ВРАЩАЮЩИЙСЯ КОММУТАТОР
ROTARY COMMUTATOR

Изобретение относится к электромеханическим и электронным устройствам, обеспечивающим посредством включения, отключения и переключения электрических цепей выбор требуемой выходной цепи (цепей) и соединение с ней входной цепи (цепей). Коммутатор входит составным элементом в более сложные устройства для передачи информации в электросвязи, телемеханике, телеметрических системах, энергетике, микроволновой и импульсной технике, например, для комбинированной генерации системы импульсов, радиопеленгации (Commutated Aerial Direction Finding - CADF) или прерывистого токосъема и может быть использован в системах коммутации, телеметрии и вооружений, например, для управления пуском системы залпового огня, а также в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Широко известен вращающийся коммутатор в телеметрических системах с временным разделением каналов /К.У.Гэтленд. Развитие управляемых снарядов. М., 1956/, состоящий из неподвижного статора-кольца и ротора-луча, вращаемого двигателем постоянного тока с питающим напряжением 6,3 В. Коммутация осуществляется контактным устройством в виде вращающегося проводящего луча из никелево-серебряного сплава. Один - центральный неподвижный конец луча соединен с передающей антенной, а другой - скользит по кольцу с n непрерывно следующими и изолированными друг от друга проводящими секторами равной длины, присоединенными к n датчикам, преобразующим физические величины в электрические колебания и включенным в телеметрическую систему уплотнения сигналов. Очевидно, что проводящие секторы при этом имеют угловую длину . Вращаясь, коммутатор по очереди непрерывно подключает к антенне цепь каждого датчика и таким образом передает сигналы. Эти сигналы передаются в течение n-й части периода вращения ротора.
Возможна дискретная коммутация, когда проводящие секторы кольца имеют угловую длину меньше указанной. Тогда цепи коммутируются не непрерывно, а с некоторыми разрывами по времени. Дискретная коммутация осуществляется, например, в распределителе зажигания двигателей внутреннего сгорания /В.Е.Ютт. Электрооборудование автомобилей. М., 2009; Р.Демидович. Система зажигания легковых автомобилей. Минск, 1998/.
В любом случае частота коммутации равна fn, где f - частота вращения ротора, n - число проводящих секторов статора. С каждого датчика сигнал снимается с частотой f. Переключение цепей датчиков с учетом ограниченности частоты вращения ротора механического коммутатора позволяет осуществлять телеметрию величин, меняющихся с низкой частотой, т.е. максимальная частота телеметрируемой величины ограничена частотой вращения ротора коммутатора. Поэтому используют коммутаторы с весьма высокими частотами вращения: 120, 80 и 40 об/сек /К.У.Гэтленд. Развитие управляемых снарядов. М., 1956/.
Следовательно, недостатком такого коммутатора, выбранного за прототип, является высокая частота вращения его ротора - десятки оборотов в секунду, - что вызвано необходимостью адекватной передачи переменных во времени сигналов. Столь высокая частота вращения ротора такого точного и ответственного устройства, каким является коммутатор, приводит к целому ряду причин, резко снижающих его функционально-эксплуатационные качества. Перечислим только некоторые из них.
1. Повышенный механический износ скользящих контактов, требующий специальных средств для смазки маслом специального состава и для собирания металлической пыли, а также подшипниковых узлов.
2. Высокий уровень механических вибраций и тепловыделения.
3. Проблемы разбалансировки ротора вследствие изначально конструктивно несамоурановешенной однолучевой схемы.
4. Малое время замкнутого состояния каждой цепи при дискретной коммутации из-за высокой скорости вращения ротора.
5. Постоянно действующая токовая нагрузка на единственный проводящий луч ротора, приводящая к выделению джоулева тепла и уходу температурных характеристик коммутатора.
Подобные проблемы, как правило, приводят к постепенному отказу от применения роторных коммутаторов в пользу электронных систем коммутации, не имеющих вращающихся частей, например, мультиплексоров и дешифраторов на интегральных микросхемах /Е.П.Угрюмов. Цифровая схемотехника. СПб, 2007/. Вместе с тем недорогие в производстве и эксплуатации механические коммутаторы отличает простота, надежность и, главное, устойчивость к внешним электромагнитным, радиационным и другим возможным вредным воздействиям и помехам.
Задачей заявляемого изобретения является многократное снижение частоты вращения ротора коммутатора за счет того, что полный цикл последовательной коммутации выполняется за время не полного оборота ротора, а только за время малого его поворота. Это устраняет перечисленные выше проблемы. Сопутствующим эффектом является повышение функциональности и надежности вращающегося коммутатора.
Поставленная задача решается тем, что в коммутаторе, включающем: статор-кольцо с n проводящими секторами и вращающийся ротор, проводящие секторы выполнены в виде равноотстоящих прерывающихся отрезков длины, меньшей чем , а ротор выполнен в виде правильной n+1 или n-1-лучевой проводящей звезды. Проводящие секторы при этом имеют угловую длину  в первом случае и  - во втором.
Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема вращающегося коммутатора, на фиг.2 - последовательность распределения сигнала по секторам-контактам статора (отмеченная римскими цифрами) и схема работы для прямой и обратной коммутации (прямая коммутация показана на правой части фиг.2, тогда как обратная - на левой), на фиг.3 - временные развертки непрерывной и дискретной коммутации, на фиг.4 - частоты вращения пятилучевого и трехлучевого ротора прямой и обратной коммутации как функции эквивалентной частоты вращения традиционного однолучевого ротора, т.е. частоты вращения однолучевого ротора, адекватного многолучевым относительно частоты коммутации.
Вращающийся коммутатор (фиг.1) содержит неподвижную часть - статор-кольцо 1, на окружности которого расположены n равноотстоящих друг от друга проводящих секторов-контактов 2 с выводами на соответствующие коммутируемые цепи (на чертеже не показаны), и вращающуюся часть - ротор 3, расположенный внутри статора-кольца 1 по его оси симметрии, выполненный в виде правильной n+1 или n-1-лучевой проводящей звезды. Лучи ротора 3 непрерывно скользят по окружности статора 1, периодически попадая на его проводящие сектора 2, а центр ротора-звезды 4 снабжен постоянным скользящим контактом.
Через центр 4 ротора-звезды 3 осуществляется постоянный контакт. При вращении ротора-звезды 3 его лучи последовательно контактируют с проводящими секторами 2 статора-кольца 1 коммутатора, переключая соответствующие цепи: в направлении, совпадающим с направлением вращения ротора 3, в случае n+1 (прямая, или попутная, коммутация) или в противоположном направлении (обратная, или встречная, коммутация) в случае n-1.
На фиг.2 наглядно представлена схема коммутации для 4-контактного статора-кольца посредством 5-лучевого ротора-звезды (прямая, справа) и 3-лучевого ротора-звезды (обратная, слева).
Принцип работы и анализ прямой и обратной коммутации на проводящих секторах статора-кольца вращающимся ротором-звездой.
Для анализа прямой и обратной коммутации на проводящих секторах статора-кольца служит фиг.2. На фиг.2 изображена схема коммутации для 4-контактного статора-кольца посредством 5-лучевого ротора-звезды (прямая, справа) и 3-лучевого ротора-звезды (обратная, слева). Пусть в начальный момент времени один из n+1 (справа) или n-1 (слева) лучей ротора 3 совпадает с началом одного из n проводящих секторов 2 статора 1 (фиг.2). Токовый сигнал из центрального контакта 4 ротора 3 по этому лучу начинает передаваться на соответствующий проводящий сектор 2 статора 1. Такая коммутация будет продолжаться до тех пор, пока ротор не повернется на угол  (при прямой коммутации) или на угол  (при обратной). При повороте ротора на угол  (при прямой коммутации) или на угол  (при обратной) соседний луч ротора начинает контактировать с соседним проводящим сектором статора - по направлению вращения ротора или против вращения ротора. При повороте ротора 3 на угол 2π/(n+1)=nδ или на угол 2π/(n-1)=nδ коммутатор полностью последовательно переключит все цепи в прямом или обратном направлении. Следовательно, требуемая частота вращения n+1 - лучевого или n-1 - лучевого ротора снижается в n+1 или n-1 раз соответственно по сравнению с традиционным коммутатором, снабженным однолучевым ротором.
Временная развертка непрерывной коммутации изображена на фиг.3а.
Если проводящие секторы будут занимать меньшие угловые длины, чем соответственно  (при прямой коммутации) или  (при обратной), то коммутация будет осуществляться не непрерывно, а дискретно (фиг.3б). Именно такая коммутация осуществляется в устройстве модернизированного распределителя зажигания двигателя внутреннего сгорания /Свияженинов Е.Д. Распределитель зажигания двигателя внутреннего сгорания. Патент РФ на изобретение №2362242. Приоритет 21.05.2008/.
Таким образом, многолучевой ротор выполняет функцию не только мультиплексора, т.е. уплотнителя сигналов разных датчиков, но и мультипликатора, т.е. умножителя частоты коммутации в n+1 или в n-1 раз, и частота вращения ротора должна быть во столько же раз снижена.
Для предложенного многолучевого коммутатора определим понятие эквивалентной частоты вращения ротора f. Это - частота вращения ротора традиционного однолучевого коммутатора, обеспечивающего ту же частоту коммутации, что и многолучевого. Тогда частоты вращения n+1 или n-1 - лучевого ротора связаны с эквивалентной частотой f соотношениями:
n+1
f=f/(n+1),
n-1
f=f/(n-1).
Частота коммутации для любого из рассмотренных коммутаторов равна fn, где f - эквивалентная частота вращения ротора, n - число проводящих отрезков статора.
Пример расчета частоты вращения многолучевого ротора для прямой и обратной коммутации.
