Контактное устройство для передачи электроэнергии между подвижными частями системы
CONTACT DEVICE FOR ELECTRICITY TRANSMISSION BETWEEN MOVABLE PARTS OF SYSTEM

Контактное устройство для передачи электроэнергии между подвижными частями системы относится к электротехнике и энергетике, в частности к устройствам, которые обеспечивают непрерывную передачу энергии между отдельными блоками одного объекта, установленными с возможностью перемещения относительно друг друга, и находит применение в приборах и машинах, являющихся продукцией машиностроения, приборостроения, робототехники и других отраслей. Оно может быть использовано при проектировании сложных, высокоэкономичных, надежных механизмов и машин, а также в автоматизированных системах управления технологическими процессами, где необходимо передавать электроэнергию и электрические сигналы между движущимися друг относительно друга частями машины или оборудования.
Известно токосъемное устройство (см. Авт. свидетельство СССР №936125), содержащее неподвижную и выполненную чередующимися выступами и впадинами вращающиеся части, токосъемные элементы, установленные подвижно к выступам вращающейся части с возможностью контактирования с последними постоянно, по крайней мере одного элемента, а токосъемные элементы выполнены в виде двухплечих коромысел, закрепленных на неподвижной части с возможностью вращения, при этом одно плечо каждого коромысла электрически соединено с неподвижной частью. А другое плечо и выступ вращающейся части выполнены с возможностью эвольвентного зацепления друг с другом.
Недостатком его является сложность изготовления и механической настройки устройства при основном недостатке - наличии трущихся поверхностей, обеспечивающих электрический контакт.
Известен «Способ контроля токораспределения по комплектам щеток узла токосъема электрической машины и устройство для его осуществления» по патенту №2178609, по которому через пары измерительных проводников регистрируют падения напряжений на контрольных участках электрических цепей токоведущих шин. Регистрируют последовательно по замкнутому циклу для каждой токоведущей шины падения напряжения сначала на контрольном участке между началом токоведущей шины и первым комплектом щеток, затем на контрольном участке между последним комплектом щеток и концом каждой токоведущей шины, а после каждого описанного цикла регистрации вычисляют величины токов, потребляемых от токоведущих шин комплектами щеток.
Недостатком устройства является то, что измерения проводятся при наличии скольжения контактов (и как следствие изменения их омического сопротивления), что может приводить к существенному искажению результатов контроля
Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТОКОСЪЕМА (см. патент №2 309 497). Токосъемное устройство содержит, по меньшей мере, одну контактную пару со скользящим контактом в виде щетки и токосъемного кольца, установленные соответственно на корпусе и валу, средство сбора продуктов износа контактной пары, выполненное в виде, по меньшей мере одного источника магнитного поля, закрепленного на корпусе с зазором относительно контактной пары, и вращающегося вала с кольцом контактной пары и магнитопроводящего кожуха, закрепленного снаружи на корпусе, в котором выполнены окна вблизи контактной пары и источника постоянного магнитного поля.
Недостатком его является то, что оно требует больших затрат на подбор дорогостоящих материалов для изготовления элементов контактной пары и дополнительной оснастки для устранения продуктов износа из зоны контакта. Так же для создания надежного контакта (для малого сопротивления контакта при передаче больших токов) требуется значительное усилие прижима, что снижает КПД установки.
Признаками аналогов и прототипа, совпадающими с существенными признаками заявленного изобретения, является наличие контактов, прикрепленных к соответствующим частям объекта, и прижатых друг к другу для обеспечения надежного электрического контакта между движущимися частями объекта.
Причиной, препятствующей получению технического результата, является наличие трения между подвижной и неподвижной частями контактов, которое приводит к повышенному и нестабильному сопротивлению контактной пары, высоким требованиям к механико-физическим свойствам материалов, из которых изготавливают контакты контактной пары, сокращению срока службы и повышенному износу контактов, перегреву объекта и снижению КПД системы, из-за необходимости преодоления сил трения.
Задачей заявляемого изобретения является создание устройства для передачи электроэнергии между подвижными частями объекта, обеспечивающего высокое качество контакта и длительный срок службы его.
Это достигается путем того, что для уменьшения переходного сопротивления контактных пар, уменьшения износа контактов и уменьшения переходного сопротивления контактных пар, скольжение или качение в них заменено на процесс «шагания» одного контакта пары по другому контакту этой пары.
Суть изобретения заключается в том, что контактная пара создана из нескольких щеток, находящихся на одной части объекта, часть которых (первая группа) прижата к токопроводящей ленте, формирующей контактное поле второй части объекта, движущейся относительно первой по заданной траектории, а другая отжата. Через фиксированный интервал времени другая группа контактов первой части объекта прижимается к токопроводящей ленте второй части объекта, а первая группа отжимается от нее и возвращается в исходное положение на траектории движения контактной пары. Причем отключение текущей группы происходит после полного установления контакта с токопроводящей лентой другой группы. Процедура повторяется до окончания работы устройства. Это обеспечивает постоянный электрический контакт между движущимися друг относительно друга частями объекта без трения контактов между собой.
