Opublikowano: 31.VIII.1967 53754 KI. 21 d1, 17 MKP UKD H02k jfoló CZYTELNIA Twórca wynalazku i Aleksander Ligaszewski, Bielsko-Biala (Polska) wlasciciel patentu: Trójfazowa maszyna elektryczna z wirujaca magnesnica i zespolem komutatora Przedmiotem wynalazku jest uniwersalna, szyb¬ kobiezna trójfazowa maszyna elektryczna pradu stalego i zmiennego wysokiego napiecia z wiruja¬ ca magnesnica i zespolem komutatora.Istota wynalazku jest zespól komutatora umiesz¬ czony w nastawnej wraz ze szczotkami skrzyni olejowej i dolaczony do konca walu maszyny za pomoca sprzegla. Sluzy on do komutacji pradu przemiennego, indukowanego przez magnesnice wi¬ rujaca w skojarzonym w gwiazde trójfazowym uzwojeniu stojana, gdy maszyna dziala jako gene¬ rator pradu stalego, lub do komutacji doprowa¬ dzonego z sieci pradu stalego, gdy maszyna dziala jako silnik pradu stalego.Prad przemienny stojana, doprowadzony do szczotek fazowych zespolu komutatora, jest prosto¬ wany i jako prad jednokierunkowy jest pobierany ze szczotek biegunowych zespolu komutatora, w celu zasilania magnesnicy wirujacej oraz obwodu zewnetrznego maszyny.Prad staly, doprowadzony z sieci do zacisków biegunowych maszyny zasila magnesnice wirujaca, natomiast doprowadzony do szczotek biegunowych jest przetworzony na trójfazowy prad przemienny, który przez szczotki fazowe zespolu komutatora zasila uzwojenie stojana wzbudzajac w nim wiru¬ jace pqle magnetyczne.Obrotowo nastawna wraz ze szczotkami skrzynia olejowa, z umieszczonym w niej zespolem ko¬ mutatora, posiada z jednej strony czop osiowy usytuowany w lozysku na dnie pokrywy ochron¬ nej, przymocowanej do tarczy lozyskowej kadlu¬ ba mszyny, a z drugiej strony jest zamknieta tar¬ cza cylindrycznego izolatora, w której srodku jest umieszczone lozysko oraz sprzeglo dolaczone do konca walu maszyny. W izolatorze sa umieszczone szczotki biegunowe, szczotki fazowe polaczone ze zwojnicami fazowymi stojana i polaczona z opor¬ nikiem gaszacym szczotka separatora. Szczotki sa docisniete sprezynami do powierzchni tocznej ze¬ spolu komutatora, osadzonego wewnatrz izolatora na wale zakonczonym sprzeglem. Zespól komu¬ tatora posiada na obwodzie lopatki do tloczenia oleju. Olej ze skrzyni wplywa do komory zawar¬ tej pomiedzy izolatorem, a zespolem komutatora i wyplywa do skrzyni przez kanaly w sciance izola¬ tora, co zapewnia stala cyrkulacje oleju oraz sa- moczyszczenie sie komory. Zespól komutatora jest polaczony z uzwojeniem maszyny za posred¬ nictwem szczotek i przewodów elektrycznych wy¬ prowadzonych ze skrzyni poprzez tarcze izolatora zamykajacego skrzynie oraz poprzez tarcze lo¬ zyskowa kadluba maszyny.Skrzynia olejowa jest nastawiana wraz ze szczot¬ kami w zaleznosci od obciazenia maszyny przez osadzona na niej czesc ruchoma elektromagnetycz¬ nego urzadzenia, które stanowi odmiane silnika elektrycznego o ograniczonym kacie obrotu wirni¬ ka i którego uzwojenie jest dolaczone do szczotek 30 biegunowych zespolu komutatora. Ruch obrotowy 10 15 20 25 5375425 3 czesci ruchomej tego urzadzenia jest hamowany przez spiralna sprezyne zwrotna, której koniec ru¬ chomy jest zakonczony