RU2044387C1

RU2044387C1 - Commutator electrical machine with even number of pole pairs

Info

Publication number: RU2044387C1
Application number: SU5039990/07A
Authority: RU
Inventors: Н.В. Астахов; А.И. Жданов; В.П. Кочергин; В.В. Малышев; М.В. Рейнфельд; В.А. Сергеев; А.А. Соловьев; Ю.Д. Харизман; В.В. Чумак; О.А. Кравцов
Original assignee: Научно-производственное предприятие "Элим Энво"
Priority date: 1992-04-27
Filing date: 1992-04-27
Publication date: 1995-09-20

Abstract

FIELD: permanent-magnet excited commutator motors. SUBSTANCE: commutator electrical machine with even number of pole pairs (p) has inductor with poles, brushes installed on two brush studs and coming in contact with maximum two commutator bars, armature carrying plain wave winding having equal first and second winding pitches with as many coils in slotted armature as there are slots there, and commutator with number of bars K. Brushed of both polarities are distributed over commutator circumference and spaced (0,5K-0,5(K∓ 1)·p^-1) commutator pitches apart for transposed and non-transposed winding, respectively, inductor has pole pitches of different lengths two pitches being, also to comply with condition of 180(K∓ p∓ 1)·(pK)^-1 geometric degrees with (2p-2) pitches of 180·(K∓ 1)(pK)^-1 geometric degrees inbetween in quantity p on one side and (p-2) on other side. Pole arcs in two above-given first pole pitches differ from remaining pole arcs by value equal in limit to difference in pole pitches and amounts to 1/2K-th part of inductor bore circumference. EFFECT: improved design. 4 dwg

Description

Изобретение относится к коллекторным электрическим машинам, преимущественно четырехполюсным машинам малой мощности. The invention relates to collector electric machines, mainly four-pole low-power machines.

Известны технические решения для улучшения коммутации, состоящие в сближении моментов окончания коммутации одних секций с началом коммутации других секций, имеющих с первыми сильную взаимоиндуктивную связь. С помощью указанной связи осуществляется переброска остаточной энергии из завершающих коммутацию секций. Требуемое сближение в [1] осуществляется смещением каждой второй щетки в машине с полным числом щеток и равномерным размещением полюсов таким образом, чтобы угол по окружности коллектора между соседними разнополярными щетками попеременно то превосходил полюсное деление, то уступал ему такую же величину. Конкретная величина отступления не устанавливается. Known technical solutions for improving switching, consisting in the convergence of the moments of the end of the switching of some sections with the beginning of the switching of other sections that have a strong mutual inductive coupling with the first. Using this connection, the residual energy is transferred from the sections completing the switching. The required rapprochement in [1] is carried out by displacing every second brush in the machine with a total number of brushes and evenly positioning the poles so that the angle around the circumference of the collector between adjacent bipolar brushes alternately surpasses pole division or is inferior to it the same value. The specific amount of deviation is not established.

