RU2414795C1

RU2414795C1 - Salient-pole commutator machine

Info

Publication number: RU2414795C1
Application number: RU2010106431/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Михайлович Чернухин (RU); Владимир Михайлович Чернухин; Андрей Владимирович Чернухин (RU); Андрей Владимирович Чернухин; Александр Владимирович Чернухин (RU); Александр Владимирович Чернухин
Original assignee: Владимир Михайлович Чернухин; Андрей Владимирович Чернухин; Александр Владимирович Чернухин
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2011-03-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: power supply to proposed electric machines at their operation in mode of motors can be performed not only from stationary electric AC mains of commercial frequency with its further conversion to DC, but also from movable and portable independent direct current sources (minielectric power stations, storage batteries and galvanic power elements). Salient-pole commutator machine includes housing made from soft magnetic material, salient poles of inductor with coil excitation winding of inductor, armature with salient poles, commutator, mechanism of brush-and-contact assembly with brushes, closed subsequent (wave) coil armature winding consisting of coils each of which is located on the appropriate salient pole of armature, and beginnings and ends of coils are connected to each other in certain way and connected to the appropriate commutator bars of commutator, thus forming closed electric circuit with two parallel branches. At that, it is necessary to follow certain ratios between the number of inductor poles and the number of armature poles, as well as to make their pole arc of certain width, and commutator bars and brushes of certain width and certain number.

EFFECT: high energy properties of salient-pole commutator machine with high commutation, and smooth control of output parametres at simultaneous simplicity and high reliability of the design of electric machine.

8 cl, 5 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области электротехники, касается конструктивного исполнения коллекторных электрических машин постоянного тока с электромагнитным возбуждением и может быть использовано в качестве электрических двигателей и генераторов постоянного тока любых мощностей во всех отраслях экономики. Питание предлагаемых электрических машин при работе их в режиме двигателей может осуществляться не только от стационарных электрических сетей переменного тока промышленной частоты с последующим преобразованием его в постоянный ток, но и от передвижных и переносных автономных источников постоянного тока (мини-электростанций, аккумуляторных батарей и гальванических элементов питания).The invention relates to the field of electrical engineering, for the design of collector electric DC machines with electromagnetic excitation and can be used as electric motors and DC generators of any power in all sectors of the economy. The power of the proposed electric machines when operating in the motor mode can be carried out not only from stationary electric networks of alternating current of industrial frequency with its subsequent conversion to direct current, but also from mobile and portable autonomous sources of direct current (mini-power plants, storage batteries and galvanic cells) nutrition).

Известна конструкция электрической машины Жерара с полюсным якорем (Машины постоянного тока. Том 1. Э.Арнольд, проф. и И.Л.Ла-Кур. М., Государственное техническое издательство, 1931. Стр. 22-23), имеющая индуктор с четырьмя полюсами, якорь с четырьмя полюсами, на каждом из которых расположена своя катушка обмотки, четыре коллекторные пластины, соединенные попарно через одну, и две щетки, расположенные между полюсами индуктора и под углом 90° относительно друг друга, катушки обмотки якоря соединены между собой встречно-согласно, а начало первой и конец четвертой катушек подсоединены к двум соответствующим пластинам, расположенным по оси полюсов якоря. Недостатком таких электрических машин является большая пульсация момента при работе в качестве электрического двигателя и большая пульсация выходного напряжения при работе в качестве электрического генератора из-за одинакового числа полюсов индуктора и якоря, низкие энергетические показатели, а из-за того, что обмотка якоря является открытой, неизбежно искрообразование при коммутации вследствие большой самоиндукции катушек.The design of an electric Gerard machine with a pole anchor (DC Machines. Volume 1. E. Arnold, prof. And I.L. La-Kur. M., State Technical Publishing House, 1931. Pages 22-23) is known, having an inductor with four poles, an anchor with four poles, each of which has its own coil of the winding, four collector plates connected in pairs through one, and two brushes located between the poles of the inductor and at an angle of 90 ° relative to each other, the coil of the armature winding are interconnected - according to the beginning of the first and con q fourth coils are connected to the two respective plates, arranged on the axis of the poles of the armature. The disadvantage of such electric machines is the large ripple of the moment when working as an electric motor and the large ripple of the output voltage when working as an electric generator due to the same number of poles of the inductor and the armature, low energy performance, and due to the fact that the armature winding is open , inevitably sparking during switching due to the large self-induction of the coils.