5
3
В качестве примера рассмотрим схему прямой и обратной коммутации для вращающегося коммутатора с 4-секторным статором. Тогда в рассматриваемых случаях должен быть использован соответственно 5-лучевой и 3-лучевой ротор. Требуемая частота вращения такого ротора должна быть соответственно ровно в 5 раз и 3 раза ниже частоты вращения однолучевого ротора традиционного коммутатора. На фиг.4 приведены требуемые частоты вращения пятилучевого f и трехлучевого f роторов как функции эквивалентной частоты вращения однолучевого ротора коммутатора f. Наглядно виден эффект мультипликации частоты коммутации, проявляющийся в пятикратном и трехкратном снижении требуемых частот вращения ротора коммутатора.
При непрерывной коммутации время замкнутого состояния контактов как в однолучевом традиционном коммутаторе, так и в многолучевом, очевидно, одно и тоже и составляет , где f - эквивалентная частота вращения ротора коммутатора, n - число секторов кольца. В первом случае проводящие секторы статора занимают всю его окружность, а во втором - лишь равноотстоящие отрезки угловой дины  или  для прямой или обратной коммутации соответственно.
Дискретная коммутация
Пусть угловая длина γ каждого из n равноотстоящих проводящих секторов статора удовлетворяет условию:
и определяется функциональным назначением коммутатора как, например, в синхронном распределителе зажигания ДВС /В.Е.Ютт. Электрооборудование автомобилей. М., 2009/. Сравним время замкнутого состояния контактов для трех вариантов коммутаторов: традиционного однолучевого, а также многолучевого прямой и обратной коммутации, при двух одинаковых параметрах: частоте коммутации fn и длине проводящего сектора γ, где f - эквивалентная частота вращения ротора. Коммутация будет осуществляться только при прохождении лучей ротора по этим проводящим секторам фиксированной длины γ и, учитывая (1), коммутация будет всегда дискретной за исключением предельного случая γ=δ, когда прямая коммутация n+1-лучевого ротора переходит в непрерывную. Для однолучевого ротора время замкнутого состояния контактов составляет . Для n+1-лучевого ротора скорость его вращения для обеспечения той же частоты коммутации уменьшается в n+1 раз и время замкнутого состояния контактов во столько же раз увеличивается и составляет . Для n-1-лучевого ротора скорость вращения уменьшается в n-1 раз и время замкнутого состояния контактов увеличивается до . Таким образом, применение n+1 или n-1-лучевого ротора соответственно в n+1 или n-1 раз увеличивает время замкнутого состояния лучей ротора с n проводящими секторами статора по сравнению с однолучевым ротором, что упрощает процесс дискретной коммутации и повышает его надежность и функциональность.
Так, для 4-секторного статора-кольца увеличение времени замкнутого состояния контактов возрастает соответственно в 5 и 3 раза для прямой и обратной дискретной коммутации.
Выводы. Технический результат
1. Использование n+1 или n-1-лучевого ротора вращающегося коммутатора, где n - число проводящих секторов статора, снижает частоту вращения ротора соответственно в n+1 или в n-1 раз по сравнению с частотой вращения однолучевого ротора при той же частоте коммутации. В первом случае последовательность коммутации идет в прямом, а во втором - в обратном направлении относительно направления вращения ротора.
2. Многократное снижение частоты вращения ротора коммутатора весьма существенно для устранения механического износа скользящих контактов, тепловыделения, вибраций и динамических нагрузок на подшипники.
3. Ротор в виде правильной многолучевой звезды самоуравновешен, в отличие от однолучевой, что конструктивно обеспечивает балансировку ротора.
4. Малая частота вращения n+1 или n-1-лучевого ротора коммутатора увеличивает время замкнутого состояния лучей ротора с n проводящими секторами статора при дискретной коммутации соответственно в n+1 или в n-1 раз и, следовательно, увеличивает продолжительность подключения каждой цепи, что повышает функциональность, простоту и надежность процесса коммутации.
5. При одном полном цикле коммутации (однократном последовательном переключении всех цепей) n+1 или n-1-лучевого ротора токовая нагрузка воспринимается не одним, а многими лучами. Следовательно, джоулево тепловыделение и температурный уход электрических характеристик многолучевого ротора будут в n+1 или в n-1 раз меньше, чем однолучевого.
Использованная литература
1. К.У.Гэтленд. Развитие управляемых снарядов. М., 1956 (прототип).
2. В.Е.Ютт. Электрооборудование автомобилей. М., 2009.
3. Р.Демидович. Система зажигания легковых автомобилей. Минск, 1998.
4. Е.П.Угрюмов. Цифровая схемотехника. СПб., 2007.
5. Свияженинов Е.Д. Распределитель зажигания двигателя внутреннего сгорания. Патент РФ на изобретение №2362242. Приоритет 21.05.2008. Опубл. БИ №20 20.07.2009. Кл. H01R 39/60 (2006.01), F02P 7/02 (2006.01), F02P 5/02 (2006.01).