Технический результат заключается в существенном снижении требований к качеству изготовления контактных площадок контактов контактных пар и физическим и химическим свойствам материалов, из которых они изготавливаются, существенном удлинении сроков эксплуатации контактных пар без ухудшения их характеристик, уменьшению мощности потерь между трущимися частями объекта и снижению температуры контакта в процессе эксплуатации.
При исследовании патентной и другой научно-технической информации заявителем не были обнаружены источники, в которых были бы приведены сведения о технических решениях, содержащих совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства. При этом известны технические решения, содержащие отдельные признаки заявляемого объекта, однако свойства и эффект, которые указанные признаки сообщают этим объектам, иные, чем в предлагаемом решении, поэтому указанные отличия являются существенными.
Возможность осуществления изобретения подтверждается тем, что авторами проведено полунатурное моделирование процессов измерения и отдельных узлов устройства.
На фиг. 1 приведен пример структурной схемы устройства, на котором поясняются особенности реализации двух контактных устройств для передачи электрической энергии между генератором и нагрузкой, находящимися, соответственно, на неподвижной и подвижной частях устройства, где:
1 - неподвижная часть устройства (станина),
2 - подвижная часть устройства (шток),
3 - синхронизатор,
4-1 и 4-2 - щетки (в общем случае их может быть более двух), обеспечивающие контакт одной контактной пары,
5-1 и 5-2 - щетки (в общем случае их может быть также несколько), обеспечивающие контакт другой контактной пары,
6-1 и 6-2 - токопроводящие ленты (в общем случае их должно быть столько, сколько контактных пар используется в устройстве), прикрепленные к поверхности штока 2, расположенные в направлении перемещения штока относительно станины 1,
7 - генератор (источник электроэнергии), расположенный, на одной из частей устройства, например, на станине,
8 - нагрузка (потребитель энергии), расположенный на другой части устройства, например, на штоке,
9 - корпус щетки, который закреплен в пазе станины так, что имеет одну степень свободы, и имеет возможность перемещаться параллельно движению штока на расстояние 1,
10 - формирователь прижимного усилия, который через рычаг 11 по команде синхронизатора осуществляет прижим наконечника 12 щетки к ленте 6,
11 - рычаг, выполненный из непроводящего материала, который передает прижимное усилие,
12 - наконечник это контактная, электропроводящая часть щетки, которая непосредственно прижимается к токопроводящей ленте, расположенной на другой части устройства и к которой непосредственно подключены токопроводящие проводники от генератора (или нагрузки),
13 - демпфирующие пружинки обеспечивающие возврат щетки в исходное состояние после отрыва ее от движущейся ленты,
14 и 15 - формирователи управляющих импульсов, которые формируют фазу и длительность управляющих импульсов для коммутации щеток.
На фиг. 2 приведены временные диаграммы работы контактного устройства, на которой приведены следующие обозначения, где:
16 и 17 - тактовые серии с выхода синхронизатора, 18 и 19 - импульсы управления на выходе формирователей 14 и 15.
20 и 21 - состояние контакта между наконечником щетки и электропроводной лентой (высокий уровень - разрыв контакта, низкий уровень - наличие контакта),
22 - зависимость изменения омического сопротивления контакта в процессе формирования контакта,
Т - период следования импульсов синхронизации,
t - длительность управляющих импульсов,
1
t - длительность заднего фронта управляющих импульсов,
2
t - длительность переднего фронта управляющих импульсов.
На фиг. 3 приведен пример расположения щеток в устройстве для расчета характеристик контактного устройства.
Каждое контактное устройство состоит из нескольких (не менее двух) щеток 4-1 и 4-2 или 5.1 и 5.2, закрепленных на одной части устройства (станине 1), и электропроводящей ленты 6-1 или 6-2, закрепленной на другой части устройства (штоке 2), которая движется относительно первой. Щетки состоят из корпуса 9, в котором установлен формирователь прижимного усилия 10, к которому одним концом прикреплен рычаг 11, на втором конце которого установлен наконечник 12 так, чтобы он находился над проводящей лентой 6-1 или 6-2 и мог либо прижиматься к ней и перемещаться в направлении движения вместе с корпусом щетки, либо отрываться от движущейся ленты и возвращаться в исходное положение. Корпус 9 щетки установлен в пазу станины 1 длиной 1 таким образом, чтобы иметь возможность перемещения на дистанцию 1/2 в направлении движения штока 2 и на такую же в противоположном. Посередине длины паза корпус щетки удерживается демпфирующими пружинами 13.На станине 1 расположен синхронизатор 3, прямой и инверсный выходы которого через формирователи 14 и 15 подключены к входам формирователей 10 соответствующих щеток 4-1 и 5-1, 4-2 и 5-2 гибкими проводниками. Наконечники 12 щеток 4-1 и 4-2 объединены гибким проводником и гибким проводником подключены к одному из выходов источника энергии 7. К другому выходу которого подключены также гибким проводником объединенные наконечники щеток 5-1 и 5-2. Токопроводящие ленты 6-1 и 6-2 закреплены на штоке 2, так чтобы они перемещались вместе со штоком в направлении движения штока 2. Наконечники 12 щеток 4-1 и 4-2 расположены над лентой 6-1, а наконечники щеток 5-1 и 5-2 расположены над лентой 6-2. Ленты 6-1 и 6-2 подключены к соответствующим выходам нагрузки 8.
