ЩЕТОЧНО-КОЛЛЕКТОРНЫЙ УЗЕЛ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
BRUSH-COLLECTOR UNIT OF ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к электромашиностроению, преимущественно к сильноточным высокоскоростным коллекторным электрическим машинам (КЭМ) с тяжелыми условиями коммутации.
При работе КЭМ неблагоприятное сочетание факторов механической, электрической и магнитной природы приводит к повышенному искрению в скользящем контакте щеточно-коллекторного узла, быстрому износу его деталей и, как следствие, к низкой надежности и сокращению срока службы КЭМ.
1
Известен щеточно-коллекторный узел (ЩКУ) электрической машины, основанный на применении многослойной щетки [Патент СССР на изобретение №9192, Класс 21 d, 64. Щетки для электрических коллекторных машин. / Н.М.Фетисов. - №12561; заявлено 18.11.1926; опубл. 31.05.1929]. Такой ЩКУ содержит коллектор, щеткодержатель и щетку, которая состоит из слоев двух или более материалов с различной электропроводностью, чередующихся в тангенциальном направлении. Щетка вставлена в обойму щеткодержателя и прижата системой нажатия к коллектору для создания скользящего контакта.
При работе КЭМ в процессе коммутации щетка периодически замыкает коммутируемую секцию обмотки якоря, создавая коммутируемый контур. На завершающем этапе коммутации при размыкании щеткой коммутируемой секции при повышенной плотности тока на сбегающем крае щетки возникает искрение в скользящем контакте.
Сопротивление щетки в тангенциальном направлении и сопротивление коммутируемого контура имеют большую величину вследствие того, что щетка выполнена многослойной [Копылов И.П. Электрические машины: учеб. для вузов / И.П.Копылов. - М.: Высш. шк.; Логос; 2000. - С.519]. При этом плотность тока в сбегающем крае щетки становится незначительной, что ограничивает степень искрения в скользящем контакте, возникающего с частотой коммутации (низкочастотная составляющая искрения).
Кроме того, изменение сопротивления в скользящем контакте происходит дискретно, и ток коммутируемого контура, обратно пропорциональный сопротивлению, на периоде коммутации в сбегающем крае щетки приобретает ступенчатую форму. По закону электромагнитной индукции резкие перепады тока наводят в коммутируемом контуре дополнительную реактивную ЭДС в виде импульсов. Эта ЭДС приводит к появлению высокочастотных импульсных составляющих плотности тока в сбегающем крае щетки и искрения. Частота этих составляющих на каждом периоде коммутации обусловлена количеством слоев щетки с чередующейся электропроводностью и линейной скоростью скольжения в контакте щетки с коллектором.
1
2
Достоинством известного устройства является допустимая степень искрения (например, 1 / балла) в скользящем контакте КЭМ за счет использования материалов щетки с переменной электропроводностью в тангенциальном направлении.
1
2
Недостатком этого устройства является ограниченный срок службы коллектора электрической машины. Это обусловлено слоистой структурой щетки с разной электропроводностью слоев, приводящей к дискретному изменению сопротивления в скользящем контакте, а значит и к ступенчатой форме тока коммутируемого контура. Резкие перепады тока на периоде коммутации наводят в коммутируемом контуре дополнительную реактивную высокочастотную импульсную ЭДС, порождающую увеличение частоты искрения. Увеличение частоты искрения повышает суммарную энергию искрения за период коммутации и, как следствие, сокращает срок службы щеток и коллекторных пластин. Так, при степени искрения 1 / балла появляются следы почернения на коллекторе, поэтому такая степень искрения является повышенной.
Другим недостатком этого устройства является так же высокий уровень электромагнитных помех при его использовании. Электромагнитные помехи являются следствием резких перепадов тока коммутируемого контура при его ступенчатой форме и появления высокочастотной импульсной ЭДС. Электромагнитные помехи в виде радиоволн распространяются в окружающее пространство и по проводам сети электропитания КЭМ. Это приводит к нарушению работы соседнего электротехнического оборудования.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению является решение, основанное на принципе использования силы Лоренца [А.С. №1667182 СССР, МКИ 5 H01R 39/40. Щеточно-коллекторный узел электрической машины. / Р.Ф.Бекишев, С.И.Качин и Р.X.Сайфутдинов (СССР); ТПИ (СССР). - №4676709/07; заявлено 11.04.1988; Опубл. 30.07.1991, Бюл. №28].
