RS49861B - Jednosmerni motor sa ožlebanim statorskim jezgrom - Google Patents

Abstract

Jednosmerni motor sa ožlebanim statorskim jezgrom, sastavljen od statora (G) snabdevenog pritom aktivnim amper-provodnicima, gde su svi ovi sa svojim suprotnim smerovima simetrično raspoređeni po žlebovima u odnosu na osu četkica (f’ – f’’) i povezani u koncentrične sekcije namotaja ( p1 ), ( p2), (p3), (p4) i ( p5 ), formirajuci tako s ovim jednoslojnu strukturu u žlebovima statora a da je glavna pobuda gore citiranog motora ostvarena na rotoru ( R ) sa pobudnim navojnim sekcijama ( t ), povezanih preko larnela ( d ) komutatora ( k ) u jednu zatvorenu petlju pobudnog namotaja rotora , naznačen time, što su ove navojne sekcije ( t ) raspoređene tako, da je svaki polni vrat rotora ( R ) obuhvacen samo sa po jednom navojnom sekcijom ( t ).

Description

Oblast tehnnike na kojusepronalazak odnosi

Ovaj pronalazak spada u oblast električnih mašina, prvenstveno jcdnosmerne struje. Prema međunarodnoj klasifikaciji pripada sekciji H

( elektrotehnika ) i naznačen je klasifikacionim simbolom H 02 K 23 / 40 a u nekom smislu i H 02 K 23 / 26.

Tehnički problem

Problemi koji se rešavaju ovim tehničkim rešenjem motora mogu se

predstaviti u sleđećem:

a) Pojednostavljenje u konstrukcionom smislu.

b) Smanjenje gabarita.

c) Šire regulacione ( pogonske ) mogućnosti motora.

d) Smanjeni zahtevi za održavanje kliznih kontaktnih površina i

povećan vek pogonske eksploatacije posebno komutatora i rotora.

Stanje tehnike

Može se konstatovati da sve danas standardne kao i razne vrste specijalnih mašina jednosmernih struja uključujući tu i univerzalne motore,

u svojoj osnovi konstrukcije imaju zajedničku sličnost.

Ta sličnost se ogleda u konstrukciji magnetnog kola. Sve ove električne mašine u principu građene su kao mašine sa istaknutim polovima ( bez obzira na njihov broj i ulogu ) koji imaju istu osnovnu funkciju a to je za stvaranje pobude u magnetnom kolu.

Imajući se u vidu stanje tehnike u ovoj oblasti, a koje je dobro znano onima koji se time bave, predmet ovog pronalaska je bio izbegavanje izvesnih nedostataka u postojećih rešenja sa jednim novim kostrukcionim prstupom. Bez namere da se ospore sve dobre karakteristike, u ovom delu teksta pomenuti su samo nedostaci u postojećih konstrukcija jednosmernih mašina koji karakterišu trenutno stanje tehnike u ovoj oblasti. - Kompleksnost konstrukcija a sa tim i visoke cene jednosmernih motora koji poseduju sretstva za suzbijanje štetne reakcije indukta.

- Nemogućnost da motor konstruisan kao dvopolna mašina

( uslovno ) pređe u rad kao jedna četvoropolna mašina i obrnuto.

- Uloga statora je pasivna ( samo za stvaranje pobude elektromagnetnog polja). - Dobro je znano da proticanje velikih struja preko kliznih površina komutatora predstavlja jedan od najvećih problema. Takođe je poznato da kod motora jednosmernih struja sa velikim snagama, struja rotora dostiže nekoliko desetina puta veću vrednost od iste u statoru. To je tako bar što se tiče u paralelnim i motorima sa nezavisno pobuđenim statorom. Naravno, podrazumeva se da velika struja u rotoru proizvodi veliku struju na komutatoru.