walkiem, sprzegnietym z czopem osiowym skrzyni, a drugi koniec jest sztywno zwiazany z nastawnym pokretlem, do¬ cisnietym do pokrywy ochronnej srubami hamuja¬ cymi. Czesc ruchoma urzadzenia nastawczego skrzyni jest umieszczona pomiedzy biegunami elek¬ tromagnesu, ulokowanego w pokrywie ochronnej skrzyni, którego uzwojenie jest wlaczone szere¬ gowo do obwodu zewnetrznego maszyny. Zmiana vpr%du obciazenia powoduje zmiane pozycji czesci ruchomej, nastawiajacej skrzynie ze szczotkami na zesjpjole komutora.Pozycja skrzyni olejowej jest regulowana za po¬ moca dostepnego od zewnatrz pokretla nastawnego opornika w obwodzie czesci ruchomej urzadzenia nastawczego.Wlasciwa praca zespolu komutatora wedlug wy¬ nalazku zostala osiagnieta przez zastosowanie w nim komutatora, zawierajacego pomiedzy zazebia¬ jacymi sie dwoma pierscieniowymi segmentami se¬ parator w postaci izolowanej rurki z wystepami, zespolony pierscieniem slizgowym, z którym kon¬ taktuje szczotka polaczona przez opornik gaszacy ze srodkiem skojarzonego w gwiazde trójfazowego uzwojenia stojana. Szczotki zwojnic fazowych sto- jana, przesuniete na obwodzie komutatora o 120°, sa kolejno wylaczane z obwodu przez separatora wraz z nimi zwojnice, do których jest chwilowo dolaczony równolegle opornik gaszacy. Pomocni¬ czymi elementami gaszacymi sa kondensatory, wlaczone pomiedzy szczotki zwojnic fazowych.Maszyna moze pracowac jako samowzbudny sil¬ nik lub generator pradu stalego w równoleglym lub szeregowym ukladzie uzwojenia magnesnicy z uzwojeniem stojana, jako silnik komutatorowy pradu przemiennego oraz jako samowzbudny ge¬ nerator synchroniczny i samorozruchowy silnik synchroniczny.Rozruch i regulacja obrotów maszyny jako sil¬ nika moga byc dokonane z minimalnymi stratami energetycznymi, jesli kazda faza w stojanie bedzie zlozona z kilku zwojnic, które sa ze soba laczone szeregowo lub równolegle przy pomocy nastawnika.Stosowane dotychczas maszyny komutatorowe z komutacja pradu w uzwojeniu wirnika, ze wzgledu na konstrukcje wielowycinkowego komutatora * i wirujace uzwojenie pradotwórcze, nie moga byc budowane na wysokie napiecie i duze obroty. Nie mozna dokonac rozruchu i regulacji obrotów tych maszyn bez znacznych strat energetycznych, jak to jest mozliwe w maszynie wedlug wynalazku, która ze wzgledu na zespól komutatora umieszczony w oleju, mala srednice komutatora, jego zwarta kon¬ strukcje oraz umieszczenie uzwojenia pradotwór¬ czego w stojanie, jest maszyna szybkoobrotowa wy¬ sokiego napiecia.W porównaniu z dwufazowa maszyna z komu¬ tacja pradu w nieskojarzonym ukladzie zwojnic fa- 80 zowych stojana, wedlug patentu glównego nr 48768,l maszyna wedlug wynalazku posiada w stojanie trójfazowe uzwojenie skojarzone w gwiazde, które moze byc bezposrednio dolaczone do sieci trójfa¬ zowej pradu zmiennego. Zespól komutatora umiesz- 65 53754 10 15 35 40 45 50 55 czony w skrzyni olejowej, skonstruowany inaczej anizeli zespól komutatora wedlug patentu glówne¬ go, a takze dzialajacy w inny sposób, umozliwia zastosowanie wysokiego napiecia do maszyny wedlug wynalazku. Poza tym zespól komutatora, w odróznieniu od konstrukcji maszyny wedlug pa¬ tentu glównego jest umieszczony na zewnatrz kadluba maszyny, od walu której moze byc on w razie remontu odjety wraz ze skrzynia olejowa i zastapiony przez inny taki sam zespól, bez po¬ trzeby demontowania calej maszyny. