Устройство охлаждения щеточно-коллекторного узла электрической машины

Полезная модель относится к электромашиностроению, а именно к устройствам охлаждения щеточно-коллекторного узла электрических машин.
В настоящее время хорошо известны и широко применяются устройства воздушного охлаждения щеточно-коллекторного узла, в которых охлаждающий воздух подается к щеточно-коллекторному узлу (ЩКУ) под действием разрежения, создаваемого вентилятором, расположенным на валу двигателя. Охлаждающий воздух засасывается прямо из помещения, например машинного зала, в котором установлена электрическая машина.
Известно устройство для охлаждения коллекторов электрических машин (SU 39862, опубл. 30.11.1934), в котором с целью направления охлаждающего воздуха нормально к поверхности коллектора по всей его длине, последний окружен кожухом, снабженным отверстиями для входа воздуха, расположенным наклонно относительно поверхности коллектора, отделенным от поверхности коллектора с одной стороны воздушной щелью постепенно увеличивающегося сечения, с другой стороны примыкающим к лопаткам вентилятора, укрепленного на коллекторе.
Достоинством этого устройства является нормально ориентированный скоростной поток воздуха от вентилятора, направленный на поверхность ламелей, охлаждающий ламели и щетки, и тем самым предотвращающий износ щеток и увеличивая ресурс щеточно-коллекторного узла.
Известно устройство для обдува коллектора электрических машин (SU 108726, опубл. 01.01.1957), в котором вентиляционная система создана путем использования напора воздуха, создаваемого вращающимися петушками коллектора. Петушки окружены кольцевым козырьком с криволинейной закраиной, отклоняющим поступающий от петушков воздух в аксиальном направлении, а перед петушками установлены два неподвижных кольцевых диска, направляющие аксиальный поток воздуха в радиальных направлениях к поверхности коллектора.
Общим недостатком этих систем охлаждения является необходимость в больших объемах потока охлаждающего воздуха.
Известен самоохлаждающийся коллектор (патент US 994480, опубл. 1911.06.06), состоящий из нескольких секций, в которых ламели имеют поперечно расположенные к их продольной оси чередующиеся канавки и выступы на своей поверхности, причем границы канавок ламелей одной секции совпадают с границами выступов соседних ламелей другой секции, и соответственно границы выступов ламелей первой секции совпадают с границами канавок второй секции, при этом упомянутые канавки и выступы имеют одинаковые размеры в поперечном сечении. В самой секции границы канавок на поверхности ламелей совпадают с границами канавок соседних ламелей, образуя поперечный к плоскости ламелей канал.
Достоинством конструкции коллектора этого устройства являются скоростные потоки воздуха, создаваемые при вращении коллектора электрической машины особым образом чередующимися канавками, которые и охлаждают ЩКУ.
Общим существенным признаком с заявляемым устройством является наличие вентиляционных каналов на коллекторе.
Недостатком конструкции коллектора этого устройства является не оптимальная конфигурация вентиляционных каналов на поверхности коллектора, в связи с чем, процесс охлаждения ЩКУ не интенсифицирован.
В качестве прототипа выбрана конструкция самоохлаждающегося коллектора (патент US №2837671, опубл. 1956.02.16, МПК H02K 9/28), ламели которого имеют множество поперечно расположенных чередующихся канавок и выступов на своей поверхности, при этом края канавок ламелей совпадают с краями канавок соседних ламелей, образуя поперечный к продольной оси ламелей вентиляционный канал, а края выступов ламелей совпадают с краями выступов соседних ламелей, при этом упомянутые канавки и выступы имеют одинаковые размеры в поперечном сечении.
Достоинством прототипа является самоохлаждение коллектора во время работы электрической машины, при этом воздух циркулирует в канавках в направлении поперечном оси вращения коллектора вокруг всех выступов с рассеиванием тепла.
Недостатком прототипа является не оптимальная конструкция канавок и вследствие этого низкая скорость образуемого воздушного потока, не достаточно высокая скорость рассеивания тепла на коллекторе и щетках.
Общим существенным признаком заявляемого устройства с прототипом является наличие на поверхности коллектора сквозных вентиляционных каналов, образованных канавками на ламелях.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, заключается в расширении арсенала средств охлаждения щеточно-коллекторного узла электрической машины при одновременном повышении его эксплуатационной надежности вследствие более интенсивного охлаждения.
