RU2072613C1

RU2072613C1 - Collector direct current motor with ferrite magnets

Info

Publication number: RU2072613C1
Application number: RU94020050A
Authority: RU
Inventors: В.В. Москалев; С.В. Акимов
Original assignee: Московская государственная академия автомобильного и тракторного машиностроения; Москалев Валентин Валентинович; Акимов Сергей Валентинович
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1994-05-31
Publication date: 1997-01-27

Abstract

FIELD: electric motors for drives of additional equipment of such vehicles as cars and tractors. SUBSTANCE: device which is excited by ferrite magnets has armature with winding and collector and cylindrical magnetic-conducting housing, which trailing edges of segment-shaped poles are extended to commutation area and crosses geometric neutral line of motor. Extended areas of poles have lesser magnet length with respect to main segment-shaped areas, which are located in working pole area of electric motor. In addition external surface of pole pairs which are extended to commutation area is shaped as extension of circumference arc which shapes external surface of main segment-shaped areas. Optimal shape of inner surface of trailing edges of segment-shaped poles which are extended to commutation area is produced by curve or polygonal line so that minimal length of magnet of extended areas is located at border of commutation area with trailing edge of main segment-shaped area of pole; while maximal length of magnet of extended areas is located at geometric neutral axis of electric motor. EFFECT: increased reliability, increased service life of brush-collector unit due to better switching in nominal mode by means of magnetic induction which is caused by armature current in neutral area by magnetic field of trailing edges of poles which are extended to commutation area. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электродвигателям приводов вспомогательного оборудования подвижных объектов, преимущественно автомобилей и тракторов, и может быть использовано при проектировании и производстве указанных электродвигателей. The invention relates to electrical engineering, in particular to electric motors of auxiliary equipment drives of moving objects, mainly automobiles and tractors, and can be used in the design and manufacture of these electric motors.

Известны двигатели постоянного тока, преимущественно большой мощности, с электромагнитным возбуждением, содержащие якорь с обмоткой и коллектором, цилиндрический магнитопроводящий корпус, на внутренней поверхности которого установлены основные полюса с обмоткой возбуждения и дополнительные полюса с компенсационной обмоткой, включенной последовательно обмотке якоря. Дополнительные полюса имеют меньшую, по сравнению с основными полюсами, ширину и располагаются в зонах коммутации с целью компенсации магнитной индукции, наводимой током якоря в нейтральной зоне, для улучшения процесса коммутации, благодаря чему снижаются искрение и дугообразование на коллекторе электродвигателя. (Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М. Энергия, 1980, с. 704). Known DC motors, mainly of high power, with electromagnetic excitation, containing an armature with a winding and a collector, a cylindrical magnetically conductive housing, on the inner surface of which there are main poles with an excitation winding and additional poles with a compensation winding connected in series with the armature winding. Additional poles have a smaller width compared to the main poles and are located in the switching zones in order to compensate for the magnetic induction induced by the armature current in the neutral zone to improve the switching process, thereby reducing sparking and arcing on the motor collector. (Ivanov-Smolensky A.V. Electric machines. M. Energy, 1980, p. 704).

Недостатком такой конструкции является сложность и дороговизна исполнения, а, следовательно, невозможность ее реализации в массовом производстве. The disadvantage of this design is the complexity and high cost of execution, and, therefore, the impossibility of its implementation in mass production.

Известно также устройство электродвигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, содержащее якорь с обмоткой и коллектором и цилиндрический магнитопроводящий корпус, одновременно являющийся ярмом, с установленными на его внутренней поверхности полюсами, представляющими собой ферритобариевые или ферритостронциевые постоянные магниты, выполненные в виде сегментов (Гаршина А.В. Кондратьев В.Н. и др. Особенности конструкции, параметры автотракторных электродвигателей и перспективы их развития: Заказное издание. М. НИИНАвтопром, 1976, с. 22-50; Кенио Т. Нагамори С. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами./ Пер. с англ. М. Энергоатомиздат, 1989, с. 22-26). A device of direct current electric motors with permanent magnet excitation is also known, comprising an armature with a winding and a collector and a cylindrical magnetically conductive housing, which is also a yoke, with poles mounted on its inner surface, which are ferrite-barium or ferrite-strontium permanent magnets made in the form of segments (Garshin A .V. Kondratiev V.N. et al. Design Features, Parameters of Autotractor Electric Motors and Prospects for Their Development: Custom Edition. M. NI NAvtoprom, 1976, 22-50;. Kenio T. S. Nagamori DC motors with permanent magnets / Translated from English Energoatomisdat M., 1989, pp 22-26).....