Известна конструкция электрической машины для питания дуговых ламп с угольными электродами электрической компании Вестингауз, имеющая шесть полюсов возбуждения, два коллектора, четыре щетки, восемь полюсов якоря, на каждом полюсе которого расположена своя секция обмотки (Машины постоянного тока. Том 1. Э.Арнольд, проф. и И.Л.Ла-Кур. М., Государственное техническое издательство, 1931. Стр.22-23). Обмотка якоря выполнена в виде нечетных и четных секций, образующих две независимые системы обмотки, каждая из которых присоединена к своему коллектору. Вторая и третья щетки замкнуты между собой накоротко, соединяя обе системы обмоток последовательно. Первая и вторая щетки служат для снятия напряжения в режиме генератора. Недостатком аналога является сложность конструкции из-за наличия двух коллекторов, а из-за выполнения обмотки якоря открытой неизбежно искрообразование при коммутации вследствие большой самоиндукции секций.The design of an electric machine for feeding arc lamps with carbon electrodes of the Westinghouse electric company is known, which has six excitation poles, two collectors, four brushes, eight armature poles, each pole of which has its own winding section (DC machines. Volume 1. E. Arnold, Prof. and I.L. La-Kur. M., State Technical Publishing House, 1931. Pages 22-23). The armature winding is made in the form of odd and even sections, forming two independent winding systems, each of which is connected to its collector. The second and third brushes are short-circuited with each other, connecting both winding systems in series. The first and second brushes are used to relieve voltage in generator mode. The disadvantage of the analogue is the complexity of the design due to the presence of two collectors, and due to the winding of the armature open, sparking is inevitable during switching due to the large self-induction of the sections.

Известна конструкция коллекторной электрической машины с полюсным якорем фирмы Шуккерт и К^о, обмотка якоря которой имеет сходство с трехфазной обмоткой и выполнена катушками, расположенными на тройном Т-образном якоре, полюсы которого сдвинуты друг относительно друга на 120°, концы обмотки соединены в «звезду», а начала обмотки присоединены к трем коллекторным пластинам, по которым скользят две щетки (Машины постоянного тока. Том 1. Э.Арнольд, проф. и И.Л.Ла-Кур. М., Государственное техническое издательство, 1931. Стр. 22-23). Недостатком аналога является плохое использование полезного объема электрической машины, что негативным образом отражается на энергетических показателях, а из-за того что обмотка якоря является открытой, каждая катушка обмотки якоря состоит только из одной секции, а число катушек обмотки якоря только три, неизбежно искрообразование при коммутации вследствие большой самоиндукции катушек, и по этой причине применение этих электрических машин возможно только при низких напряжениях.Known construction the collector electrical machine with a pole armature firm Schuckert and ^Co., armature winding which is similar to the three-phase winding and formed coils, arranged on a triple T-shaped anchor, the poles of which are shifted from each other by 120 °, the winding ends are connected in a "star ”, And the beginning of the winding is connected to three collector plates, on which two brushes slide (DC machines. Volume 1. E. Arnold, prof. And I. L. La-Kur. M., State Technical Publishing House, 1931. Pages. 22-23). The disadvantage of the analogue is the poor use of the useful volume of the electric machine, which negatively affects energy performance, and due to the fact that the armature winding is open, each armature winding coil consists of only one section, and the number of armature winding coils is only three, sparking is inevitable when switching due to the large self-induction of the coils, and for this reason, the use of these electrical machines is possible only at low voltages.

