Датчик местонахождения межламельных промежутков коллектора электрической машины
SENSOR FOR LOCATION OF BAR-TO-BAR GAPS OF ELECTRIC MACHINE COLLECTOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения местоположения межламельных промежутков в коллекторе электрической машины постоянного тока, например, при восстановлении тяговых двигателей в условиях ремонтного производства электровозного депо.
В тяговом электродвигателе коллектор является наиболее сложным узлом, содержащем сотни ламелей, разделенных промежутками, заполненными диэлектриком, выполненным, например, из миканита. Износ последнего в процессе эксплуатации двигателя приводит к нарушению электрического контакта. Возникают загрязнения, заусенцы, которые при дальнейшей эксплуатации двигателя могут привести к возникновению кругового огня на коллекторе. Влияние этих мешающих факторов убирают продорожкой (удаление изоляции фрезой с формированием пазов с заданными размерами и формой межламельных промежутков) путем пошаговых поворотов якоря двигателя. Требуемая точность отслеживания этих промежутков высока. Например, для тягового двигателя с коллектором диаметром 660 мм, содержащем 525 ламелей, угловая погрешность позиционирования фрезы толщиной 0,8 мм составит одну угловую минуту. Расчеты показывают, что этого можно достичь, если датчик местоположения межламельного промежутка будет иметь нечетную функцию преобразования и он будет включен в главную отрицательную обратную связь автоматической системы.
Известен «Вихретоковый датчик перемещений», патент №2196990, МК ИОШ 7/00, РФ, выполненный по трансформаторной схеме с дифференциальным включением измерительных обмоток, имеющий зависимость амплитуды и фазы сигнала от смещения в виде нечетной функции, что предопределяет повышенную его чувствительность по сравнению с преобразователями других типов. Однако она ограничена. Увеличить чувствительность, например, до 0,1 мм, возможно путем выполнения катушек с размерами, соизмеримыми с шириной межламельного промежутка порядка 1,0 мм. Выполнение такого датчика потребует организации высоко технологичного производства.
Известно устройство по патенту РФ №2665592 от 14.09.2017 г. «Способ определения местоположения диэлектрического промежутка в электропроводящем объекте и устройство для его осуществления», которое принято за прототип изобретения.
В основе оно содержит возбуждаемый высокочастотным генератором вихретоковый преобразователь (ВТП), выходной сигнал которого подвержен обработке по схеме модулятор - демодулятор (М-ДМ), реализованной тем, что корпус ВТП упруго связан с электромагнитным вибратором (модулятор), подключенным к низкочастотному генератору. При этом выход ВТП подключен к детектору и последовательно присоединенными к нему фильтром и фазочувствительным выпрямителем (демодулятор), опорный вход которого присоединен к низкочастотному генератору, а выход к нуль - индикатору.
Работа устройства-прототипа состоит в поперечном сканировании межламельного промежутка ВТП, который при этом подвержен воздействию вибраций в направлении сканирования с амплитудой, соизмеримой с шириной контролируемого промежутка, и частотой, значительно меньшей частоты возбуждения. При такой схеме устройства реализуется нечетная функция преобразования амплитуды и фазы выходного сигнала ВТП от его смещения в пределах ширины межламельных промежутков,
Достоинство устройства-прототипа - увеличенная чувствительность определения середины межламельного промежутка.
Однако наличие электромагнитного вибратора понижает надежность датчика и нарушает технологическую совместимость крупногабаритного узла с другими элементами в его схеме и конструкции.
Таким образом, целью изобретения является повышение надежности предлагаемого датчика и технологичности его конструкции.
Указанная цель достигается тем, что датчик для местонахождения межламельных промежутков в коллекторе электрической машины, содержащий ВТП, возбуждаемый высокочастотным генератором, снабженный на выходе схемой М-ДМ, выполнен в виде двух магнитопроводов, например, подковообразных, плоскости которых ориентированы нормально к поверхности коллектора, расположенных параллельно между собой и разнесенных в пространстве на половину ширины ламели, снабженных индивидуальными обмотками измерения и общей обмоткой возбуждения, при этом обмотки измерения включены в резонансные контуры, имеющие общий конденсатор, одна обкладка которого подключена к точке непосредственного соединения обмоток измерения, а другая - к свободным концам последних через электронные ключи, управляющие входы которых противофазно включены к низкочастотному генератору, и вход детектора присоединен к обкладкам упомянутого конденсатора.
На фигуре 1 показаны ВТП с обмотками возбуждения и измерения (в разрезе) на магнитопроводах, разнесенных на половину ширины ламели (1а), и схема намотки (16); на фигуре 2 - схема ВТП с резонансными контурами, снабженными ключами; на фигуре 3 - функциональная схема предлагаемого датчика.
