ЩЕТОЧНЫЙ УЗЕЛ Российский патент 1997 года по МПК H01R39/40 

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к щеточным узлам электрических машин.

Известен узел электрической машины, содержащий щеткодержатель с обоймой, внутри которой размещена щетка, выполненная в виде призмы с многоугольным симметричным основанием, и нажимной элемент, опирающийся на боковую поверхность щетки, а две симметричные боковые грани щетки прижаты к внутренней поверхности обоймы щеткодержателя с помощью нажимного элемента, при этом поверхности нажимного элемента сопряжены с боковыми гранями щетки и боковыми стенками обоймы.

Описанное устройство имеет тот недостаток, что не обеспечивает упрощение конструкции щеткодержателя, повышение стабилизации скользящего контакта; выполнение остроконечных набегающего и сбегающего краев щетки обламываются, вызывая дополнительные искрения.

Цель изобретения повышение стабильности скользящего контакта, упрощение конструкции щеткодержателя и щетки, устранение выкрашивания краев щетки.

Эта цель достигается конструкцией щетки и щеточного узла, содержащей щеткодержатель с обоймой, внутри которой размещена щетка, выполненная в виде призмы с многоугольным симметричным основанием, и нажимной элемент, опирающийся на щетку со стороны, противоположной рабочей, а основание выполнено в виде восьмиугольника, две стороны которого расположены параллельно, а две перпендикулярно оси коллектора, а форма щеткодержателя повторяет форму щетки или выполнена в виде прямоугольника, тангенциальный размер которого, так же как и щетки, выполнен меньше аксиального размера.

На фиг.1 показана щетка и щеточный узел, вид сверху; на фиг.2 вид по А. На чертежах обозначено цифрами: 1 коллектор, 2 щетка, 3 скользящий контакт, 4 щеткодержатель, 5 аксиальные грани, 6 тангенциальные грани, 7 ось коллектора, 8 токопроводящие пластины, 9 изоляционные прокладки, 10 выступы, 11 величина выступа, 12 толщина изоляции, 13 толщина токопроводящих пластин, 14 тангенциальный размер, 15 дополнительные щетки, 16 тангенциальный размер, 17 восьмиугольник.

