RU2185018C2

RU2185018C2 - Direct-current motor

Info

Publication number: RU2185018C2
Application number: RU2000124917/09A
Authority: RU
Inventors: Владимир Васильевич Гололобов (UA); Владимир Васильевич Гололобов; Виктор Иванович Рымша (UA); Виктор Иванович Рымша; Виталий Викторович Рымша (UA); Виталий Викторович Рымша; Анатолий Дмитриевич Ивлев (UA); Анатолий Дмитриевич Ивлев; Дмитрий Анатольевич Ивлев (UA); Дмитрий Анатольевич Ивлев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Одесмонтажспецпроект"; Владимир Васильевич Гололобов; Виктор Иванович Рымша; Виталий Викторович Рымша; Анатолий Дмитриевич Ивлев; Дмитрий Анатольевич Ивлев
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2000-10-02
Publication date: 2002-07-10

Abstract

FIELD: electromechanical engineering. SUBSTANCE: dc motor that has fixed stator, armature and field windings, and rotor with ferromagnetic poles is provided in addition with switching commutator whose brush gear is mounted for rotation; in addition motor is provided with commutating poles each built up of two opposing claw-shaped horns mounted on ferromagnetic cylinder that carries common commutating winding; winding leads are connected in series with armature winding by means of two revolving slit rings and fixed brushes. EFFECT: facilitated manufacture; enhanced specific power output and torque. 6 dwg

Description

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в электроприводах общепромышленных механизмов для обеспечения устойчивой и регулируемой частоты вращения в широком диапазоне скоростей. The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in electric drives of general industrial mechanisms to ensure a stable and adjustable speed in a wide speed range.

Известна классическая машина постоянного тока вращательного движения, неподвижная часть которой представляет собой индуктор с источником магнитодвижущей силы (МДС), а вращающаяся часть - якорь с обмоткой и коллектор (см. Вольдек А.И., Электрические машины. Л.: Энергия, 1974, с.33-39, 130-132). A classic DC rotary motion machine is known, the fixed part of which is an inductor with a magnetomotive force source (MDS), and the rotating part is an armature with a winding and a collector (see Voldek A.I., Electric machines. L .: Energy, 1974, p. 33-39, 130-132).

Общеизвестным недостатком ее является значительная трудоемкость изготовления якоря. Its well-known disadvantage is the significant complexity of manufacturing anchors.

Наиболее близким к заявляемому является вентильный двигатель постоянного тока (ВДПТ), созданный на базе синхронной машины с когтеобразными полюсами (см. Бут А.А. Бесконтактные электрические машины. М.: Высшая школа, 1990 г., с.240-248, 123-133). Closest to the claimed is a direct current DC motor (VDTT), created on the basis of a synchronous machine with claw-shaped poles (see Bout A.A. Contactless electric machines. M: Higher school, 1990, p.240-248, 123 -133).

Данный двигатель выбран в качестве прототипа. This engine is selected as a prototype.

Прототип совпадает с заявляемым изобретением в том, что имеет общие признаки:
- неподвижный статор, который содержит обмотку якоря и обмотки возбуждения;
- ротор с ферромагнитными полюсами.The prototype coincides with the claimed invention in that it has common features:
- a fixed stator, which contains a winding of the armature and field winding;
- a rotor with ferromagnetic poles.

Однако двигатель по прототипу очень сложный. Во-первых, это связано со сложностью полупроводникового коммутатора, а во-вторых, со сложностью датчика положения ротора. Кроме того, двигатель имеет повышенное значение удельных масс, в частности при мощности двигателя 0,5 кВт и собственной массе электродвигателя 2,3 кг, масса полупроводникового коммутатора и блока управления составляет 2 кг. However, the prototype engine is very complex. Firstly, this is due to the complexity of the semiconductor switch, and secondly, to the complexity of the rotor position sensor. In addition, the engine has an increased specific gravity, in particular when the engine power is 0.5 kW and the dead weight of the electric motor is 2.3 kg, the mass of the semiconductor switch and the control unit is 2 kg.

В основу изобретения поставлена задача создать электрический двигатель постоянного тока, в котором за счет снабжения его дополнительным коммутатором-коллектором и добавочными полюсами, а также особенностями их выполнения и связи деталей и узлов, обеспечить упрощение изготовления двигателя и повышения удельных значений его мощности. The basis of the invention is the task of creating an electric DC motor, in which due to the supply of its additional commutator-collector and additional poles, as well as the features of their implementation and the connection of parts and assemblies, to simplify the manufacture of the motor and increase the specific values of its power.