В малых многополюсных машинах с простой волновой обмоткой на якоре благоприятное для коммутации чередование коммутационных циклов и сильные взаимоиндуктивные связи между последовательно коммутируемыми секциями обеспечивает установка узких щеток, перемыкающих не более двух коллекторных пластин, и выполнение обмотки с равными первыми и вторыми шагами обмотки. В таких машинах поворот якоря на коллекторное деление вызывает двойную смену коммутационных циклов, причем стороны последовательно коммутируемых секций соседствуют друг с другом. Указанное соседство обеспечивает коммутационную несамостоятельность секций даже при одной секционной стороне в слое паза. В беспазовых якорях, как известно, расположение секций соответствует расположению секций в пазовом якоре с числом секционных сторон в слое паза, равном единице, поэтому применение узких щеток и выбор определенного К дает тот же эффект. Прототипом предлагаемого решения служит двигатель с пазовым якорем [2]
Недостаток прототипа вызван неравномерным чередованием циклов коммутации секций. Щетки в двухщеточных исполнениях для обеспечения демпфирующего эффекта в коммутации выбираются с повышенной на четверть коллекторного деления шириной, что приводит к двум видам чередований коммутационных циклов с совпадением начала цикла с окончанием предыдущего и с попаданием начала на первую треть предшествующего, сокращением количества рабочих секций, возникновением указанных выше пульсаций.In small multi-pole machines with a simple wave winding at the anchor, switching cycles and strong mutually inductive coupling between successively switched sections provide for switching, narrow brushes connecting no more than two collector plates, and winding with equal first and second steps of the winding. In such machines, the rotation of the anchor to the collector division causes a double change of switching cycles, and the sides of the series-connected sections are adjacent to each other. The specified neighborhood provides switching non-independence of sections even with one sectional side in the groove layer. In baseless anchors, as is known, the arrangement of sections corresponds to the arrangement of sections in the groove anchor with the number of sectional sides in the groove layer equal to one, therefore the use of narrow brushes and the choice of a specific K give the same effect. The prototype of the proposed solution is an engine with a slot anchor [2]
The lack of prototype caused by the uneven alternation of cycles of switching sections. To ensure a damping effect in commutation, the brushes in two-brush versions are selected with a width increased by a quarter of the collector division, which leads to two types of alternation of switching cycles with the coincidence of the beginning of the cycle with the end of the previous one and with the beginning of the first third of the previous one, reduction in the number of working sections, occurrence of the indicated above ripples.

Предлагаемое изобретение позволяет устранить недостатки прототипа, т.е. снизить пульсации ЭДС, момента, мгновенной частоты вращения, и дополнительно улучшить габаритные, энергетические, коммутационные и ресурсные показатели, повысить быстродействие. The present invention allows to eliminate the disadvantages of the prototype, i.e. reduce ripple EMF, torque, instantaneous speed, and further improve overall, energy, switching and resource indicators, increase speed.

Предлагаемая коллекторная электрическая машина с четным числом пар полюсов содержит индуктор с полюсами, щетки, размещенные на двух щеточных болтах и перемыкающие не более двух коллекторных пластин, якорь с простой волновой обмоткой, имеющей равные между собой первые и вторые шаги и содержащей при пазовой конструкции якоря число секций, равное числу пазов, и коллектором с числом пластин К, и отличается от прототипа тем, что щетки одной и другой полярности взаимно разнесены по окружности коллектора на расстояние соответственно для неперекрещивающейся и для перекрещивающейся обмотки (0,5К-0,5(К∓1)р^-1) коллекторных делений, а индуктор выполнен с полюсными делениями разной величины двумя делениями, соблюдая то же соответствие 180(К±р∓1)(рК)^-1 геометрических градусов, между которыми размещены 2р-2 делений величиной 180(К∓1)(рК)^-1 геометрических градусов в количестве р с одной стороны и р-2 с другой, причем полюсные дуги в двух приведенных первыми полюсных делениях отличаются от остальных полюсных дуг на величину, в пределе равную разности величин полюсных делений и составляющую 1/2 К-ю часть окружности расточки индуктора.The proposed collector electric machine with an even number of pole pairs contains an inductor with poles, brushes placed on two brush bolts and bridging no more than two collector plates, an armature with a simple wave winding having equal first and second steps and containing a number of anchor in the groove design sections, equal to the number of grooves, and a collector with the number of plates K, and differs from the prototype in that the brushes of one and the other polarity are mutually spaced around the circumference of the collector by a distance, respectively, for baptized and for a crossed winding (0.5K-0.5 (K∓1) p ^-1 ) of collector divisions, and the inductor is made with pole divisions of different sizes by two divisions, observing the same correspondence 180 (K ± p∓1) (pK ) ^-1 geometric degrees, between which 2p-2 divisions of 180 (K∓1) (pK) ^-1 are placed, geometric degrees in the amount of p on one side and p-2 on the other, and the pole arcs in the two first pole divisions shown are different from the remaining pole arcs by an amount equal to the limit of the difference in the magnitude of the pole divisions and component 1/2 K-th part of the circumference of the bore of the inductor.

