Электромагнитный двигатель

вин лектромагнитный двигател аявлено 6 ноября 1946 года в Министе за1624 Опубликовано 30етво электропро349312) ября 1947 года 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 синусоидальныхи: - ; енений механического усилия э ектродвигателя (вибратора) за пер,: од изменения силы тока;12) уравновешенности переменныхэлектродвижущих 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 достигаются, 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 прсчее, а также создает затрудненияв распределении нагрузок трех параллельно работающих обмоток переменного тока электромагнитногодвигателя.В то же время при наличии лищьодной обмотки .переменного тока наобобщенной части (общий якорь илпобщий сердечник) и отсутствии двухдругих параллельных обмоток переменного тока, расположенных на отдельных сердечниках каждого изэлектромагнитов, система не даеттребуемых качеств,Согласно изобретению, в электромагнитном двигателе указанноготипа устранение этих затрудненийи достижение упомянутых выше условий обеспечиваются применениемкомпенсационных обмоток, расположенных в непосредственной близости от обмоток постоянного токаи короткозамкнутых одна на другуюили соединенных между собою через ем костное сопротивление конденсаторов,Отличительная особенность изобретения заключается также в том,что в качестве компенсационных обмоток используются обмотки постоянного тока.На фиг. 1 схематично изображенэлектромагнитный двигатель (вибратор), выполненный, согласно изобретению, с магнитной системой, имеющей общий для обоих электромагнитов якорь, а на фиг. 2 - электромагнитный двигатель с магнитнойсистемой, имеющей общий для обоих электромагнитов средний сердечник.На фиг. 1 цифрами 1 и 2 обозначены отдельные в магнитном отношении сердечники, механическижестко связанные один с другим,тогда как на фиг. 2 цифрами 1 и 2обозначены якоря, которые такжемеханически жестко связаны одинс другим и обособлены в магнитномотношении,На фиг. 1 и 2 цифры 3 обозначают общую для обоих электромагнитов часть (общий якорь или общий сердечник); 4 - 5 и б - 7, - об,мотки постоянного тока, расположенные на крайних сердечникахэлектромагнитов и включенные14 б встречно относительно одна другой;8 в 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 обмотки 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 прираще М б 9780ниями, подчиняющимися синусоидальному закону,Очевидно, что при включенных насоответственные напряжения переменного и постоянного тока обмотках и при неподвижном электродвигателе (вибраторе) вследствие ра.венства зазоров и симметрии обеихполовин магнитной системы постоянные магнитные потоки в обеих половинах будут оставаться неизмен.ными, а переменный магнитный поток обобщенной части (общий якорьили общий сердечник) распределитсяпо обеим половинам поровну и притом будет иметь синусоидальнуюформу, что отвечает поставленномуусловию.Однако у работающего электродвигателя (вибратора) вследствиеполучающейся асимметрии нужнаязакономерность распределения постоянных и переменных магнитныхпотоков по обеим половинам магнитной цепи нарушается, так что этопоставленное условие не будетсоблюдаться,Вследствие несоответствующегораспределения магнитных потоковв обеих половинах электродвигателя(вибратора) возникает неравенствопеременных электр одвижущих силкак в обмотках постоянного тока,так и в компенсационных обмотках.Поэтому на концах обмоток постоянного тока, а также на концахкомпенсационных обмоток (еслицепь компенсационных обмоток разомкнута) возникнут переменные.электродвижущие силы, равныеразности электродвижущих сил,возникающих в отдельных обмотках каждого из электромагнитов.Принцип действия предлагаемогоэлектромагнитного двигателя (вибратора) заключается в следующем.Из теории известно, что равнодействующая магнитных потоков,неравномерно распределяющихся пообеим сторонам магнитной цепи,и равнодействующая электродвижущих сил, индуктируемых этими потоками в обмотках постоянного токан в компенсационных обмотках, будет иметь двойную частоту колебаний. Это происходит вследствие наложения одного колебания магнит 10 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 электро- движущих 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 самоиндчкции 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 одйих "Лишькороткозамкнутых 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), обусловливающее14 гсобою синусоидальное изменениемеханического 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 правильноесоотношение между всеми сопротивлениями, входящими в даннуюЦепь, а именно реактивными (емкостными и индуктивными) и активным (омическим), и получался достаточной величины ток, отстающий по фазе от соответствующейему равнодействующей электродвижущей силы на угол, близкий кКомпенсационные обмотки, короткозамкнутые одна на другую илисоединенные через емкостное сопротивление конденсаторов, представляют собою отдельную независимуюсистему для компенсации, примене.ние которой во многих случаяхявляется удобным, так как даетвозможность производить выбор параметров цепи постоянного токавозбуждения электродвигателя.Обмотка же постоянного тока,шунтируемая компенсационнымиконденсаторами, является зависимойсистемой компенсации, связаннойс параметрами цепи постоянноготока возбуждения электродвигателя,что не всегда бывает удобно.Однако совмещение отдельныхкомпенсационных обмоток с обмотками постоянного тока весьма упрощает систему электродвигателя.