ТОКОСЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1995 года по МПК H01R39/40 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при конструировании токосъемных устройств электрических машин, преимущественно униполярных.

Известно токосъемное устройство, содержащее коллектор, щетку, имеющую два круглых сквозных отверстия в радиальном направлении, в которых расположены два трубчатых щеткодержателя и нажимные пружины, соединенные с опорной планкой, концы планки помещены в прорезях трубчатых щеткодержателей, причем один конец нажимных пружин прикреплен к нижней части трубчатых щеткодержателей, а другой к опорной планке, трубчатые щеткодержатели жестко соединены с дополнительно введенной накладкой [1]
Недостатком указанного токосъемного устройства является то, что вследствие расположения прямого стержня в радиальном направлении, геометрический ресурс щетки ограничен расстоянием (r) от коллектора до корпуса в радиальном направлении, что не позволяет увеличить срок службы щетки.

Известно также токосъемное устройство, содержащее контртело в виде коллектора или контактного кольца, цельную или многоэлементную щетку с двумя отверстиями и щеткодержателем, и нажимную пружину [2]
В отверстиях щетки, выполняемых в радиальном направлении, установлены щеткодержатели в виде двух направляющих стержней, соединенных опорной планкой, закрепленной неподвижно на траверсе. Щетка контактирует с коллектором или кольцом под действием нажимных пружин, расположенных на направляющих стержнях между щеткой и опорной планкой.

Недостатком данного токосъемного устройства является расположение щеткодержателя в радиальном направлении, не позволяющее повысить срок службы щетки за счет увеличения ее геометрического реcурcа, который не превышает расстояния (r) от коллектора до корпуса в радиальном направлении.

Расположение щеткодержателя в радиальном направлении не допускает одновременного контактирования нескольких элементов щетки с контртелом, что не позволяет понизить плотность тока (на контактном кольце) и повысить надежность работы токосъемного устройства.

Целью изобретения является повышение срока службы за счет увеличения геометрического ресурса щетки.

Указанная цель достигается за счет того, что в известном токосъемном устройстве, содержащем многоэлементную щетку, щеткодержатель, контртело в виде коллектора или контактного кольца, нажимную пружину, щеткодержатель выполнен в виде спирали, витки которой расположены вокруг контртела, элементы щетки размещены в щеткодержателе с возможностью перемещения под действием нажимной пружины от внешнего конца спирали к внутреннему, причем внутренний конец спирали расположен с зазором относительно контртела.

Спираль может быть выполнена из двух продольных частей, соединенных упругой связью, например, с помощью пружин или упругих прокладок, что позволяет уменьшить вибрации.

Спираль может быть также выполнена в виде трубки, преимущественно прямоугольного сечения, с размещенными внутри нее элементами щетки. Кроме того, в трубке установлена перегородка в виде спирали, расположенной параллельно стенкам трубки.

Кроме того, спираль может быть выполнена П-образной формы в ее продольном сечении, при этом элементы щетки расположены между витками спирали.

Общими признаками предлагаемого решения с прототипом является то, что токосъемное устройство содержит многоэлементную щетку, контртело в виде коллектора или контактного кольца и нажимную пружину.

Отличительными признаками по сравнению с прототипом является то, что щеткодержатель выполнен в виде спирали, витки которой расположены вокруг контртела, элементы щетки размещены в щеткодержателе с возможностью перемещения под действием нажимной пружины от внешнего конца спирали к внутреннему, причем внутренний конец спирали расположен с зазором относительно контртела.

Отличительным признаком является также то, что спираль может быть выполнена из двух продольных частей, соединенных упругой связью, например, с помощью пружин или других прокладок.

Отличительным признаком является то, что спираль может быть выполнена в виде трубки с размещенными внутри нее элементами щетки.

Отличительным признаком является то, что в щеткодержателе, выполненном в виде трубки, может быть установлена перегородка в виде спирали, расположенной параллельно стенкам трубки.

Другим отличительным признаком является то, что спираль может быть выполнена П-образной формы в ее продольном сечении, при этом элементы щетки расположены между витками спирали.

Предлагаемая совокупность признаков данного технического решения в известных источниках патентной и технической литературы не обнаружена.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает новизной и изобретательским уровнем.

Предлагаемое техническое решение является промышленно применимым, так как конструкции щетки и щеткодержателя являются простыми, надежными и за счет увеличения геометрического ресурса щеток ресурс токосъемного устройства в несколько раз выше по сравнению с прототипом (в зависимости от количества витков спирали щеткодержателя), что делает возможным работу токосъемного устройства в течение всего срока службы электрической машины без замены щеток.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в том, что повышение срока службы токосъемного устройства достигается путем увеличения его геометрического ресурса за счет выполнения щеткодержателя в виде спирали, витки которой расположены вокруг контртела. При этом щеткодержатель может быть выполнен как в виде спирали любого сечения, установленной в отверстиях элементов щетки, так и в виде трубки прямоугольного, круглого или иного сечения, внутри которой размещены элементы щетки, конструкция которых в этом случае упрощается за счет отсутствия отверстий.