Недостатком такой конструкции является то, что в режимах, отличных от холостого хода, происходит смещение физической магнитной нейтрали относительно геометрической нейтрали, на которой устанавливаются щетки, в направлении, противоположном вращению якоря электродвигателя, что значительно ухудшает условия коммутации в щелочно-коллекторном узле, так как при этом в коммутируемых секциях обмотки якоря наводится ЭДС, замедляющая коммутацию. Причем величина магнитной индукции в зоне коммутации увеличивается с ростом нагрузки электродвигателя. The disadvantage of this design is that in modes other than idle, the physical magnetic neutral is displaced relative to the geometric neutral on which the brushes are mounted in the opposite direction to the rotation of the motor armature, which significantly worsens the switching conditions in the alkaline collector assembly, since while in the switched sections of the armature winding induced EMF, slowing down the switching. Moreover, the magnitude of the magnetic induction in the switching zone increases with increasing load of the electric motor.

Цель изобретения создание электродвигателя постоянного тока с возбуждением от ферритовых магнитов, имеющего повышенный ресурс работы щелочно-коллекторного узла за счет улучшения процесса коммутации в номинальном режиме работы. The purpose of the invention is the creation of a direct current electric motor with excitation from ferrite magnets having an increased service life of the alkaline collector assembly by improving the switching process in the nominal operating mode.

Сущность изобретения состоит в том, что в электродвигателе с возбуждением от ферритовых магнитов, содержащем якорь с обмоткой и коллектором и цилиндрический магнитопроводящий корпус, сбегающие края сегментовидных полюсов продлены в зону коммутации и пересекают геометрическую нейтраль машины, при этом продленные участки полюсов имеют меньшую длину магнита, чем основные сегментовидные участки, расположенные в рабочей полюсной зоне электродвигателя, причем форма внешней поверхности продленных в зону коммутации участков полюсов образована продолжением дуги окружности, образующей внешнюю поверхность основных сегментовидных участков. К тому же оптимальной формой внутренней поверхности продленных в зону коммутации участков сбегающих краев полюсов является форма, образованная кривой или ломаной линией таким образом, что минимальная длина магнита продленных участков имеет место на границе зоны коммутации со сбегающим краем основного сегментовидного участка полюса, а максимальная длина магнита продленных участков на оси геометрической нейтрали электродвигателя. The essence of the invention lies in the fact that in an electric motor with excitation from ferrite magnets containing an armature with a winding and a collector and a cylindrical magnetically conducting body, the run-down edges of the segment-shaped poles are extended into the commutation zone and cross the geometric neutral of the machine, while the extended sections of the poles have a shorter magnet length, than the main segment-shaped sections located in the working pole zone of the electric motor, and the shape of the outer surface of the extended van continuation of the arc of a circle forming the outer surface of the main segment-shaped sections. Moreover, the optimal shape of the inner surface of the sections of the running edges of the poles extended to the switching zone is the shape formed by a curve or a broken line so that the minimum length of the magnet of the extended sections takes place at the border of the switching zone with the running edges of the main segment-shaped pole section, and the maximum magnet length extended sections on the axis of the geometric neutral axis of the electric motor.

Отличие данного технического решения от известного состоит в том, что в электродвигателе с возбуждением от ферритовых сегментовидных магнитов сбегающие края полюсов не заканчиваются на границе между полюсной зоной и зоной коммутации, а продлены в зону коммутации и пересекают геометрическую нейтраль машины. При этом продленные в зону коммутации участки полюсов имеют меньшую длину магнита, по сравнению с длиной магнита основных сегментовидных участков, расположенных в рабочей полюсной зоне электродвигателя, а форма внешней поверхности продленных в зону коммутации участков полюсов образована продолжением дуги окружности, образующей внешнюю поверхность основных сегментовидных участков полюсов. The difference between this technical solution and the known one is that in an electric motor with excitation from ferrite segment-shaped magnets, the runaway edges of the poles do not end at the boundary between the pole zone and the commutation zone, but are extended into the commutation zone and cross the geometric neutral of the machine. Moreover, the pole sections extended into the switching zone have a smaller magnet length compared to the magnet length of the main segment-shaped sections located in the working pole zone of the electric motor, and the shape of the outer surface of the pole sections extended into the switching zone is formed by the continuation of the circular arc forming the outer surface of the main segment-shaped sections poles.

