ЩЕТОЧНО-КОЛЛЕКТОРНЫЙ УЗЕЛ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Полезная модель относится к электромашиностроению и может быть использовано при производстве коллекторных электрических машин, к которым предъявляются повышенные требования к электромагнитной совместимости при эксплуатации.
2
Известна коллекторная электрическая машина с повышенной электромагнитной совместимостью (патент №2126573 РФ, опубл. в Б.И., №5, 1999), содержащая вал, на котором размещен коллектор с укрепленными в его пластмассовом корпусе ламелями и установленными между ними посредством изоляционных прокладок, выполненных из материала с высокой диэлектрической проницаемостью, металлическими пластинами и снабженная двумя металлическими дисками, установленными на валу машины с торцов пластмассового корпуса коллектора. Металлические пластины выполнены с участками, выступающими за пределы торцов пластмассового корпуса и соединены с металлическими дисками сваркой или пайкой. На верхние части щеток, выступающие из колодцев щеткодержателей, которые выполнены из ферромагнитного металла, надеты экраны из ферромагнитного металла. На, каждом щеткодержателе со стороны, обращенной к торцевой части коллектора, свободной от выводов якорной обмотки, установлен дополнительный щеткодержатель из электроизоляционного материала, в котором установлена дополнительная щетка, контактирующая своей рабочей поверхностью с металлическим диском, расположенным с торцевой стороны коллектора, свободной от выводов якорной обмотки. Каждая дополнительная щетка электрически соединена через конденсатор с соответствующим металлическим ферромагнитным щеткодержателем и металлическим ферромагнитным экраном, а конденсатор неподвижно закреплен на дополнительном щеткодержателе. При этом ферромагнитный колодец щеткодержателя в своей нижней части с набегающей и сбегающей стороны по всей ширине щеток выполнен с крылообразными экранами и повторяет геометрию коллектора. Концевые части крылообразных экранов расположены ниже уровня касательной линии, проведенной к точкам набегания и сбегания щеток, а внутренняя поверхность крылообразных экранов является частью поверхности параболоида с кривизной параболического вида y=2px, по всей ширине щетки, где ось параболы лежит на касательной линии, причем фокус параболы находится на оси на расстоянии p/2 от вершины параболы, когда вершина параболы расположена на расстоянии p от точек набегания и сбегания щеток, а щеткодержатель со стороны обращенной к петушкам коллектора по всей ширине щеткодержателя имеет полый прилив, который расположен над петушками коллектора и повторяет геометрию коллектора с минимальным воздушным зазором. Внутренняя поверхность полого прилива также выполнена с кривизной параболического вида, где ось параболы, в плоскости сечения вдоль оси машины, расположена выше нижней грани полого прилива на удвоенную величину воздушного зазора между полыми приливами и цилиндрической поверхностью петушков.
Хотя, в данной конструкции коллекторной электрической машины, при работе коммутирующего скользящего контакта, возникаемое при высокой частоте паразитное электромагнитное поле радиопомех локализуется внутри полости крылообразных экранов щеткодержателя с набегающей и сбегающей стороны щетки, однако, из-за попадания под щетку продуктов износа нарушается стабильность работы скользящего контакта, чем обусловливаются повышенные уровни напряжений радиопомех на входных или выходных зажимах машины в зависимости от режима ее работы.
Известен щеточной узел коллекторной электрической машины (свид-во на ПМ №8531 РФ, опубл. 16.11.98. Бюл. ПМ №11), выбранный в качестве прототипа, содержащий щеткодержатель с гнездом для размещения щетки и щетку, в нижней части по всей ширине щеткодержателя со стороны набегающего и сбегающего краев щетки выполнены полые крылообразные приливы, в верхней части которых имеется щель по ширине щетки, а между щеткой и полыми приливами со стороны набегающего и сбегающего краев щетки расположены перегородки, при этом над каждой щелью установлен на поворотной оси козырек, носовая часть которого отогнута вверх и между полыми приливами через щетку и перегородки выполнен связующий канал, образованный за счет того, что в щетке между полыми приливами выполнены сквозные отверстия, центры которых поочередно смещены вправо и влево от вертикальной оси щетки на расстояния равные радиусу сквозных отверстий, а в перегородках у набегающего и сбегающего краев щетки на одном уровне выполнены овальные отверстия, которые по мере износа щетки по высоте будут совмещены со сквозными отверстиями в щетке для обеспечения постоянного поперечного сечения связующего канала.