Поставленная задача решена в электрическом двигателе постоянного тока, включающем неподвижный статор, содержащий обмотки якоря и возбуждения и ротор с ферромагнитными полюсами тем, что он дополнительно снабжен коммутатором-коллектором, щеточный узел которого установлен с возможностью вращения, кроме того, двигатель снабжен добавочными полюсами, каждый из которых состоит из двух встречно ориентированных выступов, установленных на ферромагнитном цилиндре, несущем общую обмотку добавочных полюсов, выводы которой включены последовательно с обмоткой якоря посредством двух вращающихся контактных колец и неподвижных щеток. The problem is solved in an electric DC motor, including a fixed stator containing armature and excitation windings and a rotor with ferromagnetic poles in that it is additionally equipped with a commutator-commutator, the brush assembly of which is mounted for rotation, in addition, the motor is equipped with additional poles, each of which consists of two counter-oriented protrusions mounted on a ferromagnetic cylinder carrying a common winding of additional poles, the conclusions of which are included in the sequence But with the winding of the armature by means of two rotating contact rings and fixed brushes.

Новым в заявляемом изобретении является наличие следующих признаков:
- дополнительный коммутатор-коллектор;
- установка щеточного узла с возможностью вращения;
- добавочные полюса;
- особенности выполнения добавочных полюсов;
- принцип (схема) соединения обмотки добавочных полюсов с обмоткой якоря.New in the claimed invention is the presence of the following features:
- additional commutator-collector;
- installation of the brush unit with the possibility of rotation;
- additional poles;
- Features of the implementation of additional poles;
- The principle (circuit) of connecting the winding of the additional poles with the armature winding.

Причинно-следственную связь между совокупностью заявляемых признаков и достигаемым результатом можно объяснить следующим. The causal relationship between the totality of the claimed features and the achieved result can be explained as follows.

В заявляемом электрическом двигателе постоянного тока коммутация секций обмотки якоря обеспечивается не полупроводниковым коммутатором по сигналам датчика положения ротора (как у прототипа), а щеточным узлом, вращающимся синхронно с ротором относительно неподвижно установленного коммутатора-коллектора. Отсутствие, по сравнению с прототипом, сложного как в изготовлении, так и в обслуживании полупроводникового коммутатора, обладающего, как известно, массой, соизмеримой с массой собственно электрической машины, позволяет упростить технологию изготовления предлагаемого двигателя постоянного тока и уменьшить значения удельных масс m*=m/p, где m - масса двигателя, кг; р - мощность двигателя, кВт,
т.к. для ВДПТ полная масса m_Σ = m_ЭМ+m_ПК, где
m_ЭМ - масса электрической машины,
m_ПК - масса полупроводникового коммутатора и схемы управления.In the inventive electric DC motor, the switching of the armature winding sections is provided not by a semiconductor switch according to the signals of the rotor position sensor (as in the prototype), but by a brush assembly rotating synchronously with the rotor relative to the fixed mounted commutator-collector. The absence, in comparison with the prototype, of complexity in both manufacturing and maintenance of a semiconductor switch, which, as is known, has a mass commensurate with the mass of the actual electric machine, allows us to simplify the manufacturing technology of the proposed DC motor and reduce the specific gravity m * = m / p, where m is the mass of the engine, kg; p - engine power, kW,
because for VDPT the total mass m _Σ = m _EM + m _PC , where
m _EM is the mass of the electric machine,
m _PC is the mass of the semiconductor switch and the control circuit.

Для предлагаемого двигателя m_Σ = m_ЭМ+m_К, где
m_К - масса щеточно-коммутаторно-коллекторного узла.For the proposed engine m _Σ = m _EM + m _K , where
m _K - mass brush-commutator-collector node.

Применение добавочных полюсов позволяет увеличить линейную нагрузку машины постоянного тока и тем самым уменьшить ее размеры и стоимость, обеспечивая повышение ее удельных значений момента и мощности m_m=M_эт/S_a; m_p= P/S_a, где
S_a - площадь активной поверхности якоря.The use of additional poles allows you to increase the linear load of the DC machine and thereby reduce its size and cost, providing an increase in its specific values of torque and power m _m = M _et / S _a ; m _p = P / S _a , where
S _a - the area of the active surface of the anchor.

