Электромагнитный двигатель

Электромагнитный двигатель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СССР

"Класс 21(V, 23 № 69780

ОПИСАН ИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Л. П. Левин

Электромагнитный двигатель

Заявлено 6 ноября 1946 года в Мииистеретво электропром за № 1624 (349312) Опубликовано 30 ноября 1947 года

145

Уже предлагались электромагнитные двигатели (вибраторы) синхронного типа с возвратно-поступательным движением подпружиненной подвижной части и с применением

:двух электромагнитов, работающих по двухтактной схеме и снабженных обмотками постоянного тока на отдельных сердечниках и обмоткой переменного тока, расположенной на общей части электромагнитов.

При создании электромагнитных двигателей такого типа возникает необходимость достижения следующих условий:

1) осуществления синусоидальных и: —; енений механического усилия э, .ктродвигателя (вибратора) за пер,:.-од изменения силы тока;

12) уравновешенности переменных электродвижущих сил, индуктируемых в обмотках постоянного тока;

3) осуществления работы электродвигателя (вибратора) с компенсированием отстающих реактивных токов и получения синусоидальных опережающих токов.

В предлагавшихся до сих пор. электромагнитных двигателях указанного типа перечисленные выше условия в полной мере не достигаСвод в. 12. ются, а конструктивное выполнение этих двигателей обладает существенными недостатками.

Так, например, в электромагнитном встряхивающем устройстве с обратным расположением обмоток (т. е. постоянного тока — на общем якоре, а переменного — на отдельных сердечниках каждого из электромагнитов) не обеспечивается достаточно эффективное обратное воздействие на сеть, питающую электромагнитный двигатель (вибратор), ввиду значительного влияния в такой системе магнитного гистерезиса.

С другой стороны, наличие трех обмоток переменного тока, параллельно приключенных к питающей сети и расположенных на разных сердечниках, как это имеет место в других устройствах этого типа, усложняет систему и вызывает затруднения в конструктивном отношении, особенно при высоких напряжениях сети, так как вызывает, например, потребность в тонком проводе для намотки катушек, повышенной изоляции обмоток переменного тока на крайних сердечниках от обмоток постоянного тока и прс№ 69780 чее, а также создает затруднения в распределении нагрузок трех параллельно работающих обмоток переменного тока электромагнитного двигателя.

В то же время при наличии лишь одной обмотки .переменного тока на обобщенной части (общий якорь илп общий сердечник) и отсутствии двух других параллельных обмоток переменного тока, расположенных на отдельных сердечниках каждого из электромагнитов, система не дает требуемых качеств.

Согласно изобретению, в электромагнитном двигателе указанного типа устранение этих затруднений и достижение упомянутых выше условий обеспечиваются применением компенсационных обмоток, расположенных в непосредственной близости от обмоток постоянного тока и короткозамкнутых одна на другую или соединенных между собою через ем костное сопротивление конденсаторов.

Отличительная особенность изобретения заключается также в том, что в качестве компенсационных obмоток используются обмотки постоянного тока.

На фиг. 1 схематично изображен электромагнитный двигатель (вибратор), выполненный, согласно изобретению, с магнитной системой, имеющей общий для обоих электромагнитов якорь, а на фиг. 2 — электромагнитный двигатель с магнитной системой, имеющей общий для обоих электромагнитов средний сердечник.

На фиг. 1 цифрами 1 и 2 обозначены отдельные в магнитном отношении сердечники, механически жестко связанные один с другим, тогда как на фиг. 2 цифрами 1 и 2 обозначены якоря, которые также механически жестко связаны один с другим и обособлены в магнитном отношении.