В простейшем случае спираль щеткодержателя расположена в плоскости, перпендикулярной оси контртела. Возможно изготовление щеткодержателя и в виде винтовой конической спирали.

Для машин с контактными кольцами, особенно униполярных, предпочтительной является архимедова спираль, у которой расстояние между витками является постоянным, вследствие чего она оптимальным образом вписывается в пространство между контртелом и корпусом.

Количество щеток на электрической машине с контактными кольцами равно количеству контактных колец, или кратно ему, если щеткодержатель выполнен в виде трубки с перегородкой и содержит несколько многоэлементных щеток.

Элементы щетки могут иметь разнообразную форму в виде плоских пластин, дисков и т.д. преимущественно в виде прямоугольного параллелепипеда. Радиальный размер элементов щетки, установленных на внутреннем витке спирали, постепенно уменьшается в соответствии с уменьшением расстояния от стержня до контртела.

Для этого соответствующий блок срезается по прямой на нужное расстояние, в нем выполняется отверстие, а затем он разрезается на элементы.

Описанная конструкция (фиг.1) позволяет получить максимальную контактную площадь, приближающуюся к площади всей поверхности кольца, и получить минимальную для щеточных контактов плотность тока, что имеет большое значение для сильноточных контактов и может найти применение в униполярных машинах.

При использовании на контактном кольце щеткодержателя в виде трубки, на внутреннем витке трубка должна иметь П-образное или дугообразное сечение, причем высота боковых стенок постепенно уменьшается, как и радиальный размер элементов щетки.

В трубчатом щеткодержателе может быть установлена перегородка, выполненная в виде спирали, расположенной параллельно стенкам трубки. Перегородка позволяет установить в одном трубчатом щеткодержателе несколько многоэлементных щеток, каждая из которых работает независимо от других под действием своей нажимной пружины, что позволяет повысить надежность работы токосъемного устройства. Например, перегородка прямоугольного сечения позволяет разместить внутри трубчатого щеткодержателя две многоэлементные щетки, а перегородка крестообразного сечения четыре многоэлементных щетки, расположенных параллельно друг другу.

Спираль щеткодержателя может быть выполнена также П-образной формы, при этом элементы щетки расположены между витками спирали.

Предлагаемое техническое решение может быть использовано и на коллекторной машине. Количество щеткодержателей соответствует количеству n полюсов машины, контактная зона определяется величиной коллекторного перекрытия.

При этом щеткодержатели могут быть расположены один над другим, сдвинуты каждый относительно другого на 2π n, например, на двухполюсном коллекторе (фиг. 5) внутренние концы щеткодержателей расположены диаметрально противоположно. Соседние щеткодержатели могут быть также сдвинуты на l_к/n вдоль ламели коллектора, где l_к длина ламели.

Например, на двухполюсном коллекторе один щеткодержатель расположен в левой, а другой в правой (по длине ламели) половине коллектора.

На длинном коллекторе целесообразно использование щеткодержателя гребнеобразного сечения со съемной внешней (удаленной от коллектора стороной), на которой закреплены рулонные пружины, каждая из которых давит на свою многоэлементную щетку.

Геометрический ресурс щетки определяется длиной спиральной линии, которая вычисляется по формуле l π n (R + +R_к)≈π n(m + 1)r, где R_к- радиус контртела; r расстояние от контртела до корпуса в радиальном направлении; R R_к + r расстояние от центра контртела до внешнего конца спирали (закрепленного на корпусе).

На контактном кольце длину внутреннего витка не учитываем, тогда l π mnr.

Коэффициент π nm показывает, во сколько раз увеличивается геометрический ресурс предлагаемой конструкции по сравнению с прототипом, геометрический ресурс которого не превосходит r, например, при n m 2, геометрический ресурс предлагаемой конструкции превосходит геометрический ресурс прототипа более чем в 12 раз.

На фиг.1 представлен вариант токосъемного устройства с контактным кольцом, с щеткодержателем, выполненным в виде спирали, содержащей 1,5 витка, причем спираль щеткодержателя размещена в отверстии элементов щетки; на фиг. 2-4 различные варианты разреза конструкции А-А на фиг.1; на фиг.5 вариант токосъемного устройства для двухполюсного коллектора со спиральным щеткодержателем, выполненным в виде трубки, причем элементы щетки установлены внутри трубки; на фиг.6-8 различные варианты разреза конструкции Б-Б на фиг.5 щеткодержателя, имеющего вид трубки прямоугольного сечения (фиг.6, 7) и П-образной формы в ее продольном сечении (фиг.8).

