СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ БИЕНИЯ И ОВАЛЬНОСТИ КОЛЛЕКТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
METHOD TO MEASURE RUNOUT AND OUT-OF-ROUNDNESS OF COMMUTATORS

Изобретение относится к способам для измерения и определения биения и овальности коллектора электрических машин, в частности вспомогательных электрических машин подвижного железнодорожного состава.
Известен способ, реализованный устройством для измерения износа и биения контактных колец автотракторных генераторов (патент RU № 2163349, МПК C01B 3/22, 2001), заключающийся в том, что измерения осуществляют при повороте вала на заданный угол индицирующей частью измерителя, относительно базовой поверхности коллектора. Известный способ является наиболее близким по технической сущности к заявляемому в качестве изобретения техническому решению, что позволяет выбрать его за прототип.
Недостатком прототипа является невысокая точность измерения биения и овальности коллектора.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в повышении точности измерения биения пластин коллектора и овальности коллектора.
Поставленная задача решается тем, что известный способ измерения биения и овальности коллектора электрических машин, имеющего N пластин, заключающийся в том, что измерения осуществляют при повороте вала на заданный угол индицирующей частью измерителя, относительно базовой поверхности якоря согласно предлагаемому изобретению отличается тем, что якорь вращают с постоянной угловой частотой, в качестве индицирующей части измерителя применяют металлическую пластину, которая образует при вращении якоря последовательно с каждой из N контактных пластин коллектора измеритель-конденсатор, при этом индицирующую пластину базируют относительно базовой поверхности якоря электрической машины, к пластинам коллектора и к индицирующей пластине через щетки подводят синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой согласно формуле
где ω - угловая скорость вращения якоря;
N - количество контактных пластин коллектора,
а ток, протекающий через измеритель-конденсатор, модулируют по амплитуде пропорционально зазору между индицирующей пластиной и количеству пластин коллектора, а также пропорционально постоянной угловой скорости вращения якоря и количеству контактных пластин коллектора, а затем сравнивают эпюру тока и экстремальные значения огибающей модулированного сигнала с номинальными значениями, получая численные значения биения и овальности.
По имеющимся у авторов сведениям совокупность существенных признаков, - якорь вращают с постоянной угловой частотой, в качестве индицирующей части измерителя применяют металлическую пластину, которая образует при вращении вала последовательно с каждой из N контактных пластин якоря измеритель-конденсатор, при этом индицирующую пластину базируют относительно ротора электрической машины, к пластинам коллектора и к индицирующей пластине через щетки подводят синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой согласно формуле
где ω - угловая скорость вращения якоря;
N - количество контактных пластин коллектора;
а ток, протекающий через измеритель-конденсатор, модулируют по амплитуде пропорционально зазору между индицирующей пластиной и пластинами якоря, а также пропорционально постоянной угловой частоте и количеству пластин N якоря, а затем сравнивают эпюру тока и экстремальные значения огибающей модулированного сигнала с номинальными значениями в соответствующих частотных диапазонах и определяют биение пластин коллектора и овальность коллектора, - характеризующих сущность заявляемого изобретения, не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".
По мнению авторов, сущность заявляемого изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как составляющие его аналогичные технические решения не оказывают влияния на получаемый технический результат - повышение точности измерения биения пластин коллектора и овальности коллектора, - который отличает от прототипа заявляемое изобретение, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, в принципе может быть многократно использована в электротехнической промышленности и на железнодорожном транспорте с получением технического результата, заключающегося в повышении точности измерения биения пластин коллектора и овальности коллектора, за счет заявляемой совокупности признаков. Это позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".
Сущность изобретения поясняется приведенными чертежами, где на фиг.1 показана общая схема осуществления способа; на фиг.2 - увеличенное изображение пластин, составляющих измеритель-конденсатор; на фиг.3 - вид эпюр напряжений.
При осуществлении способа измерительная пластина 1 неподвижно закреплена опорным элементом 2 относительно базовой поверхности Б якоря электрической машины (фиг.1 и 2). Штатные коллекторные щетки 3 используются для подачи синусоидального измерительного сигнала к коллектору 4. Сигнал вырабатывается генератором 5. Генератор 5 совместно с датчиком тока 6, измерительной пластиной 1 и пластинами коллектора 7 образуют измерительную цепь. Измерительная пластина 1 и пластины коллектора 7 образуют емкостный конденсатор, включенный в измерительную цепь. Сигнал с датчика тока 6 регистрируется осциллографом 8.
Способ бесконтактного измерения биения и овальности коллектора основан на зависимости емкости плоского воздушного конденсатора от расстояния между его обкладками. Как известно, емкость плоского конденсатора определяется соотношением
0
где ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость;
S - площадь пластин;
d - расстояние между пластинами.
Из этого выражения следует, что емкость конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между его обкладками. В предлагаемом изобретении в качестве обкладок плоского воздушного конденсатора выступает поочередно каждая из пластин коллектора 7 электродвигателя и расположенная над ним измерительная пластина 1. Их совокупность с воздушным зазором образует емкостной датчик. Пластина 1 базируется относительно базовой поверхности Б якоря электрической машины. Таким образом, емкость конденсатора, образованного пластиной N коллектора 7 и измерительной пластиной 1, имеет обратную зависимость от расстояния между поверхностью пластины N коллектора 7 и измерительной пластины 1. В общем случае коллектор 7 электродвигателя имеет N контактов, тогда при использовании одной пластины существует N конденсаторов, образованных пластиной N и пластиной 1. Измеряя емкость каждого конденсатора можно вычислить относительную разность емкостей всех N конденсаторов.
Учитывая линейный характер зависимости емкости конденсатора от расстояния между пластиной 1 и пластинами N, можно оценить степень биения пластин N коллектора 7 относительно воображаемой средней цилиндрической поверхности. Для измерения емкости всех N конденсаторов ротор электрической машины должен вращаться с постоянной угловой скоростью ω=const.
Для обеспечения высокой скорости измерения описанным способом предлагается следующее решение. От источника 5 переменного тока G к пластинам N коллектора 7 через щетки 3 и к измерительной пластине 1 подводится синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой  Последовательно с генератором 5 включен датчик тока 6. В результате сигналом с датчика тока будет промодулированный по амплитуде сигнал генератора 5. Огибающая промодулированного сигнала несет в себе информацию о биении пластин N коллектора 7 относительно воображаемой средней цилиндрической поверхности, а так же об овальности коллектора. Разделение информации о биении пластин коллектора 7 и его овальности осуществляется по частотному признаку. Информация о биении пластин коллектора 7 содержится в частотной области  Информация об овальности коллектора содержится в частотной области  (эпюры D).