На фиг. 1 и 2 цифры 8 обозначают общую для обоих электромагнитов часть (общий якорь или общий сердечник); 4 — 5 и б — 7,— об,мотки постоянного тока, расположенные на крайних сердечниках электромагнитов и включенные

14б встречно относительно одна другой;

8 — 9 — обмотка переменного тока, расположенная на обобщенной части электромагнитов; 10 — 11 и 12 — 13— отдельные компенсационные обмотки переменного тока двойной частоты, короткозамкнутые одна на другую или соединенные через емкостное сопротивление конденсатора

14, причем компенсационные обмотки расположены на отдельных сердечниках. в непосредственной близости от обмоток постоянного тока и одинаково с ними направлены; 15 — компенсационные конденсаторы для переменного тока двойной частоты, шунтирующие oGмотки постоянного тока (в случае совмещения компенсационных обмоток с обмотками постоянного тока).

Питание обмоток постоянного тока может осуществляться от независимой сети постоянного тока или же от трансформаторных обмоток, расположенных, как и обмотка переменного тока, на обобщенной части (общий якорь или общий сердечник), через выпрямительную систему и регулировочные реостаты.

Для уменьшения величины возникающих напряжений переменчого. тока на концах обмоток постоянчого тока последние могут быть секционированы.

Якоря и сердечники электромагнитного двигателя связываются между собою через упругую систему пружин-рессор, на чертеже не показанную.

Упругая система пружин-рессор настраивается на собственные частоты, которые выше частоты тока сети, питающей электромагнитный двигатель, в целях компенсирования реактивных (отстающих) токов и получения упреждающих токов.

Упругая система является неотьемлемой частью электромагнитного двигателя (вибратора). Необходимо отметить, что для достижения сформулированных выше условий нужно иметь в каждом из электромагнитов по обеим сторонам обобщенной части (общий якорь или общий сердечник) пульсирующие магнитные потоки с равными по величине и обратными по знаку прираще¹ б9780 ниями, подчиняющимися синусоидальному закону.

Очевидно, что при включенных на соответственные напряжения переменного и постоянного тока обмотках и при неподвижном электродвигателе (вибраторе) вследствие ра.венства зазоров и симметрии обеих половин магнитной системы постоянные магнитные потоки в обеих половинах будут оставаться неизмен.ными, а переменный магнитный поток обобщенной части (общий якорь или общий сердечник) распределится по обеим половинам поровну и притом будет иметь синусоидальную форму, что отвечает поставленному условию.

Однако у работающего электродвигателя (вибратора) вследствие получающейся асимметрии нужная закономерность распределения постоянных и переменных магнитных потоков по обеим половинам магнитной цепи нарушается, так что это поставленное условие не будет соблюдаться.

Вследствие несоответствующего распределения магнитных потоков в обеих половинах электродвигателя (вибратора) возникает неравенство переменных электродвижущих сил как в обмотках постоянного тока, так и в компенсационных обмотках.

Поэтому на концах обмоток постоянного тока, а также на концах компенсационных обмоток (если цепь компенсационных обмоток разомкнута) возникнут переменные .электродвижущие силы, равные разности электродвижущих сил, возникающих в отдельных обмотках каждого из электромагнитов.

Принцип действия предлагаемого электромагнитного двигателя (вибратора) заключается в следующем.

Из теории известно, что равнодействующая магнитных потоков, неравномерно распределяющихся по обеим сторонам магнитной цепи, и равнодействующая электродвижуших сил, индуктируемых этими потоками в обмотках постоянного тока н в компенсационных обмотках, будет иметь двойную частоту колебаний. Это происходит вследствие наложения одного колебания магнит1О* ного потока, отвечающего изменению электродвижущей силы сети, на другое колебание магнитного потока, отвечающего механическому колебанию подвижных частей электродвигателя (вибратора) при одной и той же частоте этих колебаний.

Фаза равнодействующей электродвижущих сил будет отставать относительно фазы равнодействующей магнитных потоков, как обычно, на четверть периода.

При замыкании компенсационных обмоток одна на другую или через емкостное сопротивление компенсационных конденсаторов, или при шунтировании обмоток постоянного тока компенсационными конденсаторами в этих обмотках возникают переменные токи также двойной частоты.