Таким образом, в предлагаемом электрическом двигателе постоянного тока основной магнитный поток Ф₀ является внешнезамкнутым, а поток добавочных полюсов Ф_д - внутризамкнутым.Thus, in the proposed electric DC motor, the main magnetic flux Φ ₀ is externally closed, and the flux of additional poles Φ _d is intra-closed.

На чертежах изображен заявляемый электрический двигатель постоянного тока:
фиг.1 - конструктивная схема предлагаемого двигателя;
фиг.2 - двигатель, сечение А-А;
фиг.3 - вращающиеся элементы двигателя;
фиг.4 - конструктивная схема коммутатора-коллектора;
фиг.5 - конструктивная схема вращающейся части с добавочными полюсами;
фиг.6 - сечение А-А двигателя с добавочными полюсами.The drawings depict the inventive electric DC motor:
figure 1 - structural diagram of the proposed engine;
figure 2 - engine section AA;
figure 3 - rotating engine elements;
4 is a structural diagram of a switch-collector;
5 is a structural diagram of a rotating part with additional poles;
6 is a section aa of the engine with additional poles.

Предлагаемый электрический двигатель состоит из неподвижного статора 1, подвижного ротора 2 и коммутатора-коллектора 3. На статоре 1 расположены две обмотки возбуждения 4, 5 и обмотка якоря 6, секции которой размещены в пазах шихтованного стального сердечника якоря 7. Ярмо 8 выполнено из магнитомягкой стали. Два ферромагнитных кольца 9 и 10 отделены от ротора 2 технологическими зазорами δ_m1 и δ_m2. Торцевые щиты 11 и 12 соединены с ярмом 8 рядом болтовых соединений 13.The proposed electric motor consists of a fixed stator 1, a movable rotor 2 and a commutator-commutator 3. On the stator 1 there are two field windings 4, 5 and an armature winding 6, sections of which are located in the grooves of the lined steel core of the armature 7. Yoke 8 is made of soft magnetic steel . Two ferromagnetic rings 9 and 10 are separated from the rotor 2 by technological gaps δ _m1 and δ _m2 . End shields 11 and 12 are connected to the yoke 8 by a series of bolted connections 13.

Ротор 2 состоит из вала 14, который вращается в подшипниках 15, установленных в торцевых щитах 11, 12. С валом 14 жестко сочленены два ферромагнитных кольца 16 и 17, несущие когтеобразные полюсы 18, 19, которые установлены со сдвигом друг относительно друга на 180^o. Число таких полюсов определяет число 2р, соответствующее числу реальных полюсов классической машины постоянного тока. Полюсы 18, 19 отделены от сердечника якоря 7 рабочим воздушным зазором δ_p, являющимся рассчетной величиной. Для устранения возможности шунтирования магнитного потока вал 14 содержит вставку 20 из немагнитного материала.The rotor 2 consists of a shaft 14, which rotates in bearings 15 installed in the end shields 11, 12. Two ferromagnetic rings 16 and 17 are rigidly articulated with the shaft 14, bearing claw-like poles 18, 19, which are mounted 180 ^° apart from each other . The number of such poles determines the number 2p, corresponding to the number of real poles of a classical DC machine. The poles 18, 19 are separated from the core of the armature 7 by the working air gap δ _p , which is the calculated value. To eliminate the possibility of shunting the magnetic flux, the shaft 14 contains an insert 20 of non-magnetic material.

Магнитный поток Ф₀₁, созданный обмоткой возбуждения 5, можно рассматривать как сумму потоков Ф'₀₁ и Ф''₀₁, каждый из которых создастся магнитодвижимой силой проводников обмотки, находящихся в данный момент в зоне полюса 18 и в зоне, отстоящей от полюса 18 на 180^o. Поток Ф'₀₁ замыкается по пути: полюс 18 - воздушный зазор δ_p - сердечник якоря 7 - ярмо 8 - торцевой щит 12 - кольцо 10 - технологический зазор δ_T2 - кольцо 17 - полюс 18. Поток Ф''₀₁ замыкается по пути: полюс 18 - воздушный зазор δ_p - сердечник якоря 7 - ярмо 8 (в плоскости, перпендикулярной валу 14) - торцевой щит 12 - кольцо 10 - технологический зазор δ_T2 - кольцо 17 - полюс 19. Подобным образом образуется и поток Ф₀₂, проходящий через полюс 19.The magnetic flux Ф ₀₁ created by the field winding 5 can be considered as the sum of the fluxes Ф _'01 and Ф'_'01 , each of which will be created by the magnetically motive force of the winding conductors that are currently in the zone of the pole 18 and in the zone that is far from the pole 18 on 180 ^o . Stream Ф _'01 closes along the path: pole 18 - air gap δ _p - armature core 7 - yoke 8 - end shield 12 - ring 10 - technological gap δ _T2 - ring 17 - pole 18. Stream F'_'01 closes along the path: pole 18 - air gap δ _p - armature core 7 - yoke 8 (in a plane perpendicular to shaft 14) - end shield 12 - ring 10 - technological gap δ _T2 - ring 17 - pole 19. A flow F ₀₂ passing in a similar way is formed across pole 19.