Известна конструкция принятой за прототип коллекторной электрической машины с замкнутой барабанной обмоткой якоря (Г.Н.Петров. Электрические машины. В 3-х чч. Часть 3. Коллекторные машины постоянного и переменного тока. Изд. 2-е, переработ. и доп. М., Энергия, 1968. Стр.8-29, 35), состоящая из статора и ротора. На валу ротора машины укрепляется якорь из листовой стали. На внешней поверхности якоря проштамповываются пазы, в которые укладывается обмотка, соединенная с коллектором. Статор машины состоит из массивной стальной или чугунной станины, на которой укреплены главные магнитные полюса и между ними дополнительные (коммутационные) полюса, служащие для уменьшения искрения щеток на коллекторе. Сердечники главных и дополнительных полюсов выполняются или массивными, или чаще набираются из стальных листов, стянутых в осевом направлении шпильками. Сердечники главных полюсов со стороны ротора заканчиваются полюсными наконечниками. На сердечниках главных полюсов размещается обмотка возбуждения, которая в зависимости от способа возбуждения машины включается или параллельно, или последовательно с цепью якоря, или питается от независимого источника тока. Щетки устанавливаются на коллекторе с помощью щеточных болтов, укрепленных на траверсе. На щеточных болтах размещаются щеткодержатели, с помощью которых щетки удерживаются в требуемом положении и прижимаются к коллектору. Обмотка якоря таких машин постоянного тока является всегда замкнутой и состоит из последовательно соединенных секций, каждая из которых присоединена к соответствующей коллекторной пластине. Секция состоит из одного или нескольких витков. Одна или несколько секций, имеющих общую изоляцию, образуют катушку обмотки, которая уложена в пазы и охватывает несколько зубцов якоря. Общее число коллекторных пластин равно общему числу секций обмотки. В зависимости от способа присоединения секций к коллекторным пластинам якорные обмотки подразделены на простые параллельные обмотки, простые последовательные обмотки, сложные или многоходовые параллельные обмотки, сложные или многоходовые последовательные обмотки, комбинированные сложные обмотки или сложные или многоходовые параллельно-последовательные обмотки. В соответствии с внешним очертанием контуров, образуемых последовательно соединяемыми витками обмотки, параллельные барабанные обмотки названы «петлевыми», последовательные - «волновыми», комбинированные сложные - «лягушачьими». Основная характеристика простых последовательных обмоток: 2·a=2, где a - число параллельных цепей (ветвей) в обмотке якоря. Недостатком описанных электрических машин является конструктивная сложность обмотки якоря, которая выполняется распределенными по поверхности якоря катушками, охватывающими несколько зубцов якоря и перекрещивающимися между собой в лобовых частях, что снижает надежность этих обмоток. Кроме этого коллекторные электрические машины средней и большой мощности выполняются с дополнительными полюсами, что также усложняет их конструкцию.The known design adopted for the prototype of a collector electric machine with a closed drum winding of the armature (G.N. Petrov. Electric machines. In 3 hours. Part 3. Collector machines of direct and alternating current. Ed. 2nd, revised. And add. M., Energy, 1968. Pages 8-29, 35), consisting of a stator and a rotor. An anchor made of sheet steel is fixed on the rotor shaft of the machine. Grooves are stamped on the outer surface of the armature, into which the winding is connected, connected to the collector. The stator of the machine consists of a massive steel or cast-iron frame on which the main magnetic poles are mounted and between them additional (switching) poles, which serve to reduce the sparking of the brushes on the collector. The cores of the main and additional poles are either massive, or more often recruited from steel sheets axially pulled together with studs. The cores of the main poles on the rotor side end with pole tips. An excitation winding is placed on the cores of the main poles, which, depending on the excitation method of the machine, is switched on either in parallel or in series with the armature circuit, or is powered by an independent current source. The brushes are mounted on the manifold using brush bolts mounted on the traverse. Brush holders are placed on the brush bolts, with which the brushes are held in position and pressed against the collector. The armature winding of such DC machines is always closed and consists of series-connected sections, each of which is connected to the corresponding collector plate. A section consists of one or more turns. One or more sections having common insulation form a coil of the winding, which is laid in grooves and covers several teeth of the armature. The total number of collector plates is equal to the total number of winding sections. Depending on the way the sections are connected to the collector plates, the anchor windings are divided into simple parallel windings, simple serial windings, complex or multi-way parallel windings, complex or multi-way serial windings, combined complex windings or complex or multi-way parallel-serial windings. In accordance with the external shape of the contours formed by the windings connected in series, the parallel drum windings are called “loop”, sequential - “wave”, combined complex - “frog”. The main characteristic of simple sequential windings: 2 · a = 2, where a is the number of parallel chains (branches) in the armature winding. A disadvantage of the described electrical machines is the structural complexity of the armature winding, which is performed by coils distributed over the surface of the armature, covering several teeth of the armature and intersecting each other in the frontal parts, which reduces the reliability of these windings. In addition, collector electric machines of medium and high power are made with additional poles, which also complicates their design.

Целью настоящего изобретения является создание новой, достаточно простой, надежной в эксплуатации, технологичной конструкции коллекторной электрической машины постоянного тока с явнополюсным индуктором и явнополюсным якорем.The aim of the present invention is the creation of a new, fairly simple, reliable, technologically advanced design of a collector electric DC machine with an explicit pole inductor and an explicit pole armature.

Задачей настоящего изобретения является создание замкнутой последовательной («волновой») катушечной обмотки якоря, оптимальный выбор числа явно выраженных полюсов индуктора и явно выраженных полюсов якоря, оптимальный выбор полюсной дуги полюса индуктора и полюса якоря, ширины коммутационной зоны и числа коллекторных пластин явнополюсной коллекторной электрической машины.The objective of the present invention is the creation of a closed sequential ("wave") coil winding of the armature, the optimal choice of the number of pronounced inductor poles and pronounced armature poles, the optimal choice of the pole arc of the inductor pole and the armature pole, the width of the switching zone and the number of collector plates of an explicit pole collector electric machine .

Техническим результатом настоящего изобретения является получение конструкции явнополюсной коллекторной электрической машины постоянного тока с высокими энергетическими показателями и хорошей коммутацией, с возможностью глубокого и плавного регулирования выходными параметрами машины и возможностью применения ее как при низких, так и при высоких напряжениях.The technical result of the present invention is to obtain the design of an explicit pole collector electric DC machine with high energy performance and good switching, with the possibility of deep and smooth control of the output parameters of the machine and the possibility of using it both at low and at high voltages.

Поставленная задача достигается тем, что явнополюсная коллекторная электрическая машина содержит корпус, индуктор с явно выраженными полюсами, которые крепятся к корпусу, катушечную обмотку возбуждения индуктора, расположенную на полюсах индуктора, подшипниковые щиты с подшипниками, вал, коллектор, механизм щеточно-контактного узла со щетками и якорь с явно выраженными полюсами и замкнутой последовательной катушечной обмоткой якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем полюсе якоря, а начала и концы катушек соединены между собой определенным образом и подключены к соответствующим коллекторным пластинам коллектора, образуя замкнутую электрическую цепь с двумя параллельными ветвями независимо от числа полюсов индуктора. Явно выраженные полюса индуктора выполнены всегда четными, начиная с четырех, и при протекании по обмотке возбуждения индуктора постоянного тока образуют в воздушном зазоре в радиальном направлении «северные» магнитные полюса «N» и «южные» магнитные полюса «S» индуктора с чередующейся магнитной полярностью.This object is achieved in that the explicit pole collector electric machine comprises a housing, an inductor with distinct poles that are attached to the housing, an inductor excitation coil located on the inductor poles, bearing shields with bearings, a shaft, a collector, a brush-contact assembly with brushes and an anchor with pronounced poles and a closed sequential coil winding of the armature, each coil of which is placed on the corresponding pole of the armature, and the beginnings and ends of the coils are connected ezhdu a certain way and are connected to respective collector plates collector, forming a closed electrical circuit with two parallel branches regardless of the number of poles of the inductor. The explicitly expressed poles of the inductor are always even, starting from four, and when the DC inductor flows through the excitation winding, they form in the air gap in the radial direction “north” magnetic poles “N” and “south” magnetic poles “S” of the inductor with alternating magnetic polarity .