Ввиду значительной самоинд кции компенсационнои обмотки или обмотки постоянного тока при наличии мощной магнитной системы электродвигателя (вибратора), переменный ток двойной частоты в этих обмотках будет отставать по фазе от равнодействующей электродвижущих сил также на четверть периода или, в итоге, отставать на полпериода от равнодействующей магнитных потоков, т. е. будет противоположен по фазе этой равнодействующей.

Таким образом неравенство магнитных потоков, неравномерно распределяющихся в обеих половинах магнитной цепи электродвигателя (вибратора), будет значительно снижено.

Однако посредством о (йих "Лишь короткозамкнутых компенсационных обмоток (без применения компенсационных конденсаторов) неравенство магнитных потоков и электродвижущих сил не может быть снижено больше, чем вдвое.

Путем же совместного использования компенсационных обмоток и компенсационных конденсаторов это неравенство может быть доведено до весьма малой величины, т. е. достигается условие равномерного распределения магнитных потоков по обеим половинам электродвигателя (вибратора), обусловливающее

14 г

Мг 69780 собою синусоидальное изменение механического усилия, воспроизводящего гармоническое колебательное движение. Необходимо отметить, что емкостное сопротивление компенсационных конденсаторов как при отдельных компенсационных обмотках, так и при обмотках постоянного тока должно быть выбрано таким, чтобы было обеспечено правильное соотношение между всеми сопротивлениями, входящими в данную

Цепь, а именно реактивными (емкостными и индуктивными) и активным (омическим), и получался достаточной величины ток, отстающий по фазе от соответствующей ему равнодействующей электродвижущей силы на угол, близкий к

Компенсационные обмотки, короткозамкнутые одна на другую или соединенные через емкостное сопротивление конденсаторов, представляют собою отдельную независимую систему для компенсации, примене.ние которой во многих случаях является удобным, так как дает возможность производить выбор параметров цепи постоянного тока возбуждения электродвигателя.

Обмотка же постоянного тока, шунтируемая компенсационными конденсаторами, является зависимой системой компенсации, связанной с параметрами цепи постоянного тока возбуждения электродвигателя, что не всегда бывает удобно.

Однако совмещение отдельных компенсационных обмоток с обмотками постоянного тока весьма упрощает систему электродвигателя.

Сначала рассмотрим один искусственный режим работы электродвигателя при неподвижном (закрепленном) положении его частей с обмотками постоянного и переменного тока, включенными на соответственные напряжения постояниого и переменного тока, Этот режим работы электродвитателя является аналогичным ре киму холостой работы статического трансформатора.

В этом случае в обобщенной части (общий якорь или общий сер148 дечдик) электродвигателя, как и в трансформаторе, должен возникнуть переменный магнитный поток, который будет индуктировать в соответственно расположенной обмотке переменного тока электродвижущую силу, обратную электродвижущей силе сети (для простоты рассуждений пренебрегаем активными и реактивными падениями напряжения в обмотке переменного тока).

Как известно, переменная электродвижущая сила сети изменяется обычно по синусоидальному закону.

Поэтому и переменный магнитный поток должен также изменяться по синусоидальному закону.

Этот переменный магнитный поток, как и в трансформаторе, будет совпадать по фазе с образующим его током холостой работы и отставать по фазе на четверть периода, т. е. на угол —, от электродвижущей силы сети, питающей электродвигатель.

Если пренебречь особенностью намагничивания железа, ток холостой работы электродвигателя можно считать также изменяющимся по синусоидальному закону.

Далее, действительный режим работы электродвигателя в его естественном (подвижном) состоянии с обмотками постоянного и переменного тока, включенными на соответственные напряжения постоянного и переменного тока, можно также вполне уподобить режиму работы статического трансформатора под нагрузкой.

