КОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С НЕСКОЛЬКИМИ ГРУППАМИ ОБМОТОК ВОЗБУЖДЕНИЯ

Область техники

Изобретение относится к коллекторному двигателю, который может работать при последовательном или параллельном возбуждении и пригоден, в частности, для применения в качестве приводного двигателя для барабана стиральной машины.

Уровень техники

Устройство для регулирования частоты вращения такого коллекторного двигателя известно из DE 19825126 А1. Коллекторный двигатель имеет, по меньшей мере, две обмотки возбуждения, одна из которых имеет ответвление. Обмотки возбуждения могут состоять из нескольких секций с электрическими присоединениями между секциями. Обмотки возбуждения или их секции могут в зависимости от требуемой частоты вращения соединяться, или разъединяться, или подключаться к источнику напряжения электронным устройством управления. Концы отдельных обмоток возбуждения или секций обмоток возбуждения соединены с началами других обмоток возбуждения или секций обмоток возбуждения, иными словами, обмотки возбуждения соединены последовательно.

Из DE 19753670 А1 известна конструкция обмотки возбуждения двухполюсного коллекторного двигателя, при которой на каждом полюсе друг над другом расположены две секции обмотки возбуждения (верхняя и нижняя катушки). Схема коллекторного двигателя выполнена так, что конец одной обмотки возбуждения первой группы обмоток (нижняя катушка) соединен с началом второй группы обмоток возбуждения (верхняя катушка), а конец одной обмотки второй группы обмоток возбуждения соединен с началом обмотки якоря. Далее, конец обмотки якоря соединен с началом второй обмотки возбуждения второй группы, а конец второй обмотки возбуждения второй группы - с началом второй обмотки возбуждения первой группы. Между секциями обмоток возбуждения предусмотрено электрическое соединение, так что могут включаться, либо только нижние катушки, либо нижние и верхние катушки, соединенные последовательно. Отдельные секции обмоток возбуждения расположены при такой схеме симметрично относительно оси симметрии пар полюсов.

Ввиду того, что секции обмоток возбуждения в описанных выше коллекторных двигателях соединяются последовательно, обмотки приходится выполнять проводом довольно большого сечения. Недостатком при этом является то, что при применении такого провода нельзя во время намотки обмоток возбуждения придать оптимальную форму так называемым лобовым частям, а для последующей формовки лобовых частей потребуется трудоемкая дополнительная технологическая операция. Неоптимальная форма лобовых частей в таких коллекторных двигателях обуславливает добавочные электрические потери, вследствие чего снижается кпд коллекторного двигателя.

Раскрытие изобретения

Исходя из этого уровня техники задача изобретения состоит в том, чтобы создать коллекторный двигатель описанного выше типа с такой конструкцией и схемой, который сможет работать в различных диапазонах частоты вращения и в то же время отличаться минимальными потерями при эксплуатации.

Эта задача решается согласно пункту 1 формулы изобретения коллекторным двигателем, статор которого имеет четное число полюсов, на которых друг над другом расположены несколько обмоток возбуждения с выводами начала и конца, причем обмотка возбуждения, расположенная на одном полюсе, и обмотка возбуждения, расположенная напротив этой обмотки симметрично относительно плоскости симметрии соответствующей пары полюсов, имеют одинаковое число витков и образуют группу обмоток возбуждения, причем начала обмоток возбуждения одной группы соединены между собой, и концы обмоток возбуждения этой же группы также соединены между собой. При предлагаемой в изобретении конструкции статора обмотки возбуждения, образующие группу, соединяются между собой параллельно и расположены симметрично друг другу на противолежащих полюсах статора. Благодаря такой схеме обмотки возбуждения одной группы при одинаковом числе витков имеют одинаковую длину проводов. Следовательно, обмотки возбуждения одной группы имеют одинаковые сопротивления и индуктивности. Благодаря этому устраняются вредные уравнительные токи между группами обмоток возбуждения и вызванные ими электрические потери. При этом коллекторный двигатель может использоваться для работы при различной частоте вращения, так как в зависимости от требуемой частоты вращения группы обмоток возбуждения могут подключаться к электрическим выводам коллекторного двигателя по отдельности или совместно.

В одном предпочтительном варианте реализации изобретения конец одной группы обмоток возбуждения соединяется с началом другой группы обмоток возбуждения и с электрическим выводом коллекторного двигателя. Тем самым группы обмоток возбуждения при совместном включении групп оказываются соединенными последовательно. При такой схеме коллекторного двигателя упрощается конструкция обмоток, так как электрическое сопротивление последовательно соединенных групп обмоток возбуждения равно сумме сопротивлений отдельных групп, и во всех группах обмоток возбуждения течет один и тот же ток.

