КОЛЛЕКТОРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
COMMUTATOR MACHINE

Изобретение относится к области электротехники и электромеханики и может быть использовано при производстве коллекторных электрических машин, к которым предъявляются повышенные требования в отношении уровня электромагнитных помех.
Общеизвестно, что при работе электрической машины в результате коммутации в скользящем контакте возникает электрическое искрение и, как следствие, появляются высокочастотные электромагнитные пульсации, которые являются электромагнитными высокочастотными помехами для электронных устройств и нарушают их нормальную работу. Электромагнитные высокочастотные помехи состоят из электромагнитного высокочастотного излучения в пространство в виде электромагнитных волн и кондукции, которая представляет собой распространение помех по электрическим проводам.
Проблема коллекторных электрических машин заключается в высоком уровне электромагнитных высокочастотных помех.
Известна коллекторная электрическая машина, принцип работы которой основан на замыкании высокочастотных пульсаций внутри электрической машины [Авторское свидетельство на изобретение СССР №1422277, МПК 4 H01R 39/04. Электрическая машина. / А.Н. Селяев, Ю.А. Степанов, Р.Ф. Бекишев, P.X. Сайфутдинов; №4219208/24-07; заявлено 12.02.1987; опубл. 07.09.1988, Бюл. №33].
Коллекторная электрическая машина содержит металлический вал с плотно насаженным на него коллектором из коллекторных пластин, обмотку якоря и щетки.
Коллекторные пластины, представляющие собой ламели, изолированы друг от друга и от вала и соединены с секциями обмотки якоря. Между соседними коллекторными пластинами помещен межламельный пакет, представляющий собой дополнительную металлическую пластину, отделенную от коллекторных пластин изоляцией с высокой диэлектрической проницаемостью.
Дополнительные пластины по торцевым краям выполнены с отгибами в противоположные стороны, которые примыкают через изоляцию с высокой диэлектрической проницаемостью к противоположным торцевым поверхностям соседних коллекторных пластин. Кроме того, дополнительные пластины и вал машины выполнены с электрическим контактом между собой.
Устройство работает следующим образом.
При работе электрической машины в ней каждой парой соседних коллекторных пластин совместно с межламельным пакетом создается повышенная электрическая емкость, обусловленная конструктивным выполнением межламельного пакета.
Каждая секция обмотки якоря и, соответственно, сбегающий и набегающий края щетки шунтируются вышеупомянутой электрической емкостью.
Причем электрическая емкость имеет малое электрическое сопротивление высокочастотным пульсациям тока от электрического искрения, которые замыкаются через вышеупомянутые электрические емкости. При этом в скользящем контакте щетки с коллектором искрение и, соответственно, электромагнитное высокочастотное излучение от него уменьшаются, что снижает уровень электромагнитных высокочастотных помех.
При электрическом контакте дополнительных пластин с металлическим валом машины создается электрическое соединение электрических емкостей под щетками разной полярности. При этом происходит замыкание внутри машины электромагнитных высокочастотных пульсаций, противоположных по знаку, образующихся в каждом скользящем контакте между коллектором и разнополярными щетками. При замыкании внутри машины электромагнитных высокочастотных пульсаций снижаются кондуктивные помехи во внешнюю электрическую сеть, что приводит к снижению электромагнитных высокочастотных помех.
Кроме того, происходит дополнительное высокочастотное излучение в пространство в виде электромагнитных волн как в радиальном направлении цилиндрического коллектора (перпендикулярно валу машины), так и в аксиальном направлении (параллельно валу машины) за счет открытости в этих направлениях системы коллекторных пластин с межламельным пакетом для генерируемого электромагнитного высокочастотного излучения.
Достоинством известной коллекторной электрической машины является сниженный уровень генерируемых ей электромагнитных высокочастотных помех.
Однако даже при сниженном уровне генерируемых электромагнитных помех последние остаются значительными, что является недостатком известной коллекторной электрической машины. Это обусловлено, во-первых, малой величиной электрической емкости за счет малой площади поверхности взаимодействия коллекторной и дополнительной пластин и, во-вторых, открытостью системы коллекторных пластин с межламельным пакетом для генерируемого электромагнитного высокочастотного излучения в радиальном и аксиальном направлениях.
Наиболее близкой к заявляемому решению по совокупности существенных признаков является коллекторная электрическая машина, принцип работы которой основан на замыкании высокочастотных пульсаций внутри электрической машины [Патент РФ на изобретение №2145143, МПК 7 H02K 13/00, H01R 39/04, H02K 11/02. Коллекторная электрическая машина. / А. Н. Селяев (RU); Томский политехнический университет (RU). №98108273/09, заявлено 05.05.1998; опубл. 27.01.2000, Бюл. №3].