Работа контактных устройств осуществляется в соответствии с временной диаграммой и в следующей последовательности и (см. фиг. 2).
1
2
В исходном состоянии осуществляют подключение нагрузки 8 на штоке 2 к источнику энергии 7, находящемуся на статоре 1 через две контактные пары. Одна пара - это щетки 4-1 и 4-2 с лентой 6-1, а другая - щетки 5-1 и 5-2 с лентой 6-2 (фиг. 1). При этом обе группы щеток в каждой контактной паре находятся каждая на своей позиции по траектории движения штока 2 в отключенном состоянии. Команды управления состоянием щеток вырабатывает синхронизатор 3 и через формирователи 14 и 15 управляющих импульсов подает их на формирователи 10 прижимного усилия для механизмов прижатия и размыкания контактов. По команде включения контактных пар первая группа щеток 4-1 и 5-1 (контактов станины) каждой контактной пары прижимается к соответствующей движущейся ленте-проводнику штока 2, и они движутся по его траектории совместно с ним в течение времени t, после чего по команде синхронизатора 3 прижимается к соответствующей движущейся ленте-проводнику штока 2 вторая группа контактов 4-2 и 5-2. При этом движение, в прижатом к штоку состоянии, продолжают обе группы контактов в течение короткого времени t+t, для обеспечении стабильного контакта контактной пары. После этого первая группа щеток отключается (отжимается) от движущегося подвижного контакта (штока), и возвращается на исходную позицию пружинкам 13. Через интервал времени t по команде от синхронизатора 3 первая группа щеток прижимается к движущейся ленте-проводнику штока и они движутся по его траектории совместно с ним, а через короткий интервал времени t1+t2 вторая группа контактов отключается от движущейся ленты-проводника штока и возвращается на исходную позицию. Через интервал времени t вторая группа контактов прижимается к движущемуся подвижному контакту. Таким образом, в зависимости от наличия сигнала управления наконечник щетки толи прижимается к токопроводящей ленте (то есть к движущемуся штоку) и щетка движется вместе с лентой в направлении движения штока, толи отжимается от нее и под воздействием демпфирующих пружин щетка возвращается на исходную позицию вслед за корпусом.
В дальнейшем синхронизатор 3 повторяет циклы попеременного переключения щеток до прихода на синхронизатор 3 команды окончания работы. После этого он дает команду на общее отключение щеток от подвижных контактов ротора, тем самым размыкая электрические цепи между источником энергии 17 и нагрузкой 16. При движении штока 2 в противоположном направлении алгоритм работы остается прежним, но щетки, прижимаясь к токопроводящей ленте, движутся также в противоположном направлении и возвращаются в исходное состояние уже под действием другой пружинки 13. Если шток не перемещается относительно станину, то щетки, оставаясь на месте, попеременно подключаясь (с перекрытием) к соответствующим токопроводящим лентам создают постоянные надежные контакты.
На фиг. 3 приведен фрагмент устройства с одной контактной парой между станиной и штоком.
Скорость, с которой перемещается шток относительно станины в прямом или противоположном направлении определяется по формуле:
а предельная скорость штока по формуле:
где
L - длина хода штока относительно станины,
l - длина паза, в котором перемещается щетка (свободный ход щетки в одном направлении около 112, если пренебречь размерами корпуса),
M
V и V - скорость и предельная скорость перемещения штока относительно станины, соответственно, в прямом и противоположном направлении,
M
f и f - частота и предельная частота переключения щеток, равная 1/Т, где Т - интервал времени между прижимом наконечника щетки к токоведущей дорожке и следующим прижимом, который возникает после прерывания контакта на время установленное синхронизатором.
Из формулы (2) следует, что скорость перемещения штока ограничивается лишь частотой переключения щеток и это необходимо учитывать при проектировании контактного устройства.
Так как один синхронизатор используется для обслуживания любого количества контактных пар, находящихся в устройстве, то некоторое увеличение аппаратных затрат полностью компенсируется существенным улучшением качества контактных пар.
Качество контакта, его омическое сопротивление, надежность, долговечность и т.п. можно улучшить путем увеличения количества щеток, формирующих один контакт, причем фазы их прижима к ленте могут быть равномерно распределены в течение периода основной частоты тактирования, повышая тем самым надежность и стабильность контакта. И при этом между движущимися поверхностями отсутствуют трущиеся узлы.
Таким образом, предлагаемое контактное устройство позволяет существенно повысить качество контакта, существенно удлинить срок службы контактов и повысить КПД блоков, в которых используются эти контактные устройства.