 8. Вследствие вышеуказанных мероприятий, это благоприятное действие, однако, отпадает, Поэтому, кроме них, необходимо дальнейшими героприятиямш уничтожить и это напряжение как для случая, когда поток Ф2 возбужд.ется только током ., так и для того с,учая, когда поток Ф., возбуждается и током I„ и током I>s. Кроме того должно также быть уничтожено напряжение рассеяния от тока 1, в короткозамкнутых витках якоря. Эти мероприятия могут быть установлены на основании следующих сообра>кений, Можно разложить вектор тока 1„который мы изобразим в -виде вектора АС, на пропорциональный потоку Ф, вектор АВ, который мы в дальнейшем будем называть составляющей возбуждения первичного тока, и на вектор ВС, которь.й

1, возрастает с числом оборотов, между тем ><ак часть напряжения искрения, которую оно должно компенсировать, пропорциональна I, то поэтому при повышенных числах оборотов наступает перекояпенсация, а при пониженных числах оборотов — недокомпенсация, Аналогичное явление извесгно у ооыкновенных однофазных сериесных коллекторных двигателей, у которых напряжение, вызывающее искрение щеток, компенсируется включением омического сопротивления параллельно обмотке добавочного полюса.

Поэтому необходимо, чтобы соответствующим подбором числа витков поток Ф, получил такую величину, при которой он образует допустимое по величине трансформаторное напряжение, как у обыкновенных двигателей при 25 пер, сек во время хода на границах диапазона регулирования. Подходящим для этого средством является помещение на статоре коаксиально с обмоткой 1, пронизываемой полем Ф., обмотки 11, через которую протекает ток I, (фиг. 4). Это позволяет подобрать сумму индуктируемых потоком

Ф, в этой обмотке и между шетками 7 и 8 напряжений таким образом, чтобы поперечное поле Ф2, которое напряжением вращения должно уничтожить эти напряжения, имело как раз требуемую величину.

Различные описанные группы пропорциональных токам 1, или 1., ампервитков на добавочных полюсах щеток 7 — 8 могут быть получены, разумеется, просто помешением соответствующих обмоток, по которым будут протекать соответствующие токи, и включением омического сопротивления параллельно к виткам, по которым протекает ток 1,.

Однако, тот же эффект может быть достигнут, на основании нижеследующих соображений, совершенно другой схемой со значительной экономией меди. Если мы рассмотрим фиг. 2 или 3,» то увидим, что для вышеупомянутого уничтожения действия потока Ф, (вектор АВ) на добавочный полюс потребуются ампервитки, соответствующие вектору АС, и ампервитки, соответствующие вектору СВ.

Расход меди пропорционален, таким образом, алгебраической сумме этих векторов, между тем как в действительности требуются только ампервитки соответмы будем называть компенсационной со- став ляющей первичного тока. Согласно предлагаемому изооретению, используется то обсгоятельство, что компенсационная составляющая первичного тока приб изительно перпендикулярна к направлению составляющей возбуждения первичного тока и потока Ф,.

Если представим себе теперь у машины, согласно фиг. 1 и 2, соответствующее току 1, добавочное поле, уничто>кающее реактивное напряжение первичного тока между щетками 2 и 4, а у машины, согласно фиг. 1 и 3, кроме того еще возбуждаемую током I часть потока Ф, разложенными на поле, ооразованное составллющей возбуждения первичного тока, и на поле, образованное компенсационной составляющей первичного тока, и если таким же путем разложим напряжение рассеяния, созданное током в короткозамкнутом вигке, замкнутом щетками 7 и 8, то мы сможем напряжение искрения первичного тока, возбуждаемого под щетками 7 и 8 от соогветствующей части составляющей возбуждения первичного тока, очень точно уничтожить напря>кением вращения, возникающим благодаря действию дополнительных пропорциональных току 1., ампервитков, помещенных на добавочных по.посах щеток 7 и 8. Э го действие тем вернее, что при возрастающем числе оборотов и постоянном потоке Ф„величина этих пропорциональных току I., ампервитков уменьшается, и поэтому возбуждаемое ими напряжение вращения остается более или менее постоянным, в то время как возбуждаемое составляющей возбуждения первичного тока напряжение, вызывающее искрение щеток, также остается постоянным.