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykladzie wy¬ konania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia w czterech poprzecznych przekrojach schemat ideo¬ wy zespolu komutatora z elektrycznymi obwodami maszyny jako silnika pradu stalego z dwustopnio¬ wym nastawnikiem rozruchu i regulacji obrotów, fig. 2 — uklad szczotek na rozwinietej powierzchni tocznej komutatora, na której jest przedstawiony wykres sil elektromotorycznych, indukowanych przez wirujaca magnesnice w trójfazowym uzwo¬ jeniu stojana, fig. 3 —w przekroju pionowym ze¬ spól komutatora umieszczony w skrzyni olejowej i znajdujacy sie wewnatrz cylindrycznego izolatora z zamocowanymi w nim szczotkami, cyrkulacje oleju, urzadzenie do nastawiania skrzyni olejowej wraz ze szczotkami w zaleznosci od obciazenia, po¬ laczenie zespolu komutatora z walem maszyny oraz polaczenie ukladu komutacyjnego z uzwojeniem stojana i uzwojeniem magnesnicy, fig. 4 — w per¬ spektywie równoleglej fragment budowy zespolu komutatora z separatorem,, fig. 5 — przekrój po¬ przeczny urzadzenia do samoczynnego nastawiania skrzyni olejowej wraz ze szczotkami oraz schemat obwodów elektrycznych urzadzenia.Na rysunku liczba 1 oznaczono plusowy segment komutatora, 2 — minusowy segment, 3 — separa¬ tor, 4 — tulejke sprzegajaca elementy zespolu ko¬ mutatora, 5 — dociskowa nakretke tulejki, po¬ siadajaca na obwodzie lopatki do tloczenia oleju, 6 — wal komutatora, 7 — sprzeglo, 8 — lozysko glówne maszyny, 9 — tarcze lozyskowa, 10 — lozy¬ sko, w którym osadzony jest jeden koniec walu komutatora, 11 — skrzynie olejowa, 12 — izolator cylindryczny z tarcza, zamykajaca skrzynie olejo¬ wa, 13 — sruby dociskowe tarczy izolatora, 14 — lozysko slizgowe, 15 — czop osiowy skrzyni olejo¬ wej, 16 — lozysko slizgowe, 17 — pokrywe ochron¬ na skrzyni, 18 — szczotke fazowa, 19 — przewód elektryczny, 20 — srube kontaktowa zwojnicy fazo¬ wej, 21 — izolator ze srubami kontaktowymi uzwo¬ jenia maszyny, 22 — zawór sprezynowy, 23 — kanal przeplywowy oleju, 24 — zbiornik nadmiaru oleju, 25 — zawór regulacji cisnienia gazu, 26 — gaszacy opornik elektryczny, 27 — kondensatory gaszace, 28 — nastawnik rozruchu i regulacji obro¬ tów, 29 — nastawny opornik elektryczny plynnej regulacji obrotów, 30 — magnesnice wirujaca, 31 — pierscienie slizgowe magnesnicy, 32 — szczot¬ ki weglowe, 33 — nastawny opornik elektryczny plynnej regulacji obrotów magnesnicy wirujacej, 34 — elektromagnes urzadzenia nastawczego skrzy¬ ni olejowej, 35 — czesc ruchoma urzadzenia na¬ stawczego, 36 — spiralna sprezyne zwrotna, 37 — walek, na którym zamocowana jest sprezyna, 38 —53754 pokretlo nastawcze sprezyny, 39 — koniec sprezy¬ ny zamocowany w pokretle, 40 — sruby dociskowe ustalajace pozycje pokretla, 41 — nastawny opor¬ nik elektryczny, 42 — pokretlo opornika, 43 — plu¬ sowa szczotke biegunowa, 44 — szczotke separato¬ ra, O — pierscien slizgowy