В данной конструкции, за счет аэродинамического эффекта со стороны набегающего края щетки, происходит отсасывание продуктов износа из полости прилива через щелевидное отверстие, расположенное в верхней части прилива, которые подхватываются общим вентиляционным воздушным потоком и выбрасываются из машины. Причем козырек, расположенный со стороны набегающего края щетки, подпираемый основным отсеченным потоком воздуха над приливом удерживается в вертикальном открытом положении, а козырек со стороны сбегающего края щетки плотно прикрывает свою щель в верхней части прилива. Это позволяет обеспечивать хорошую стабильность работы скользящего коммутируемого контакта независимо от направления вращения машины.
Однако, во-первых, в открытую щель над приливом свободно проникают высокочастотные электромагнитные поля радиопомех, характерной особенностью которых является их прямолинейное распространение, и наводят паразитные ЭДС в лобовых частях якорной обмотки, соединительных проводах и щеточных канатиках, что вызывает повышенные уровни напряжений радиопомех на зажимах машины. Во-вторых, щелевидное отверстие в экране существенно снижает эффективность его экранирования, которое определяется свободным замыканием вихревых токов в экране, а узкий продольный проем препятствует этим замыканиям вихревых токов.
Задачей полезной модели является сохранение высокой стабильности работы силового скользящего контакта электрической машины и повышение эффективности экранирования паразитных электромагнитных полей радиопомех от скользящего контакта при коммутации.
Поставленная задача решена за счет того, что в щеточно-коллекторном узле электрической машины, так же, как в прототипе, содержащем щеткодержатель с гнездом для размещения щетки и щетку, в нижней части по всей ширине щеткодержателя со стороны набегающего и сбегающего краев щетки выполнены полые крылообразные приливы, а между щеткой и полыми приливами со стороны набегающего и сбегающего краев щетки расположены перегородки, при этом над каждым узким продольным проемом установлен на поворотной оси козырек, носовая часть которого отогнута вверх и между полыми приливами через щетку и перегородки выполнен связующий канал, образованный за счет того, что в щетке между полыми приливами выполнены сквозные отверстия, центры которых поочередно смещены вправо и влево от вертикальной оси щетки на расстояния, равные радиусу сквозных отверстий, а в перегородках у набегающего и сбегающего краев щетки на одном уровне выполнены овальные отверстия, которые по мере износа щетки по высоте будут совмещены со сквозными отверстиями в щетке.
Согласно полезной модели в верхней части крылообразных приливов по ширине щетки выполнены отверстия диаметром от 2 до 4 мм, сгруппированные в ряды матричного типа с шагом от центров отверстий поочередно со смещением вправо и влево на величину удвоенного диаметра отверстий.
Поверхность щеткодержателя вместе с полыми крылообразными приливами, обращенная к коллектору, по своей геометрии соответствует геометрии коллектора. Расстояние между щеткодержателем вместе с приливами, а также с перегородками как со стороны набегающего, так и со стороны сбегающего краев щетки, относительно цилиндрической поверхности коллектора должно быть минимальным, но достаточным для обеспечения надежной механической работы электрической машины. Выполнение этого требования необходимо для того, чтобы обеспечить протекание большего количества воздуха вместе с захваченными продуктами износа щеток и коллектора поверх прилива. Тогда меньшая часть объема воздушного потока с минимальным количеством продуктов износа попадет в полость прилива щеткодержателя со стороны набегающего края щетки.
Также выполнение минимального воздушного зазора и расположение носовой части крылообразных полых приливов ниже уровня условной касательной линии, проведенной к точкам набегания и сбегания щеток обеспечивает то, что помеховые электромагнитные поля от коммутирующего контакта, характерной особенностью которых является их прямолинейное распространение путем отражения от препятствий, локализуются внутри полых крылообразных приливов, выполненных из ферромагнитного металла, так как при каждом отражении от внутренней поверхности полого прилива происходит и одновременное частичное поглощение их электромагнитной энергии до 15%.
Поэтому, при многократном отражении с одновременным поглощением, электромагнитные помеховые поля от скользящего контакта теряют до 80-90% своей энергии в приливах щеткодержателя, а паразитным рассеянным полем, проникающим через минимальный воздушный зазор между коллектором и ферромагнитным щеткодержателем, в первом приближении можно пренебречь.