Цель изобретения повышение надежности электродвигателя и увеличение ресурса работы щеточно-коллекторного узла за счет улучшения процесса коммутации в номинальном режиме, посредством компенсации магнитной индукции, наводимой током якоря в нейтральной зоне, магнитным полем продленных в зону коммутации участков сбегающих краев полюсов. The purpose of the invention is to increase the reliability of the electric motor and increase the service life of the brush-collector assembly by improving the switching process in the nominal mode, by compensating for the magnetic induction induced by the armature current in the neutral zone, by the magnetic field of the sections of the running edges of the poles extended into the switching zone.

На фиг. 1 изображена магнитная система двухполюсного электродвигателя с постоянными магнитами, имеющего продленные в зону коммутации участки сбегающих краев полюсов, внутренняя поверхность которых образована ломаной линией; на фиг.2 диаграммы распределения магнитной индукции в воздушном зазоре двухполюсного электродвигателя вдоль поверхности якоря в направлении его вращения (а для принятой за прототип конструкции электродвигателя с сегментовидными ферритовыми магнитами; б для предлагаемого электродвигателя). In FIG. 1 shows the magnetic system of a two-pole permanent magnet electric motor having sections of the runaway edges of the poles extended into the switching zone, the inner surface of which is formed by a broken line; figure 2 diagrams of the distribution of magnetic induction in the air gap of a two-pole electric motor along the surface of the armature in the direction of its rotation (and for the design of the electric motor with segmented ferrite magnets adopted as a prototype; b for the proposed electric motor).

Предлагаемый двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов содержит якорь 1 с обмоткой возбуждения и коллектором, цилиндрический магнитопроводящий корпус 2, внутри которого установлены ферритовые сегментовидные магнитные полюса 3, имеющие продленные в зону коммутации 4 и пересекающие ось геометрической нейтрали участки сбегающих краев. Продленные в зону коммутации 4 участки полюсов 3 имеют меньшую длину магнита, по сравнению с длиной магнита основных сегментовидных участков, расположенных в рабочей полюсной зоне 5 электродвигателя, а также форму внешней поверхности, образованную продолжением дуги окружности, образующей внешнюю поверхность основных сегментовидных участков полюсов 3. The proposed DC motor with excitation from permanent magnets contains an armature 1 with an excitation winding and a collector, a cylindrical magnetically conductive housing 2, inside of which there are mounted ferrite segment-shaped magnetic poles 3 having sections of runaway edges extended into the commutation zone 4 and intersecting the axis of geometric neutral. The sections of poles 3 extended into the switching zone 4 have a shorter magnet length compared with the magnet length of the main segment-shaped sections located in the working pole zone 5 of the electric motor, as well as the shape of the outer surface formed by the continuation of the circular arc forming the outer surface of the main segment-shaped segments of the poles 3.

Поскольку магнитная индукция, наводимая в зоне коммутации 4 током якоря 1, имеет максимальную величину на оси геометрической нейтрали, а минимальную величину на границе зоны коммутации 4 со сбегающим краем основного сегментовидного участка магнита 3, расположенного в рабочей полюсной зоне 5 электродвигателя, то для более полной компенсации магнитной индукции в нейтральной зоне 4 оптимальной формой внутренней поверхности продленных в зону коммутации участков сбегающих краев полюсов 3 является форма, образованная кривой или ломаной линией таким образом, что минимальная длина магнита L₁ продленных участков имеет место на границе зоны коммутации 4 со сбегающим краем основного сегментовидного участка, расположенного в рабочей полюсной зоне 5 электродвигателя, а максимальная длина L₂ продленных участков на оси геометрической нейтрали машины. При этом величины L₁, L₂ определяются индивидуально для каждой конкретной марки электродвигателя так, чтобы в номинальном режиме 6 происходила полная компенсация магнитной индукции в зоне коммутации 4, вплоть до совпадения физической магнитной нейтрали с геометрической нейтралью машины.Since the magnetic induction induced in the commutation zone 4 by the current of the armature 1 has a maximum value on the axis of geometric neutral, and a minimum value on the border of the commutation zone 4 with the run-down edge of the main segment-shaped portion of the magnet 3 located in the working pole zone 5 of the electric motor, for a more complete compensation of magnetic induction in the neutral zone 4, the optimal shape of the inner surface of the sections of the runaway edges of the poles 3 extended into the switching zone is the shape formed by a curve or a broken line so that the minimum length of the magnet L _{1 of the} extended sections takes place at the boundary of the switching zone 4 with the run-down edge of the main segment-shaped section located in the working pole zone 5 of the electric motor, and the maximum length L _{2 of the} extended sections on the axis of the geometric neutral of the machine. Moreover, the values of L ₁ , L _{2 are} determined individually for each particular brand of electric motor so that in nominal mode 6 there is a complete compensation of magnetic induction in the switching zone 4, up to the coincidence of the physical magnetic neutral with the geometric neutral of the machine.