Указанный технический результат достигается тем что, в устройстве охлаждения щеточно-коллекторного узла электрической машины, состоящем из сквозных вентиляционных каналов на поверхности коллектора, образованных канавками на его ламелях, вентиляционные каналы образованы канавками, выполненными в виде сопла Лаваля, обладающего возможностью разгонять проходящий по нему воздушный поток до сверхзвуковых скоростей.
Целесообразно в устройстве охлаждения щеточно-коллекторного узла электрической машины вентиляционные каналы, образованные канавками на поверхности ламелей, выполненными в виде сопла Лаваля, ориентировать вдоль вектора окружной скорости коллектора.
Оптимально в устройстве охлаждения щеточно-коллекторного узла электрической машины канавки в виде сопла Лаваля на ламелях коллектора выполнить с днищем плоской формы.
Рекомендуется в устройстве охлаждения щеточно-коллекторного узла электрической машины канавки в виде сопла Лаваля на ламелях коллектора выполнить с днищем полукруглой формы.
Целесообразно в устройстве охлаждения щеточно-коллекторного узла электрической машины, вентиляционные каналы, образованные канавками на поверхности ламелей, выполненными в виде сопла Лаваля, ориентировать нормально к вектору окружной скорости коллектора.
С точки зрения термической нагрузки наиболее "слабыми" местами в электродвигателе постоянного тока являются щетки и коллектор, на которые приходится преобладающая часть выделяющейся в электродвигателе тепловой энергии. Электропитание на обмотку ротора подается через щетки (скользящие контакты) коллектора. При этом контактные поверхности щеток непосредственно контактируют с обмоткой ротора и при его вращении скользят по его обмотке, тогда как коллектор непрерывно изменяет полярность обмотки ротора. Щетки выполнены из обладающего хорошей электропроводностью материала и истираются в процессе своей работы. В результате трения контактные поверхности щеток и коллектора, прежде всего при высокой частоте вращения, разогреваются до температур порядка 100-180°С.
Предлагаемая полезная модель реализует выполнение вентиляционных каналов вдоль, либо поперек вектора окружной скорости коллектора из канавок в виде сопел Лаваля, обладающих возможностью разгонять проходящий по нему воздушный поток до сверхзвуковых скоростей и обеспечивает целенаправленную и равномерную вентиляцию контактных поверхностей ламелей, а также охлаждение щеток, сверхскоростными потоками уносящего тепло воздуха. Сопло Лаваля предназначено для увеличения скорости истечения воздуха при одновременном существенном снижении температуры воздуха, выходящего из расширяющейся части сопла. Тем самым, в результате, обеспечивается высокоэффективное охлаждение щеточно-коллекторного узла.
При быстром расширении воздуха в сопле Лаваля его температура резко понижается за счет уменьшения внутренней энергии воздуха.
При истечении воздуха из сопла Лаваля процесс расширения является адиабатным, т.е. протекающим мгновенно и без подвода и отвода теплоты.
х
Температура воздуха Т (К), вытекающего из сопла Лаваля, определяется по формуле:
<mrow><msub><mi>T</mi><mi>х</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>k</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mfrac><mrow><mi>k</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mi>k</mi></mfrac></mrow></msup><mo>,</mo><mtext>                          (1)</mtext></mrow>
1
1
где T, P - температура и давление воздуха на входе сопла Лаваля;
х
2
Т P - температура и давление воздуха на выходе из сопла Лаваля;
k - показатель адиабаты расширения воздуха.
2
х
Пусть температура ЩКУ в процессе работы достигла 150°С (423 К). При изменении давления на выходе сопла примерно в два раза, т.е приняв P\P1=2, k=1,40 и подставляя принимаемые значения величин в формулу 1, получим для температуры на выходе сопла Лаваля Т расчетное значение 85,63°С.
Краткое описание графических материалов.
На Фиг. 1 представлено изометрическое изображение ламели с поперечными канавками.
На Фиг. 2 представлен вид сверху на коллектор, состоящий из ламелей с Фиг. 1.
На Фиг. 3 показан выносной элемент А с Фиг. 2.
На Фиг. 4 показано изометрическое изображение ламели с продольными канавками.
На Фиг. 5 показано изометрическое изображение коллектора, состоящего из ламелей, показанных на Фиг. 1.
На Фиг. 6 приведено изометрическое изображение коллектора, состоящего из ламелей, показанных на Фиг. 4.