В одном предпочтительном варианте реализации изобретения обмотки возбуждения разных групп имеют разное число витков. Такое конструктивное решение выгодно, главным образом, потому, что может быть выбрано оптимальное число витков в зависимости от требуемой частоты вращения и мощности. Магнитный поток и электрическое сопротивление обмотки возбуждения пропорциональны числу витков обмотки, а поэтому ток обмотки возбуждения и крутящий момент коллекторного двигателя зависят от числа витков. Оптимальным выбором числа витков обмоток возбуждения можно обеспечить, чтобы при оптимальном для данной частоты вращения крутящем моменте не был превышен максимально допустимый ток обмоток возбуждения. Число витков обмотки возбуждения определяет также оптимальную частоту вращения, при которой происходит переключение коллекторного двигателя из так называемого режима полного возбуждения в режим частичного возбуждения без недопустимо большого изменения тока в обмотках возбуждения. Это относится также к переключению с одного частичного возбуждения на другое частичное возбуждение при других обмоточных данных.

В других вариантах реализации изобретения статор выполнен двухполюсным и/или коллекторный двигатель имеет две группы обмоток возбуждения. Это позволяет снизить стоимость коллекторного двигателя.

Коллекторный двигатель в таком исполнении может быть успешно использован, например, для привода барабана стиральной машины. Кроме того, при этом устройство управления для раздельного и совместного включения групп обмоток возбуждения может быть выполнено проще и дешевле.

Краткий перечень чертежей

Изобретение, а также его успешные конструктивные формы более подробно описаны ниже на предпочтительных примерах реализации с помощью схематических, выполненных не в масштабе чертежей. На них представлены

Фиг.1 - схема приводного двигателя и устройства управления,

Фиг.2 - статор с обмотками возбуждения в разрезе,

Фиг.3 - схема другого исполнения приводного двигателя.

Осуществление изобретения

В примере реализации показан двухполюсный сериесный приводной двигатель (универсальный двигатель) для стиральной машины. В соответствии с программой стирки установленный в стиральной машине барабан вращается с различной частотой вращения, которая при стирке может составлять, например, 50 мин^-1, а при отжиме до 1800 мин^-1.

Изобретение не ограничивается универсальным двигателем, который относится к группе коллекторных двигателей. Коллекторный двигатель может быть, например, 4-полюсным. Коллекторный двигатель может быть также рассчитан для работы с параллельным возбуждением.

На фиг.1 и 2 изображено устройство управления 3 двухполюсного коллекторного (универсального) двигателя 1 и разрез статора 4 этого двигателя с четырьмя обмотками возбуждения W_1.1-W_2.2. Обмотки возбуждения W_1.1a и W_1.2a или W_2.1i и W_2.2i образуют одну группу обмоток возбуждения каждая. Начало A_1.1 обмотки возбуждения W_1.1a соединено с началом A_1.2 обмотки W_1.2a в точке а, а конец Е_1.1 обмотки W_1.1a соединен с концом E_1.2 обмотки W_1.2a перемычкой b-с. Соответственно, начала обмоток возбуждения W_2.1i и W_2.2i соединены друг с другом перемычкой b-с, а концы Е_2.1 и Е_2.2 соединены друг с другом в точке d. Таким образом, обмотки возбуждения W_1.1a и W_1.2a и обмотки возбуждения W_2.1i и W_2.2i в каждой группе обмоток соединены параллельно. Конец одной группы обмоток возбуждения W_1.1a и W_1.2a через точки соединения b и с соединен с началом другой группы обмоток возбуждения W_2.1i и W_2.2i и с электрическим выводом М.2 коллекторного двигателя 1. Таким образом, обе группы обмоток возбуждения оказываются соединенными последовательно. Индексы а и i при обозначениях обмоток W означают, что обмотка W расположена снаружи (индекс а) или внутри (индекс i) на полюсе 5, 6 статора 4, так что наружная обмотка возбуждения, например W_1.1a, больше удалена от плоскости симметрии 7 пар полюсов, чем внутренняя обмотка возбуждения W_2.1i.