Перегородка, установленная между полостью прилива у набегающего и сбегающего краев щетки, сохраняет стабильность работы щетки при вращении коллектора независимо от высоты полости приливов. Предлагаемый щеточно-коллекторный узел электрической машины исключает возможность скопления продуктов износа щеток и коллектора в пространстве между щеткой и щеткодержателем, что устраняет заклинивание щетки в колодце щеткодержателя, а также устраняет попадание продуктов износа в скользящий электрический контакт, чем обеспечивается надежное и стабильное контактирование щетки с коллектором независимо от направления вращения якоря машины. Это в свою очередь обеспечивает снижение искрения и уровня радиопомех данного класса электрических машин.
-2
-2
Замена узкого продольного проема в верхней части полых крылообразных приливов на отдельные отверстия сгруппированные в ряды матричного типа, с шагом от центров отверстий поочередно со смещением вправо и влево, например, на величину удвоенного диаметра для круглых отверстий позволяет эффективно «разбивать» электромагнитные помеховые волны от силового коммутируемого контакта. Для верхней частоты защищаемого диапазона 1000 МГц длина волны λ=3·10 м, а проникающая способность электромагнитных помеховых полей оценивается как λ/2. В машинах малой мощности при длине узкого продольного проема более (1,2-1,4)·10 м срабатывает пороговое условие проникновения электромагнитных помеховых волн, которые наводят паразитные ЭДС в лобовых частях обмоток, соединительных проводах и щеточных канатиках машины, чем обусловливаются повышенные уровни радиопомех от данного класса машин. При выполнении, например, отдельных круглых отверстий сгруппированных в ряды матричного типа с диаметром 2-4 мм, определенным экспериментально, вместо узкого продольного проема условие для проникновения паразитных электромагнитных волн даже для частоты 1000 МГц не выполняется, так как диаметр отдельных отверстий всегда меньше половины длины волны (d<λ/2). Поэтому электромагнитные волны как бы «разбиваются» и не проникают через отдельные сгруппированные в ряды отверстия с диаметром 2-4 мм. Этим повышается экранировка скользящего контакта, во-первых, за счет увеличения запредельного волнового эффекта каждого отдельного отверстия не зависимо от его конфигурации, во-вторых, отдельные отверстия, сгруппированные в ряды матричного типа вместо узкого продольного проема, меньше препятствуют свободному замыканию вихревых токов в крылообразном приливе (экране), определяющие экранирующий эффект.
Таким образом, данная конструкция щеточно-коллекторного узла электрической машины в совокупности обеспечивает более стабильную работу коммутирующего скользящего контакта и эффективно экранирует его паразитные электромагнитные поля, чем существенно повышает качество электромагнитной совместимости, во всем защищаемом диапазоне частот от 0,15 до 1000 МГц, коллекторных электрических машин с радиоэлектронными системами различного назначения, количество которых в наш компьютерный век значительно возрастает и увеличивается разнообразие выполняемых ими функциональных задач.
Предложенная конструкция щеточно-коллекторного узла электрической машины поясняется чертежами: на фиг.1 показан поперечный разрез щеточно-коллекторного узла, где стрелкой V показано направление вращения коллектора, на фиг.2 показана увеличенная часть вида по стрелке А с вырывом.
Показанный на фиг.1, 2 щеточно-коллекторный узел электрической машины содержит щетку 1, щеткодержатель 2, коллектор 3, крылообразный прилив 4 щеткодержателя 2 со стороны набегающего края щетки 1, полость 5 прилива 4, перегородку 6, овальное отверстие 7 в перегородке 6, отдельные круглые отверстия 8, сгруппированные, например, в два ряда по ширине щетки 1 в верхней части прилива 4, козырек 9, выполненный из тонкой металлической фольги и установленный на поворотной оси, носовая часть 10 которого отогнута вверх. Прилив 11 с полостью 12 со стороны сбегающего края щетки 1, 13 - перегородка между щеткой 1 и полостью 12 прилива 11, 14 - отверстие овальной формы в перегородке 13, 15 - отдельные отверстия в верхней части прилива 11, выполненные в несколько рядов по ширине щетки 1, 16 - козырек, закрывающий все отдельные отверстия 15, выполненные в несколько рядов в верхней части прилива 11, 17 - носовая часть козырька 16, отогнутая вверх, 18 - связующий канал между полостью 5 и 12 приливов 4 и 11 соответственно, 19 - сквозные отверстия в щетке 1, центры которых поочередно смещены от вертикальной оси щетки на расстояние равное радиусу отверстий 19.