Электродвигатель работает следующим образом. The electric motor operates as follows.

При протекании электрического тока по обмотке якоря 1 в нейтральной зоне 4 наводится магнитная индукция, действие которой компенсируется магнитным полем продленных участков сбегающих краев сегментовидных магнитных полюсов 3, причем в номинальном режиме 6 работы электродвигателя осуществляется полная компенсация магнитной индукции в нейтральной зоне 4, обеспечивающая совпадение физической магнитной нейтрали с геометрической нейтралью машины. В этом случае при нагрузках ниже номинальной 6, включая режим холостого хода 7, смещение физической нейтрали происходит в направлении вращения якоря 1, а при нагрузках выше номинальной 6, включая пусковой режим 8, физическая нейтраль смещается против направления вращения якоря 1. When electric current flows through the winding of the armature 1 in the neutral zone 4, magnetic induction is induced, the action of which is compensated by the magnetic field of the extended sections of the runaway edges of the segment-shaped magnetic poles 3, and in the nominal mode 6 of the electric motor, the magnetic induction is completely compensated in the neutral zone 4, ensuring the physical magnetic neutral with geometric neutral of the machine. In this case, at loads below nominal 6, including idling 7, the physical neutral is displaced in the direction of rotation of the armature 1, and at loads above nominal 6, including starting mode 8, the physical neutral is shifted against the direction of rotation of the armature 1.

Таким образом, использование предлагаемой конструкции обеспечивает повышение надежности электродвигателя с возбуждением от ферритовых магнитов посредством увеличения ресурса работы щелочно-коллекторного узла за счет улучшения процесса коммутации в номинальном режиме. Thus, the use of the proposed design provides increased reliability of the electric motor with excitation from ferrite magnets by increasing the service life of the alkaline collector assembly by improving the switching process in nominal mode.

Claims

1. Двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов преимущественно для приводов вспомогательного оборудования автомобилей и тракторов, содержащий якорь с обмоткой и коллектором, цилиндрический магнитопроводящий корпус и ферритовые сегментовидные магнитные полюса, отличающийся тем, что сбегающие края сегментовидных полюсов продлены в зону коммутации и пересекают геометрическую нейтраль электродвигателя, причем продленные участки полюсов имеют меньшую длину магнита, чем основные сегментовидные участки, расположенные в полюсной зоне электродвигателя, при этом форма внешней поверхности продленных в зону коммутации участков сбегающих краев полюсов образована продолжением дуги окружности, образующей внешнюю поверхность основных рабочих сегментовидных участков полюсов. 1. A DC motor with excitation from permanent magnets mainly for drives of auxiliary equipment of cars and tractors, containing an armature with a winding and a collector, a cylindrical magnetically conductive body and ferrite segmented magnetic poles, characterized in that the runaway edges of the segmented poles are extended into the commutation zone and intersect the geometric neutral motor, and the extended sections of the poles have a shorter magnet length than the main segment-shaped sections located in the pole zone of the electric motor, while the shape of the outer surface of the sections of the runaway edges of the poles extended into the switching zone is formed by the continuation of the circular arc forming the outer surface of the main working segment segments of the poles.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что форма внутренней поверхности продленных в зону коммутации участков сбегающих краев полюсов образована кривой линией так, что минимальная длина магнита продленных участков имеет место на границе зоны коммутации со сбегающим краем основного сегментовидного участка полюса, а максимальная длина магнита продленных участков на оси геометрической нейтрали электродвигателя. 2. The engine according to claim 1, characterized in that the shape of the inner surface of the sections of the runaway edges of the poles extended into the switching zone is formed by a curved line so that the minimum length of the magnet of the extended sections takes place at the border of the switching zone with the runaway edge of the main segment-shaped pole section, and the maximum the magnet length of the extended sections on the axis of the geometric neutral axis of the electric motor.

3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что форма внутренней поверхности продленных в зону коммутации участков сбегающих краев полюсов образована ломаной линией. 3. The engine according to claim 2, characterized in that the shape of the inner surface of the portions of the runaway edges of the poles extended into the commutation zone is formed by a broken line.