Upotrebom toroidnog statora sa ožlebanim jezgrom omogućeno je da se glavni elektromagnetni momenat stvara u njegovim amper - provodnicima pod dejstvom polja rotora što je suprotno dosadašnjoj praksi u konstrukciji jednosmernih motora. Polje rotora je stvoreno pogodnim namotavanjem ( što će se videti u detaljnijem opisu kasnije ) i određenim položajem ose četkica na komutatoru. Do sada su postojeći motori obrtni momenat stvarali dejstvom polja statora na amper - provodnike rotora.

Sa ovakvim statorom uz naročito namotavanje i raspored namotaja po njemu i rotoru, znatno je smanjena velika struja rotora a sa time i sve štetne posledice koje je ona stvarala pri tom.

Uz ovakav konstrukcioni pristup stvorena je i mogućnost lakog prelaska motora iz jednog dvopola u četvoropol i obrnuto a da se pri tom stepen korisnog dejstva ne umanji.

Za jedno bolje razumevanje same prirode pronalaska koji će biti detaljnije izložen u sledećem opisu korišćeni su priloženi crteži.

SI. 1 pretstavlja izgled vertikalnog centralnog preseka motora.

SI. 2 i SI. 3 pretstavljaju izgled statorskog i rotorskog lima motora redosledno.

SI. 4 pretstavlja razvijnu šemu statorskog namotaja.

SI. 5 daje jednu šemu pogodnu upotrebi u praksi za spajanje kod promene rada sa dvopoplnog u četvoropolni motor i obratno.

SI. 6 pod a pretstavlja razvijenu šemu rotora a ista slika pod b takođe razvijenu šemu rotora u delimičnom preseku.

SI. 7 pod a i b pretstavlja jedan detalj trenutka kada četkice prekrivaju samo jednu krišku komutatora.

SI. 8 pretstavlja jedan bočni pretežno šematski izgled motora sa svim detaljima bitnim za razumevanje u opisu.

SI. 9 pretstavlja uprošćeni crtež neznatno modifikovanog motora sa SI. 8 i to pod a kao dvopola a pod b kao četvoropola.

Opis

Kod ovog rešenja motora koji se opisuje u sledećem tekstu, sama rezultanta obrtnog momenta je posledica sume od dva obrtna momenta. Od jednog glavnog i od jednog pomoćnog momenta. Oba od njih podržavaju rotaciju u istom smeru. Glavni momenat se javlja kao rezultat dejstva rotorskog polja na sve amper - provodnike statora koji su uređeni po njegovim žlebovima. Ali, pošto se stator fiksira i nemože da se kreće, to će prema zakonu akcije i reakcije, proizvedene elektromagnetrne sile delovati na rotor da se pokrene u suprotnom smeru od onog u kojem bi bio pokrenut stator. A pomoćni momenat javlja se kao reakcija statorskog polja na one amper - provodnike rotora koji su smešteni u ne mnogo Širokoj okolini oko ose četkica. Samo ovi amper - provodnici oko gore pomenute ose se izuzimaju međusobnog poništavanja polja u rotorskim žlebovima, što će biti objašnjeno, sa nešto više detalja u narednom tekstu. Ova pojava javlja se usled kontaktnog dejstva četkica na komutatoru. Uvek postoje po dva aktivna svežnja amper - provodnika po svakoj od četkica.

Delujući u pravcu četkicine ose vidi se da fluks reakcije statora deluje ovde korisno proizvodeći pomoćni obrtni momenat ( podržavajući kretanje rotora).

Praktično posmatrajući rezultantni fluks, kao jedino postojeći u mgnetnom kolu motora, tačno ne prolazi u pravcu ose četkica već je njegova osa nešto pomerena za neki ugao u suprotnm smeru od rotacije motora. Ovaj ugao zavisi od struje opterećenja u rotoru i u statoru. Drugim rečima deo od pomoćnog momenta će biti smanjen kada se struja rotora povećava, što pomera rezultantni fluks dalje od ose četkica u kojoj se nalaze nekompenzirani amper provodnici rotora. Odnosno kada je deo od pomoćnog momenta viši ( kod veće jačine statorske struje ) motor će težiti sličnim karakteristikama ponašanja kao u jednog klasičnog jednosmernog motora.