На фиг.1 представлено распределение зон коммутации в машине с р=2, К=13 при разных схемах расстановки щеток; на фиг.2 показано распределение зон коммутации и полюсных делений в предлагаемой машине с р=4, К=25; на фиг.3-4 изображены индукторы предлагаемой машины с р=2, К=13 и возбуждением от скобообразных радиальных магнитов (фиг.3) и прямых тангенциальных магнитов. Figure 1 shows the distribution of the switching zones in a machine with p = 2, K = 13 for different brush placement schemes; figure 2 shows the distribution of the zones of switching and pole divisions in the proposed machine with p = 4, K = 25; Fig.3-4 shows the inductors of the proposed machine with p = 2, K = 13 and excitation from staple radial magnets (Fig.3) and direct tangential magnets.

Предлагаемая машина содержит щетки 1, коллекторные пластины 2, изоляционные прокладки 3 коллектора, зоны 4 коммутации секций, верхние и нижние стороны 5 секций обмотки якоря, зоны 6 и 7 коммутации секций в известных машинах с двумя щеточными болтами и полным числом щеточных болтов, щетки 8 и 9 в известных машинах с двумя щеточными болтами и полным числом щеточных болтов, малые и большие полюса 10 и 11, малые и большие магниты 12 и 13, ярмо 14 индуктора. The proposed machine contains brushes 1, collector plates 2, insulating gaskets 3 collectors, zones 4 switching sections, upper and lower sides 5 sections of the armature winding, zones 6 and 7 switching sections in known machines with two brush bolts and a total number of brush bolts, brushes 8 and 9 in known machines with two brush bolts and a total number of brush bolts, small and large poles 10 and 11, small and large magnets 12 and 13, yoke 14 of the inductor.

Щетки 1 отстоят друг от друга на расстоянии, соответствующем выражению (0,5К-0,5(К-1)р^-1-3,5 коллекторных делений на фиг.1 и 9,5 коллекторных делений на фиг.2. Коллекторное деление представляет собой дугу коллектора, охватывающую коллекторную пластину 2 и изоляционную прокладку 3. Ширина щеток 1 принята равной сумме 0,5 коллекторного деления и толщины прокладки 3. При данной ширине щеток 1 зоны 4 коммутации каждой секции со сторонами 5 охватывают участки в 1/2 К-ю часть окружности якоря. Принятая расстановка щеток 1 обеспечивает попарное примыкание друг к другу зон 4, что соответствует совпадению начала последующего цикла коммутации с концом предшествующего. Сдвоенные зоны 4 размещены неравномерно: два промежутка между сдвоенными зонами 4 имеют повышенную на 1/2 К-ю часть окружности якоря величину. При привязке границ полюсных делений τ₁ и τ₂ к серединам сдвоенных зон 4, чтобы уравнять условия размещения коммутируемых секций в междуполюсных промежутках, создается неравенство делений и неравномерность их размещения. Малые полюсные деления τ₁охватывают дуги в 180 (К-1) (рК)^-1геометрических градусов, большие полюсные деления τ₂-180(К-1+р)(рК)^-1геометрических градусов.Brushes 1 are spaced from each other at a distance corresponding to the expression (0.5K-0.5 (K-1) p ^-1 -3.5 collector divisions in figure 1 and 9.5 collector divisions in figure 2. Collector division represents a collector arc covering the collector plate 2 and the insulating gasket 3. The width of the brushes 1 is taken to be equal to the sum of 0.5 of the collector division and the thickness of the gasket 3. For a given width of brushes 1, the switching zones of each section with sides 5 cover 1/2 K sections -th part of the circle of the anchor. other zones 4 that corresponds to the coincidence of the beginning of the subsequent switching cycle prior to the end of Dual Zone 4 has unevenly. spacing between two double zones 4 are increased by 1/2 K-th part of the circumference of the armature magnitude When binding pole division boundaries τ ₁ and τ. ₂ to the midpoints of the dual zones 4, in order to equalize the conditions for the placement of switched sections in the interpolar gaps, inequality of divisions and uneven distribution are created. Small pole divisions τ ₁ cover arcs of 180 (K-1) (pK) ^-1 geometric degrees, large pole divisions τ ₂ -180 (K-1 + p) (pK) ^-1 geometric degrees.

