Коммутирующее устройство
SWITCHING DEVICE

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в коллекторном электрическом двигателе постоянного тока с улучшенными коммутационными свойствами.
В основе данного предполагаемого изобретения лежит идея улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока изменением принципа передачи тока с вращающегося якоря на неподвижные клеммы, увеличения межламельного напряжения и снижения потерь на трение в узле (см., например, Тур Б.К. К вопросу коммутации в машинах постоянного тока. //Электричество. 1956. № 11).
Сущность предлагаемого технического решения является очевидной, поскольку введение новых неизвестных ранее конструктивных элементов и технологических операций при изготовлении коллектора нового типа представляет собой неизвестную совокупность признаков с получением дополнительного технического результата и положительного эффекта, а именно улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока изменением принципа передачи тока с вращающегося якоря на неподвижные клеммы, увеличения межламельного напряжения и снижения потерь на трение в узле (см., например, Тур Б.К. К вопросу коммутации в машинах постоянного тока. «Электричество», 1956, № 11).
«Уровень техники»
Известна конструкция коммутирующего устройства электрической машины постоянного тока, состоящая из ряда пластин, расположенных по образующим изолированного цилиндра, закрепленного на валу якоря и поочередно подключающее в зоне коммутации смежные пластины к неподвижным клеммам. При этом каждые две противоположно расположенные пластины соединены с двумя противоположными точками якорной обмотки. С пластинами контактируют противоположно установленные соосно щетки, переходящие при вращении якоря с одной пары пластин на другую. Пластины коллектора изолируют от соседних прокладками из фибры или слюды. Концы пластин соединяются с соответственными выходными концами обмотки.
Недостатками пластинчато-щеточного узла являются:
- применение дефицитных материалов при изготовлении;
- необходимость увеличения габаритных размеров активных частей контакта;
- дефекты коллекторного цилиндра такие, как эксцентричность, овальность, бой (в отдельных точках поверхности), прогрессирующие в эксплуатации под действием динамических и электромагнитных сил, а также в результате ослабления затяжки шпилек коллектора и усадки изоляции;
- износ коллекторов, по причине повышенного давления щеток, некачественный материал элементов, вибрация, биение и высокая скорость вращения коллектора;
- значительное влияние величины переходного сопротивления между щеткой и коллектором, приводящее к нестабильности токосъема или полной его потере;
- искрение на скользящем контакте приводящее к обгоранию щеток и коллекторных пластин.
- случайный отрыв щеток от коллектора из-за дефектов исполнения узла. Это нарушение может охватывать все пластины коллектора, перекрытые щетками, но не одновременно под всеми брикетами;
- значительное влияние плотности тока под щетками, переходного сопротивления контакта и нарушение коммутации машины.
Известны также разработки коллекторно-щеточного узла с использованием радиальных поверхностей коллекторных пластин. Причинами, вызывающими появление дуги, переходящей в круговой огонь, являются:
- заволакивание межламельного пространства медью коллекторных пластин [http://www.dissercat.com/content/zavolakivanie-kollektorov-tyagovykh-dvigatelei-elektrovozov];
- неправильно снятые фаски с коллекторных пластин, что затрудняет выдувание щеточной пыли;
- загрязнение коллектора и выступание миканитовых пластин коллектора.
При увеличении межламельного напряжения до 34-36 В (пример для тягового электродвигателя локомотива) и при наличии вышесказанных причин механического характера, между смежными коллекторными пластинами может возникнуть искрение переходящее в дуговой разряд. В зависимости от состояния коллекторно-щеточного узла, его чистоты и влажности воздуха дуга соединяет коллекторные пластины между плюсовыми и минусовыми щеткодержателями или коллекторные пластины всего коллектора (круговой огонь).
Кроме этих недостатков непосредственно узла низкой надежностью обладает щеточная траверса, повреждения которой проявляются в виде поломки кольца траверсы, расстройства регулировки положения щеткодержателей на пальцах траверсы и другие повреждения деталей узла.
«Раскрытие изобретения»
Технический результат изобретения заключается в увеличении надежности коллектора и улучшении технологичности сборки, путем улучшения коммутации, увеличения межламельного напряжения и снижения потерь на трение в узле. Кроме того, техническим результатом является повышение срока службы.
Для реализации вышеуказанного технического результата предложено коммутирующее устройство, выполненное с возможностью поочередного подключения в зоне коммутации смежных токопроводящих пластин коллектора через коллекторно-щеточный узел к внешним, неподвижным клеммам, при этом с целью улучшения коммутации, увеличения межламельного напряжения и снижения потерь на трение в узле, по предполагаемому изобретению коллек-торно-коммутирующий узел представляет собой цилиндрические зубчатые пары, причем установленное на якоре колесо состоит из разрезных в средней части по зубу и изолированных прокладкой Т-образного сечения, разделяющей зуб и прикрывающей его вершину, половин зубьев, образующих зубчатую ячейку, и к которым подключены выводы секций обмотки якоря машины, при этом цельные шестерни, выполнены из электрографитного или металло-графитового материала с возможностью свободного вращения на осях, расположенных вблизи нейтрали и имеют непрерывный торцевой скользящий контакт с оконечными неподвижными клеммами.
Кроме того, согласно настоящему изобретению для снижения межламель-ных напряжений, возникающих вследствие самоиндукции в секциях якорной обмотки, изоляция между половинами зуба выполнена из материала с высокой диэлектрической проницаемостью с образованием конденсатора искрогасящей RC-цепочки.