Остающиеся части трансформаторного напря>кения, вызывающего искрение, индуктируются тогда, очевидно, образуемыми вторичным током или компенсационной составляющей первичного тока, частями потока добавочного полюса или потока Фа и могут быть устранены тем, что при помощи омического сопротивления на добавочном полюсе щеток 7 и 8 образуется еще одна ампервитковая составляющая, отстающая примерно на 90 от ампервитков тока I .

Так как эта составляющая пропорциональна току 1, и индуктируемое ею напряжение вращения, поэтому, относительно

"твенно величине их геометрической суммь,, т. е. во много раз меньше.

Этого излишнего расхода меди можно, согласно предлагаемому изобретению, избежать, образуя все перечисленные группы ампервитков витками, через которые протекает ток I„имеющий такую величину и фазу, чтобы число его ампервитков как раз соответствовало геометрической сумме требующихся ампервитков.

При этом схема получается на основании следующих соображений. Представим себе на добавочном полюсе щеток 7 и 8 короткозамкнутую обмотку 12 (фиг. 5). Если обмотка возбуждения, как показывают фиг. 1 и 4, намагничивает также то место, где находится добавочный полюс, то, если бы короткозамкнутая обмогка не имела рассеяния, в ней возник бы ток I„ который препятствовал бы про-, никновению в добавочный полюс как .

1 по гока, образуемого обмоткой 1, так и, отока, образуемого током 1 в витках якоря между щегками 7 и 8. Но вслед- ствие рассеяния некоторая часть этого потока, часть>о пропорциональная ток1 1, и частью току I>, проникает в добавоч- ный пол ос. Если же вкл очить в цепь короткозамкнутой обмотки 12 добавоч-,. ного полюса еще несколько витков, сопря>кенных с потоком, пропорциональным току f„è несколько витков сопряженных с потоком, пропорциональным току то можно добиться того, чтобы добавочный полюс был свободен от поля.

Включив в цепь еще несколько витков, сопряженных с потоком, приблизительно соответствующим положению фазы тока I, 1> и параллельно этим виткам омическое сопротивление,можно получить ток I, такой величины и фазы, чтобы он образовал геометрическую сумму требующихся групп ампервитков. Так как, однако, витки обмотки 1 сопряжены с потоком, который пропорционален частьютоку I, и частью току

1а и с другой стороны, обмотка 6 сопряжена с потоком, который по фазе занимает приблизительно положение тока Iа, то мы можем получить желательный эффект, вкл ючив соогветствующее число витков обмотки

1 в цепь обмотки 12 и одновременно включив параллельно включенным виткам обмотки 6 омическое сопротивление 13 (фиг. 5);

Вышеописанным образом можно устранить причины, ухудшающие коммутацию под щетками 7 и 8.

С другой стороны, часть вышеупомянутых мероприятий относится к коммутации под щетками 2 и 4 и заключается в том, чтобы упомянутые выше остаточные напряжения под щетками 2 и 4 в большей своей части были уничтожены.

Это может быть достигнуто, с одной стороны, включением омического сопротивления 14 (фиг. 6) параллельно к обмотке 9 (фиг. 1) Тогда вектор тока (1 — I4)

s обмотке 9 отстает во времени от вектора тока I на определенный угол. Если сделать этот угол равным углу DAE на фиг. 2, то ток (I — I,) будет, очевидно, иметь направление вектора СВ и ток 1а в обмотке 10 будет иметь направление, перпендикулярное к АВ, но тогда, согласно вышеизло>кенному, обмотка 10 будет в состоянии полностью уничтожить возбуждаемое потоком трансформаторное напряжение под щетками 2 и 4.