Зоны 6 и 7 коммутации соответствуют общепринятым схемам расстановки щеток 8 и 9 в машине с р=2, К=13. Здесь полюсные деления равны и на фиг.1 не показаны. Ширина щеток 8 принимается увеличенной на 0,25 коллекторного деления, чтобы обеспечить примыкание зон 6 коммутации в нижней на фиг.1 паре зон и соответствующий такому примыканию демпфирующий эффект в коммутации. Zones 6 and 7 of the switching correspond to the generally accepted arrangement of brushes 8 and 9 in a machine with p = 2, K = 13. Here, the pole divisions are equal and are not shown in FIG. 1. The width of the brushes 8 is taken increased by 0.25 of the collector division to ensure the adjacency of the switching zones 6 in the lower pair of zones in Fig. 1 and the damping effect corresponding to such adjacency in the switching.

В реальных машинах ширина щеток 1,6,7 выбирается большей, учитывая неточность расстановки элементов щеточно-коллекторого узла, непроводимость щетки при малой площади контакта на краю пластины 2, необходимость определенного времени на переброску остаточной энергии. При сравнительном анализе схем расстановки щеток учет этих факторов представляется необязательным. In real machines, the width of the brushes 1,6,7 is chosen larger, given the inaccuracy of the arrangement of the elements of the brush-collector assembly, the brush conductivity with a small contact area on the edge of the plate 2, the need for a certain amount of time to transfer the residual energy. In a comparative analysis of brush placement patterns, consideration of these factors seems optional.

Неравным полюсным делениям в индукторах по фиг.3 и 4 соответствуют неравные полюса 10 и 11 и выступающие в роли полюсов магниты 12 и 13. В пределах малых магнитов 12 толщина их соединяющего ярма 14 уменьшена. Неравенство полюсов не требует введения новых элементов и решений, поэтому примеры выполнения индукторов ограничены двумя фигурами. The unequal pole divisions in the inductors of FIGS. 3 and 4 correspond to unequal poles 10 and 11 and magnets 12 and 13 acting as poles. Within the small magnets 12, the thickness of their connecting yoke 14 is reduced. The inequality of the poles does not require the introduction of new elements and solutions, therefore, examples of the execution of inductors are limited to two figures.

Предлагаемая расстановка щеток 1 преследует две цели: максимально выровнять числа секций в ветвях обмотки и обеспечить чередование коммутационных циклов через половину коллекторного деления. При четном р и двух щеточных болтах в паре ветвей простой волновой обмотки должно содержаться нечетное число рабочих секций. Большее на единицу число секций в одной из ветвей вынуждает расстановку разнополярных щеток производить не на диаметрально противоположных сторонах коллектора через 0,5К коллекторных делений, а со смещением от диаметрально противоположной стороны на половину шага обмотки 0,5(К∓1)р^-1коллекторных делений. Полученное расстояние (0,5К-0,5(К∓1)р^-1) при нечетном К и четном (К∓1)р^-1 всегда содержит дробную часть 0,5, что обеспечивает требуемое чередование коммутационных циклов через половину коллекторного деления.The proposed arrangement of brushes 1 has two objectives: to maximally equalize the number of sections in the branches of the winding and to ensure the alternation of switching cycles through half of the collector division. With even p and two brush bolts, a pair of branches of a simple wave winding should contain an odd number of working sections. A larger unit number of sections in one of the branches forces the arrangement of bipolar brushes to be carried out not on diametrically opposite sides of the collector through 0.5K of collector divisions, but with a offset from the diametrically opposite side by half of the winding pitch of 0.5 (K∓1) p ^-1 collector divisions. The resulting distance (0.5K-0.5 (K∓1) p ^-1 ) with odd K and even (K∓1) p ^-1 always contains a fractional part of 0.5, which ensures the required alternation of switching cycles through half of the collector division .