Токосъемное устройство (фиг.1) содержит контактное кольцо 1, щеткодержатель 2, выполненный в виде спирали, витки которой закручиваются вокруг контактного кольца 1, элементы щетки 3 со сквозным отверстием 4, в котором размещен щеткодержатель 2. Щеткодержатель 2 может быть закреплен жестко или на амортизирующей подвеске. В простейшем случае щеткодержатель 2 и отверстие 4 имеют прямоугольное сечение (фиг.2). Элементы щетки 3 расположены на щеткодержателе 2 с возможностью перемещения от внешнего конца к внутреннему концу спирали по мере изнашивания под действием рулонной пружины 5. Внутренний конец спирали расположен с зазором относительно контртела 1. Рулонный конец пружины 5 давит на последний элемент щетки 3, а вытянутый конец пружины закреплен в начале внешнего витка щеткодержателя 2, например, с помощью болтов.

При относительно небольших габаритах щеткодержателя 2, он может быть закреплен внешним концом непосредственно на корпусе 6 (или на траверсе). На внутреннем конце щеткодержателя 2 может быть закреплен наконечник, выполненный из углеграфитового или металлографитового материала.

Щеткодержатель 2 и отверстие 4 могут иметь и круглое сечение, в этом случае рулонная пружина 5 может быть закреплена на плоской опорной планке, расположенной параллельно внешнему витку щеткодержателя 2 (не показана). Благодаря спиральной конструкции щеткодержателя 2 он способствует поглощению вибраций элементов щетки 3 подобно спиральной пружине. Поэтому предложенная конструкция может найти применение в условиях повышенной вибрации.

На фиг. 2 показан разрез А-А элемента щетки 3 с щеткодержателем 2 и отверстием 4 прямоугольного сечения.

В этом случае щеткодержатель 2 служит одновременно опорной планкой для вытянутого конца рулонной пружины 5. При больших габаритах щеткодержателя 2 возникает необходимость закрепить его в нескольких местах, для этого отверстие 4 должно иметь сквозные пазы в радиальном (фиг.3 и 4) или аксиальном направлении. Так как при этом конструкция щеткодержателя становится более жесткой, то при больших габаритах для поглощения вибраций и улучшения условий контактирования элементов щетки целесообразно, чтобы щеткодержатель 2 состоял из двух продольных частей, соединенных упругой связью (фиг.3 и 4).

На фиг.3 и 4 представлены варианты выполнения щеткодержателя 2 и отверстия 4 различных сечений.

На фиг. 3 показан элемент щетки 3 (разрез А-А) с отверстием трапецеидального сечения. Щеткодержатель 2 состоит из двух продольных частей 7 и 8 различной ширины, соединенных пружиной 9, которая может быть плоской или винтовой цилиндрической. Продольная часть 7 с помощью крепежного пальца 10 закреплена на корпусе 6 (или траверсе).

На фиг.4 показан элемент щетки 3 (разрез А-А) с отверстием круглого сечения, содержащим сквозной паз в радиальном направлении. Щеткодержатель состоит из двух продольных частей (половинок трубы) 7 и 8. Части 7 и 8 соединены упругой, например, резиновой прокладкой 11. Продольная часть 7 крепежным пальцем 10 соединена с корпусом 6 (или с траверсой).

В качестве нажимной пружины при малых габаритах конструкции может быть использована винтовая цилиндрическая пружина сжатия щеткодержателя 2, один конец которой закреплен на щеткодержателе 2 возле его отогнутого конца, а другой давит на последний элемент щетки 3.

Токосъемное устройство, представленное на фиг.5, содержит двухполюсный коллектор 1, два щеткодержателя 2, выполненных в виде трубки, изогнутой по спиральной линии в плоскости, расположенной перпендикулярно оси коллектора 1, внутренние концы щеткодержателей 2 установлены диаметрально противоположно. Внутри щеткодержателя 2 расположены элементы щетки 3, с возможностью перемещения от внешнего оконца спирали к внутреннему по мере изнашивания под действием рулонной пружины 5. Внутренний конец каждого спирального щеткодержателя 2 расположен с зазором относительно коллектора 1. Рулонный конец пружины 5 давит на последний элемент щетки 3, а вытянутый конец пружины закреплен в начале внешнего витка щеткодержателя 2. Внешний конец щеткодержателя 2 может быть закреплен непосредственно на корпусе 6 (или на траверсе).