Щеточно-коллекторный узел электрической машины содержит коллектор, обойму щеткодержателя, щетку, систему нажатия для создания скользящего контакта щетки с коллектором и прижимное устройство для прижатия щетки к обойме щеткодержателя.
Щетка установлена в обойме щеткодержателя и прижата в радиальном направлении к коллектору системой нажатия для создания скользящего контакта.
Стенки обоймы щеткодержателя, перпендикулярные оси вращения коллектора, выполнены в виде разнополярных полюсов магнита и являются прижимным устройством. Щетка при этом находится в магнитном поле, имеющем аксиальное направление. Полярность полюсов магнита определена из условия совпадения направления вектора силы Лоренца, возникающей при работе, с направлением скорости вращения в сторону сбегающего края щетки.
Северный полюс магнита расположен у петушковой части коллектора при направлении тока от щетки к коллектору и направлении вращения коллектора по часовой стрелке со стороны его петушковой части или при направлении тока от коллектора к щетке и направлении вращения коллектора против часовой стрелки. Южный полюс магнита расположен у петушковой части коллектора при направлении тока от щетки к коллектору и вращении коллектора против часовой стрелки со стороны его петушковой части или при направлении тока от коллектора к щетке и вращении коллектора по часовой стрелке.
Устройство работает следующим образом.
При работе КЭМ на холостом ходу сила тока в щетке равна нулю и сила Лоренца F прижатия щетки в тангенциальном направлении к стенке обоймы щеткодержателя отсутствует.
При работе КЭМ с нагрузкой проходящий по щетке электрический ток перпендикулярен магнитным силовым линиям и взаимодействует с магнитным полем, создавая силу Лоренца F, вектор которой направлен в сторону сбегающего края щетки. Благодаря такому направлению действия силы Лоренца F задняя лицевая грань щетки прижимается к задней стенке обоймы щеткодержателя без механического контактного воздействия. При этом щетка занимает устойчивое торцовое положение в обойме щеткодержателя, сохраняя высокие динамические свойства при перемещении в радиальном направлении.
Линии тока в щетке под действием силы Лоренца отклоняются в тангенциальном направлении, создавая в этом направлении неравномерное распределение плотности тока по контактной поверхности щетки. Распределение плотности тока по контактной поверхности щетки происходит плавно без резких скачков в пространстве и во времени. Искрение под сбегающим краем щетки возникает с низкой частотой коммутации и обусловлено низкочастотной составляющей реактивной электродвижущей силы без влияния дополнительной высокочастотной импульсной реактивной электродвижущей силы.
Достоинство описанной конструкции заключается в обеспечении электромагнитной совместимости с соседним электротехническим оборудованием за счет низкого уровня электромагнитных помех при ее использовании, обусловленного исключением высокочастотных скачков его электрического сопротивления в период коммутации.
Однако на срок службы щеток и коллектора электрической машины влияет наличие в скользящем контакте низкочастотной составляющей искрения с частотой коммутации, что является недостатком известного устройства. Это обусловлено направлением силы Лоренца именно в сторону сбегающего края щетки. При таком ее направлении поток заряженных частиц, образующих электрический ток в щетке, смещается в теле щетки к ее сбегающему краю, увеличивая в этом крае плотность тока. На завершающем этапе коммутации повышенная плотность тока в сбегающем крае щетки приводит к значительному току разрыва коммутируемой секции и повышенной степени низкочастотного искрения в скользящем контакте, что снижает надежность работы ЩКУ и приводит к снижению срока службы КЭМ.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании щеточно-коллекторного узла КЭМ с высоким сроком службы щеток и коллектора электрической машины, обусловленным устранением низкочастотной составляющей искрения с частотой коммутации благодаря исключению тока в сбегающем крае щетки путем изменения направления смещения потока заряженных частиц в щетке.
Для решения задачи в щеточно-коллекторном узле электрической машины, содержащем коллектор, обойму щеткодержателя, щетку, установленную в обойме щеткодержателя, систему нажатия для создания скользящего контакта щетки с коллектором и прижимное устройство для прижатия щетки к обойме щеткодержателя, у которого стенки, перпендикулярные оси вращения коллектора, выполнены в виде полюсов магнита, а стенки, параллельные оси вращения коллектора, выполнены из немагнитного материала, полюса магнита расположены из условия направления вектора силы Лоренца, возникающей при работе, в сторону набегающего края щетки.