Pa ipak ovo pomeranje rezultantnog fluksa ili klizanje magnetnih linija je malo manje izraženo ovde ( zbog postojanja žlebova kako u rotoru tako i u statoru, odnosno zbog diskontinuiteta u vazdušnom zazoru ) nego kod klasičnih mašina koje nemaju sretstva za suzbijnje rotorske reakcije. Ova okolnost ima za rezultat veću ravnomernost u raspređivanju gustine magnetnog fluksa u vazdušnom zazoru okolo.

U slici 1 rotorRi statorGse pretstavljaju kao blokovi sabijenih jezgra sa svojim namotajima, sastavljeni svaki od njih posebno od oblikovanih tankih dinamo limova međusobno izolovanih. Komutatorkičetkice / sanosačima četkicakčine sklop motora kao što se ptrikazuje na slici 1. Rotori? sa vratilomoima oslonce u ležajevima smcštenim u kućišteemotora.

Slika 8 pretstavlja jedan detaljan aksijalan ili bočni Šematski izgled motora u kome je pronalzak bio praktično realizovan.

Jezgro rotoraRovog motora ima oblik jednog nazubljenog cilindra gde je svaki od zuba na svom polnom vratu snabdeven sa jednim koncentričnim namotajemt.Krajevi ovih namotaja su spojeni za kriškedkomutatorak.Cilj koji se hteo ostvariti sa ovakvim namotavanjem je formiranje magnetnog polja na jedan takav način kao što se vidi sa sl.8. Kao što je već ukratko napomenjeno u uvodnom delu, ovako ostvarena polarnost je u suštini jedan direktan rezultat proizvedenog efekta u zoni četkica i bočnih veza rotorskog namotaja ( videti si. 6 ) što će se docnije videti bolje. Sto se tiče izrade jezgra statoraG,ono je u jednom toroidalnom obliku sa žlebovima u kojima su smešteni namotaj i( pl, p2. p3, p4, p5)međusobno povezani linijskim provodnicima( j, h, L k). Ovaj statorski namotaj posmatran u jednom kompletu, kao stvar od suštine, razmešta se u nekoliko malo manjih namotaja koji su koncentrično raspoređeni, tako da se aktivni delovi od njih nalaze u polju rotorskog dejstva sa obe strane ose četkica/'-/".Priključna mesta rotora i statora u šemi su naznačena saA, Bi/, K,redosledno.

Pridržavajući se mišljenja da motor radi prema prinicipu koji je napret iznet, ideja je bila da rotor dobije na neki način ulogu pobude a da stator postane više aktivan proizvodeći na indirektan način ( reaktivno ) sa svojim amper - provodnicima obrtni momenat motora. Kakva je prednost ovog načina to je već rečeno.

Na si. 2 se prikazuje jedan izgled statorskog dizajna lima koji uz izvesnu razliku podseća na statorski oblik jednog standardnog indukcionog motora.

Konstrukcija rotorskog lima ( vidi si. 3 ) nema razliku u poređenju sa do sada poznatim izgledom klasičnog rotorskog lima jednosmernih mašina. Ali uravo namotavanje namotaja kao što se vidi sa si. 6 i sa si. 8 na rotoru ima jednu značajnu razliku u poređenju sa uobičajenim namotavanjem. Samo ovaj oblik i navojni korak obezbeđuju punu ispravnost u radu ovoga motora. Takođe jedino ovaj način namotavanja je moguć za rad istog motora ili kao dvopolnog ili kao četvoropolnog. Primenjeni navojni korak jedne navojne sekcije rotorskog namotaja je isti kao rastojanje dva susedna žleba, gde nekoliko desetina navojaka provodnika obuhvaćena određenom izolacijom, formiraju tako jednu navojnu sekciju označenu satili najprostije rečeno namotaj. Spajanje svih navojnih sekcija rotorskog namotaja međusobno i sa komutatoromkse vidi takođe sa si. 6 i si. 8. Dosledno sve ove navojne sekcije su spojene u seriji preko komutatora sa obe strane ose četkica, formirajući tako na samim četkicma paralelnu vezu dve identične strujne grane.