separatora, VtXlf YtY^ WiZlf U^* V2Y2, WtZf — zwojnice fazowe równo¬ legle ulozone w tych samych zlobkach pierscienia stojana maszyny.Zespól komutatora zawiera komutator z dwoma zazebiajacymi sie segmentami 1 i 2, pomiedzy któ¬ rymi jest umieszczony izolowany od nich separator 3 w ksztalcie rurki z wystepami zespolonej z pier¬ scieniem slizgowym O. Wszystkie elementy zespo¬ lu*sa docisniete do tarczy oporowej tulejki sprzega¬ jacej 4 nakretka 5. Na obwodzie tarczy oporowej oraz na obwodzie nakretki znajduja sie lopatki do tloczenia oleju. Zespól komutatora jest osadzony na wale komutatora 6, zakonczonym sprzeglem 7, dolaczonym do konca walu maszyny. Sprzeglo 7 jest umieszczone w lozysku 14, znajdujacym sie w srodku tarczy cylindrycznego izolatora 12, zamy¬ kajacej skrzynie olejowa 11, której czop osiowy 15 jest umieszczony w lozysku 16, znajdujacym sie w dnie pokrywy ochronnej 17, przymocowanej do tarczy lozyskowej "kadluba maszyny.Skrzynia 11 jest obrotowo nastawna wraz ze szczotkami na powierzchni tocznej zespolu komu¬ tatora. Szczotki fazowe 18 na komutatorze, szczotka 44 na pierscieniu slizgowym separatora O oraz szczotki biegunowe 43 na pierscieniach slizgowych komutatora sa zamocowane w izolatorze cylin¬ drycznym 12 i dociskane sprezynami do powierzch¬ ni tocznej zespolu komutatora, znajdujacego sie wewnatrz izolatora. Lopatki do tloczenia oleju 5 powoduja cyrkulacje oleju, wplywajacego ze skrzyni 11 do komory, w której zespól komutatora jest zamkniety i wyplywajacego z niej do skrzyni poprzez kanaly 23 czesci cylindrycznej izolatora 12.Skrzynia olejowa 11 posiada zawór sprezynowy 22 do doprowadzenia oleju, oraz zbiornik nadmiaru oleju 24. Zespól komutatora jest polaczony za po¬ srednictwem szczotek fazowych 18 i szczotki sepa¬ ratora 44, przewodów elektrycznych przechodza¬ cych poprzez tarcze cylindrycznego izolatora 12 oraz srub kontaktowych 20 osadzonych w tarczy lozyskowej kadluba maszyny z uzwojeniem stoja¬ na, oraz w ten sam sposób lecz przez szczotki biegunowe 43 z biegunami elektrycznymi maszyny, a z uzwojeniem magnesnicy wirujacej za posred¬ nictwem szczotek 32 i pierscieni slizgowych 31, osa¬ dzonych na wale maszyny.Nastawianie skrzyni olejowej jest zalezne od pradu obciazenia w uzwojeniu elektromagnesu 34, zamocowanego w pokrywie ochronnej 17, oraz od pradu w uzwojeniu czesci ruchomej elektromagne¬ su 35 umieszczonej pomiedzy jego biegunami. Czesc ruchoma 35 elektromagnesu jest osadzona na wy¬ stepach czesci czolowej skrzyni olejowej 11, a jej czop osiowy 15 poprzez sprzezony z nim walek po¬ sredni 37 jest polaczony z ruchomym koncem spi¬ ralnej sprezyny zwrotnej 36, której drugi koniec 39, zamocowany w nastawnym pokretle 38 moze byc dowolnie ustalony w pokrywie ochronnej 17 przez unieruchomienie pokretla srubami docisko- 10 13 20 25 35 40 45 50 55 65 wymi 40. W obwodzie pradu czesci ruchomej znaj¬ duje sie nastawny opornik 41 z pokretlem 42, slu¬ zacy do korygowania nastawienia skrzyni olejowej wraz ze szczotkami wzgledem komutatora.Obieg pradu w maszynie, dzialajacej jako silnik pradu stalego w ukladzie równoleglym uzwojenia stojana z uzwojeniem magnesnicy