Сначала рассмотрим один искусственный режим работы электродвигателя при неподвижном (закрепленном) положении его частейс обмотками постоянного и переменного тока, включенными на соответственные напряжения постояниого и переменного тока,Этот режим работы электродвитателя является аналогичным рекиму холостой работы статическоготрансформатора.В этом случае в обобщенной части (общий якорь или общий сер 348 дечдик) электродвигателя, как и втрансформаторе, должен возникнутьпеременный магнитный поток, который будет индуктировать в соответственно расположенной обмотке переменного тока электродвижущуюсилу, обратную электродвижущейсиле сети (для простоты рассуждений пренебрегаем активными и реактивными падениями напряженияв обмотке переменного тока),Как известно, переменная электродвижущая сила сети изменяетсяобычно по синусоидальному закону.Поэтому и переменный магнитныйпоток должен также изменяться посинусоидальному закону.Этот переменный магнитный поток, как и в трансформаторе, будетсовпадать по фазе с образующимего током холостой работы и отставать по фазе на четверть периода,т. е. на угол - , от электродвижущей силы сети, питающей электродвигатель.Если пренебречь особенностьюнамагничивания железа, ток холостой работы электродвигателя можно считать также изменяющимся посинусоидальному закону.Далее, действительный режим работы электродвигателя в его естественном (подвижном) состояниис обмотками постоянного и переменного тока, включенными на соответственные напряжения постоянного и переменного тока, можнотакже вполне уподобить режиму работы статического трансформаторапод нагрузкой,Функция вторичной обмотки, покоторой проходит размагничивающий или намагничивающий ток,в данном случае выполняется самимколебательным движением частейэлектродвигателя, так как ввидуизменения магнитного сопротивления воздушных зазоров в обобщенной части (общий якорь или общийсердечник) создается соответствующий движению магнитный поток,эквивалентный вторичному току обмотки трансформатора.Фаза этого переменного магнитного потока будет совпадать с фазой движения.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 электродвижушей 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 работьг, 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 питающей 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 будетсоблюдено лишь в случае колебанияподвижных частей электродвигателяпо синусоидальному закону, а этопоследнее является результатомизменения по синусоидальному закону его механического усилия, вы правляемого компенсационными обмотками и компенсационными конденсаторами,Теперь рассмотрим другой искусственный режим работы электродвигателя при подвижном состоянии его частей с обмотками постоянного тока, включенными насоответствующее напряжение постоянного тока, и с обмотками переменного тока, отключенными отсети переменного тока и замкнутыми на пассивное сопротивление,эквивалентное сопротивлению сетипеременного тока.В этом случае предполагается,что возвратно-поступательное движение частей электродвигателя(вибратора) воспроизводится независимым механическим усилиемот какого-либо постороннего источника движения,Такой режим работы электродвигателя (вибратора) является аналогичным режиму его работы как генератора возвратно-поступательногодвижения с короткозамкнутой обмоткой переменного тока, так какпассивное 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 магнитодвижуших силах катушек постоянного тока,Этот переменный магнитный поток будет индуктировать в соответственно расположенной обмотке149эквивалентную ему электродвижу.щую силу, а эта последняя будетсоздавать в обмотке ток, величинакоторого будет соответствоватьсопротивлению, на которое замкнута обмотка,При условии возвратно-поступательного движения по синусоидаль.ному закону получим изменения переменного магнитного потока эквивалентной ему электродвижущейсилы и величины тока также по синусоидальному закону,Переменный магнитный поток будет совпадать по фазе с движением, а электродвижущая сила иток в коро ткозамкнутой обмоткебудут отставать, соответственно, науглы - и ч,2Как видно, ток короткого замыкания имеет направление, обратноенаправлению магнитного потока илидвижения, и ослабляет его магнитное действие, т. е. в силу принципаинертности магнитного потока токпротиводействует совершаемому действию,Таким образом ток короткого замыкания будет препятствовать образованию значительного магнитного потока в обобщенной части общий якорь или общий сердечник),а следовательно, способствоватьподдержанию неизменности в обоихэлектромагнитах постоянных магнитных потоков при весьма незначи.тельном магнитном потоке в оообщенной части электродвигателя,Таким образом действителы ыйрежим работы электродвигателяпри движении частей можно охарактеризова ь совокупностью одновременно происходящих явлений,возникающих порознь в двух е ообособленных искусственных состояниях: режиме холостой работыи режиме короткого замыкания.В самом деле, в у.-ловиях действительной рабогы электродвигателя переменный магнитный потокв его обобщенной части (общийякорь или общий сердечник) надосчитать результирчющим (геометрической суммой) магнитных потоковрежима холостой работы и режимакороткого замыкания,150 Однако в силу весьма незначи. тельной 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 посинусоидальному 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 электро- движущих сил), так и для обеспече69780 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),Пред м ет 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,