Устройство для охлаждения щеточно-коллекторного узла электрической машины содержит ламели 1 с поперечными канавками 2 (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3). Электроизолирующие миканитовые прокладки 3 коллектора (Фиг. 5) расположены между ламелями 1. Канавки 2 выполнены в виде сопел Лаваля (Фиг. 1, Фиг. 3), представляющих собой сочленение сужающейся 4, цилиндрической 5 и расширяющейся 6 частей (Фиг. 3). Концентрично расположенные канавки 2 на коллекторе образуют вентиляционный канал, ориентированный вдоль вектора окружной скорости коллектора (Фиг. 3).
Щеточно-коллекторный узел (Фиг. 6) содержит ламели 7 с продольными канавками 8 (Фиг. 4) на их боковых гранях и электроизолирующие миканитовые прокладки 3 между ламелями. Продольные канавки 8 выполнены путем фрезеровки продольных боковых граней ламелей 7 и образуют нормально расположенные к вектору окружной скорости коллектора вентиляционные каналы на коллекторе. Вентиляционные каналы, выполненные в виде сопел Лаваля, представляют собой сочленение сужающейся, цилиндрической и расширяющейся частей.
Устройство работает следующим образом.
При вращении коллектора работающей электрической машины воздух проходит по вентиляционным каналам из канавок в виде сопла Лаваля. В процессе адиабатного расширения воздуха, проходящего по канавке 2 ламели 1 из области 4 через область с малым размером поперечного сечения 5 в область 6, скорость воздуха резко возрастает, а температура воздуха резко понижается за счет уменьшения внутренней энергии воздуха. При механическом трении щеток ЩКУ о ламели 1 происходит разогрев их поверхностей, температура которых снижается высокоскоростным потоком охлажденного воздуха, выходящего из области 6 канавки одной ламели и поступающего в область 4 канавки последующей ламели. В процессе работы электрической машины за счет циркуляции воздуха в вентиляционных каналах ламели и щетки интенсивно охлаждаются, не нагреваясь до максимально допустимых температурных значений. При расположении сопла Лаваля нормально к вектору окружной скорости интенсивное охлаждение коллектора происходит за счет движения воздуха с большой скоростью по длинному каналу в форме сопла Лаваля, образованному стенками ламелей и миканитовых прокладок.
Пример практического исполнения.
У серийных шлифовальных машин МШУ-2,2-230 в процессе работы наблюдается повышенный нагрев щеток и коллектора. Эксперимент показал, что в отдельных случаях, при высокой нагрузке, температура на поверхности щеток ЩКУ может достигать 200°С. При этом температура допустимого, не вызывающего необратимых разрушений, кратковременного нагрева согласно данным производителя не должна превышать 180°С. Температура допустимого нагрева щеток в этом случае определяется допустимой температурой нагрева связующего материала. Превышение допустимых температур приводит к выгоранию связующего и, как следствие, катастрофическому износу щеток. В эксперименте использовалась шлифовальная машина угловая МШУ-2,2-230 с модернизированным щеткодержателем, который обеспечивает смещение щеток по направлению вращения относительно штатного состояния на расстояние 5 мм (по коллектору), а также возможность применения смазывающей щетки, выполненной на основе дисульфида молибдена, расположенной на набегающем крае. В эксперименте использовались три серийных якоря: на одном коллекторе нарезались поперечные канавки на ламелях, на другом продольные, а третий был принят в качестве эталона (контрольного образца). В результате проведенных экспериментов, результаты которых сведены в Таблицу 1, было установлено наличие положительного эффекта от канавок виде сопла Лаваля. Температура коллектора при выполнении поперечных канавок на ламелях в виде сопла Лаваля снизилась, как видно из таблицы на величину порядка 30°С, что составило примерно 20%. Во втором варианте расположения продольных канавок в виде сопла Лаваля, нормальных к вектору окружной скорости, максимальное снижение температуры достигало 50°С и составило 33%.
Таким образом, благодаря циркуляции потоков охлаждающего воздуха в каналах ламелей в виде сопла Лаваля было обеспечено высокоэффективное охлаждение щеточно-коллекторного узла. Заявляемое устройство существенно расширило арсенал средств охлаждения щеточно-коллекторного узла электрической машины при одновременном повышении его эксплуатационной надежности электрической машины вследствие более интенсивного охлаждения.