При этом южный полюс магнита расположен у петушковой части коллектора при направлении тока от щетки к коллектору и вращении коллектора по часовой стрелке со стороны его петушковой части или при направлении тока от коллектора к щетке и вращении коллектора против часовой стрелки, а северный полюс магнита расположен у петушковой части коллектора при направлении тока от щетки к коллектору и вращении коллектора против часовой стрелки или при направлении тока от коллектора к щетке и вращении коллектора по часовой стрелке.
Заявляемое решение отличается от прототипа установкой полюсов магнита относительно краев щетки и петушковой части коллектора, которые выбраны из условия направления вектора силы Лоренца, возникающей при работе, в сторону набегающего края щетки. Наличие существенных отличительных признаков в совокупности существенных признаков, характеризующих заявляемое решение, свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Расположение полюсов магнита относительно краев щетки и петушковой части коллектора, выбранного из условия направления вектора силы Лоренца, возникающей при работе, в сторону набегающего края щетки, приводит к увеличению срока службы щеток и коллектора электрической машины.
Это обусловлено тем, что благодаря расположению полюсов магнита относительно краев щетки и петушковой части коллектора, выбранного из условия направления вектора силы Лоренца, возникающей при работе, именно в сторону набегающего края щетки, эта сила смещает поток заряженных частиц, образующих ток в щетке, от ее сбегающего края щетки к ее набегающему. Смещение потока заряженных частиц приводит к уменьшению до нуля плотности тока в сбегающем крае щетки и исключению на завершающем этапе коммутации тока разрыва коммутируемой секции, что в свою очередь исключает как высокочастотное, так и низкочастотное искрение с частотой коммутации в скользящем контакте. Исключение искрения в скользящем контакте обеспечивает работу щеток и коллектора КЭМ без электроэрозионного износа, что повышает срок службы щеток и коллектора электрической машины.
Причинно-следственная связь «расположение полюсов магнита относительно краев щетки и петушковой части коллектора, выбранного из условия направления вектора силы Лоренца, возникающей при работе, в сторону набегающего края щетки, приводит к увеличению срока службы щеток и коллектора электрической машины» для специалиста явным образом не следует из уровня техники, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На фиг.1 показан общий вид заявляемого щеточно-коллекторного узла с угловым разрезом при расположении северного полюса магнита 7 у петушковой части 2 коллектора 1, где обозначены: I - направление тока в щетке 3, В - вектор индукции магнитного поля, F - сила Лоренца, V - направление вращения коллектора.
На фиг.2 показан общий вид заявляемого щеточно-коллекторного узла с угловым разрезом при расположении южного полюса магнита 8 у петушковой части 2 коллектора 1, где обозначены I - направление тока в щетке, В - вектор индукции магнитного поля, F - сила Лоренца, V - направление вращения коллектора.
Щеточно-коллекторный узел содержит коллектор 1 с петушковой частью 2, щетку 3, установленную в щеткодержатель 4. Обойма щеткодержателя 4 выполнена в виде электромагнита с магнитопроводом 5, обмоткой 6, северным (N) 7 и южным (S) 8 полюсами.
Перпендикулярные оси вращения коллектора 1 стенки обоймы щеткодержателя 4 образованы полюсами 7 и 8. Параллельные оси вращения коллектора 1 стенки 9 и 10 обоймы щеткодержателя 4 выполнены из немагнитного материала и скреплены с полюсами 7 и 8.
Направление вращения V коллектора определяет расположение набегающего края щетки 3 и вместе с направлением тока I в щетке 3 - ориентацию полюсов 7 и 8 относительно петушковой части 2 коллектора 1.
Северный полюс 7 расположен у петушковой части 2 коллектора 1 при направлении тока I от щетки 3 к коллектору 1 и направлении вращения V коллектора 1 против часовой стрелки со стороны его петушковой части 2 или при направлении тока I от коллектора 1 к щетке 3 и направлении вращения V коллектора 1 по часовой стрелке со стороны его петушковой части 2.
Южный полюс 8 расположен у петушковой части 2 коллектора 1 при направлении тока I от щетки 3 к коллектору 1 и направлении вращения V коллектора 1 по часовой стрелке со стороны его петушковой части 2 или при направлении тока I от коллектора 1 к щетке 3 и направлении вращения V коллектора 1 против часовой стрелки со стороны его петушковой части 2.
Расположение полюсов 7 и 8 магнита определяется полярностью подключения обмотки 6 к источнику электроэнергии (на фиг. не показан).
Работа устройства раскрыта в примерах 1, 2, 3, 4.