Коллекторная электрическая машина содержит металлический вал с плотно насаженным на него коллектором, в корпусе которого размещены коллекторные пластины, обмотку якоря и щетки. Коллекторные пластины, представляющие собой ламели, изолированы друг от друга и от вала и соединены с секциями обмотки якоря.
Между каждой парой соседних коллекторных пластин установлен межламельный пакет, содержащий крайние электроды и средний электрод, разделенные между собой изоляцией с высокой диэлектрической проницаемостью. Электроды выполнены в виде трех параллельно сложенных лент металлической фольги, разделенных между собой изоляцией с высокой диэлектрической проницаемостью и многократно свернутых в плоский рулон.
Наружные неизолированные стороны концов крайних электродов каждого межламельного пакета контактируют с боковыми поверхностями соседних коллекторных пластин, а средний электрод находится между крайними электродами внутри плоского рулона и одним своим концом через специальные проводящие части контактирует с валом.
Устройство работает следующим образом.
При работе электрической машины в результате коммутации под сбегающим краем щетки возникает электрическое искрение, вызывающее высокочастотные электромагнитные помехи для электронных устройств, и нарушает их нормальную работу.
Электрическая емкость между каждой парой соседних коллекторных пластин создается межламельным пакетом. При этом величина емкости становится высокой и имеет малое электрическое сопротивление высокочастотным токам электрического искрения за счет увеличенной площади взаимодействия электродов межламельного пакета и высокой диэлектрической проницаемости изоляции.
Указанные электрические емкости шунтируют секции обмотки якоря и, соответственно, сбегающий и набегающий края щетки и замыкают высокочастотные токи электрического искрения. При этом в скользящем контакте щетки с коллектором искрение и, соответственно, электромагнитное высокочастотное излучение от него уменьшаются, что снижает уровень электромагнитных высокочастотных помех.
Электрическая емкость между каждой коллекторной пластиной и валом создается средним электродом совместно с крайним электродом каждого межламельного пакета. За счет высокой диэлектрической проницаемости изоляции эта электрическая емкость имеет повышенное значение.
Кроме того, наличие большого количества слоев в межламельном пакете приводит к увеличению площади их взаимодействия между собой и также к увеличению электрической емкости между каждой коллекторной пластиной и валом.
При электрическом контакте с валом среднего электрода межламельного пакета создается электрическое соединение через вал электрических емкостей под щетками разной полярности. При этом происходит замыкание внутри машины электромагнитных высокочастотных пульсаций, противоположных по знаку, образующихся в каждом скользящем контакте между коллектором и разнополярными щетками. При замыкании внутри машины электромагнитных высокочастотных пульсаций снижаются кондуктивные помехи во внешнюю электрическую сеть, что приводит к снижению электромагнитных высокочастотных помех.
Кроме того, происходит дополнительное снижение уровня генерируемых известной электрической машиной электромагнитных высокочастотных помех.
Изогнутая часть одной из лент межламельного пакета, которая оказалась снаружи плоского рулона и обращена к щетке, экранирует электромагнитное высокочастотное излучение от системы «коллекторные пластины - межламельный пакет» в радиальном направлении, что приводит к дополнительному снижению уровня генерируемых известной электрической машиной электромагнитных высокочастотных помех.
Достоинством известной коллекторной электрической машины является существенное снижение уровня генерируемых ей электромагнитных высокочастотных помех как за счет увеличения шунтирующих емкостей, так и за счет экранирования электромагнитного высокочастотного излучения в радиальном направлении.
Однако несмотря на существенно сниженный уровень генерируемых электромагнитных помех последние остаются ощутимыми, что является недостатком известной коллекторной электрической машины.
Это обусловлено, во-первых, недостаточно высоким значением емкости между каждой коллекторной пластиной и валом и, во-вторых, наличием электромагнитного высокочастотного излучения в аксиальном направлении через торцы плоского рулона межламельного пакета.
Невысокое значение емкости между каждой коллекторной пластиной и валом определяется малой площадью взаимодействия среднего электрода с крайними электродами межламельного пакета за счет одностороннего прилегания каждого крайнего электрода к среднему электроду.
Открытость системы коллекторных пластин с межламельным пакетом в аксиальном направлении для генерируемого электромагнитного высокочастотного излучения приводит к электромагнитному высокочастотному излучению в этом направлении.
