КОЛЛЕКТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 1995 года по МПК H02K13/14 

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

Известен коллектор электрической машины [1], к смежным пластинам которого подключены нелинейно-резистивные элементы потенциально-ограничивающего типа (стабилитроны, варисторы и т.п.). В процессе работы машины при покидании щеткой коллекторной пластины нелинейный элемент пробивается и его напряжение пробоя U_o вводится в контур коммутируемой секции, вызывая ее коммутацию, и одновременно прикладывается к раздвигающимся компонентам скользящего контакта "щетка - коллекторная пластина". Для предотвращения зажигания дуги между сбегающим краем щетки и пластиной необходимо, чтобы пробивное напряжение не превосходило определенный предельный уровень U_пр (при нормальных атмосферных условиях - не более 10 В; в тяжелых условиях эксплуатации - снижается до 3-4 В). С другой стороны, при постоянном подключении нелинейного элемента к секции, максимально возможная ЭДС вращения секции U_cmax в свою очередь не должна превосходить U_o. Таким образом, при проектировании машины должно реализовываться соотношение
U_cmax<U_o<U_пр, которое ограничивает область применения данного типа коллектора машинами малой мощности низкого напряжения, что является основным недостатком решения [1], использующего нелинейно-резистивные элементы потенциально-ограничивающего типа.

Известен коллектор электрической машины [2], состоящий из основных и дополнительных пластин равной длины, причем на одну основную пластину приходится две дополнительные пластины, которые расположены по обе стороны основной пластины и соединены между собой перемычкой, которая в свою очередь подсоединена к основной пластине через линейный резистор. В каждой паре дополнительных пластин, приходящихся на одну основную, активно работает только одна пластина, расположенная при заданном направлении вращения со стороны сбегающего края основной пластины, а другая пластина, расположенная со стороны набегающего края, является в полном смысле холостой пластиной. При смене направления вращения на противоположное (реверс) дополнительные пластины каждой пары меняются ролями (активная становится холостой, а холостая - активной). В процессе работы машины при покидании щеткой основной пластины в коммутируемую секцию через контакт щетки с активной дополнительной пластиной вводится линейное сопротивление, падение напряжения в котором от тока параллельной ветви обмотки якоря является коммутирующим для данной секции. Это же напряжение прикладывается к раздвигающимся компонентам скользящего контакта "щетка - основная пластина". При использовании в конструкции коллектора линейного резистора указанное напряжение может быть достаточно большим, что создает условия для зажигания дуги в перегрузочном и пусковом режимах. Таким образом, описанный в [2] коллектор обладает невысокой надежностью в коммутационном отношении.

Техническое решение по [2] является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату и может рассматриваться в качестве прототипа.

Целью изобретения является улучшение коммутации.

Указанная цель достигается за счет того, что в коллекторе электрической машины, состоящем из основных и дополнительных пластин равной длины, причем на одну основную пластину приходится две дополнительные пластины, которые расположены по обе стороны основной пластины и соединены между собой перемычкой, перемычка подсоединена к основной пластине через нелинейно-резистивный элемент потенциально-ограничивающего типа (фиг.1).

Согласно п. 2 формулы изобретения, количество дополнительных пластин k, приходящихся на одну основную пластину, выбирается равным k>2, где k - четное число, причем смежные дополнительные пластины, относящиеся к одной основной, соединены между собой через нелинейно-резистивный элемент потенциально-ограничивающего типа (фиг.2).

Согласно п. 3 формулы изобретения, с целью упрощения конструкции в случае нереверсивной электрической машины, количество дополнительных пластин, приходящихся на одну основную, выбирается равным n ≥ 1, где n - целое число, причем дополнительные пластины, относящиеся к основной, расположены со стороны сбегающего края указанной основной пластины, а все смежные пластины данной группы, включая основную, соединены между собой через нелинейно-резистивный элемент потенциально-ограничивающего типа (фиг.3).

Согласно п.4 формулы изобретения, с целью упрощения конструкции, дополнительные пластины в количестве n, где n - целое число, располагаемые между двумя смежными основными пластинами, подсоединяются к отпайкам последовательной цепочки из n+1 нелинейно-резистивных элементов потенциально-ограничивающего типа, причем крайние выводы этой цепочки подсоединены к смежным основным пластинам (фиг.4).

Предложенное техническое решение соответствует критерию "новизна", так как его сущность в совокупности заявляемых признаков не раскрыта ни в одном из патентных источников, ни в научно-технической литературе, а также отсутствует открытое применение решения.

Предложенное техническое решение обладает существенными отличиями по сравнению с известными решениями по улучшению коммутации коллекторных электрических машин, так как оно характеризуется новой совокупностью признаков, позволяющей получить положительный эффект. Новое свойство, реализуемое предложенным техническим решением, заключается в том, что путем подключения между смежными дополнительной и основной пластинами (или между смежными дополнительными пластинами) нелинейно-резистивного элемента потенциально-ограничивающего типа напряжение на раздвигающихся компонентах скользящего контакта ограничивается практически на уровне величины пробивного напряжения U_o нелинейного элемента, которое выбирается ниже уровня, необходимого для возникновения дуги.