В настоящем изобретении индуктор является статором, а якорь - ротором, обмотка якоря питается постоянным током через щеточно-контактный узел. Возможны конструктивные исполнения явнополюсной коллекторной электрической машины с внешним индуктором и внутренним якорем, с внутренним индуктором и внешним якорем, а также с индуктором и якорем, вращающимися друг относительно друга и относительно стационарного вала. По способу возбуждения индуктора возможны исполнения явнополюсной коллекторной электрической машины постоянного тока с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.In the present invention, the inductor is the stator, and the armature is the rotor, the armature winding is supplied with direct current through the brush-contact unit. Designs of an explicitly polar collector electric machine are possible with an external inductor and an internal armature, with an internal inductor and an external armature, as well as with an inductor and an armature rotating relative to each other and relative to the stationary shaft. By the method of excitation of the inductor, it is possible to perform an explicit pole collector electric DC machine with independent, parallel, serial and mixed excitation.

В соответствии с настоящим изобретением для создания замкнутой последовательной катушечной обмотки якоря и получения наилучших энергетических показателей с хорошей коммутацией явнополюсной коллекторной электрической машины число явно выраженных полюсов индуктора Z_P и число явно выраженных полюсов якоря Z_R связаны между собой и определяются равенствами (1) и (2) соответственно:In accordance with the present invention, to create a closed sequential coil winding of the armature and obtain the best energy performance with good commutation of the explicit pole collector electric machine, the number of pronounced inductor poles Z _P and the number of explicit armature poles Z _R are interconnected and are determined by equalities (1) and ( 2) respectively:

где m=2, 3, 4, 5, … - целое положительное число, начиная с двух, c - число модулей, т.е. «элементарных машин» в составе явнополюсной коллекторной электрической машины, причем c=1, 2, 3, … при m - нечетном, т.е. при m - 3, 5, 7, …, и c=2, 4, 6, … при m - четном.where m = 2, 3, 4, 5, ... is a positive integer starting from two, c is the number of modules, i.e. “Elementary machines” as part of an explicitly polar collector electric machine, with c = 1, 2, 3, ... when m is odd, i.e. for m - 3, 5, 7, ..., and c = 2, 4, 6, ... for m - even.

Ширина полюсной дуги b_P явно выраженного полюса индуктора связана с полюсным делением t_P явно выраженных полюсов индуктора и определяется выражением:The width of the pole arc b _{P of the} pronounced pole of the inductor is associated with the pole division t _{P of the} clearly expressed poles of the inductor and is determined by the expression:

где t_P=360°/Z_P и b_P измеряются в геометрических градусах.where t _P = 360 ° / Z _P and b _P are measured in geometric degrees.

Ширина полюсной дуги Z>R явно выраженного полюса якоря определяется выражением:The width of the pole arc Z> R of the pronounced pole of the armature is determined by the expression:

где t_R=360°/Z_R и b_R измеряются в геометрических градусах.where t _R = 360 ° / Z _R and b _R are measured in geometric degrees.

Коммутация в коммутируемой катушке обмотки якоря должна проходить в тот промежуток времени, когда изменение магнитного потока, пронизывающего полюс якоря, на котором находится коммутируемая катушка, минимально и вызвано «искривлением» основного магнитного поля полюсов индуктора магнитным полем реакции якоря. Поэтому ширина коммутационной зоны b_CA в угловом измерении определяется в соответствии с условием:Switching in the switched coil of the armature winding should take place at that time when the change in the magnetic flux penetrating the pole of the armature on which the switching coil is located is minimal and is caused by the “curvature” of the main magnetic field of the poles of the inductor by the magnetic field of the armature reaction. Therefore, the width of the switching zone b _CA in the angular measurement is determined in accordance with the condition:

Коллекторные пластины коллектора выполнены одинаковой ширины. Расчетное число коллекторных пластин n_CL определяется равенством:The collector plates of the collector are made of the same width. The estimated number of collector plates n _CL is determined by the equality:

причем число «рабочих» в электрическом плане коллекторных пластин, к которым подключены начала и концы катушек обмотки якоря, равно числу явно выраженных полюсов якоря. С целью технологичности изготовления коллектора возможно выполнение числа коллекторных пластин, большего и пропорционального расчетному, с последующим соединением соседних пластин, образующих каждую «рабочую» коллекторную пластину, электропроводящими перемычками.moreover, the number of "workers" in the electrical plan of the collector plates, to which the beginnings and ends of the coils of the armature winding are connected, is equal to the number of pronounced poles of the armature. With the aim of manufacturability of manufacturing the collector, it is possible to perform a number of collector plates larger and proportional to the calculated one, with subsequent connection of adjacent plates forming each “working” collector plate with electrically conductive jumpers.