Функция вторичной обмотки, по которой проходит размагничивающий или намагничивающий ток, в данном случае выполняется самим колебательным движением частей электродвигателя, так как ввиду изменения магнитного сопротивления воздушных зазоров в обобщенной части (общий якорь или общий сердечник) создается соответствующий движению магнитный поток, эквивалентный вторичному току обмотки трансформатора.

Фаза этого переменного магнитного потока будет совпадать с фазой движения. № 69780

В отличие от режима холостой работы в электродвигателе под нагрузкой, как и в трансформаторе под нагрузкой, ввиду нарушения механическим движением электрического равновесия в обмотке переменного тока обобщенной части (общий якорь или общий сердечник) должен возникнуть такой величины и фазы электрический ток, чтобы создаваемый им магнитный поток совместно с магнитным потоком, образованным в результате механического движения, восстановил прежнее положение равновесия, отвечающее синусоидальной электродвижущей силе сети, питающей электродвигатель.

Таким образом в силу закона электродинамического равновесия переменный магнитный поток в обобщенной части (общий якорь или общий сердечник) электродвигателя, при его действительном режиме работы, т. е. в подвижном и нагруженном состоянии, остается таким же, как и при режиме холостой работы, т. е. как и в случае его неподвижного состояния.

Иными словами, магнитный поток в обобщенной части (общий якорь или общий сердечник) электродвигателя сохраняет неизменными величину своей амплитуды, фазу и синусоидальную форму как в неподвижном положении, так и при подвижном состоянии частей электродвигателя.

Между тем рабочий ток электродвигателя значительно изменяется по своей величине, а также меняет и свою фазу, так как он должен отвечать, с одной стороны, электродвижущей силе питаю1цей сети в отношении образования главного магнитного потока, индуктирующего обратную электродвижущую силу, а с другой стороны— колебательному движению в отношении полной нейтрализации побочного магнитного потока, образованного колебательным движением подвижных частей электродвигателя.

Что же касается изменения формы рабочего тока электродвигателя по синусоидальному закону, то (если пренебречь особенностью намагничивания железа) это условие будет соблюдено лишь в случае колебания подвижных частей электродвигателя по синусоидальному закону, а это последнее является результатом изменения по синусоидальному закону его механического усилия, выправляемого компенсационными обмотками и компенсационными конденсаторами.

Теперь рассмотрим другой искусственный режим работы электродвигателя при подвижном состоянии его частей с обмотками постоянного тока, включенными на соответствующее напряжение постоянного тока, и с обмотками переменного тока, отключенными от сети переменного тока и замкнутыми на пассивное сопротивление, эквивалентное сопротивлению сети переменного тока.

В этом случае предполагается, что возвратно-поступательное движение частей электродвигателя (вибратора) воспроизводится независимым механическим усилием от какого-либо постороннего источника движения.

Такой режим работы электродвигателя (вибратора) является аналогичным режиму его работы как генератора возвратно-поступ ательног о движения с короткозамкнутой об. моткой переменного тока, так как пассивное сопротивление, эквивалентное сети переменного тока, является весьма малым.

В таком электродвигателе (вибраторе), обращенном в генератор с закороченной обмоткой переменного тока, получим следующую закономерность явлений.

В результате возвратно-поступательного движения частей электродвигателя в обобщенной его части (общий якорь или общий сердечник) возникает переменный магнитный поток вследствие, изменения магнитного сопротивления (из-за изменения воздушных зазоров) в соответствующих магнитных цепях при постоянных магнитодвижущих силах катушек постоянного тока.

Этот переменный магнитный поток будет индуктировать в соответственно расположенной обмотке

l49 № 69780 эквивалентную ему электродвижущую силу, а эта последняя будет создавать в обмотке ток, величина которого будет соответствовать сопротивлению, на которое замкнута обмотка.

При условии возвратно-поступательного движения по синусоидаль ному закону получим изменения переменного магнитного потока эквивалентной ему электродвижущей силы и величины тока также по синусоидальному закону.