Коллекторный двигатель 1 имеет электрические выводы М.1-М.3, соединенные с соответствующими началами и концами групп обмоток возбуждения, и электрические выводы М.4 и М.5, соединенные с якорной обмоткой 2 коллекторного двигателя. Электрические выводы М.1-М.5 соединены с устройством управления 3. Устройство управления 3 содержит для включения обмоток возбуждения W и обмотки якоря коллекторного двигателя 1 симистор Т, реле переключения поля Х1 и так называемое реле реверсирования Х2. При включении управляемого микроконтроллером μС симистора Т на обмотки возбуждения и якоря подается напряжение. Реле переключения поля Х1 и реле реверсирования Х2 через схему управления, элементы которой не изображены на фиг.1, также управляются микроконтроллером. Для работы коллекторного двигателя 1 при высокой частоте вращения, например в режиме отжима в стиральной машине, реле переключения поля Х1 включает только одну группу обмоток возбуждения W_1.1a и W_1.2a (частичное возбуждение). Обе соединенные последовательно группы обмоток возбуждения (частичное поле и остаточное поле) включаются вместе (полное поле) для работы коллекторного двигателя 1 при малой или средней частоте вращения, например в режиме стирки. Схема устройства управления 3 такова, что якорная обмотка 2 соединяется с группами обмоток возбуждения последовательно. Изменение направления вращения якоря (ротора) коллекторного двигателя 1 осуществляется с помощью реле реверсирования Х2 путем перемены полярности якорной обмотки 2.

Как показано на фиг.2, все обмотки возбуждения W намотаны и соединены так, что обмотки возбуждения обтекаются током согласно. Обмотки возбуждения групп частичного поля и остаточного поля расположены симметрично относительно плоскости симметрии 7 пар полюсов статора 4. Обмотка возбуждения W_1.1a расположена на полюсе 5 снаружи, а обмотка возбуждения W_1.2a расположена на лежащем напротив полюса 5 полюсе 6 также снаружи. Обмотки возбуждения W_2.1i и W_2.2i группы остаточного возбуждения намотаны поверх обмоток возбуждения W_1.1a и W_1.2a группы частичного поля и, таким образом, расположены на соответствующих полюсах 5 и 6 внутри.

Все обмотки возбуждения W_1.1-W_2.2 коллекторного двигателя 1 имеют одинаковое число витков. При такой конструкции и схеме обмоток возбуждения внутренние обмотки возбуждения W_2.1i и W_2.2i имеют большую длину проводов, чем наружные обмотки возбуждения W_1.1a и W_1.2a, а следовательно, имеют большее электрическое сопротивление. Так как обмотки возбуждения W одной группы расположены симметрично, то обмотки возбуждения W одной группы имеют одинаковые длины проводов и одинаковые электрические сопротивления. Уравнительный ток между точками соединения b и с при работе коллекторного двигателя 1 возникнуть не может, так как параллельные ветви одной группы обмоток возбуждения имеют одинаковые сопротивления и, следовательно, в них протекают одинаковые токи. Поэтому такая схема и конструкция обмоток позволяет эффективно избежать электрических потерь от таких уравнительных токов. Кроме того, при параллельном соединении обмоток возбуждения одной группы их сечение может быть выбрано меньшим, чем в случае коллекторных двигателей, в которых обмотки возбуждения одной группы соединены последовательно. Благодаря выбору обмоточных проводов меньшего сечения можно при намотке обмоток возбуждения формовать так называемые лобовые соединения таким образом, чтобы свести к минимуму обусловленные лобовыми соединениями электрические потери.

В альтернативном варианте исполнения коллекторного двигателя 1 обмотки возбуждения W_1.1 и W_1.2 частичного возбуждения могут быть расположены внутри на полюсах 5 и 6, а обмотки W_2.1 и W_2.2 остаточного возбуждения снаружи.

На фиг.3 представлена схема соединений другого альтернативного исполнения коллекторного двигателя 8 с двумя группами обмоток возбуждения, который управляется представленным выше устройством управления 3. В коллекторном двигателе 8 обмотки возбуждения одной группы W_3.1a и W_3.2a (частичное возбуждение) и обмотки возбуждения W_4.1i и W_4.2i другой группы (остаточное возбуждение) соединены параллельно, причем обмотки W_3.1a и W_3.2a частичного возбуждения имеют меньшее число витков, чем обмотки W_4.1i и W_4.2i остаточного возбуждения. Число витков обмоток W_3.1a и W_3.2а частичного возбуждения выбирается из расчета требуемого верхнего диапазона частот вращения. Коллекторный двигатель 8 может также при включении остаточного возбуждения работать в среднем диапазоне частот вращения, так как обмотки возбуждения W_4.1i и W_4.2i имеют большее число витков, чем обмотки W_3.1a и W_3.2а частичного возбуждения.

Согласно изобретению коллекторные двигатели могут иметь больше двух групп обмоток возбуждения с параллельно включенными обмотками возбуждения W. Согласно изобретению обмотки располагаются друг над другом на полюсах 5 и 6 симметрично относительно плоскости симметрии 7 пар полюсов. При такой схеме группы обмоток возбуждения также могут включаться устройством управления по отдельности или по несколько групп вместе. Изобретение применимо также в коллекторных двигателях с параллельным возбуждением.