Щетки выполнены одинаковой ширины. Число щеток пропорционально числу явно выраженных полюсов индуктора.Brushes are made of the same width. The number of brushes is proportional to the number of pronounced poles of the inductor.

Ширина коллекторной пластины и ширина щетки выбираются таким образом, чтобы сохранялось условие (5).The width of the collector plate and the width of the brush are selected so that condition (5) is maintained.

Явнополюсный якорь выполнен с замкнутой последовательной катушечной обмоткой якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря, причем конец катушки, расположенной на предыдущем явно выраженном полюсе якоря, и начало катушки, расположенной на последующем явно выраженном полюсе якоря, подключены к ближайшей соответствующей коллекторной пластине, равноудаленной от этих полюсов якоря, и так далее. При таком соединении образуется замкнутая электрическая цепь с двумя параллельными ветвями независимо от числа полюсов индуктора.The explicit pole armature is made with a closed sequential coil winding of the armature, each coil of which is placed on the corresponding explicit pole of the armature, with the end of the coil located on the previous distinct pole of the armature and the beginning of the coil located on the next explicit pole of the armature connected to the nearest corresponding collector a plate equidistant from these poles of the anchor, and so on. With this connection, a closed electrical circuit with two parallel branches is formed, regardless of the number of poles of the inductor.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 и фиг.3 показаны примеры реализации изобретения в виде поперечных разрезов явнополюсной коллекторной электрической машины. На фиг.2 и фиг.4 приведены схемы соединений катушек обмотки якоря с коллекторными пластинами коллектора, причем с целью наглядности полюса якоря с обмоткой якоря и коллекторными пластинами показаны в развернутом виде в радиальном направлении, а полюса индуктора с обмоткой возбуждения индуктора и щетки показаны в развернутом виде в аксиальном направлении. На фиг.5 изображен общий вид явнополюсной коллекторной электрической машины.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 and figure 3 shows examples of the invention in the form of cross-sections of an explicit pole collector electric machine. Figure 2 and figure 4 shows the connection diagrams of the coils of the armature winding with the collector plates of the collector, and for the sake of clarity, the pole of the armature with the armature coil and the collector plates are shown in expanded form in the radial direction, and the pole of the inductor with the field winding of the inductor and brush are shown in unfolded in axial direction. Figure 5 shows a General view of an explicit pole collector electric machine.

Явно выраженные полюса якоря обозначены буквой и цифрой, например Я2. Цифра 2 обозначает номер явно выраженного полюса, а буква Я - принадлежность полюса к якорю.The pronounced poles of the anchor are indicated by a letter and a number, for example, Я2. The number 2 denotes the number of the pronounced pole, and the letter I - the belonging of the pole to the anchor.

Положение якоря относительно индуктора на соответствующих чертежах показано в один и тот же момент времени. Соответствие фигур приведено в таблице 1.The position of the armature relative to the inductor in the corresponding drawings is shown at the same time. The correspondence of the figures is given in table 1.

Таблица 1Table 1 Соответствие чертежей поперечных разрезов и схем соединений катушек обмотки якоря с коллекторными пластинами явнополюсной коллекторной электрической машиныCorrespondence of drawings of transverse sections and diagrams of connections of coils of the armature winding with collector plates of an explicit pole collector electric machine ФигураFigure Z_P Z _p Z_R Z _r n_CL n _CL поперечных разрезовcross sections схемы соединенийwiring diagrams 1one 22 4four 33 66 33 4four 66 4four 88