Идея разрабатывалась в нескольких направлениях. Основные из них:
1) Использование в качестве коллекторно-коммутирующего узла цилиндрических зубчатых пар, причем установленное на якоре колесо является принципиально новым коллектором. Зубчатое колесо устанавливается с торцевой, лобовой части якоря, и число впадин между зубьями равно числу секций обмотки. Диаметр зубчатого колеса зависит от числа проводников обмотки и от скорости вращения якоря.
2) Для обеспечения существующих габаритов якоря применена зубчатая пара с внутренним зацеплением. Пара внутреннего зацепления имеет во много раз меньшее относительное скольжение рабочих поверхностей зубьев и меньшие габариты при большом передаточном отношении и малом межцентровом расстоянии.
3) Установленное на якоре зубчатое колесо, состоит из разрезных в средней части и изолированных прокладкой Т-образного сечения половин зубьев, образующих зубчатую ячейку, к которым подключены выводы секций обмотки якоря машины.
4) С зубчатым колесом контактируют цельные шестерни, выполненные из электрографитного или металлографитового материала. Шестерни свободно вращаются на осях, расположенных вблизи нейтрали и имеют непрерывный торцевой скользящий контакт с оконечными неподвижными клеммами.
В качестве коллекторно-коммутирующего узла по предполагаемому изобретению целесообразно применить арочные цилиндрические зубчатые элементы (колеса) с прямозубыми, косозубыми, шевронными или подобными зубьями с использованием внутреннего зацепления (возможно использование наружного зацепления при наличие запаса по габаритным ограничениям электрической машины).
Стяжка верхней нерабочей части зубчатого коллекторного колеса выполняется методом клина (ласточкиного хвоста).
В изобретении раскрываются следующие детали и аналогии:
а) шестерни внутреннего зацепления повышенной механической прочности, выполнены из электрографитного или металлографитового материала, а оси шестерен имеют непрерывный скользящий контакт с внешними неподвижными клеммами;
б) зубья колеса образуют зубчатую ячейку, состоящую из разрезных половинок смежных зубьев. При этом ячейка соединена с проводником секции обмотки петушком [А.с. СССР № 862285 МКИ Н01R 39/02/ Б.и. 33 от 07.09.81].
в) между зубчатыми ячейками размещена изоляция, выполненная из материала с большой диэлектрической проницаемостью (например, из титаната бария) (Авт. Свид. СССР №89965, кл. Н01r 39/06).
г) аналогия:
«Краткое описание чертежей»
На Фиг. 1 представлен основной вид коллектора в виде зубчатой пары внутреннего зацепления.
На Фиг 2 представлен процесс коммутации при замыкании секции обмотки якоря накоротко.
На Фиг. 3 показано распространение дугового разряда в базовом исполнении коллектора. Стрелкой показан путь и длина дугового разряда.
На Фиг. 4 показано распространение дугового разряда по предлагаемому варианту. Стрелкой показан путь и длина дугового разряда.
На Фиг. 5 схематично в аксонометрии показаны зубчатая ячейка и изолятор.
На Фиг. 6 представлена стяжка зубчатого коллекторного колеса.
На Фиг. 7 показан общий вид электромашины с предлагаемым зубчатым коллектором.
«Осуществление изобретения»
Коммутирующее устройство, содержащее коллектор в виде зубчатой пары внутреннего зацепления (см. Фиг. 1) состоит из коллекторного колеса 1 и шестерни 2. Применение внутреннего зацепления обеспечивает размещение всего узла в пределах габарита цилиндра якоря.
Зубчатое колесо 1, установленное с торцевой, лобовой части якоря, состоит из зубчатых ячеек в виде разрезных в средней части и изолированных половин зубьев 3 и 4, к которым подключены выводы 5 и 6 секций (Фиг. 2) обмотки якоря машины. При этом число зубчатых ячеек равно количеству впадин между зубьями колеса и равно числу секций обмотки якоря. Диаметр зубчатого колеса зависит от числа проводников обмотки и от скорости вращения якоря. Между зубчатых ячеек установлены изолирующие прокладки 7 Т-образного сечения, выполненные из материала с большой диэлектрической проницаемостью.
Одним из вариантов решения проблемы коммутации, является конструктивное удлинение пути для дугового разряда. На Фиг. 3 между коллекторными пластинами 8 расположена изолирующая прокладка 9. Стрелкой показан короткий путь распространения дугового разряда.
На Фиг. 4 в варианте изобретения путь и длина дугового разряда между двумя зубчатыми ячейками 3 и 4 зуба через изолирующую прокладку 7 значительно превышают основной вариант исполнения коллектора.
На Фиг 5 показаны в аксонометрии основные элементы: зубчатая ячейка 3 коллекторного колеса и прокладка 7.
Стяжка верхней нерабочей части зубчатого коллекторного колеса выполнена методом клина (ласточкиного хвоста) (см. Фиг. 6). Для внутреннего зацепления пары в отличие от аналогов стяжка установлена снаружи зубчатого коллектора. Зубчатая ячейка 3 соединяется с соответственным выходным концом обмотки 10. посредством петушка.
Общая компоновка зубчатого коллектора с обмотками возбуждения 11 и 12 показана на Фиг. 7.
Цельные шестерни 2, выполненные из электрографитного или металло-графитового материала, свободно вращаются на осях, расположенных на нейтрале и имеют непрерывный торцевой скользящий контакт 13 с оконечными неподвижными клеммами 14.