В примере 1 в щеточно-коллекторном узле северный полюс 7 магнита расположен у петушковой части 2 коллектора 1, ток I направлен от щетки 3 (сплошная линия стрелки) к коллектору 1 и коллектор 1 вращается в направлении V против часовой стрелки (сплошная линия стрелки) (фиг.1).
Система нажатия (на фиг. не показана) прижимает щетку 3 к коллектору 1 с силой Р, создавая электрический контакт между ними. При вращении коллектора 1 этот контакт становится скользящим. На холостом ходу КЭМ ток I в щетке отсутствует, процесс коммутации тока и образование искрения под сбегающим краем щетки 3 не происходит.
При включении КЭМ под нагрузку по щетке 3 в радиальном направлении от щетки 3 к коллектору 1 течет ток I. Между полюсами электромагнита 7 и 8 создается магнитное поле В, направленное от северного полюса 7 к южному полюсу 8, которое сосредоточено в основном в теле щетки 3 благодаря немагнитным свойствам стенок 9 и 10 обоймы.
Магнитное поле В имеет аксиальное направление в теле щетки 3, а ток I в щетке 3 представляет собой поток заряженных частиц, движущихся в радиальном направлении. При этом со стороны магнитного поля В на движущиеся перпендикулярно ему заряды действует сила Лоренца F (сплошная линия стрелки), направленная в сторону набегающего края щетки 3 (правило «левой руки»).
Такое направление силы Лоренца F отклоняет поток заряженных частиц, образующих ток I в щетке 3, в тангенциальном направлении от сбегающего к набегающему краю щетки 3, исключая ток в сбегающем крае щетки 3. Завершающий этап периода коммутации происходит без тока разрыва коммутируемой секции. Отсутствие тока разрыва приводит к исключению в сбегающем крае скользящего контакта щетки 3 с коллектором 1 как высокочастотной, так и низкочастотной составляющей искрения с частотой коммутации, что создает благоприятные условия для работы щетки 3 и коллектора 1 без их электроискровой эрозии. Исключение искрения в скользящем контакте в свою очередь приводит к повышению срока службы щеток 3 и коллектора 1 электрической машины.
В примере 2 (фиг.1) в щеточно-коллекторном узле северный полюс 7 магнита расположен у петушковой части 2 коллектора 1, ток I направлен от коллектора 1 к щетке 3 (пунктирная линия стрелки), и коллектор 1 вращается в направлении V по часовой стрелке (пунктирная линия стрелки).
Устройство работает так, как описано в примере 1, при этом сила Лоренца F (пунктирная линия стрелки) направлена в сторону набегающего края щетки 3.
В примере 3 (фиг.2) в щеточно-коллекторном узле южный полюс 8 магнита расположен у петушковой части 2 коллектора 1, ток I направлен от щетки 3 к коллектору 1 (сплошная линия стрелки) и коллектор 1 вращается в направлении V по часовой стрелке (сплошная линия стрелки).
Устройство работает так, как описано в примере 1, при этом сила Лоренца F (сплошная линия стрелки) направлена в сторону набегающего края щетки 3.
В примере 4 (фиг.2) в щеточно-коллекторном узле южный полюс 8 магнита расположен у петушковой части 2 коллектора 1, ток I направлен от коллектора 1 к щетке 3 (пунктирная линия стрелки) и коллектор 1 вращается в направлении V против часовой стрелки (пунктирная линия стрелки).
Устройство работает так, как описано в примере 1, при этом сила Лоренца F (пунктирная линия стрелки) направлена в сторону набегающего края щетки 3.
1
2
Проверка работы устройства проводились в лаборатории «Электрические машины» ДВГУПС на КЭМ типа П11 с номинальными напряжением U=75 В, током I=4,2 А, частотой вращения n=1740 об/мин в генераторном режиме. В этой КЭМ применены щетки марки ЭГ-14 с размерами 8×10×24 мм. При испытаниях серийной КЭМ степень искрения в скользящем контакте на сбегающем крае щетки составила 1 /. В процессе испытания выявлено появление следов почернения на коллекторе, а также следов нагара на щетках, что сокращает срок службы щеток и коллектора.
Для проверки работы заявляемого щеточно-коллекторного узла электрической машины на каждую щетку КЭМ вместо серийной обоймы щеткодержателя была установлена обойма щеткодержателя в виде электромагнита с магнитной индукцией В=0,3 Тл между его полюсами. Степень искрения в скользящем контакте на сбегающем крае щетки составила 1.
Снижение степени искрения на сбегающих краях щеток КЭМ в заявляемом устройстве по сравнению с устройством-прототипом увеличивает срок службы щеток и коллектора.