wirujacej, w chwili komutacji pradu w uzwojeniu fazy UX (fig. 1) jest nastepujacy: prad magnesujacy prze¬ plywa przez nastawny opornik plynnej regulacji obrotów 33, szczotke 32, pierscien slizgowy 81, uzwojenie magnesnicy 30, drugi pierscien slizgowy 31 i przez sczczotke 32 doprowadzony jest do sie¬ ci. Prad glówny przeplywa przez nastawny opor¬ nik plynnej regulacji obrotów 29, plusowa szczot- we biegunowa 43, segment 1 komutatora, szczotke 18 fazy WZ i polaczone szeregowo przez nastawnik 28 zwojnice W^ i WjZ,, srodek ukladu trójfazo¬ wego w gwiazde, zwojnice Y^Z, i Y1V1 szczotke 18 fazy YY, segment Z komutatora i przez szczotke minusowa 43 doprowadzony jest do sieci. Uzwoje¬ nie fazy UX, ze szczotka fazowa 18, jest wylaczo¬ ne z obwodu pradu wraz z chwilowo dolaczonym równolegle do tej fazy opornikiem gaszacym 26.Przeplywowi pradu przeciwstawiaja sie sinusoidal¬ nie zmienne sily elektromotoryczne Ep, indukowa¬ ne w uzwojeniu stojana przez magnesnice wiru¬ jaca.Zespól komutatora przetwarza prad staly na trójfazowy prad przemienny, który doprowadzony przez szczotki fazowe 18 do uzwojenia stojana wy¬ twarza w nim wirujace pole magnetyczne. Zalez¬ nie od stanu obciazenia zmienia sie o pewien kat kierunek wypadkowego strumienia magnetycznego wzgledem kierunku strumienia przy nieobciazonej maszynie. O taki sam kat czesc ruchoma 35 na- stawczego urzadzenia elektromagnetycznego prze¬ suwa szczotki na zespole komutatora zgodnie z kierunkiem obrotów wirnika.Przebieg beziskrowej komutacji pradu jest na¬ stepujacy: szczotka fazowa 18 przesuwa sie z seg¬ mentu 2 komutatora na separator 3 laczac ze soba oba te elementy. Z ta chwila do polaczonych ze soba równolegle segmentem 2 faz UX i VY dola¬ czony jest wysokoomowy opornik gaszacy 26. Na skutek zmniejszania sie powierzchni styku szczot¬ ki 18 z segmentem 2 prad w fazie UX maleje.W chwili przerwania kontaktu szczotki z segmen¬ tem komutatora i wylaczenia z obwodu fazy UX wraz ze zwierajacym ja opornikiem 26, prad fazy zanika do 0, a powstajaca sem samoindukcji roz¬ ladowuje sie przez wlaczony chwilowo do fazy opornik. Pomocniczym elementem przeciwiskro- wym jest kondensator 27, wlaczony pomiedzy szczotke 18 fazy UX wylaczonej z obwodu przez separator 3 a szczotka 18 fazy VY, pozostajaca na segmencie 2 komutatora. W czasie przesuwania sie szczotki 18 z separatora 3 na segment 1 komuta¬ tora nastepuje w fazie UX zmiana kierunku pra¬ du, którego narastaniu przeciwdziala sem samo¬ indukcji.Na skutek zwiekszania sie powierzchni styku szczotki 18 z segmentem komutatora 1 prad w fa¬ zie wzrasta, natomiast na skutek zmniejszania sie powierzchni styku szczotki 18 z separatorem 353754 prad w oporniku 26 maleje i osiaga wartosc zero* wa w chwili calkowitego przesuniecia sie szczotki na iegment komutatora, co nastepuje równocze- 2. snie z odlaczeniem opornika 26 od fazy UX.Rozruch i regulacja obrotów maszyny z mini- 5 malnymi stratami energetycznymi odbywa sie za pomoca nastawnika 28, który przelacza uklad sze¬ regowy zwojnic fazowych stojana w uklad równo¬ legly* Predkosc obrotowa jest regulowana nastaw¬ nymi opornikami 29 i 33. PL