Рассмотрим конструкцию явнополюсной коллекторной электрической машины (фиг.1, фиг.3, фиг.5). Машина содержит следующие основные части: корпус 1, явно выраженные полюса 2 индуктора, катушечную обмотку возбуждения индуктора, сердечник 3 якоря с явно выраженными полюсами 4, катушечную обмотку якоря, вал 6, коллектор 7, щеточно-контактный узел, подшипники 10, подшипниковые щиты 11. Корпус 1 выполнен из магнитомягкой стали или чугуна с высокой магнитной проницаемостью. Явно выраженные полюса 2 индуктора крепятся к корпусу 1 и могут быть выполнены из набранных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и скрепленных между собой в аксиальном направлении, а могут быть выполнены из цельных кусков магнитомягкой стали с неразъемными или разъемными полюсными наконечниками. Для машин средней и большой мощности и для машин, работающих при резко переменной нагрузке, с целью недопущения «кругового» огня по коллектору явно выраженные полюса 2 индуктора могут быть выполнены с пазами в аксиальном направлении и уложенной в них компенсационной обмоткой, подключенной через щеточно-контактный узел последовательно с катушечной обмоткой якоря. Якорь с обмоткой и коллектором 7 при помощи подшипников 10 и подшипниковых щитов 11 позиционирован относительно индуктора. На металлическом валу 6 насажены сердечник 3 якоря и коллектор 7. С целью уменьшения потерь на гистерезис и «вихревые» токи перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 3 якоря выполнен шихтованным пакетом из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью. Сердечник 3 якоря имеет явно выраженные полюса 4, на каждом из которых расположена соответствующая катушка 5 замкнутой последовательной катушечной обмотки якоря. Каждая катушка 5 обмотки якоря выполнена из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины и состоит из одного или нескольких витков. Коллектор 7 имеет медные коллекторные пластины 8, электрически изолированные друг от друга и от вала 6. Концы и начала катушек 5 соединены между собой и с коллекторными пластинами 8 таким образом, что образуется замкнутая электрическая цепь с двумя параллельными ветвями независимо от числа явно выраженных полюсов 2 индуктора. Механизм щеточно-контактного узла чаще всего крепится к подшипниковому щиту 11 со стороны коллектора 7 и может иметь возможность перемещения щеток 9 по коллекторным пластинам 8 в тангенциальном направлении для установки щеток 9 в зоне с наилучшей коммутацией. Щетки 9 установлены по оси явно выраженных полюсов 2 индуктора в аксиальном направлении или близко к ней. Количество щеточных болтов траверсы, на которых крепятся щеткодержатели со щетками 9, равно количеству явно выраженных полюсов 2 индуктора машины. На щеточном болте может располагаться несколько щеток 9, но при этом число щеток 9 на каждом щеточном болте должно быть одинаковым. Катушечная обмотка возбуждения индуктора состоит из катушек 12, расположенных на соответствующих явно выраженных полюсах 2 индуктора. Каждая катушка 12 обмотки возбуждения индуктора выполнена из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины. Катушки 12 соединяются между собой таким образом, чтобы при протекании по ним постоянного электрического тока явно выраженные полюса 2 индуктора образовывали в воздушном зазоре в радиальном направлении «северные» магнитные полюса «N» и «южные» магнитные полюса «S» индуктора с чередующейся магнитной полярностью. При этом обмотка возбуждения индуктора может быть подключена к независимому источнику постоянного напряжения (для машин с независимым возбуждением), может быть подключена к источнику постоянного напряжения параллельно с обмоткой якоря (для машин с параллельным возбуждением), может быть подключена к источнику постоянного напряжения последовательно с обмоткой якоря (для машин с последовательным возбуждением), может иметь две системы обмоток, одна из которых подключена к источнику постоянного напряжения параллельно с обмоткой якоря, а другая - последовательно (для машин со смешанным возбуждением).Consider the design of an explicit pole collector electric machine (figure 1, figure 3, figure 5). The machine contains the following main parts: housing 1, pronounced poles 2 of the inductor, coil winding of excitation of the inductor, core 3 of the armature with pronounced poles 4, coil winding of the armature, shaft 6, manifold 7, brush-contact assembly, bearings 10, bearing shields 11 The housing 1 is made of soft magnetic steel or cast iron with high magnetic permeability. The pronounced poles 2 of the inductor are attached to the housing 1 and can be made of dialed sheets of electrical steel with high magnetic permeability and axially bonded to each other, and can be made of solid pieces of soft magnetic steel with integral or detachable pole tips. For machines of medium and high power and for machines operating at a sharply variable load, in order to prevent "round" fire on the collector, the clearly expressed poles 2 of the inductor can be made with grooves in the axial direction and the compensation winding laid in them, connected via a brush-contact node in series with the coil winding of the armature. An armature with a winding and a collector 7 by means of bearings 10 and bearing shields 11 is positioned relative to the inductor. An anchor core 3 and a collector 7 are mounted on a metal shaft 6. In order to reduce hysteresis and eddy current losses, the armature core 3 magnetized with a high frequency is made of a burst package of insulated sheets of electrical steel with high magnetic permeability. The core 3 of the armature has distinct poles 4, on each of which there is a corresponding coil 5 of a closed sequential coil winding of the armature. Each coil 5 of the armature winding is made of a winding copper wire or a winding copper bus and consists of one or more turns. The collector 7 has copper collector plates 8, electrically isolated from each other and from the shaft 6. The ends and beginnings of the coils 5 are connected to each other and to the collector plates 8 in such a way that a closed electrical circuit with two parallel branches is formed regardless of the number of distinct poles 2 inductor. The mechanism of the brush-contact assembly is most often attached to the bearing shield 11 from the side of the collector 7 and may be able to move the brushes 9 along the collector plates 8 in the tangential direction to install the brushes 9 in the zone with the best commutation. Brushes 9 are installed on the axis of the pronounced poles 2 of the inductor in the axial direction or close to it. The number of traverse brush bolts on which the brush holders with brushes 9 are attached is equal to the number of pronounced poles 2 of the machine inductor. Several brushes 9 may be located on the brush bolt, but the number of brushes 9 on each brush bolt must be the same. The coil excitation coil of the inductor consists of coils 12 located on the corresponding distinct poles 2 of the inductor. Each coil 12 of the field coil of the inductor is made of a winding copper wire or a winding copper bus. The coils 12 are interconnected in such a way that when direct current flows through them, pronounced inductor poles 2 form in the air gap in the radial direction “north” magnetic poles “N” and “south” magnetic poles “S” of the inductor with alternating magnetic polarity . In this case, the field winding of the inductor can be connected to an independent constant voltage source (for machines with independent excitation), can be connected to a constant voltage source in parallel with the armature winding (for machines with parallel excitation), can be connected to a constant voltage source in series with the winding anchors (for machines with sequential excitation), can have two winding systems, one of which is connected to a constant voltage source in parallel with the armature winding, and d ugaya - sequentially (for machines with mixed excitation).