Предлагаемая расстановка щеток 1 на расстоянии в 3,5 коллекторных деления в машине с р=2, К=13 на фиг.1 мало отличается от общепринятой расстановки щеток 8 через 3,25 коллекторного деления, не меняет количественно распределение секций по ветвям обмотки, но создает ряд положительных эффектов. Во-первых, парные сочетания зон 4 коммутации занимают меньшее пространство по сравнению с сочетаниями зон 6 и 7, что позволяет сократить междуполюсные промежутки, увеличить среднее за оборот число секций, создающих момент, и получить наиболее высокие значения удельного момента, быстродействия и КПД. Во-вторых, коммутационные и ресурсные показатели повышены в силу малого числа одновременно коммутируемых секций и временного совпадения окончаний и начал циклов коммутации взаимоиндуктивно связанных между собой секций. В-третьих, при качественном изготовлении щеточно-коллекторного узла, позволяющем не прибегать к значительному добавочному увеличению ширины щеток для компенсации технологических погрешностей, в машине удается исключить пульсации количества одновременно коммутируемых секций, ЭДС, частоты вращения, момента. Известная альтернатива в части снижения пульсаций машина с щетками 9 имеет на 22% меньшее число создающих момент секций, на 9% меньшую суммарную величину полюсных дуг, на 33% меньшую мощность. Отмеченные положительные особенности работы подтверждены испытаниями образцов. The proposed arrangement of brushes 1 at a distance of 3.5 collector divisions in a machine with p = 2, K = 13 in Fig. 1 differs little from the conventional arrangement of brushes 8 through 3.25 collector divisions, does not quantify the distribution of sections along the branches of the winding, but creates a number of positive effects. Firstly, paired combinations of zones 4 of switching occupy less space as compared with combinations of zones 6 and 7, which allows to reduce the interpolar gaps, increase the average number of sections creating a moment per revolution, and obtain the highest values of specific moment, speed and efficiency. Secondly, switching and resource indicators are increased due to the small number of simultaneously switched sections and the temporary coincidence of the endings and the beginning of switching cycles of mutually inductively connected sections. Thirdly, in the high-quality manufacture of the brush-collector assembly, which allows not to resort to a significant incremental increase in the width of the brushes to compensate for technological errors, the pulsation of the number of simultaneously switched sections, EMF, speed, torque can be eliminated in the machine. A well-known alternative in terms of reducing ripple, a machine with brushes 9 has a 22% smaller number of torque-generating sections, 9% less total pole arcs, and 33% less power. The noted positive features of the work are confirmed by testing the samples.

Claims

A COLLECTOR ELECTRIC MACHINE WITH AN EVEN NUMBER OF PAIRS OF POLES p, containing an inductor with poles, brushes placed on two brush bolts and connecting no more than two collector plates, an anchor with a simple wave winding having equal first and second steps and containing an anchor groove number of sections equal to the number of slots and the number of collector plates K, characterized in that the collector brushes are arranged circumferentially at a distance, respectively, for winding the overlap neperekreschivayuscheysya and 0,5 K 0,5 (K ± 1) p ^- ¹ ollektornyh divisions, and an inductor formed with the pole pitch of different sizes, two divisions value observing the same line, 180 (K ± p ± 1) (pK) ^- ¹ geometrical degrees, between which 2p 2 divisions value of 180 (K ± 1) (pK) ^- ¹ geometric degrees in the amount of P on the one hand and P 2 on the other, and the pole arcs in the two first pole divisions given by the first pole divisions differ from the rest of the pole arcs by an amount equal to the difference between the pole divisions and 1 / 2 K-th part of the circle boring and the inductor.