Коллектор 1 со щеткой 2 образуют скользящий контакт 3. Щетка 2, размещенная в обойме щеткодержателя 4, выполнена в виде восьмигранника, например, для однощеточного брикета или щеточного узла, щетка 2 аксиальными гранями 5 располагается перпендикулярно оси 17 коллектора 1, а тангенциальными гранями 6 параллельно оси 7 коллектора 1, остальные четыре грани щетки 2 соединительные и располагаются под острыми углами к оси 7 коллектора 1, а следовательно, и под острыми углами к токопроводящим 8 пластинам и изоляционным прокладкам 9 коллектора 1. Тангенциальные грани 6 по отношению к аксиальным граням 5 образуют выступ 10 с двух сторон или по крайней мере с одной стороны для нереверсивных машин. Величина 11 выступа 10 выполнена больше толщины 12 изоляции 9 коллектора 1 и может быть больше толщины 13 токопроводящей пластины 8 коллектора 1 или нескольких толщин 13 токопроводящих пластин 8 и толщин 12 изоляционных прокладок 9 в сумме, в зависимости от необходимости компенсации реактивной составляющей короткозамкнутой секции якоря электрической машины. Для восьмигранника щетки 2 аксиальные грани 5 выполняют одинаковыми по размерам между собой, и тангенциальные грани 6 выполняют одинаковыми по размерам между собой и расположенных симметрично аксиальной и тангенциальной осей. При этом форма щеткодержателя 4 повторяет форму щетки 2. Для упрощения конструкции щеткодержателя 4 форму щеткодержателя 4 выполняют в виде прямоугольника 18, а форму щетки выполняют в виде симметричного восьмиугольника 17 (фиг.3), при этом тангенциальный размер 14 между тангенциальными гранями 6 выполняют меньше аксиального размера между аксиальными гранями 5. Для брикета или щеточного узла, содержащего в аксиальном направлении две и более щеток 2, 17 и дополнительную 15 (фиг.1, 3), основную щетку 2 и одну дополнительную 15 или несколько дополнительных щеток 15 располагают по одной оси 7, причем аксиальный размер 16 дополнительных щеток 15 выполнен меньше аксиального размера 14 основной щетки 2 на величину 11 аксиального размера одного или двух выступов 10 соответственно для нереверсивной и реверсивной машин. Для упрощения конструкции многощеточного брикета или щеточного узла основную 19 и дополнительную 15 щетки выполняют прямоугольными, аксиальный размер которых выполнен больше тангенциального, причем тангенциальный размер 14 основной 19 щетки выполнен больше тангенциального размера 16 дополнительной щетки 15 (фиг.4) при нереверсивной машине. Для реверсивных электрических машин две щетки 20 и 21 (фиг.5) выполняют одинакового тангенциального размера 14, а остальные дополнительные щетки 15 выполнены тангенциальным размером 16 меньше тангенциального размера 14 щеток 20 и 21. При этом щетка 20 выступает больше в одном направлении, чем остальные 15 дополнительные щетки и щетка 21, а щетка 21 выступает больше в другом тангенциальном направлении, противоположном щетке 20, чем остальные дополнительные щетки 15 и щетка 20. На фиг.5 дополнительные щетки 15 показаны тонкими линиями для повышения искрогашения и увеличения сопротивления сбегающего края щеток, собранных в одном брикете или щеточном узле, выступы 10 щеток 22 и 23 снабжены пазами 24, выполненными со стороны рабочей поверхности и наполненными изоляционным материалом или выполнением выступов 9 из дополнительных слоев 25, установленных изолированно изоляцией 24 и соединенных со щетками 22 и 23 через дугогасительные элементы, например сопротивления резисторов, полупроводниковых ключей, выполненных из транзисторов или тиристоров и т.п. элементов (фиг.6). Для упрощения конструкции формы щетки 26 и 27 выполняют в виде прямоугольников, одна 28 или две 28 и 29 стороны которых со сбегающего и набегающего краев выполняют скошенными под острым углом, а выступы 30 выполнены размером 31 больше толщины 12 изоляции 9 между токопроводящими коллекторными пластинами 3 (фиг. 7 и 8) и образуют соответственно неправильный пятиугольник или шестиугольник. Для повышения устойчивости в обойме прямоугольной формы 18 размер выступов 30 выполняют не более одного размера 13 токопроводящей пластины 8 и одного размера толщины 12 изоляционной прокладки 9. А размер 32 аксиальных граней 5 щеток 2 с выступами 11 выполняют больше аксиального размера 16 дополнительных щеток 15 и не меньше величины 13 одной токопроводящей пластины 8.

Работают щетка 2 и щеточный узел следующим образом. При перекрытии толщины 12 изоляции 9 коллектора 1 выступ 10 щетки 2 закорачивает секцию обмотки якоря и по нему проходит ток короткого замыкания секции, который будет по мере продвижения выступа 10 со сбегающей одной токопроводящей пластины 8 коллектора 1 на другую не пройдет ширина 12 изоляции 9 размера 11 выступа 10. При перемещении ширины 12 изоляции 9 по размеру 32 аксиальных граней 5 щетки 2 величина тока короткого замыкания короткозамкнутой секции обмотки якоря будет одинаково неизменной, максимально возможной. При наличии дополнительных щеток 15 в этом случае ток короткого замыкания секции проходит и по ним, соответственно увеличенного его значения во столько раз, сколько дополнительных щеток 15. При сбегании второго выступа 10 толщины 12 изоляции 9 коллектора 1 величина тока короткого замыкания секции начнет уменьшаться при одной щетке 2 и резко начнет уменьшаться при нескольких дополнительных щетках 15. Однако при этом искрения под щетками 15 и при их сбегании с предыдущих коллекторных пластин 8 не произойдет, т.к. секция якоря еще будет зашунтирована выступом 10 сбегающего края щетки 2. При дальнейшем продвижении сбегающий край щетки 2 и выступ 10, сбегая с предыдущей токопроводящей пластины 8 коллектора 1, уменьшают ток короткого замыкания секции обмотки якоря до величины рабочего тока, однако при этом величины искрения будет значительно уменьшена из-за увеличения сопротивления выступа 10 из-за выполнения сбегающего его края 6 меньше аксиального размера щетки 2. Наличие тангенциальных граней 6 щетки 2 повышает ее механическую устойчивость при колебаниях коллектора 1 и, следовательно, повышает надежность скользящего контакта 3, при этом нет необходимости бокового прижима щетки 2, т.к. щеткодержатель 4 повторяет форму щетки 2. А наличие аксиальных граней 5 повышает дополнительно устойчивость щетки 2 и устраняет виляние ее при изменении направления перемещения коллектора 1, а следовательно, и повышается надежность скользящего контакта 3 без дополнительных боковых прижимов. В данной конструкции многограневой щетки 2 используется только один прижимной механизм, усилие которого направлено через щетку 2 на коллектор 1 по радиальному направлению, следовательно, упрощается конструкция щеточно-коллекторного узла, при котором щетка 2 и щеткодержатель 4 имеют одинаковую многогранную форму в поперечном сечении. Наличие дополнительных щеток 15 увеличивает токовую нагрузку брикета щеток 2 при одновременном улучшении искрогашения с набегающего и сбегающего краев за счет выступов 10 основной щетки 2, размер 14 между тангенциальными гранями которой выполнен больше тангенциального размера 16 дополнительных щеток 15, совмещенных с основной 2 по оси 7 коллектора 1.

