Щеточно-контактный аппарат для генераторов большой мощности
BRUSHGEAR FOR HIGH POWER GENERATORS

Предлагаемое изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано при проектировании электрических машин.
По данным РАО ЕАС России большинство поломок генераторов, составляющих 25% от всех неисправностей, приходится на неисправность  щеточно-контактного аппарата (ЩКА) [Плохов И.В., Исаков А.И. Способ уменьшения искрения ЩКА. Известия ТулГУ Технические науки. 2012. Вып.12, ч.2. стр. 342-348]. Поэтому возникает необходимость  повысить надежность работы узла ЩКА и генератора в целом.
Известен
Патент
щеточно-контактный аппарат электрической машины [№191789], технический результат которого заключается в улучшении эксплуатационных показателей изделия. Он достигается тем, в конструкции ЩКА электрической машины, на наружной поверхности контактных колец выполнена винтовая нарезка, которая имеет профиль в виде упорной резьбы, при этом винтовая нарезка одного кольца выполнена почасовой стрелке, а другого – против часовой стрелки.
Однако, контактное усилие между щетками и кольцом меняется и может привести к неисправности ЩКА.
Известен
Патент
щеточно-контактный аппарат [ №2347305], в котором решение проблемы снижения сопротивления скользящего контакта достигается с помощью использования металла с низким сопротивлением.
Однако данное решение достаточно сложное по конструкции и применимо для тихоходных электрических машин достаточно большой мощности.
Известно описание
принятое за прототип
щеточно-контактный аппарат (ЩКА) [Вольдек А.И., Попов В.В. Электрическая машина. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы: Учебник для втузов.-СПб: Питер. 2008.-320 с.], , в котором ЩКА генератора состоит из контактного кольца, расположенного на роторе, и нескольких групп щеток, расположенных в щеткодержателях на статоре генератора. За счет прижимных сил, действующих на щетки, обеспечивается механический контакт щетки с кольцом.
Одна из причин выхода из строя ЩКА следующая. В процессе работы генератора щетки стираются, появляется зазор между кольцом и щеткой, контактное усилие уменьшается. В этом случае возможно возникновение искрения, вызывающее выгорание контактной поверхности щеток.
Помимо ухудшения параметров контактного слоя щеток, искрение может привести к круговому огню – аварийному работы ЩКА, выводящему из строя генератор  [Качан С.И., Качан О.С. Моделирование процессов износа электрических щеток универсальных электродвигателей с учетом механических факторов//Электричество, 2000. №12, с. 68-70].
Задачей (техническим результатом) заявляемого устройства
является обеспечение постоянного контактного усилия между щеткой и кольцом на роторе, что увеличит срок службы щеточно-контактного аппарата, улучшения эксплуатационных показателей устройства.
Поставленная задача
достигается тем, что в щеточно-контактный аппарат, содержащий группу щеток, расположенных в щеткодержателях на статоре генератора, которые с помощью пружин сжатия прижимаются к контактному кольцу, расположенному на роторе,  в каждую группу щеток вводится по две упругих согнутых полуволной пластин, выполняющих роль корректоров упругих сил пружин сжатия, один конец пластин крепится неподвижным шарниром на статоре, а второй конец пластины крепится шарнирно к подвижному концу пружины сжатия.
На Фиг.1 приведена принципиальная схема одной группы ЩКА.
На Фиг.2 показаны активные силы действующие на щетку.
На Фиг.3 показано начальное положение щетки (x=0).
На Фиг.4 показано перемещение щетки на 2 см (x=2 см).
На Фиг. 5 показано перемещение щетки на 3 см  ( x=3 см).
Предлагаемое устройство (Фиг.1а) содержит
щетку 1, которая помещена в щеткодержатель 2, закрепленный на статоре генератора. Щетка 1 с помощью пружины сжатия 3 прижимается к контактному кольцу 4.
В устройство введены две упругих согнутых полуволной пластин 5, выполняющих роль корректоров упругих сил пружины сжатия 3, один конец пластин крепится неподвижным шарниром на статоре, а второй конец пластины крепится шарнирно к подвижному концу пружины сжатия 3.
Устройство работает следующим образом.
На фиг.1a показано начальное положение устройства, когда щетку 1 поставили в щеткодержатель 2. В этом случае распорные силы упругих пластин направлены перпендикулярно к пружине сжатия. Поэтому на щетку действует только вертикальная сила пружины сжатия. При стирании щетки пружина начнет растягиваться, упругая сила будет уменьшаться,   а пластины начнут поворачиваться вокруг неподвижного шарнира (Фиг.1б). Распорное   усилие пластин будет давать проекцию на ось пружины сжатия (Фиг.2). Эта сила будет компенсировать потерю упругой силы пружины. Таким образом, можно добиться постоянного усилия в вертикальном направлении, а значит обеспечить постоянное усилие между щеткой и кольцом на роторе генератора.
В конечном положении, когда пружина полностью растянута, проекции усилия пластин на ось пружины должна равняться усилию пружины сжатия в начальный момент . Из этого условия находим необходимое распорное усилие пластины . Зная  необходимое усилие пластин, находим  необходимый конечный угол  между линией действия усилия пластины  и пружиной сжатия:
,
где – жесткость пружины сжатия, – начальная деформация пружины сжатия, – конечный угол между линией действия усилия и пружиной сжатия.
Таким образом определится положение неподвижного шарнира, которым крепится пластина.
Пример реализации устройства.
Изготовлен макет щеточно-контактного аппарата, в котором усилие на щетку остается во все время работы генератора постоянным и равным 1.1кГ при срабатывании щетки на 3 см. Выбрана пружина длиной 6 см и жесткостью 0.37 кГ/см. При постановке щетки пружина сжимается на 3 см.
Упругая пластина выбрана из условия, чтобы конечный угол между линией действия усилия  и пружиной    составлял  600 градусов. Тогда, используя условие равенства проекции сил на щетку по вертикале в конечный момент (пружина полностью расслаблена) значению упругой силе
, необходимое усилие в одной пластине должно быть     s=1.1 кГ.
Проекция всех активных сил на вертикаль в текущей момент равна:
,
где  – величина, на которую стирается щетка.
Значения этой проекции при трех моментах времени составит:
Начальное положение:
при  см,  получаем кГ,
при см,  , получаем   кГ,
при см,  ,  получаем  кГ.
Таким образом, контактное усилие практически остается постоянным за все время стирания щетки. Измерение суммарного усилия по вертикали динамометром подтвердило постоянство контактного усилия.
На Фиг.3  перемещения щетки нет ( см). На Фиг.4  перемещение щетки равно 2см (  см). На Фиг.5 перемещение щетки 3 см (см).
Контактное усилие во всех случаях равно 1,1 кГ.