Устройство работает следующим образом. Основной поток воздуха, с имеющимися в нем продуктами износа, захваченный коллектором 3 отсекается приливом 4 и напирает на отогнутую вверх носовую часть 10 козырька 9 и подымает его в вертикальное положение и тем самым открывает все отдельные отверстия 8, выполненные в несколько рядов в верхней части прилива 4 со стороны набегающего края щетки 1. Поток воздуха в работающей машине удерживает козырек 9 с набегающей стороны щетки 1 в открытом вертикальном положении пока не произойдет реверс машины. За счет аэродинамического эффекта давление в струе основного отсеченного потока воздуха над приливом 4 со стороны набегающего края щетки 1 всегда будет меньше давления в полости 5 и тем более давления в полости 12 прилива 11 со стороны сбегающего края щетки 1. Козырек 16 со стороны сбегающего края щетки 1 плотно прикрывает все отдельные отверстия 15, выполненные в несколько рядов и тем самым исключают подсос воздуха через них.
Таким образом, создается отсасывающий эффект и та небольшая часть продуктов износа, попавшая в полость 5 через зазор между приливом 4 и коллектором 3, а также продукты износа попавшие в полость 5 через связующий канал 18, овальные отверстия 7 и 14 из полости 12 со стороны сбегающего края щетки 1, удаляются из полости 5 через отдельные отверстия 8, выполненные в несколько рядов в верхней части прилива 4 и подхваченные общим вентиляционным потоком выбрасываются из машины. При реверсе машины прилив 11 становится уже со стороны набегающего края щетки, а за счет полной симметрии приливов 4 и 11 работа данного щеточно-коллекторного узла будет аналогичной описанной выше.
При работе машины с постоянным износом щетки 1 по высоте, для обеспечения постоянного поперечного сечения связующего канала 18 между полостями 5 и 12, в щетке 1 выполнены сквозные отверстия 19, центры которых смещены поочередно вправо и влево от вертикальной оси щетки 1 на расстояния равные радиусу этих отверстий 19. Отверстия 19 в щетке выполняют по высоте заложенной на размер допустимого износа в щетке 1. По мере износа щетки 1, отверстия 19 одновременно совмещаются с овальными отверстиями 7 и 14, выполненными в перегородках 6 и 13 соответственно, тем самым непрерывно обеспечивается работа связующего канала 18 между полостью 5 и 12 с постоянным поперечным сечением.
Перегородки 6 и 13 сохраняют стабильность работы щетки 1 независимо от высоты полости 5 и 12 приливов 4 и 11 соответственно. Толщина перегородок 6 и 13 выбирается из условия обеспечения механической прочности щеточно-коллекторного узла.
Угол атаки и кривизну профиля полых крылообразных приливов 4 и 11 выбирают из условия образования лучшего аэродинамического эффекта и эффективности экранирования высокочастотных электромагнитных полей радиопомех от коммутирующего скользящего контакта. На практике при правильной настройке нейтрали в электрической машине, как правило, наиболее интенсивное искрение наблюдается под сбегающим краем щетки 1, а именно у полого крылообразного прилива 11 все отдельные отверстия 15, выполненные в несколько рядов плотно прикрываются козырьком 16, что и обеспечивает полное и эффективное экранирование отверстий 15 со стороны сбегающего края щетки 1. Высокочастотное электромагнитное поле радиопомех, характерной особенностью которого является прямолинейное распространение путем отражения от препятствий, выходит из зазора между щеткодержателем 2 и коллектором 3 и попадает в полости 5 и 12 крылообразных приливов, носовые части которых находятся ниже уровня условной касательной линии, проведенной к точкам набегания и сбегания щетки 1. За счет того, что внутренняя поверхность крылообразных приливов 4 и 11 имеет кривизну параболического вида высокочастотное электромагнитное поле радиопомех, т.е. его электромагнитные волны многократно отражаются от внутренней поверхности крылообразных приливов, выполненных из ферромагнитного металла, где при каждом отражении происходит и частичное поглощение их электромагнитной энергии.
Таким образом, выполнение нескольких рядов отдельных отверстий по ширине щетки в верхней части крылообразных приливов вместо узкого продольного проема позволяет «разбивать» электромагнитные помеховые волны от силового коммутирующего контакта, чем значительно увеличивается эффективность экранирования, а также существенно повышается запредельный волноводный эффект отдельно выполненных сгруппированных в ряды матричного типа отверстий и за счет того, что восстанавливается свободное замыкание вихревым токам в приливах.