Для упрощения конструкции форма основная 19 щетка (фиг.4) может быть выполнена квадратной формы, при этом ее тангенциальный размер 14 выполняют больше тангенциального размера 16 дополнительных щеток 15 на величину 11, превышающую величину толщины 12 коллекторной изоляции 9, расположенной между токопроводящими пластинами 8 коллектора 1, расположенного, например, только со сбегающего края щеточного узла. При сбегании токопроводящие пластины 8 коллектора 1 сначала сбегают с дополнительных щеток 2, но при этом искрения не будет, так как соседние токопроводящие пластины 8 коллектора, а следовательно, и секцию коллектора 1 закорачивает выступом основной щетки 19 на величину 11, при этом ток короткого замыкания секции значительно уменьшается и при сбегании не вызовет значительного искрения. Упрощение конструкции достигается использованием стандартных конструкций щеток и щеткодержателей.

Для реверсивных машин и упрощения конструкции щеточного узла используют две щетки 20 и 21 одинаковой тангенциальной ширины 14, но смещенных одна относительно другой на величину 11 не менее ширины 12 изоляции между токопроводящими пластинами 8 коллектора 1, а дополнительные щетки 15 выполняют шириной тангенциальной 16 меньше ширины 14 на удвоенную величину 11 и их ось совмещают с осями щеток 20 и 21 и оси 7 коллектора 1. На чертеже величина 11 равна величине 12.

Для увеличения электрического сопротивления сбегающих краев для щеток 22 и 23 (фиг. 6) выступы 10 выполняют слоенные пазами 24 на слои 25, пазы 24 которых заполнены связующим и антифрикционным материалом, а дополнительные щетки 15 выполняют тангенциальной шириной 16 меньше тангенциальной ширины 14 щеток 22 и 23 на удвоенную величину 11 выступа 10, а их оси совмещены между собой и с осью 7 коллектора 1. При сбегании выступа 10 щетки 22 или щетки 23 короткозамкнутая секция, связанная с соседними токопроводящими пластинами 8 коллектора 1, будет зашунтирована через слои 25 выступа 10, связанные с основной щеткой 22 или 23 через резистор или полупроводниковые ключи, которые при дальнейшем сбегании выступа 10 увеличивают сопротивление между соседними пластинами 8 до бесконечности, т.е. обеспечивают искрогашение, прежде чем выступ 10 сойдет с предыдущей пластины.

Упрощенная конструкция щеток 26 и 27 достигается выполнением скоса 28 со сбегающего края для нереверсивной машины (фиг.7) или скосами 28 и 29 для реверсивной машины (фиг.8), расположенными с одной аксиальной стороны так, что одна аксиальная сторона 5 щетки будет выполнена размером 16 меньше размера 14 второй аксиальной стороны 5 на удвоенную величину 31 выступа 30, а дополнительные щетки 15 выполняют размером 16 и совмещают с осью основной 27 или 25 щеток и с осью 7 коллектора 1. При этом щеткодержатели 18 для щеток 26 и 27 выполняют прямоугольными, позволяющими при отсутствии щеток 26 и 27 использовать стандартные щетки так же, как и при использовании щеток 17. Работают щетки 26 и 27 так же, как и щетки 17, выступы 30 которых перекрывают ширину 12 изоляции 9 между токопроводящими пластинами 8 коллектора 1, и при сбегании с предыдущей токопроводящей пластины 8 обеспечивают снижение тока короткого замыкания секции якоря до безискрового сбегания тангенциальной грани 6. Выполнение щетки 26 со скошенной одной гранью 28 обеспечивает улучшение коммутации и улучшение механического скольжения контакта 3 за счет устранения виляния. Выполнение прямоугольной щетки 27 с двумя 28 и 29 скосами повышает улучшение коммутации и устраняет виляние щетки 27 реверсивной коллекторной машины.