Переменный магнитный поток будет совпадать по фазе с движением, а электродвижущая сила и ток в коро ткозамкнутой обмотке будут отставать, соответственно, на

Л углы — и ч.

Как видно, ток короткого замыкания имеет направление, обратное направлению магнитного потока или движения, и ослабляет его магнитное действие, т. е. в силу принципа инертности магнитного потока ток противодействует совершаемому действию.

Таким образом ток короткого замыкания будет препятствовать образованию значительного ма IlHTHoro потока в обобщенной части (общий якорь или общий сердечник), а следовательно, способствовать поддержанию неизменности в обоих электромагнитах постоянных магнитных потоков при весьма незначительном магнитном потоке в оообщенной части электродвигателя.

Таким образом действителы ый режим работы электродвигателя при движении частей можно охарактеризова ь совокупностью одновременно происходящих явлений, возникающих порознь в двух е;о обособленных искусственных состояниях: режиме холостой работы и режиме короткого замыкания.

В самом деле, в у.-ловиях действительной рабогы электродвигателя переменный магнитный поток в его обобщенной асти (общий якорь или общий сердечник) надо считать результирчющим (геометрической суммой) магнитных потоков режима холостой работы и режима короткого замыкания.

150

Однако в силу весьма незначительной величины магнитного потока короткого замыкания переменный магнитный поток можно считать неизменным, т. е. таким же по его амплитуде, как и при режиме холостой работы электродвигателя, что соответствует вышеизложенному характеру его действительной работы, Этот переменный магнитный поток, как уже указывалось, является обычно синусоидальным, так как соответствует синусоидальному напряжению сети, питающей электродвигатель.

Вместе с тем действительный ток обмотки переменного тока надо считать результирующим током— геометрической суммой токов режима холостой работы и режима короткого замыкания.

Однако в противоположность магнитному потоку ток короткого замыкания является весьма значительным.

Получающиеся результаты сложения токов также соответствуют вышеизложенному характеру действительной работы электродвигателя.

Как уже упоминалось, изменение по синусоидальному закону механического усилия электродвигателя (вибратора), а также изменение по синусоидальному закону колебания его частей, обусловленное компенсационными обмотками и компенсационными конденсаторами, влечет за собой изменение соответствующей составляющей тока также по синусоидальному закону, а это обстоятельство обусловливает собою изменение по синусоидальному закону и результирующих токов.

Из всего изложенного видно, какое значение имеет относительное гармоническое колебательное движение частей электродвигателя (вибратора), поддерживаемое токами в компенсационных обмотках и в компенсационных конденсаторах для обеспечения как нормального режима работы со стороны питания постоянным током обмоток возбуждения (в отношении уравновешивания трансформированных электродвижущих сил), так и для обеспече¹ 69780, Фиг. 1 ния нормального режима работы сети переменного тока, питающей главные обмотки (в отношении компенсации отстающих реактивных токов и получения синусоид альных активных и реактивных опережающих токов).

Предмет изобретения

1. Электромагнитный двигатель синхронного типа с возвратно-поступательным движением подвешенной на пружинах-рессорах подвижной части и с применением двух электромагнитов, работающих по двухтактной схеме и снабженных обмотками постоянного тока на

-отдельных сердечниках и обмоткой переменного тока, расположенной на общей части, отличающийс я применением компенсационных обмоток, расположенных в непосредственной близости от обмоток постоянного тока и короткозамкнутых одна на другую, с целью осуществления изменений механического усилия в течение рабочего цикла по синусоиде уравновешивания переменных электродвижущих сил, индуктируемых в обмотках постоянного тока, и получения опережающих синусоидальных токов.

2. Устройство по п. 1, о т л ичаю шее с я тем, что в цепь компенсационных обмоток включены конденсаторы.

3. В устройстве по п. 1 использование обмоток постоянного тока в качестве компенсационных обмоток.