Устройство охлаждения щеточно-коллекторного узла электрической машины

Полезная модель относится к электромашиностроению, а именно к устройствам охлаждения щеточно-коллекторного узла электрических машин.
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 (щеточно-коллекторный узел).
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 Н02K 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, а также снижение качества токосъема из-за уменьшения площади контакта между коллектором и щетками.
Общим существенным признаком заявляемого устройства с прототипом является наличие на коллекторе сквозных вентиляционных каналов.
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, а также повышении качества токосъема.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство охлаждения щеточно-коллекторного узла электрической машины состоит из расположенных на коллекторе сквозных вентиляционных каналов, которые образованы отверстиями в подповерхностном слое ламелей, при этом отверстия выполнены в виде сопел Лаваля, направленных вдоль вектора 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 вектора окружной скорости коллектора из отверстий в подповерхностном слое ламелей, при этом отверстия выполнены в виде сопел Лаваля, обладающих возможностью разгонять проходящий по нему воздушный поток до сверхзвуковых скоростей и обеспечивает целенаправленную и равномерную вентиляцию контактных поверхностей ламелей и охлаждение щеток, а также повышение качества токосъема. 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.
На условия токосъема оказывают существенное влияние площадь контакта контактирующих поверхностей щеток и ламелей коллектора. Так как щетка является активным элементом коммутационного процесса, то уменьшение площади ее фактического контакта с коллектором приводит к увеличению плотности тока и, как следствие, к повышенному искрообразованию. Проблема повышенного искрообразования решена выполнением отверстий в форме сопел Лаваля в подповерхностном слое.
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:
1
1
где T, P - температура и давление воздуха на входе сопла Лаваля;
х
2
Т, Р - 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 Р/Р1=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 отверстиями в подповерхностном слое.
На Фиг. 2 показано изометрическое изображение коллектора, состоящего из ламелей, показанных на Фиг. 1.
Устройство для охлаждения щеточно-коллекторного узла электрической машины содержит ламели 1 с подповерхностными отверстиями 2 (Фиг. 1). Электроизолирующие миканитовые прокладки 3 коллектора (Фиг. 2) расположены между ламелями 1. Отверстия 2 выполнены в виде сопел Лаваля (Фиг. 1), представляющих собой сочленение сужающейся 4, цилиндрической 5 и расширяющейся 6 частей (Фиг. 1). Концентрично расположенные отверстия 2 на коллекторе образуют вентиляционный канал ориентированный вдоль вектора окружной скорости коллектора.
Устройство работает следующим образом.
При вращении коллектора работающей электрической машины воздух проходит по вентиляционным каналам из отверстий в виде сопла Лаваля. В процессе адиабатного расширения воздуха, проходящего по отверстию 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 отверстия одной ламели и поступающего в область 4 отверстия 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.
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 два серийных якоря: на одном коллекторе профрезеровали отверстия в подповерхностном слое ламелей, а второй был принят в качестве эталона (контрольного образца). По итогу проведенных экспериментов, результаты которых сведены в Таблицу 1, было установлено наличие положительного эффекта от отверстий виде сопла Лаваля. Температура коллектора при выполнении отверстий в ламелях в виде сопла Лаваля снизилась, как видно из таблицы на величину порядка 55°С, что составило примерно 35%. В ходе наработки 100 часов не наблюдалось неравномерного износа щеток и повышенного искрообразования.
Таким образом, благодаря циркуляции потоков охлаждающего воздуха в вентиляционных каналах, образованных отверстиями в подповерхностном слое ламелей, выполненных 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, а также увеличении качества токосъема.