На фиг.1 изображена схема коллектора реверсивной электрической машины с одной парой дополнительных пластин, приходящихся на одну основную пластину; на фиг.2 - схема коллектора реверсивной электрической машины с k (k>2, k - четное число) дополнительных пластин, приходящихся на одну основную пластину; на фиг.3 - схема коллектора нереверсивной электрической машины с n (n ≥ 1, n - целое число) дополнительных пластин, приходящихся на одну основную пластину; на фиг.4 - схема коллектора электрической машины с n (n - целое число) дополнительных пластин, располагаемых между основными пластинами.

На фиг.1 - 4 обозначены цифрами: 1 - щетка, 2 - основная пластина, 3 - дополнительная пластина, 4 - межпластинчатая изоляция, 5 - нелинейно-резистивный элемент потенциально-ограничивающего типа, 6 - секция обмотки якоря. Стрелкой V_к обозначено направление движения коллектора.

В качестве нелинейно-резистивного элемента 5 может использоваться варистор, стабилитрон или какой-либо схемотехнический вариант интегральной микроэлектроники. Особенность вольтамперной характеристики указанного элемента заключается в том, что она должна быть однозначной, 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 изображенных на фиг.1-4 устройств заключается в фиксации падения напряжения на раздвигающихся компонентах скользящих контактов: "щетка 1 - основная пластина 2" или "щетка 1 - дополнительная пластина 3" - практически на уровне величины пробивного напряжения U_o нелинейно-резистивного элемента, которое выбирается ниже уровня, необходимого для возникновения дуги. Пробивное напряжение нелинейно-резистивного элемента 5 при протекании по нему тока параллельной ветви обмотки якоря вводится в контур коммутируемой секции и является для этой секции коммутирующим (см. фиг.1). Если в структуре коллектора на одну основную пластину приходится несколько работающих дополнительных пластин (фиг.2-4), то в контур коммутируемой секции вводится последовательно вся цепочка нелинейно-резистивных элементов и, следовательно, в процессе размыкания скользящих контактов в контур коммутации скачкообразно вводится ступенчатое напряжение, где величина одной ступени равна пробивному напряжению U_o одного элемента. Диаграммы вводимых напряжений показаны на фиг.1-4. При этом при любой схеме коллектора (фиг. 1-4) на размыкающихся компонентах скользящего контакта всегда будет иметь место напряжение, равное U_o, независимо от количества задействованных нелинейных элементов. В схеме коллектора, приведенной на фиг.4, число нелинейных элементов выбирается таким, чтобы U_cmax>(n+1)U_o.

По сравнению с известными из литературы устройствами для улучшения коммутации предложенное изобретение позволяет:
снизить тепловую нагрузку скользящего контакта, отводя коммутационные потери за его пределы;
снизить потери в скользящем контакте, применив металлокерамические щетки с антифрикционными добавками;
повысить ресурс щеток и коллектора;
ликвидировать дополнительные полюсы в магнитной системе машины.

Существенно улучшатся и экономические показатели производства новых машин в связи с сокращением расхода меди и электротехнической стали.

Использование: электротехника, электромашиностроение, коллекторная электрическая машина постоянного тока. Сущность изобретения: коллектор электрической машины содержит основные 2 и дополнительные 3 пластины, межпластинчатую изоляцию 4, перемычки и нелинейно-резистивные элементы 5 потенциально-ограниченного типа. На одну основную пластину приходятся две дополнительные пластины. Дополнительные пластины расположены по обе стороны от основной пластины и соединены между собой перемычкой. Перемычки подсоединены к основной пластине через нелинейно-резистивный элемент потенциально-ограниченного типа. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. КОЛЛЕКТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ, состоящий из основных и дополнительных пластин равной длины, причем на одну основную пластину приходится две дополнительные пластины, которые расположены по обе стороны основной пластины и соединены между собой перемычкой, отличающийся тем, что, с целью улучшения коммутации, перемычка подсоединена к основной пластине через нелинейно-резистивный элемент потенциально-ограничивающего типа. 2. Коллектор по п. 1, отличающийся тем, что количество дополнительных пластин, приходящееся на одну основную, выбирается равным K > 2, где K - четное число, причем смежные дополнительные пластины, относящиеся к одной основной, соединены между собой через нелинейно-резистивный элемент потенциально-ограничивающего типа. 3. Коллектор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции в случае нереверсивной электрической машины, количество дополнительных пластин, приходящееся на одну основную, выбирается равным n≥1, где n - целое число, причем дополнительные пластины, относящиеся к основной, расположены со стороны сбегающего края указанной пластины, а все смежные пластины данной группы, включая основную, соединены между собой через нелинейно-резистивный элемент потенциально-ограничивающего типа. 4. Коллектор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, дополнительные пластины в количестве n, где n - целое число, располагаемые между двумя смежными основными пластинами, подсоединены к отпайкам последовательной цепочки из n+1 нелинейно-резистивных элементов потенциально-ограничивающего типа, причем крайние выводы этой цепочки подсоединены к смежным основным пластинам.