ЩЕТОЧНО-КОЛЛЕКТОРНЫЙ УЗЕЛ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 1995 года по МПК H02K13/10 

Изобретение относится к коллекторным электрическим машинам постоянного тока и универсального питания, имеющим дополнительные устройства для улучшения коммутации.

Известна щетка электрической машины [1], расслоенная в тангенциальном направлении на множество смежных пластин, собранных в два комплекта, которые входят один в другой черезполосно. Пластины одного из комплектов покрыты закисью меди с целью использования нелинейно-резистивных свойств прослоек между комплектами щетки. Так как щетка скользит по коллектору, имеющему обычное конструктивное исполнение, когда толщина изолирующей прокладки весьма мала по сравнению с толщиной коллекторной пластины, то в этом случае щетка не приобретает существенно выгодных свойств. Коммутация улучшается незначительно, но ухудшается КПД машины. Кроме того, при износе щетки по мере уменьшения ее высоты снижается влияние медно-закисного слоя. Указанная конструкция щетки не нашла практического использования ввиду отсутствия преимуществ по сравнению с составными или разрезными щетками. Однако идея расслоения щетки в соединении с другими признаками компонентов щеточно-коллекторного узла может дать положительный эффект.

Известен щеточно-коллекторный узел электрической машины [2], содержащий коллектор с чередующимися проводящими и изолирующими пластинами и контактирующие с ним разнополярные группы щеток, каждая из которых состоит из основной щетки и вспомогательной щетки, располагаемой со стороны сбегающего края основной и изолированно от нее, причем основная щетка подключена непосредственно к зажиму источника электропитания машины, а вспомогательная щетка подключена к указанному зажиму через блок улучшения коммутации. Недостатком данного технического решения является невысокая надежность коммутации.

Целью изобретения является улучшение коммутации.

Указанная цель достигается тем, что в щеточно-коллекторном узле электрической машины, содержащем коллектор с чередующимися проводящими и изолирующими пластинами и контактирующие с ними разнополярные группы щеток, каждая из которых состоит из основной щетки и вспомогательной щетки, располагаемой со стороны сбегающего края основной и изолированно от нее, причем основная щетка подключена непосредственно к зажиму источника питания, а вспомогательная щетка подключена к указанному зажиму через блок улучшения коммутации, за счет того, что вспомогательная щетка выполнена тангенциально-расслоенной, то есть состоящей из продольных элементов, имеющих одинаковую аксиальную длину и изолированных друг от друга, причем смежные продольные элементы и основная щетка соединены друг с другом посредством нелинейно-резистивных элементов потенциально-ограничивающего типа.

Новое свойство, реализуемое данным техническим решением, заключается в том, что путем подключения между смежными элементами вспомогательной щетки (а также между основной щеткой и прилегающим смежным элементом вспомогательной щетки) нелинейно-резистивного элемента потенциально-ограничивающего типа напряжение на раздвигающихся компонентах скользящего контакта ограничивается практически на уровне величины пробивного напряжения нелинейного элемента, которое выбирается ниже уровня, необходимого для возникновения дуги.

На чертеже схематически изображен щеточно-коллекторный узел электрической машины со стороны одного из зажимов источника питания, содержащий коллектор с чередующимися проводящими 1 и изолирующими 2 пластинами и контактирующие с ними основную щетку 3 и вспомогательную щетку, тангенциально-расслоенную на продольные элементы 4, 5, 6, 7, изолированные друг от друга и от основной щетки 3, причем смежные элементы всей щеточной группы, включая и основную щетку, соединены друг с другом посредством нелинейно-резистивных элементов 8, 9, 10, 11. Стрелкой V_k обозначено направление движения коллектора.

В качестве нелинейно-резистивных элементов 8 - 11 может использоваться варистор, стабилитрон или какой-либо схемотехнический вариант интегральной микроэлектроники. Особенность вольт-амперной характеристики такого элемента заключается в том, что она должна быть однозначна, обладать пренебрежимо малым током утечки при напряжениях, меньших пробивного напряжения U_o, а при напряжениях, больших U_o - достаточно малым положительным дифференциальным сопротивлением элемента.

Принцип действия изображенного на чертеже щеточно-коллекторного узла заключается в фиксации падения напряжения на раздвигающихся компонентах скользящего контакта: "пластина 1 - основная щетка 3" или "пластина 1 - элемент вспомогательной щетки 4 (или 5, 6, 7)". Коммутационный процесс начинается с момента покидания основной щеткой 3 пластины 1, когда ток параллельной ветви обмотки якоря, имеющей большую индуктивность и потому являющейся источником тока, начинает протекать сначала через нелинейный элемент 8, а затем и через другие элементы, пока при сходе предпоследнего элемента вспомогательной щетки не задействуется вся цепочка нелинейных элементов 8-11. Таким образом в контур коммутации постепенно вводится ступенчатое напряжение, где величина одной ступени равна пробивному напряжению U_o одного нелинейного элемента. Диаграмма вводимого напряжения приведена на чертеже. Выбирая U_o на достаточно низком уровне (порядка 2-3 В), при котором невозможно существование дуги, можно добиться высокой эффективности работы щеточно-коллекторного узла машины.

По сравнению с известными из литературы устройствами для улучшения коммутации данное изобретение позволяет:
снизить потери в скользящем контакте, применив металло-керамические щетки с антифрикционными добавками;
снизить потери и тепловую нагрузку скользящего контакта, отводя коммутационные потери за пределы контакта;
повысить ресурс щеточно-коллекторного узла;
упростить конструкцию машины, ликвидировав дополнительные полюсы в ее магнитной системе.

Существенно улучшатся и экономические показатели производства машин с новым типом щеточно-коллекторного узла в связи с сокращением расхода меди и электротехнической стали.

Использование: электромашиностроение, коллекторная электрическая машина. Сущность изобретения: щеточно-коллекторный узел электрической машины содержит коллектор, щеточную группу, блок улучшения коммутации. Коллектор выполнен из проводящих 1 и изолирующих 2 пластин. Щеточная группа имеет основную 3 и вспомогательную щетку. Вспомогательная щетка тангенциально расслоена на продольные элементы 4,5,6,7. Продольные элементы изолированы друг от друга и от основной щетки. Смежные продольные элементы и основная щетка соединены друг с другом через нелинейно-резистивные элементы потенциально-ограничивающего типа, основная щетка подключена к зажиму источника питания, вспомогательная щетка расположена со стороны сбегающего края основной щетки. 1 ил.

ЩЕТОЧНО-КОЛЛЕКТОРНЫЙ УЗЕЛ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ, содержащий коллектор с чередующимися проводящими и изолирующими пластинами и контактирующие с ними разнополярные группы щеток, каждая из которых состоит из основной и вспомогательной щетки, располагаемой со стороны сбегающего края основной и изолированно от нее, блок улучшения коммутации, причем основная щетка подключена непосредственно к зажиму источника питания, а вспомогательная щетка подключена к указанному зажиму через блок улучшения коммутации, отличающийся тем, что, с целью улучшения коммутации, вспомогательная щетка выполнена тангенциально-расслоенной и состоит из продольных элементов, имеющих одинаковую аксиальную длину и изолированных друг от друга, причем смежные продольные элементы и основная щетка соединены друг с другом посредством нелинейно-резистивных элементов потенциально-ограничивающего типа.