Трубчатый щеткодержатель 2 и элементы щетки 3 могут быть в сечении круглыми, трапецеидальными и другими, преимущественно прямоугольными.

На фиг.6 показан разрез Б-Б элемента щетки 3, установленного в щеткодержателе 2, выполненного в виде трубки прямоугольного сечения.

На фиг.7 представлен в разрезе щеткодержатель 2 (в виде трубки прямоугольного сечения), в котором установлены элементы 3 двух параллельных щеток и две рулонные пружины 5 (в разрезе), отделенных друг от друга перегородкой 12.

На фиг.8 показан разрез Б-Б элемента щетки 3, установленного в щеткодержателе 2 П-образной формы, и рулонная пружина 5.

В качестве нажимной пружины при малых габаритах конструкции может быть использована винтовая цилиндрическая пружина сжатия, один конец которой закреплен на внешнем конце щеткодержателя 2, а другой давит на последний элемент щетки 3.

Токосъемное устройство работает следующим образом. Элементы щетки 3, расположенные на внутреннем конце щеткодержателя 2, под действием рулонной пружины 5 прижимаются к поверхности контртела 1. По мере изнашивания элементов 3, они перемещаются к внутреннему концу и в контакт поступают новые элементы с внешнего конца щеткодержателя 2. Токосъем производится со щеткодержателя 2 или с установленных на нем специальных упругих токосъемных пластин.

П р и м е р 1. Определим геометрический ресурс l токосъемного устройства, представленного на фиг.1. Так как спираль имеет 1,5 витка, то определяется длиной половины внешнего витка и может быть определена по формуле l π n (R_o + R) 3,14 х 0,5 (4,5 + 6) 17 см, где n количество оборотов спирали;
R_o 4,5 см радиус в начале внешнего витка;
R 6 см радиус в конце витка.

Это более чем в 4 раза превышает геометрический ресурс прототипа, который не превосходит r 4 см.

П р и м е р 2. Определим геометрический ресурс токосъемного устройства при следующих данных R_к 8 см, R_о 3 см, щеткодержатель имеет вид спирали из двух витков. Геометрический ресурс определяется длиной внешнего витка спирали l π n х (R_o+ R) 3,14 х 1 (9 + 10) 59,7 60 см, что приблизительно в 20 раз превосходит геометрический ресурс прототипа, меньший r 3 см.

Таким образом, геометрический ресурс щетки по сравнению с прототипом увеличивается (в зависимости от соотношения L π n(R_o + R) в 4-20 раз), что обуславливает повышение срока службы устройства. Кроме того, увеличение срока службы возможно за счет снижения скорости изнашивания, обусловленной уменьшением плотности тока (при применении на контактном кольце) и уровня вибраций.

При применении устройства на машине с контактными кольцами упрощение конструкции по сравнению с прототипом обусловлено тем, что вместо 10-20 щеток, описанных в прототипе, используется одна щетка, которая может занимать всю поверхность кольца, либо часть ее (например, 1/2, 2/3 и т.д.).

Использование: преимущественно для униполярных машин. Токосъемное устройство содержит контактное кольцо 1, многоэлементную щетку 3, щеткодержатель 2 в виде спирали, преимущественно архимедовой, размещенной внутри отверстия 4 элементов щетки 3. Элементы щетки 3 по мере изнашивания под действием нажимной пружины 5, преимущественно рулонной, перемещаются от внешнего конца спирали к внутреннему. Витки спирали щеткодержателя 2 расположены вокруг контактного кольца 1. При использовании токосъемного устройства на коллекторной машине количество щеток n соответствует количеству полюсов машины, соседние щетки сдвинуты на угол 2 π/ n по окружности коллектора, в частности на двухполюсном коллекторе щетки установлены диаметрально противоположно. Данная конструкция позволяет повысить срок службы токосъемного устройства за счет увеличения геометрического ресурса щетки. 4 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. ТОКОСЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее многоэлементную щетку, щеткодержатель, контртело в виде коллектора или контактного кольца, нажимную пружину, отличающееся тем, что щеткодержатель выполнен в виде спирали, витки которой расположены вокруг контртела, элементы щетки размещены в щеткодержателе с возможностью перемещения под действием нажимной пружины от внешнего конца спирали к внутреннему, причем внутренний конец спирали расположен с зазором относительно контртела. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что спираль выполнена из двух продольных частей, соединенных упругой связью, например, с помощью пружин или упругих прокладок. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что спираль выполнена в виде трубки с размещенными внутри нее элементами щетки. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в трубке установлена перегородка в виде спирали, расположенной параллельно стенкам трубки. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что спираль выполнена П-образной формы в ее продольном сечении, при этом элементы щетки расположены между витками спирали.