Датчик содержит ВТП 1, выполненный (фигуры 1, 2) на двух подковообразных магнитопроводах 2 и 3 с индивидуальными измерительными обмотками 4 и 5 и общей возбуждающей 6. Плоскости магнитопроводов 2 и 3 расположены параллельно и разнесены на половину ширины ламели 7 коллектора 9, имеющего межламельные промежутки 10. Конструкция ВТП 1 закреплена на стержне 11. Измерительные обмотки 4 и 5 соединены (фигура 2) между собой одними концами непосредственно, а другими - через модулятор 12, представленный ключами 13 и 14, управляющие входы которых подключены противофазно к низкочастотному генератору 15, и обмотка возбуждения 6 подключена к высокочастотному генератору 16. Между точкой 17 непосредственного соединения измерительных обмоток 4 и 5 и точкой 18 соединения ключей 13 и 14 включен конденсатор 19, к обкладкам которого подключен (фигуры 2 и 3) вход детектора 20, снабженный на выходе демодулятором 21, управляемым низкочастотным генератором 15.
Работу датчика рассматриваем в составе автоматической системы продораживания коллектора, когда он включен в ее главную отрицательную обратную связь (в материале заявке не показано).
Исходное положение: на обмотку возбуждения 6 подано высокочастотное напряжение от генератора 16, магнитопроводы 2 и 3 расположены в непосредственной близости от коллектора 9, как показано на фигуре 1, а. В зависимости от расположения этих магнитопроводов относительно межламельного промежутка 10 изменяются индуктивности измерительных обмоток 4 и 5. Если, например, магнитопровод 3 расположен над ламелью 7, то влияние вихревых токов на индуктивность обмотки 4 будет больше, чем на индуктивность обмотки 5. В результате индуктивность обмотки 4 будет меньше, чем индуктивность обмотки 5. Если ВТП 1 расположен точно над ламельным промежутком 10, то индуктивности обмоток 4 и 5 будут одинаковы. При смещении в другую сторону от межламельного промежутка 10 индуктивность обмотки 5 станет меньше. Это явление позволяет получить сигнал, величина и знак которого меняются в зависимости от расположения ВТП 1 относительно середины межламельного промежутка 10.
Известно, что для повышения чувствительности и помехоустойчивости в вихретоковых устройствах применяют резонансные LC-контуры. В данном случае можно образовать такие контуры, если, например, к каждой измерительной обмотке подключить конденсатор. Но тогда усложнится симметрирование контуров для обеспечения строгой идентичности последних. В технологическом плане это потребует дополнительного объема настроек. Чтобы улучшить технологичность в данном устройстве, применена общая обмотка возбуждения, и для электромагнитной развязки применены электронные ключи 13, 14 и один конденсатор 18, являющийся общим для обоих резонансных контуров. Ключи 13, 14 работают в противофазе, т.е. если, например, включен ключ 13, то ключ 14 выключен, и работает первый резонансный контур, реализованный на магнитопроводе 2, обмотке 5 и конденсаторе 18. При этом обмотка 4 отключена, ток в ней отсутствует, и поэтому она не влияет на работу первого резонансного контура. При переключении ключей в противоположное состояние работает второй контур на магнитопроводе 3. При такой схеме обеспечение идентичности контуров значительно проще, так как обмотка возбуждения 6 и конденсатор 18 являются общими, и этому способствует то, что современные электронные ключи обладают высоким качеством: активное сопротивление в открытом состоянии составляет 0,03-0,06 Ом и в закрытом - сотни Мом. Требуется только лишь идентичность измерительных обмоток 4 и 5. Следовательно, на обкладках конденсатора 18, т.е. на входе детектора 19, имеет место высокочастотный сигнал, модулированный по амплитуде, с частотой, равной частоте переключения ключей 13, 14. В прототипе низкочастотную модуляцию амплитуды выходного сигнала датчика достигают пространственными колебаниями одного контура относительно межламельного промежутка 10. В предлагаемом устройстве этот эффект достигают переключением контуров, имеющих пространственный сдвиг. Частота возбуждающего напряжения (высокочастотный генератор 16, обмотка возбуждения 6) может иметь значение в несколько сотен килогерц, частота модуляции (низкочастотный генератор 15, частота переключения ключей 13, 14) - несколько сотен Герц. Выделение постоянного сигнала, значение и знак которого отображают величину и направление смещения ВТП 1, может быть осуществлено последующим детектированием в детекторе 20 с выделением огибающей сигнала и демодуляцией в блоке 21.
Таким образом, высокочастотный генератор 16 возбуждает обмотку возбуждения 6, ключи 13, 14, управляемые низкочастотным генератором 15, выполняют функцию модулятора, детектор 20 выделяет огибающую, а фазочувствительный выпрямитель 21, управляемый тем же низкочастотным генератором 15 является демодулятором, Реальная схема датчика может содержать промежуточные элементы для подавления импульсных помех. Предлагаемый датчик выгодно отличается от устройства-прототипа тем, что
- в нем исключен динамический режим, обусловленный наличием вибрирующих элементов. В предлагаемом датчике за счет ввода ключей реализован «статический» режим, в котором исключен «механический фактор», что предопределяет более высокую надежность его работы;
- увеличена чувствительность за счет ввода резонансных контуров с общим конденсатором, схемотехника которых не требует «настроек идентичности» и тем самым способствует повышению технологичности конструкции датчика, его производство и обслуживание в эксплуатации упрощаются.