Slika 4 daje jednu jasnu prezentaciju razvijenog namotaja statora sa si. 8. Primenjeni namotaji ili navojne sekcije su raspoređene koncentrično po unutrašnjosti obima ožlebanog statrskog jezgra, a da im se svima zajedno ose polja poklapaju. Prema tome kao što se vidi sa si. 4, namotaj ovde nije cilindrično grupisan oko polova, već diskretno raspodeljen po obimu statora tako da, njegovi aktivni delovi kod tečenja struje kroz njih, u rotorskom polju, proizvode elektromagnetne sile a ove glavni obrtni moment motora. U tako jednoj konstruisanoj mašini kad je stator opterećen, u rotoru će se pojaviti tako mala jednosmerna elektromotorna sila ( ems. ) kada se on počne obrtati. Ona je tako mala zato što je korak navojnih sekcija na rotoru veoma mali. Ova ems. kod motora u radu je u suštini kontraelektromotorna sila koja dostiže visoku vrednost približno primenjenom naponu na četkicama ali nižu od ovog za pad omskog napona u rotorskom kolu.

U sledujućem predstavljanu pre svega daće se jedan komentar u vezi sa si. 6 i si. 7.

Slika 6b pretstavlja jedan poprečan presek namotaja u žlebovima rotora sa naznačenim smerovima struja u svim navojnim sekcijama za datu poziciju četkica. Sa iste slike se vidi da u svim žlebovima postoje po dva identična aktivna dela navojnih sekcija međusobno izolovana i sa različitim smerovima struja. Jačina magnetnog polja kao suma svih amper - provodnika ovog dvosloja uzdužno u žlebu je nula. Poništavanje magnetnog polja na aktivim delovima rotorskih provodnika jednog žleba je izazvano zbog postojanja struja sa suprotnim smerovima u obe navojne sekcije. Samo u žlebovima 1, 2 i 7, 8 ( vidi si. 6a ) za prikazanu poziciju četkica ne postoji poništavanje magnetnog fluksa. To se vidi bolje sa si. 6b koja pretstavlja razvijenu šemu rotora u delimičnom preseku ako se posmatra sa komutatorske strane i za desni smer namotavanja navojnih sekcija. Sa pomenute si. 6b kada svaka od četkica prekriva jednake površine dve susedne kriške, veoma je lako primetititi da ne postoji struja kroz provodnike navojnih sekcija koje su u kratkome spoju od samih četkica na komutatoru ( slučaj kada se ima linearna komutacija ). Sa izbacivanjem ovih navojnih sekcija van strujnog kruga zbog opisanog efekta četkica, stanje koje je nastalo u žlebovima sa strujama izgleda kao na si. 6b. Uzimajući u obzir i bočne veze rotorskih sekcija, stvoreni su uslovi za održavanje kontinualnog polja u rotoru.

Slika 7 pod a i b prikazuje detalje za nastale smerove struja u žlebovima u osi četkica u trenutku kada onako polarisane četkice kao na slici dođu u kontakt samo sa jednom kriškom. Takođe i u ovim slučajevima poremećen je balans međusobnog poništavanja polja u predstavljenim žlebovima ( videti si. 7 pod a i b ), što opet pravi slične uslove za stvaranje rotorskog polja. Ovako opisan proces formiranja rotorskog polja kao što se vidi je nezavisan od pozicije četkica na kriškama.