Другим недостатком известной коллекторной электрической машины является ее невысокая надежность. Это обусловлено наличием малых радиусов изгиба лент фольги и изоляции межламельного пакета, которые вызывают в местах изгиба значительные механические напряжения. Механические напряжения при циклическом нагреве и охлаждении электрической машины в процессе ее эксплуатации усиливаются, что приводит к разрушению межламельного пакета и поломке коллекторной электрической машины.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке коллекторной электрической машины, обеспечивающей снижение уровня генерируемых электромагнитных высокочастотных помех как за счет увеличения значения емкости между каждой коллекторной пластиной и валом благодаря обеспечению двухстороннего прилегания каждого крайнего электрода к среднему электроду межламельного пакета, так и за счет экранирования электромагнитного высокочастотного излучения в аксиальном направлении через торцы межламельного пакета при повышении ее надежности.
Для решения поставленной задачи в коллекторной электрической машине, содержащей коллектор, плотно насаженный на металлический вал, в корпусе которого размещены изолированные друг от друга коллекторные пластины в виде ламелей и межламельные пакеты, обмотку якоря и щетки, причем каждый межламельный пакет выполнен в виде комплекта из двух крайних и среднего электродов, разделенных между собой изоляцией с высокой диэлектрической проницаемостью, и установлен между каждой парой соседних коллекторных пластин с контактом их боковых поверхностей с наружной неизолированной стороной крайних электродов межламельного пакета, при этом средний электрод электрически соединен с валом, согласно изобретению в каждый ее межламельный пакет введен второй средний электрод, каждый электрод выполнен гребенчатым в виде группы тонких металлических параллельных пластин, соединенных перпендикулярным к ним металлическим основанием, при этом гребенчатые электроды вставлены друг в друга параллельными пластинами, причем основания крайних и средних гребенчатых электродов соответственно параллельны, а между собой перпендикулярны, пластины гребенчатых электродов установлены чередующимися в следующем порядке: пластина первого крайнего гребенчатого электрода - пластина первого среднего гребенчатого электрода - пластина второго крайнего гребенчатого электрода - пластина второго среднего гребенчатого электрода.
Введение в каждый межламельный пакет второго среднего электрода, выполнение каждого электрода гребенчатым в виде группы тонких металлических параллельных пластин, соединенных перпендикулярным к ним металлическим основанием, вставленных друг в друга определенным образом, отличает совокупность существенных признаков заявляемого решения от совокупности существенных признаков прототипа, что свидетельствует о соответствии заявляемой коллекторной электрической машины критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Введение в каждый межламельный пакет второго среднего электрода, выполнение каждого электрода гребенчатым в виде группы тонких металлических параллельных пластин, соединенных перпендикулярным к ним металлическим основанием, вставленных друг в друга определенным образом, приводит к увеличению значения емкости между каждой коллекторной пластиной и валом и к полному экранированию электромагнитного высокочастотного излучения от межламельного пакета, снижающих уровень генерируемых электромагнитных высокочастотных помех.
Это обусловлено, во-первых, повышением площади взаимодействия электродов межламельного пакета, приводящим к увеличению значения емкости, во-вторых, расположением определенным образом металлических оснований электродов межламельного пакета, приводящим к полному экранированию электромагнитного высокочастотного излучения от межламельного пакета, что в совокупности снижает уровень генерируемых электромагнитных высокочастотных помех.
Причинно-следственная связь «Введение в каждый межламельный пакет второго среднего электрода, выполнение каждого электрода гребенчатым в виде группы тонких металлических параллельных пластин, соединенных перпендикулярным к ним металлическим основанием, вставленных друг в друга определенным образом, приводит к увеличению значения емкости между каждой коллекторной пластиной и валом и к полному экранированию электромагнитного высокочастотного излучения от межламельного пакета, снижающих уровень генерируемых электромагнитных высокочастотных помех» не обнаружена в уровне техники и явным образом не следует из него, что свидетельствует о соответствии заявляемой коллекторной электрической машины критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На фиг. 1 показан разрез развертки части коллектора 1 и вала 2 коллекторной электрической машины, иллюстрирующий ее работоспособность и промышленную применимость.
На фиг. 2 показан общий вид гребенчатого электрода.
Коллекторная электрическая машина содержит коллектор 1, плотно насаженный на металлический вал 2.
Коллектор 1 представляет собой изолирующий корпус 3 с размещенными на нем коллекторными пластинами 4. Между каждыми двумя соседними коллекторными пластинами 4 установлен межламельный пакет 5.
Коллекторные пластины 4 представляют собой ламели и изолированы друг от друга и от вала 2.
Межламельный пакет 5 выполнен в виде комплекта из двух крайних гребенчатых электродов 6 и 7 и двух средних гребенчатых электродов 8 и 9, разделенных между собой изоляцией с высокой диэлектрической проницаемостью 10.
Каждый гребенчатый электрод 6-9 представляет собой группу тонких металлических параллельных пластин 11, соединенных перпендикулярным к ним металлическим основанием 12.