Явнополюсная коллекторная электрическая машина работает в двигательном и генераторном режимах.The explicit polar collector electric machine operates in motor and generator modes.

Рассмотрим двигательный режим (фиг.1-4) на примере явнополюсной коллекторной электрической машины постоянного тока с независимым возбуждением индуктора. От независимого источника постоянного напряжения подают питание на обмотку возбуждения индуктора. Под действием постоянного напряжения по катушкам обмотки возбуждения будет протекать постоянный электрический ток. Явно выраженные полюса 2 индуктора возбуждаются и образуют в воздушном зазоре в радиальном направлении «северные» магнитные полюса «N» и «южные» магнитные полюса «S» индуктора с чередующейся магнитной полярностью. От другого независимого источника постоянного напряжения подают питание на щетки 9, причем «плюс» источника питания соединяют со щетками, обозначенными на чертежах знаком «+», а «минус» источника питания соединяют со щетками, обозначенными на чертежах знаком «-». Под действием постоянного напряжения в направлении от «плюсовых» щеток к «минусовым» щеткам через скользящие контакты и коллекторные пластины 8 по катушкам 5 замкнутой обмотки якоря по двум ветвям будет протекать постоянный электрический ток, показанный на чертежах стрелками, намагничивая при этом явно выраженные полюса якоря 4 то как «северные» магнитные полюса «N», то как «южные» магнитные полюса «S» в зависимости от положения полюсов якоря 4 относительно щеток 9. В катушках 5 обмотки якоря, подключенных в определенный момент времени к однополярным щеткам, происходит коммутация. На фиг.2 коммутация происходит в катушке 5, расположенной на явно выраженном полюсе якоря Я1, а на фиг.4 - в катушках 5, расположенных на полюсах якоря Я1 и Я3. «Северные» магнитные полюса «N» якоря стремятся вытолкнуться из-под «северных» магнитных полюсов «N» индуктора и втянуться под «южные» магнитные полюса «S» индуктора, а «южные» магнитные полюса «S» якоря, в свою очередь, стремятся вытолкнуться из-под «южных» магнитных полюсов «S» индуктора и втянуться под «северные» магнитные полюса «N» индуктора, создавая тем самым вращающий момент, действующий на статор и якорь электрического двигателя. Направление вращения якоря на чертежах показано стрелкой с буквой «n».Consider the motor mode (Fig.1-4) on the example of an explicit pole collector DC electric machine with independent excitation of the inductor. An independent DC voltage source supplies power to the field coil of the inductor. Under the influence of a constant voltage, a constant electric current will flow through the coils of the field winding. The pronounced poles 2 of the inductor are excited and form in the air gap in the radial direction the "north" magnetic poles "N" and the "south" magnetic poles "S" of the inductor with alternating magnetic polarity. From another independent DC voltage source, power is supplied to the brushes 9, with the “plus” of the power source connected to the brushes indicated by the “+” sign in the drawings, and the “minus” of the power source connected to the brushes indicated by the “-” sign in the drawings. Under the action of a constant voltage in the direction from the "positive" brushes to the "negative" brushes, through the sliding contacts and collector plates 8 through the coils 5 of the closed armature winding, a constant electric current will flow through the two branches, shown by arrows in the drawings, magnetizing the pronounced pole of the armature 4 as the “north” magnetic poles “N”, as “south” magnetic poles “S” depending on the position of the poles of the armature 4 relative to the brushes 9. In the coils 5 of the armature winding connected at some point in time to nopolyarnym brushes, switching takes place. In figure 2, the switching occurs in the coil 5 located on the pronounced pole of the armature Y1, and in figure 4 - in the coils 5 located on the poles of the armature Y1 and Y3. The "north" magnetic poles of the "N" armature tend to push out from under the "north" magnetic poles of the "N" inductor and pull themselves under the "south" magnetic poles of the "S" inductor, and the "south" magnetic poles of the "S" armature, in turn tend to push out from under the “southern” magnetic poles of the “S” inductor and get pulled under the “northern” magnetic poles of the “N” inductor, thereby creating a torque acting on the stator and the armature of the electric motor. The direction of rotation of the anchor in the drawings is shown by an arrow with the letter "n".