Того же самого возможно достигнуть при помощи маленького вращающегося вхолостую однофазного асинхронного двигателя с якорем в виде беличьего колеса, как это часто применяется в рекуперационных схемах. Основная идея этого ,.остоит в следующем

Ес >и будем пропускать (фиг. 7) через работающий вхолостую двигатель 14 ток

1,, то можно получить между отстающими друг от друга на определенный угол зажимами ток I„ïðoïoðöèàíàëüíûé току I,, но опережающий его на некоторый угол.

Пусть это будет угол DAE (фиг, 21.

Если пропускать этот ток I-Ä вместо тока I >, через обмотку 10, то получим соогношения по фиг S, т е. при норMRëüHîì числе оборотов напряжение искрения АЕ будет совершенно уничтожаться компенсационным напря>кением DA. При удвоенном числе оборотов получается отрицательное остаточное напря>кение D"E, а при половинном числе оборотов положительное остаточное напряжение D E.

Можно, однако, в значительной степени уничтожить и эти остаточные напряжения, если принять во внимание упоминавшийся выше факт, что составляющая возбуждения первичного тока пропорциональна вектору АВ и сдвинута по фазе относительно вектора тока 1> приблизительно на 90 .

Создавая в ансинхронном двигателе изменением вышеуказанного угла между за>кимами тока I,; и зажимами тока 1, дополнительное смещение тока 1,„, мы можем представить себе его действие на добавочный полюс, в отношении возбуждения компенсационных напряжений, разложенным на напряжения, согласно фиг. 8, и на перпендикулярную к ним составляющую напряжения постоянной величины

KL, К L, К"1" (фиг. 8,. Представим себе, с другой стороны, добавочный полюс щеток 2 и 4 с дополнительно возбуждаемыми обмотками, по которым протекает ток I . и обмотками, ло которым протекает 1 . В таком случае мы можем, согласно вышеизложенному, лри соответствующем подборе числа витков, достигнуть того, чтобы возбужденная ими, благодаря вращению, составляющая напряжения МК при среднем числе оборотов имела такое положение, как если бы она была возбуждена составляющей возбуждения первичного тока. т. е. была параллельна К1 .

Если мы сделаем вектор МК противополо>кным КI по направлению и приблизительно равным ему ло величине, то лри среднем числе оборотов сумма этих напряжений будет равна М1. (приблизительно равна нулю), т е. при среднем числе оборотов остается такое же полное компенсирование напряжения, вызывающего искрение щеток, как и для фиг. 3 и 5. При удвоенном числе оборотов напряжение МК возрастает на М"К"—

К" 1.", которое противоположно остаточному напряжению D"E, При половинном числе оборотов напряжение MK падает до М К так, что возникает остаточное напряжение, противоположное остаточному напряжению D" Е.

Это дает, таким образом, возможность как у машин по схеме фиг, 3, так и у машин по схеме фиг. 5, еще более понизить остаточные напряжения и этим сильно повысить величину потока Ф, и мощность на каждый полюс, а также увеличить диапазон регулирования числа оборотов.

Только что перечисленные напряжения (имеющие место в короткозамкнутом щетками 2 и 4 витке) обладают тем свойством, что они не точно пропорциональны реактивному напряжению от тока 1, во вторичном контуре тона, создающему в первую очередь упомянутые остаточные напряжения.

Следующий путь позволяет, однако, включить полностью пропорциональную этой реактивной э. д. с. и прямо ей противоположную э. д. с. и тем самым в еще большей мере достигнуть желае| мого эффекта, а именно: если упомянутые ранее обтекаемые током I, витки, которые, в соответс>вии с изобретением употребляются для уничтожения намагничивающего действия тока 1, на добавочный полюс щеток 7 и 8, уложить в те же пазы, где находятся витки, которые употребляются для уничтожения намагничивающего действия обтекаемых током Iа витков на тот же добавочный полюс, то ток I„âñëåäñòâèå наличия потока рассеяния в пазу, возбуждает некоторое напряжение во вторичном контуре тока.