Устранение виляния достигается щеткой 33, снабженной со сбегающего края по крайней мере двумя или более 34, 35, 36 выступами, контактирующими с обоймой щеткодержателя 18, выполненной прямоугольной формы, а тело щетки снабжено вертикальными пазами 37 и 38 или овальными пазами 39, 40. Такая форма выполнения щетки 33 обеспечивает улучшение коммутации и устраняет виляние в обойме 18 (фиг.9).

Щетка и щеточный узел найдут применение в коллекторных электрических машинах.

Использование: изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к щеточным узлам электрических машин. Сущность изобретения: щеточный узел содержит щеткодержатель с обоймой, внутри которой размещена щетка, выполненная в виде многогранника в основании, и нажимной элемент, прижимающий щетку к коллектору. Устройство снабжено со сбегающего края по крайней мере выступом, снабженным одной по крайней мере тангенциальной гранью, расположенной параллельно оси коллектора и коллекторным пластинам и выполненной размером в аксиальном направлении меньше аксиального размера тела щетки, тангенциальный размер которой выполнен из больше аксиального, аксиальные грани щетки расположены перпендикулярно оси коллектора, а тангенциальные грани выполнены расположенными по центру или сбоку аксиального размера щетки и обегающего края, форма обоймы выполнена по форме щетки, а тангенциальные грани щетки контактируют с тангенциальными гранями обоймы щеткодержателя, в теле щетки выполнены вертикальные пазы, а дополнительные щетки многощеточного брикета выполнены тангенциально толщиной не больше тангенциальной ширины минимального значения основной щетки на величину одного или двух размеров выступов и выполнены прямоугольной формы. 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Щеточный узел, содержащий обойму щеткодержателя, внутри которой размещена щетка, выполненная в виде многогранника в основании, и нажимной элемент, прижимающий щетку к коллектору, ось щетки расположена параллельно оси коллектора, отличающийся тем, что по крайней мере сбегающий край щетки снабжен выступом, имеющим по крайней мере одну тангенциальную грань, расположенную параллельно оси коллектора и коллекторным пластинам, выступ выполнен размером в аксиальном направлении не более аксиального размера щетки, аксиальные грани которой расположены перпендикулярно к оси коллектора. 2. Узел по п. 1, отличающийся тем, что тангенциальная грань выступа расположена по оси щетки, лежащей посередине между аксиальными гранями щетки. 3. Узел по п. 1, отличающийся тем, что по крайней мере с одного края одна тангенциальная грань выступа расположена совмещенной с аксиальной гранью щетки. 4. Узел по пп. 1 3, отличающийся тем, что обойма щеткодержателя выполнена многогранной по форме щетки. 5. Узел по пп. 1 3, отличающийся тем, что обойма щеткодержателя выполнена прямоугольной, а аксиальные и тангенциальные грани многогранной щетки контактируют с аксиальными и тангенциальными гранями обоймы. 6. Узел по пп. 1 5, отличающийся тем, что по крайней мере сбегающий край щетки снабжен двумя или более гранями, а в теле щетки выполнены вертикальные пазы. 7. Узел по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными щетками, выполненными не большей тангенциальной шириной, чем меньшая аксиальная грань основной щетки на величину одного или двух выступов и выполнены прямоугольной формы. 8. Узел по пп. 1 и 7, отличающийся тем, что основная щетка выполнена прямоугольной с тангенциальной шириной больше тангенциальной ширины дополнительных щеток, а набегающие края расположены по одной линии, параллельной оси коллектора. 9. Узел по пп. 1 и 7, отличающийся тем, что основная и одна дополнительная щетки выполнены одинаковой тангенциальной ширины и смещены в разные тангенциальные направления одна относительно другой и других дополнительных щеток на величину одного выступа. 10. Узел по пп. 1, 7 9, отличающийся тем, что выступы со стороны рабочей поверхности снабжены пазами или пазами, залитыми изоляцией, или выполнены слоеными, связанными со щеткой искрогасителями.