Ovaj motor u jednom neznatno modifikovanom obliku koji se prikazuje na si. 9 ( uprošćeni crtež ) može iz jednog motora sa jednim parom polova veoma lako preći u motor sa dva para polova. Sve to se ostvaruje pri aktivnoj upotrebi celog statorskog namotaja po obimu u oba sli čaja ( vidi si. 9 pod a i b ). Kod ove promene u četvoropolu treba se podesiti sledeće: dodatni par četkicaB' - B"( vidi si. 9 ) je neophodno spustiti na komutator i stvoriti jednu novu dispoziciju polariteta prikazanu na si. 9b. Pored toga, ima se da struja sa smerovima u serijskoj vezi podeljenog namotaja statora teče tako, da u jednoj polovini statorskog namotaja ostaje ista a da u drugoj polovini istog namotaja menja smer. Prema tome sa zgodnim prevezivanjem namotajaJ'-K"sa si. 9a u dva identična polunamotaja/'-K'i/"-K"( vidi si. 9b ) stator je uređen za rad u četvoropolni motor.

Tako je iz dvopolnog motora veoma prosto izmenjen rad u četvoropolni sa jednim novim mehaničkim karakteristikama ( momenat - brzina ) a da je sve to bilo bez promene stepena korinog dejstva.

Treba primetiti da je namotavanje u ovome slučaju i spajanje rotorskih navojnih sekcija izvedeno potpuno isto kao na si. 8 i si. 6. Odnoseći se prema ovom slučaju, veoma je bitno imati na umu da postoji ograničenje kapaciteta ovog motora, defmisano sa strane nominalnih veličina kao što su: gustina magnetnog fluksa ( koja bi trebala da ostane nepromenjena ) i primenjeni napon, odnosno struja u rotoru. Ovi zahtevi moraju biti zadovoljeni kod prelaska ovog motora sa dvopolnog u četvoropolni i obrnuto.

Ovaj pristup prevezivanja na ovaj način može biti primenjen samo ovde, upravo zahvaljujući drugačijoj izradi statora u poređenju sa do sada poznatim statorom sa istaknutim polovima. Takođe i tako mali korak navojnih sekcija u rotoru ovaj pristup čini veoma efikasnim za ovu mogućnost.

Slika 5 daje jednu šematsku skicu objašnjenja pogodnu upotrebi u praksi za spajanje kod izmene rada iz dvopolnog u četvoropolni motor i obrnuto.

Za stanje izborne preklopkeSou poziciju 1 mašina radi kao dvopolona a u poziciji 2 kao četvoropolni motor. S tim, gde je u poziciji 2, još sa jednim prostim mehaničkim uređajem neophodno spustiti dodatne pomične četkiceB' - B"na komutator uz već postojeći fiksni parA' - A"kao što se prikazuje na šemi. Polunamotaji statoraT-K'i/" - K"su motani u istome smeru.

Razumljivo da ovaj motor može bez nekih izmena ili nekih dodataka da radi i na naizmeničnu struju, što samo povećava širinu njegove upotrebe.

Takođe i ovde kao u poznatih motora jednosmernih struja, namotaj i rotora i statora se mogu povezivati u seriju, paralelno i nezavisno.

Dobro je znano da upotreba ravnomerno ožlebanog statora po unutrašnjosti njegovog obima nije ništa novo u mašinama koje se napajaju naizmeničnim strujama (kao na primer: indukcioni motori, sinhroni motori i slični). Ali upotreba gore pomenutog statora u sličnom obliku i u sklopu nekog jednosmernog motora, tako funkcionalno osmišljenog ( kao na ovaj način ), može dati jedan izvesan napredak i neke nove mogućnosti u eksploataciji elektromotornih pogona za jednosmernu struju koje do sada nisu bile moguće i znane.