Рассмотрим генераторный режим (фиг.1-4) на примере коллекторной электрической машины постоянного тока с полюсным якорем с независимым возбуждением индуктора. От независимого источника постоянного напряжения подают питание на обмотку возбуждения индуктора. Под действием постоянного напряжения по катушкам обмотки возбуждения будет протекать постоянный электрический ток. Явно выраженные полюса 2 индуктора возбуждаются и образуют в воздушном зазоре в радиальном направлении «северные» магнитные полюса «N» и «южные» магнитные полюса «S» индуктора с чередующейся магнитной полярностью. При вращении якоря сторонним источником момента постоянный магнитный поток явно выраженных полюсов 2 индуктора пронизывает воздушный зазор и явно выраженные полюса 4 якоря то со стороны индуктора, то со стороны якоря, создавая при этом в явно выраженных полюсах 4 якоря переменный магнитный поток, наводящий в каждой катушке 5 обмотки якоря переменную во времени ЭДС. Переменные ЭДС катушек, расположенных в данный момент времени в данной параллельной ветви, суммируются и выпрямляются при помощи коллектора. ЭДС параллельных ветвей направлены в одну сторону, образуя на щетках «плюс» и «минус» источника постоянного напряжения. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то по ней протекает выпрямленный электрический ток, электрическая мощность отдается потребителю.Consider the generator mode (Figs. 1-4) using an example of a DC collector electric machine with a pole armature with independent excitation of the inductor. An independent DC voltage source supplies power to the field coil of the inductor. Under the influence of a constant voltage, a constant electric current will flow through the coils of the field winding. The pronounced poles 2 of the inductor are excited and form in the air gap in the radial direction the "north" magnetic poles "N" and the "south" magnetic poles "S" of the inductor with alternating magnetic polarity. When the armature is rotated by a third-party source of torque, a constant magnetic flux of the pronounced poles 2 of the inductor penetrates the air gap and the pronounced poles 4 of the armature from the side of the inductor, then from the side of the armature, creating an alternating magnetic flux in the distinct poles of the 4 anchors inducing in each coil 5 winding armature variable in time emf. The EMF variables of the coils located at a given moment in this parallel branch are summed and rectified using a collector. EMF of parallel branches are directed in one direction, forming on the brushes "plus" and "minus" of a constant voltage source. If the external circuit - the load circuit is closed, then a rectified electric current flows through it, electric power is given to the consumer.

Глубокое и плавное регулирование выходными параметрами явнополюсной коллекторной электрической машины осуществляется путем изменения постоянного напряжения, поданного на катушки обмотки якоря, а также путем изменения величины постоянного тока, протекающего в обмотке возбуждения индуктора.Deep and smooth control of the output parameters of an open-pole collector electric machine is carried out by changing the constant voltage supplied to the armature winding coils, as well as by changing the magnitude of the direct current flowing in the excitation winding of the inductor.

Применение явнополюсной коллекторной электрической машины постоянного тока как при низких, так и при высоких напряжениях при хорошей коммутации возможно за счет выполнения замкнутой последовательной катушечной обмотки якоря.The use of an explicit pole DC collector electric machine both at low and at high voltages with good switching is possible due to the implementation of a closed sequential coil winding of the armature.

Claims

1. A manifold electric collector machine comprising a housing, an inductor with pronounced poles, on which an inductor coil winding, bearing shields with bearings, a shaft, a collector, a brush-contact assembly with brushes and an anchor with a closed winding are located, characterized in that the anchor is made with pronounced poles and a coil sequential winding, each coil of which is placed on the corresponding explicit pole of the armature, and the beginning and ends of the coils are interconnected are connected in a similar way to the corresponding collector plates of the collector, forming a closed electrical circuit with two parallel branches, the number of pronounced inductor poles Z _P and the number of explicit armature poles Z _R are interconnected and are determined by equalities (1) and (2), respectively:

where m = 2, 3, 4, 5, ... is a positive integer starting from two, s is the number of modules, that is, "elementary machines" in the structure of an explicitly polar collector electric machine, with c = 1, 2, 3, ... when m - odd, that is, for m = 3, 5, 7, ..., and c = 2, 4, 6, ... for m - even, the width of the pole arc b _{P of the} pronounced pole of the inductor is determined by the expression:

where t _P = 360 ° / Z _P and b _P are measured in geometric degrees, the width of the pole arc b _{R of the} pronounced pole of the armature is determined by the expression:

where t _R = 360 ° / Z _R and b _R are measured in geometric degrees, the width of the switching zone b _CA in the angular measurement is determined in accordance with the condition:

the collector plates of the collector are made of the same width, the estimated number of collector plates n _CL is determined by the equality:

moreover, the number of collector plates to which the beginnings and ends of the coils of the armature winding are connected is equal to the number of pronounced armature poles, the brushes are made of the same width, and the number of brushes is proportional to the number of pronounced inductor poles.

2. The explicit pole collector electric machine according to claim 1, characterized in that the inductor is located outside, the anchor inside.

3. The explicit polar collector electric machine according to claim 1, characterized in that the inductor is located inside, the anchor is outside.

4. The explicit pole collector electric machine according to claim 1, characterized in that the field winding of the inductor is connected to an independent source of constant voltage.

5. The explicit pole collector electric machine according to claim 1, characterized in that the field winding of the inductor is connected to a constant voltage source in parallel with the armature winding.

6. The explicit pole collector electric machine according to claim 1, characterized in that the field winding of the inductor is connected to a constant voltage source in series with the armature winding.

7. The explicit pole collector electric machine according to claim 1, characterized in that the field winding of the inductor has two winding systems, one of which is connected to a constant voltage source in parallel with the armature winding, and the other in series.

8. The explicit pole collector electric machine according to claim 1, characterized in that the pronounced poles of the inductor are made with a compensation winding.