Питание обмотки якоря осуществляется посредством электромеханического коммутатора-коллектора 3, который может быть изготовлен из обычного цилиндрического коллектора вращающихся машин постоянного тока путем следующих доработок. С обеих сторон коллектора выполняются два паза, в которые изолированно от медных пластин посредством изоляционных (текстолитовых) прокладок 21 и 22 устанавливаются контактные кольца 23 и 24, к которым подводится напряжение сети. Эта часть коммутатора закрепляется крепящей конструкцией 25 к торцевому щиту 12 (фиг.1). Секции обмотки якоря 6 (фиг.1), в соответствии со схемой якорной обмотки, подключаются к коллекторным пластинам 26 посредством жгута 27. На вал двигателя коллектор насаживается с помощью подшипников 28, 29. Щеткодержатели 30, 31 из изоляционного материала со щетками 32, 33 конструктивно объединяются траверсой 34, которая жестко, без проскальзывания, сочленяется с торцом вала винтом 35. Power supply to the armature winding is carried out by means of an electromechanical commutator-collector 3, which can be made of a conventional cylindrical collector of rotating DC machines by the following modifications. On both sides of the collector, two grooves are made in which contact rings 23 and 24 are installed by means of insulating (textolite) gaskets 21 and 22, to which the mains voltage is supplied. This part of the switch is fixed by a fastening structure 25 to the end shield 12 (Fig. 1). The armature winding sections 6 (Fig. 1), in accordance with the anchor winding scheme, are connected to the collector plates 26 by means of a bundle 27. The collector is mounted on the motor shaft using bearings 28, 29. Brush holders 30, 31 made of insulating material with brushes 32, 33 structurally combined traverse 34, which is rigidly, without slipping, articulated with the shaft end with a screw 35.

Такой коммутатор легко выполняется защищенным, закрытым или погруженным в масло, что позволяет изолировать его от вредных воздействий внешней среды. Such a switch can easily be protected, closed or immersed in oil, which allows you to isolate it from the harmful effects of the external environment.

Щетки 32 и 33 коммутатора-коллектора 3, одновременно контактируя с токоподводящими кольцами 23, 24 и соответствующими коллекторными пластинами 26, осуществляют функции как токопровода, так и токораспределения секций якорной обмотки 6. The brushes 32 and 33 of the commutator-collector 3, while in contact with the current-conducting rings 23, 24 and the corresponding collector plates 26, carry out the functions of both the current path and the current distribution of the sections of the armature winding 6.

В предлагаемом электродвигателе добавочные полюсы (фиг.5, 6) расположены на линии геометрической нейтрали в промежутке между когтеобразными выступами основных полюсов 18 и 19 (фиг.1). Добавочный полюс состоит из двух встречно ориентированных когтеобразных выступов 36, 37, укрепленных на общем ферромагнитном полом цилиндре 38, который жестко соединен с немагнитной вставкой 20 общего вала 14 (фиг.1). На ферромагнитном цилиндре 38 размещена обмотка 39 добавочного полюса, число витков которой определяется исходя из величины магнитодвижущей силы реакции якоря. Обмотка 39 соединяется последовательно с электрической цепью якоря посредством дополнительно устанавливаемых контактных колец 40, закрепленных на валу 14 через изоляционные прокладки 41 контактных зажимов 42 и неподвижных щеток 43. In the proposed electric motor, additional poles (Figs. 5, 6) are located on the line of geometric neutral in the interval between the claw-like protrusions of the main poles 18 and 19 (Fig. 1). The additional pole consists of two counter-oriented claw-like protrusions 36, 37, mounted on a common ferromagnetic hollow cylinder 38, which is rigidly connected to the non-magnetic insert 20 of the common shaft 14 (figure 1). A winding 39 of an additional pole is placed on the ferromagnetic cylinder 38, the number of turns of which is determined based on the magnitude of the magnetomotive force of the armature reaction. The winding 39 is connected in series with the electric circuit of the armature by means of additionally installed contact rings 40, mounted on the shaft 14 through the insulating spacers 41 of the contact clamps 42 and fixed brushes 43.