Kao što je već na neki način napomenuto, sama upotreba kliznih kontakata svih vrsta sa tečenjem struje opterećenja kroz njih, uopšteno je nepoželjna. Ali kada se oni nemogu izbeći, prirodno je bar što je više moguće težiti smanjenju ovih kontaktnih struja ( kao u ovom rešenju ). Sa ovim naročito se smanjuje istrošenost starenje i zaprljanost komutatora koja se naročito izražava u klasičnim jednosmernim motorima.

Može se primetiti da ovaj način rasporeda rotora i statora sa svojim odlikama potseća na izmenjene uloge u poređenju sa postojećim jednosmernim motorima. Sada se ima pobuda smeštena na rotoru a da struja opterećenja teče u statoru. Upravo to se želelo, da niža struja u ovom slučaju pobudna struja, teče preko kliznih kontakta komutatora a da veća struja teče kroz čvrste veze statora.

Ovaj pronalazak u svom rešenju pruža nekoliko novih i korisnih stvari od praktičnog značaja.

Kao prvo: Izbegnuto je da jake struje teku preko kliznih površina četkica i kriški, odnosno postojeća je znatno redukovana, što je i glavna prednost ovog rešenja. Naravno da ovo ima smisla samo kada motor radi sa nezavisno napajanom pobudom i u paralenoj vezi rotorskog i statorskog namotaja.

Izostavljanje ili isključenje pomoćnih polova i kompenzacionih namotaja čine ovaj motor više pojednostavljenim za konstrukciju što smanjuje njegovu cenu.

I kao treće, ovako konstruisan jedan motor može veoma lako promeniti rad iz dvoplolne mašne u četvoropolnu i obrnuto. To se postiže sa dodatkom još jednog para pomičnih četkica, kao što se vidi u prethodnom tekstu a da nasuprot svemu tome ne dođe do izmene stepena korisnog dejstva istog.

Ističe se kao posebno dobra kontinualna regulacija brzine u mehaničkoj karakteristici ovog motora.

Ovako opisan primer pronalaska ne ograničava se samo na specifičnu konstrukciju pokazanu ovde, već podrazumeva sve slične oblike jednosmernih mašina proizišle iz ovog tipa, čija bi konstrukcija i rad imale za osnovu okvir datog opisa i priložene zahteve.

Claims (3)

1. Jednosmerni motor sa ožlebanim statorskim jezgrom sastavljen od statoraGsnabđevenog pntom aktivnim amper-provodnicima, gde su svi ovi sa svojim suprotnim smerovima simetrično raspoređeni po žlebovima u odnosu na osu četkicaf ~ fi povezani u koncentrične sekcije namotaja pi , pi , pi , p4ips, formirajući tako s ovim jednoslojnu strukturu u žlebovima statora a daje glavna pobuda motora ostvarena na rotoruRsa pobuđnim navojnim sekcijama/ ,povezanih preko lameladkomutatoraku jednu zatvorenu petlju pobudnog namotaja rotora ,karakterisan time, što su ove navojne sekcije {/}raspoređene tako, da je svaki polni vrat rotora (R) obuhvaćen samo sa po jednom navojnom sekcijom (*)•

2. Jednosmerni motor prema zahtevu 1, u svom nešto modiiikovanom obliku kao objedinjena konstrukcija za rad bilo u pun dvopol ili pun Četvoropol, u kome je statorGsnabdeven namotajem sastavljenim iz dve identične polovine ./' -K'iJ" - K", karakterisan time, što su obe ove polovine namotaja ( /' -K<f>) i (J" - K") uvek spojene u seriju preko selektivnog prekidača (Se) za izmenu smera struje u polunamotaju( J"- K")statora( G).

3. Jednosmerni motor prema zahtevu 2, obezbeđen je jednim parom mehanički pokretnih četkicaB' - B"smeštenih pod pravim uglom'prema već postojećem fiksnom paru četkicaA'- A", karakterisan time, što ovaj mehanički pokretni par četkica (B'- B")obrazuje uvek prav ugao sa fiksnim parom četkica( A'- A").