Гребенчатые электроды 6-9 вставлены друг в друга параллельными пластинами 11. При этом основания 12 в паре крайних гребенчатых электродов 6 и 7 и основания 12 в паре средних гребенчатых электродов 8 и 9 параллельны.
Параллельные основания 12 крайних гребенчатых электродов 6 и 7 и параллельные основания 12 средних гребенчатых электродов 8 и 9 между собой перпендикулярны.
Пластины 11 гребенчатых электродов установлены чередующимися в следующем порядке: пластина первого крайнего гребенчатого электрода - пластина первого среднего гребенчатого электрода - пластина второго крайнего гребенчатого электрода - пластина второго среднего гребенчатого электрода. Указанное чередование начинается наружной пластиной первого крайнего гребенчатого электрода, повторяется несколько раз и заканчивается наружной пластиной второго крайнего гребенчатого электрода. При этом пластины 11 гребенчатых электродов 8 и 9 прилегают к обеим плоскостям пластин 11 гребенчатых электродов 6 и 7.
Неизолированные поверхности 14 и 15 наружных металлических пластин 11 каждого крайнего гребенчатого электрода 6 и 7 контактируют с соответствующей боковой плоскостью коллекторной пластины 4.
Основание 12 каждого среднего гребенчатого электрода 8 и 9 электрически соединено соединителем 13 с валом 2.
Устройство работает следующим образом.
При работе электрической машины в результате коммутации под сбегающим краем щетки возникает электрическое искрение, вызывающее высокочастотные электромагнитные помехи для электронных устройств, и нарушает их нормальную работу. Снижение электромагнитных помех от электрической машины обеспечивается электрическими емкостями межламельных пакетов 5.
Электрические емкости создаются для каждой пары соседних коллекторных пластин 4 межламельным пакетом 5 двумя путями.
Во-первых, электрическая емкость между каждой парой соседних коллекторных пластин 4 создается крайними гребенчатыми электродами 6 и 7. При этом большое количество пластин 11 приводит к увеличению площади взаимодействия двух гребенчатых электродов 6 и 7 в межламельном пакете 5. Большая площадь взаимодействия двух гребенчатых электродов 6 и 7 в межламельном пакете 5 и высокая диэлектрическая проницаемость изоляции 10 обеспечивают высокую величину этой емкости и малое электрическое сопротивление высокочастотным токам электрического искрения.
Указанные электрические емкости шунтируют секции обмотки якоря и, соответственно, сбегающий и набегающий края щетки и замыкают высокочастотные токи электрического искрения. При этом в скользящем контакте щетки с коллектором искрение и, соответственно, электромагнитное высокочастотное излучение от него уменьшаются, что снижает уровень электромагнитных высокочастотных помех.
Во-вторых, электрические емкости между каждой коллекторной пластиной 4 и валом 2 создаются средними гребенчатыми электродами 8 и 9 совместно с крайними гребенчатыми электродами 6 и 7. При этом большое количество пластин 11, а также двухстороннее прилегание пластин 11 гребенчатых электродов 8 и 9 к обеим плоскостям пластин 11 гребенчатых электродов 6 и 7 приводят к увеличению площади взаимодействия пары гребенчатых электродов 6 и 7 с парой средних гребенчатых электродов 8 и 9 в межламельном пакете 5.
Большая площадь взаимодействия пары средних гребенчатых электродов 8 и 9 совместно с парой крайних гребенчатых электродов 6 и 7, а также высокая диэлектрическая проницаемость изоляции 10 обеспечивают высокую величину этой емкости и малое электрическое сопротивление высокочастотным токам электрического искрения.
Причем указанные емкости электрически соединяют щетки разной полярности через вал 2 и электрические соединители 13. При этом происходит замыкание внутри машины электромагнитных высокочастотных пульсаций, противоположных по знаку, образующихся в каждом скользящем контакте между коллектором и разнополярными щетками. При замыкании внутри машины электромагнитных высокочастотных пульсаций снижаются кондуктивные помехи во внешнюю электрическую сеть, что приводит к снижению электромагнитных высокочастотных помех.
Кроме того, экранирование электромагнитных высокочастотных излучений пластинами 12 межламельного пакета 5 приводит к дополнительному снижению уровня генерируемых электрической машиной электромагнитных высокочастотных помех.
Таким образом, электромагнитное высокочастотное излучение от системы «коллекторные пластины - межламельный пакет» экранируется как в радиальном направлении, так и в аксиальном направлениях.
Использование заявляемой коллекторной электрической машины позволяет увеличить электрическую емкость между каждой коллекторной пластиной и валом машины примерно в 2 раза, что пропорционально снижает уровень кондуктивных высокочастотных помех во внешнюю электрическую сеть и задерживает 80-90% электромагнитного высокочастотного излучения от системы «коллекторные пластины - межламельный пакет».