Магнитный поток Ф_д, созданный МДС обмотки 39 добавочных полюсов, замыкается по пути (фиг.6): полюс 36 (N_д) - сердечник якоря 7 - полюс 37 (S_д) - ферромагнитный цилиндр 38, т.е. поток Ф_д направлен встречно потоку реакции якоря Ф_а, чем обеспечивается улучшение условий коммутации секций в зоне геометрической нейтрали. Число добавочных полюсов определяется числом пар основных полюсов 18, 19 при неизменном значении числа витков обмотки 39. При необходимости, например в случае использования предлагаемого двигателя в качестве тягового двигателя, в стали основных полюсов 18, 19 может быть уложена компенсационная обмотка, включаемая в якорную цепь двигателя последовательно с обмоткой добавочных полюсов посредством одних и тех же контактных колец 40.The magnetic flux F _d created by the MDS winding 39 of the additional poles is closed along the path (Fig.6): pole 36 (N _d ) - core of the armature 7 - pole 37 (S _d ) - ferromagnetic cylinder 38, i.e. the flow Ф _{d is} directed opposite to the reaction flow of the anchor Ф _а , which ensures the improvement of the conditions for switching sections in the zone of geometric neutral. The number of additional poles is determined by the number of pairs of main poles 18, 19 with a constant value of the number of turns of the winding 39. If necessary, for example, when using the proposed engine as a traction motor, in the steel of the main poles 18, 19 can be laid compensation winding included in the anchor chain the motor in series with the winding of the additional poles by means of the same slip rings 40.

Предлагаемый электрический двигатель постоянного тока работает следующим образом. The proposed electric DC motor operates as follows.

При подаче напряжения на обмотки возбуждения 4, 5 и обмотку якоря 6 (фиг. 1, 2) взаимодействием основного магнитного потока Ф₀ и токов проводников обмотки якоря 6, находящихся в зоне полюсов 18, 19 создается электромагнитная сила F_эм, действующая (при принятых на фиг.2 направлениях токов и потоков) по часовой стрелке на статор 1 и, соответственно, против часовой стрелки на полюсы 18, 19. Под действием пары сил, определяющих величину и направление электромагнитного момента М_эм, ротор 2 приводится во вращение. Коммутатор-коллектор 3 переключает токи в секциях обмотки якоря 6 таким образом, чтобы при вращении в одну сторону токи проводников, находящихся в данный момент против полюсов 18, 19 сохраняли неизменное направление. Регулирование скорости и реверс осуществляются известными для классических машин постоянного тока способами.When voltage is applied to the field windings 4, 5 and the armature winding 6 (Fig. 1, 2) by the interaction of the main magnetic flux Φ ₀ and the currents of the conductors of the armature winding 6 located in the zone of poles 18, 19, an electromagnetic force F _{em is created} , acting (with figure 2 directions of currents and flows) clockwise to the stator 1 and, accordingly, counterclockwise to the poles 18, 19. Under the action of a pair of forces that determine the magnitude and direction of the electromagnetic moment M _em , the rotor 2 is rotated. The commutator-collector 3 switches the currents in the sections of the winding of the armature 6 so that when rotating in one direction, the currents of the conductors that are currently opposite the poles 18, 19 maintain a constant direction. Speed control and reverse are carried out by methods known for classical DC machines.

Claims

An electric DC motor, including a fixed stator containing armature and excitation windings, and a rotor with ferromagnetic poles, characterized in that it is additionally equipped with a commutator-collector, the brush assembly of which is mounted for rotation, in addition, the motor is equipped with additional poles, each of which consists of two counter-oriented claw-like protrusions mounted on a ferromagnetic cylinder that carries a common winding of additional poles, the conclusions of which are included in the sequence linen with armature winding by means of two rotating contact rings and fixed brushes.