Вектор этого напряжения расположен таким образом, что тот компонент, который индуцирован компенсирующим компонентом тока I„направлен прямо про-! ти вол оложно вредному реактивному напряжению, возникающему во вторичном контуре из-за тока 1,. Этим путем получается уменьшение этого вредного напряжения. Г1ри этом, однако, необходимо витки первичного тока поместить дальше от воздушного зазора, Тот >ке эффект получается, если поместить обмотку 9 в те же пазы, что и обмотку 6, а обмотку 10 в те же г азы, что и обмотку 5, опять таки дальше от воздушного зазора. -Iто касается высших гармоник, то они могут быть сильно уменьшены cëåäóþùè» образом: принимая, что поток Ф, вследствие, например, пазовых пульсаций или вследствие насыщения содержит высшие гармоники, в контуре вторичного тока под влиянием каждой отдельной гармоники возникают напряжения и токи, представленные принципиально на фиг. 2, если лод вектором АС понимать соответствующую гармонику потока. Однако, вследствие высокой частоты гармоник, векторы D""Е, DE, DÅ гораздо больше векторов D "À, DA, D A, а поэтому токи

АС, AC, АС" очень сильно демпфируют высшие гармоники. При этом демпфирующее действие этих тонов тем больше, чем меньше импеданц во вторичном контуре тока.

Таким образом, описанные ра<ее меро. приятия по размещению различных обмоток первичного тока, с целью уменьшения реактанца вторичного контура, в определенные пазы также приспособлены и для уменьшения высших гармоник.

Впрочем, если даже нельзя или нежелательно уменьшать импеданц вторичного контура тока дчя сетевой частоты, все же можно его сильно уменьшить для высших гармоник, а именно: можно для этой цели использовать тот факт, что высшие гармоники имеют более высокую частоту.

Необходимо включить между точками 7 и 8 или между другими целесообразно выбранными точками некоторое относительно большое омическое сопротивление.

Тогда это последнее в отношении высших гармоник действует так, как если бы остальные реактанцы вторичной обмотки были закорочены и как если бы, например, осталось только напряжение рассеяния ротора.

Предмет изобретения.

1. Компенсированный однофазный сериесный коллекторный двигатель с расщепленными полюсами для частоты свыше

25 герц, снабженный вторичной поперечной обмоткой возбуждения на статоре, питаемой током ротора, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью улучшения коммутации, первичная обмотка возбуждения разделена на две части и помещена на расщепленных полюсах, между которыми находятся дополнительные полюса с обмоткой, намотанной в обратном направлении по отношению к первичной обмотке возбуждения.

2. Форма выполнения двигателя по и. 1, о т л и ч a þ щ а я с я тем, что последовательно с добавочной обмоткой возбуждения 1, питаемой током ротора и уложенной коаксиально с первичной обмоткой возбуждения, включены добавочная обмотка 10, уложенная на дополнительных полюсах, и поперечная обмотка возбуждения 9, уложенная в тех же пазах, что и основные — добавочная 1 и компенсационные обмотки 5 и 6.

3. Форма выполнения двигателя по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что параллельно первичной обмотке возбуждения 1 и компенсационной обмотке 6 включены добавочная обмотка 12, намотанная на добавочных полюсах, и омическое сопротивление 13.

4. Форма выполнения двигателя по пп. 1, 2 и 3, отличающаяся тем, что на добавочных полюсах уложена дополнительная оомотка 10, питаемая от вращаю щегося вхолостую короткозамкнутого однофазного асинхронного двигателя, включенного последовательно с поперечной обмоткой 9. тОтв. редактор П. Е. Накшпин

1оспланиздат М 36333 Зак. 1-111 — 700 Подп, к пе-r. ЛЧ вЂ” 41 г. Цена 35 коп.

К авторскому свидетельству № 58816

I !

2-и тпп. Трансжелдори: дат ии. Локанхова. Ленинград, ул. Правды, 15.

/I